TECHNIEKEN EN PROJECTEN VOOR DE AFVANG VAN CO 2 BIJ DE PRODUCTIE VAN PORTL ANDCEMENTKLINKER CO 2 -afvang bij de productie van cement De route naar klimaatneutraal cement en beton bestaat uit meerdere stappen, waaronder het efficiënter ontwerpen van beton- constructies en het vervangen van fossiele brandstoffen. Ook zal wereldwijd het aandeel portland- cementklinker in cement verder worden verlaagd door gebruik van alternatieven zoals gecalci- neerde klei en gerecyclede cementsteen. Portlandcement - klinker blijft echter onmisbaar als basis voor cement. Bij de produc - tie hiervan komt door het verhit - ten van kalksteen onvermijdelijk veel CO 2 vrij. Het afvangen van CO 2 is daarom een belangrijk onderdeel van de route naar CO 2- neutraal cement en beton. Voor deze carbon capture bestaan ver - schillende technieken. Actuele projecten tonen de potentie aan. 18 VAKBL AD 1 2024 Auteur ir. Edwin Vermeulen MBA, Cement&BetonCentrum WA AROM CO 2-AFVANG? Bij de productie van de belangrijkste grondstof voor cement, portlandcement - klinker, komt veel CO 2 vrij. Het grootste gedeelte komt vrij bij het verhitten van kalksteen. Bij ongeveer 900 °C wordt de kalk - steen (CaCO 3) omgezet in vrije kalk (CaO) en CO 2. Het gaat om ongeveer 510 kg CO 2 per ton klinker. Daarnaast komt er CO 2 vrij door gebruik van brandstoffen voor het verhitten BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 18BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 18 01-03-2024 09:5401-03-2024 09:54 1 De eerste fabriek ter wereld waar grootschalig CO 2 wordt afgevangen is de fabriek van Heidelberg Materials in Noorwegen (Brevik) 19 VAKBL AD 1 2024 van de cementoven. Voor de brandstoffen zijn alternatieven in gebruik (secundaire brand - stoffen) en in ontwikkeling (groene water - stof), maar het vrijkomen van CO 2 uit kalk - steen kan niet worden voorkomen. Daarom w ordt er door de cementindustrie hard gewerkt aan de ontwikkeling van technieken om deze CO 2 af te vangen en ver volgens elders te gebruiken of op te slaan. In dit artikel gaat het voornamelijk om de eerste stap: het afvan - gen van CO 2. Alle in ontwikkeling zijnde technieken om CO 2 af te vangen, richten zich op het concentreren van de CO 2. De rookgassen van een cemento- ven bevatten namelijk grofweg 25% CO 2 en dat is veel te laag om het efficiënt te kunnen afvan- gen en te gebruiken of op te slaan. In dit artikel wordt ingegaan op drie verschillende technie - ken voor het concentreren van de vrijkomende CO 2: oxyfuel, amines en separate calcinatie (Leilac). Er wordt natuurlijk ook gekeken naar alternatie - ven voor portlandcementklinker. Maar vanwege de enorme vraag naar cement, de beschikbaar - heid van grondstoffen en de chemische rand- voorwaarden zal portlandcementklinker voor het grootste deel de basis blijven voor cement. Lees over de achtergrond hier van en over mogelijke alternatieven voor portlandcement - klinker het artikel 'CO 2-reductie: opties voor cement' (Betoniek 2019/3 en Cement 2020/1). OX YFUEL De eerste techniek waar we naar kijken wordt aangeduid met de term oxyfuel en betreft kort samengevat het gebruik van zuivere zuurstof in plaats van lucht voor het brandproces in de klinkeroven. Principe oxyfuel In een cementoven wordt lucht geblazen om de voor het verhitten van de oven gebruikte brand- stoffen van zuurstof te voorzien. Het gaat om grote hoeveelheden lucht, waardoor de CO 2 die vrijkomt uit de kalksteen en uit de brand- stoffen sterk wordt verdund. Lucht bestaat immers uit 78% stikstof en 21% zuurstof. Bij het 'pure' oxyfuel-proces wordt in plaats van lucht uitsluitend zuivere zuurstof in de oven geblazen, waardoor de rookgassen hoofdza- kelijk uit CO 2 bestaan. Er komt tenslotte geen stikstof meer in de oven en de zuurstof rea- geert met de brandstoffen tot CO 2. Door de hoeveelheid zuurstof af te stemmen op de voor de brandstoffen benodigde hoe - veelheid, ontstaat er samen met de CO 2 uit de kalksteen een CO 2-concentratie van meer dan 90%. Door deze hoge CO 2-concentratie hoeven de rookgassen alleen nog ontdaan te worden van waterdamp en wat verontreini- gingen. Daarna kan de CO 2 worden gecom- primeerd en getransporteerd voor opslag of gebruik. BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 19BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 19 01-03-2024 09:5401-03-2024 09:54 2 Schematische weergave van de nieuw te bouwen installaties bij de cementfabriek in Lägerdorf. In blauw de nieuwe oxyfuel ovenlijn en in geel de installatie voor het afvangen van CO 2 20 VAKBL AD 1 2024 Het klinkt als een eenvoudige oplossing, maar er komt een hoop bij kijken. Zo moet het brand- proces worden aangepast omdat er door het gebruik van pure zuurstof anders hogere ver - brandingstemperaturen zouden ontstaan. Er moet uiteraard zeer veel zuivere zuurstof wor - den geproduceerd (voor een gemiddelde klin- keroven zo'n 30 ton zuurstof per uur) waar voor een luchtsplitsingsinstallatie nodig is. En de gehele ovenlijn moet zo luchtdicht mogelijk worden gemaakt, wat bij de hoge temperatu- ren en draaiende delen niet eenvoudig is. Catch4climate Het principe van oxyfuel is jaren geleden bedacht en zelfs al in een proefinstallatie getest in 2017. Vier cementproducenten, Dyc - kerhoff, Heidelberg Materials, Schwenk en Vicat, werken nu samen aan het project catch- 4climate, waarin het principe op grote schaal zal worden toegepast. Voor dit project wordt door thyssenkrupp Polysius in Duitsland een demonstratiefabriek op semi-industriële schaal gebouwd bij de cementfabriek van Sch- wenk in Mergelstetten. Het wordt de eerste fabriek gebaseerd op het oxyfuel-principe. In de fabriek zijn op basis van de er varingen met de eerdere proefinstallatie de nodige verbete - ringen doorgevoerd. De productielijn, die naar verwachting eind 2024 operationeel zal zijn, kan 450 ton klinker per dag produceren. Ter vergelijking: met een reguliere klinkeroven kan een paar duizend ton klinker per dag wor - den geproduceerd. De installatie heeft dus weliswaar een forse schaalgrootte, maar is niet direct bedoeld als productielocatie. De instal- latie dient vooral voor verder onderzoek en ontwikkeling van de oxyfuel-techniek. Volledige afvang van CO 2 met oxyfuel De 'pure' oxyfuel-technologie is veelbelovend. Zowel de CO 2 van de calcinatie van kalksteen als de CO 2 van de brandstoffen worden hier - mee geconcentreerd afgevangen, zonder com- plexe systemen om de CO 2 uit de rookgassen te halen en te concentreren. De deelnemende producenten verwachten na succesvolle afronding van dit project deze technologie op volledige industriële schaal te kunnen gaan toepassen. Twee projecten voor het met behulp van oxy - fuel volledig afvangen van CO 2 op industriële schaal zijn al gestart. Het betreft het project GeZero van Heidelberg Materials voor de cementfabriek in Geseke en het project Car - bon2Business van Holcim voor de cementfa- briek in Lägerdorf. De er varingen van het catch4climate-project zullen worden benut bij de bouw van de nieuwe ovens, waarmee in 2026 zal worden begonnen. Naar verwachting zal vanaf 2029 de cementproductie bij deze fabrieken volledig klimaatneutraal zijn. Combinatie met windenergie en waterstof ? WESTKÜSTE100 Bij de fabriek van Holcim in Lägerdorf (fig. 2) zal de voor het oxyfuel-proces benodigde zuurstof afkomstig zijn van de productie van waterstof met windenergie. Het betreft het project WESTKÜSTE100 (fig. 3) in Sleeswijk- Holstein, de noordelijkste deelstaat van Duits - land, waar tien partijen vanuit diverse indus - trieën samenwerken aan het opzetten van een regionale groene waterstofeconomie. Bij dit project wordt de productie van waterstof uit windenergie op ingenieuze wijze gecombi- neerd met het afvangen van de CO 2 die vrijkomt bij de productie van cement, de productie van synthetische kerosine en het verwarmen van huizen. Met windenergie wordt door middel van een elektrolyse-installatie van 30 MW waterstof en zuurstof geproduceerd. De zuurstof wordt gele - verd aan de cementfabriek van Holcim. De CO 2 van de cementfabriek wordt samen met water - Door de cementindustrie wordt hard gewerkt aan de ontwikkeling van technieken om CO 2 af te vangen BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 20BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 20 01-03-2024 09:5401-03-2024 09:54 4 De bouw van de benodigde installaties van Brevik CSS is in volle gang. Hier wordt een zogenoemde absorber column geïnstalleerd, waarin de rookgassen door