CO2 Emissionen Zementindustrie : Sauerstoff in der Zementherstellung: Wenn Luft im Drehrohrofen zum Effizienzproblem wird

Kaum ein Baustoff ist so unverzichtbar wie Zement. Und kaum einer steht klimapolitisch so stark unter Druck. Der Grund liegt nicht nur im Brennstoffverbrauch der Werke. Ein großer Teil der Emissionen entsteht direkt im Prozess, wenn Kalkstein im Klinkerbrennprozess entsäuert und bei rund 1.450 Grad Celsius zu Klinker gebrannt wird. Wer die Zementherstellung effizienter machen will, stößt deshalb rasch an physikalische, chemische und wirtschaftliche Grenzen.

Moderne Öfen, Wärmetauscher und Klinkerkühler haben die thermische Effizienz der Zementherstellung über Jahrzehnte verbessert. Viele naheliegende Effizienzhebel sind damit bereits genutzt. Weitere Verbesserungen hängen stark vom konkreten Werk ab: von Ofentechnik, Rohmaterial, Brennstoffmix, Abgasreinigung und Investitionszyklus. Genau deshalb rücken Stellgrößen in den Fokus, die den bestehenden Prozess nicht vollständig verändern, aber im laufenden Ofenbetrieb Wirkung zeigen können. Eine davon ist Sauerstoff.

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In der österreichischen Zementindustrie werden laut VÖZ rund zwei Drittel der direkten CO₂-Emissionen durch die Entsäuerung des Kalksteins verursacht und ein Drittel durch die Verbrennung von Brennstoffen. Beim brennstoffbedingten Anteil hat die Branche in den vergangenen Jahren stark umgestellt: 2024 lag der Anteil von Ersatzbrennstoffen (EBS) am thermischen Gesamtenergieeinsatz bei 87,72 Prozent. Insgesamt wurden 529.006 Tonnen Ersatzbrennstoffe eingesetzt, darunter Kunststoffabfälle, Altreifen, Altöl, Lösungsmittel, Papierfaserreststoffe und weitere Stoffströme. (Mauschitz/TU Wien, Berichtsjahr 2024)

Das senkt den Bedarf an klassischen fossilen Brennstoffen. Für den Ofenbetrieb wird es dadurch aber nicht automatisch einfacher. Ersatz- und Sekundärbrennstoffe unterscheiden sich in Heizwert, Feuchte, Korngröße, Aufbereitung und Verbrennungsverhalten. Was betriebswirtschaftlich und ressourcenseitig sinnvoll ist, kann am Hauptbrenner neue Anforderungen erzeugen: Die Flamme muss stabil bleiben, der Ausbrand muss passen, lokale Reduktionszonen sind zu vermeiden und die Klinkerqualität darf nicht schwanken.

Hier setzt Sauerstoffanreicherung an. Gemeint ist damit die gezielte Zugabe von Sauerstoff zur Verbrennungsluft oder direkt in den Bereich der Drehofenflamme. Sie soll die Verbrennung dort unterstützen, wo Brennstoffe schwieriger zünden oder ungleichmäßiger abbrennen.

Wie weit Sauerstoffanreicherung in der Praxis gehen kann, hat unter anderem das Forschungsinstitut der Zementindustrie des VDZ, des Vereins Deutscher Zementwerke, untersucht. Im IGF-Forschungsvorhaben „Prozessstabilisierung bei hohem Sekundärbrennstoffeinsatz durch Sauerstoffeindüsung bei Drehofenanlagen der Zementindustrie“ wurden über mehrere Wochen Betriebsversuche an Ofenanlagen durchgeführt. Im Fokus standen die Auswirkungen auf Klinkerqualität, Ofenbetrieb, Alternativbrennstoffeinsatz und Abgaszusammensetzung. (Quelle: VDZ/FIZ, IGF-Vorhaben 16980 N)

Die Ergebnisse zeigen: Wird Sauerstoff gezielt an der Drehofenflamme eingebracht, kann er die Verbrennung intensivieren, die Zündung der Brennstoffe unterstützen und lokal reduzierenden Brennbedingungen entgegenwirken. Relevanz hat das vor allem bei heterogenen oder niederkalorischen Brennstoffen, die schwieriger zünden oder ungleichmäßiger ausbrennen. Bei größeren oder feuchten Ersatzbrennstoffpartikeln verlängern sich Trocknung, Pyrolyse und Ausbrand. Gelangen diese Partikel bis ins Klinkerbett, können lokal reduzierende Bedingungen entstehen, die unter anderem die Bildung von FeO, also Eisen(II)-oxid im Klinker, begünstigen.

Ein weiterer Grund liegt in der Zusammensetzung der Verbrennungsluft: Ein großer Teil der Luft besteht aus Stickstoff, der im Prozess mit aufgeheizt wird, ohne selbst zur Verbrennung beizutragen. Sauerstoffanreicherung setzt daher nicht nur bei der Zündung an, sondern verändert lokal auch Temperaturprofil, Flammenlänge und Wärmeübertragung.

