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Dyckerhoff GmbH Werk Lengerich
Bedeutung der Kalksteinlagerstätte am Teutoburger Wald
für die Produktionspalette des Zementwerkes Lengerich
Einziger Hersteller für Tiefbohrzement mit API Monogramm
in Deutschland
Onshore
Offshore
Inhalt
1.
Kennzeichen und Einsatzgebiete von Tiefbohrzent ........................................................ 3
2.
Chemisch-mineralogische Anforderungen an einen Tiefbohrzement-Klinker .................. 5
3.
Tiefbohrzement-Produktion in Deutschland und Europa ................................................. 8
4.
Tiefbauzemente.............................................................................................................10
5.
Erforderliche Kalksteinqualität für die Herstellung von Normalzementen .......................11
6.
Erforderliche Kalksteinqualität für die Herstellung von Spezialzementen ......................13
7.
Bedeutung der Kalksteinlagerstätten am Teutoburger Wald für die Produktion von
Tiefbohrzement .............................................................................................................16
8.
Bedeutung des technischen Equipments für die Herstellung von Tiefbohrzement .........20
9.
Bedeutung des vor Ort vorhandenen Know-hows und der Prüfeinrichtungen ................21
10.
Zusammenfassung ....................................................................................................23
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 2
1. Kennzeichen und Einsatzgebiete von Tiefbohrzent
Die Erschließung von Öl- bzw. Gaslagerstätten findet heutzutage in immer größeren Tiefen
statt. Sie erfordert die Einzementierung der Verrohrung zum Abdichten und Abstützen der
Bohrlochwand (Abb. 1 links). Außerdem soll der Zementmantel die Migration von
Lagerstättenflüssigkeiten oder -gasen in höher- oder tiefergelegene Formationen
unterbinden (sog. "zonal isolation"). Bei der Tiefbohrzementierung wird eine
Zementschlämme durch die Rohrtour zur Bohrlochsohle gepumpt und dort von unten nach
oben in den Ringraum zwischen Gesteinswand und Rohrtour gepresst (Abb. 1 rechts). Pro
Bohrloch sind zwischen 50 und 250 Tonnen Zement nötig, um das Rohr mit einem
schützenden und abdichtenden Mantel zu umhüllen. Die Bohrlöcher sind bis 4.500 Meter
(Öl) oder 7.000 Meter (Gas) tief. Mit dem Lengericher Tiefbohrzement wurden sogar
Bohrungen bis zu einer Tiefe von 9.000 m durchgeführt.
2007 wurden weltweit insgesamt 108.000 Bohrungen mit einer gesamten
Zementationsstrecke von 160.000 km abgeteuft.
Abb.1 Schematische Darstellung einer Tiefbohrzementierung; links: Ringraumzementierung in
Intervallen; rechts: Einbringen der Zementschlämme in den Ringraum zwischen Rohrtour und
Gesteinswand. Abb. aus: Lehrstuhl für Bauchemie
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 3
Der Jahresverbrauch an Tiefbohrzement beträgt weltweit im Gegensatz zur
Normalzementproduktion von 3,7 Mrd. Tonnen - nur wenige Mio. Tonnen 1.
Die hohe Bedeutung der Produktion des Werkes Lengerich mit einem weltweiten Versand
von ca. 350.000 Tonnen pro Jahr erkennt man am Vergleich mit der Produktion von
Tiefbohrzement in den USA, die bei insgesamt 1,5 Mio Tonnen2 liegt. Die besondere
Bedeutung der hohen Qualität zeigt sich auch daran, dass Lengericher Tiefbohrzement bis
zu Bohrstellen in Südamerika geliefert wird.
Tiefbohrungen nach Öl oder Gas stellen besondere Anforderungen an den Zement, der das
Bohrloch befestigen muss. Ein Einsatz von Normalzementen bei Tiefen ab 2.000 Meter ist
mit Normalzementen ausgeschlossen, da dieser unter dem hohen Druck und der Temperatur
sofort erstarren würde und ein Fortsetzen der Bohrung nicht mehr gestatten würde.
Den Tiefbohr-Zementschlämmen werden polymere Additive (Zusatzmittel) wie Verzögerer,
Wasserretentionsmittel, Dispergiermittel, Entschäumer und Schäumer zugesetzt, um die
gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
Hochleistungsadditive werden zugesetzt, um eine vollständige Ringraumzementation der
Rohrtour bei den im Bohrloch herrschenden extremen Bedingungen (Temperaturen bis
260°C, Drücken bis 200 MPa (= 2.000 bar) und aggressiven Lagerstättenwässern) zu
gewährleisten.
