Emissionen

Ihre CO2-Emissionen hat die Zementindustrie vorbildlich reduziert – gegenüber 1990 konnte der Ausstoss von Kohlendioxid durch primär fossile Brennstoffe bis heute um zwei Drittel gesenkt werden. Und die Zementhersteller werden sich nicht auf dem bisher Erreichten ausruhen. Mit innovativen Techniken und Prozessoptimierungen wollen sie auch künftig einen wertvollen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasen leisten.

Bei der Herstellung von Zement muss der sogenannte Zementklinker bei sehr hohen Temperaturen um 1’450 Grad Celsius in Drehrohröfen gebrannt werden. Das ist ein Vorgang, der viel Energie benötigt. Die Zementindustrie ist sich dessen bewusst und ist das Problem früh angegangen. Als erste Schweizer Industrie einigte sich die Zementbranche im Jahr 2002 mit dem Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) auf eine Zielvereinbarung zur Reduktion von CO2-Emissionen. Die Umsetzung war ein grosser Erfolg.

Reduktionsziel übertroffen

Angestrebt wurde eine Reduktion des CO2-Ausstosses aus primär fossilen Energieträgern bis zum Jahr 2010 um 44 Prozent im Vergleich zu 1990. Das Ziel wurde erreicht. Und die Emissionen konnten in den folgenden Jahren weiter gesenkt werden. Gegenüber 1990 konnte die Schweizer Zementindustrie ihren CO2-Ausstoss aus primär fossilen Brennstoffen bis heute um zwei Drittel gegenüber 1990 reduzieren. Dies gelang durch die Herstellung von klinkerärmeren Zementen. „Moderne, leistungsfähige Zemente bestehen aus verschiedenen Hauptbestandteilen. Der so genannten Klinkerfaktor, also der der Anteil des Portlandzements, konnte in den letzten Jahren stetig reduziert werden. Damit sanken die rohstoffbedingten CO2-Emissionen bei der Zementproduktion. Heute beinhalten fast 60 Prozente der gelieferten Zemente bis zu 35 Prozent an alternativen Zusatzstoffen“, erklärt Stefan Vannoni, Direktor von cemsuisse. Das Verbrennen von Öl und Kohle befindet sich generell auf dem Rückzug. Nicht nur die CO2-Emissionen wurden erfolgreich gesenkt. Auch der Ausstoss von Schadstoffen wie NOX oder Feinstaub kann dank neuen Techniken, Überwachungssystemen und innovativen Prozessoptimierungen stetig weiter reduziert werden.

Den eingeschlagenen Weg konsequent weitergehen

Die Schweizer Zementbranche will ihre Verantwortung gegenüber der Umwelt auch in Zukunft wahrnehmen. Wo immer technisch und wirtschaftlich möglich, wird sie Emissionen einsparen. Eng damit verzahnt ist aber auch die Investitionssicherheit – die Zementindustrie beruht auf langfristigen Investitionszyklen von mehreren Dekaden. Bereits heute laufen weitere Optimierungsmassnahmen und Prozessverbesserungen zur Steigerung der Energieeffizienz: So verwenden Zementwerke wenn möglich Förderbänder, die Energie in Form von Elektrizität zurückgewinnen. Ein Zementwerk im Berner Jura setzt Elektrokipplader ein. Die Zementindustrie forscht zudem an Möglichkeiten zur Speicherung oder Nutzung von CO2.

Ausgangslage

Die Herstellung von Beton benötigt Zement. Der wichtigste Bestandteil von Zement ist der Klinker, der die Bindereaktion des Betons zusammen mit Wasser auslöst. Die Klinkerpoduktion ist energieintensiv. Neben den CO2-Emissionen aus Brennstoffen verursacht sie aber auch CO2-Prozessemissionen, die bei der Kalzinierung, d.h. der Umwandlung von Kalkstein (CaCO3) zu gebranntem Kalk (CaO) entstehen. Der Kohlenstoff C aus dem Kalkstein wird so in die Atmosphäre freigesetzt.

Diese Prozessemissionen lassen sich nicht mit Effizienzsteigerungen des Brennvorgangs oder dem Einsatz von alternativen oder biogenen Brennstoffen senken. Sie sind unmittelbar mit der Herstellung von Zementklinker verbunden. Die Prozessemissionen machen zwei Drittel der CO2-Emissionen pro Tonne Zement aus.

