Forschung und Entwicklung

Forscher wollen CO2-Ausstoß bei Zementproduktion reduzieren

Durch eine Umgehung des Kalkbrennens könnten CO2-Emissionen im Milliarden-Tonnen-Bereich umgangen werden. Foto: GFreihalter, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Die Zementherstellung ist mit einem Anteil von rund 8 Prozent beziehungsweise 2,7 Milliarden t jährlich der größte industrielle Emittent an den weltweiten CO2-Emissionen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe - meist Kohle - beim Brennen mit Temperaturen um 1000 °C und Sintern bei etwa 1450 °C entstehen.

Chemiker der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine Methode entwickelt, die den CO2-Ausstoß der Zementproduktion langfristig drastisch reduzieren könnte. Dabei wird der Rohkalk (CaCO3) nicht mehr in kohlenbefeuerten Brennöfen in gebrannten Kalk überführt, sondern lediglich mit festem Natriumsilikat (Na2SiO3) vermahlen. Durch diesen Mahlschritt wird ein "aktiviertes" Zwischenprodukt hergestellt, das die Bestandteile des Zements in gleichmäßiger Verteilung enthält. Bei der Umsetzung mit Natronlauge bildet sich ein Produkt, das in seiner Struktur den Kalziumsilikat-Hydraten gleicht. Die Bildung der Zementpaste und das Abbinden mit Wasser laufen über eine komplexe Reaktionskaskade ab, deren Elementarschritte mit Hightechmethoden analytisch aufgeklärt werden konnten.

Während das Brennen des Kalks Temperaturen von 1000 bis 1500 °C erfordert, läuft der Mahlschritt bei Raumtemperatur ab. Der mechanische Energieeintrag zur Mahlung konventionellen Zements beträgt mit 120 kWh/t lediglich etwa 10 Prozent der Energie, die für den Brennprozess aufgebracht wird. Dies entspricht jedoch nur der Energieeinsparung - und dem damit verbundenen Ausstoß von CO2 - durch Verbrennung fossiler Brennstoffe bei der Zementherstellung. Viel wichtiger aber ist, dass durch Umgehung des Kalkbrennens im Idealfall CO2-Emissionen im Milliarden-Tonnen-Bereich umgangen werden könnten. Da das Mahlen ein Standardverfahren in der Zementindustrie ist, wäre die Umsetzung des Verfahrens vom Labormaßstab in industrielle Größenordnung denkbar.

Die Mainzer Chemiker räumen allerdings ein, dass die Kosten- und Energieabschätzung lediglich grobe Näherungen sind und Laboruntersuchungen nicht mit einem industriellen Prozess verglichen werden können, bei dem Entwicklung, Design, Durchführbarkeit, Wartung und andere Parameter berücksichtigt werden müssen. Doch dafür sei viel Entwicklungsarbeit nötig. "Es kann sich hier um einen ersten Schritt für eine nicht-konventionelle Art der Zementherstellung, aber nicht die voll entwickelte Lösung handeln", betont Erstautor Marcel Maslyk. Ähnlich sehen dies auch Prof. Dr. Wolfgang Tremel und Dr. Ute Kolb von der JGU: "Eine Durchführung im technischen Maßstab würde viele Jahre benötigen."

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz

Dieser Artikel erschien in der Ausgabe NEUE LANDSCHAFT 12/2021 .

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