Zement ist ein essentieller Baustoff. Vom Heimwerker-Projekt bis zum Wolkenkratzer wird Zement bzw. Beton verbaut in großen Mengen. Beton ist stabil, wetterfest und langlebig. Leider zahlen wir für diesen Baustoff einen hohen Preis. Zementwerke verursachen rund acht Prozent aller Emissionen weltweit. Die Emissionen für den Abbau im Steinbruch kommen da noch dazu. Das ist mehr als der Flugverkehr.
Emissionen im Zementwerk entfallen zu ungefähr einem Drittel auf Wärme und Energie. Rund zwei Drittel jedoch sind Prozessemissionen. Wir erinnern uns an die Produktion von Stahl, Prozessemissionen entstehen direkt aus der Chemie des Prozesses und lassen sich auch mit Erneuerbaren Energien nicht verhindern.
Prozess
Zement wird gewonnen aus Kalkstein. Er enthält als wichtigsten Bestandteil Calciumcarbonat (CaCO₃). Der Kalkstein wird zerkleinert und gemahlen. Das entstehende Rohmehl wird auf 900°C vorgewärmt (eine gewagte Umschreibung für so eine Temperatur) und dabei kalziniert. Das Ergebnis ist Branntkalk (CaO) und jede Menge CO₂ als Prozessemission:
CaCO₃ → CaO + CO₂
Im zweiten Schritt wird es noch heißer. Bei 1.250 bis 1.450°C verbindet sich der Branntkalk (CaO) im Drehrohrofen mit Silikaten aus dem Rohmehl. Das Ergebnis ist Klinker. Dieser wird abgekühlt, gemahlen und abschließend mit zahlreichen Zuschlagstoffen vermischt, darunter Gips, Kalkstein, Hüttensand, Puzzolane und Flugasche. Das Ergebnis ist Zement in verschiedenen Sorten und vor allem in rauen Mengen.
Jede Tonne Zement erzeugt in der Herstellung heute 600 kg CO₂. Pro Jahr produzieren wir 30 Mio. Tonnen Zement in Deutschland (PDF Seite 12) und 4,16 Milliarden Tonnen weltweit. Das sind ordentliche Brocken und die Decarbonisierung der Zementindustrie ist wie Beziehungen in Hollywood Filmen – kompliziert.
Hitze
Schon die Energieversorgung ist eine Herausforderung. 1450°C schafft man nicht mit dem heimischen Elektrogrill. Auch die gleichmäßige Hitzeverteilung im Drehrohrofen ist schwierig. Bei der Stahlschmelze im Elektrolichtbogenofen erzeugt Strom noch höhere Temperaturen, doch dabei hilft die elektrische Leitfähigkeit und die leichtere Temperaturverteilung im flüssigen Stahl. Die Kalzinierung stellt hier höhere Anforderungen.
Heute heißen die Drehrohröfen fast ausschließlich durch Verbrennung. Durchdachtes Temperatur- und Energiemanagement haben die Effizienz der Anlagen in den letzten Jahren gesteigert. Auch wurden fossile Brennstoffe mehr und mehr durch „Alternative Brennstoffe“ ersetzt. Das klingt schön, doch „Alternative Brennstoffe“ ist auch nur ein Synonym für Müllverbrennung.
Konkret verfeuern Zementwerke heute Plastik, Autoreifen, Altöl, Papier, Restmüll, Klärschlamm und andere nette Dinge. Mindestens 75% der sogenannten Alternativen sind letztlich fossilen Ursprungs und nicht kreislauffähig (PDF Seite 18). Nicht das erste Mal, dass sogenannte Alternativen in blauen Farben mit hohem Aufwand viel Dreck produzieren.
Echte Alternativen wären die Verbrennung von grünem Wasserstoff (immer noch ein knappes Gut) oder Hitze aus Erneuerbaren Energien. Hier gibt es einige Konzepte zu elektrifiziertem Zement oder Leilac von calix sowie vom Helmholtz Zentrum. Auch ein Konzept mit direkter Sonnenstrahlung ohne den Umweg über Strom wird erforscht. Doch alle Verfahren sind jung und bisher nicht industriell skaliert.
Prozessemissionen
Hinzu kommen die Prozessemissionen, die sich schwer bis gar nicht vermeiden lassen. Weitere Verbesserungen gibt es, indem man weniger Klinker verwendet und stattdessen mehr Zuschlagstoffe beimischt. In Deutschland ist der Klinkeranteil so von 83% auf 69% gesunken. Teilweise versucht man, CO₂-negative Zuschlagstoffe zu verwenden und dadurch die Prozessemissionen in Teilen auszugleichen. Beispiele dafür sind Produkte von Paebbl sowie co-reactive, die aus der Kalzinierung abgeschiedenes CO₂ in Zuschlagstoffen binden. Auch andere kohlestoffhaltige Reststoffe lassen sich Zement beimischen, z.B. Biokohle aus Pyrolyse-Anlagen. In Zement kann man vieles entsorgen, das wusste schon die Mafia.
Einen anderen Weg versucht Sublime Systems. Sie ersetzen den Ausgangsstoff Kalkstein durch eine andere Calciumquelle und schaffen so Zement ohne Prozessemissionen. Eine Pilotanlage für 100 Tonnen pro Jahr steht in Somerville, Massachusetts. Doch auch hier fehlt noch die Skalierung.
DAC
Ein weitere Ansatz für die Prozessemissionen ist Carbon Capture and Storage (CCS), also das Abfangen des CO₂ aus dem Abgasstrom. Eine Pilotanlage dafür gibt es bereits und hofft so auf 90% weniger Emissionen, doch auch dieser Beweis steht noch aus.
Noch einen Schritt weiter geht die ETH Zürich in einer (noch unfertigen) Konzeptüberlegung. Sie schlagen vor, die Zementherstellung mit Direct Air Capture (DAC) zu kombinieren. Dabei wird der Branntkalk CaO mit CO₂ aus der Luft wieder zu Kalkstein verwittert und dann erneut in die Kalzinierung gegeben. In mehreren Zyklen würde so mehr CO₂ abgeschieden als beim Prozess insgesamt entsteht. Eine Modellrechnung kommt (mit extrem ambitionierten und sehr optimistischen Annahmen) zu dem Ergebnis, das Zementherstellung so zur Kohlenstoffsenke werden könnte. Vom einem praktischen Einsatz ist dieses Szenario noch weit entfernt.
Fazit
Zwar gibt es viele spannende Projekte, doch ein echter Durchbruch ist noch nicht dabei. Immerhin ein kleiner Trost: Durch Verwitterung nimmt der verbaute Beton einen kleinen Teil des freigesetzten CO₂ wieder auf. Leider kann dies zu Korrosion der enthaltenen Stahlbewährung führen. Zement bleibt ein Kuhhandel. Der wirksamste Hebel gegen Zementemissionen bleibt daher: Weniger Beton. Nutzt andere Materialien, baut mit Holz. Zeit für eine Tasse Kaffee.