Lösung des massiven Kohlenstoffproblems von Zement

Neue Techniken und neuartige Inhaltsstoffe können die immensen Kohlenstoffemissionen bei der Zement- und Betonproduktion erheblich reduzieren

Beton ist überall: in Gebäuden, Straßen, Gehwegen, Brücken und Fundamenten für fast jedes erdenkliche Bauwerk. Wir stellen mehr Beton her als jedes andere Material auf der Erde, und dieses Volumen steigt aufgrund der globalen Entwicklung, insbesondere in China und Indien. Zement – ​​das pulverförmige Bindemittel, das den Sand oder Schotter in Beton zusammenhält – ist eines der energieintensivsten Produkte auf dem Planeten. Der darin verwendete Kalkstein wird bei bis zu 1.450 Grad Celsius in riesigen Öfen gebrannt, die fast ausschließlich mit fossilen Brennstoffen befeuert werden. Bei den beteiligten chemischen Reaktionen entsteht als Nebenprodukt noch mehr Kohlendioxid. Bei der Herstellung von einem Kilogramm Zement wird ein Kilogramm CO2 in die Atmosphäre freigesetzt. Weltweit verursacht die Zement- und Betonproduktion jedes Jahr bis zu 9 Prozent aller menschlichen CO2-Emissionen.

Seit einem Jahrhundert stellen Gesellschaften Zement und Beton auf nahezu die gleiche Weise her. Versuche haben gezeigt, dass ein Teil des Zements in einer Mischung ohne Festigkeitsverlust, aber mit weniger Emissionen durch kalzinierten (gebrannten) Ton oder Zutaten aus Abfällen wie Flugasche und Schlacke ersetzt werden kann. Das Angebot reicht nicht aus, um die Nachfrage zu decken, aber solche Alternativen können den CO2-Ausstoß in gewissem Maße reduzieren.

Andere alternative Materialien und Verfahren können die Emissionen erheblich senken. Einige breiten sich bereits aus; andere sind experimentell. Da der Großteil von Zement und Beton lokal oder regional in der Nähe seines Verwendungsortes hergestellt wird, stellen die Verfügbarkeit von Ersatzmaterialien, überarbeitete Baunormen zur Ermöglichung ihrer Verwendung, Kapitalkosten für die Umrüstung und Marktakzeptanz allesamt praktische Herausforderungen dar.

Die Zementherstellung verbraucht große Mengen an Energie, ein Großteil davon stammt aus fossilen Brennstoffen, die CO2 ausstoßen. Bestimmte Schritte emittieren auch direkt CO2, insbesondere die Bildung von Kalk (Schritt 3) und dann von Klinker, einem Härter (Schritt 4). Der Ersatz fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen und die Steigerung der Effizienz in der gesamten Produktion könnten den CO2-Fußabdruck um bis zu 40 Prozent reduzieren. Durch die Verwendung anderer Rohstoffe für Klinker könnten die verbleibenden 60 Prozent der Kohlenstoffemissionen drastisch gesenkt werden. (Der gezeigte Prozess gilt für sogenannte Trockenöfen; sie haben Nassöfen, die noch mehr Energie verbrauchen, weitgehend ersetzt.)

1. Kalkstein abbauen und mahlen

Wie es funktioniert: In Steinbrüchen werden kalziumkarbonathaltige Lagerstätten wie Kalkstein oder Kreide abgebaut, die geringe Mengen Ton enthalten können, der Silizium, Aluminium oder Eisen enthält. Die Zutaten werden in Stücke mit einer Größe von weniger als 10 Zentimetern zerkleinert und dann zu einem Pulver namens Rohmehl gemahlen.

Raum für Verbesserungen:Beginnen Sie mit Basalt anstelle von Kalkstein oder verwenden Sie „kohlenstoffnegativen Kalkstein“, der aus CO2-Abfällen hergestellt wird (Schritt 2), wodurch die Emissionen um bis zu 60 bis 70 Prozent reduziert werden.

2. Rohmehl vorwärmen ...

Wie es funktioniert:Rohmehl wird in einer Kammer über einem Ofen durch die heißen, wirbelnden Abgase des Ofens auf Temperaturen von bis zu 700 °C erhitzt und dabei Feuchtigkeit ausgetrieben.

