Gemahlen, nicht gebrannt - so geht umweltfreundlicher Zement

Beton als Baustoff ist preiswert, sprichwörtlich hart und lässt sich in fast jede Form gießen. Er besteht im Prinzip nur aus Sand, Kies, Wasser und dem Bindemittel Zement, der vor allem aus Kalk und Ton gebrannt wird und beim Aushärten stabile Kalziumsilikat-Hydrate bildet, die für die Eigenschaften des Betons verantwortlich sind. Im Brennen des Kalks (CaCO₃) liegt jedoch genau das Problem, denn hier wird für jedes produzierte Molekül Kalziumoxid (CaO) − den sogenannten "gebrannten Kalk" − ein Molekül des Treibhausgases CO₂ freigesetzt.

Bei einer Weltjahresproduktion von rund 4,5 Milliarden Tonnen Zement sind das immerhin rund 2,7 Milliarden Tonnen CO. Die Zementherstellung ist mit einem Anteil von rund 8 Prozent derzeit der größte industrielle Emittent an CO2-Emissionen. China ist für etwa 50 Prozent, Deutschland für circa 1,5 Prozent der Emissionen durch die Zementproduktion verantwortlich.

Chemiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun eine Methode entwickelt, die den CO2-Ausstoß der Zementproduktion langfristig drastisch reduzieren könnte. Dabei wird der Rohkalk nicht mehr in kohlenbefeuerten Brennöfen in gebrannten Kalk überführt, sondern lediglich mit festem Natriumsilikat (Na₂SiO₃) vermahlen. Durch diesen Mahlschritt wird ein Zwischenprodukt hergestellt, das die Bestandteile des Zements in gleichmäßiger Verteilung enthält. Bei Kontakt mit Natronlauge bildet sich ein Produkt, das in seiner Struktur den Kalziumsilikat-Hydraten gleicht, die dem Beton seine Eigenschaften verleihen.

Während das Brennen des Kalks Temperaturen von 1.000 bis 1.500 Grad Celsius erfordert, läuft der Mahlschritt bei Raumtemperatur ab. Der mechanische Energieeintrag zur Mahlung beträgt mit 120 kWh pro Tonne lediglich etwa 10 Prozent der Energie, die für den Brennprozess aufgebracht werden muss. Dies entspricht jedoch nur der Energieeinsparung – und dem damit verbundenen Ausstoß von CO2 – durch Verbrennung fossiler Brennstoffe bei der Zementherstellung. Viel wichtiger aber ist, dass durch Umgehung des Kalkbrennens im Idealfall CO2-Emissionen im Milliarden-Tonnen-Bereich vermieden werden könnten.

Da das Mahlen ein Standardverfahren in der Zementindustrie ist, wäre die Umsetzung vom Labormaßstab in industrielle Größenordnung denkbar. Die Mainzer Chemiker räumen allerdings ein, dass die Kosten- und Energieabschätzung lediglich grobe Näherungen sind und Laboruntersuchungen nicht mit einem industriellen Prozess verglichen werden können, bei dem Entwicklung, Design, Durchführbarkeit, Wartung und andere Parameter berücksichtigt werden müssen. "Es kann sich hier um einen ersten Schritt für eine nicht-konventionelle Art der Zementherstellung, aber nicht die voll entwickelte Lösung handeln", betont Erstautor Marcel Maslyk.