Alternative Stoffe taugen bislang nur für Nischenanwendungen

Klimaneutraler Beton ist mittelfristig nicht in Sicht

In der Pilotanlage des KIT wird Celitement hergestellt, allerdings nur im Pilotbetrieb. © Breig / KIT

Beton ist das meistverwendete Baumaterial der Welt und produziert Unmengen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (CO2). Doch obwohl die Hersteller von Zement – dem Bindemittel im Beton – hierzulande erkannt haben, dass sie klimafreundlicher werden müssen, wird die grüne Revolution am Bau wohl noch auf sich warten lassen.

Weil nach wie vor sechs bis acht Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes auf die Produktion von jährlich rund 4,2 Milliarden Tonnen Zement entfallen, stehen Baustoff-Industrie und Bauwirtschaft vor enormen Herausforderungen: Nur wenn auch sie ihren Beitrag zur CO2-Reduktion leisten, sind die politisch gesetzten Klimaziele zu erreichen. Allerdings entfällt allein etwa die Hälfte der Weltproduktion auf China. „In Deutschland haben wir einen Zementverbrauch von etwa 0,3 Tonnen pro Kopf und Jahr. In China sind es etwa 1,6 Tonnen“, sagt Markus Brunner, Projektleiter Technik beim Informationszentrum Beton in Berlin. „In Deutschland entfallen etwa zwei Prozent des jährlichen Pro-Kopf-Ausstoßes an CO2 auf die Zementproduktion.“

Klassischen Portland-Zement herzustellen, der im Beton als Bindemittel für Zuschlagstoffe wie Sand und grobe Gesteinskörnung dient, verursacht gleich doppelt CO2: Der dafür benötigte Zementklinker wird in großen Drehrohröfen bei rund 1450 Grad gebrannt. Das verbraucht enorme Mengen Energie, wozu früher vor allem Kohle verfeuert wurde. Größtenteils verwenden die Zementhersteller inzwischen jedoch Brennstoffe wie Klärschlamm, Tiermehl, Altöl, Altreifen und Kunststoffabfälle. Letztere basieren zwar auf Mineralöl, die Abfälle werden aber zumindest noch thermisch verwertet. Nach Angaben des Vereins Deutscher Zementwerke (VDZ) hat dies im Jahr 2018 im Vergleich zur Kohleverbrennung 2,12 Millionen Tonnen CO2 eingespart. Die deutsche Tochter der Baustoff-Gruppe Lafarge Holcim verwertet in ihren Werken Lägerdorf (Schleswig-Holstein) und Höver (Niedersachsen) sogar die Rotoren ausgedienter Windkraftanlagen als Brennmaterial. Die Harzanteile dienen dabei als Brennstoff, das Silizium aus den Glasfaseranteilen in der Asche gelangt als Sandersatz ins Produkt.

Ersatzstoffe für Zementklinker werden gesucht

Damit versucht der Hersteller, der zweiten Kohlendioxid-Quelle bei der Zementherstellung beizukommen: Denn der Klinker besteht hauptsächlich aus Kalkstein und Mergel, einem Sedimentgestein aus Kalk und Ton. Beim Klinkerbrennen wird durch chemische Reaktion Kohlendioxid aus dem Kalkstein ausgetrieben. Deshalb geht ein weiterer Ansatz dahin, den Zementklinker zumindest teilweise durch andere Materialien zu ersetzen. Während Portland-Zement (CEM I) zu mindestens 95 Prozent aus gemahlenem Zementklinker und nur geringen Anteilen etwa von Gips besteht, konnte dieser Anteil beim CEM III-Hochofen-Zement durch Zugabe von Hüttensand auf bis zu 20 Prozent reduziert werden. Der CEM I-Zement hat inzwischen nur noch einen Marktanteil von 30 Prozent in Deutschland.

Außerdem gibt es Versuche etwa im Werk Mergelstetten (Baden-Württemberg) des Zementherstellers Schwenk, das beim Klinkerbrennen entstehende CO2 abzuscheiden. Es könnte dann als Kohlenstoff an die Chemieindustrie geliefert werden. Der Einsatz alternativer Stoffe bei der Zementmahlung sparte laut VDZ im Jahr 2018 rund 5,5 Millionen Tonnen CO2 ein. Doch auch hierbei tritt ein Problem auf: „Ein Großteil der Ersatzstoffe, die wir statt dem Klinker verwendet haben, kommt aus Bereichen, die wegfallen: zum Beispiel die Flugasche aus Kohlekraftwerken“, sagt Brunner. „Mögliche neue Füllstoffe wären dann Kalksteinmehl, Ton oder Brechsand.“

KIT und Schwenk entwickeln Celitement

Auf Alternativen zum Zementklinker konzentriert sich auch ein Großteil der Forschung. So hat das Karlsruher Institut für Technik (KIT) zusammen mit Schwenk das Produkt Celitement entwickelt, ein Calzium-Hydro-Silikat. Es soll bis zu 50 Prozent weniger CO2 erzeugen als Zement. Zum einen läuft die Produktion in einem Autoklaven, also einem Druckkessel, bei 200 bis 300 Grad ab – das spart Brennenergie ein. Zudem weist das Bindemittel eine chemisch andere Struktur auf. Beim Produktionsprozess braucht man weniger Kalk, was den Treibhausgas-Ausstoß zusätzlich mindert. Laut dem KIT zeigen erste Erfahrungen, dass Celitement in 14 verschiedenen Bauanwendungen wie Mörtel, Putz, Massivbeton, Fertigteilen oder Weißzement eingesetzt werden kann.

