Die Modernisierung der Zementherstellung in China führt zu erheblichen Umweltvorteilen

Communications Earth & Environment Band 3, Artikelnummer: 276 (2022) Diesen Artikel zitieren

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China erlebte in den letzten Jahrzehnten einen Bauboom und damit einen enormen Zementverbrauch. Gleichzeitig wurde die Zementherstellungstechnologie rasch modernisiert. Basierend auf Daten auf nationaler und provinzieller Ebene verwenden wir hier Regressionsmodelle, Lebenszyklusbewertungen und Szenarioanalysen, um die Entwicklung und Umweltauswirkungen von Zementherstellungstechnologien von 1996 bis 2021 darzustellen. Wir stellen fest, dass neuartige Suspensionsvorwärmer-Drehrohröfen dafür verantwortlich sind Ungefähr 99 % der Zementproduktion in China im Jahr 2021. Der Klimawandel und der Abbau fossiler Brennstoffe gelten als die größten Umweltbelastungen der Zementherstellung, während die Reduzierung der Feinstaubemissionen der hervorstechendste Vorteil der neuen Technologie zu sein scheint. Bis 2021 hatten Technologieverbesserungen zu einer Verringerung der Umweltverschmutzung durch die Zementherstellung um 25 % bis 53 % geführt. Unsere Erkenntnisse können dazu beitragen, glaubwürdige Wege zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Zementindustrie aufzuzeigen.

Weltweit werden etwa 40 % des weltweiten Endenergieverbrauchs sowie der energie- und prozessbedingten Treibhausgasemissionen durch Gebäude und Bauaktivitäten verursacht, in denen Zement ein wesentlicher Bestandteil ist1,2. Mit der rasanten Urbanisierung und Modernisierung sind Verbrauch und Produktion von Zement im Hochbau deutlich gestiegen. Seit 1985 hat sich China zum größten Zementproduzenten entwickelt und verbrauchte in drei Jahren (d. h. von 2010 bis 2012) mehr Zement als die USA im gesamten 20. Jahrhundert3,4. Im Jahr 2018 machte die chinesische Zementproduktion etwa 56 % der weltweiten Zementproduktion aus5.

Aufgrund der rasanten Fortschritte in der Zementherstellungstechnologie (CMT) hat China in den letzten Jahrzehnten drei große Zementöfen6 genutzt, darunter Schachtöfen, andere Drehrohröfen (z. B. Nassdrehrohröfen, trockene Hohlöfen, vertikale Vorwärmeröfen7) und neue Suspensionsvorwärmer (NSP) Drehrohröfen. Vor dem Jahr 2000 waren Schachtöfen aufgrund der hohen Kosten für importierte Ausrüstung (z. B. NSP-Drehrohröfen) die vorherrschende CMT8. Der Marktanteil von NSP-Drehrohröfen, der fortschrittlichsten Technologie mit großer Produktionskapazität und stabiler Produktqualität9, war in diesem Zeitraum sehr begrenzt und lag weit unter dem Marktanteil von Schachtöfen6,10. Mit der boomenden Wirtschaft gewannen NSP-Drehrohröfen jedoch nach dem Jahr 2000 auf dem Zementherstellungsmarkt an Beliebtheit und erlangten nach 2010 eine dominierende Stellung11,12.

Diese enorme Menge an Zementproduktion und -verbrauch in China ging mit erheblichen Umweltauswirkungen einher, wie beispielsweise Kohlendioxid (CO2)13, Stickoxiden (NOx)9,14 und Schwermetallen15,16. Der Zementherstellungsprozess umfasst im Wesentlichen vier Schritte: Rohstoffgewinnung, Rohstoffaufbereitung, Klinkerkalzinierung, Zementmahlung17,18 und Verbrennung fossiler Brennstoffe19. Diese Herstellungsschritte verbrauchen nicht nur Energie und natürliche Ressourcen, sondern geben auch Staub, Lärm und Schadstoffe an die Umwelt ab, was zu schweren Schäden an der Natur und der menschlichen Gesundheit führt20,21. Obwohl verschiedene Studien die Umweltbelastung durch die Zementherstellung analysiert haben, bleiben einige Einschränkungen bestehen. Erstens wurden der Weg der CMT-Transformation und die entsprechende Veränderung der Umweltauswirkungen in China nicht offengelegt22,23,24,25. Zweitens haben neuere Studien ergeben, dass die Zementproduktion neben dem Klimawandel (CC) auch andere schwerwiegende Auswirkungen hat, wie etwa den Abbau fossiler Brennstoffe (FD) und die Bildung von photochemischem Ozon (POF)26,27,28,29. Eine umfassendere Analyse ist erforderlich, um die wichtigsten Umweltauswirkungen für weitere Abhilfemaßnahmen zu ermitteln. Drittens gibt es Unterschiede zwischen den Provinzen in der Verteilung von CMT3, während eine begrenzte Anzahl von Wissenschaftlern die CMT-Entwicklung untersucht oder die Umweltauswirkungen der Zementproduktion in China auf Provinzebene abgeschätzt hat30, und solche Forschung ist notwendig, um insbesondere lokale Auswirkungen aufzudecken die von Schadstoffen auf Boden und Wasser (z. B. terrestrische Versauerung und terrestrische Ökotoxizität). Schließlich hat die chinesische Zentralregierung viele Maßnahmen ergriffen, um eine nachhaltige und koordinierte Zementindustrie zu fördern31, aber die Gesamtumweltleistung der letzten Jahrzehnte wurde nie bewertet und quantifiziert.

