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Forschung an Öko-Zement Klimafreundliche Rezeptideen aus der Betonküche

| Autor / Redakteur: Dr. Andrea Six / Christian Lüttmann

Kohlendioxidemissionen treiben den Klimawandel voran. Und sie kommen nicht nur von Autos und Flugzeugen, sondern auch von Brücken und Häusern, denn die Betonherstellung sorgt für 6% der menschengemachten CO2-Emissionen. Mit neuen Rezepturen für Zement wollen Empa-Forscher dem entgegenwirken – und idealerweise sogar das Treibhausgas im Baustoff binden.

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Im Beton-Labor werden die Zutaten für Öko-Betoon gemischt.
Im Beton-Labor werden die Zutaten für Öko-Betoon gemischt.
(Bild: Empa)

Dübendorf/Schweiz – Es ist wohl das am meisten genutzte Produkt der Welt: Zement. Vermischt man es mit Wasser, Sand und Kies, entsteht Beton. Im Bauwesen ist dieses Material nicht mehr wegzudenken. Doch es hat einen entscheidenden Nachteil: Wird eine Tonne Zement hergestellt, steigen rund 700 Kilogramm Kohlendioxid in die Atmosphäre. Das ist zwar weniger als etwa bei der Stahl- oder Aluminiumgewinnung. Aber die schiere Menge macht es aus. Jährlich werden weltweit rund zwölf Kubikkilometer Beton produziert. Würde man all dieses Beton in den Bodensee gießen, wäre dieser nach nur vier Jahren eine Betonwüste.

Der Anteil des weltweiten Kohlendioxidausstoßes, den die Zementindustrie verursacht, macht derzeit rund sieben Prozent aus. Dieser dürfte künftig allerdings ansteigen, da der Bedarf in Asien und zunehmend auch in Afrika wächst, während die Produktion in Europa stabil ist. Höchste Zeit also, sich nach Zement umzusehen, der auch Umweltaspekten Rechnung trägt und sich möglichst klimaneutral produzieren lässt. Empa-Forscher arbeiten darum an alternativen Zement- und Betonarten, bei deren Herstellung weniger schädliches Klimagas entsteht oder sogar Kohlendioxid gebunden wird.

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Geringere Brenntemperatur für weniger CO2-Ausstoß

„Traditionell wird Zement im Drehrohr-Ofen bei rund 1450 °C gebrannt“, sagt Empa-Forscher Frank Winnefeld von der Abteilung „Concrete & Asphalt“. Fossile Brennstoffe können hierbei zwar durch alternative Energien ersetzt werden. „Allerdings ist das Sparpotenzial bei einem Substitutionsgrad von derzeit durchschnittlich 50% mit den heutigen Technologien bereits ziemlich ausgereizt, zumindest in Europa.“

Mehr Energie lässt sich sparen, wenn man Rohstoffe einsetzt, die eine geringere Brenntemperatur benötigen. Ein vielversprechender Kandidat ist CSA-Zement aus Calciumsulfoaluminat. Er benötigt eine um 200 °C niedrigere Brenntemperatur und stößt pro Tonne Zement rund 200 Kilogramm weniger Kohlendioxid aus. Die Reduktion der Treibhausgasemissionen ist dabei aber nicht nur der geringeren Brenntemperatur geschuldet. Ein großer Anteil des Klimavorteils von CSA-Zement liegt an der geringeren Menge an Kalkstein in der Rohstoffmischung.

Warum „gestrecktes“ Zement dem Klima helfen kann

Kalkstein verursacht durch eine chemische Reaktion während der Zementherstellung den Großteil der CO2-Emissionen. Den Anteil an Kalkstein zu verringern, ist deshalb ein interessanter Aspekt, um Öko-Zement mit weniger CO2-Ausstoß zu entwickeln. Um das Zement mit anderen Zutaten zu „strecken“ eignen sich beispielsweise Inhaltsstoffe, die als Abfälle anderer Industriezweige anfallen. Dazu gehören Schlacke aus Hochöfen bei der Roheisengewinnung sowie Flugasche, die bei der Kohleverbrennung übrigbleibt.

Doch diese Sekundärrohstoffe können den gigantischen Bedarf der Branche nicht decken. Empa-Forscher gehen daher neue Wege und identifizieren Industriezweige, deren Sekundärrohstoffe noch wenig genutzt sind. „Bei der metallurgischen Rückgewinnung von Edelmetallen aus Elektronikschrott bleibt eine hochwertige Schlacke übrig, die in Pulverform ebenfalls mit Zement vermischt werden kann“, sagt Winnefeld. Voraussetzung ist, dass der Gehalt an Schwermetallen den gesetzlichen Normen entspricht. Für Nachschub aus dieser „urbanen Mine“ ist jedenfalls gesorgt. Die Überreste ausgedienter Handys und Computer werden künftig noch weiter anwachsen.