„Das Material funktioniert, aber es ist noch nicht marktreif in dem Sinne, dass Lizenznehmer sich bereits entschlossen haben es im industriellen Maßstab herzustellen“, sagt Hendrik Möller, Geschäftsführer der Celitement GmbH, die seit diesem Jahr eine 100%-ige Schwenktocher ist. Allerdings bestünden gerade moderne Betone aus sehr vielen Komponenten der Bauchemie. „Die sind alle optimiert auf Portland-Zement und müssten auf Celitement optimiert werden.“ Zudem benötige man eine bauaufsichtsrechtliche Zulassung. „Wir haben viele Anfragen, aber mit unserer Pilotanlage in Karlsruhe schaffen wir am Tag 100 Kilogramm. In einem Kubikmeter Beton stecken 300 Kilogramm Material“, so Möller.

Deshalb wolle Schwenk zunächst in eine Erweiterung der Pilotanlage investieren, um mit einer neuartigen Mahlanlage die Produktionsleistung auf 400 bis 500 Kilogramm pro Tag zu erhöhen. Gleichzeitig schließe man die Planungen ab, eine erste Referenzanlage im industriellen Maßstab mit einer Jahresproduktionsmenge von 50.000 Tonnen zu errichten. Auf Grundlage der Erfahrungen mit der neuen Mahlanlage will Schwenk dann entscheiden, wo und wann genau man Celitement zukünftig im industriellen Maßstab produziere.

CSA-Zement braucht geringere Temperaturen

Ebenfalls seit Jahren forschen die Unternehmen an Calcium-Sulfo-Aluminat-Zementen (CSA), etwa Heidelberg Cement. Nach Unternehmensangaben kann CSA-Zement bei einer etwa 200 Grad niedrigeren Temperatur gebrannt werden und setzt weniger CO2 frei, was gegenüber Portland-Zement bis zu 30 Prozent des Treibhausgases einspare. Schweizer Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) experimentieren damit, die Schlacke einzusetzen, die bei der Rückgewinnung von Edelmetallen aus ausgedienten Handys, Computern und anderem Elektroschrott übrig bleibt. Außerdem erproben die Wissenschaftler einen magnesium-basierten Zement auf Basis des vulkanischen Rohstoffs Olivin. Das Material soll sogar mehr Kohlendioxid aufnehmen, als bei der Produktion entsteht – allerdings stehen die Forscher nach EMPA-Angaben noch ganz am Anfang.

Das französische Unternehmen Hoffmann Green Cement Technologies versetzt gebrannten Ton aus Tonschlamm mit Aktivatoren und Superaktivatoren zu einen Geopolymer-Zement, der nach Unternehmensangaben etwa in Mörtel zum Einsatz kommt. Mit Hochofen-Schlacke aus der Metallindustrie stellt das Unternehmen Zement her, der unter anderem für Tranport- und Fabrik-Beton verwendet werden kann.

Hohe Kosten für Alternativen sind eine Eintrittsbarriere

„Alle Anstrengungen sind nicht umsonst und leisten einen Beitrag“, sagt Brunner. „Aber die alternativen Bindemittel werden nicht den großen Anteil auf dem Weg zur CO2-Neutralität haben. Die Frage ist, wie viel von den vier Milliarden Tonnen Zement weltweit kann ich dadurch ersetzen?“ Alle Alternativen zum Portlandklinker-basierten Zement müssten nicht nur ähnliche Leistungsmerkmale aufweisen, sondern deren Rohstoffe auch in ähnlicher Größenordnung verfügbar sein. „Dies ist bislang nicht der Fall.“ Auch der von Holcim kürzlich angekündigte „klimaneutrale“ Beton Ecopart Zero ist in der Herstellung letztlich eben nicht klimaneutral. Vielmehr wird der CO2-Ausstoß mit Zertifikaten zur Wiederbewässerung von Mooren ausgeglichen, die als Kohlendioxid-Speicher gelten.