Daher wollen wir diese Forschungslücken schließen, indem wir die Aufwertung und Verbreitung von CMT von 1996 bis 2021 auf nationaler und provinzieller Ebene mit lokalen Produktionsdaten abbilden. Durch die Anwendung einer Lebenszyklusanalyse auf das nationale Lebenszyklusinventar von Zement wurde eine umfassende und umfassende Bewertung der Umweltauswirkungen der Zementherstellung durchgeführt. Darüber hinaus haben wir die provinzielle Verteilung und Entwicklung der vorherrschenden Umweltbelastung aufgezeigt und repräsentative Provinzen für diese Erklärung ausgewählt. Darüber hinaus haben wir anhand einer Szenarioanalyse die Umweltvorteile veranschaulicht, die durch die Modernisierung der Zementproduktion in China erzielt werden. Darüber hinaus haben wir die CO2-Emissionen und den Stromverbrauch pro Tonne Zement als typische Indikatoren ausgewählt, um Vergleiche zwischen den Ländern anzustellen. Basierend auf diesen Erkenntnissen schlagen wir Ansätze zur Umweltminderung auf globaler und nationaler Ebene im Hinblick auf technologische Innovation, sauberere Produktion und Gestaltung der Nachhaltigkeitspolitik vor.

Wir analysieren den nationalen und provinziellen CMT-Marktanteil und Veränderungen in der chinesischen Zementindustrie. Der Marktanteil von CMT wird durch Anwendung von Gl. (1) und das lineare Regressionsmodell (ergänzende Methoden) basierend auf den Daten von 2005 bis 2009. Abb. 1a, b zeigen Chinas CMT-Entwicklung und die nationale Zementproduktion durch verschiedene CMTs. Die Zementproduktion blieb von 1996 bis 2000 nahezu stabil und wurde hauptsächlich in Schachtöfen und anderen Drehrohröfen hergestellt. In dieser Phase (1996–2000) dominierten Schachtöfen den Markt mit einem Anteil von etwa 70 %, was mit früheren Studien übereinstimmt32,33,34,35,36. Dann kam es im Jahr 2001 zu einem plötzlichen Rückgang des Marktanteils von Schachtöfen, der hauptsächlich auf die Politik zur Kontrolle der Gesamtmenge und zur Anpassung der Industriestruktur zurückzuführen war, die die Schließung von Zementwerken mit geringer Produktion, hohem Energieverbrauch und starker Umweltverschmutzung vor dem Jahr 2000 vorsah37 Aufgrund des Wirtschaftswachstums und der Urbanisierung Chinas stieg die Zementproduktion von 2001 bis 2013 deutlich an und erreichte 2014 mit 2476 Millionen Tonnen (Mt) ihren Höhepunkt (Abb. 1b). Danach begann die Zementproduktion jedoch trotz einiger Schwankungen allmählich zu sinken. In dieser Phase (2001–2021) wurden weniger effiziente Öfen schrittweise durch modernste Technologien ersetzt, um der wachsenden Marktnachfrage gerecht zu werden. NSP-Drehrohröfen begannen 2001 den Markt zu erobern, überholten Schachtöfen und andere Drehrohröfen im Jahr 2007 und haben sich seit 2010 zum führenden CMT entwickelt, was im Einklang mit dem Sonderentwicklungsplan für die Zementindustrie der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission steht38. Ein entscheidender Grund dafür ist, dass der Beitritt Chinas zur Welthandelsorganisation im Jahr 2001 für chinesische Zementunternehmen dazu beigetragen hat, die globale technologische Entwicklung zu verfolgen, ihr Umweltschutzbewusstsein zu stärken und ihren technologischen Fortschritt zu beschleunigen6. Schließlich verbreiteten sich NSP-Drehrohröfen fast im ganzen Land mit einem Marktanteil von ~99 % im Jahr 2021 (Abb. 1a).

a veranschaulicht die Entwicklung der chinesischen Zementherstellungstechnologie. b zeigt die Zementproduktion verschiedener CMTs von 1996 bis 2021. c, d vergleichen die regionalen Unterschiede in der chinesischen Zementindustrie in den Jahren 2001 und 2014. Die Zementherstellungstechnologien der Provinz Hainan, der Gemeinde Tianjin und der Provinz Taiwan sind aufgrund der Datenverfügbarkeit nicht enthalten . Daten zur Zementproduktion nach Provinzen stammen vom China Cement Almanac63, dem Almanac of China Building Materials Industry64 und dem National Burau of Statistics in China65.

