Wie man Kohlendioxid in Beton einfängt

23. November 2021 15:29

Dieser Beton wurde von den Römern entwickelt und ihr Erbe ist noch heute auf dem Dach des prächtigen Pantheons, der weltweit größten Kuppel aus unbewehrtem Beton, zu sehen. Seit seiner Fertigstellung durch Kaiser Hadrian um 125 v. Heute ist es der beliebteste Baustoff der Welt und die Nachfrage steigt stetig.

Das sind schlechte Nachrichten für die globale Erwärmung. Das Problem ist, dass der Hauptbestandteil von Beton, Zement (Silikatpulver, dem Sand, Kies und Wasser zugesetzt werden, um Beton herzustellen), für eine Vielzahl von Treibhausgasemissionen verantwortlich ist: Die jährlich produzierten fünf Milliarden Tonnen Zement machen acht Prozent der Kohlendioxid-(CO2)-Emissionen. ) Welt der menschlichen Aktivität. Wäre die Zementindustrie ein Land, wäre sie in Bezug auf die Emissionen nach China und den USA das drittgrößte der Welt.

Heute gibt es mehrere praktische Alternativen zu Beton. Das Interesse an Brettsperrholz (Clt) wächst, das aus Bäumen gewonnen wird und somit ein nachwachsender Rohstoff sein kann und auch beim Bau einiger Wolkenkratzer verwendet wird. Allerdings ist Clt im Vergleich zu Beton vorerst noch ein nicht allzu breites Material. Große Betonabnehmer, insbesondere China, das mehr als die Hälfte des weltweiten Zements produziert, werden sich dem kurzfristig nicht entziehen können. Die Idee, den Sektor nachhaltiger zu machen, mag daher wie ein verzweifeltes Unterfangen erscheinen. Aber anscheinend nicht, denn es werden neue Technologien entwickelt, um Beton grüner zu machen. Es kann grün genug sein, um Kohlendioxid aufzunehmen, anstatt es in die Atmosphäre abzugeben.

Heißes Zeug
Ausgangspunkt ist dort, wo die Emissionen am größten sind. Der erste Schritt bei der Zementherstellung ist die Gewinnung von Kalkstein, der als Hauptbestandteil Calciumcarbonat (CaCO3) enthält. Kalkstein wird mit Ton vermischt und in einem Drehrohrofen bei einer Temperatur von über 1.400 Grad Celsius durch einen Prozess namens „Kalzinierung“ geführt. Die Wärme entzieht dem Kohlenstoff und einem Teil des Sauerstoffs, die zusammen CO2 bilden. Die verbleibende Agglomeration, genannt Klinker, bestehend aus einem Komplex von Calciumoxid- und Kieselsäuremolekülen, bekannt als Calciumsilikat. Anschließend wird der Klinker abgekühlt und zu Beton gemahlen. Mehr als die Hälfte der mit der Zementherstellung verbundenen Emissionen ist eine Folge der Kalzinierung, und der Rest stammt größtenteils aus der Verbrennung von Kohle und anderen fossilen Quellen, die für den Prozess verwendet werden. Insgesamt wird pro Tonne Frischzement fast ein CO2 freigesetzt.

Das Unternehmen entwickelt Geräte, die Kohlendioxid direkt aus einem Zementofen abfangen können

Laut einer Studie von Paul Fennell mit Kollegen am Imperial College London, die Anfang des Jahres in der Zeitschrift veröffentlicht wurde JouleDa beim Kalken unweigerlich CO2 entsteht, besteht der effektivste Ansatz zur Dekarbonisierung der Zementindustrie darin, Kohlendioxid abzuscheiden und zu speichern, bevor es in die Atmosphäre abgegeben wird. Kohlendioxid kann unterirdisch gespeichert oder in anderen Industriebereichen verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen. Es kann aber auch in Beton injiziert werden, wenn es mit Wasser vermischt wird, um eine chemische Reaktion auszulösen, die den Zement aushärtet (Polymerisation). CO2 hat den gleichen Effekt und stoppt auf der Calciumcarbonat-Stufe.

