98 Prozent weniger CO₂: Dieser Zement ist fast klimaneutral

Zement gehört zu den meistproduzierten Materialien der Welt. Rund vier Milliarden Tonnen stellt die Industrie jährlich her, und kaum ein Baustoff ist so tief in moderne Infrastruktur eingebettet: Brücken, Tunnel, Staudämme, Straßen. Das Problem: Die Herstellung verursacht etwa acht Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen. Mehr als die gesamte Luftfahrt. Forschende der University of British Columbia haben nun ein Verfahren entwickelt, das diesen Fußabdruck um fast 98 Prozent senken könnte.

Zement ist ein Klimaschädling

Das Kernproblem liegt nicht im fertigen Zement, sondern im Brennprozess. Kalkstein und Ton werden in riesigen Drehrohröfen auf über 1.450 Grad erhitzt, bis sie zu sogenanntem Klinker verschmelzen. Klinker besteht hauptsächlich aus Calciumsilikat-Mineralen namens Alit und Belit, die dem Zement seine Festigkeit geben. Der Brennprozess verbraucht enorme Mengen fossiler Energie, denn Zementöfen gehören zu den energieintensivsten Industrieanlagen überhaupt.

Dazu kommt eine chemische Grundtatsache: Beim Erhitzen gibt Kalkstein in einer Reaktion namens Kalzinierung unweigerlich CO₂ frei. Dieser Anteil der Emissionen steckt direkt in der Chemie, nicht nur im Energieverbrauch. Selbst wer die Öfen vollständig mit erneuerbarem Strom betreiben würde, käme an diesen Emissionen nicht vorbei. Genau das macht die Zementindustrie so schwer zu dekarbonisieren.

Strom statt Hochtemperaturfeuer

Das Team um Studienautor Curtis Berlinguette setzte auf einen grundlegend anderen Ansatz: Elektrochemie. Statt Kalkstein direkt bei extremen Temperaturen zu brennen, läuft zunächst eine Vorreaktion in einem kontinuierlichen elektrochemischen Reaktor ab. Bei gerade einmal 60 Grad Celsius wandeln elektrische Ströme Kalkstein und Kieselsäure in einen Vorläuferstoff um, den die Forscher:innen als elektrochemisch synthetisiertes Calciumsilikathydrat bezeichnen. Der elektrische Strom treibt dabei Ionentransport und chemische Reaktionen an, ohne extreme Hitze erzeugen zu müssen.

Dieser Vorläuferstoff wird anschließend bei 650 Grad zu Belit-reichem Klinker weiterverarbeitet. Zum Vergleich: Konventioneller Portland-Zement erfordert Temperaturen von bis zu 1.450 Grad. Der Wärmebedarf sinkt mit der neuen Methode um rund 70 Prozent. Das macht den gesamten Prozess erheblich leichter elektrifizierbar und öffnet die Tür für erneuerbare Energiequellen im bisher kaum zugänglichen Schwerlastbereich der Industrie.

Bauschutt als Rohstoff

Besonders bemerkenswert ist ein weiterer Aspekt: Der elektrochemische Vorläuferstoff lässt sich nicht nur aus frisch abgebautem Kalkstein herstellen, sondern auch aus altem Betonabbruch. Abgerissene Gebäude liefern damit Rohstoff für neuen Zement. Das klingt nach einem kleinen Detail, ist aber industriell bedeutsam: Es würde eine Kreislaufwirtschaft für einen der meistverbrauchten Baustoffe der Welt ermöglichen, von der Abbaulogistik bis zur Rohstoffbeschaffung.

Bei dieser Variante mit recyceltem Material emittiert der Prozess nach Angaben der Forscher:innen nur noch etwa 20 Kilogramm CO₂ pro Tonne Klinker. Bei konventionellem Zement sind es rund 800 Kilogramm. Als zusätzlicher Effekt entsteht im Reaktor Wasserstoffgas, das sich als Brennstoff für den zweiten Erhitzungsschritt nutzen lässt und den Bedarf an externer Energie weiter reduziert.

Einsatz bei Großbauprojekten

Der entstehende Belit-Zement eignet sich besonders für massige Betonkonstruktionen wie Staudämme. Bei großen Betonvolumen entwickelt normaler Zement beim Aushärten erhebliche Reaktionswärme, was zu internen Rissen führen kann. Belit baut diese Wärme langsamer und gleichmäßiger ab und gilt deshalb seit Langem als bevorzugtes Material im Schwerbeton. Für standardisierte Anwendungen im Hochbau ist das neue Verfahren noch keine Universallösung, denn Belit-Zement hat andere Aushärteeigenschaften als gewöhnlicher Portland-Zement. Aber als Baustein einer dekarbonisierten Baustoffindustrie zeigt die Studie, wie sich die Chemie des Prozesses selbst verändern lässt, nicht nur die Energiequelle dahinter.

Vom Labor zur Industrie

Das Verfahren befindet sich noch in der Laborphase, und der Weg zur industriellen Anwendung ist lang. Fragen zur Skalierbarkeit, zur Qualität heterogener Abbruchmaterialien und zur Gesamtenergiebilanz inklusive Stromverbrauch des Reaktors bleiben offen. Die Studienautoren sind Mitgründer eines Unternehmens, das die Technologie kommerzialisieren will. Die University of British Columbia hat eine internationale Patentanmeldung eingereicht. Ob der elektrochemische Zement den Markt erreicht, entscheidet sich in den kommenden Jahren in Pilotanlagen, nicht im Labor.

via American Chemical Society