NSP-Drehrohröfen machten seit 2001 mehr als 10 % des Marktanteils aus, und Chinas nationale Zementproduktion erreichte 2014 ihren Höhepunkt. Daher werden 2001 und 2014 als typische Jahre ausgewählt, um die räumliche Verteilung der Zementproduktion und der Produktionskapazitäten darzustellen Provinzebene (Abb. 1c, d). CMTs in verschiedenen Provinzen erlebten in diesem Zeitraum mehrere Aktualisierungsrunden. Im Jahr 2001 machten Schachtöfen und andere Drehrohröfen den Großteil des CMT-Marktes aus, während 2014 NSP-Drehrohröfen den Markt dominierten, insbesondere in Ost- und Südchina. Die Provinzen Shandong, Jiangsu und Guangdong scheinen die führenden Provinzen mit der größten Zementproduktion zu sein. Die gesamte Zementproduktion dieser drei Provinzen machte in den Jahren 2001 und 2014 etwa 20–30 % der nationalen Zementproduktion aus. Im Gegensatz dazu gibt es in Ost- und Südchina etwa doppelt so viele Zementunternehmen wie in West- und Nordchina (Ergänzungstabelle). 3). Die CMT-Verbesserung in westlichen und nördlichen Provinzen wie Shanxi und Ningxia scheint langsamer zu verlaufen, da diese Regionen im Vergleich zu den östlichen und südlichen Provinzen aufgrund einer unterentwickelten Wirtschaft und mangelnder Kalksteinressourcen eine geringere Zementproduktion aufweisen.

Die Ergebnisse der Ökobilanz (LCA) der drei CMTs wurden verglichen; Wesentliche Unterschiede zwischen den Umweltauswirkungen der drei Zementöfen sind in Abb. 2a dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass FD, CC und POF für die größten Umweltauswirkungen verantwortlich sind. Der dominierende Einfluss verlagerte sich mit der CMT-Hochstufung von FD auf CC. Darüber hinaus sind lokale Auswirkungen im Zusammenhang mit Boden und Wasser hauptsächlich terrestrische Versauerung (TA) und terrestrische Ökotoxizität (TE). Die Hauptquelle von FD ist die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle zur Energiegewinnung für Zementöfen. CC wird hauptsächlich auf die direkte Freisetzung von CO2 aus drei Hauptquellen zurückgeführt: Karbonatzersetzung, Kraftstoffverbrennung und Stromverbrauch. POF entsteht durch NOX-Emissionen, die auch bei der Brennstoffverbrennung im Kalzinator und Ofen entstehen. TA wird durch Säureablagerung mit Schwefeloxiden (SOX) verursacht, die aus Rohstoffen und schwefelhaltigen Verbindungen bei der Kohleverbrennung freigesetzt werden. TE resultiert hauptsächlich aus Schwermetallemissionen aus der Kohleverbrennung bei der Klinkerproduktion. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Studien überein39,40,41,42. Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass NSP-Drehrohröfen aufgrund des Einsatzes fortschrittlicher Techniken und Geräte in der Klinkerbrennphase deutlich geringere Auswirkungen auf die Umwelt haben. Durch die Verbesserung der Produktionseffizienz und Wärmenutzung in NSP-Drehrohröfen43 werden etwa 50 % weniger fossile Brennstoffe verbraucht. Gleichzeitig wird die Hitze aufgrund der kürzeren Länge des Drehrohrofens im NSP-System reduziert. Darüber hinaus spielen Kohlenstaubbrenner mit mehreren Luftkanälen eine entscheidende Rolle bei der Energieeinsparung (Reduzierung des Primärluftanteils) und beim Umweltschutz (z. B. niedrige NOx-Emissionen und alternative Brennstoffe). Aus provinzieller Sicht steht die Umweltbelastung in einem intensiven Zusammenhang mit der Zementproduktion und CMT (ergänzende Abbildung 5 und Abbildung 1c, d). Um weiter zu untersuchen, wie sich Zementproduktion und CMTs auf regionale Umweltauswirkungen auswirken, nehmen wir die führenden Zementproduktionsprovinzen Sichuan (SC) und Guangdong (GD) als Beispiele und die Feinstaubbildung (PMF) als angestrebte Umweltauswirkung (Abb. 2b und ergänzende Abb . 4). Die Ergebnisse zeigen, dass GD als Vorreiter bei der Modernisierung von CMT stärkere Auswirkungen auf die Umwelt hat als SC. Ohne kontinuierliche CMT-Modernisierung in GD nach 2010 haben die Umweltauswirkungen mit dem Wachstum der Zementproduktion weiter zugenommen.

a vergleicht die wichtigsten Umweltauswirkungen der Zementherstellung anhand dreier wichtiger CMTs. Die Blasengröße stellt den Anteil der ausgewählten Wirkungskategorie dar, der die Summe der LCA-Normalisierungsergebnisse eines CMT ausmacht. b zeigt die geografische Lage zweier ausgewählter Fälle auf Provinzebene. c veranschaulicht die Entwicklung der PMF-Umweltauswirkungen der Zementherstellung anhand von drei Zementöfen in den Jahren 2002, 2006, 2010, 2014 und 2018.