Um in der Klimapolitik das Ziel von Netto Null zu erreichen, ist daher bei der Herstellung von Zement die Anwendung von Negativemissionen – z.B. mittels CCUS – unabdingbar. Die erfolgreiche Umsetzung bzw. Anwendung dieser Technologien ist herausforderungsreich. Die politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingen sind dafür elementar. Die Erreichung von Netto Null ist eine Herausforderung für Gesellschaft, Politik und Wirtschaft. Gleichzeitig sind die Forschungen und Erkenntnisse der CCUS-Technologien unterschiedlich weit gediehen bzw. erfolgreich. Das vorliegende Papier soll den aktuellen Stand der Arbeiten und Erkenntnisse skizzieren.

Abscheidung («Capture»)

Es gibt heute diverse erprobte und teilweise bereits erfolgreiche Technologien, um das CO2 abzuscheiden («CO2-Capture»). Bekannt sind die Ansätze des Abscheidens aus der Atmosphäre (Beispiel Climeworks). Nachteilig diesbezüglich ist, dass die Atmosphäre relativ wenig CO2 enthält (0.04 V-%). Erfolgversprechender ist es, das CO2 direkt aus einem Abgasstrom, welcher bis zu 1’000 Mal mehr CO2 enthalten kann, zu gewinnen. Der Abgasstrom aus Zementwerken mit ca. 20% Volumenanteilen CO2 eignet sich als grosse Punktquelle gut, um das CO2 anzureichern und damit abzuscheiden, da die Anreicherung aus konzentrierteren Quellen weniger Energie benötigt[1].

Zur Illustration der Abgasstrom aus den Schweizer Zementwerken betrug 2019 7.0 Mia. m3 Gas, davon 20% CO2, also 1.4 Mia. m3 CO2. Zusammen mit anderen Punktquellen (z.B. Industrie, KVA) liegt das Potential dieser Abscheidung bei rund 25% des gesamten Schweizer CO2-Ausstosses. Dabei dürfte der benötigte Energiebedarf bei ca. 39’000 GWh liegen, was mehr 60% der aktuellen Schweizer Stromproduktion entspricht.

Die Verwertung anfallenden Mengen werden auch eine logistische Herausforderung darstellen. Das CO2 muss entweder komprimiert oder in einer chemischen Reaktion gebunden werden, nur dann ist es transportfähig. Alleine die jährliche anfallende Menge aus den Zementwerken entspricht 21 Mio. Frachtcontainern (40 Fuss) oder mehr als dem Volumen des Bielersees (1.2 Mia m3).

Um das CO2-Capture durchzuführen müssen also grosse Mengen (erneuerbarer) Energie, sowie entsprechende Transportkapazitäten zur Verfügung stehen. Hier steht die Zementindustrie bzw. die Gesellschaft, welche das Baumaterial für verdichtetes Bauen benötigt, in Konkurrenz zum Einsatz von solchen Energiequellen für andere Wirtschaftszweige und Verbraucher.

Aktueller Stand und konkrete Beispiele

Im Projekt NORCEM wird die Abscheidung bereits erfolgreich bei einem Zementwerk durchgeführt. Mehr Details dazu sind im Kapitel 4 Speicherung zu finden.

Politische und wirtschaftliche Fragestellungen

Damit Industrien, wie auch die Zementindustrie, in solche Technologien investieren, müssen die der Atmosphäre oder Gasstrom entzogenen CO2-Mengen anrechenbar sein. Zudem stellt sich für die Politik die Frage, wie die enormen Energiemengen erzeugt, transportiert und eingekauft werden können, da sie in Zukunft sehr begehrt sein werden. Hier muss die Erstellung der entsprechend nötigen Infrastruktur für den CO2-Transport, wie auch den Energietransport politisch gefördert werden.

Es muss ferner klar sein, wo ein zurückgewonnenes CO2 eingesetzt werden kann. Ist der Einsatz von synthetischen Brenn- und Treibstoffen wirtschaftlich und gesellschaftlich erwünscht? Darf das gebundene CO2 im Boden gespeichert werden bzw. lässt sich dies zu verhältnismässigen Kosten umsetzen?