Der Zusatz von Wasserretentionsmitteln bzw. Fluid Loss-Additiven (FLA) zur
Zementschlämme verhindert z.B. übermäßige Wasserabgabe (sog. Fluid Loss) an porösen
Formationen während und nach der Platzierung im Bohrloch. Dadurch wird das Eindicken
der Schlämme während des Pumpvorgangs verhindert und ein konstanter Wasser-ZementWert gewährleistet, der eine vollständige Hydratation des Zementes erlaubt. Um gleichzeitig
Verpumpbarkeit über mehrere 1.000 m zu gewährleisten, werden der
Tiefbohrzementschlämme zusätzlich Fließmittel, sog. Dispersants zugesetzt. 3
1
(Lehrstuhl für Bauchemie, Techn. Universität München, http://www.bauchemie-tum.de/masterframework/?p=Tief&i=13&m=1&lang=de Zugriff am 12-06-15) Hier wird die Produktion auf 1 Mio
Tonnen geschätzt.
2
Minerals Yearbook 2008, Ch. 16.21, Table 15
3
Lehrstuhl f. Bauchemie, a.a.O.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 4
2. Chemisch-mineralogische Anforderungen an einen Tiefbohrzement-Klinker
Zementklinker besteht im Wesentlichen aus den Klinkerphasen Tricalciumsilicat
(mineralogische Kurzformel: C3S), Dicalciumsilicat (C2S), Tricalciumaluminat (C3A) und
Calciumaluminatferrit (C4AF), die beim Brennen der Ausgangsstoffe entstehen. Die
verschiedenen Klinkerphasen unterscheiden sich sowohl in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit
als auch in ihrem Beitrag zur Festigkeitsentwicklung des Zementsteins. C3A und C3S
hydratisieren am schnellsten, während C4AF und C2S deutlich langsamer reagieren.4
Bei den Bohrarbeiten zur Gewinnung von Erdöl verwendet man Tiefbohrzement für die
Zementschlämme, die nach dem Erhärten die niedergebrachte Verrohrung gegen das
Gebirge abschließen soll, öl- und gasführende Horizonte gegeneinander und gegen
wasserführende Schichten absperren und die Verrohrung in ihrer Lage fixieren soll. Nur in
einfachen Fällen, d. h. bis zu einer Tiefe von rd. 1.200 bis 2.000 m, kann man für eine solche
Zementierung üblichen Bauzement verwenden, in größerer Tiefe ist Tiefbohrzement
erforderlich. Seine Eigenschaften und deren Prüfung sind von dem für die Qualitätsrichtlinien
der Tiefbohrzemente maßgebenden American Petroleum Institute (API) in der Vorschrift API
STD 10A und lOB festgelegt. So darf hiernach u.a. der Gehalt an Tricalciumaluminat (C3A)
im Zement nur maximal 3 % betragen5, wohingegen ein nach europäischem Standard
genormter Zement zwischen 7 und 16% C3A 6enthält.
Der Gehalt des Zements an C3A ist deswegen begrenzt, weil die Zementschlämme mit 38
bis 46% Wasser gegen eine Verunreinigung durch salzhaltiges Gestein, auch durch die
Bohrspülung unempfindlich sein muss, die außer Ton noch Natriumlauge, -carbonat, -silicat,
-phosphat und -chlorid, auch organische Stoffe, wie Stärke, Methylzellulose, Tannin oder
Quebracho enthalten kann. Sie soll kein Wasser absondern, möglichst 3 Stunden lang
pumpfähig bleiben und in möglichst kurzer Zeit etwa 3,5 MPa Druckfestigkeit erreichen, aber
auch nicht zu fest werden. - Die Gebirgstemperatur kann schon in 1.800 m Tiefe mehr als 60
Grad über der Außentemperatur liegen, in 4.500 m Tiefe hat man bei einer
Ausgangstemperatur von rd. 15°C schon mit einer Gebirgstemperatur von mehr als 150°C zu
rechnen. Deshalb müssen Versteifung und Festigkeit von Zement für Tiefen von z. B.
3.600 m (12.000 ft), 4.200 m (14.000 ft), 4800 m (16.000 ft) bei einer von 82 auf 115, dann
160 °C usw. ansteigenden Temperatur und einem entsprechend erhöhten Druck geprüft
werden7.
Aluminium ist ein Hauptbestandteil der Tonmineralien, die in der Mischung mit Kalk als
„Mergel“ bezeichnet werden. Um einen möglichst aluminiumarmen Zementklinker zu
brennen, muss der Kalkstein möglichst geringe Anteile an Mergel haben, d.h. nur ein
möglichst reiner Kalkstein ist für die Produktion von Tiefbohrzement geeignet.
