Neuer Beton speichert CO2 dauerhaft in Mineralien

Forschende haben gezeigt, dass ein neues Betonbindemittel abgeschiedenes Kohlendioxid in stabile Mineralien umwandeln kann und dabei die für tragende Anwendungen erforderliche Festigkeit bewahrt.

Damit wandelt sich Beton von einer bedeutenden Emissionsquelle zu einem Baustoff, der Kohlenstoff dauerhaft in der gebauten Umwelt einschließen könnte.

Beton unter realen Bedingungen geprüft

In Karlsruhe, einer Stadt im Südwesten Deutschlands nahe der französischen Grenze, werden derzeit tragende Blöcke und Balken getestet. An diesen Bauteilen zeigt sich unter echten statischen Anforderungen, wie die Kohlenstoffspeicherung funktioniert.

Professor Frank Dehn vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) untersucht diese Elemente unmittelbar und beobachtet, wie das neue Bindemittel Kohlenstoff bindet, während es Lasten aufnimmt und Spannungen standhält.

Die bisherigen Ergebnisse belegen, dass der mineralisch gebundene Kohlenstoff im Beton stabil bleibt, während dieser erhärtet und zunehmenden Belastungen ausgesetzt wird.

Diese ersten Befunde sprechen für einen geeigneten Konstruktionswerkstoff. Zugleich werfen sie die Frage auf, welcher Anteil herkömmlichen Zements ersetzt werden kann, ohne die langfristige Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.

CO2-Fußabdruck von Zement

Der größte Teil der Klimabelastung von Beton geht auf Klinker zurück, den bei hohen Temperaturen gebrannten Bestandteil, durch den Zement Sand und Gestein miteinander verbindet.

Ein Teil dieser Belastung entsteht durch die hohen Temperaturen. Zusätzlich setzt Kalkstein Kohlendioxid frei, wenn Öfen daraus Portlandzement herstellen.

Die Zersetzung von Kalkstein erklärt mit, weshalb Zementklinker mit etwa acht Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen verbunden ist.

Jedes Bindemittel, das den Klinkeranteil senkt, ohne Beton zu schwächen, setzt genau an der Stelle an, an der der Großteil der Emissionen entsteht.

Die Rohstoffquellen werden knapper

Über Jahre hinweg reduzierten Bauunternehmen die Emissionen von Zement mithilfe zusätzlicher zementartiger Stoffe: Pulver, die einen Teil des Klinkers ersetzen.

Flugasche aus Kohlekraftwerken und Hüttensand aus Hochöfen eigneten sich gut, weil diese Industrien sie bereits in sehr großen Mengen erzeugten.

Mit der Stilllegung von Kohlekraftwerken und dem Wandel in der Stahlerzeugung nimmt dieses Angebot jedoch ab. Für CO2-armen Beton fehlen damit vertraute Hilfsstoffe.

Aus der Knappheit ist von einer Nebenfrage ein zentrales Problem geworden. Deshalb wirken neue mineralische Ausgangsstoffe heute deutlich attraktiver.

Wie C-SINC Kohlenstoff speichert

C-SINC, das europäische Projekt hinter der neuen Mischung, setzt auf Magnesiumsilikate. Diese magnesiumreichen Mineralien reagieren mit Kohlendioxid.

Bei einer beschleunigten Mineralisierung, also einer Reaktion, die Gas in feste Mineralien überführt, binden die magnesiumreichen Partikel Kohlenstoff als Magnesiumcarbonat.

Ein Teil des Kohlenstoffs kann aus industriellen Abgasen stammen. Der Beton verursacht damit nicht nur weniger Emissionen, sondern speichert auch abgeschiedenes Gas.

Diese kohlenstoffbindende Reaktion steht im Mittelpunkt des Konzepts und bestimmt zugleich, wie viel Klinker die Mischung realistisch ersetzen kann.

Weshalb die Speicherung dauerhaft ist

Sobald Kohlenstoff Bestandteil eines Carbonatminerals geworden ist, kann er wesentlich schwerer wieder entweichen als komprimiertes Gas im Untergrund.

„Das CO2 wird nicht nur gespeichert, sondern chemisch in einem Mineral gebunden. Es bleibt fest gebunden und kann daher über sehr lange Zeiträume nicht entweichen“, sagte Dehn.

