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 um 30 bis 35 Prozent gesenkt werden, und bis 2050 strebt man gar 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

Bildnachweis: Baunetz (yk), Berlin

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Betonherstellung und Klimaschutzneu

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