Nutzung («Use»)

CCU – also das «Carbon Capture and Use» bezeichnet den Vorgang, bei dem das CO2 direkt in einem Katalysator zu einem industriell verwertbaren Molekül reagiert, oder erst später verwertet wird. Ziel ist bei beiden Varianten die Verwertung des Kohlendioxids, sprich des Kohlenstoffs.

Geht es darum, Energie kurzfristig zu speichern, ist es vorstellbar, Methan (oder längere Alkane) zu erzeugen, welche in einer bestehenden Infrastruktur (z.B. Erdgasnetz) temporär gespeichert, transportiert und genutzt werden kann. Neben der Reaktion mit Methan sind auch Reaktionen mit organischen Molekülen vorstellbar, die das CO2 integrieren. Diese Moleküle sollten nachher in der chemischen Industrie Verwendung finden. Bei langlebigen Produkten darf hier sogar von einer Senkenleistung ausgegangen werden aufgrund des biogenen Anteils der in Zementwerken verwendeten Brennstoffen.

Beiden Varianten ist gemeinsam, dass auch hier eine ausreichende Menge (erneuerbarer) Energie zur Verfügung stehen muss. So hat ein Forschungsprojekt der cemsuisse zur CO2-Methanisierung gezeigt, dass allein für die Erzeugung des Wasserstoffs, der für die Methanisierung der Jahresmenge CO2 notwendig wäre, 24’000 GWh erneuerbare Energie benötigt würden. Dies entspricht fast der Hälfte der in der Schweiz konsumierten elektrischen Energie von 58’000 GWh (2015).

Aktueller Stand und konkrete Beispiele

Im Unterschied zur Abscheidung ist also die Nutzung noch weniger klar erforscht bzw. bestehen noch viele Unklarheiten. cemsuisse hat in einem Forschungsprojekt die Möglichkeit erforscht, CO2 direkt aus dem Abgasstrom mit Wasserstoff zu Methan zu reduzieren.

Es sind diverse Pilotprojekte von anderen Stakeholdern angedacht, es sind jedoch noch keine konkreten Informationen oder gar Resultate vorhanden.

Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen

Als Rahmenbedingungen, damit die Zementindustrie CCU durchführen kann, müssen einerseits die erneuerbare Energie verfügbar sein, wie auch ein Absatz für die hergestellten Produkte bestehen, da diese in so grosser Menge anfallen werden, dass sie nicht lange gelagert werden können. Als Partner hierfür sind die Gaswerke, Energieproduzenten und die chemische Industrie vorstellbar. Zudem muss genau geregelt werden, inwiefern die eingesparten Emissionen angerechnet werden können, ansonsten fehlt je nach Akteur jeglicher Anreiz.

Speicherung («Storage»)

CCS – Carbon Capture and Storage bezeichnet die dauerhafte Speicherung des CO2. Eine Nutzung von geologischem Speicher wie ausgeschöpfte Gas- und Erdölvorkommen bieten sich als ideale Speicherorte an. Dabei wird komprimiertes CO2 in diese Lagerstätten eingeführt. Bei der Speicherung sind noch viele Fragen offen. Die wichtigste Frage ist jene eines geeigneten und zugänglichen Lagerorts sowie die Dauerhaftigkeit der jeweiligen Lösung. Die Dauerhaftigkeit ist noch Gegenstand von diversen Studien, es gibt jedoch Forschungsergebnisse, die nahe legen, dass das CO2 dauerhaft durch Mineralisierung gebunden wird. Auch muss das CO2 – sofern es nicht am Ort der Abscheidung gelagert werden kann – teilweise über lange Strecken transportiert werden. Die Infrastruktur für diese grossen Mengen besteht heute nicht. Unter der Annahme, dass 3 MWh/t CO2 für CCS inkl. Transport benötigt werden, ergeben sich für die Schweizer Zementindustrie ein zusätzlicher Energiebedarf von 8’000 GWh erneuerbarer Energie. Dies ist mehr als das Doppelte der Energiemenge, die zur Produktion des Klinkers benötigt wird. Falls sich Lagerstätten in der Schweiz fänden, ist, wie bei vielen ähnlichen Projekten, mit dem Widerstand der Bevölkerung zu rechnen.