Wie der Sauerstoff in den Drehrohrofen gelangt, hängt von Ziel und Anlagensituation ab. Silvio Hödl, Technischer Vertrieb Metallurgie & Industrielle Anwendungen bei Messer Austria, nennt dafür drei gängige Wege: die Anreicherung der Primärluft, die direkte Eindüsung über Sauerstofflanzen und die Zerstäubung von Flüssigbrennstoffen mit Sauerstoff. Gemeinsam ist allen Varianten, dass Sauerstoff gezielt dort verfügbar gemacht wird, wo Zündung, Flammenführung oder Ausbrand verbessert werden sollen. 

Die Unterschiede liegen in der Wirkung. Primärluftanreicherung kann die Flammenlänge verkürzen und den Klinkerdurchsatz unterstützen. Sauerstofflanzen erzeugen lokal sauerstoffreiche Zonen im Brennraum und fördern das rasche Anbrennen alternativer Brennstoffe. Wird Sauerstoff als Zerstäubungsmedium eingesetzt, kann das bei flüssigen Brennstoffen auch die Verbrennung umliegender fester Sekundärbrennstoffe begünstigen und dazu beitragen, den FeO-Gehalt im Klinker zu senken.

Wie stark sich diese Effekte auswirken, zeigt sich jedoch erst an der konkreten Ofenlinie. In den VDZ-Versuchen war der Sauerstoffeinsatz bei einer Ofenanlage mit Vorkalziniertechnik und Tertiärluftleitung wirksamer als bei einer konventionellen Ofenanlage, weil bei gleicher spezifischer Sauerstoffmenge höhere Sauerstoffkonzentrationen in der Flamme erreicht wurden. Zugleich zeigte sich bei einer Anlage eine Zunahme der NOx-Bildung in der Drehofenfeuerung. NOx bezeichnet Stickstoffoxide, die bei Verbrennungsprozessen entstehen und in Zementwerken über Prozessführung und Abgasreinigung begrenzt werden müssen.

Damit ist Sauerstoffanreicherung als ein Eingriff in die Feuerungsführung zu verstehen. Sie kann den Ofenbetrieb stabilisieren, verschiebt aber zugleich die Anforderungen an Dosierung, Brennerführung und Emissionsmanagement.

Der Nutzen von Sauerstoffanreicherung bemisst sich an der Gesamtbilanz der Ofenlinie. Eine UBA-Studie zur Material- und Energieeffizienz in der Zementindustrie, erstellt von der VDZ gGmbH, ordnet Sauerstoffeindüsung als Technologie ein, mit der sich der Einsatz alternativer Brennstoffe verbessern und der Ofenbetrieb stabilisieren lässt. Zugleich macht die Studie deutlich, dass die Wirtschaftlichkeit vom jeweiligen Werk abhängt – unter anderem von Sauerstoffpreis, Brennstoffmix, Prozess-Know-how und der Frage, ob Sauerstoff tatsächlich einen bestehenden Engpass löst. (Quelle: UBA/VDZ 2020)

Genau darin liegt der praktische Ansatz. Sauerstoffanreicherung ist besonders dort interessant, wo hohe Ersatzbrennstoffanteile, schwankende Heizwerte oder schwieriger Ausbrand den Ofenbetrieb belasten. In solchen Fällen kann zusätzlicher Sauerstoff helfen, die Verbrennung gezielter zu führen, Brennstoffschwankungen besser abzufangen und die Prozessstabilität zu erhöhen. Auch Messer Austria verortet die Anwendung in diesem Umfeld: Sauerstoff soll im Drehrohrofen dazu beitragen, den Einsatz von Ersatz- und Sekundärbrennstoffen zu unterstützen. Der Nutzen entsteht also nicht durch Sauerstoff als Zusatzmedium an sich, sondern durch seine Wirkung auf konkrete Betriebsbedingungen.

Eine allgemeingültige technische Grenze lässt sich deshalb kaum ziehen. Silvio Hödl ordnet jeden Prozess als Spezialfall ein: Ofengröße, Rohmaterial, Brennerposition, Brennstoffmix und lokale Anlagenbedingungen unterscheiden sich von Werk zu Werk. In der Praxis führt der Weg daher meist über Versuche direkt am Produktionsofen. Dabei werden über Wochen oder Monate unterschiedliche Szenarien getestet, Messdaten ausgewertet und die Effekte auf Qualität, Ofenbetrieb und Wirtschaftlichkeit bewertet. Erst danach lässt sich belastbar abschätzen, ob Sauerstoff im jeweiligen Prozess sinnvoll eingesetzt werden kann. 

Wo eine Ofenlinie bereits stabil läuft und der Brennstoffmix gut beherrscht wird, fällt die Bewertung anders aus. Denn technischer Sauerstoff muss erzeugt, geliefert oder vor Ort bereitgestellt werden; die Luftzerlegung ist energieintensiv. Für Betreiber geht es daher weniger um ein grundsätzliches Ja oder Nein zur Technologie, sondern um die Frage, ob Sauerstoffanreicherung im konkreten Werk einen Engpass löst, etwa bei Brennstoffflexibilität, Ausbrand, Ofenstabilität oder Verfügbarkeit.