Raum für Verbesserungen: Verbrennen Sie sauerstoffreiche Luft, um den CO2-Ausstoß zu verringern. Fügen Sie Ausrüstung zur CO2-Abscheidung hinzu, wodurch die Emissionen um bis zu 60 Prozent reduziert werden könnten. Verwenden Sie das überschüssige CO2, um kohlenstoffnegativen Kalkstein herzustellen (Schritt 1). Verbrennen Sie Biomasse oder Abfall anstelle von fossilen Brennstoffen, um den Ofen zu heizen.

3. ... und Mehl in Limette umwandeln

Wie es funktioniert: Vorgewärmtes Mehl wird in einer Brennkammer direkt über und im oberen Teil des Ofens bei 750 bis 900 Grad C verbrannt und dabei Calciumcarbonat in Calciumoxid (Branntkalk) und CO2 umgewandelt. Dieser Schritt verursacht 60 bis 70 Prozent des aus den Rohstoffen ausgestoßenen CO2 und verbraucht rund 65 Prozent des gesamten Brennstoffverbrauchs im gesamten Zementherstellungsprozess.

Raum für Verbesserungen: Verbrennen Sie sauerstoffreiche Luft, um den CO2-Ausstoß zu verringern. Fügen Sie Ausrüstung zur CO2-Abscheidung hinzu. Verwenden Sie einen Elektroofen, der mit erneuerbarer Energie betrieben wird, und reduzieren Sie die Emissionen für die Schritte 2, 3 und 4 um 30 bis 40 Prozent.

4. Kalk in Klinker umwandeln

Wie es funktioniert: Kalk wird bei bis zu 1.450 Grad Celsius in einem drei- bis fünfmal pro Minute rotierenden Ofen gebrannt. Bei diesem Prozess wird der Kalk zu Portlandzementklinker – dunkelgrauen Knötchen mit einem Durchmesser von drei bis 25 Millimetern – gesintert (verschmolzen) und noch mehr CO2 freigesetzt. Klinker ist das Bindemittel, das Zement bei der Reaktion mit Wasser zum Aushärten bringt.

Raum für Verbesserungen:Fügen Sie einen Mineralisator wie Kalziumfluorid oder -sulfat hinzu, um die Sintertemperatur des Kalks zu senken und so Energie zu sparen.

5. Klinker abkühlen und lagern

Wie es funktioniert:Heißer Klinker wird über Roste geleitet, wo er von Luftgebläsen auf etwa 100 °C abgekühlt wird. Sobald er abgekühlt ist, wird er in einem Silo gelagert und kann lange ohne Zersetzung haltbar sein, sodass er als eigene Ware verkauft werden kann.

Raum für Verbesserungen:Elektrifizieren Sie den Prozess oder leiten Sie die Abwärme aus Schritt 3 zur anfänglichen Kühlung ein.

6. Klinker mit Gips vermischen

Wie es funktioniert:Klinker wird mit Gips im Verhältnis 20 oder 25 zu eins gemischt.

Raum für Verbesserungen:Elektrisieren Sie den Prozess.

7. Mahlen Sie die Mischung zu Portlandzement

Wie es funktioniert:Walzen- oder Kugelmühlen mahlen Klinker und Gips zu einem feinen grauen Pulver, dem sogenannten Portlandzement.

Raum für Verbesserungen: Fügen Sie fein gemahlenen Kalkstein hinzu, um bis zu 35 Prozent des Zements zu ersetzen und so die Emissionen zu reduzieren, die bei früheren Produktionsschritten entstehen. Diese Mischung ist als Portland-Kalkstein-Zement bekannt. Erstellen Sie „Mischzemente“, indem Sie Flugasche (20 bis 40 Prozent), Schlacke (30 bis 60 Prozent) oder kalzinierten Ton (20 bis 30 Prozent) hinzufügen, um das Klinker-Zement-Verhältnis zu senken und die Emissionen um ähnliche Prozentsätze zu reduzieren.

8. Hauszement in Silos

Wie es funktioniert: Das Pulver wird gründlich gemischt, so dass es überall gleichmäßig ist, und dann in einem Silo gelagert. Es wird in Säcke für den Einzelhandelsverkauf verpackt oder in Lastwagen verladen, die zu Betonmischanlagen fahren.

Raum für Verbesserungen: Erwägen Sie für bestimmte Anwendungen kohlenstoffärmere Alternativen zu Portlandzement. Zu diesen Alternativen zählen alkaliaktivierte Zemente und durch Algen oder Mikroben erzeugte Biozemente sowie Zemente aus Magnesiumphosphat, Calciumaluminat oder Calciumsulfoaluminat. Solche Optionen können die Emissionen des gesamten Prozesses um 40 Prozent oder mehr reduzieren.

