Im September 2019 wurde im Fachjournal „PNAS“ eine Studie vorgestellt, nach der es im Labormaßstab gelungen sein soll, mit einer elektrochemischen Methode Zement herzustellen. Die Zementproduktion zählt zu den größten industriellen Verursachern von CO2- Emissionen. Mit der neuen Methode soll sich die Zementproduktion allein durch erneuerbare Energien betreiben lassen. Von Christoph Berger
Laut den Studienautoren, Wissenschaftlern des Massachusetts Institut of Technology (MIT), ist die Zementproduktion für acht Prozent der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Daher machte sich ein Team um Yet-Ming Chiang, Kyocera-Professor für Materialwissenschaft und -technik am MIT, daran, eine Methode zu entwickeln, mit der sich die Emissionen nicht nur vollständig eliminieren, sondern auch noch andere Produkte daraus herstellen lassen. „Für jedes Kilogramm Zement, das heute hergestellt wird, wird etwa ein Kilogramm Kohlendioxid freigesetzt“, sagt Chiang. Somit komme man auf drei bis vier Gigatonnen (Milliarden Tonnen) Zement und Kohlendioxidemissionen, die momentan jährlich produziert würden.
Portlandzement, die am weitesten verbreitete Standardsorte, wird hergestellt, indem Kalkstein gemahlen und dann bei hoher Hitze mit Sand und Ton gekocht wird, der durch Verbrennung von Kohle entsteht. Das Verfahren produziert Kohlendioxid auf zwei verschiedene Arten: durch die Verbrennung der Kohle und durch die Gase, die während der Erwärmung aus dem Kalkstein freigesetzt werden. Die Idee der MIT-Forscher war es nun, das bisherige fossile brennstoff-abhängige System durch einen elektrochemischen Prozess zu ersetzen. Der neue Prozess würde beide Quellen eliminieren oder drastisch reduzieren, sagt Chiang. So könnte der neue Ansatz auf die Verwendung fossiler Brennstoffe für den Heizprozess verzichten und Strom aus sauberen, erneuerbaren Quellen ersetzen. Doch darüber hinaus würde mit dem neuen Verfahren das gleiche Zementprodukt produziert wie bisher.
Im Mittelpunkt des neuen Verfahrens steht der Einsatz eines Elektrolyseurs. Während an der einen Elektrode Kalksteinmehl in Säure gelöst und hochreines Kohlendioxid freigesetzt wird, fällt an der anderen Elektrode Calciumhydroxid, allgemein bekannt als Kalk, aus. Das Calciumhydroxid kann dann in einem weiteren Schritt zu dem Zement verarbeitet werden, der meist aus Calciumsilikat besteht. Und: Das Kohlendioxid in Form eines reinen, konzentrierten Stroms könne leicht abgetrennt und zu Mehrwertprodukten wie beispielsweise einem flüssigen Kraftstoff als Benzinersatz verarbeitet werden. Im Ergebnis werde also beim gesamten Prozess kein Kohlendioxid an die Umwelt abgegeben, sagt Chiang.
Noch nicht in industriellen Maßstab übertragbar
Berechnungen hätten zudem gezeigt, dass der Wasserstoff und der Sauerstoff, die ebenfalls im Prozess emittiert werden, rekombiniert werden könnten, zum Beispiel in einer Brennstoffzelle. Oder sie könnten verbrannt werden, um genügend Energie zu erzeugen, um den gesamten Rest des Prozesses zu befeuern. Allerdings sei das neue Verfahren noch längst nicht in einen industriellen Maßstab übertragbar, wie die Forscher selbst eingestehen. Bisher sei die Methode nur im Labormaßstab gelungen, für eine breitere Anwendung seien noch viele weitere Arbeiten notwendig. Ein Aspekt, den auch Prof. Dr. Dietmar Stephan vom Fachgebiet Baustoffe und Bauchemie am Institut für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin hervorhebt.
„Die vorgestellte Syntheseroute über ein elektrochemisch hergestelltes Zwischenprodukt unterscheidet sich erheblich von den bisherigen Syntheseverfahren, die in erster Linie auf thermisch initiierten Reaktionen beruhen. Eine Implementierung dieses Ansatzes im größeren Maßstab würde Jahrzehnte dauern und damit weder kurz- noch mittelfristig ein Potenzial zur Entlastung der CO2-Emissionen bieten. Zudem müssten zusätzlich zur Umstellung des bisherigen Strombedarfs auf regenerative Erzeugung auch gigantische zusätzliche Mengen an regenerativer elektrischer Energie erzeugt werden.“ Prinzipiell hält er die Methodik der Studie aber für nachvollziehbar und im Ansatz für innovativ – das Verfahren sei potenziell dafür geeignet, Calciumhydroxid für großtechnische Prozesse herzustellen.
Die Studie
Link zur vorgestellten Studie „Toward electrochemical synthesis of cement – An electrolyzer-based process for decarbonating CaCO3 while producing useful gas streams“.
Allerdings merkt Stephan auch an: „Für die Herstellung von Portlandzement kann jedoch auch mit der vorgeschlagenen Methode nicht auf einen energieintensiven Hochtemperaturprozess bei etwa 1500 Grad Celsius verzichtet werden. Vorteile gegenüber der konventionellen Herstellung von Portlandzement können sich nur ergeben, wenn reiner Kalkstein eingesetzt wird und die verwendete elektrische Energie vollständig regenerativ erzeugt wird und extrem günstig ist.“ Doch auch unter diesen Voraussetzungen seien die Einsparungen sehr begrenzt, da der Calciumgehalt im Portlandzement hoch sei und deshalb immer entsprechend viel CO2 durch die Zersetzung des Ausgangsstoffes Kalkstein freigesetzt werde. Stephan plädiert daher – zumindest im Moment – für einen anderen Weg: „Auf der Suche nach kurz- und mittelfristigen Alternativen zum Zement auf Basis von Portlandzement bleibt festzustellen: Das größte und schnellste Potenzial zur Einsparung von CO2 ergibt sich durch den sparsameren Umgang: dauerhaftere Auslegung von Bauwerken, Instandsetzung statt Abriss und Neubau sowie geringere Wohn- und Nutzflächen sowie eine effizientere Nutzung der gebauten Infrastruktur. Alternative Baustoffe mit geringerem CO2-Fußabdruck dürfen zudem nicht automatisch ausgeschlossen werden, nur weil sie kurzfristig preislich teurer sind.“