4
Nach VDZ-Online: Hydratation des Zements und Gefüge des Zementsteins. https://www.vdzonline.de/fileadmin/gruppen/vdz/3LiteraturRecherche/KompendiumZementBeton/1-4_Hydratation.pdf
5
Schlumberger: Cement Chemistry and Additives – Oilfeld Review Vol. 1;
6
Locher, D.: Zement: Grundlagen der Herstellung und Verwendung. – Düsseldorf 2000, S. 31
7
Keil, F.: Zement-Herstellung und Eigenschaften – Springer Verlag 1971
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 5
Zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften des Tiefbohrzementes ist nicht nur die
stoffliche Zusammensetzung der Hauptkomponenten des Tiefbohrzementklinkers
entscheidend. Weitere Faktoren sollen hier nur kurz aufgelistet werden:
-
Kornform und -größe der Zementklinkerminerale (steuerbar über den Brennprozess;
Mahlfeinheit des Rohmehls u.a.)
-
Maximal zulässiger Gehalt bestimmter Spurenelemente, die das Abbindeverhalten
beeinflussen können
-
Spezieller Mahlprozess des Tiefbohrzementklinkers
-
Gesonderte Qualitätskontrolle unter im Labor nachgestellten Einsatzbedingungen
-
Gleichmäßigkeit der Eigenschaften. Der Zement-Mischung für die Zementierung der
Bohrlöcher wird mit diversen Zusatzmitteln auf die exakt passende Verarbeitbarkeit
eingestellt, so dass insbesondere bei anspruchsvollen Bohrbedingungen es auf die
absolute Gleichmäßigkeit des Tiefbohrzementes ankommt. Geringfügige
Qualitätsschwankungen des Tiefbohrzementes können bereits zu unerwünschten
Wechselwirkungen mit den Zusatzmitteln führen, welche zu Stillständen der
Bohranlagen (verbunden mit hohen Kosten für die Explorationsfirmen) oder gar zu
nachträglichen Havarien (Bsp. Deepwater Horizon Havarie im Golf von Mexiko)
führen können
Zertifizierung durch das American Petroleum Institute (API)
Der weltweit wichtigste Standard für die chemischen Eigenschaften und physikalischen
Anforderungen an den Tiefbohrzement ist die Specification 10 A des American Petroleum
Institute (API). In diesem Standard werden die Normgrenzen für 6 verschiedene
Tiefbohrzemente festgelegt, welche jeweils in unterschiedlicher Sulfatbeständigkeit
hergestellt werden können. Der mit Abstand wichtigste Zementtyp ist der Class G HSR
(hochsulfatbeständig), wie er auch hauptsächlich in Lengerich hergestellt wird. Neben den
technischen Anforderungen aus der Specification 10 A müssen Hersteller, die die
Zertifizierung nach API erhalten wollen, besondere Anforderungen an
Qualitätsmanagementsysteme erfüllen. Es muss die gesonderte API Specification Q1 erfüllt
werden, welche auf Grund Ihrer technischen Ausrichtung in Teilen höhere Anforderungen als
die ISO 9001 verlangt. Die Überprüfung der Einhaltung der technischen Vorgaben, als auch
der Erfüllung der Vorgaben bezüglich des Qualitätsmanagementsystems erfolgt alle 3 Jahre
durch ein einwöchiges Audit im Herstellwerk durch einen Auditor des API. Dieser bereits
durch die API geforderte technisch und qualitativ hohe Standard sorgt dafür, dass weltweit
fast ausschließlich Tiefbohrzemente mit API-Zertifizierung zum Einsatz kommen.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 6
Abb. 2 API-Zertifikat für das Zementwerk Lengerich
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 7
3. Tiefbohrzement-Produktion in Deutschland und Europa
In Deutschland gibt es ausschließlich das Werk Lengerich der Dyckerhoff GmbH, welches
eine API-Lizenz für die Herstellung von Tiefbohrzement besitzt. Hergestellt werden im Werk
Lengerich primär der Class G HSR als Standardzement, sowie der Class C Grade O
(normale Sulfatbeständigkeit) und der Class B HSR für spezielle Tiefbohranwendungen in
Kontinentaleuropa.
In Europa außerhalb Deutschlands gibt es noch weitere Produktionsstandorte, wie folgende
Tabelle zeigt:
Land
Unternehmen
Türkei
Geschätzte Jahresproduktion
< 15.000 t/a
Belgien
C.C.B
< 50.000 t/a
Kroatien
CEMEX
< 5.000 t/a
Italien
Italcementi
Slowenien
Salonit Anhovo
< 5.000 t/a
Spanien
Lafarge
< 60.000 t/a
Frankreich
Lafarge
< 15.000 t/a
Norwegen
Norcem
< 40.000 t/a
Griechenland
GESAMT
(nur Lizenz für Zement--Produktion in Salonit)
(nur Lizenz, keine Produktion)
< 190.000 t/a
Die aktuellen API-zertifizierten Werke sind in der API Composite List einzusehen, welche
unter dem folgenden Link abzurufen ist. https://mycerts.api.org/Search/CompositeSearch
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 8
Abb. 3 Auszug aus API Composite List8
Zementarten: Ordinary (O), Moderate Sulfate Resistant (MSR), and High Sulfate Resistant
(HSR).
