Sementindustrien er en av de største utslipperne av karbondioksid. Den er ansvarlig for opptil åtte prosent av de globale menneskeskapte utslippene – nesten tre ganger så mye som den globale flytrafikken. For å redusere denne andelen og bli klimanøytral, er industrien avhengig av teknologiske innovasjoner. Det internasjonale prosjektet «ECem», der forskere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) også er involvert, følger en lovende tilnærming. Ved å bruke elektrisk oppvarmingsteknologi tar partnerne fra vitenskap og industri sikte på å redusere CO2-utslippene fra sementproduksjon drastisk.
Kalsinering er et av de viktigste trinnene i sementproduksjon . I denne prosessen varmes kalkstein opp til omtrent 1.450 grader Celsius i en stor ovn og omdannes til klinker, hovedkomponenten i sement, gjennom termisk nedbrytning. Denne kjemiske prosessen alene er ansvarlig for en stor del av CO2-utslippene som slippes ut av sementindustrien som helhet. To tredjedeler av CO2-en produseres under nedbrytningen av kalksteinen, en prosess kjent som avsyring, og er praktisk talt uunngåelig. Den resterende tredjedelen skyldes det enorme energiforbruket som kreves for å nå disse høye temperaturene. Fossilt brensel som kull eller gass brukes vanligvis til dette formålet.
Forskningsprosjektet «ECem» (Elektriske kalsineringsteknologier for fremtidens sementfabrikker) tar nå fatt på denne industrielle oppvarmingsprosessen. Målet: å utvikle et mer klimavennlig alternativ. Prosjektpartnerne, ledet av det danske sementselskapet FLSmidth og inkludert HZDR, Danmarks Teknologiske Institut, Aalborg Universitet og selskapene European Energy og Cementos Argos, har som mål å utvikle to forskjellige elektriske oppvarmingsteknologier.
Mens de danske partnerne i prosjektet jobber med å utvikle en infrarød varmestråler, forsker forskere ved HZDR Institute of Fluid Dynamics på en elektrisk løsning basert på induktiv oppvarming. Teamet vil i utgangspunktet sette opp et laboratorieeksperiment der induksjonsspoler genererer et høyfrekvent felt for å varme opp materialet i en beholder. Senere vil et separat eksperimentelt oppsett modellere en roterende roterovn med egenskaper som ligner på industrielle forhold. Utfordringen er at materialer som kalkstein, som hovedsakelig består av kalsiumkarbonat, faktisk er uegnet for bruk med induksjonsoppvarming på grunn av sin dårlige elektriske ledningsevne.
For å overvinne denne hindringen planlegger teamet å blande såkalte susceptorer inn i råmaterialet som skal varmes opp. Dette er komponenter som effektivt omdanner den induktive energien til varme og overfører den til materialet. En nøkkeloppgave er å finne riktig materiale som vil fungere pålitelig som en susceptor ved høye temperaturer og tøffe industrielle forhold. Potensielle kandidater må ha et høyt smeltepunkt, må ikke reagere med kalksteinen og bør være slitesterk. Å forme susceptorene, for eksempel som metallkuler, vil gi fordelen av å kombinere kalsinering og sliping i ett enkelt prosesstrinn. Investeringer i elektrifisering av industrielle prosesser kan, i tillegg til å unngå CO2-utslipp, ha andre positive effekter som økt effektivitet eller forbedret produktkvalitet, og dermed gi de respektive selskapene et konkurransefortrinn på globale markeder.
«Ved første øyekast har dette prosjektet lite å gjøre med fluidmekanikken vi vanligvis jobber med på instituttet», forklarer HZDR-ingeniør Dr. Sven Eckert, leder for avdelingen for magnetohydrodynamikk. «Dette handler imidlertid ikke bare om å installere en varmeovn i en reaktor. Sementovner behandler vanligvis mange tonn materiale, og det er derfor det er vanskelig å skape et homogent temperaturfelt i hele ovnen. Induktiv oppvarming kan til og med forverre dette problemet hvis tilstrekkelig varmeoverføring ikke er garantert, slik at den ikke bare når de ytre lagene, men også det indre av det enorme volumet. Derfor må vi vurdere prosessen fundamentalt, inkludert å optimalisere konvektive gasstrømmer i ovnen, som må sikre effektiv varmeoverføring.»
Det er her Sven Eckerts forskere kan bidra med full sin ekspertise. Ved HZDR har de også tilgang til unike måleteknikker som magnetfeltomografi, som er ideelt egnet for overvåking av elektrifiserte industrielle prosesser. Teamet tar også sikte på å dra nytte av erfaringene fra det pågående EU-prosjektet CITADEL, koordinert av HZDR, som utvikler innovative varmeteknologier for produksjon av ildfast keramikk, stål, kobber og glass.
Det endelige målet med prosjektet er å validere teknologien i laboratorieskala. Dataene som innhentes i de planlagte eksperimentene vil gi viktig innspill til tilhørende datasimuleringer og utvikling av digitale tvillinger, som vil kartlegge hele prosessen, inkludert energi- og massestrømmer. På dette grunnlaget tar forskerne sikte på å avgjøre om laboratorieeksperimentet kan skaleres opp til reell industriell skala. Hvis svaret er positivt, kan partnerne starte byggingen av et pilotanlegg i industriell skala etter at prosjektperioden avsluttes i 2028. Avhengig av forskningsresultatene kan dette anlegget inkludere enten induksjonsvarmesystemet eller strålevarmesystemet som er utviklet parallelt – eller, ikke usannsynlig, en kombinasjon av begge løsningene.
Prosjektet startet høsten 2024 og vil vare i tre og et halvt år. Det er finansiert av det danske innovasjonsfondet med 21 millioner danske kroner (omtrent 2,8 millioner euro).
Les også
Osterode am Harz: "White Gold" forener administrasjons- og gruveselskaper | Pugnalom
Farvel til gips-karstlandskap – Den brutale døden til et hotspot for biologisk mangfold | Pugnalom