Aktueller Stand und konkrete Beispiele

CCS wird heute schon erfolgreich im grossen Rahmen von NORCEM in Norwegen getestet. Hierbei wird CO2 bei einem am Meer gelegen Zementwerk von NORCEM abgeschieden und verdichtet, dann per Schiff zu einer Storage Facility mit Pipeline zu einer Ölplattform gefahren, wo es in den Untergrund gepumpt wird. Ein Teil des CO2 sollte mit dem vorhandenen Gestein reagieren und dauerhaft gebunden werden.

Untersuchungen zeigen, dass CO2 für sehr lange Zeit sicher in ehemaligen Gas- und Ölfeldern gelagert werden kann. Dies ist nicht weiter verwunderlich, da ja auch Gas und Öl Jahrmillionen gelagert waren. Bei sorgfältiger Einbringung des CO2 lassen sich diese ehemaligen Lagerstätten auch in Zukunft nutzen[2].

Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen

Neben der Menge an erneuerbarer Energie ist beim CCS auch hier die Frage des Transportes nicht gelöst. Die zu transportierenden Mengen sind sehr gross, und fallen ununterbrochen an. Sowohl beim Transport auf Strasse und Schiene, wie auch bei der Erstellung einer spezialisierten Leitungsinfrastruktur ist eine Zusammenarbeit mit den Nachbarländern unumgänglich. Entsprechende Staatsverträge dürften dadurch nötig sein. Soll das CO2 in der Schweiz gespeichert sein, ist die Regelung des Untergrunds ebenfalls eine offene juristische Frage.

Fazit

Die Schweizer Zementindustrie bekennt sich zum Netto Null Ziel. Sie ist bereit, ihren Beitrag an die Erforschung und Umsetzung von erfolgreichen CCUS-Technologien zu leisten. Elementar für die dafür nötigen Investitionen sind die richtigen Rahmenbedingungen:

• Das abgeschiedene CO2 muss genutzt oder gespeichert werden können. Dabei muss klar sein, in welcher Form die eingesparten Emissionen den verschiedenen Akteuren angerechnet werden.
• Es muss ausreichend erneuerbare Energie verfügbar sein.
• Herausforderungen hinsichtlich Transportinfrastruktur und Speicherungen muss die Politik angehen. Eine effiziente Transportinfrastruktur in Zusammenarbeit mit den Nachbarländern der Schweiz sowie den Ländern mit entsprechenden Endlagerstätten ist zentral.

Generell gilt: Ohne CCU – und vor allem CCS – ist der Absenkpfad auf Netto-Null nicht zu erreichen. Wir sind bereit unseren Beitrag zu leisten, adäquate Rahmenbedingungen sind jedoch die Voraussetzung dafür.

[1] https://www.iet.hsr.ch/fileadmin/user_upload/iet.hsr.ch/Power-to-Gas/Kurzberichte/Berichte_Ueberarbeitet/01_Energie_fuer_CO2-Abtrennung.pdf

[2] Alcalde, J., Flude, S., Wilkinson, M. et al. Estimating geological CO2 storage security to deliver on climate mitigation. Nat Commun 9, 2201 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04423-1

Es ist deshalb klar: Die Industrie ist ein wichtiger Teil der Lösung. Die Schweizer Industrie hat unter Beteiligung von cemsuisse diesen Aspekt in einem Medienhintergrundgespräch im Sommer 2019 beleuchtet.

Am Mediengespräch legten neben der Schweizer Zementindustrie auch Vertreter der Maschinen-, Elektro- und Metallindustrie sowie der chemisch-pharmazeutischen Industrie ihre Sicht auf das Thema Klimaschutz dar.

Die Wirtschaftsvertreter unterstrichen, dass die Schweizer Industrie aktiver Partner im Klimaschutz ist. Die eigenen Produktionsprozesse werden laufend optimiert. Massnahmen, die dem Klima helfen, werden sofern technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll, immer umgesetzt. So ist es massgeblich der Industrie zu verdanken, dass die CO2-Emissionen am Produktionsstandort Schweiz in den letzten Jahren markant gesenkt werden konnten.