8
https://mycerts.api.org/Search/CompositeSearch
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 9
4. Tiefbauzemente
Tiefbauzemente unterscheiden sich von Tiefbohrzementen durch unterschiedliche
Qualitätsanforderungen und Einsatzgebiete.
Ein Anbieter von Tiefbauzement ist z.B. die Heidelberg Geotechnik in Ennigerloh. Die
Heidelberg Geotechnik bietet beispielsweise den Thermocem an, wobei es sich um ein
Bindemittel handelt, welches für den Einsatz in Geothermiebohrungen optimiert ist. Diese
Bohrungen gehen, im Gegensatz zu den Bohrungen, bei denen ein Tiefbohrzement nach
API-Standard eingesetzt wird, nur zirka 100-150 Meter tief. Der Themocem besteht aus
hochsulfatbeständigen Bauzementen (ähnlich dem PZ Sulfadur aus Lengerich) und ist
versetzt mit Bentonit, einem quellfähigen Tonmineral, und Graphit, der zur besseren
Wärmeleitfähigkeit des Bindemittels beigemischt wird. Die Bohrungen im Tiefbohrbereich
gehen im Gegensatz zur Geothermieanwendung im Allgemeinen bis in 7.000 Meter Tiefe,
der Lengericher Zement ist sogar bis in Tiefen von 9.000 m eingesetzt worden.
Weitere Produkte die Heidelberg Geotechnik herstellt, wie z.B. Verfüllmassen für ehemalige
Bergbaustollen (sogenannte Dämmer), Abdichtungen für Deponien (Dichtwandmassen),
Bodenverfestigungen oder Bindemittel für Horizontalbohrungen bestehen aus Mischungen
von normalen Bauzementen mit Bentonit, Kalkprodukten, Kalkstein- und Hüttensandmehlen.
Ähnliche Produkte wie Dichtwandmassen, Dämmer und Bodenverfestiger werden unter
anderem auch im Werk Lengerich hergestellt und von dort vertrieben.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 10
5. Erforderliche Kalksteinqualität für die Herstellung von Normalzementen
Die Zementwerke in Deutschland, die Klinker für Normalzement produzieren, befinden sich
auf Lagerstätten, die aus karbonatreichen Sedimentgesteinen bestehen, deren
Karbonatgehalt unter optimalen Bedingungen um 78% CaCO3 betragen sollte, da nur bei
dieser Zusammensetzung die Bildung der gewünschten Zementklinkerminerale beim
Brennen erfolgt.
Meistens handelt es sich bei diesen Lagerstätten um marin gebildete Sedimente, die sich
durch gleichbleibend mächtige Schichten ausweisen, ohne größere
Sedimentationsanomalien, und nur geringen tektonischen Verwerfungen unterliegen.
Beispiele hierfür sind die Kalksteinlagerstätten in Rüdersdorf, Geseke (Abb. 2) und Deuna.
Abb. 4 Beispiel für eine typisches Kalksteinlagerstätte zur Klinkerproduktion für
Normzemente. Die Schichten lagern annähernd söhlig, Qualitätsunterschiede sind mit dem
Auge kaum auszumachen (Steinbruch Fortuna der Dyckerhoff GmbH in Geseke)
Falls der Karbonatgehalt der Lagerstätte geringer ist, muss die Rohmaterialmischung durch
Zuschläge im Karbonatgehalt angehoben werden, was zum Beispiel für die
Karbonatgesteine des Beckumer Raums zutrifft. Hier sind bereits für die Herstellung von
Normalzement 20- 25% Zuschlag in Form eines hochprozentigen Kalksteins aus dem
Warsteiner Raum erforderlich.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 11
Limitierende Faktoren einer Lagerstätte sind z.B. wechselnde Sedimentationsbedingungen
mit einhergehendem wechselndem Chemismus oder abnehmende Karbonatgehalte, die die
Lagerstätte für die Zementproduktion begrenzen.
Abb. 5
Beispiel für die Begrenzung
einer Lagerstätte in die Teufe
ist das Bohrprofil der fast
horizontal liegenden
Schichten der Oberkreide im
Raum Geseke9. Hiernach ist
nur eine Mächtigkeit von ca.