een oplossing van amines zullen worden geleid 3 S chema van het totale project WESTKÜSTE100 21 VAKBL AD 1 2024 stof omgezet in methanol en ver volgens geraffi- neerd tot synthetische kerosine. De waterstof kan ook worden gebruikt om rechtstreeks hui- zen te verwarmen. Wanneer er een overschot aan waterstof is kan deze worden opgeslagen. Bij de cementfabriek zal met behulp van oxy - fuel alle vrijkomende CO 2, 1,2 miljoen ton per jaar worden afgevangen. Hierdoor zal deze fabriek al voor 2030 klimaatneutraal zijn. AMINES De eerste fabriek ter wereld waar grootschalig CO 2 zal worden afgevangen, is de fabriek van Heidelberg Materials in Noorwegen (Brevik). Al in 2024 zal hier CO 2 worden afgevangen, met behulp van amines. Bij deze techniek wordt kort samengevat CO 2 uit de rookgassen gehaald en daarna geconcentreerd. Brevik CCS In Brevik wordt nu volop gebouwd aan de installaties die nodig zijn om CO 2 die vrijkomt bij de productie van portlandcementklinker vanaf eind 2024 af te vangen en permanent op te slaan. Aan dit project, Brevik CCS (Carbon Capture and Storage), zijn natuurlijk de nodige studies voorafgegaan. Al vanaf 2005 werd nagedacht over mogelijkheden om de vrijko- mende CO 2 af te vangen. Op kleine schaal werd bij de cementfabriek in 2014 de technologie getest om met amines CO 2 uit de rookgassen te kunnen halen. Een haalbaarheidsonderzoek werd in 2016 afgerond. Het Brevik CCS-project werd gestart in 2020 (foto 4) en is onderdeel van het project Longship van de Noorse over - heid. Dit Longship-project omvat naast de CO 2-afvang bij de cementproductie ook de afvang van CO 2 van een afvalenergiecentrale in Oslo, het transport per schip van vloeibare CO 2 naar een CO 2-ontvangstterminal aan de Noorse kust en het vandaaruit via een pijplei- ding transporteren van de CO 2 naar de perma- nente opslaglocatie onder de Noordzee. Bij de cementfabriek zal jaarlijks 400.000 ton CO 2 BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 21BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 21 01-03-2024 09:5401-03-2024 09:54 6 Permanente opslag van CO 2 op een diepte van 1 tot 2 km onder de zeebodem (bron: www.brevikccs.com) koeler 150 °C 30 °C absorberopname CO CO -vrije rookgassen desorber afgifte CO 120 °C 30 °C opslag vloeibare CO 15 bar -26 °C rookgassen restwarmte CO 5 Schematische weergave van CO 2-afvang met amines Er worden drie technieken voor het concentreren van de vrijkomende CO 2 besproken: oxyfuel, amines en separate calcinatie (Leilac) 22 VAKBL AD 1 2024 worden afgevangen, ongeveer 50% van de totale CO 2-emissie. CO 2-afvang met amines De technologie die gebruikt gaat worden om CO 2 af te vangen, is ontwikkeld door de firma Aker Carbon Capture. Deze technologie, die voor diverse industrieën geschikt is, maakt gebruik van zogeheten amines. Amines lijken op ammo - niak, dat bestaat uit een stikstofatoom en drie w aterstofatomen (NH 3). Amines bestaan uit een stikstofatoom met daaraan ten minste een kool - stofatoom en verder waterstofatomen (bijvoor - beeld NCH 5). Amines kunnen CO 2 bij lage tem- peratuur (30 °C) opnemen en bij hogere t emperatuur (120 °C) weer afgeven (fig. 5). De rookgassen van de cementoven worden eerst ontdaan van verontreinigingen, met name van stof, zwavel en stikstofoxiden. Daarna wor - den de rookgassen door een oplossing van ami- nes geleid. De CO 2 bindt zich aan de amines, waardoor de rookgassen worden ontdaan van CO 2. De CO 2-rijke amineoplossing wordt ver - volgens met restwarmte van het ovenproces verhit, waardoor de CO 2 weer vrijkomt en kan worden opgevangen. De CO 2-arme amineop- lossing kan ver volgens na afkoelen weer wor - den hergebruikt in het proces. Met deze tech- niek kan tot 99% van de CO 2 uit de rookgassen worden gefilterd. Opslag onder de zeebodem In plaats van vrijkomen van CO 2 in de atmosfeer wordt met dit project CO 2 permanent diep onder de grond opgeslagen in geologische formaties (fig. 6). Noorwegen heeft al uitgebreide er va- ring met de opslag van CO 2 onder de zeebodem. Sinds 1996 is meer dan 1 miljoen ton CO 2 afge - vangen en opgeslagen. Voor het Longship-pro- ject wordt een derde opslaglocatie ontwikkeld. Opslag onder de zeebodem is niet alleen per - manent en veilig, maar er is