Der Weg zur Klimaneutralität von Zement und Beton

Freitags im EnergiePlus Blog: Expertenwissen, das begeistert

Jeden Freitag präsentiere ich in meinem EnergiePlus Blog spannende Beiträge von

©Schwenk Werner Rothenbacher

Fachleuten und Gastautoren, die ihr wertvolles Wissen und ihre praktischen Erfahrungen zu den Themen Energieeffizienz, Nachhaltigkeit und modernes Bauen teilen. Diese Einblicke sind stets informativ, praxisnah und bieten konkrete Lösungsansätze für aktuelle Herausforderungen.

Diese Woche freue ich mich besonders, Ihnen den Beitrag von Dipl.-Ing., Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Werner Rothenbacher vorzustellen. Als Leiter Anwendungstechnik bei der SCHWENK Zement GmbH & Co. KG bringt er eine einzigartige Kombination aus ingenieurtechnischer Expertise und betriebswirtschaftlichem Know-how mit. Sein profundes Wissen im Bereich zukunftsweisender Baumaterialien und nachhaltiger Bauverfahren macht ihn zu einem gefragten Experten der Branche.

Erfahren Sie in seinem Beitrag mehr über innovative Lösungen für energieeffizientes und ressourcenschonendes Bauen – praxisnah, kompetent und inspirierend!

Mit dem „Green Deal" hat die Europäische Kommission die Weichen gestellt, dass wir in Europa bis zum Jahr 2050 Klimaneutralität in allen Bereichen erreichen müssen. In Deutschland wird dieses ehrgeizige Ziel bereits für 2045 angestrebt. Darüber hinaus sind Zwischenziele für 2030 und 2035 ebenfalls definiert, die ebenfalls eingehalten werden müssen.

Aus diesem Grund steht die Zementindustrie in Deutschland und damit auch die gesamte Wertschöpfungskette von Zement und Beton vor großen Herausforderungen. Hintergrund hierfür ist, dass bei der Herstellung von Zement, bzw. seinem Vorprodukt Zementklinker große Mengen an C02 freigesetzt werden. Je Tonne Zementklinker fallen etwa 700 kg C02an. Dabei entfallen rund 2/3 auf rohstoffbedingte Prozessemissionen durch die Entsäuerung des Kalksteins. Rund 1/3 sind energiebedingte C02- Emissionen aufgrund des Einsatzes der Brennstoffe und des Brennprozesses, um die erforderlichen Temperaturen im Zementofen von 1450 °C zu erreichen (Bild 1).

Bild 1: Aufteilung der C02-Emissionen bei der Zementklinkerherstellung (Quelle VDZ)

Bereits seit 1990 haben Optimierungsmaßnahmen in dem Zementherstellungsprozess und die Einführung von Portlandkompositzementen mit geringerem Zementklinkeranteil zur Reduzierung der CO2Emissionen um etwa 20-25% bis zum Jahr 2020 beigetragen. Bei der weiteren Minderung der CO2Emissisionen stößt die Zementindustrie jedoch zunehmend an Grenzen. Somit sind künftig weitere Maßnahmen notwendig, um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen.

Hierzu gibt es mehrere Ansätze, die in Summe zur Klimaneutralität der Zementindustrie führen sollen. Der Verein Deutscher Zementwerke VDZ e.V. hat in seiner Roadmap die notwendigen Schritte beschrieben. Die Einsparungen von C02 sollen entlang der gesamten Werkschöpfungskette des Bauens mit Beton erfolgen (Bild 2).

Bild 2: Roadmap des VDZ hin zur Klimaneutralität bis 2050 (Quelle VDZ)

Wie auf Bild 2 erkennbar, sind im Jahr 2019 etwa 20 Mio. to C02 bei der Zementherstellung angefallen (13,2 Mio. to rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins und 6,8 Mio. to durch den Brennprozess). Bei der Studie geht der VDZ davon aus, dass die Baunachfrage bis 2050 um ca. 5% zurückgeht. Weiters werden Optimierungen im Klinkerherstellprozess Verbesserungen um etwa 10% bringen. Dazu zählt auch die Verwendung von Sekundärbrennstoffen im Brennprozess, anstelle von Primärbrennstoffen, wie Kohle, Öl oder Gas. SCHWENK hat in seinen vier Zementwerken in Deutschland den Brennprozess nahezu vollständig auf Sekundärbrennstoffe umgestellt und somit das Potenzial bereits jetzt weitgehend ausgeschöpft, was sich auch in niedrigeren C02-Emissionen je Tonne Zement niederschlägt (Tabelle 1).

Die C02-Emissionen im Zement und Beton werden maßgebend durch den Anteil des Zementklinkers dominiert. Bei durchschnittlich zusammengesetztem Beton der Festigkeitsklasse C25/30 betragen die CO2-Emissionen ca. 230 kg C02 Äq. je m3 Beton. Der Anteil verursacht durch den Zement beträgt in etwa 80 - 90% der gesamten C02- Emissionen des Betons. Somit liegt das größte Absenkungspotential der C02-Emissionen im verstärkten Einsatz von Zementen mit reduziertem Klinkergehalt und daraus folgend erhöhtem Anteil weiterer Hauptbestandteile. Bereits in der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass CEM 11/A-Zemente (Anteil weiterer Hauptbestandteile neben Klinker bis zu 20 M.-%) und CEM 11/B-M-Zemente (Anteil weiterer Hauptbestandteile neben Klinker

bis zu 35 M.-%) durch innovativen Einsatz von Zumahlstoffen bei der Zementproduktion das gewohnt

hohe Leistungsniveau aufweisen und in der breiten Anwendung vergleichbare Eigenschaften zeigen. Diese Zumahlstoffe sind im Werk Allmendingen überwiegend die Hauptbestandteile Kalksteinmehl (LL) aus eigenem Steinbruch und Flugasche (V) aus Kohlekraftwerken.