„Die größte Markteintrittsbarriere für jedes neue Produkt ist das unschlagbare Preis-/Leistungsverhältnis von Portland-Zement“, sagt Möller. Dieser koste etwa 10 Cent pro Kilogramm. „Da gibt es nicht mehr viele Spielräume. Beton ist überall zu haben, die Rohstoffe gibt es weltweit, sie sind preiswert und einfach einsetzbar.“

Bleibt die Frage, wenn der Beton schon so energieaufwändig zu produzieren ist, wie lässt er sich recyceln? Als sogenannten R-Beton gibt es Betone, die Rezyklat enthalten, allerdings nur einen Anteil von maximal 45 Prozent der groben Gesteinskörnung. Deponiert wird Abbruchbeton praktisch nicht mehr, er findet Verwendung etwa bei Wegbefestigungen oder zur Bodenverbesserung. Die Recycler hätten kein Problem, gebrochenen Altbeton in den Markt zu bekommen, berichtet Brunner. Als Mittel zur Verbesserung des CO2-Fußabdrucks taugt R-Beton aus Sicht des Fachmanns nur, wenn man dadurch Transportwege sparen kann. Im Raum Berlin etwa gebe es zwar viel Sand, aber grobe Gesteinskörnungen müssten von weiter her geholt werden. Könnte man Altbeton ortsnah brechen, hätte er als Gesteinskörnung im R-Beton einen Klimavorteil. In anderen Fällen verursache es weniger CO2, Kies einfach aus dem Boden zu baggern, als Gestein erst aufwändig zu brechen. „Wenn Sie also eine RC-Gesteinskörnung verwenden, haben Sie nicht automatisch CO2 gespart. Man hat eine Ressource gespart, das ist klar“, so Brunner.

Bleibt die Chance auf radikal andere Ansätze wie den des US-Unternehmens Biomason. Es lässt eine zementähnliche Substanz wachsen: Ähnlich wie bei einem Korallenriff bauen Mikroorganismen die Zuschlagstoffe zu einem festen Material zusammen. Derzeit produziert Biomason nach eigenen Angaben auf diese Weise bereits Backsteine. Der Vorteil: die Bakterien arbeiten bei Umgebungstemperatur, es entsteht überhaupt kein CO2.

Bis CO2-neutraler Beton im großen Stil verfügbar ist, muss das Augenmerk also darauf liegen, den Verbrauch das Materials soweit wie möglich zu reduzieren. Dies kann etwa mit Leichtbeton-Steinen geschehen. So verweist die KLB Leichtbetonblock GmbH auf eine Studie der Technischen Universität Darmstadt, wonach Mauerwerk aus Leichtbeton im Lebenszyklus eines Gebäudes von 80 Jahren die beste CO2--Bilanz aufweise. Zudem laufe der Produktionsprozess klimafreundlicher ab als bei Beton. Einen weiteren Ansatz haben Forscher der Universität Stuttgart entwickelt: Beim sogenannten Gradientenbeton wird das Material etwa mittels additiver Verfahren nur in exakt der Stärke aufgebracht, wie es für die gewünschten Eigenschaften benötigt wird. Alternativ kann der Beton in Bereichen, in denen weniger Material benötigt etwa mit Blähton oder Hartschaumkügelchen versetzt werden. „Gradientenbeton hat sicher noch Einsparpotenzial für Zement“, sagt Brunner.

Holcim arbeitet nach eigenen Angaben zusammen mit seinen Kunden daran, verstärkt Betonfertigteile im Bauwesen einzusetzen. So wird weniger Material auf der Baustelle verschwendet. Zudem entwickle man dünnere Betonplatten, die mit vorgespanntem Carbon statt mit Stahl bewehrt sind. Dies spart nicht nur Beton im Teil selbst ein, sondern auch CO2 beim Transport. Damit könne man mehr als 80 Prozent Kohlendioxid im Vergleich zu einem herkömmlichen Stahlbetonteil vermeiden. Denn gerade der Stahl im Beton erfordert den bislang hohen Materialverbrauch. „Beton kann einen Großteil des CO2 wieder aufnehmen, das ich beim Klinkerbrennen ausgetrieben habe“, erklärt Brunner. „Das will man eigentlich zumindest während der Nutzungsphase verhindern, weil man bei Stahlbeton ein Problem mit Korrosion des Stahls bekommen würde. Wenn man in Zukunft mit Alternativen zu Stahlbewehrung bauen kann, zum Beispiel mit Bewehrung aus Carbon, dann könnte man einiges an Beton einsparen, weil man heute einen Teil des Betons dazu braucht, den Stahl vor Korrosion zu schützen.“ von Daniel Völpel

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Kommentare (1)

  1. Bretzke
    at 16.04.2020
    Statt der negativen eine positive Nachricht wäre hilfreicher wie z.B.: "Viele Wege zum weniger klimaschädlichen Beton"
    Außerdem: Teurer Beton wird ggf. sparsamer verwendet, also sollte auch die CO2 Steuer etc. positiv auf die Anwendung der dargestellten Alternativen wirken . . . .

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