Zement neu gedacht: Solarstrahlung ersetzt fossile Brennstoffe
DLR entwickelt Zementproduktion mit Solarenergie. Bis zu 90 % weniger CO₂ möglich. Erste Tests zeigen stabile Ergebnisse im Hochtemperaturprozess.
Arbeiten am Drehtrommelofen: In solchen Anlagen wird Kalkstein bei hohen Temperaturen kalziniert – ein zentraler Schritt der Zementherstellung, der künftig durch Solarenergie klimafreundlicher werden soll.
Foto: DLR, CC BY-NC-ND 3.0
Zement ist einer der meistgenutzten Baustoffe weltweit. Gleichzeitig gehört seine Herstellung zu den größten industriellen CO₂-Quellen. Rund 8 % der globalen Emissionen gehen darauf zurück. Der größte Teil entsteht nicht durch Energieverbrauch, sondern direkt im chemischen Prozess. Genau hier setzt ein Projekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) an – mit konzentrierter Sonnenstrahlung als Wärmequelle.
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Der eigentliche Emissionshebel liegt im Prozess
Im Zentrum der Zementproduktion steht die Kalzinierung. Dabei wird Kalkstein (CaCO₃) bei Temperaturen von über 900 °C zu Kalziumoxid (CaO) umgesetzt. Dieser Schritt setzt CO₂ frei. Und zwar unabhängig davon, ob die Wärme aus Kohle, Gas oder Strom stammt. Etwa 60 % der Emissionen entstehen genau hier.
Das DLR-Projekt „CemSol“ zielt deshalb nicht nur auf die Energiequelle, sondern auf den Prozess selbst. Die Idee: Hochtemperaturwärme wird durch konzentrierte Solarstrahlung erzeugt. Gleichzeitig wird das freigesetzte CO₂ in einem Kreislaufprozess gebunden. Technisch basiert das auf dem sogenannten Calcium-Looping.
Dabei wird Kalziumoxid wieder mit CO₂ zu Kalziumkarbonat umgesetzt und erneut kalziniert. Der Prozess ist als geschlossener Kreislauf ausgelegt. In der Praxis treten jedoch Materialverluste und Nebenreaktionen auf, die berücksichtigt werden müssen.
Sonnenenergie als Hochtemperaturquelle
Solarthermie kann Temperaturen erreichen, die für industrielle Prozesse ausreichen. Genau das macht den Ansatz interessant. Denn Hochtemperaturprozesse gelten als schwer elektrifizierbar. Strom allein würde die Netze zusätzlich belasten.
Das DLR setzt daher auf einen Energiemix: „Der Schlüssel zu einer klimafreundlicheren Nutzung unserer Ressourcen liegt in einem Mix aus unterschiedlichen Energiequellen“, sagt Projektleiter Gkiokchan Moumin vom DLR-Institut für Future Fuels. „Dabei kann konzentrierte Sonnenenergie effizient für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden.“
Der Vorteil liegt im System: Ein Teil der Wärme wird direkt aus Sonnenstrahlung gewonnen. Das reduziert den Bedarf an fossilen Brennstoffen und entlastet gleichzeitig die Strominfrastruktur.
Bestrahlung des Solarreaktors: Gebündelte Strahlung liefert die nötige Hochtemperaturwärme für die Kalzinierung – ein Ansatz, der fossile Brennstoffe in der Zementproduktion ersetzen soll.
Foto: DLR, CC BY-NC-ND 3.0
Der Solarreaktor im Praxistest
Kern der Technologie ist ein spezieller Reaktor, in dem die Kalzinierung mit konzentrierter Strahlung erfolgt. Getestet wurde das Konzept mit dem Sonnensimulator „Synlight“. Die Anlage erzeugt künstlich gebündelte Strahlung mit hoher Intensität.
In einer mehrmonatigen Kampagne führte das DLR 25 Tests durch. Die Leistung lag bei bis zu 65 kW. Pro Stunde wurden 15 bis 50 kg Kalksteinpartikel verarbeitet. Das Ergebnis: vollständige Kalzinierung unter stabilen Bedingungen.
Die Dimension ist relevant. Laut DLR handelt es sich um die bislang größte Anlage zur solaren Kalzinierung. Insgesamt wurden mehr als 90 Proben entnommen. Diese analysieren die Forschenden aktuell im Detail. Im Fokus stehen Materialeigenschaften, Reaktionsverhalten und mögliche Alterungseffekte.
Parallel dazu laufen Simulationen. Sie untersuchen den Wärmetransport im Reaktor und die Bewegung der Partikel. Diese Daten sind entscheidend für die nächste Entwicklungsstufe.
Skalierung bleibt die zentrale Hürde
Die Versuche zeigen: Das Verfahren ist technisch machbar. Offen bleibt jedoch, ob sich der Prozess in den industriellen Dauerbetrieb überführen lässt.
Zement wird weltweit in Milliarden Tonnen produziert. Jede Tonne verursacht im Schnitt etwa 0,5 t CO₂. CemSol adressiert gezielt die prozessbedingten Emissionen der Kalzinierung. In diesem Teilbereich sind Reduktionen von über 90 % möglich. Die übrigen Emissionen – etwa aus Transport, Rohstoffaufbereitung oder Mahlprozessen – bleiben bestehen.
Hinzu kommt die Standortfrage. Solarthermische Anlagen benötigen hohe direkte Sonneneinstrahlung. Innerhalb Europas eignen sich vor allem südliche Regionen. In Mitteleuropa ist die Nutzung eingeschränkt. Realistisch sind hier hybride Systeme, die Solarthermie mit elektrischer oder konventioneller Wärme kombinieren.
Bedeutung für Industrie und Anlagenbau
Trotz dieser Einschränkungen bleibt der Ansatz interessant. Denn gerade Hochtemperaturprozesse entscheiden darüber, wie schnell sich Industrie überhaupt klimafreundlicher aufstellen lässt. Wer hier Lösungen entwickelt, trifft nicht nur einen einzelnen Sektor, sondern gleich mehrere gleichzeitig.
Für den Anlagenbau eröffnet sich damit eine neue Perspektive. Solare Prozesswärme könnte künftig in unterschiedlichen Industrien eingesetzt werden – von der Stahlproduktion über die Chemie bis hin zur Keramik.
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