Die britische Ziegelindustrie testet technische Machbarkeit von Wasserstoffbrand
Die britische Ziegelindustrie erkundet derzeit die Nutzung von Wasserstoff zur Dekarbonisierung der Ziegelproduktion, ebenso wie die gesamte britische Keramikindustrie. Ihr Branchenverband Ceramics UK, früher British Ceramic Confederation (BCC), der 90 Prozent der britischen Keramikhersteller vertritt, hat mit der Veröffentlichung der Roadmap zur Dekarbonisierung der britischen Keramikherstellung im Januar 2024 die Bedeutung von Wasserstoff für das Erreichen klimaneutraler Produktionsbedingungen hervorgehoben.
Ceramics UK forscht derzeit an der Nutzung von Wasserstoff, ebenso wie auch mehrere Ziegelhersteller.
Die geplante Rolle von Wasserstoff bei der Dekarbonisierung der britischen Ziegelindustrie in der Roadmap
Die Roadmap von Ceramics UK veranschaulicht das maximale Emissionsminderungspotenzial des britischen Keramiksektors unter der Vor-aussetzung eines für die Dekarbonisierung förderlichen Umfeldes. Was die direkten Emissionen aus Brennstoffen betrifft, so wird Wasserstoff als Hauptfaktor für die CO2-Reduzierung angesehen. Während Elektrifizierung in einem größeren und Bioenergie in einem geringeren Ausmaß rund 40 Prozent beitragen sollen, wird „Wasserstoff für ~60 Prozent der Emissionsreduzierung durch Brennstoffwechsel ausmachen”. Bezogen auf die Gesamtreduzierung der Scope 1/2-Emissionen soll Wasserstoff für rund 36 Prozent beitragen. Kurz gesagt, Wasserstoff wird für den britischen Keramik- und Ziegelsektor unverzichtbar sein. Der Fahrplan kommt daher zu folgendem Schluss: „Die Verteilung und Nutzung von Wasserstoff durch die Industrie (an ihren verstreuten Standorten) ist für die Zukunft der britischen Keramikherstellung von entscheidender Bedeutung. Da es sich um einen Sektor handelt, wo Dekarbonisierung besonders schwierig ist, sollte die Keramikindustrie Vorrang haben.“
Wasserstoff gilt als die wichtigste künftige Alternative zum dem derzeit vorherrschenden Brennstoff Erdgas. Um dies zu erreichen, wird die Entwicklung der Wasserstoffversorgungskette und des Marktes, einschließlich der Infrastruktur und des Vertriebs, als eine entscheidende Voraussetzung für die kommerzielle Nutzung durch Unternehmen angesehen. Dieses Netz soll sich auf Industriecluster konzentrieren und auch auf verstreute Gebiete ausgedehnt werden. Schließlich wird die Eigenproduktion von grünem Wasserstoff als eine mögliche Quelle genannt, wenn auch als eine eher weit hergeholte Variante.
Ein umfassendes Wasserstoffnetz mit Schwerpunkt auf Transport, Speicherung und möglicher Mischung mit bestehenden Gasnetzen befindet sich im Vereinigten Königreich noch im Anfangsstadium. Nach Angaben der Energy Networks Association (ENA) wäre insbesondere für dezentrale Industrien wie die Ziegelindustrie die Umstellung bestehender Gasnetze der kostengünstigste Weg. Schlüsselfragen wie die CO2-neutrale Versorgung und eine wirtschaftlich vertretbare Preisgestaltung werden derzeit erörtert. Nach Ansicht der ENA sollte sich die frühe Versorgung auf blauen Wasserstoff und den Einsatz von CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) konzentrieren. Der Wasserstoffpreis sollte niedriger sein als der Preis für Erdgas und CO2, um das Risiko einer frühen Einführung zu begrenzen.
Zuvor wird die Durchführbarkeit der Befeuerung mit Wasserstoff (als Alternative zu erdgasbefeuerten Brennöfen) geprüft, wobei Versuche im gesamten britischen Keramiksektor durchgeführt werden. Eine Reihe kleinerer Projekte (sowohl von Konsortialgruppen als auch von Einzelunternehmen) sind bereits angelaufen, die von Mischungen aus 20 Prozent Wasserstoff und 80 Prozent Erdgas bis hin zu 100 Prozent reiner Wasserstoffversorgung reichen.