Die Art der Zusatzstoffe im Zement ließe sich sogar derart verändern, dass der Vorgang des Brennens komplett entfiele. Im so genannten alkali-aktivierten Zement werden die Bestandteile wie Schlacke, Asche oder calcinierter Ton durch starke alkalische Lösungen wie etwa Natriumsilikate zur erwünschten chemischen Reaktion animiert. Die Produkte dieser Reaktion verbinden sich daraufhin zu einem Material, dessen Druckfestigkeit jener von gebranntem, herkömmlichen Zement entspricht.

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Zement und Beton

Die Betonproduktion ist global für etwa 6% der menschengemachten CO2-Emissionen verantwortlich. Im Heimwerkerbereich wird Beton anhand einfacher Faustformeln gemischt. So ergeben 300 Kilogramm Zement, 180 Liter Wasser und 1890 Kilogramm Gesteinskörnung einen Kubikmeter Beton. Der CO2-Ausstoß des Betons stammt größtenteils vom Zementanteil: Zement muss bei 1450 °C gebrannt werden, dabei löst sich mineralisch gebundenes CO2 aus dem Kalkstein. Weltweit werden jährlich 2,8 Milliarden Tonnen Zement hergestellt.

Zutaten für CO2-negativen Beton gesucht

Besonders klimafreundlich wäre es, Kohlendioxid im Beton zu binden, statt es frei werden zu lassen, also einen CO2-negativen Beton zu entwickeln. Empa-Forscher arbeiten beispielsweise an einem Magnesium-basierten Zement, der die Grundlage für diesen Öko-Beton liefern soll. Ressourcen für den Rohstoff bieten sich in Regionen, in denen magnesiumhaltiges Olivin im Boden vorkommt. Das Mineral findet sich vor allem tief im Erdmantel. Wird es aber durch vulkanische Aktivität an die Erdoberfläche transportiert, etwa in Skandinavien, lässt es sich abbauen.

Bei der Zementherstellung aus Olivin wird dem rohen Magnesiumsilikat dann Kohlendioxid zugeführt. Und da in einem weiteren Verarbeitungsschritt nur ein Teil des Materials gebrannt wird, entsteht beim Brennen des Zements weniger CO2 als vorher verbraucht wurde. Als Resultat erhält man so genanntes Moms (Magnesium Oxide derived from Silicates), dessen Eigenschaften jedoch noch weitgehend unerforscht sind.

Öko-Beton muss mit klassischen Produkten messen

Damit aber solche Ansätze nicht als Nischenprodukte enden, sondern industriell und kosteneffizient produzierbar sind, müssen Analysen zeigen, dass Öko-Zement die gleichen Anforderungen erfüllt wie herkömmliche Produkte. Bei vielen alternativen Zementarten fehlen derzeit noch die Rezepte, in welchen Mengen neue Bestandteile zugemischt oder Herstellungsverfahren abgewandelt werden können, ohne die begehrten Eigenschaften des traditionellen Zements aufs Spiel zu setzen. Denn solange sich die mindestens gleichwertige Leistungsfähigkeit von Öko-Zement nicht zweifelsfrei aufzeigen lässt, bleibt der klassische Portland-Zement – der günstige und bestens charakterisierte Baustoff – weiterhin das für die Bauingenieure maßgebliche Material.

Daher analysieren die Zementforscher an der Empa derzeit chemische Mischungsverhältnisse und Konformitätskriterien wie Festigkeit und Dauerhaftigkeit neuer Zementarten und bereiten damit den Weg zu normgerechten Zulassungen. Neben chemischen Untersuchungen, mikroskopischen Analysen und thermodynamischen Modellierungen, wird auch die Belastbarkeit großer Bauteile aus verschiedenen Zementarten verglichen. „Industrielle Prozesse müssen optimiert werden, da sie in vielen Fällen noch zu teuer sind“, sagt Winnefeld. Klar sei aber bereits, dass sich mit alternativen Zementarten Beton mit einer vergleichbaren oder sogar besseren Dauerhaftigkeit herstellen lasse.

Eine Entwicklung zeichnet sich schon jetzt ab: Die Vielfalt der Zement- und Betonprodukte wird künftig zunehmen. Für die Baustoffproduzenten bringt diese Vielfalt erhöhte Anforderungen mit sich, aber auch mehr Möglichkeiten für bessere und vor allem klimafreundlichere Bauprojekte.

Weiterführende Literatur: UN Environment, Karen L.Scrivener, Vanderley M.John, Ellis M.Gartner: Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry, Cement and Concrete Research, Volume 114, December 2018, Pages 2-26; DOI: 0.1016/j.cemconres.2018.03.015

* Dr. A. Six, 8600 Dübendorf/Schweiz

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