Empa bäckt Öko-Zement

Die Herstellung einer Tonne Zement setzt etwa 700 Kilogramm Kohlendioxid frei. Das ist zwar weniger als etwa bei der Stahl- oder Aluminiumgewinnung, aber bei jährlich zwölf Kubikkilometern benötigtem Beton weltweit – so viel, wie im Vierwaldstättersee Platz hat – fällt das ins Gewicht. Da Asien und Afrika baulich prosperieren, wird der Beton-Bedarf künftig noch steigen, wie die Abteilung Concrete & Asphalt der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt Empa mitteilte.

Das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (Unep) fordert deshalb, umgehend neue zementbasierte Materialien, die klimafreundlicher und kostengünstig sind, zu entwickeln und einzusetzen. Empa-Forscher arbeiten darum an alternativen Zement- und Betonarten, bei deren Herstellung weniger schädliches Klimagas entsteht oder sogar Kohlendioxid gebunden wird.

Hauptschuldig am CO₂-Ausstoss bei der Zementherstellung ist das Brennen bei 1450 Grad im Drehrohr-Ofen. Da nur etwa die Hälfte der fossilen Brennstoffe durch alternative Energien ersetzt werden können, ist das Sparpotenzial gering, wie der mit dem Thema betraute Empa-Forscher Frank Winnefeld sagt.

Mehr Energie sparen lässt sich, wenn man Rohstoffe einsetzt, die eine geringere Brenntemperatur benötigen. Ein vielversprechender Kandidat ist CSA-Zement aus Calciumsulfoaluminat. Er benötigt eine um 200 Grad niedrigere Brenntemperatur und stösst pro Tonne Zement rund 200 Kilogramm weniger Kohlendioxid aus.

Die Reduktion der Treibhausgasemissionen ist dabei aber nicht nur der geringeren Brenntemperatur geschuldet. Ein grosser Anteil des Klimavorteils von CSA-Zement liegt an der geringeren Menge an Kalkstein in der Rohstoffmischung. Kalkstein verursacht durch eine chemische Reaktion während der Zementherstellung nämlich den Grossteil der CO₂-Emissionen.

Das Team von Concrete & Asphalt experimentiert mit Kalkstein-Ersatz aus Abfällen, die bei anderen Industrieverfahren anfallen. Vielversprechende Kandidaten sind Schlacke aus Hochöfen bei der Roheisengewinnung sowie Flugasche, die bei der Kohleverbrennung übrigbleibt.

Diese Sekundärrohstoffe vermögen freilich den gewaltigen Bedarf an Baustoffen nicht zu decken. Elektro-Schrott ist eine weitere Alternative: «Bei der metallurgischen Rückgewinnung von Edelmetallen aus Elektronikschrott bleibt eine hochwertige Schlacke übrig, die in Pulverform ebenfalls mit Zement vermischt werden kann», erklärt Winnefeld.

Entspricht der Gehalt an Schwermetallen den gesetzlichen Normen, könne dieser Zement durchaus auch in der Schweiz zum Einsatz kommen. Die gute Nachricht: Der Bodensatz der «urbanen Mine» aus den Überresten der ausgedienten Handys und Computer wird künftig noch weiter anwachsen. Möglich sei es darüber hinaus, mineralische Bauabfälle für Mischzement zu verwenden.

Die Art der Zusatzstoffe im Zement liesse sich sogar derart verändern, dass der Vorgang des Brennens komplett entfiele. Im sogenannten alkali-aktivierten Zement werden die Bestandteile wie Schlacke, Asche oder calcinierter Ton durch starke alkalische Lösungen wie etwa Natriumsilikate zur erwünschten chemischen Reaktion animiert. Die Produkte dieser Reaktion verbinden sich daraufhin zu einem Material, dessen Druckfestigkeit jener von gebranntem, herkömmlichen Zement entspricht.

Geradezu genial wirkt zudem die Möglichkeit, Kohlendioxid im Beton zu binden, statt es frei werden zu lassen. Ein CO₂-negativer Beton wäre ein wahrer Klimafreund. Empa-Forscher arbeiten beispielsweise an einem Magnesium-basierten Zement, der die Grundlage für diesen Öko-Beton liefern soll. Bei der Zementherstellung aus im Boden befindlichem Olivin wird dem rohen Magnesiumsilikat Kohlendioxid zugeführt. Das CO₂ verzehrende Wunschkind hat bereits einen Namen: «Moms», Magnesium Oxide derived from Silicates.

In einem nächsten Schritt analysieren die Empa-Zementforscher derzeit chemische Mischungsverhältnisse und Konformitätskriterien wie Festigkeit und Dauerhaftigkeit neuer Zementarten und bereiten damit den Weg zu normgerechten Zulassungen.