Beton wird zum CO₂-Detektiv: Neue Methode löst ein Klimarätsel
Forschende der Universität Tokio können erstmals nachweisen, ob im Beton gebundenes CO₂ aus Abgasen oder der Atmosphäre stammt.
Beton kann CO₂ speichern. Jetzt lässt sich sogar bestimmen, ob das Gas aus Industrieabgasen oder der Luft stammt.
Foto: Smarterpix / bogdan.hoda
Beton verursacht weltweit enorme Mengen an CO₂. Vor allem die Zementherstellung gilt als einer der größten Emittenten in der Bauindustrie. Gleichzeitig besitzt der Baustoff eine weniger bekannte Eigenschaft: Er kann Kohlendioxid aufnehmen und dauerhaft binden.
Dass dieser sogenannte Karbonatisierungsprozess stattfindet, ist seit Langem bekannt. Neu ist jedoch eine Entwicklung aus Japan. Forschende der Universität Tokio haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich erstmals nachvollziehen lässt, woher das im Beton gespeicherte CO₂ stammt. Handelt es sich um Kohlendioxid aus industriellen Abgasen oder wurde es erst später aus der Atmosphäre aufgenommen?
Die Antwort auf diese Frage könnte künftig für CO₂-Zertifikate, Nachhaltigkeitsberichte und den Emissionshandel eine wichtige Rolle spielen.
Kurz zusammengefasst
- Forschende der Universität Tokio können erstmals bestimmen, woher im Beton gespeichertes CO₂ stammt.
- Die Methode basiert auf der Analyse der Kohlenstoffisotope C-12 und C-13.
- So lässt sich unterscheiden, ob das CO₂ aus industriellen Abgasen oder aus der Umgebungsluft stammt.
- Das Verfahren könnte für CO₂-Zertifikate, ESG-Berichte und den Emissionshandel wichtig werden.
- Weitere Untersuchungen sollen zeigen, wie robust die Methode unter realen Baustellenbedingungen funktioniert.
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Inhaltsverzeichnis
Beton als Kohlenstoffspeicher
Weltweit arbeiten Forschende und Unternehmen daran, den CO₂-Fußabdruck von Beton zu verkleinern. Ein Ansatz besteht darin, Kohlendioxid gezielt während der Herstellung oder Aushärtung in den Baustoff einzubringen. Das Gas reagiert dabei mit Calciumhydroxid und anderen zementgebundenen Mineralphasen. Es entstehen stabile Carbonate, die das Kohlendioxid langfristig im Material einschließen.
Für die Klimabilanz reicht es allerdings nicht aus, nur die gespeicherte Menge zu kennen. Entscheidend ist auch die Herkunft des gebundenen Kohlendioxids:
- CO₂ aus Industrieabgasen: Wird es dauerhaft im Beton gebunden, lassen sich fossile Emissionen direkt reduzieren.
- CO₂ aus der Umgebungsluft: Auch dieses Gas wird gespeichert, der Effekt auf die Bilanz fällt jedoch anders aus.
Genau dieser Frage ging das Forschungsteam um Professor Ippei Maruyama vom Labor für Baustofftechnik der Universität Tokio nach. Ziel war es, den Anteil von CO₂ aus industriellen Quellen von dem aus der Atmosphäre zu unterscheiden.
Weiter sagt er: „Es ist uns gelungen, den Anteil des von zementartigen Materialien absorbierten CO₂ zu identifizieren und zu quantifizieren, der aus spezifischen Quellen wie industriellen Abgasen stammt, sowie den Anteil, der aus der Atmosphäre stammt.“
Kohlenstoff hinterlässt einen eigenen Fingerabdruck
Den Schlüssel liefert die Isotopenanalyse. Isotope sind Varianten eines chemischen Elements, die sich lediglich durch ihre Anzahl an Neutronen unterscheiden. Kohlenstoff besitzt immer sechs Protonen. Beim häufigsten Isotop Kohlenstoff-12 kommen sechs Neutronen hinzu. Kohlenstoff-13 enthält dagegen sieben Neutronen. Je nachdem, aus welcher Quelle das Kohlendioxid stammt, verändert sich das Verhältnis dieser beiden Isotope geringfügig.
