Betonherstellung und Klimaschutz
Der für den Klimawandel relevante Fußabdruck des Bauens mit Beton wird vor allem von zwei Faktoren bestimmt: Dem hohen CO2-Ausstoß bei der Produktion des Bindemittels Zement steht dabei in der Lebenszyklusbetrachtung die lange Haltbarkeit von Betonkonstruktionen gegenüber.
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Zement ist in der Herstellung so CO2-intensiv, dass die Produktion für bis zu acht Prozent des globalen jährlichen Kohlenstoffdioxidausstoßes verantwortlich sein soll. Ein Kennwert, der in diesem Zusammenhang oft genannt wird, ist die spezifische Kohlenstoffdioxid-Emission. Diese beschreibt, wieviel Tonnen CO2 bei der Erzeugung einer Tonne Zement ausgestoßen wird. Im Jahr 2018 liegt der Wert laut Deutscher Emissionshandelsstelle (DEHSt) etwa bei 0,59. Daraus ergibt sich ein Kohlenstoffdioxidausstoß von 590 Kilogramm pro Tonne Zement. 2018 wurden in Deutschland insgesamt rund 33,7 Millionen Tonnen des Baustoffs produziert.
Grundlagen
Zum hohen CO2-Ausstoß tragen vor
allem zwei Prozesse bei: Zum einen die Beheizung des Drehrohrofens,
in dem der Zementklinker hergestellt wird, zum anderen der
chemische Prozess bei der Entsäuerung von Kalkstein.
Durch Verbesserungen in Ofentechnik und Filteranlagen wurden die Emissionen, die durch den Einsatz von Brennstoffen entstehen, seit 1990 kontinuierlich gesenkt (der Wert der spezifischen CO2-Emissionen pro Tonne Zement im Jahr ist heute um etwa 22 Prozent niedriger als damals). Als Brennmaterial kamen im Jahr 2018 ca. 30 Prozent fossile und 70 Prozent alternative Ausgangsstoffe zum Einsatz. Neben Müll und Klärschlamm gehören zu letzteren etwa auch Tiermehle. In einigen Zementwerken wird momentan die Verwendung von Wasserstoff- und Biomassebrennstoffen im industriellen Maßstab getestet.
Die chemischen Prozesse bei der Zementklinkerherstellung können mit heutigen Technologien nur bedingt beeinflusst werden. Bei Temperaturen von 1.450 Grad Celsius entsteht aus dem Calciumcarbonat des Kalksteins unter Kohlenstoffdioxidabspaltung Calciumoxid, Hauptbestandteil des Zements.
CaCO3 > CaO + CO2
Tatsächlich ist diese Reaktion heute für etwa 60 Prozent der
CO2-Emissionen bei der Produktion des Baustoffs
verantwortlich. Im Laufe der Zeit kann durch die natürliche
Rekarbonatisierung bis zu ein Viertel des im Herstellungsprozess
erzeugten Kohlenstoffdioxids wieder im Beton gespeichert
werden.
Entwicklung
Auch aufgrund der steigenden Preise für CO2-Zertifikate sowie der Erwartungen von Investoren und Kunden ist die Zement- und Betonindustrie darum bemüht, in der Zementproduktion neue Wege zu beschreiten. Davon zeugen die freiwilligen Selbstverpflichtungen führender Unternehmen: Bis 2030 soll der CO2-Ausstoß bei der Herstellung von Zement im Vergleich zu 1990 deutlich gesenkt werden, und bis 2045 strebt man - im Einklang mit dem Klimaschutzgesetz – eine kohlenstoffdioxidneutrale Produktion des Bindemittels an.
Methoden zur Senkung des
CO2-Ausstoßes
Einige der Maßnahmen, mit denen
diese Ziele erreicht werden sollen, sind bereits in der Praxis
angekommen, andere befinden sich noch in der Erprobungsphase.
Allgemein wird angenommen, dass die angestrebte Reduzierungsrate
eine Kombination verschiedener Methoden voraussetzt.
