Beton - der Baustoff für eine 1,5°C-Welt?

Brücken, Tunnel, Gebäude - Beton spielt eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben. Wie wird er hergestellt? Kann er recycelt werden? Welche Auswirkungen hat er auf das Klima? Lesen Sie weiter und finden Sie heraus, wie wir Beton dekarbonisieren können.

Vom Kalkstein zum Beton

In der Schweiz gibt es 450 Betonwerke, und jedes Jahr werden 14 Millionen Kubikmeter Beton verbraucht, was ihn zum meistverwendeten Baumaterial macht. Da es sich um ein so schweres und grosses Produkt handelt, müssen die Transportwege kurz sein, um wettbewerbsfähig zu bleiben - das macht ihn zu einem lokalen und regionalen Geschäft. Neben Sand und Kies, die in der Natur vorkommen, wird für die Herstellung von Beton Zement benötigt, der Energie- und CO₂ emissionsintensives industrielles Verfahren. Zement wird durch das Mahlen von Kalkstein mit sogenanntem Klinker gewonnen, dem "magischen" Bindemittel, das für die Festigkeit des Betons verantwortlich ist. Für die Herstellung von 1 Tonne Klinker werden 1250 kg Kalkstein benötigt, der sich bei der Erhitzung auf über 600 °C (die für die Klinkerherstellung erforderlich ist) zersetzt und 550 kg CO₂ (Abb.1). Vom Standpunkt des Energiebedarfs aus betrachtet, erfordert die Herstellung von 1 Tonne Klinker 115 kg Kohle, was zu Emissionen von etwa 290 kg CO₂. 1 m³ Beton (entspricht 2,5 Tonnen) enthält durchschnittlich 320 kg Zement, 160 kg Wasser, 2000 kg Sand und Kies und emittiert 230 kg CO₂.

Abbildung 1: Die Grafik setzt die Rohstoffe für Klinker und Zement in Beziehung zu den CO₂-Emissionen.

Erneuerbare Energien allein kann den Klimawandel nicht aufhalten

Die Zementherstellung ist für 85% der Gesamtemissionen der Betonherstellung verantwortlich. 3 Millionen Tonnen CO₂ oder 6% der inländischen Treibhausgasemissionen der Schweiz entfielen 2017 auf den Betonsektor. In einer Welt, in der nur CO₂-freien Energie können die Emissionen aus dem Kohle- und Betonbetrieb gemindert werden. Die Kalzinierung von Kalkstein zur Herstellung von Klinker setzt jedoch immer noch 1,7 Mio. t CO₂ in der Schweiz. Die Reduzierung der Emissionen um 45% (von 3 Mt CO₂) ist eine große Leistung - aber sie reicht nicht aus, um die globale Erwärmung aufzuhalten.

In Paris einigten sich 195 Länder auf eine Begrenzung der globalen Erwärmung auf deutlich unter 2°C. Das bedeutet, dass alle anthropogenen Emissionen, die sich auf die globale Erwärmung auswirken, zwischen 2040 und 2060 auf Null sinken müssen. Doch hier liegt das Problem: Die Verwendung erneuerbarer Energien ermöglicht keine Dekarbonisierung der Zementindustrie, denn das Problem ist nicht die Energie, sondern die Emissionen, die bei der thermischen Zersetzung von Kalkstein entstehen!

Was unternimmt der Sektor, um die Emissionen zu reduzieren?

Heute gibt es im Zementsektor zwei wichtige Strategien zur Emissionsminderung.

1. Verbrennung von Abfällen: Durch den Ersatz von Kohle durch Autoreifen, Lösungsmittel und Kunststoffe werden CO₂ Emissionen reduziert werden, da diese Abfälle bis zu 50% weniger fossiles CO₂ als Kohle.
2. Verwendung von weniger Klinker im Zement: Verschiedene Zementarten benötigen unterschiedliche Mengen an Klinker. Dieser Ansatz reduziert die Emissionen effektiv - allerdings werden für jeden Kubikmeter Beton mindestens 160 kg Klinker benötigt, so dass es eine Grenze für die CO₂ Emissionsminderung.

Alle anderen Maßnahmen zur Emissionsminderung, wie Energieeffizienzmaßnahmen oder Abwärmenutzung, haben nur sehr begrenzte Auswirkungen auf die CO₂ den Rest des Zements.

Verringert das Zementrecycling die Emissionen?

Neben der Verringerung der Klinkermenge im Zement könnte das Recycling von Zement eine Möglichkeit sein, die CO₂ Emissionen im Zusammenhang mit der Zersetzung von Kalkstein. Zement kann jedoch nicht als Zement recycelt werden. Der (zementhaltige) Beton wird jedoch als Ersatz für Kies und Sand in Recyclingbeton wiederverwertet. Recyclingbeton ist Beton mit einem Gehalt an Recyclingmaterial von mehr als 40% nach Gewicht. Bei der Verwendung von Recyclingmaterial gibt es Qualitätsprobleme. EMPA realisiert mit Interviews mit über 10 Betonwerkbesitzerndass 5-10% mehr Zement im Recyclingbeton enthalten ist, um Qualitätsprobleme zu überwinden, was zu einer Erhöhung der CO₂ Emissionen.

Abbildung 2: Betonzerkleinerung in einer Schweizer Betonrecyclinganlage.

Wie kann ein zukünftiger, klimaneutraler Zement- und Betonsektor aussehen?

