Zementemissionen senken: Basalt als Alternative zu Kalkstein

Zement spielt in Debatten über den Klimawandel kaum eine Rolle. Dabei verursacht die Branche ungefähr so viel Kohlendioxid wie sämtliche Pkw weltweit.

Eine neue Studie schlägt eine überraschend einfache Lösung vor: Das Gestein, aus dem Zement hergestellt wird, soll ersetzt werden.

Würde ein anderer Gesteinstyp als Rohstoff verwendet, ließe sich der Energieverbrauch um mehr als 40 % senken und die damit verbundenen Kohlenstoffemissionen um über 80 % reduzieren.

Geleitet wurde die Forschung von Jeff Prancevic, Geologe an der UC Santa Barbara, und Cody Finke von Brimstone Energy, Inc.

Zementproduktion und CO2-Emissionen

Portlandzement – die Zementart, die in nahezu allen modernen Bauwerken eingesetzt wird – verursacht rund 4,4 % der weltweiten Treibhausgasemissionen.

Diese Zahl überrascht viele Menschen, und das nicht ohne Grund: Zement ist weit weniger sichtbar als Autos oder Kraftwerke.

„Zement wird in der Öffentlichkeit kaum als bedeutender Treiber des Klimawandels wahrgenommen, doch die CO2-Emissionen aus der Zementproduktion entsprechen in etwa denen aller Pkw weltweit“, sagte Prancevic.

Das Problem beginnt beim Ausgangsmaterial. Der für Zement benötigte Kalk stammt derzeit aus Kalkstein, der chemisch etwa zur Hälfte aus CO2 besteht.

Wird er auf die rund 1.500 °C erhitzt, die zur Herstellung von Branntkalk – dem zentralen Bestandteil von Zement – erforderlich sind, gelangt dieses Kohlendioxid unmittelbar in die Atmosphäre.

Pro produzierter Tonne Zement werden etwa 500 kg CO2 freigesetzt, noch bevor der Energieverbrauch des Verfahrens überhaupt berücksichtigt wird.

Das Verfahren ist unkompliziert und wurde über mehr als ein Jahrhundert hinweg optimiert, doch die Kohlenstoffemissionen sind darin im Grunde fest verankert.

Anderes Gestein, andere Chemie

Die Studie stellt eine einfache Frage: Was wäre, wenn das Kalzium aus einer anderen Quelle käme?

Die Forschenden untersuchten kalziumreiche Silikatgesteine – insbesondere Basalt und Gabbro – als Ersatz für Kalkstein.

Anders als Kalkstein speichern Silikate keinen Kohlenstoff in ihrer chemischen Struktur. Bei ihrer Verarbeitung wird daher nicht auf dieselbe Weise CO2 freigesetzt.

Zunächst prüfte das Team, ob genügend entsprechendes Material vorhanden ist. Anhand bestehender geologischer Karten bewerteten die Forschenden die weltweite Verfügbarkeit von Silikatgesteinen an der Erdoberfläche.

Dabei ermittelten sie Mengen, die bei den heutigen Produktionsraten für mehrere Hunderttausend Jahre Zementherstellung ausreichen würden.

„Nicht der gesamte Basalt ist leicht zugänglich, aber die Zahlen deuten darauf hin, dass Kalzium aus Basalt praktisch unerschöpflich ist“, erklärte Prancevic.

Deutliche Senkung der Zementemissionen

Anschließend modellierte das Team den Energiebedarf und das Emissionsprofil einer Zementproduktion auf Silikatbasis.

Der theoretische Mindestenergiebedarf lag bei weniger als 60 % dessen, was die Verarbeitung von Kalkstein erfordert.

Bei Erdgas als Energiequelle könnten die minimalen CO2-Emissionen je Tonne Zement – abhängig vom jeweiligen Gesteinstyp – von 609 kg auf rund 50 kg sinken.

Selbst bei durchschnittlichem Netzstrom und derzeit noch nicht optimierten Verfahren würde dieser Ansatz die Emissionen gegenüber herkömmlichen Methoden um mehr als 25 % verringern.

Eisen und Aluminium aus Basalt

Zu den auffälligeren Ergebnissen gehört, was neben dem Zement noch aus dem Verfahren hervorgehen könnte.

Basalt enthält neben Kalzium auch Eisen und Aluminium. Das Verhältnis von Kalzium zu Eisen in Basalt entspricht nahezu exakt dem Verhältnis, in dem die Gesellschaft Zement und Stahl verbraucht.

Damit könnten beide Materialien potenziell aus demselben Gestein gewonnen werden, ohne dass von einem der beiden viel verschwendet würde.

Darüber hinaus enthält Basalt etwa 20-mal mehr Aluminium als derzeit weltweit verbraucht wird. Ein solcher Überschuss könnte völlig neue Produktionsmöglichkeiten eröffnen.

Dass sich aus einem einzigen Ausgangsmaterial mehrere wertvolle Stoffe herstellen lassen, ist ein wesentlicher Grund dafür, weshalb der Silikatweg deutlich effizienter ist als der Ansatz mit Kalkstein.

Statt eines Verfahrens mit nur einem Zweck, das ein Produkt und große Mengen CO2 erzeugt, ähnelt es einem stärker integrierten Industriesystem.

Wandel in einer etablierten Branche

So überzeugend der Ansatz auch ist, steht ihm ein erhebliches Hindernis entgegen: Die Zementindustrie arbeitet seit weit mehr als hundert Jahren nach demselben Prinzip.

„Die Bauindustrie ist von der Planung über den Einbau bis zur Instandhaltung auf Portlandzement ausgerichtet“, sagte Prancevic.

„Selbst geringfügige Änderungen an Normen werden äußerst sorgfältig geprüft und nur langsam übernommen. Genau deshalb konzentrieren wir uns auf eine Technologie, mit der derselbe Portlandzement hergestellt werden kann, den Bauunternehmen bereits kennen.“

CO2-ärmere alternative Zemente gibt es seit Jahrzehnten. Konventionellen Zement haben sie jedoch nicht verdrängt, teilweise weil die finanziellen Anreize nicht stark genug waren.

Ein Wechsel würde zudem Anpassungen an etablierten Lieferketten und Baunormen erfordern.

Indem der Silikatansatz herkömmlichen Portlandzement herstellt – lediglich aus einem anderen Gestein –, umgeht er diese Hürde. Er kann in die vorhandene Infrastruktur integriert werden, statt dass die Branche um etwas Neues herum aufgebaut werden müsste.

Zement ist außerdem preiswert und kostet etwa 150 $ pro Tonne. Damit ein neues Herstellungsverfahren tatsächlich Akzeptanz findet, muss es deutliche Kostenvorteile oder zumindest Kostenparität nachweisen.

Erprobung neuer Technologien

Prancevics Mitautoren bei Brimstone Energy arbeiten daran, die Technologie auf den Markt zu bringen. Zugleich versteht sich die Fachpublikation als Einladung an die breitere Forschungsgemeinschaft.

„Diese Publikation ist vor allem ein Aufruf an andere Forschende, neue Technologien zu erproben, um die Dekarbonisierung von Zement zu beschleunigen. Denn es besteht das Potenzial, ein Klimaproblem von der Größenordnung des Autoverkehrs zu lösen, indem Kalzium einfach aus einem anderen Gestein gewonnen wird“, sagte Prancevic.

„Ich bin überrascht, dass es so lange gedauert hat, bis diese Lösung in Betracht gezogen wurde“, schloss er.