25 – 30 m für die
Zementproduktion geeignet,
da ein CaCO3-Gehalte von im
Mittel 78% CaCO3-angestrebt
wird. Die „Oberen
schloenbachi-Schichten
können zum Teil durch die
„mittleren SchloenbachiSchichten“ auf 78% (rot
gestrichelte Linie) eingestellt
werden.
Zur Erzielung des richtigen
Mischungsverhältnisses sind
zwei Abbaustellen im
Steinbruch erforderlich.
Die darunterliegenden
Schichten sind für die
Zementproduktion nicht mehr
geeignet, da die Schichten zu niedrige CaCO3-Gehalte aufweisen (grau hinterlegt).
9
GEOLOGISCHES LANDESAMT NORDRHEIN W ESTFALEN (Hrsg) (1985): Geologische Karte von NordrheinWestfalen 1:25.000, Erläuterungen zu Blatt 4317 Geseke. Krefeld.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 12
6. Erforderliche Kalksteinqualität für die Herstellung von Spezialzementen
Für die Herstellung von Spezialzement (u.a. Tiefbohrzement) sind nur solche Kalksteine
geeignet, bei denen beim Brennen kein Tricalcium-Aluminat (C3A) entsteht. Hierfür sind nur
Karbonatgesteine mit einem möglichst geringen Tongehalt, bzw. möglichst geringen
Aluminiumgehalt (von weniger als 3% Al2O3, siehe Kapitel 2) geeignet. Die Tonminerale sind
als Alumosilikate Träger des Aluminiums mit Gehalten von rd. 20% Al2O3, das für die
Herstellung von Tiefbohrzementklinker gerade nicht geeignet ist.
Die Karbonatgesteine des Beckumer Raumes scheiden dadurch für eine Produktion von
Tiefbohrzement aus, da sie mit einem mittleren Al2O3-Gehalt von rd. 5% Al2O3 einen viel zu
hohen Aluminiumgehalt besitzen. Zur Erzielung eines Rohmaterialgemisches von unter 3%
Al2O3 müssten 40% der Mischung aus zuzufahrendem reinsten Kalkstein bestehen, der
entweder aus dem Warsteiner Raum geliefert werden müsste oder vom Teutoburger Wald
kommen könnte (Cenoman-Kalkstein).
Optimal sind daher hochprozentige Kalksteine, mit Kalziumkarbonatgehalten von mehr als
83%, die in der Lengericher und Höster Lagerstätte in Form des Cenoman-Kalkes und des
Cenoman-Pläners anstehen.
Abb. 6
Materialstrom für die Herstellung
von Tiefbohrzementklinker.
Neben den hochprozentigen
Cenoman-Kalksteinen wird zur
Einstellung der angestrebten
Mischungszusammensetzung ein
Anteil von ca. 35% sog. „Hoher
Mergel1“ benötigt
1
„Hoher Mergel“ ist die Bezeichnung
aus der Produktion; stratigrafisch mit
der Weißen Grenzbank und Teilen
der oberen Kalk-MergelWechselfolge gleichzusetzen
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 13
Damit sich beim Tiefbohr-Klinkerbrand Zementklinkerminerale bei einer Sintertemperatur von
rd. 1.500 C bilden, müssen in der Rohmehlmischung aluminiumarmer Sand und
aluminiumarmes Eisenerz als „Flussmittel“ zudosiert werden,
.
Hieraus entsteht ein Zementklinker, der nicht wie ein Normalzementklinker aus den
Klinkerphasen C3S (Tricalciumsilikat), C2S (Dicalciumsilikat) und C3A (Tricalciumaluminat)
besteht, sondern aus den Klinkerphasen C3S, C2S und C4AF.10, siehe nachfolgendes 4-StoffDiagramm.
10
Heinrich, J.G.: Heterogene Gleichgewichte- Grundlagen und spezielle keramische Systeme, S. 160
ff
http://video.tu-clausthal.de/videos/inw/vorlesung/tkws2009/Physikalische_und_chemische_Grundlagen_der_Keramik%20Teil_I.pdf
auch: Locher, F.W. (2000): Zement, Grundlagen der Herstellung und Verwendung. – Düsseldorf , S.
63
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 14
100%
Fe2O3
100%
SiO2
100%
Al2O3
Abb. 7 Darstellung der CaO-Ecke des Vierstoffsystems CaO-Al2O3-Fe2O3-SiO2 in einem
dreidimensionalen Tetraeder (vierflächige Pyramide). 11
Der Bildungsbereich des erforderlichen Zement-Klinkerminerals C3S ist durch die rote
Flächen umrandet. Der Bereich für die chemische Zusammensetzung für die
Normalzementklinker ist durch einen grünen Kreis markiert. An dieser Stelle bildet die
Zusammensetzung aus CaO, Al2O3, SiO2 und Fe2O3 ein sog. Eutektikum. D.h. die
Zusammensetzung beginnt bei 1455°C aufzuschmelzen und C3S zu bilden.