Die Umweltvorteile der CMT-Entwicklung sind in Abb. 3 dargestellt. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der Einsatz fortschrittlicher CMT (z. B. NSP-Drehrohröfen) bemerkenswerte Umweltvorteile bei der Zementherstellung mit sich bringt und die Umweltbelastung von 1996 bis 2021 um etwa 25–53 % verringert zur Kategorie Umweltauswirkungen. Die Innovation des Zementofens führte zu einem jährlichen Rückgang der Schadstoffemissionen und des Ressourcenverbrauchs bei der gesamten Zementherstellung in China. Bis 2021 führte die Einführung und Erweiterung von NSP-Drehrohröfen zu einer kumulativen Reduzierung von ~53 % bei PMF, 47 % bei TA, 34 % bei TE, 30 % bei POF, 29 % bei CC und 25 % bei der Humantoxizität (HT). ). Darüber hinaus wurden etwa 2270 Milliarden Tonnen (Bt) fossiler Brennstoffe und 28 Bt Süßwasser eingespart.

a–h vergleichen die Umweltauswirkungen der Zementherstellung in China in zwei Situationen: der „tatsächlichen Situation“ und dem „angenommenen Szenario“ (wenn keine CMT-Modernisierung stattgefunden hätte). Die in Abb. 3 angegebenen Prozentsätze stellen die kumulative Verringerung der Umweltauswirkungen von 1996 bis 2021 dar.

Obwohl FD, CC und POF die bemerkenswertesten Umweltauswirkungen der Zementherstellung sind, ist PMF zum größten Nutznießer der CMT-Verbesserung geworden (ergänzende Abbildung 3). Dieses Ergebnis ist möglicherweise auf die effektive PM-Governance von Zementunternehmen mit NSP-Produktionslinien zurückzuführen, die den National Emission Standard of Air Pollutants for Cement Industry (GB 4915–2013) von unter 20–30 mg m−344 erfüllen. Darüber hinaus wurden beutelartige Staubabscheider eingeführt, die mit einer Staubentfernungseffizienz von 99,95 % zu einer saubereren Produktion beitragen45. Durch den trockenen Herstellungsprozess der NSP-Drehrohröfen konnte der Frischwasserverbrauch um 47 Prozent gesenkt werden. Bei einer Temperatur von 830–930 °C zersetzt sich Zementrohmehl, also Calciumcarbonat, zu Calciumoxid, das eine starke Schwefelabsorptionswirkung hat. Darüber hinaus kann die Wasseraufbereitung oder -kühlung im Befeuchtungsturm Schwefel absorbieren, der bei der Kraftstoffverbrennung und der Materialverarbeitung entsteht46. Schwefeldioxid (SO2), das beim Mahlen des Rohmaterials freigesetzt wird, wird vom Wasserdampf im Abgas und der Oberfläche des Rohmaterialpulvers absorbiert. All diese einzigartigen Prozesse und Geräte haben zu einer Reduzierung des SO2 um fast 50 % geführt. Darüber hinaus verfügen FD, POF und CC über Schadstoffminderungskapazitäten von mehr als einem Viertel der kumulierten Umweltauswirkungen im „angenommenen Szenario“.

Abbildung 4a zeigt die CO2-Emissionen pro Tonne Zementproduktion nach Ländern von 1990 bis 2015. Kanada weist im gesamten Zeitraum die höchste CO2-Emissionsbelastung pro Tonne Zementproduktion auf. Im Gegensatz dazu war die Umweltbelastung in China pro Tonne Zementproduktion geringer als in den meisten Industrieländern: Trotz Schwankungen im Zeitraum 1990–2000 kam es nach 2000 aufgrund der raschen Zunahme von NSP-Drehrohröfen zu einem deutlichen Rückgang. Zu den vier weltweit größten Zementproduzenten gehörten China, Indien, Vietnam und Amerika mit einer Zementproduktion von mehr als 90 Mio. t im Jahr 202047. Sowohl Chinas als auch Indiens Emissionen lagen unter 400 kg CO2 t−1 Zement, während die Emissionen Vietnams über 500 lagen kg CO2 t−1 Zement im Jahr 2015. Der Schachtofen ist immer noch der wichtigste CMT in Vietnam; Drehrohröfen machen weniger als 30 % des Zementofenmarktes aus48,49,50. Betrachtet man den weltweiten Stromverbrauch der Zementproduktion (Abb. 4b), waren Kanada und die USA mit mehr als 130 kWh t−1 Zement im Jahr 2018 die beiden führenden Länder, was auf den zunehmenden Einsatz alternativer Brennstoffe wie gefährlicher Abfälle zurückzuführen ist und Reifen, die mehr Strom benötigen17,51. Für China und Indien lagen die Ergebnisse bei ~80 kWh t−1 Zement, da NSP-Drehrohröfen einen Marktanteil von mehr als 95 % hatten52. China ist das führende Land bei der Implementierung der Excess Heat Recovery (EHR)-Technologie im Zementsektor. Fast 90 % der inländischen Klinkerproduktionskapazität sind mit EHR ausgestattet, was einen bemerkenswerten Beitrag zur Energieeinsparung leistet17. Indien verfügt über modernste Ausrüstung zum Zerkleinern, Rohmehlmahlen und Fertigmahlen53,54, was zu größeren Stromeinsparungen führt.

