Schweiz erforscht Zement, der CO2 bindet

Zementklinker ist ein beliebtes Bindemittel im Beton, doch seine Herstellung kostet viel Energie und setzt chemisch weiteres CO2 frei. Ein Forschungsteam in der Schweiz arbeitet an einem Zementersatz, der mehr CO2 binden kann, als er im gesamten Prozess verursacht.

Es sind jährlich mehr als 4 Mrd. t weltweit, Tendenz steigend: Zement ist bei Weitem der meist verwendete Baustoff und setzt bei seiner Herstellung aus gebranntem Kalk unweigerlich große Mengen des im Kalk „gebundenen“ CO₂ frei. Zwar haben Hersteller in aller Welt diesen Anteil bereits deutlich reduziert, doch durch die riesigen Mengen in der Bauwirtschaft wird selbst dann noch viel CO₂ ausgestoßen.

Hoffnung durch neues Zementrezept: Magnesium statt Calcium

Ein Hoffnungsträger sind Zemente, die nicht auf Kalkstein (Calciumcarbonat, CaCO₃) basieren, sondern auf Magnesiumcarbonaten. Fachleute der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa) erforschen seit Jahren solche Bindemittel auf der Basis des Minerals Olivin. Dieses ist beispielsweise in Norwegen in großen Mengen verfügbar.

Zementwerk nutzt Prozessgase

Aus diesem Magnesiumsilicat gewonnenes Magnesiumoxid lässt sich, vereinfacht gesagt, mit Wasser und CO₂ zu einem Zement verarbeiten. So weit, so unspektakulär. Der Clou ist aber: Unter dem Strich wird dabei mehr Kohlendioxid gebunden als emittiert – der Prozess ist also eine Kohlenstoffsenke.

Alternative Zementzutaten sind noch wenig erforscht

Anders als herkömmliche Zemente, deren Erhärtung bis in winzigste Details erforscht sind, werfen diese Werkstoffe noch viele Fragen auf. Antwort darauf soll das Forschungsprojekt „Low Carbon Magnesium-Based Binders“ unter Leitung der Empa-Expertin Barbara Lothenbach liefern. Der Schweizerische Nationalfonds stellt eine Fördersumme von umgerechnet 2,23 Mio. € zur Verfügung.

Klimaschutz: CCS als Königsweg für die Zementbranche

In sieben Schwerpunkten wollen die Empa-Fachleute mit Partnern der finnischen Universität Oulu erkunden, was sich auf molekularer Ebene abspielt, und unter anderem diese Fragen klären: Wie erhärten solche Zemente bei welchen Rezepturen? Wie wirken sich Temperatur, pH-Wert und andere Faktoren wie Reaktionsbeschleuniger aus? Bleibt das Volumen eines „Magnesium-Betons“ auf lange Sicht stabil? Wie widerstandsfähig ist er?

Zwei Produktionsverfahren für Beton mit alternativem Zement möglich

Für Beton mit dem alternativen Zement sind zwei Produktionsverfahren bekannt. Einmal die Härtung mit CO₂ unter erhöhtem „Gasdruck“. Das Verfahren ist aufwendig, kann aber bei Betonfertigteilen Sinn machen. Die zweite Möglichkeit ist die Hydratation, also eine Härtung mit Wasser bei Umgebungsbedingungen, die auch für die Herstellung auf Baustellen tauglich ist.

Digitaler Zwilling für alternativen Zement geplant

Am Ende sollen die Erkenntnisse aus Laborversuchen und thermodynamischen Modellierungen in einen „digitalen Zwilling“ von Magnesiumcarbonat-Zement einfließen. Ziel ist also eine Simulation der chemischen und physikalischen Vorgänge beim Härten – und damit die Grundlage, so hoffen die Empa-Fachleute, für Rezepturen von robusten Betonarten, die möglichst viel CO₂ binden.