Reduktion des Klinkerfaktors im Zement
Bereits verfügbare Kompositzemente weisen einen Klinkergehalt
zwischen 35 und 64 Prozent auf. Bei der Herstellung wird ein Teil
des Portlandzementklinkers durch Abfallprodukte aus der
Roheisengewinnung und Kohleverbrennung, also Hüttensand
(granulierte Hochofenschlacke) oder Flugasche ersetzt. Allerdings
sind diese Stoffe nur begrenzt verfügbar; da zudem immer mehr
konventionelle Kraftwerke nachhaltigeren Formen der
Energieerzeugung weichen, ist eine weitere Verknappung anzunehmen.
Eine zusätzliche Quelle für die benötigten Ersatzstoffe sind
bestimmte mineralische Bauabfälle oder die metallurgische
Rückgewinnung von Edelmetallen aus Elektronikschrott. Um die
Leistungsfähigkeit des Zements zu erhalten, darf nach heutigem
Wissenstand ein gewisser Klinkergehalt nicht unterschritten werden.
Alternative Zementformen, die etwa auf den Einsatz von Rohstoffen
wie etwa Olivin bzw. Magnesiumsilikat (MgSiO3),
Calciumsulfoaluminat bzw. ternesithaltigem Klinker setzen, müssen
den hohen Ansprüchen an die Verwendung als Baustoff gerecht
werden.
Abscheidung und Speicherung bzw. Nutzung von
CO2
Sogenannte Carbon-Capture-Technologien werden
in der Zementindustrie im Moment großtechnisch erprobt. Das
CO2 wird dabei am Kamin von Drehofenanlagen
abgeschieden, um es anschließend entweder langfristig zu speichern
(Carbon Capture and Storage, CCS) oder einer anderen Verwendung
zukommen zu lassen (Carbon Capture and Utilisation, CCU). Dabei
soll in Zukunft vor allem das Oxyfuel-Verfahren, bei dem zum
Verbrennen nicht Luft, sondern nahezu reiner Sauerstoff zugeführt
wird, zum Einsatz kommen, um Verunreinigungen des CO2 so
weit wie möglich zu vermeiden und die Energieeffizienz zu
erhöhen.
Die Zementindustrie rechnet bis 2050 mit etwa 550 bis 700 Millionen
Tonnen CO2, die weltweit pro Jahr auf diese Weise
abgetrennt und gespeichert beziehungsweise wiederverwendet werden
können. Voraussetzung für die Effizienz dieser Maßnahme ist jedoch,
dass die dafür benötige Energie aus erneuerbaren Quellen
stammt.
Die Speicherung des CO2 soll vor allem offshore im Meeresboden, wenn möglich aber auch onshore erfolgen. Eine Möglichkeit dafür sind natürliche Materialien wie Olivin oder Basalt, die CO2 aufnehmen können. Möglich ist auch die kontrollierte Rekarbonatisierung von Betonoberflächen oder Recyclingbeton bzw. Betonstäuben. Eine Nutzung für die Erzeugung von Chemikalien, Methan, Kunststoffe oder synthetische Kraftstoffe ist ebenfalls möglich. Teilweise werden auch exotische Ansätze verfolgt, etwa die Verwendung in der Algenzucht zur Produktion von Fischfutter.
Jenseits der Zementproduktion
Nicht nur Maßnahmen bei der Produktion von Zement, sondern auch
die effizientere Anwendung des Baustoffs Beton können dazu
beitragen, den CO2-Ausstoß zu minimieren. Dazu gehören
die Reduktion der Betonmenge durch Gradierung und
Verdrängungskörper oder innovative Betonsorten wie UHPC und
Textilbeton, die filigrane Konstruktionen erlauben. Einige
Hersteller bieten zudem Ökobetone an, bei denen die noch
unvermeidlichen Kohlenstoffdioxidemissionen durch die Unterstützung
von Klimaprojekten – wie etwa die Wiedervernässung von Mooren –
kompensiert werden können.
Quelle Zahlen: vdz, Umweltdaten 2018; Interview mit Dr.
Martin Schneider (vdz), Betonprisma 109/2019
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