Wieviel Kohlenstoff lässt sich in Beton speichern?
Die Forschungsinitiative „Mining the Atmosphere“ erforscht innovative Wege, um überschüssiges Kohlendioxid aus der Atmosphäre einzufangen und langfristig in Baumaterialien wie Beton zu speichern. Erste Ergebnisse zeigen, welches Potenzial in dieser Methode steckt.
Damit Beton viel Emissionen speichern könnte, haben Forschende die Gesteinskörnungen beispielsweise durch Pellets aus Pflanzenkohle ersetzt.
Foto: Empa
Erderwärmung und die Senkung von Emissionen hängen unmittelbar miteinander zusammen. Doch nur die Emissionen zu reduzieren wird allein wohl nicht ausreichen. Stattdessen muss auch aktiv CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden. Zumindest, wenn man das Niveau aus dem Jahr 1988 als Vorbild hat. In dem Jahr lag die CO2-Konzentration bei 350 parts per million (ppm). Daraus ergibt sich: Rund 400 Milliarden Tonnen Kohlenstoff – entsprechend 1500 Milliarden Tonnen CO2 – gilt es aus der Luft zu filtern. Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben errechnet, dass sich diese Menge an überschüssigem Kohlenstoff bis zur Mitte des nächsten Jahrhunderts in Baustoffen wie Beton einlagern ließe.
Junge Mangrovenwälder als effektive Kohlenstoffsenken
Basis für die Berechnungen ist die Annahme, dass nach 2050 genügend erneuerbare Energien verfügbar sind, um das energieintensive Abscheiden von CO2 aus der Atmosphäre zu ermöglichen. „Diese Annahme ermöglicht es uns, mit verschiedenen Szenarien zu analysieren, wie realistisch und effizient das Konzept unserer ‚Mining the Atmosphere‘-Initiative ist“, sagt Pietro Lura, Leiter der Empa-Abteilung Beton und Asphalt. Ziel der Forschungsinitiative ist es, das überschüssige CO2 nicht nur zu binden, sondern darüber hinaus auch als wertvollen Rohstoff zu nutzen.
Beton als Kohlenstoffspeicher: Der Schlüssel liegt in den Baumaterialien
Der Ansatz sieht vor, überschüssige Energie aus Sonne, Wind & Co. zu nutzen, um CO2 in Methan oder Methanol umzuwandeln. Diese Grundstoffe könnten dann zu Polymeren, Wasserstoff oder festem Kohlenstoff weiterverarbeitet werden. „Selbst wenn genügend erneuerbare Energie verfügbar ist, bleibt die zentrale Frage, wie diese riesigen Mengen Kohlenstoff langfristig gelagert werden können. Beton scheint dafür prädestiniert, da er enorme Mengen aufnehmen kann“, erklärt Lura. Ein Vergleich der weltweit eingesetzten Materialmengen wie Beton, Asphalt oder Kunststoffe mit der aus der Atmosphäre zu entfernenden Kohlenstoffmenge – inklusive schwer vermeidbarer Emissionen – zeigt: Gegen die benötigten Baumaterialien macht der atmosphärische Kohlenstoffüberschuss nur einen kleinen Teil aus.
Der „Mining the Atmosphere“-Ansatz bietet nach Ansicht der Forschenden mehrere Vorteile: Er gewährleistet eine langfristige Stabilität und hohe Speicherdichte des Kohlenstoffs und erlaubt eine dezentrale Umsetzung. Zugleich können so herkömmliche, CO2-intensive Baumaterialien substituiert werden. Entscheidend sei es, den Kohlenstoff in stabile Materialien zu binden. Denn eine direkte Lagerung könne aufgrund von Brandgefahr und anderer Risiken gefährlich sein. Im Idealfall werden diese kohlenstoffreichen Baustoffe mehrfach genutzt und ebenso häufig recycelt, bevor sie schließlich sicher deponiert werden.
Beton als Kohlenstoffspeicher: Eine kohlenstoffbindende Wirtschaft mit Mehrwert
Die Forschenden sind sich sicher, das Konzept könne nicht nur einen Beitrag zur CO2-Reduktion leisten, sondern auch den Aufbau einer kohlenstoffbindenden Wirtschaft unterstützen – inklusive aller damit verbundenen ökologischen und ökonomischen Vorteile. „Kohlenstoff aus der Atmosphäre kann beispielsweise für die Herstellung von Polymeren, Bitumen für Asphalt oder keramischen Materialien wie Siliziumkarbid genutzt werden. Außerdem könnten hochwertige Materialien wie Karbonfasern, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen den gesamten Prozess wirtschaftlich tragfähig machen – wobei Beton eindeutig den größten Anteil am Kohlenstoffspeicher ausmachen wird“, sagt Lura.
Die Forschenden stellten sich die Frage, wie lange es wohl dauert, bis das gesamte überschüssige CO2 aus der Atmosphäre entfernt ist. Ihrer Ansicht nach wäre es möglich, mit Beton ab 2050 jährlich bis zu zehn Gigatonnen Kohlenstoff zu binden. Das würde den Optimalfall darstellen. Als Voraussetzung dafür müssten allerdings auch genügend erneuerbare Energien verfügbar sein. Zu den überschüssigen 400 Gigatonnen Kohlenstoff kommen bis 2100 noch mindestens 80 Gigatonnen aus schwer vermeidbaren Emissionen hinzu. Auch diese gilt es zu beseitigen. Je nach Szenario könnte es funktionieren, innerhalb von 50 bis 150 Jahren das gesamte überschüssige CO2 in Baumaterialien unterzubringen und das CO2-Niveau wieder auf den Stand von 1988 herabzusenken.
Kohlenstoffspeicher: Siliziumkarbid und poröser Kohlenstoff als Beschleuniger
Geht es nach den Forschenden, liegt der Schlüssel vor allem darin, Siliziumkarbid herzustellen. Dieser dient zum Beispiel auch als Füllstoff in Baumaterialien. „Siliziumkarbid bietet enorme Vorteile, da es den Kohlenstoff praktisch für immer bindet und mechanisch hervorragende Eigenschaften besitzt. Allerdings ist die Herstellung äußerst energieintensiv und stellt eine der größten Herausforderungen dar, sowohl in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit als auch auf eine nachhaltige Umsetzung“, gibt Lura zu bedenken.
Der poröse Kohlenstoff als Gesteinskörnung allein würde allerdings nicht so schnell zu dem gewünschten Ergebnis führen. Dagegen setzen die Forschenden auf eine Kombination aus porösem Kohlenstoff und Siliziumkarbid. Mit dieser Lösung ließen sich nicht nur große Kohlenstoffmengen in Beton speichern, sondern böten auch die Vorteile, dass diese Kombination für eine dauerhafte und stabile Speicherung geeignet wäre – im Gegensatz zu konventionellem Beton. Die Forschenden sind sich einig, dass möglichst viel CO2 pro Jahr aus der Atmosphäre entfernt werden muss. Nur dann könne man in einem realistischen Zeitrahmen auf 350 ppm CO2 zurückkehren. Darüber hinaus müssten parallel natürlich auch kontinuierlich die Emissionen reduziert werden. Nur dann sei der „Rückholprozess“ nicht vergebens.
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