ook zeer veel opslagcapaciteit. Uit onderzoek is gebleken dat alleen al het Noorse deel van het continentaal plat ruimte biedt voor opslag van 80 miljard ton CO 2, wat overeenkomt met de totale Noorse CO 2-uitstoot gedurende 1000 jaar. SEPAR ATE CALCINATIE (LEIL AC) Als derde en laatste techniek kijken we naar de separate afvang van de CO 2 die vrijkomt bij de calcinatie van de kalksteen. Deze CO 2 is heel zuiver, maar komt bij het normale productiepro- BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 22BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 22 01-03-2024 09:5401-03-2024 09:54 8 De demons tratie-installatie bij Heidelberg Materials in Lixhe 7 Een stalen buis wordt van buitenaf verhit, waardoor kalksteen binnenin de buis wordt gesplitst in calciumoxide (CaO) en zuivere CO 2, die ver volgens kan worden afgevangen 23 VAKBL AD 1 2024 ces vrij samen met de CO 2 van de brandstoffen en de overige rookgassen. Techniek separate calcinatie Het idee is simpel. Het grootste gedeelte van de CO 2 bij de productie van portlandcement - klinker komt vrij bij het verhitten van de kalk - steen. Door de kalksteen in een aparte buis te verhitten, waarbij het verhitten aan de buitenzijde van de buis plaatsvindt, kan er z uivere CO 2 vrijkomen en worden opgevangen (fig. 7). De praktijk is natuurlijk een stuk lastiger. Bij deze hoge temperaturen is het normaliter wenselijk de oven te bekleden met vuur vaste stenen, maar vanwege de benodigde warmte - overdracht is dat niet mogelijk. Er worden dus nogal wat eisen gesteld aan de voor de installa- ties toe te passen materialen. Leilac-1 In 2019 werd bij de fabriek van Heidelberg Materials in Lixhe (foto 8) een demonstratie- installatie voor separate afvang van de CO 2 van de kalksteen geopend. Deze installatie staat bekend onder de naam Leilac, dat staat voor Low Emissions Intensity Lime And Cement. Aan dit project werken diverse cement- en kalksteenproducenten mee, naast diverse ken - nisinstellingen. Doel was de techniek, oor - spronkelijk ontwikkeld voor magnesiumcarbo- naat door de Australische firma Calix, te testen v oor de calcinatie van kalksteen. De schaal is beperkt (25.000 ton CO 2 per jaar) en de CO 2 wordt niet afgevangen. Maar het doel was vooral te bepalen of deze techniek geschikt is voor de hogere temperaturen die nodig zijn voor de calcinatie van kalksteen. In 2021 werd geconstateerd dat met deze techniek CO 2 kan worden afgevangen met een concentratie van minimaal 95%, dat het totale energieverbruik niet toeneemt en dat de reactor niet wezenlijk wordt aangetast door de langdurig hoge tem - peraturen. Uiteraard is er een heel traject aan de bou w voorafgegaan, waaronder onderzoek naar de meest geschikte materialen. Leilac-2 Hoewel het onderzoek bij de demonstratiefa- briek in Lixhe nog volop doorgaat is er in 2020 g estart met een nieuw project voor de bouw van een grotere demonstratiefabriek. Deze fabriek wordt gebaseerd op hetzelfde pr incipe, maar met de nodige verbeteringen ten opzichte van Leilac-1. De nieuwe demonstra - tiefabriek zal worden gebouwd bij de cement - fabriek van Heidelberg Materials in Hannover en g eschikt zijn om 100.000 ton CO 2 per jaar mee te kunnen afvangen. Ook aan dit project werken weer meerdere cementproducenten en kalksteenproducenten samen met kennispart - ners om de technologie verder te verbeteren. KLIMA ATNEUTR A AL UITERLIJK IN 2050 Het afvangen van CO 2 is een essentieel onder - deel van de route naar klimaatneutraal beton: naar v erwachting moet ongeveer een derde van de totale CO 2-reductie, die nodig is om beton klimaatneutraal te maken, komen van CO 2- afvang en opslag of gebruik (Carbon Capture and Storage (CCS) of Carbon Capture and Utili - zation (C CU)). Dit is technologisch en econo - misch de moeilijkste stap naar CO 2-neutraal beton. Desondanks zijn er in Europa meerdere projecten die al voor 2030 zullen resulteren in gedeeltelijk of geheel klimaatneutraal cement, waarmee de cementindustrie duidelijk op koers ligt om cement en beton uiterlijk in 2050 volle - dig klimaatneutraal te kunnen produceren. BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 23BV 01-2024_CO2-afvang bij de productie van cement.indd 23 01-03-2024 09:5401-03-2024 09:54