Zement neu gedacht: Strategien zur CO2-Reduktion in der Baustoffindustrie
Wie kann die Zementproduktion klimaschonender werden? Das Projekt K4 entwickelte dazu zwei neue Verfahren: eines für die Zementherstellung und eines für die weitere Verarbeitung zu Beton. Die Testergebnisse sind vielversprechend.
Zement ist ein elementarer Bestandteil bei der Herstellung von Beton und Mörtel. Er fungiert als Bindemittel. Wenn Zement mit Wasser vermischt wird, härtet er aus und verbindet andere Stoffe zu einem festen Material. Er ist überall dort zu finden, wo Stabilität, Dauerfestigkeit und Belastbarkeit gefordert ist. So ist er beispielsweise in Gebäuden, Straßen oder Brücken verbaut.
Es gibt es jedoch auch einen Nachteil: Bei der Herstellung von Zement werden große Mengen Kohlendioxid (CO2) ausgestoßen. Insgesamt ist die Zementindustrie für etwa acht Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich.
Um die CO2-Bilanz zu verbessern und Zement durch innovative Techniken nachhaltiger zu machen, entwickelte das Projekt K4 (Kohlendioxidreduktion durch kalkarme Klinker und Karbonatisierungshärtung) neue Lösungen. Unterstützt wurde K4 dabei vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen der Fördermaßnahmen KlimPro-Industrie. Heidelberg Materials erklärt dazu: „Unser Fokus liegt auf der Kreislaufwirtschaft. Deshalb haben wir die gesamte Wertschöpfungskette unter die Lupe genommen, was verändert werden kann. Mit K4 haben wir gleich zwei Stellschrauben erforscht, zum einen wie die Herstellung von Zement nachhaltiger gestaltet werden kann (CO2 Vermeidung) und zum andern, wie bei dessen Weiterverarbeitung zu Beton CO2 dauerhaft eingebunden werden kann (CO2 Verwendung).“
Beton recyclen, CO2 dauerhaft speichern
Im ersten Schritt untersuchte das Projektteam, wie CO2-Emissionen direkt bei der Zementherstellung reduziert werden können (Kohlendioxidreduktion). Dazu wurden zwei Ansätze verfolgt: 1) die Reduzierung des Kalksteinanteils und der Ersatz durch rezyklierten Betonbruch (RCP) und 2) die Herstellung eines kalkarmen Klinkers, eines sogenannten belitischen Zementes. Dazu wurde aus Betonabbruch der ausgehärtete Zementleim zurückgewonnen und bei der Herstellung von neuem Zement wiederverwendet. Unsere Tests haben gezeigt, dass allein durch die neue Produktionsweise und die Nutzung von recyceltem Zementleim rund 30 Prozent CO2 bei der Zementherstellung direkt vermieden werden können,“ führt Eckhard Wagner (Heidelberg Materials) aus.
Im zweiten Schritt wurde ein neues Verfahren zur weiteren Verarbeitung des Zements zu Beton erprobt. Ziel dieses Teilprojektes war es, das CO2, das während der Zementherstellung ausgestoßen wird, dauerhaft in Betonprodukten durch Karbonatisierungshärtung zu speichern. In der Testphase hat sich das Projekt K4 auf die Speicherung von CO2 in Pflastersteinen konzentriert. In den aus Beton gefertigten Steinen wurde das CO2 in sogenannten Karbonatisierungskammern hinzugefügt. „Wir haben unterschiedliche Tests in den Kammern durchgeführt mit variierenden CO2-Konzentrationen, Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten. Letzten Endes haben wir ein neues Verfahren entwickelt mit dem wir sicherstellen können, dass das in die Steine eingebrachte CO2 dauerhaft eingebunden ist und die gewünschte Qualität der Pflastersteine erreicht wird. Die Forschungs- und Entwicklungsphase ist damit erfolgreich abgeschlossen. Jetzt könnten diese Verfahren von der Industrie umgesetzt werden.“
Perspektivisch, so Eckhard Wagner weiter, sei das neue Verfahren auch auf weitere Betonprodukte übertragbar: „Wenn dieses Verfahren erst einmal etabliert ist und industriell in einem größeren Maßstab angewendet wird, dann könnte man sicherlich auch in diese Richtung weiterforschen und auch die Herstellung anderer Betonprodukte umstellen. Durch diesen neuen Prozess sind die CO2-Einsparungen schon so immens, dass es hochattraktiv ist.“
Hintergrund zur Fördermaßnahme „KlimPro-Industrie“
Bis zum Jahr 2045 will Deutschland Treibhausgasneutralität erreichen. Der deutschen Industrie kommt dabei eine entscheidende Rolle zu, denn mit rund 24 Prozent der Treibhausgas-Emissionen ist sie der zweitgrößte Emittent in Deutschland.
Um die Industrie auf ihrem Weg zur Klimaneutralität zu unterstützen, fördert das BMFTR daher seit 2021 im Rahmen der Maßnahme „KlimPro-Industrie" insgesamt 19 Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die innovative Prozesse in der Grundstoffindustrie erforschen.
Das Projekt K4 wurde von August 2021 bis Juli 2025 vom BMFTR mit rund 2,6 Millionen Euro gefördert. Unter der Leitung von Heidelberg Materials AG waren zudem folgende Projektpartner beteiligt: cbm Centrum Baustoffe und Materialprüfung der Technischen Universität München; GeoZentrum Nordbayern, Lehrstuhl für Mineralogie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg; IBU-tec advanced materials AG; Kraft Curing Systems GmbH; Lithonplus GmbH & Co. KG.