Die Schweizer Zementindustrie beispielsweise hat seit 1990 ihre CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen um zwei Drittel gesenkt. Die Schweizer Unternehmen der Maschinen-, Elektro- und Metallindustrie haben ihren CO2-Ausstoss ebenfalls um 60 Prozent gesenkt.

Das Reduktionsziel ist bereits erreicht

Das Reduktionsziel, ursprünglich für das Jahr 2020 vereinbart, erreichte die Schweizer Industrie bereits im Jahr 2015. Ein wichtiger Teil der Industrie, die energieintensiven Unternehmen, welche dem sogenannten Emissionshandelssystem angeschlossen sind, sind bezüglich Emissionsreduktionen auf Kurs. Die Schweizer Industrie ist damit voraussichtlich der einzige Sektor, der sein Ziel erreicht. Man kann also bilanzieren, dass die Schweizer Industrie in Sachen Klimaschutz eine Vorreiterin ist.

Gleichlange Spiesse und Planungssicherheit

Für die Industrie von grosser Wichtigkeit sind Planungs- und Investitionssicherheit sowie gleich lange Spiesse für Schweizer und EU-Unternehmen bezüglich Klimapolitik. Denn die Schweizer Unternehmen stehen in einem harten Wettbewerb mit der ausländischen Konkurrenz. Das Schweizer Emissionshandelssystem, das mit jenem der EU verknüpft wird, ist diesbezüglich ein zentrales Element. Weiter basiert die erfolgreiche Reduktion der Emissionen auf einem gut funktionierenden Zielvereinbarungssystem für Unternehmen. Im Rahmen der Revision des CO2-Gesetzes soll dieses deshalb weiter optimiert und flexibilisiert werden. Wird dieses für alle Unternehmen geöffnet, ist eine weitere Reduktion der CO2-Emissionen im Inland möglich. Zentral ist zudem die Höhe der CO2-Abgabe auf Brennstoffe. Auch in dieser Hinsicht darf sich die Schweiz international nicht abkoppeln.

Mit dem Ziel, die vom Menschen verursachte Erderwärmung zu begrenzen, hat das Abkommen einen eindeutigen Rahmen vorgegeben. Die Massnahmen, um dieses Ziel zu erreichen, müssen aber nachhaltig sein: ökologisch, sozial und ökonomisch. Entsprechend ist die Industrie auf eine wirtschaftsfreundliche Umsetzung mittels CO2-Gesetz angewiesen. Eine Verlagerung der energieintensiven Industrien ins Ausland bringt weder dem Klima noch der Gesellschaft einen Vorteil.

Aktuell befindet sich das Schweizer CO2-Gesetz in Revision. Es soll das Pariser Klimaabkommen im Inland umsetzen.  Der Bundesrat schlägt denn auch vor, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 50 Prozent unter den Stand von 1990 zu senken.

Für die Schweiz ist die internationale Einbettung der Massnahmen wichtig. Die Schweiz darf sich in diverser Hinsicht nicht abkoppeln. Dies beispielsweise bezüglich der maximalen Höhe der CO2-Abgabe und der Inlandquote der Massnahmen. Die Anrechenbarkeit von Massnahmen, welche in anderen Ländern realisiert werden, ist von zentralem Interesse. Das Anliegen der Klimapolitik ist ein globales – entsprechend ist diesem auch international zu begegnen. Dabei gilt es neben den Kosten auch stets den Beitrag und die möglichen Wirkungen der Schweiz im Auge zu behalten.

Die Unternehmen in der Schweiz müssen international wettbewerbsfähig bleiben – die Klimapolitik darf den Wettbewerb nicht zuungunsten der Schweizer Unternehmen verzerren. Ein wichtiges Element des CO2-Gesetzes ist die Verbesserung der Gebäudeprogramms, sofern dieses verlängert wird. Deutlich stärker muss der Fokus auf den Lebenszyklus von Gebäuden gelegt werden. Dabei darf auch nicht vergessen gehen, dass Umweltschutz umfassender als reiner Klimaschutz ist. Weiter im Brennpunkt von Öffentlichkeit und Politik steht im Rahmen des CO2-Gesetzes eine sogenannte Flugticketabgabe.