Für die Herstellung von Tiefbohrzement muss die Bildung von C3A vermieden werden. Die
Zusammensetzung dieser Rohmehlmischung ist durch einen gelben Kreis markiert. Auch
hier liegt bei 1450 °C ein Eutektikum, das jedoch im Vergleich zum grün gefärbten
Eutektikum weniger Aluminium, jedoch mehr Eisen enthält. Abbildung aus Locher (2000),
ergänzt durch Farbmarkierungen.
11
Anm: dies ist eine übliche Darstellung u.a. in der Zementchemie, um den Zusammenhang zwischen
stofflicher Zusammensetzung und Bildungsbereiche von Zementklinkerminerale darzustellen. Die
Eckpunkte des vollständigen Tetraeders sind durch jeweils 100% der vier Stoffe CaO-Al2O3-Fe2O3 und
SiO2 gekennzeichnet. Innerhalb des Vierstoffsystems lassen sich jede beliebige Zusammensetzung
durch einen Punkt im Tetraeder darstellen, bzw. die Bildungsbereiche der Zementklinkerminerale.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 15
7. Bedeutung der Kalksteinlagerstätten am Teutoburger Wald für die
Produktion von Tiefbohrzement
Die Kalksteinlagerstätten (Steinbrüche Lengerich und Höste) unterscheiden sich von den
o.g. Lagerstätten des Beckumer Raumes und der meisten übrigen deutschen Lagerstätten,
die für die Zementproduktion genutzt werden, dadurch, dass sowohl mergelige Kalke (TuronPläner) als auch hochprozentige Kalke (Cenoman-Kalk und Cenoman-Pläner) in größeren,
als eigene Qualität verwertbaren Mengen anstehen.
Die Lagerstätte am Teutoburger Wald setzt sich sowohl aus mergeligen Kalkschichten als
auch aus hoch karbonatreichen Schichten zusammen. Dies ist einerseits begründet durch
die unterschiedlichen Sedimentationsbedingungen während der Bildungszeit der Gesteine in
der Oberkreide. (vgl. hierzu KAPLAN 199212), andererseits durch die tektonischen
Verformungen zu Beginn des Tertiärs. Die Tektonik hat die horizontal abgelagerten
Wandhöhe:
8 Meter
Abb. 8 Bild aus dem Steinbruch Lengerich, tektonisch überarbeiteter Grenzbereich
zwischen den Turon-Plänern und den Cenoman-Kalken
Rechts im Bild steht der Turon-Pläner an (Rohmaterial für die Herstellung von
Normalzement, in der Mitte des Bildes ist die Schwarz-Bunte Wechselfolge aufgeschlossen
(Korrekturmaterial für das Normal-Rohmaterial), links im Bild die (hier auf die Schwarz-bunte
Wechselfolge überschobenen) Cenoman-Kalke, die für den Normalzement deutlich zu hohe
Karbonatgehalte aufweisen und das Rohmaterial für den Tiefbohrzementklinker darstellen.
Kalksteinschichten nicht nur um rd. 25° steiler gestellt, sondern auch noch stellenweise die
karbonatreichen Kalksteinschichten (Cenoman-Kalk) über die Turon-Pläner überschoben.
12
Kaplan, U. (1992): Die Oberkreide-Aufschlüsse im Raum Lengerich/Westfalen. – Geol. Paläont.
Westf., 21: 7 - 37; Münster.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 16
Die Auffaltung der Gesteinsschichten und die tektonischen Verformungen gestatten einen
qualitätsgesteuerten Abbau, der an verschieden Stellen des Steinbruchs vorgenommen wird,
je nachdem, ob Rohstoff für die Produktion von Normalklinker oder für Tiefbohrklinker
gefordert
Die für die Produktion von Tiefbohrzementklinker benötigten hoch karbonathaltigen Gesteine
als Hauptkomponente sind im Steinbruch jederzeit zugänglich und stehen sowohl im
Steinbruch Lengerich als auch im benachbarten Steinbruch Höste in ausreichender Qualität
und Menge zur Verfügung.
Die nach dem Lagerstättengutachten von der Fa. Mining Technology Consult (MTC,
Clausthal) berechneten Vorräte an hoch karbonatreichen Gesteinen reichen deutlich über
den mittelfristigen Planungshorizont von 35 a hinaus.
Die Lage der hochprozentigen Kalke im Steinbruch Lengerich ist in den beiden Luftbildern im
Anhang dargestellt.
