Bis zu 96 % netto entfernt: ETH Zürich macht Zementwerk zur CO₂-Senke
Kann ein Zementwerk mehr CO₂ entfernen als ausstoßen? Forschende der ETH Zürich zeigen, wie ein integrierter Kalkkreislauf genau das ermöglichen könnte.
Zementwerke als CO₂-Senke: Eine ETH-Studie zeigt, wie Calcium-Looping und Direct Air Capture mehr CO₂ entfernen könnten, als der Prozess verursacht.
Foto: picture alliance / Zoonar | Pascale Jansen
4 Mrd. t Zement werden weltweit pro Jahr produziert. Und die Klimabilanz der Branche ist verheerend: Das Problem steckt nämlich nicht nur im extrem hohen Energiebedarf der Öfen, sondern tief in der Chemie.
Ein Großteil des Kohlenstoffdioxids entsteht zwangsläufig beim Herstellungsprozess: Kalkstein wird stark erhitzt und zerfällt dabei in Calciumoxid und Kohlendioxid. Forschende der ETH Zürich wollen genau diesen Prozess nun doppelt nutzen. Ihre Idee klingt extrem vielversprechend: Ein Zementwerk produziert nicht nur Baustoffe, sondern entfernt über denselben Kalziumkreislauf zusätzlich CO₂ aus der Umgebungsluft.
Unter bestimmten Voraussetzungen könnte die Klimabilanz dadurch sogar negativ werden. Das Werk würde über die gesamte Prozesskette hinweg mehr CO₂ aus der Atmosphäre ziehen, als es selbst verursacht.
Inhaltsverzeichnis
Warum ausgerechnet Kalkstein?
Der Ansatz funktioniert so gut, weil die klassische Zementherstellung und eine spezielle Variante des Direct Air Capture (DAC) chemisch perfekt ineinandergreifen.
Bei der Herstellung von Zementklinker wird Calciumcarbonat (CaCO₃), der Hauptbestandteil von Kalkstein, bei hohen Temperaturen kalziniert. Vereinfacht läuft folgende Reaktion ab:
CaCO₃ → CaO + CO₂
Es entstehen Calciumoxid, auch Branntkalk genannt, und Kohlendioxid.
Genau mit diesen Calciumverbindungen arbeitet auch das sogenannte Calcium-Looping-DAC. Wird dem Branntkalk Wasser zugesetzt, entsteht Calciumhydroxid:
CaO + H₂O → Ca(OH)₂
Dieses Material kann mit Umgebungsluft in Kontakt gebracht werden. Dabei reagiert es mit dem darin enthaltenen CO₂ und wird wieder zu Calciumcarbonat:
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O
Erhitzt man das Calciumcarbonat anschließend erneut, wird das zuvor aus der Luft aufgenommene CO₂ hochkonzentriert freigesetzt. Es lässt sich direkt abscheiden und in geologischen Formationen dauerhaft speichern. Das Calcium steht danach wieder für den nächsten Durchlauf bereit.
Der DAC-Kreislauf endet im Zementwerk
Der entscheidende Kniff der ETH-Forschenden: Sie verbinden diesen Kreislauf direkt mit der eigentlichen Zementproduktion.
Statt Kalkstein einfach nur abzubauen und direkt im Zementwerk zu verbrennen, dient das calciumhaltige Material zunächst als Bindemittel (Sorptionsmittel) für Direct Air Capture. Erst nach einem oder mehreren dieser Filter-Zyklen wird es als Rohstoff für die Zementherstellung genutzt.
| Prozess-Schritt | Klassisches Zementwerk | ETH-Konzept (Calcium-Looping) |
| Rohstoff-Nutzung | Direkter Abbrand von Kalkstein | Erst CO₂-Filter aus der Luft, dann Rohstoff |
| Ofen-Beheizung | Überwiegend fossile Brennstoffe | Indirekt-elektrischer Kalzinierer |
| Prozess-Emissionen | Freisetzung in die Atmosphäre | Direkte Abscheidung (CO2 unverdünnt) |
| Klimawirkung | Stark positiv (hoher Ausstoß) | Negativ (zieht netto CO2 aus der Luft) |
Durch diese Doppelfunktion lassen sich Synergien heben: Zementwerke und Calcium-Looping-DAC nutzen dieselben chemischen Verbindungen und ähnliche Prozessschritte. Das spart Infrastruktur, Anlagenteile und logistische Lieferketten. Benötigt werden vor allem zusätzliche Luftkontaktoren sowie ein speziell ausgelegter Kalzinierer.