a vergleicht die durchschnittlichen CO2-Emissionen pro produzierter Tonne Zement pro Land von 1990 bis 2015. Hier werden die gesamten CO2-Emissionen der Zementproduktion in jedem Land5 durch die gesamte Zementproduktion des Landes47 dividiert. b zeigt den Stromverbrauch pro Tonne produziertem Zement im Jahr 2018. Die Daten werden von der Internationalen Energieagentur79 erhoben.

Die Entwicklung der Umweltauswirkungen in China liefert starke Beweise für die bemerkenswerten Vorteile, die die Modernisierung von CMT mit sich bringt. Unsere regionale Analyse ergab die Umweltauswirkungen auf Zementproduktionsstandorte, was insbesondere für die Ausbeutung natürlicher Ressourcen und Schadstoffe wie den lokalen fossilen Energieverbrauch und die Einleitung von Schwermetallen in den Boden und das Wasser wichtig ist13,26,27,28. Diese Erkenntnisse können politischen Entscheidungsträgern dabei helfen, spezifische Maßnahmen vorzuschlagen, um eine sauberere Produktion zu ermöglichen. Beispielsweise könnten mit Schwermetallen kontaminierte Böden als Ersatz für Ton in der Portlandzementproduktion verwendet werden, um die lokale Schwermetallbelastung zu beseitigen15. Gegen 2030 wird Chinas Nachfrage nach Zement einen Abwärtstrend aufweisen55. Derzeit nutzt der Großteil der Zementproduktion die Vorteile von NSP-Drehrohröfen in China, so dass wenig Spielraum für die weitere CMT-Entwicklung bleibt13. Weitere Minderungsstrategien für die chinesische Zementindustrie sollten sich auf eine bessere Anwendung innovativer Technologien zur Reduzierung der Umweltverschmutzung (z. B. erneuerbare Energien, Kohlenstoffabscheidung und -speicherungstechnologie56,57) und die Auswahl geeigneter Rohstoff- und Brennstoffsubstitutionen für die Zementherstellung konzentrieren, die die moderne Betontechnologie an die Ziele anpassen das Ziel der CO2-Neutralität. Aus der Lebenszyklusperspektive könnte die Zertifizierung umweltfreundlicher Baumaterialien, wie z. B. Umweltproduktdeklarationen (EPDs), weiterhin dazu genutzt werden, politische Maßnahmen zu entwickeln, die kohlenstoffarme Zementprodukte begünstigen58.

Aus globaler Sicht ist es wichtig, die vorherrschende Umweltbelastung durch eine CMT-Marktanteilsanalyse zu identifizieren, bevor lokale Regierungen entsprechende Minderungsstrategien für die Zementindustrie vorschlagen. Einerseits müssen Ansätze wie die Beschleunigung der CMT-Modernisierung und die Verbesserung des Emissionsstandards für Luftschadstoffe priorisiert werden, um die Umweltbelastung im Zementmarkt, angeführt von Schachtöfen oder anderen Drehrohröfen, zu reduzieren. Unsere regionale Analyse ergab, dass veraltete Schachtöfen und der Mangel an neueren Technologien als Hauptfaktoren für die Umweltauswirkungen der Zementherstellung aufgeführt wurden. Beispielsweise verfügt Vietnam über 8,3 % der weltweiten Zementproduktionskapazität, wobei der Großteil dieser Kapazität durch Schachtöfen unterstützt wird47; Dadurch wird die mit einer schnellen CMT-Innovation einhergehende Milderung der Umweltauswirkungen deutlich verbessert. Neben der Technologie stellen der Marktabschwung und Überkapazitäten schwerwiegende Hindernisse für die Zementindustrie einiger Entwicklungsländer dar. Maßnahmen wie die Integration der Produktionskapazitäten von Zementunternehmen und die Stilllegung veralteter Zementwerke sollten in Betracht gezogen werden. Andererseits ist die gemeinsame Steuerung wichtiger Schadstoffe (z. B. CO2, SO2, NOX) von entscheidender Bedeutung für Länder, in denen NSP-Drehrohröfen die primäre CMT sind; Ausbau der EHR-Technologieausrüstung, Umstellung auf kohlenstoffarme Brennstoffe, Auswahl alternativer Brennstoffe mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt43,59, Verbesserung der Energieeffizienz von Zusatzgeräten (z. B. Förderbänder, Aufzüge, Gebläse, Kompressoren und Pumpen60) und Einführung fortschrittlicher Mahltechnik Technologie (z. B. Hochdruck-Mahlwalzen und vertikale Walzenmühlen) wird eine Stromeinsparung von 50–70 % im Vergleich zu den derzeit weit verbreiteten Kugelmühlen ermöglichen61. Darüber hinaus zeigt unsere Forschung, dass NSP-Zementöfen, die weltweit die effizientesten Öfen sind, noch weitere Anstrengungen zur Minderung photochemischer Oxidationsmittel erfordern, wie z. B. eine stickstoffarme Verbrennung, eine abgestufte Verbrennung und die Technologie der selektiven katalytischen Reduktion (SCR)62.

