Hier sind die beiden Produktionsprozesse schematisch dargestellt: Bei der konventionellen Herstellung von Zement durch Brennen von Kalk (CaCO₃) und Sand (SiO₂) wird Kohlendioxid (CO₂) freigesetzt (links). Bei der neuen, alternativen Methode durch Vermahlen von Kalk (CaCO₃) mit festem Natriumsilikat (Na₂SiO₃) bleibt das Kohlendioxid (CO₂) gebunden. (Quelle: Marcel Maslyk)

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12. January 2022 | Teilen auf:

Wie die Zementherstellung klimafreundlicher werden könnte

Chemiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben eine Methode entwickelt, durch die der Kohlendioxidausstoß bei der Herstellung von Zement erheblich reduziert werden könnte. Anstatt des Brennens von Kalk setzt das Verfahren auf Vermahlen. Langfristig sei eine Überführung vom Labormaßstab auf industrielles Niveau denkbar.

Beton ist zweifellos der wichtigste Baustoff unserer modernen Welt. Er besteht aus Sand, Kies, Wasser und dem Bindemittel Zement, der wiederum aus Kalk, Ton und einigen anderen Komponenten gebrannt wird und beim Aushärten stabile Kalziumsilikat-Hydrate bildet, die für die Eigenschaften des Betons verantwortlich sind. Weil aber die Zementherstellung derzeit mit einem Anteil von rund 8 Prozent oder, in absoluten Zahlen ausgedrückt, 2,7 Milliarden Tonnen jährlich der größte industrielle Emittent der weltweiten CO₂-Emissionen ist, wäre es von großem Vorteil, wenn sich Zement CO₂-frei beziehungsweise mit deutlich weniger CO₂-Ausstoß produzieren ließe.

Das Problem bei der herkömmlichen Herstellung von Zement liegt im Brennen des Kalks (CaCO₃), denn hier wird für jedes produzierte Molekül Kalziumoxid (CaO), auch „gebrannter Kalk“ genannt, ein Molekül des Treibhausgases CO₂ freigesetzt. Bei einer Weltjahresproduktion von rund 4,5 Milliarden Tonnen Zement sind das die bereits erwähnten rund 2,7 Milliarden Tonnen CO₂. China ist für etwa 50 Prozent, Deutschland für circa 1,5 Prozent der Emissionen durch die Zementproduktion verantwortlich.

Klimaschädliches Kalkbrennen wird durch Vermahlen des Rohkalks mit Natriumsilikat umgangen

Chemiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine Methode entwickelt, die den CO₂-Ausstoß der Zementproduktion langfristig drastisch reduzieren könnte. Dabei wird der Rohkalk (CaCO₃) nicht mehr in kohlenbefeuerten Brennöfen in gebrannten Kalk überführt, sondern lediglich mit festem Natriumsilikat (Na₂SiO₃) vermahlen. Durch diesen Mahlschritt wird ein „aktiviertes“ Zwischenprodukt hergestellt, das die Bestandteile des Zements in gleichmäßiger Verteilung enthält. Bei der Umsetzung mit Natronlauge bildet sich ein Produkt, das in seiner Struktur den Kalziumsilikat-Hydraten gleicht. Die Bildung der Zementpaste und das Abbinden mit Wasser laufen über eine komplexe Reaktionskaskade ab, deren Elementarschritte mit Hightech-Methoden analytisch aufgeklärt werden konnten.

Während das konventionelle Brennen des Kalks Temperaturen von 1.000 bis 1.500 Grad Celsius erfordert, läuft der Mahlschritt bei Raumtemperatur ab. Der mechanische Energieeintrag zur Mahlung konventionellen Zements beträgt mit 120 Kilowattstunden pro Tonne lediglich etwa zehn Prozent der Energie, die für den Brennprozess aufgebracht wird. Dies entspricht jedoch nur der Energieeinsparung – und dem damit verbundenen Ausstoß von CO₂ – durch Verbrennung fossiler Brennstoffe bei der Zementherstellung. Viel wichtiger aber ist, dass durch Umgehung des Kalkbrennens im Idealfall CO₂-Emissionen im Milliarden-Tonnen-Bereich umgangen werden könnten. Da das Mahlen ein Standardverfahren in der Zementindustrie ist, wäre die Umsetzung des Verfahrens vom Labormaßstab in industrielle Größenordnung denkbar.

Verfahren ist potenziell für großtechnische Herstellung geeignet

Die Mainzer Chemiker räumen allerdings ein, dass die Kosten- und Energieabschätzung lediglich grobe Näherungen sind und Laboruntersuchungen nicht mit einem industriellen Prozess verglichen werden können, bei dem Entwicklung, Design, Durchführbarkeit, Wartung und andere Parameter berücksichtigt werden müssen. Dafür sei viel Entwicklungsarbeit nötig. „Es kann sich hier um einen ersten Schritt für eine nicht-konventionelle Art der Zementherstellung, aber nicht die voll entwickelte Lösung handeln“, betont Erstautor Marcel Maslyk. Ähnlich sehen dies auch Prof. Dr. Wolfgang Tremel und Dr. Ute Kolb von der JGU: „Das Verfahren ist potenziell geeignet, Zement für großtechnische Prozesse herzustellen“, so die beiden Gruppenleiter. „Eine Durchführung im technischen Maßstab würde aber viele Jahre benötigen und damit weder kurz- noch mittelfristig Abhilfe bei den CO₂-Emissionen schaffen können.“ Weitere Informationen erhalten Sie auf dieser Website der JGU.

zuletzt editiert am 13.01.2022