Elektro-Ofen plus Abscheidung: 78 % weniger Emissionen
Schon bevor überhaupt das erste Gramm CO₂ aus der Umgebungsluft gefiltert wird, verbessert das Konzept die Klimabilanz des Zementwerks drastisch. Dafür muss die Kalzinierung elektrisch statt mit Kohle oder Gas beheizt werden – vorausgesetzt natürlich, es kommt CO₂-armer Strom zum Einsatz.
Das bringt einen enormen verfahrenstechnischen Vorteil: In einem indirekt elektrisch beheizten Kalzinierer vermischt sich das CO₂ aus dem Kalkstein nicht mit schmutzigen Verbrennungsabgasen. Es fällt rein an und lässt sich fast ohne Aufwand direkt abscheiden.
Wichtige Unterscheidung: Für das Jahr 2050 berechnen die ETH-Forschenden, dass allein die Elektrifizierung und die direkte CO₂-Abscheidung die Klimawirkung der Zementproduktion um 78 % senken können. Erst der zusätzliche DAC-Kreislauf mit Kontakt zur Umgebungsluft drückt die Bilanz schließlich unter null.
150 kg CO₂-Entnahme pro Tonne Zement
Wie stark dieser Negativeffekt ausfallen kann, zeigt die Modellrechnung der Studie:
- Läuft das Calciumcarbonat vor seiner Nutzung als Zementrohstoff nur einzigen DAC-Zyklus, ergibt sich ein CO₂-Fußabdruck von circa −0,15 Tonnen CO₂-Äquivalent je Tonne Zement.
- Das bedeutet: Pro produzierter Tonne Zement werden rechnerisch 150 kg CO₂ mehr aus der Atmosphäre geholt, als über die gesamte Prozesskette hinweg entstehen.
Genau hier liegt der fundamentale Unterschied zu klassischem Carbon Capture and Storage (CCS): CCS verhindert lediglich, dass neu entstehendes CO₂ aus dem Schornstein in die Luft steigt. Direct Air Capture geht einen Schritt weiter und holt Alt-Emissionen wieder aus der Atmosphäre zurück.
Praxistest: Reale Daten aus Kalifornien
Die Studie von Vittoria Bolongaro, David Yang Shu, Noah McQueen und André Bardow ist die erste prospektive Lebenszyklusanalyse für Calcium-Looping-DAC im industriellen Maßstab, die auf primären Industriedaten basiert.
Die Forschenden haben nicht nur theoretische Modelle genutzt, sondern reale Betriebsdaten des US-Unternehmens Heirloom Carbon Technologies ausgewertet. Heirloom betreibt seit 2023 in Kalifornien eine Calcium-Looping-Anlage mit einer Kapazität von rund 1,000 Tonnen CO₂ pro Jahr.
Das Gesamtergebnis für 2050: Je nach Strommix erreicht das Verfahren eine Netto-CO₂-Entnahmeeffizienz von 85 bis 96 %. Für jede Tonne dauerhaft gespeichertes CO₂ entstehen entlang der Liefer- und Bauteilketten lediglich 40 bis 150 kg CO₂-Äquivalente.
Der größte Umweltfußabdruck entsteht dabei nicht durch die Chemie, sondern durch die Bereitstellung der benötigten Energie.
Der Haken: Der gigantische Energiebedarf
Klingt nach der perfekten Lösung? Ganz so einfach ist es in der Praxis leider nicht. Das Konzept hat ein paar deutliche Hürden:
- Der Strombedarf: Direct Air Capture ist extrem energieintensiv. Muss für den Betrieb fossiler Strom genutzt werden, bricht der Klimavorteil augenblicklich in sich zusammen.
- Fehlende Großanlagen: Indirekt beheizte elektrische Kalzinieröfen in der hier benötigten Megawatt-Klasse existieren bislang schlichtweg nicht auf industriellem Niveau.
- Unklare Wirtschaftlichkeit: Eine detaillierte Kostenanalyse war nicht Teil der ETH-Studie. Ob sich der Bau und Betrieb solcher Kombi-Kraftwerke finanziell gegen andere Dekarbonisierungswege durchsetzen kann, bleibt vorerst offen.
Aus einer CO₂-Quelle könnte eine CO₂-Senke werden
Die Zementindustrie gehört zu den am schwersten zu dekarbonisierenden Branchen weltweit. Selbst wenn wir jeden Ofen zu 100 % mit grünem Strom betreiben, bleibt das prozessbedingte CO₂ aus dem Kalkstein bestehen.
Der Ansatz der ETH Zürich denk die Zementfabrik deshalb von Grund auf neu: Vom Treiber des Klimawandels hin zur aktiven Senke. Wenn es gelingt, die Ofentechnik zu skalieren und ausreichend grünen Strom bereitzustellen, könnte aus einem der größten Umweltprobleme unserer Zeit tatsächlich ein Baustein der Energiewende werden.
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