Wir erkennen die folgenden Einschränkungen dieser Forschung an. Aufgrund der begrenzten Informationen über den Marktanteil der drei wichtigsten CMTs werden lineare Regressionsmodelle angewendet, um den Entwicklungstrend der CMTs in jeder Provinz von 1996 bis 2021 zu simulieren. Darüber hinaus wird aufgrund von die nationale Lebenszyklusinventur der Zementherstellung angewendet das Fehlen eines Lebenszyklusinventars für jede Provinz. Daher ist es notwendig, die lokalen Zementverbände und -unternehmen weiter zu untersuchen, um diese Daten zu ergänzen und zu aktualisieren. Darüber hinaus unterscheiden sich die Zementkategorien (z. B. 32,5, 42,5, 52,5), die unterschiedliche Herstellungsanforderungen haben, je nach Region. Daher sind die Umweltauswirkungen der Herstellung verschiedener Zementprodukte wahrscheinlich nicht die gleichen. Dementsprechend müssen die lokale Verbrauchsstruktur verschiedener Zementkategorien und die entsprechenden Umweltbelastungen noch weiter untersucht werden.

Wir haben die Entwicklung von CMT von 1996 bis 2021 auf nationaler und provinzieller Ebene dargestellt. Die Studien deuten darauf hin, dass China in den letzten Jahrzehnten einen saubereren Produktionsübergang in der Zementindustrie erlebt hat: von Schachtöfen und anderen Drehrohröfen hin zu NSP-Drehrohröfen, die im Jahr 2021 etwa 99 % des CMT-Marktes ausmachten. Basierend auf der regionalen Analyse, Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die CMT-Verbesserung in westlichen und nördlichen Provinzen wie Shanxi und Ningxia offenbar langsamer verläuft und im Vergleich zu den östlichen und südlichen Provinzen aufgrund einer unterentwickelten Wirtschaft und fehlender Kalksteinressourcen weniger Zement produziert wird.

Unsere Ergebnisse identifizierten die Umweltauswirkungen der Zementherstellung durch drei große CMTs. Die Ergebnisse bestätigten außerdem, dass FD, CC und POF der vorherrschende Effekt zu sein schienen. NSP-Drehrohröfen waren umweltfreundlicher als Schachtöfen und andere Drehrohröfen. Der dominierende Einfluss verlagerte sich mit der CMT-Hochstufung von FD auf CC. NSP-Drehrohröfen benötigen jedoch noch weitere Aufmerksamkeit, um photochemische Oxidationsmittel zu mindern. Darüber hinaus sind lokale Auswirkungen im Zusammenhang mit Boden und Wasser hauptsächlich TA und TE. Aus provinzieller Sicht zeigte die Umweltbelastung durch die Zementherstellung einen intensiven Zusammenhang mit der Zementproduktion und CMT.

Diese Studie untersuchte die Umweltvorteile, die durch die Modernisierung der Zementherstellung in China erzielt werden. Die Untersuchung zeigte, dass der Einsatz fortschrittlicher CMT (z. B. NSP-Drehrohröfen) bemerkenswerte Umweltvorteile bei der Zementherstellung mit sich bringt. Im Gegensatz dazu ist PMF zum größten Nutznießer der CMT-Hochstufung geworden. Bis 2021 führte die Einführung und Erweiterung von NSP-Drehrohröfen zu einer kumulativen Reduzierung von ~53 % bei PMF, 47 % bei TA, 34 % bei TE, 30 % bei POF, 29 % bei CC und 25 % bei HT. Darüber hinaus wurden etwa 2270 Bt fossiler Brennstoff und 28 Bt Süßwasser eingespart. Anschließend verglichen wir die Umweltbelastung zwischen den Ländern. Die Ergebnisse zeigten, dass die CO2-Emissionen und der Stromverbrauch pro Tonne Zementproduktion in China aufgrund der Einführung fortschrittlicher Technologie im Zementsektor (z. B. EHR) niedriger waren als in den meisten anderen Industrieländern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Ergebnisse eine nachhaltige Entwicklung erleichtern und den grünen Übergang der globalen Zementindustrie beschleunigen werden, indem sie Strategien zur Minderung der Umweltbelastung für technologische Innovation, sauberere Produktion und die Gestaltung von Nachhaltigkeitspolitiken bereitstellen.