Mit der Veröffentlichung und nationalen Einführung der EN 197-5 im April 2020 wurden nun Portlandkompositzemente CEM I1/C-M in die Normung mit aufgenommen. Diese Zemente dürfen einen Anteil von 36-50 M.-% an zwei weiteren Hauptbestandteilen neben Klinker aufweisen als die bereits im Markt eingeführten CEM 11/A- und CEM I1/B-M-Zemente.

Über eine Zulassung beim DIBT (Deutschen Institut für Bautechnik) können diese Zemente nun für die Anwendung im Betonbau nach EN 206-1/DIN 1045-2 zugelassen werden. Wegen des geringeren Klinkergehaltes von minimal 50 M.-% kann es zu Einschränkungen in der Anwendung kommen. Da rund 2/3 der hergestellten Betone im Transportbetonbereich normale Innen- und Außenbauteilbetone sind, wird das Spektrum durch diesen Zement gut abgedeckt. Die möglichen Expositionsklassen der CEM I1/C-Zemente werden in der Anwendungszulassung des DIBT beschrieben.

Durch den geringeren Klinkergehalt sind die Frühfestigkeiten der damit hergestellten Betone etwas niedriger, wie mit den bisherigen Standardzementen. Dies kann jedoch, besonders bei den häufig auftretenden Hitzeperioden, ein Vorteil sein, da die Wärmeentwicklung geringer ist.

In der Tabelle 1 werden verschiedene Zementarten mit den entsprechenden C02-Emissionen aufgelistet und verglichen. Das Treibhauspotenzial {GWP = Global warming potential) quantifiziert die CO2-Emissionen und zeigt, gerade im Hinblick auf die Forderung einer klimafreundlicheren Bauweise, welches Potenzial durch die Verwendung eines anderen Zementes möglich ist:

Tabelle 1: Verschiedene Zemente aus dem Werk Allmendingen und die entsprechenden C02- Emissionen im Vergleich zu einem Durchschnittszement

Untersuchungen aus verschiedenen Forschungsvorhaben zeigen, dass eine gewisse Menge Klinker im Zement immer erforderlich ist, um die Dauerhaftigkeits- und Festigkeitsanforderungen erfüllen zu können. Um dennoch die Klimaneutralität des Baustoffes Zement erreichen zu können, müssen die restlichen unvermeidbaren CO2-Emissionen im Klinkerherstellprozess anderweitig behandelt werden.

Hierzu ist ein großes Forschungsprojekt (Cement Innovation for Climate) im SCHWENK

Werksstandort Mergelstetten angelaufen, wo an einer Demonstrationsanlage mit mehreren Partnern im halbindustriellen Maßstab zur Abscheidung und industriellen Nutzung von C02 geforscht wird.

Sollte die Erprobung dieser Verfahrenstechnik im Standort Mergelstetten erfolgreich sein, könnte diese in den Zementwerken installiert werden.

Somit wäre es dann möglich, langfristig die Klimaneutralität bei der Zementproduktion zu erreichen.

Wird durch Recyclingbeton der ökologische Fußabdruck von Beton verbessert?

Bei Recyclingbeton werden die natürlichen Gesteinskörnungen, wie Kies oder Splitt teilweise durch rezyklierte Gesteinskörnungen im Beton ersetzt. Dadurch können natürliche Ressourcen geschont werden. Der Einfluss auf den ökologischen Fußabdruck des Betons wird jedoch kaum verändert. Der Zement schlägt sich in der CO2-Bilanz je m3 Beton mit fast 80 % nieder. Auf die Gesteinskörnungen entfallen lediglich ca. 5 %. Somit wird klar, dass die Verwendung von rezyklierter Gesteinskörnung nur geringen Einfluss hat. Es kann sich sogar ins Gegenteil bezüglich der CO2-Bilanz entwickeln, wenn die RC-Gesteinskörnung von weither angefahren werden muss und natürliche Gesteinskörnung aus direkter Umgebung ersetzt wird.

Die Verwendung von rezyklierter Gesteinskörnung macht nur dann Sinn, wenn Sie nahe des Entstehungs- und Aufbereitungsortes eingesetzt werden kann. Derzeit wird das rezyklierte Material bereits vollständig im Straßenbau verwendet und muss somit nicht deponiert werden.

Fazit

Der Weg zur Klimaneutralität von Zement und Beton ist lang und mit hohem Aufwand und Investitionen verbunden.

Bereits jetzt kann durch die Verwendung von CEM II/B- und CEM I1/C-Zementen ein wichtiger Schritt zur Reduzierung der CO2 Emissionen im Betonbau erreicht werden.

Diese vorhin beschriebenen Möglichkeiten in Verbindung mit der Optimierung der Bauweisen, durch zum Beispiel, schlankere und höherfestere Bauteile, können dann dazu beitragen, die Betonbauweise klimaneutral zu gestalten.

Dazu müssen alle an der Wertschöpfungskette Bau Beteiligten eng zusammenarbeiten und Ihren Beitrag leisten.