Eine derartige Lagerstättenkombination (mergelige Kalke und hochprozentige Kalke in einer
Lagerstätte) ist in Deutschland nicht häufig anzutreffen. Das Vorkommen von
hochprozentigen Kalken in einer Lagerstätte führt i. d. R. zur Ansiedlung eines Kalkwerkes,
das das hochprozentige Rohmaterial (ausschließlich) für die Herstellung von Branntkalk
nutzt (Beispiel Rüdersdorf, s.u.). In der Rüdersdorfer Lagerstätte sind Wellenkalk und
Schaumkalk räumlich eindeutig durch eine Fahrstraße getrennt.
Während der Wellenkalk von der Fa. Cemex zur Produktion von Zement abgebaut wird,
nutzt die Fa. Fels-Werke GmbH den Schaumkalk zur Produktion von hochwertigen
Kalkprodukten.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 17
Abb. 9
Typischer CenomanKalk aus dem
Lengericher
Steinbruch mit
CaCO3-Gehalten von
>85%, aufgrund des
hohen
Karbonatgehaltes
weißliche Färbung
Wandhöhe:
ca 10 Meter
Abb. 10
Beispiel einer typischer Lagerstätte für die Zementproduktion;
hier Mergelkalk aus dem Beckumer Steinbruch mit CaCO3-Gehalten von < 75%, aufgrund des
niedrigen Karbonatgehaltes dunkelgraue Färbung. Weiterhin zu beachten die söhlige
Lagerung der Gesteinsschichten
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 18
Abb. 11 Luftbild und Schnitt durch die Rüdersdorfer Kalksteinlagerstätte. Während der
Wellenkalk (82% CaCO3) zur Produktion von Normal-Zementklinker genutzt wird, wird der
hochprozentige Schaumkalk mit 92 % CaCO3 zur Produktion von Branntkalk genutzt13.
13
Rüdersdorfer Zement GmbH (2004): 750 Jahre Kalksteinbergbau in Rüdersdorf.Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 19
8. Bedeutung des technischen Equipments für die Herstellung von
Tiefbohrzement
Aufgrund des hohen Eisengehaltes des Tiefbohrrohmehls, im Gegensatz zum Rohmehl für
Normal, ist der Tiefbohrzement deutlich dunkler gefärbt und würde – als Untermischung im
Normalzement – zu Farbveränderungen führen, die aufgrund von Kundenanforderungen
ausgeschlossen werden müssen.
Deswegen wird am Standort Lengerich auf ein möglichst „sortenreines“
Produktionsverfahren geachtet, was durch den Betrieb von zwei getrennten Ofenlinien
(Drehofen 4 und Drehofen 8), getrennten Zementmahlanlagen und getrennten Silos
bewerkstelligt werden kann.
Das Kalksteinrohmaterial für die Produktion von Normalklinker und von Tiefbohrklinker wird
nach dem Brecher separat in der Rohmaterial-Lagerhalle getrennt gelagert. Für eine
gleichmäßige Beschickung der beiden Drehöfen ist eine Zwischenlagerung in der rd. 30.000
t fassende Rohmaterial-Lagerhalle gegeben, in der das Material durch richtungsversetztes
Auf- und Abhalden zusätzlich homogenisiert wird.
Abb. 12 Blick in das 30.000 t umfassende Rohmateriallager des Werkes. In der Halde
werden vier Mischhalden betrieben, die äußeren beiden Halden beinhalten das Rohmaterial
für die Herstellung von Tiefbohrzement-Klinker, die beiden inneren Halden sind für die
Normalklinkerproduktion bestimmt.
Tiefbohrzement aus dem Zementwerk Lengerich Seite 20
Die Kapazitäten der im Werk vorhandenen Klinkersilos sorgen dafür, dass Tiefbohrklinker
gezielt nach unterschiedlichen Qualitäten selektiert und in der Zementmühle wieder in der
gezielten Qualität zusammengeführt werden kann. Dies ermöglicht schnelle Reaktion auf
eventuelle Änderung im Ofenverlauf und stellt sicher, dass der Kunde keine Änderungen in
den Zementeigenschaften zu befürchten hat.
Weiterhin verfügt das Werk Lengerich mit dem rd. 11 km entfernten Binnenhafen in
Ladbergen über eine exzellente Anbindung an die großen Überseehäfen in Hamburg,
Bremen und Rotterdam, so dass auch Kundenaufträge größer 10.000 t in einem einzigen Lot
abgewickelt werden können. Eigene Logistikzentren mit Lagerkapazitäten in den wichtigsten
Abnehmerländern runden für den Kunden das Logistikkonzept ab, so dass der Kunde keine
Befürchtung haben muss, nicht rechtzeitig mit Tiefbohrzement versorgt zu werden.