Die einzige Möglichkeit, den Ausstoß von CO₂ ist der Einsatz von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) bei der Betonherstellung. CCS ist seit 1996 in Sleipner, Norwegen, in vollem Umfang in Betrieb. Alle Komponenten sind bewährte Technologien. CCS-Technologien wurden speziell für die Minderung von CO₂ Emissionen aus großen industriellen Punktquellen wie der Zementherstellung. Die erste Komponente in der technologischen Kette ist der CO₂ Abscheidungsschritt, bei dem CO₂ aus dem Zementrauchgas entfernt wird. Das gereinigte CO₂ wird anschließend verflüssigt und per Lkw, Zug, Schiff oder Pipeline zu einem Speicherort transportiert. Es gibt im Wesentlichen eine Möglichkeit zur Speicherung von CO₂ dauerhaft in der gewünschten Größenordnung:

1. Geologische CO₂ Lagerung

CO₂ in salinen Aquiferen oder ausgebeuteten Öl- und Gasfeldern gespeichert wird. Aquifere, die sich für die CO₂ Die Lagerung muss die folgenden Merkmale aufweisen:

• Der CO₂ Speicher muss sich in einer Tiefe von weniger als 800 m befinden. Dort wird das CO₂ befindet sich in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand und weist eine hohe Dichte und Fließfähigkeit auf
• Das Gestein, in dem CO₂ gespeichert wird, muss hochporös sein und die Poren müssen gut miteinander verbunden sein, damit das CO₂ zu fließen
• Die CO₂ Speichergestein muss mit einem nicht porösen Deckgestein überlagert werden, damit das CO₂ im Vorratsbehälter

Geologische Speicher sind in der Lage, Milliarden von Tonnen CO₂ weltweit. Norwegen plant, seine CO₂ Speicherstätte für Europa im Jahr 2023 verfügbar.

Allerdings ist die öffentliche Meinung über CO₂ Die Speicherung ist sehr umstritten, da sie als riskant angesehen wird und End-of-Pipe-Lösungen nicht beliebt sind.

Kann CO₂ recycelt werden und einen positiven Einfluss auf das Klima haben?

Um eine positive Klimawirkung zu erzielen, müssen die CO₂ aus der Zementherstellung muss so verwendet werden, dass es nicht wieder in die Atmosphäre gelangt. Selbst wenn das Produkt verbraucht wird, bleibt das CO₂ nicht emittiert werden kann - was bei den meisten Chemikalien und Kraftstoffen der Fall ist. Andernfalls würde das CO₂ wird wieder klimaaktiv.

Hier eine weitere Möglichkeit der dauerhaften Speicherung: CO₂ kann in den Poren des Abbruchbetons in Kalzitgestein umgewandelt werden. Dieses Verfahren schafft einen Mehrwert, indem es den Abbruchbeton verdichtet - was Vorteile für die Wiederverwendung des Materials hat. Außerdem kann auf diese Weise CO₂ in einer sicheren Weise. Die Menge an CO₂ Menge hängt sehr stark von der Menge des recycelten Abbruchbetons ab. In der Schweiz kann Abbruchbeton heute 200 kt und im Jahr 2050 1 Mio. t CO₂ (Abb.3). Daher stellt sie eine bedeutende CO₂ Senke, jedoch aufgrund der Größenordnung keine Alternative zur geologischen Speicherung - da die derzeitigen Schweizer CO₂ Emissionen liegen bei etwa 50 Mio. t pro Jahr.

Abbildung 3: Die CO₂ Speicherpotenzial in Abbruchbeton erhält man, indem man die Emissionen aus dem Zementherstellungsprozess um die durchschnittliche Lebensdauer eines Gebäudes (80 Jahre) verzögert. Es ist zu erkennen, dass die CO₂ Speicherkapazität verdoppelt sich alle 10 Jahre. In Anbetracht der technologischen und marktbedingten Beschränkungen gehen wir davon aus, dass die tatsächliche CO₂ Die Lagerkapazität für Abbruchbeton wird im Jahr 2050 etwa 1 Mio. t erreichen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass 350 kg CO₂ pro Schweizer Einwohner werden jährlich durch die Betonherstellung emittiert. 2/3 dieser Emissionen stammen aus dem Brennen von Kalkstein für die Zementherstellung. Während nachfrageseitige Maßnahmen die Menge des produzierten Klinkers reduzieren können, sind CCS-Technologien erforderlich, um den noch produzierten Klinker zu dekarbonisieren. CCS reinigt das Zement-Rauchgas von CO₂ und speichert es dauerhaft geologisch oder als Mineralien. Ist das schon geschehen? Das erste CO₂ Abscheidungsanlage in einem Zementwerk in Norwegen wird 2024 in Betrieb gehen.

Sollte CCS zur Dekarbonisierung von Zement eingesetzt werden, auch wenn CCS wirtschaftlich nicht sinnvoll ist?

Ich glaube, die wichtigere Frage ist: In welcher Welt wollen wir unsere Kinder leben lassen? Können wir das Risiko und die Ungewissheit, die der Klimawandel mit sich bringt, rechtfertigen, um ein bisschen billigere Baumaterialien zu bekommen? In Paris sagte die globale Gesellschaft NEIN!

CCS ist nur ein Instrument zur Dekarbonisierung von Zement. Eine marktorientierte CCS-Einführung hängt in hohem Maße von einem neuen Marktgleichgewicht ab, bei dem CO₂ neutraler Zement ist in der Herstellung billiger als CO₂ emittierenden Zement. EIN CO₂ Steuern können diese Anreize bieten. Das Knowhow ist vorhanden. Die Technologien sind vorhanden. Der gesellschaftliche Schwung ist da. Lassen Sie uns mit der Umsetzung beginnen!

Warum ist sie dann noch nicht fertig?

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