Wasserstoffprojekt der Ceramics UK erreicht Meilenstein - ein speziell angefertigter Pilotofen arbeitet erfolgreich mit 100 Prozent Wasserstoff
In einem Artikel auf ihrer Website vom 24. Januar 2025 gab Ceramics UK bekannt, dass ein wichtiger Meilenstein in ihrem Wasserstoffprojekt „Demonstrating Hydrogen in the Ceramics Sector” erreicht wurde. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme des speziell angefertigten Pilotbrennofens wird dieser nun mit 100 Prozent Wasserstoff betrieben. Die Versuche zum Brennen der von den Mitgliedern hergestellten Keramikprodukte mit Wasserstoff haben offiziell begonnen.
„Dies ist ein entscheidender Moment auf unserem Weg zu einer nachhaltigen Zukunft der britischen Keramikindustrie”, so Robert Flello, CEO von Ceramics UK. „Der erfolgreiche Betrieb des Pilotofens mit 100 Prozent Wasserstoff und der Beginn der Produktversuche der Mitglieder sind ein wichtiger Meilenstein des Projekts und ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer kohlenstoffärmeren Zukunft des Sektors.”
„Unsere bahnbrechende Arbeit während der Phase 1 des Projekts im Jahr 2022, die als Weltpremiere gilt, hat die technische Machbarkeit des Brennens verschiedener keramischer Produkte mit 100 Prozent Wasserstoff - einer wichtigen Dekarbonisierungsoption des Sektors - ohne Beeinträchtigung der Produktqualität nachgewiesen”, sagte Dr. Andrew McDermott, stellvertretender Geschäftsführer von Ceramics UK und Projektleiter. „Die Inbetriebnahme des neuen Pilotofens, der mit 100 Prozent Wasserstoff betrieben wird, ist ein weiterer wichtiger Meilenstein des Projekts. Der Ofen ist eine Sonderanfertigung und mit vielen Meßgeräten ausgerüstet, damit wir das Brennen von Keramik mit Wasserstoff unter einer Reihe von Bedingungen im Detail untersuchen können. Später in diesem Jahr wollen wir diese Arbeit ergänzen, indem wir auch die Möglichkeit der Nachrüstung eines bestehenden methanbetriebenen Produktionsofens für den Betrieb mit 100 Prozent Wasserstoff demonstrieren.“
Im Jahr 2023 wurden vom Department for Energy Security & Net Zero im Rahmen der Phase 2 des Wettbewerbs für industrielle Brennstoffumstellung (Industrial Fuel Switching Phase 2 Competition) rund 6 Millionen Pfund für das Projekt bewilligt. Dies ist Teil des mit 1 Milliarde Pfund dotierten Net Zero Innovation Portfolio (NZIP), das Innovationen bei der Entwicklung vorkommerzieller Brennstoffumstellungstechnologien unterstützt, um der Industrie den Übergang zu kohlenstoffärmeren Brennstoffen zu erleichtern.
Forterra führt erfolgreiche Versuche mit 5 bis 20 Prozent Wasserstoffmischung durch
Laut einer Pressemitteilung auf der Website von Air Products, hat das nach eigenen Angaben weltweit führende Industriegasunternehmen kürzlich mit Forterra, einem führenden britischen Hersteller von Baustoffen aus Ton und Beton, an einem erfolgreichen Versuch zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen während des Produktionsprozesses durch die Einführung von Wasserstoffbeimischungen für den Betrieb von dessen Ziegelöfen gearbeitet.
An seinem Produktionsstandort Red Bank in Measham, England, testete Forterra eine 20-prozentige Wasserstoffmischung mit 80 Prozent Erdgas als Alternative zu reinem Erdgas in seinen Brennöfen.
„Die Senkung unserer Kohlendioxidemissionen ist ein zentrales Anliegen unseres Unternehmens, aber wir müssen sicherstellen, dass wir keine Kompromisse bei der Qualität der von uns hergestellten Produkte eingehen”, so David Manley, Leiter der Abteilung Nachhaltigkeit bei Forterra. „Bei den Überlegungen, wie wir unsere Emissionen reduzieren können, haben wir mehrere Optionen in Betracht gezogen, darunter Elektrifizierung und Biomasse. Beide werden in unserer langfristigen Strategie eine unterstützende Rolle spielen, aber es wurde recht schnell klar, dass Wasserstoff die effektivste Option ist, um unsere langfristigen Dekarbonisierungsziele zu erreichen.”