Fossile Brennstoffe weisen dabei einen anderen isotopischen Fingerabdruck auf als atmosphärisches CO₂. Diesen Unterschied nutzen die Forschenden für ihre Analysen. Das Prinzip erinnert an die Radiokarbondatierung, mit der Archäologinnen und Archäologen das Alter organischer Funde bestimmen. Im aktuellen Projekt dient die Isotopenanalyse jedoch dazu, die Herkunft des gebundenen Kohlendioxids nachzuvollziehen.
Herkömmliche Berechnungen reichen nicht aus
Die Sache wird kompliziert, sobald sich verschiedene Gase vermischen. In der Praxis gelangt bei der CO₂-Härtung von Beton meist nicht ausschließlich industrielles Abgas an das Material. Auch Umgebungsluft spielt eine Rolle.
Dadurch verändern sich die gemessenen Isotopenverhältnisse. Nach Angaben des Forschungsteams liefern klassische Berechnungsverfahren unter solchen Bedingungen teilweise deutliche Fehler. „Wir stellten fest, dass herkömmliche Korrekturmethoden das Verhältnis von Kohlenstoff-13 zu Kohlenstoff-12 unter solchen Bedingungen falsch bewerten“, sagt Maruyama.
Die Forschenden entwickelten deshalb ein neues Berechnungsmodell. Es berücksichtigt die sogenannte Isotopenfraktionierung – also natürliche Verschiebungen der Isotopenverhältnisse, die beim Vermischen verschiedener Gase auftreten. Dadurch soll sich die Genauigkeit der Messungen deutlich verbessern.
Betonpulver liefert die entscheidenden Daten
Für ihre Versuche mahlte das Team die Betonproben zunächst zu feinem Pulver. So ließ sich der gebundene Kohlenstoff unter kontrollierten Laborbedingungen präzise analysieren. Anschließend setzten die Forschenden die Proben verschiedenen Gasgemischen aus.
Unter diesen Bedingungen konnten sie nachweisen, welcher Anteil des gespeicherten Kohlendioxids aus industriellen Quellen stammte und welcher aus der Atmosphäre aufgenommen wurde.
Außerhalb des Labors sind die Bedingungen allerdings deutlich komplexer. Luftfeuchtigkeit, Temperatur und wechselnde Gaszusammensetzungen beeinflussen die Karbonatisierung. Deshalb soll das Verfahren nun unter realistischen Einsatzbedingungen weiter überprüft werden.
Was bringt die neue Methode?
Für Ingenieurinnen und Ingenieure eröffnet die neue Methode die Möglichkeit, CO₂-speichernde Betone genauer zu bewerten und ihre Klimawirkung belastbar nachzuweisen.
Mögliche Einsatzgebiete sind unter anderem:
- Nachweis von Carbon-Capture-and-Utilization-Verfahren (CCU)
- CO₂-Zertifikate und Emissionshandel
- ESG- und Nachhaltigkeitsberichte von Bauunternehmen
- Qualitätssicherung bei CO₂-Härtungsverfahren
- Bilanzierung klimafreundlicher Baustoffe
Gerade im Bauwesen wächst der Druck, Emissionen transparent nachzuweisen. Die Zementindustrie verursacht nach Schätzungen weltweit rund 7 bis 8 % der menschengemachten CO₂-Emissionen. Die neue Methode beantwortet deshalb nicht nur eine wissenschaftliche Frage. Sie könnte künftig dabei helfen, belastbar nachzuweisen, ob ein CO₂-speichernder Beton tatsächlich fossile Emissionen bindet – oder lediglich Kohlendioxid aus der Umgebungsluft aufnimmt.
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