Elektrochemie statt Hitze 18.09.2019, 07:00 Uhr

Forscher stellen emissionsfreien Zement her

Bei der Produktion von Zement wird Kalkstein stark erhitzt: ein Verfahren, das viel Energie kostet und verunreinigtes Kohlendioxid freisetzt. Diese Nachteile lassen sich per Elektrochemie vermeiden.

Zement

Zement ist einer der wichtigsten Materialien am Bau. Kommen bald klimafreundliche Herstellungsverfahren?

Foto: panthermedia.net/Henk

Die Produktion von Zement gehört mit fast 8 % der globalen Kohlendioxidemissionen, sprich 2,8 Gigatonnen pro Jahr, zu den größten industriellen Verursachern des Treibhausgases. Das liegt einerseits am Verfahren selbst: Aus Calciumcarbonat entstehen in einer chemischen Reaktion Calciumoxid und Kohlendioxid. Ein weiterer Grund ist das anschließende Brennen des Zementklinkers, bei dem das Rohmaterial auf bis zu 1.450 Grad Celsius erhitzt wird. Diese Temperaturen werden heute noch zum Großteil durch die Verbrennung fossiler Energieträger erreicht.

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine elektrochemische Methode entwickelt, um Calciumcarbonat in Calciumoxid zu überführen. Als Nebenprodukte entstehen Wasserstoff und Sauerstoff: 2 Gase, aus denen man über eine Brennstoffzelle wieder Strom gewinnen kann.

Elektrolytisches Verfahren zur Zementgewinnung

Bei dem neuen Verfahren wird Calciumcarbonat zunächst in wässriger Säure gelöst. Auch hier entsteht bekanntlich Kohlendioxid – jedoch in hoch reiner Form. Industrielle Gase seien meist stark verunreinigt und damit kaum verwertbar, schreiben die Autoren. Das Gas aus ihrem neu entwickelten Verfahren könne man jedoch vielfältig einsetzen: von Verfahren zur Herstellung von Synthesegas bis hin zu Trockeneis oder Kohlensäure für Getränke.

Im nächsten Schritt kommt dann die Elektrochemie ins Spiel. Eine Elektrolyse, also eine chemische Reaktion durch den elektrischen Strom, führt zu Calciumhydroxid. Diese Verbindung fällt als schwerlöslicher Feststoff aus und kann leicht abgetrennt werden. Calciumhydroxid kann dann in einem weiteren Schritt verarbeitet werden, um den Zement herzustellen, der hauptsächlich aus Calciumsilicat besteht.

Auch eine Nebenreaktion stört nicht weiter – ganz im Gegenteil: Bei der Elektrolyse wässrig-saurer Lösungen entstehen Sauerstoff und Wasserstoff. Den MIT-Experten zufolge könne man beide Gase separat sammeln und in Brennstoffzellen nutzen.

Technologie eignet sich für größere Maßstäbe – aber nur langfristig

Dietmar Stephan vom Institut für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin hat sich die Studie auf Anfrage des Science Media Center Germany angesehen. „Die Methodik ist nachvollziehbar und der Ansatz ist innovativ“, so Stephan. „Das Verfahren ist potenziell geeignet, um Calciumhydroxid für großtechnische Prozesse herzustellen.“

Dennoch sieht der Experte einige Defizite aus industrieller Sicht: „Für die Herstellung von Portlandzement kann auch mit der vorgeschlagenen Methode nicht auf einen energieintensiven Hochtemperaturprozess bei etwa 1.500 Grad Celsius verzichtet werden.“ Vorteile gegenüber der konventionellen Herstellung gebe es nur, falls reiner Kalkstein eingesetzt würde und falls man nur regenerative Energie verwende. Stephan: „Auch unter diesen Voraussetzungen sind die Einsparungen sehr begrenzt, da der Calciumgehalt im Portlandzement hoch ist und deshalb immer entsprechend viel Kohlendioxid durch die Zersetzung des Ausgangsstoffes Kalkstein freigesetzt wird, auch wenn der Prozess vollständig mit regenerativer Energie betrieben wird.“

Stephans Fazit: „Die vorgestellte Syntheseroute über ein elektrochemisch hergestelltes Zwischenprodukt unterscheidet sich erheblich von den bisherigen Syntheseverfahren, die in erster Linie auf thermisch initiierten Reaktionen beruhen.“ Eine Implementierung dieses Ansatzes im größeren Maßstab würde Jahrzehnte dauern und sei damit weder kurz- noch mittelfristig eine Option, um Kohlendioxid-Emissionen zu vermindern. Außerdem wären große Mengen an regenerativen Energien erforderlich.

Zement einsparen, Industrieabfälle nutzen

Doch welche Möglichkeiten gibt es schon heute? Das größte Potenzial zur Einsparung von Kohlendioxid steckt im sparsameren Umgang mit Zement. Gebäude sollten für die langfristige Nutzung geplant und im Zweifelsfall eher saniert als abgerissen werden.

Neue Werkstoffe gewinnen ebenfalls an Bedeutung. Ein Team von Geowissenschaftlern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg machte sich auf die Suche nach Alternativen zu Kalkstein. Sie identifizierten Industrieabfälle, welche bei der Herstellung von Kaolin und Aluminium anfallen, als wertvolle Ressourcen. Bei der Weiterverarbeitung entstehen keine Treibhausgase. Im Rahmen einer Studie testete das Team verschiedene Mischungsverhältnisse und analysierte die physikalischen Eigenschaften der neu hergestellten Zemente. Diese hatten vergleichbare Eigenschaften wie kommerzielle Baustoffe.

Auch hier trat ein Problem auf: Derzeit gibt es zu wenige Rückstände aus industrieller Fertigung, um den weltweiten Zementbedarf zu decken. Deshalb machen sich Experten auf die Sieche nach weiteren Quellen. Sie halten auch die Verwendung von Vulkanasche oder mineralischen Rohstoffen, die bisher nicht industriell genutzt wurden, beispielsweise verschiedene Tonsorten, für möglich.

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