Basierend auf dem Marktanteil von NSP-Drehrohröfen von 2005 bis 200963 (Ergänzungstabelle 4) wurde ein lineares Regressionsmodell angewendet, um den Marktanteil von NSP-Drehrohröfen in China von 2001 bis 2021 zu analysieren (Einzelheiten und Ergebnisse finden Sie in den Ergänzenden Methoden). . Basierend auf den Ergebnissen des Marktanteils von NSP-Drehrohröfen wurden dann der Marktanteil und die jährliche Wachstumsrate von Schachtöfen und anderen Drehrohröfen in jeder Provinz anhand von Felduntersuchungen in den Jahren 2006 und 2012 geschätzt (Ergänzungstabelle 1). Der Marktanteil von Schachtöfen kann nach Gl. berechnet werden. (1).

wobei q die Provinz in China ist. \({L}_{j}^{q}\) ist der Marktanteil von Schachtöfen in der Provinz q im Jahr j, und \({N}_{j}^{q}\) ist der Marktanteil von NSP-Drehrohröfen in der Provinz q im Jahr j. \({l}_{2006}^{q}\) und \({l}_{2012}^{q}\) stellen den Anteil der geplanten Kapazität der Schachtöfen von Zementunternehmen in der Provinz q im Jahr 2006 dar 2012 bzw. \({h}_{2006}^{q}\) und \({h}_{2012}^{q}\) sind der Anteil der geplanten Kapazität der anderen Drehrohröfen von Zementunternehmen in der Provinz q im Jahr 2006 bzw. 2012.

Da die Zementproduktion auf Basis von NSP-Drehrohröfen vor 2000 weniger als 10 % der nationalen Zementproduktion ausmachte6,10 wurden vor 2000 nur Schachtöfen und andere Drehrohröfen berücksichtigt. Die Provinzen Hainan, Tianjin und die Provinz Taiwan sind da nicht enthalten sind nicht im China Cement Almanac63 enthalten. Basierend auf dem Marktanteil von CMTs kann die nationale Zementproduktion durch verschiedene CMTs durch Gleichung (1) ermittelt werden. (2).

wobei \({P}_{j}^{a}\) die nationale Zementproduktion der CMT-Kategorie a im Jahr j ist. \({T}_{j}\) ist die gesamte Zementproduktion in China im Jahr j63,64,65. \({C}_{j}^{a}\) ist der nationale Marktanteil der CMT-Kategorie a im Jahr j.

LCA ist die am häufigsten verwendete Bewertungsart mit breiter internationaler Akzeptanz zur Messung von Umweltauswirkungen66. Das LCA-Modell umfasst die Ressourcengewinnung, die Rohstoffaufbereitung, die Klinkerkalzinierung und die Zementmahlung (Abb. 5). Der Transport und der Zementverpackungsprozess sind nicht in der LCA-Grenze enthalten. Die Funktionseinheit ist 1 Tonne gewöhnlicher Portlandzement, da seine Produktion mehr als 98 % der gesamten Zementproduktion in China ausmacht30. Das Lebenszyklusinventar für die wichtigsten Arten von Zementöfen in China basiert auf Studien der indigenen Gelehrten Gong67, Yu68 und Li41 (siehe Ergänzungstabelle 2). Die Ökobilanz von Zementherstellungsprozessen wird mit der Gabi-Software v10.5 durchgeführt. Hier wird die Midpoint(H)-Methode von ReCipe2016 v1.169 übernommen, um die Charakterisierung der Umweltauswirkungen der drei wichtigsten CMTs zu analysieren. Für diese Studie werden acht Wirkungskategorien ausgewählt: Klimawandel (kg CO2-Äq.), fossiler Abbau (kg Öl-Äq.), photochemische Oxidationsmittelbildung (kg NOx-Äq.), terrestrische Versauerung (kg SO2-Äq.), Feinstaubbildung (kg PM2,5-Äq.), Humantoxizität (kg 1,4-DCB-Äq.), terrestrische Ökotoxizität (kg 1,4-DCB-Äq.) und Süßwasserverbrauch (m3). Diese Auswirkungen gelten als die größten Umweltauswirkungen der Zementherstellung28,70,71,72,73.

Die Wertschöpfungskette der Zementherstellung umfasst vier Schritte: Ressourcengewinnung, Rohstoffaufbereitung, Klinkerbrennen und Zementmahlen. Die Bestandsaufnahme umfasst zwei Aspekte: den Einsatz von Energie, Material und Wasser; die Ausgabe von Emissionen in Luft, Wasser und Land.

Anschließend wird eine Normalisierung der Umweltauswirkungen auf den Mittelpunkt durchgeführt, um den Beitrag der Zementherstellung zu den Gesamtauswirkungen in verschiedenen Kategorien zu vergleichen74. Bei der Normalisierung werden die charakterisierten Ergebnisse jeder Wirkungskategorie durch einen ausgewählten Referenzwert (R) dividiert, wodurch alle Ergebnisse auf den gleichen Maßstab28 gebracht werden (Gl. (3)); Dieser Vorgang ist hilfreich für die Interpretation der Ergebnisse. Die Normalisierungsfaktoren in unserer Studie beziehen sich auf ReCipe2016 v1.1 Midpoint Normalization World Level 201075,76.

wobei \({N}_{e}\) das Normalisierungsergebnis der Umweltauswirkungen e ist. \({C}_{e}\) ist das Gesamtausmaß der Umweltauswirkungen e. \({R}_{e}\) ist der Normalisierungsfaktor für die Umweltwirkungskategorie e.