Forterra überwachte die Versuche mit einem 100-prozentigen Erdgasofen als Kontrollvariable und setzte Wasserstoff zu Anteilen zwischen fünf und 20 Prozent ein, wobei das Volumen des Wasserstoffeinsatzes im Laufe des Projekts erhöht wurde. Durch die schrittweise Zugabe von Wasserstoff konnte festgestellt werden, in welchem Umfang Wasserstoff in den Produktionsprozess eingeführt und effektiv genutzt werden kann. Bei der höchsten Zumischung von 20 Prozent Wasserstoff gab es keine Auswirkungen auf die Farbe, Konsistenz oder Qualität der Ziegel.
Erfreut über das Ergebnis des Versuchs kündigte Manley weitere Versuche an: „Im Ergebnis untersuchen wir jetzt, wie wir einen ähnlichen Versuch mit einem etwas kleineren Ofen, aber mit Wasserstoffmischungen von bis zu 100 Prozent, durchführen können, und wie wir unsere größeren Öfen in Zukunft ausstatten würden.”
Einzelheiten der Tests
Nach Angaben von Forterra wurden keine speziellen Versuchsöfen gebaut, sondern vorhandene Anlagen eingesetzt, um zu prüfen, ob die derzeitige Ofenausrüstung an die neue Wasserstoffmischung angepasst werden kann. David Fox, Capital Engineering Manager bei Forterra, freut sich, berichten zu können, dass die 20-prozentige Wasserstoffmischung mit den vorhandenen Ofenanlagen voll kompatibel ist. Fox findet das ermutigend: „Unsere Ofenanlagen haben in der Regel eine Lebensdauer von 25 bis 40 Jahren; sie zu ersetzen würde erhebliche Kosten verursachen.“
Um ein einheitliches Testverfahren zu gewährleisten, testete Forterra seine roten Measham- und gelbbraunen Desford-Ziegel, wobei besonderes Augenmerk auf die Beibehaltung des charakteristischen roten Farbtons der Ziegel gelegt wurde. Als Reduktionsmittel kann Wasserstoff die im Ofen stattfindende Oxidation verringern und damit möglicherweise die endgültige Färbung des Ziegelprodukts beeinflussen. Um dies auszugleichen, musste der Sauerstoffgehalt während der Versuche sorgfältig überwacht und angepasst werden, um sicherzustellen, dass der kräftige rote Farbton des fertigen Ziegels erhalten blieb.
Für die Durchführung der Wasserstoffmischungsversuche stellte Air Products einen Wasserstoffspeicher sowie ein Druck- und Durchflussregelungssystem zur Verfügung.
Langfristige Perspektive
Die Auswirkungen eines wasserstoffbetriebenen Ofens auf die Kohlenstoffemissionen könnten laut Manley ganz erheblich sein: „Wenn wir einen Ofen mit 100 Prozent Wasserstoff betreiben könnten, wären wir in der Lage, unseren Kohlenstoffausstoß um 40-45 Prozent zu reduzieren. Das ist beträchtlich, aber es gibt auch Möglichkeiten bei unseren mobilen Anlagen, wo die Einführung von Brennstoffzellen unsere Kohlenstoffemissionen um weitere 8-10 Prozent reduzieren könnte. Das bedeutet, dass wir durch die Einführung von Wasserstoff eine Gesamtreduzierung von etwa 55 Prozent unserer Kohlenstoffemissionen erreichen könnten. Dies würde dazu beitragen, Forterra zu einem Branchenführer bei der Dekarbonisierung zu machen.
Michelmersh und HyBrick
Ein anderer führender Ziegelhersteller, Michelmersh, hat ebenfalls Wasserstofftests im Rahmen von HyBrick, einer technischen Machbarkeitsstudie für mit grünem Wasserstoff befeuerte Ziegel, durchgeführt, wie das Unternehmen in einem Blogbeitrag vom November 2024 mitteilt. Ziel war es, zu beweisen, dass Wasserstoff anstelle von Erdgas zum Brennen von Tonziegeln verwendet werden kann und dabei die gleichen technischen Eigenschaften beibehalten werden. So sollen die mit dem Brennen von Ziegeln verbundenen Kohlenstoffemissionen um 60 Prozent oder mehr reduziert werden.