Sauerstoffanreicherung und Oxyfuel werden oft in einem Atemzug genannt, verfolgen aber unterschiedliche Ziele. Bei der Sauerstoffanreicherung wird der bestehende Ofenbetrieb punktuell unterstützt, etwa an der Drehofenflamme. Der Prozess bleibt im Kern ein Luftverbrennungsprozess.

Oxyfuel verändert den Prozess grundsätzlicher. Dabei wird der Klinkerbrennprozess nicht mit normaler Luft geführt, sondern mit Sauerstoff und rückgeführtem beziehungsweise aufbereitetem CO₂. Dadurch entsteht ein CO₂-reicherer Abgasstrom, der für spätere Abscheidung, Nutzung oder Speicherung besser geeignet ist.

Damit verschiebt sich die Fragestellung: vom stabilen Brennprozess zur Standort- und Infrastrukturstrategie. Wer über industrielle CO₂-Abscheidung spricht, muss deshalb nicht nur die Ofentechnik betrachten, sondern auch Abscheidung, Aufbereitung, Transport, Nutzung, Speicherung und Kosten. In Österreich rückt genau diese Abgasfrage bereits in konkrete Industrieprojekte.

Wie stark die Abgasfrage inzwischen in Richtung Industrieprojekt rückt, zeigt sich in Österreich gleich an mehreren Stellen. In Gmunden baut Rohrdorfer laut BMIMI Österreichs erste CO₂-Rückgewinnungsanlage in der Zementindustrie im großtechnischen Maßstab. Die Anlage soll jährlich 30.000 Tonnen CO₂ aus dem Rauchgas zurückgewinnen und damit laut Projektangaben die Produktion von 50.000 Tonnen CO₂-freiem Zement ermöglichen. Geplant ist die Inbetriebnahme im Spätherbst 2026; technisch setzt das Projekt auf kryogene Gastrennung. (Quelle: BMIMI Infothek)

Noch größer angelegt ist C2PAT+ in Mannersdorf. Holcim beschreibt das Projekt als durchgängige Wertschöpfungskette für CO₂-Abscheidung, Transport, Speicherung und spätere Nutzung. Vorgesehen ist eine Kombination aus Druckwechseladsorption (PSA) und kryogener Gastrennung. Genannt werden ein geschätztes Investitionsvolumen von 400 Millionen Euro und 750.000 Tonnen CO₂ pro Jahr, die erfasst und gebunden werden sollen. Eine Realisierung wird bis 2030 in Aussicht gestellt. (Quelle: Holcim Österreich)

Damit solche Projekte nicht bei einzelnen Anlagen stehen bleiben, braucht es auch Infrastruktur. Das FFG-Projekt „CCS-Hubs“ untersucht seit September 2025, welche geografisch kompakten Regionen sich für den Aufbau einer österreichischen CCS-Infrastruktur eignen. Im Fokus steht das Zusammenspiel von Industrieemittenten, Gasnetzbetreibern, Speicherbetreibern, Technologieanbietern und Regulierung. (Quelle: FFG Projektdatenbank)

Für die Sauerstoffanreicherung im Drehrohrofen sind diese Vorhaben kein direkter Anwendungsnachweis. Sie erklären aber, warum die Prozessführung im Ofen strategisch wichtiger wird. Wer künftig CO₂ abscheiden, aufbereiten oder weiterverwenden will, muss früher im Prozess wissen, wie Brennstoffmix, Sauerstoffeintrag, Abgasvolumen und Gasqualität zusammenspielen. Die operative Optimierung an der Flamme bekommt damit Anschluss an die größere Transformationsfrage der Zementindustrie.

Die Zementindustrie hat auf der Brennstoffseite bereits viel verändert. Ersatzbrennstoffe senken den Bedarf an Kohle, Öl und Gas, nutzen nicht-recycelbare Reststoffe und können Werke wirtschaftlich entlasten. Gleichzeitig verschieben sie die Anforderungen an den Ofenbetrieb: Je höher der Ersatzbrennstoffanteil und je heterogener die Brennstoffqualität, desto wichtiger werden stabile Flammenführung, verlässlicher Ausbrand und eine beherrschte Prozessführung.

Sauerstoffanreicherung setzt genau an dieser Schnittstelle an. Sie ist keine Dekarbonisierungslösung für die gesamte Zementherstellung, kann aber helfen, anspruchsvolle Brennstoffstrategien im laufenden Betrieb stabiler umzusetzen. Ihr Nutzen entscheidet sich dort, wo der Prozess eng geführt wird: an der Flamme, im Brennstoffmix und in der Emissionsführung.

In dieser Rolle ist Sauerstoffanreicherung keine große Erzählung, sondern eine präzise Stellgröße. Ob sie wirkt, entscheidet sich im konkreten Werk – technisch, wirtschaftlich und emissionsseitig.