Die Szenarioanalyse gilt als wichtiges Instrument zur Erleichterung des strategischen Denkens bei der Umweltverträglichkeitsprüfung und zur Unterstützung eines integrierten Planungsprozesses, an dem die wichtigsten Interessengruppen beteiligt sind77. Basierend auf den LCA-Ergebnissen können zwei Szenarien den Beitrag der CMT-Anwendung aufzeigen. Das angenommene Szenario stellt keine CMT-Modernisierung (d. h. keine NSP-Drehrohröfen) nach dem Jahr 2000 dar, unter der Annahme, dass die Marktanteile von Schachtöfen und anderen Drehrohröfen im Zeitraum 1996 bis 2000 dem durchschnittlichen Prozentsatz entsprachen. Die Gleichungen zur Berechnung verschiedener Umweltauswirkungen im „Ist „Situation“ und „Angenommenes Szenario“ sind in Tabelle 1 dargestellt. Anschließend vergleichen wir die Umweltauswirkungen, um die Umweltvorteile der CMT-Entwicklung in China zu ermitteln.

Das Pariser Abkommen verwendet CO2 als dominanten Indikator zur Bewertung der Belastung des Klimas durch Treibhausgasemissionen78. Gemäß den in Abb. 2a dargestellten Ergebnissen wird der Klimawandel als die wichtigste Umweltauswirkung der Zementherstellung identifiziert. Daher werden CO2-Emissionen als typische Umweltauswirkungen ausgewählt, um sie pro Tonne Zementproduktion in den einzelnen Ländern zu vergleichen. Über die CMT-Struktur und die entsprechende Umweltbelastung in anderen Ländern liegen jedoch nur wenige Informationen vor. Um die Vergleichbarkeit zu verbessern, werden die gesamten CO2-Emissionen der Zementproduktion in jedem Land5 durch die gesamte Zementproduktion des Landes47 dividiert (Gl. (4)). Darüber hinaus wurde der Strom pro Tonne Zement pro Land im Jahr 2018, der direkt von der Internationalen Energieagentur79 erhoben wurde, verwendet, um den Energieverbrauch und die Umweltbelastung der Zementherstellung zwischen den Ländern weiter zu vergleichen.

wobei \({E}_{j}^{m}\) die durchschnittlichen CO2-Emissionen der Zementproduktion im Land m im Jahr j sind. \({I}_{j}^{m}\) ist der gesamte CO2-Ausstoß der Zementproduktion im Land m im Jahr j5. \({T}_{j}^{m}\) ist die gesamte Zementproduktion im Land m im Jahr j47.

Die in dieser Studie generierten und analysierten Datensätze werden in den Zusatzinformationen weiter ausgeführt und sind unter Figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20580399.v1) verfügbar. Die Zementproduktion in China nach Provinzen wird vom China Cement Almanac63, dem Almanac of China Building Materials Industry64 und dem National Burau of Statistics in China (http://www.stats.gov.cn/)65 erfasst. Der Strom pro Tonne Zement nach Ländern ist bei der Internationalen Energieagentur verfügbar (https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/electricity-use-per-tonne-of-cement-in-selected- Länder-und-Regionen-2018)79.

Alle Kartenfiguren wurden mit der Tableau-Software (2021) erstellt. Für die hier durchgeführten Ökobilanzanalysen wurde das Standardsoftwarepaket Gabi (v10.5) verwendet.

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Diese Arbeit wurde finanziell von der National Natural Science Foundation of China (71974129, 71991484), dem Shanghai Pujiang Program (20PJ1412000) und dem Program of Special Appointment [Eastern Scholar] des Shanghai Institute of Higher Learning (TP2020049) unterstützt.

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Gang Liu

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BH hat die Forschung entworfen. XX hat das Manuskript verfasst. XX und BH zeichneten alle Figuren. LL sammelte CMT-Daten der Provinz. BH, GL, ZC, XG, RM und LD haben das Manuskript überarbeitet. XX, YC und YW führten die Berechnung und Analyse durch.

Korrespondenz mit Beijia Huang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen. Gang Liu ist Redaktionsmitglied für Communications Earth & Environment, war jedoch weder an der redaktionellen Überprüfung noch an der Entscheidung zur Veröffentlichung dieses Artikels beteiligt.

Communications Earth & Environment dankt Ujjwal Sharma und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Hauptredakteure: Alessandro Rubino, Joe Aslin und Heike Langenberg.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xu, X., Huang, B., Liu, L. et al. Die Modernisierung der Zementherstellung in China führt zu erheblichen Umweltvorteilen. Commun Earth Environ 3, 276 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00579-3

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Eingegangen: 04. März 2022

Angenommen: 10. Oktober 2022

Veröffentlicht: 17. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-022-00579-3

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