Warum die Baubranche unter Druck steht, ihren Zement schneller zu dekarbonisieren

Eine digitale Darstellung der Lower Thames Crossing, Großbritannien. Neue Straßen und ein zweiröhriger Tunnel unter der Themse werden die Autobahn M25 bei Brentwood mit der A2 östlich von Gravesend verbinden (Foto: National Highways).

Dies ist die Botschaft von Andrew Kidd, dem Direktor für ökologische Nachhaltigkeit des 9 Milliarden Pfund (10,6 Milliarden Euro) teuren Lower Thames Crossing-Programms der britischen National Highways.

Zement wird aus Klinker hergestellt, dem Produkt von Zementöfen, das durch Erhitzen einer Mischung aus Rohstoffen (einschließlich Kalkstein und Ton) auf eine enorme Hitze von 1.450 °C (2.650 °F) entsteht. Zusammen mit den dabei auftretenden chemischen Reaktionen machen die dabei entstehenden Kohlenstoffemissionen 90 % des gesamten CO2-Fußabdrucks von Zement aus.

Schlacke aus Hochöfen der Stahlproduktion wird seit langem als kohlenstoffarmer Zementzusatz in Betonmischungen verwendet. Doch da auch die Stahlindustrie auf eine Dekarbonisierung hinarbeitet, gibt es ein Problem.

Während die Stahlproduktion heute zu 70 % auf Hochöfen und zu 30 % auf Lichtbogenöfen (EAFs) basiert, wird die Stahlproduktion zunehmend auf Lichtbogenöfen (EAFs) angewiesen sein, da diese eine umweltfreundlichere Methode zur Stahlherstellung darstellen. Und das bedeutet weniger Schlacke für kohlenstoffärmeren Zement.

Die Stahlherstellung wird in Zukunft zunehmend, möglicherweise sogar ausschließlich, auf Lichtbogenöfen (EAFs) basieren.

Infolgedessen ist die Zementindustrie gezwungen, ihre Prozesse, Ansätze und Systeme radikal zu überdenken und umweltfreundlichere Ersatzbestandteile zu finden, um eine kohlenstoffarme Zukunft zu ermöglichen.

Das Baugewerbe muss viel schneller Innovationen entwickeln

Andrew Kidd, Direktor für ökologische Nachhaltigkeit des Lower Thames Crossing Programme der National Highways (Bild bereitgestellt)

Kidd, der die Dekarbonisierung der Lower Thames Crossing leitet, die den Druck auf die Dartford Crossing über die Themse in der Nähe von London verringert, sucht nach neuen Wegen, um den beim Bau des Projekts verwendeten Zement zu dekarbonisieren.

„Wir haben die Lower Thames Crossing als Wegbereiter für kohlenstoffarmes Bauen ins Leben gerufen. Unsere Mission ist es, die Anlage so emissionsarm wie möglich zu bauen – aber bei allen Projekten muss man heute nachweisen, dass die Infrastruktur mit einer Kohlenstoffintensität gebaut wird, die den Kohlenstoffbudgets entspricht“, sagt er.

Unsere größte Herausforderung besteht darin, dass die Bauindustrie derzeit mehr CO2 ausstößt als 1990. Dennoch haben wir uns landesweit verpflichtet, bis 2030 eine Reduzierung um 68 % zu erreichen. Wir befinden uns 2030 mitten in der Bauphase und wollen unseren Beitrag zur Erfüllung unserer nationalen Verpflichtungen zur CO2-Reduzierung leisten. Die Herausforderung wird immer größer. Die Regierung hat kürzlich ein neues Ziel von 81 % Emissionsreduzierung bis 2035 angekündigt – wir haben also die große Chance, mit dem Projekt Lower Thames Crossing etwas radikal Neues zu schaffen.

Kidd weist darauf hin, dass die Baubranche, die im Allgemeinen konservativ ist und sich nur langsam weiterentwickelt, ihren Ansatz ändern muss.

„Die Branche muss heute deutlich schneller Innovationen hervorbringen als in den letzten zwei Jahrhunderten. Die Herangehensweise der großen Player und ihre Bereitschaft, Innovationen zu entwickeln und neue Produkte auf den Markt zu bringen, haben sich deutlich verändert.“

CO2-arme Start-ups bieten neue Lösungen

Ein Start-up-Unternehmen, das einen neuen Ansatz für kohlenstoffarmen Zement entwickelt hat, ist Reclinker (früher bekannt als Cambridge Electric Cement), ein Spin-off der Universität Cambridge.