Beton wird normalerweise auf oder in der Nähe einer Baustelle hergestellt. Durch die Optimierung der Tragwerksplanung kann die benötigte Betonmenge reduziert werden (Schritt 3). Durch die Wiederverwendung und Verarbeitung von Beton nach dem Abriss (Schritt 4) kann CO2 aus der Atmosphäre absorbiert werden, wodurch einige Emissionen aus der ursprünglichen Zementproduktion ausgeglichen werden.

1. Zement, Wasser und Zuschlagstoff mischen

Wie es funktioniert: Zement wird mit bestimmten Mengen Wasser und Zuschlagstoffen wie Sand, Kies oder Schotter bei Umgebungstemperatur gemischt, bis die gewünschte flüssige Konsistenz erreicht ist. Etwa 80 Prozent der Mischung besteht aus Zuschlagstoffen.

Raum für Verbesserungen: Stellen Sie Förderbänder und Mischer auf den Betrieb mit erneuerbarem Strom um und reduzieren Sie so die Emissionen erheblich. Fügen Sie einen Zusatzstoff wie Biokohle oder Algen hinzu, um die Festigkeit des Betons zu erhöhen oder seine Verarbeitbarkeit oder Abbindezeit anzupassen und so die Emissionen um 1 bis 5 Prozent oder mehr zu reduzieren.

2. Transport zur Baustelle

Wie es funktioniert:Der Beton wird in einem Trommelmischer gemischt, der ihn zur Baustelle transportiert.

Raum für Verbesserungen: Steigen Sie auf Elektro-Lkw um. Minimieren, sammeln und recyceln Sie Abfallbeton zu anderen vorgefertigten Materialien wie Autobahnbarrieren.

3. Bauen Sie eine Struktur auf

Wie es funktioniert:Die Gebäudeplanung bestimmt die Form, das Volumen und die Festigkeit der benötigten Betonelemente.

Raum für Verbesserungen: Optimieren Sie die Baukonstruktion, damit kein Beton verschwendet wird. Ändern Sie die Spezifikationen von der Forderung nach Mindestmengen an Zement im Beton hin zur Forderung nach einer bestimmten Druckfestigkeit, wodurch der erforderliche Zementgehalt reduziert werden kann. Ändern Sie die Bauvorschriften, um neue, alternative und gemischte Zemente zu ermöglichen. Verlassen Sie sich auf die Fähigkeit des Betons, im Laufe der Zeit an Festigkeit zu gewinnen, indem Sie die Druckfestigkeit auf zwei oder drei Monate statt wie üblich auf einen Monat festlegen, was die benötigte Materialmenge verringern kann.

4. Planen Sie das Lebensende

Wie es funktioniert:Abgebrochener Beton wird oft auf Mülldeponien gelagert oder zerkleinert und als Grundmaterial für Straßen und Autobahnen verwendet.

Raum für Verbesserungen: Design für den Rückbau, sodass Betonelemente ganz oder teilweise wiederverwendet werden können. Wenn Beton abgerissen wird, mahlen Sie ihn und verteilen Sie ihn dünn, um seine Oberfläche zu maximieren, und setzen Sie ihn so lange wie möglich der Luft aus, um CO2 zu absorbieren. Bei jahrelanger Belastung kann Beton möglicherweise bis zu 17 Prozent des CO2 absorbieren, das bei der Herstellung des Zements für diesen Beton ausgestoßen wurde.

Anmerkung des Herausgebers (30.03.23): Dieser Artikel wurde nach der Veröffentlichung bearbeitet, um die Beschreibung, wie Kalk in Klinker umgewandelt wird, zu korrigieren.

Dieser Artikel wurde ursprünglich mit dem Titel „Concrete Cure“ in Scientific American 328, 2, 52-55 (Februar 2023) veröffentlicht.

doi:10.1038/scientificamerican0223-52

Schiffe aus Stein. RG Skerett; 17. November 1917.

Mark Fischetti ist leitender Redakteur bei Scientific American. Er deckt alle Aspekte der Nachhaltigkeit ab. Folgen Sie ihm auf Twitter @markfischetti. Bildnachweis: Nick Higgins

Nick Bockelmanist Illustratorin und Grafikdesignerin.

Wil V. Srubarist außerordentlicher Professor für Architekturingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Colorado Boulder.

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