Die Tests wurden mit dem meistverkauften Produkt von Michelmersh, Freshfield Lane First Quality Multi, durchgeführt. Dementsprechend mussten die testgebrannten Ziegel die folgenden Kriterien erfüllen:
Druckfestigkeit von mehr als 27N/mm2
Wasseraufnahme von nicht mehr als 12 Prozent
F2: Frostbeständigkeit (geeignet für alle Bedingungen)
Wärmeleitfähigkeit von 0,51 W/m*K
Zur Kontrolle der Testergebnisse wurden Kontrollziegel gebrannt, um sicherzustellen, dass sie die technischen und ästhetischen Anforderungen und Eigenschaften erfüllen, und um die grundlegenden Kohlenstoffemissionen und Produktspezifikationen mit dem wasserstoffgeeigneten Brenner zu bestimmen.
HyBrick-Tests
Zur Durchführung der Wasserstofftests rüstete Michelmersh einen kleinen unabhängigen Ofen nach, der im Freshfield Lane-Werk für speziell geformte Ziegel verwendet wird. Außerdem wurde sichergestellt, dass der Ofen den Unterschieden in der Flammentemperatur, der Brenngeschwindigkeit und den Anforderungen an die Verbrennungsluft bei höherem Feuchtigkeitsgehalt standhalten, eine bessere Kontrolle über die Brennkurve ausüben und mehr Sauerstoff zur Erzeugung eines Luftstroms ansaugen konnte. Dies erforderte den Austausch von Brennern, die Herstellung einer Druckentlastungsanlage zur Reduzierung des Wasserstoffdrucks und andere Modifikationen, die es den Ingenieuren ermöglichten, die Brennkurve genau zu messen und zu steuern. Die Umstellung der Verbrennung von Erdgas auf Wasserstoff erforderte eine Anpassung der Brennkurve.
Michelmersh kümmerte sich auch um die Gesundheits- und Sicherheitsmaßnahmen. Der nachgerüstete Ofen wurde in einem nicht umschlossenen Raum eingesetzt, so dass möglicherweise austretender Wasserstoff in die Luft entweichen konnte, wodurch der Aufbau einer gefährlichen Gaskonzentration vermieden wurde. Es wurden mehrere ausfallsichere Vorrichtungen in die Druckentlastungsanlage eingebaut, um den Wasserstofffluss im Falle eines Lecks zu unterbrechen. Darüber hinaus investierte Michelmersh in zahlreiche HAZOP-Studien (Hazard and Operability), Leck- und Flammendetektoren und ein Ultraschallwarnsystem, das bei einem Wasserstoffleck oder einer Flamme außerhalb des Ofens die Menschen auf dem gesamten Gelände warnt.
Michelmersh führte drei Brennversuche mit 100 Prozent grünem Wasserstoff als Brennstoffquelle durch
Ergebnisse und Ausblick
Die Ergebnisse der Probebrände übertrafen die Erwartungen und führten zu einer Verringerung der Kohlenstoffemissionen um 81 bis 84 Prozent während der drei Versuche. Michelmersh ist überzeugt, dass sich dieser Wert durch weitere Versuche und eine Optimierung des Verfahrens noch steigern lässt. Ein noch höherer Prozentsatz könnte mit der Wasserstoffproduktion vor Ort erreicht werden. Außerdem könnten sich künftige Versuche darauf konzentrieren, den Prozess durch eine weitere Optimierung der Brennkurve und Experimente mit dem Trocknungsprozess noch brennstoffeffizienter zu gestalten. Weitere Variablen, die getestet werden könnten, sind die Anordnung der Ziegel im Ofen, um den Luftstrom zu verbessern, und die Zugabe von mehr Sauerstoff in den Ofen.
Am Ende des Blogbeitrags macht Michelmersh jedoch deutlich, dass die Versuche zwar erfolgreich waren, Wasserstoff aber nicht der einzige mögliche Weg zur Dekarbonisierung der eigenen Ziegelproduktion ist. Vor allem, wenn man wichtige Faktoren wie die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff in naher Zukunft berücksichtigt. Wie das Unternehmen erklärt „Bevor wir uns auf diese alternative Kraftstoffquelle festlegen, wollen wir weitere Möglichkeiten zur Dekarbonisierung erkunden. Biogas, Synthesegas, Wärmerückgewinnung und elektrifizierte Öfen sind allesamt potenzielle Optionen. Sie lassen sich möglicherweise auch schneller einführen als grüner Wasserstoff, der derzeit nur schwer in dem Umfang produziert werden kann, der zur Deckung der Nachfrage erforderlich ist.