Eine strikte Beachtung der Qualitätsvorgaben bei der Auswahl des Rohmaterials und eine für
die Tiefbohrzementproduktion spezialisierte Anlagentechnik ist der Grund dafür, dass der
Lengericher Tiefbohrzement erfolgreich eine Rolle auf dem Weltmarkt spielen kann.
Diese konsequente Trennung des Materialflusses vom Steinbruch bis zum fertigen Produkt
ermöglicht in Lengerich die Produktion eines Tiefbohrzementes mit hoher Qualität, der sich
von den Produkten der Wettbewerber, die auch Tiefbohrzement herstellen, deutlich abhebt.
Im Gegensatz zu Lengerich stellen die meisten Wettbewerber Tiefbohrzement als
Batchproduktion (d.h. als Chargenproduktion) her. Die (i.d.R. einzig vorhandene) Ofenlinie
und die Zementmühlen werden sowohl für die normale Bauzementherstellung als auch für
Tiefbohrzementproduktion verwendet. Dies schließt (im Gegensatz zur Lengericher Anlage)
eine eigens für die Produktion von Tiefbohrzement optimierte Anlage aus und erzeugt
Vermischungen bei Sortenübergängen. In Anbetracht dessen, dass die Jahresproduktion
aller Wettbewerber in Europa zusammen kleiner ist als die Jahresproduktion Lengerich wird
ersichtlich, dass es für die Wettbewerber nur begrenzte Produktionskapazitäten für
Tiefbohrzement gibt.
9. Bedeutung des vor Ort vorhandenen Know-hows und der Prüfeinrichtungen
Seit 1955 wird Tiefbohrzement in Lengerich hergestellt. Das Werk Lengerich verfügt daher
mit seiner geschulten Mannschaft über einen jahrzehntelangen Erfahrungsschatz in der
Produktion von Tiefbohrzement. Das Labor des Werk Lengerich fungiert weiterhin innerhalb
des Buzzi Unicem Konzerns als zentrales Kompetenz-Zentrum im Bereich
Tiefbohrzementherstellung, da es über einen eigenen Laborbereich für die Prüfung des
Tiefbohrzementes verfügt. Das Lengericher Labor unterstützt auch konzerneigener Werke in
Nordamerika und Russland, sowie im Bereich Forschung und Entwicklung neuer
Tiefbohrbindemittel. Es ist mit geeigneten Prüfeinrichtungen ausgestattet, um eine
punktgenaue Qualitätssteuerung zu gewährleisten. Hierfür werden auch über die API
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Specification 10 A hinausgehende Prüfungen in Abstimmung mit den Kunden durchgeführt,
welche hohe Ansprüche an die Gleichmäßigkeit des Tiefbohrzements stellen.
Abb. 13 Hafen Ladbergen mit Big Bag Abfüllanlage und Umschlagsbereich (Fa. Oelrich)
Abb. 14 Umschlag Binnenschiff- Seeschiff mit Big Bags in Bremen
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10. Zusammenfassung
Das Zementwerk Lengerich ist das einzige Werk in Deutschland, das einen zertifizierten
Tiefbohrzement für Tiefen bis 9.000 m herstellen kann.
Für die Produktion von Tiefbohrzement sind folgende Voraussetzungen erforderlich:
1. eine Kalksteinlagerstätte, die neben dem Vorrat an mergeligen Kalken für die Produktion
von Normzementen auch ausreichend große und zugängliche Vorräte an hochprozentigen
Kalksteinen für die Produktion von Tiefbohrzement aufweist;
2. ein entsprechende technische Anlagenstruktur, die es gestattet, die beiden
Zementgruppen vom Brecher bis zur Verladung möglichst „sortenrein“ und mit einer extrem
gleichmäßigen Qualität zu produzieren;
3. entsprechende technische Anlagen, die die besonderen Anforderungen an die Mahlung
des Tiefbohrzementes erfüllen können,
4. ein entsprechendes Know-how der Produktionsmannschaft und der Qualitätssicherung.
Ein Zementwerk, das ausschließlich Tiefbohrzement produziert, ist angesichts des weltweit
vergleichsweise „geringen“ Bedarfs wirtschaftlich nicht denkbar.
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Cenoman-Kalke
„Hoher Mergel“
(weiße Grenzbank)
Ansicht des Steinbruch Lengerich Zentralfeld und Ostfeld, Blick vom Wärmetauscherturm des Drehofen 8 in nordöstliche Richtung. Im Ostfeld
findet zurzeit der Hauptabbau statt. Die für die Produktion von Tiefbohrzementklinker benötigten „hochprozentigen“ Kalksteinschichten sind
farblich transparent rot unterlegt
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