Eine frühere Studie zeigte, dass sich aus der Verarbeitung von Olivin, einem verbreiteten magnesiumreichen Gestein, ein silikatreicher Zementersatzstoff und ein kohlenstoffhaltiges Magnesiumcarbonat gewinnen lassen.

Diese Dauerhaftigkeit ist entscheidend: Eine Klimaschutzlösung, die nach einigen Jahrzehnten wieder Kohlenstoff freisetzt, würde deutlich weniger bewirken, als die Forschenden erhoffen.

Computer grenzen Rezepturen ein

Die Entwicklung von gut verarbeitbarem Beton erfordert gewöhnlich langwierige Versuchsreihen. Daher nutzt C-SINC Algorithmen, um die möglichen Zusammensetzungen einzugrenzen.

Ein wichtiges Werkzeug ist maschinelles Lernen, eine auf Daten trainierte Software zur Mustererkennung. Sie kann vielversprechende Rezepturen identifizieren, bevor Teams Testchargen herstellen.

Anschließend schätzen Simulationen ab, wie sich das Bindemittel verhält, während der Beton erhärtet, Risse bildet und über lange Zeit Lasten trägt.

Die computergestützte Vorauswahl ersetzt praktische Prüfungen nicht, kann aber Monate sparen, die sonst für schwache Rezepturen verloren gingen.

Belastungstests sind entscheidend

Beton für tatsächliche Gebäude muss mehr können als nur zu erhärten: Er muss Lasten tragen, Witterung widerstehen und Stahl schützen.

„Das tun wir sowohl im kleinen Maßstab als auch in realen großformatigen Tragwerkselementen“, sagte Dehn.

Gerade bei unbekannten Bindemitteln ist Vorsicht wichtig, denn geringe Änderungen der Chemie können Rissbildung, Wassertransport und Korrosionsrisiken verändern.

Eine Mischung, die Kohlenstoff speichert, aber frühzeitig versagt, wäre in dem von der Branche benötigten Maßstab nicht nutzbar.

Europa finanziert die Skalierung

Europa unterstützt C-SINC vier Jahre lang mit knapp vier Millionen Euro und setzt darauf, dass die Idee mehr als nur raffinierte Chemie ist.

Das Konsortium verbindet Universitäten mit einem Hersteller von Betonfertigteilen. So kommen Forschung und Industrie zusammen, um das Material für den tatsächlichen Einsatz im Bauwesen weiterzuentwickeln.

Diese Zusammenarbeit eröffnet der Forschung einen schnelleren Weg in Fabriken, in die Normungsarbeit und zu Bauprodukten im großen Maßstab.

Das Tempo ist wichtig, denn klimafreundlicher Beton wird die Emissionen nicht wesentlich senken, wenn Hersteller ihn nicht kostengünstig und in großen Mengen produzieren können.

Grenzen bleiben relevant

Auch vielversprechende magnesiabasierte Zemente, also Bindemittel auf Grundlage von Magnesiumverbindungen, stehen weiterhin vor Fragen zur Dauerhaftigkeit und zur Hochskalierung.

Einige Magnesiumformulierungen weisen eine geringere Alkalität auf, sind also chemisch weniger basisch. Deshalb müssen der Schutz von Stahlbewehrung und die Witterungsbeständigkeit sorgfältig geprüft werden.

Die Forschenden müssen außerdem nachweisen, dass sich das Material in bestehende Lieferketten, Vorschriften und Mischgewohnheiten einfügen lässt, ohne die Kosten zu stark zu erhöhen.

Hürden bei Dauerhaftigkeit, Kosten und Regelwerken widerlegen das Konzept nicht, erklären jedoch die Dringlichkeit der aktuellen Tests.

Zukunft von Kohlenstoffbeton

Beton wird nicht von heute auf morgen zu einer Kohlenstoffsenke. Die laufenden Prüfungen zeigen jedoch, dass die Branche inzwischen über einen plausiblen chemischen Weg verfügt.

Sollten die Tests im großen Maßstab weiterhin Festigkeit und Dauerhaftigkeit bestätigen, könnten künftige Gebäude einen Teil jener Verschmutzung dauerhaft einschließen, die einst bei ihrer Herstellung entstand.