Nahaufnahme von zerkleinerten Zementklinkerfragmenten und -partikeln, bevor sie zu feinem Pulver für die Verwendung in Beton und Baumaterialien gemahlen werden. (Bild: AdobeStock – stock.adobe.com)

Reclinker wurde kürzlich in die diesjährige Liste der „50 to Watch“-Unternehmen der Cleantech Group aufgenommen und hat es geschafft, die reaktive Komponente von gewöhnlichem Portlandzement herzustellen und dabei die Hauptemissionsquellen zu vermeiden.

Bei dieser Methode wird der alte Beton von abgerissenen Gebäuden und Bauwerken entnommen und zerkleinert, um den alten (und zu diesem Zeitpunkt nicht reaktiven) Zementleim und das saubere Aggregat zu trennen.

Während das Aggregat anderweitig weiterverwendet werden kann, wird der alte Zementbrei parallel zum normalen Stahlherstellungsprozess durch einen Lichtbogenofen geleitet. Dank des firmeneigenen Verfahrens von Reclinker entsteht neuer Zement, den das Unternehmen Cambridge Electric Cement (CEC) nennt.

Das Wissenschaftsjournal „Nature“ hat kürzlich die vollständige Spektroskopie und Materialanalyse von Reclinker geprüft und veröffentlicht und bestätigt, dass der Zement die Spezifikationen von gewöhnlichem Portlandzement erfüllt – d. h., er enthält mehr als 67 % Alite- und Belite-Verbindungen im optimalen Verhältnis und ist in der Lage, sowohl die Festigkeit vom ersten Tag an als auch die Festigkeit bis zum Ende zu erreichen.

Kidd sagt: „Was Reclinker produziert, ist kein Zusatzmaterial wie Hochofenschlacke, sondern ein direkter Ersatz für den Zement selbst. Und obwohl für diese Innovation zwangsläufig ein ökologischer Aufschlag zu zahlen ist, erfordert sie von der Bauindustrie keine Änderungen an ihren gewohnten Arbeitsweisen.“

Neue ergänzende zementartige Materialien (SCMs)

Pete Winslow ist Leiter von Expedition Engineering bei The Useful Simple Trust, einer Gruppe professioneller Designbüros, die den Wandel vorantreiben. Sein Fokus liegt auf der Förderung von Best Practices und Innovationen bei der Dekarbonisierung von Beton und Stahl, um eine bessere gebaute Umwelt zu schaffen.

Pete Winslow, Leiter der Expeditionstechnik, The Useful Simple Trust (Bild: Andrew Mason)

Winslow, der auch den Forschungsausschuss des Institution of Structural Engineers und die Concrete Decarbonisation Group der Infrastructure Client Group leitet, sagt: „Insgesamt dekarbonisiert die Zementindustrie nicht schnell genug. Das ist schwierig, weil es sich um ein schwieriges Material handelt und weltweit viele Anlagen mit Genehmigungen, Baugenehmigungen und Verfahren zur Herstellung von Zement und Beton vorhanden sind. Wir brauchen Beton und Zement täglich, sonst können wir keine Atomkraftwerke, keine Fundamente für Windkraftanlagen, keine Stauseen für unsere Wassersicherheit, keinen Hochwasserschutz und nicht einmal einen kohlenstoffarmen öffentlichen Nahverkehr bauen.“

Die Branche wird sich mit der Zeit verändern – aber wir brauchen alle großen globalen Zement- und Betonunternehmen, die diesen Wandel mitmachen. Viele beginnen bereits damit, aber der Fokus ist nicht schnell genug. Deshalb sind Start-ups, die Disruptoren, die innovativ sein und Neues ausprobieren können, der Schlüssel zum Erfolg.

Neben Reclinker sieht er Wert in Start-ups wie Seratech und NeoCem, die die Lücke schließen, die durch die abnehmenden Mengen an Hochofenschlacke entsteht, und eine alternative Zwischenlösung anbieten. Diese Unternehmen konzentrieren sich auf die Herstellung von ergänzenden zementartigen Materialien (SCMs), die den CO2-Fußabdruck von Beton reduzieren, indem sie einen Teil des in einer Mischung verwendeten Zements ersetzen. Neben Hochofenschlacke umfassen konventionelle SCMs gebrannten Ton, fein gemahlenen Kalkstein und Flugasche (ein Rückstand aus der Kohleverbrennung). Sofern nur ein Teil des Zements ersetzt wird, kann der CO2-Fußabdruck der Gesamtmischung gesenkt werden, ohne die Leistung des Betons wesentlich zu beeinträchtigen.