Tatsächlich macht eine solche Umkehrung des Kalkprozesses den Beton haltbarer als nur mit Wasser. Somit ist es möglich, die mit dem Bau eines bestimmten Arbeitsplatzes verbundenen Emissionen zu reduzieren und weniger Zement zu verwenden, was die Gesamtemissionen weiter reduziert. Laut dem Beratungsunternehmen McKinsey kann Reverse Kalking bis zu 5 Prozent der Emissionen aus Zement einfangen, und mit dem technologischen Fortschritt könnten dies sogar bis zu 30 Prozent sein.

Einige Unternehmen gehen diesen Weg. Canadian CarbonCure hat in mehr als 400 eigenen Werken weltweit Anlagen installiert, die CO2 in vorgemischten Beton einspritzen. Diese Methode wurde verwendet, um mehrere Gebäude zu bauen, darunter den neuen Amazon-Campus (der ein Anteilseigner von CarbonCure ist) in Virginia und das Montagewerk für Elektrofahrzeuge von General Motors in Spring Hill, Tennessee.

Bisher wurde das von CarbonCure verwendete CO2 von Unternehmen abgeschieden, die Industriegase herstellen. Aber das Unternehmen entwickelt Geräte, die Kohlendioxid direkt aus Zementöfen abscheiden können. Dan Calix mit Hauptsitz in Sydney, Australien, entwickelt ein elektrisch betriebenes System, das Kalkstein indirekt von der Außenseite des Ofens erhitzt, nicht von innen. Auf diese Weise können Sie reines CO2 gewinnen, ohne die im Ofen verbrannten fossilen Brennstoffe von den Verbrennungsgasen reinigen zu müssen: Wenn der verwendete Strom also aus einer nicht fossilen Quelle stammt, ist der produzierte Zement vollständig grün.

Eine Pilotanlage mit diesem System wurde im Rahmen eines EU-Forschungsprojekts an einem Standort in Belgien des deutschen Zementherstellers Heidelberg, einem der größten Zementhersteller der Welt, erfolgreich in Betrieb genommen. Eine größere Pilotanlage soll 2023 in Hannover eröffnet werden, um die Technologie zu verbessern.

Energieverschwendung
Ein anderer Ansatz – weniger ökologisch, aber dennoch nachhaltiger als die Nutzung fossiler Brennstoffe – besteht darin, die in Drehrohröfen verbrannte Kohle teilweise durch Siedlungs- und Industrieabfälle zu ersetzen. Dies haben bereits mehrere Unternehmen getan. Der mexikanische Baustoffriese Cemex beispielsweise produziert Climafuel, einen aus Siedlungsabfällen gewonnenen Brennstoff ohne Wertstoffe, der reich an Biokohlenstoff (Biomasse) ist, der sich bisher in der Atmosphäre befand und statt dessen zurückgeführt wird aus dem Untergrund in Form von fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Cemex hat in einigen seiner Zementwerke in Großbritannien bis zu 60 Prozent der Kohle durch Climafuel ersetzt.

Die Lösung besteht darin, die Technologie der Betonherstellung zu verbessern, damit für bestimmte Arbeiten weniger verwendet wird

Das Unternehmen sucht auch nach Möglichkeiten, den Zement im Beton teilweise durch andere Materialien zu ersetzen. Viele hinzugefügt“Flugasche“, ein Nebenprodukt von Kohlekraftwerken oder zerkleinerte Schlacke aus Hochöfen zur Eisenerzeugung. Aber keine dieser Lösungen ist auf Dauer nachhaltig. Peter Harrop, Leiter des britischen Marktforschungsunternehmens idTechEx und Mitautor eines neuen Berichts über die Zukunft von Beton und Zement, stellt fest, dass der Kohleverbrauch zurückgeht und Stahlhersteller auf neue und sauberere Technologien setzen.

Laut Harrop besteht ein wichtiger Teil der Lösung darin, die Technologie der Betonherstellung zu verbessern, damit für bestimmte Arbeiten weniger verwendet wird. Das bedeutet, dass andere Stoffe hinzugefügt werden, etwa synthetische und natürliche Fasern oder sogar Graphen, ein Material, das widerstandsfähiger ist als Stahl aus atomdicken Kohlenstoffplatten: Um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, sind nur geringe Mengen erforderlich.

Graphen und andere Verstärkungen werden neuen Hochleistungsbeton zum Leben erwecken, der laut Harrop besonders für den 3D-Druck geeignet ist, dank dem es möglich ist, geschichtete Materialien mit Robotern präzise herzustellen und den Abfall erheblich zu reduzieren. „Es ist sehr wichtig, weniger Zement zu verwenden“, wiederholt er, zumal sich die Zementproduktion in den nächsten zwanzig Jahren wahrscheinlich verdoppeln wird.

Zusätze können auch die Lebensdauer von Beton verlängern und den Wartungsaufwand reduzieren. An der University of Michigan verwendeten Victor Li und seine Kollegen synthetische und natürliche Fasern zusammen mit CO2-Injektion, um kollabierbaren Beton herzustellen, den sie Engineered Zement Composites nannten. Die innere Struktur von Ecc ist von Perlen inspiriert, einem flexiblen Material, das das Innere der Schalen einiger Weichtiere wie Abalone und Austern bedeckt.

Dank der Flexibilität dieses Betons können Brücken und Straßen starkem Verkehr leichter standhalten und auch die Erdbebensicherheit von hohen Gebäuden erhöhen. Mit zunehmendem Alter entwickelt Ecc nur noch kleine flache Risse. Victor Li erklärt, dass auf diese Weise Wasser entfernt und Korrosion der Stahlbewehrung im Beton vermieden werden kann, die innerhalb weniger Jahre zum Einsturz des Stahlbetons führen kann, der manchmal zum Einsturz des Bauwerks führt.

Auf dem Weg zu null Emissionen und darüber hinaus
Der Austausch von Materialien kann weiter gehen. Solidia, ein Unternehmen aus New Jersey, USA, produziert eine Zementsorte, die Calciumsilikat enthält, mit einem höheren Verhältnis von Kieselsäure zu Calciumoxid als Portland, die Standardsorte. Dies hat zwei Konsequenzen: Erstens benötigt der Solidia-Prozess weniger Wärme (und damit weniger fossile Brennstoffe) als die konventionelle Kalzinierung und setzt weniger CO2 frei. Zweitens können die Silikate mit hohem Kieselsäuregehalt von Solidia nach dem Einmischen in Beton viel schneller als gewöhnlicher Zement ausgehärtet werden, indem CO2 anstelle von Wasser verwendet wird. Solidia untersucht seine Zementverwendung mit einem ihrer Investoren, LafargeHolcim, einem Schweizer Baustoffriesen.

Werbepause

Wie kann Beton bei all diesen Entwicklungen umweltfreundlich sein? Fennell argumentiert, dass es mit einer besseren Energienutzung und dem Austausch einiger Materialien relativ einfach sein wird, die CO2-Emissionen pro Tonne Beton, die derzeit produziert wird, um etwa 80 Prozent zu reduzieren. Unternehmen können jedoch noch mehr tun, indem sie auf Öfen umsteigen, die überwiegend oder vollständig mit Biomasse betrieben werden, wie beispielsweise Holz. Der im Holz enthaltene Kohlenstoff wird in Form von CO2 in die Atmosphäre abgegeben, aber wenn das beim Verbrennen von Holz gewonnene Kohlendioxid gespeichert und nicht freigesetzt wird, wenn neue Bäume wachsen, um die verbrannten zu ersetzen, wird ein Netto-Ausstoß von Kohlenstoff aus Atmosphäre.

Wissenschaftler der Klimamodellierung glauben, dass dieser Track, genannt Bioenergie mit CO2-Abscheidung und -Speicherung, (Bioenergie mit Kohlendioxidabscheidung und -speicherung, Beccs), und unter anderem sollten Anstrengungen unternommen werden, um die „negativen Emissionen“ zu erreichen, die erforderlich sind, um das Ziel der Netto-Null-Emissionen oder Netto-Negativ-Emissionen zu erreichen. Es wird oft davon gesprochen, Strom auf Basis von Beccs zu produzieren, aber diese Technologie könnte für Beton besser geeignet sein, da in einer Welt, die sich mit ökologischer Nachhaltigkeit beschäftigt, Werkzeuge zur CO2-Abscheidung Realität werden und die Auswirkungen der Kalkung bewältigt werden. . Wenn dies geschieht, könnte sich ein Paria der globalen Erwärmung erlösen, indem er dazu beiträgt, den Schaden für den Planeten zu verringern und auf seine Weise ein ebenso beeindruckendes Erbe wie das römische hinterlassen.

(Übersetzung von Davide Musso)

Dieser Artikel erschien wöchentlich in Großbritannien Der Ökonom.

Adelmar Fabian

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