Winslow fügt hinzu: „Es gibt nur sehr wenige Technologien, die behaupten können, Kohlenstoff vollständig zu eliminieren. Deshalb ist es so wichtig, Unternehmen wie Reclinker und alternative SCMs wie kalzinierten Ton zu vergrößern, die weit verbreitet und zudem relativ günstig sind. Viele Hochöfen werden nicht so lange laufen, daher müssen wir Alternativen zur Hochofenschlacke nutzen. Wärmebehandelter kalzinierter Ton kann 50 % des Zements ersetzen und so hochwertigen Beton herstellen.“

Obwohl in Lichtbogenöfen riesige Mengen Stahl wiederaufbereitet werden, reicht die Zementproduktionskapazität bei weitem nicht aus, um den weltweiten Zementbedarf zu decken. Recycling-Zement würde doppelt so weit reichen, wenn man ihn im Verhältnis 50:50 mit gebranntem Ton mischen würde, anstatt ihn einfach als gleichwertiges Produkt zu verwenden.

Völlig neue Zemente

Unterdessen konzentrieren sich US-amerikanische Unternehmen wie Sublime Systems, ein Spin-off des Massachusetts Institute of Technology (MIT), und das in Kalifornien ansässige Unternehmen Brimstone auf die Bereitstellung umweltfreundlicherer, völlig neuer Zemente.

Brimstone beginnt seinen einzigartigen Prozess mit einem „neuen“ Gestein – das heißt mit kohlenstofffreiem Kalziumsilikatgestein anstelle von herkömmlichem kohlenstoffreichem Kalkstein, der bei der Verarbeitung CO2 freisetzt.

Sublimes Ansatz nutzt Elektrochemie anstelle von Hitze und Verbrennung, um kohlenstoffarmen Zement herzustellen. Derzeit befindet sich das Unternehmen noch in der Testphase und konnte bereits einige Erfolge bei der Herstellung von Calciumhydroxid verzeichnen, das in Kombination mit Kieselsäure Zement ersetzen kann. Obwohl solche Materialien eine ähnliche Festigkeit wie Portlandzement aufweisen können, können Aushärtezeiten und Anfangsfestigkeit von den in der Bauindustrie üblichen Werten abweichen.

Ein Zementlaster im CEMEX Hollywood Concrete Plant in Los Angeles, Kalifornien, USA (Bild: GDMatthews via AdobeStock – stock.adobe.com)

Dennoch hat Sublime bisher mehr als 200 Millionen US-Dollar von führenden Klimatechnologie-Investoren, führenden Zementherstellern und Kooperationsvereinbarungen mit dem US-Energieministerium eingesammelt und möchte in diesem Jahr die erste Anlage ihrer Art bauen.

Kidd sagt: „Einer der Vorteile von Brimstone und Sublime, da sie in den USA ansässig sind, ist der Zugang zu größeren und mutigeren staatlichen Investitionen. Ich würde mir mehr öffentliche und private Investitionen zur Unterstützung britischer Unternehmen in diesem Sektor wünschen. Die Bauindustrie investiert bei weitem nicht genug in sich selbst. Unsere großen Bauunternehmen arbeiten typischerweise mit knappen Margen, und es kann schwierig sein, zu reinvestieren. Und wenn man sich die langfristigen Statistiken der Bauindustrie ansieht, sind die Investitionen in Forschung und Entwicklung im Vergleich zu anderen Branchen recht gering. Die große Chance besteht jetzt darin, das Paradigma auf den Kopf zu stellen, in die Zukunft zu investieren und eine Industrie zu schaffen, die in einer Netto-Null-Welt global wettbewerbsfähig ist.“

Die CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) ist in der britischen Regierung weiterhin ein wichtiges Thema. Ziel dieses Verfahrens ist es, das bei der Zementherstellung freigesetzte CO2 abzuscheiden und sofort zu binden.

Kidd sagt: „Die Idee, bestehenden Zement zu verwenden, die Kohlenstoffabscheidung zu ergänzen und damit einen wichtigen Beitrag zur CO2-Neutralität zu leisten, ist nicht überall anwendbar. Großbritannien hat das Glück, über alte Gasfelder zu verfügen, in denen der Kohlenstoff gespeichert und genutzt werden kann – das gilt aber nicht für alle Zementwerke weltweit. Weltweit gibt es bereits zahlreiche Lichtbogenöfen, was die Elektrozement-Option von Natur aus extrem skalierbar macht – mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Bauindustrie ihre Prozesse nicht anpassen muss.“