Mit Zementrecycling gegen das Klimaproblem
(cam.ac.uk)- Beton ist weltweit nach Wasser das meistgenutzte Material; Technologien zur Senkung der CO₂-Emissionen von Zement wirken sich daher direkt auf den Klimaschutz in der Bauindustrie aus
- Forschende der University of Cambridge haben ein Verfahren entwickelt, bei dem Altzement in einem Elektrolichtbogenofen (EAF) für das Stahlrecycling mitverarbeitet wird, um die Emissionen der Beton- und Stahlproduktion zugleich zu senken
- Kern des Verfahrens ist es, den beim Stahlrecycling verwendeten Kalk-Flux durch Altzement zu ersetzen und so die normalerweise entsorgte Schlacke in Recyclingzement umzuwandeln, der in neuem Beton eingesetzt werden kann
- In einem Test am Materials Processing Institute wurde erstmals eine EAF-basierte Produktion im Maßstab bestätigt; wird der EAF mit erneuerbarer Energie betrieben, könnte langfristig auch emissionsfreier Zement möglich werden
- Das Cambridge-Electric-Cement-Verfahren zielt bis 2050 auf eine Jahresproduktion von 1 Milliarde Tonnen, was etwa einem Viertel der heutigen jährlichen Zementproduktion entspricht
Wie Zement im Elektrolichtbogenofen neu hergestellt wird
- Forschende der University of Cambridge haben eine Methode entwickelt, bei der ein Elektrolichtbogenofen aus dem Stahlrecycling genutzt wird, um zugleich Zement zu recyceln
- Die Methode wurde in der im Fachjournal Nature veröffentlichten Studie Electric recycling of Portland cement at scale vorgestellt
- Beim herkömmlichen Stahlrecycling wird zur Entfernung von Verunreinigungen Kalk-Flux eingesetzt; das Ergebnis fällt üblicherweise als Schlackenabfall an
- Ersetzt Altzement den Kalk-Flux, wird das Endprodukt zu Recyclingzement, der in neuem Beton verwendet werden kann
- Das Verfahren reduziert den Bedarf an Kalk-Flux und senkt so die Emissionen auf beiden Seiten, ohne die Kosten der Beton- oder Stahlproduktion wesentlich zu erhöhen
Warum Zement so hohe Emissionen verursacht
- Beton besteht aus Sand, Kies, Wasser und Zement; Zement dient dabei als Bindemittel
- Obwohl Zement nur einen kleinen Anteil im Beton ausmacht, verursacht er fast 90 % der Emissionen von Beton
- Die herkömmliche Zementproduktion durchläuft den Klinkerprozess (clinkering), bei dem Kalkstein und Rohstoffe zerkleinert und anschließend in großen Öfen auf etwa 1.450 °C erhitzt werden
- Dabei wird Kalkstein zu Kalk decarbonatisiert, wobei große Mengen CO₂ freigesetzt werden
- Forschende haben in den vergangenen zehn Jahren untersucht, wie sich etwa die Hälfte des Zements im Beton durch Alternativen wie Flugasche ersetzen lässt; diese Ersatzstoffe benötigen jedoch die chemische Aktivierung durch den verbleibenden Zement, um auszuhärten
- Julian Allwood geht davon aus, dass die weltweite Zementnachfrage bei etwa 4 Milliarden Tonnen pro Jahr liegt, und hält es für physisch schwierig, allein mit solchen Ersatzstoffen ausreichende Mengen bereitzustellen
Experiment, das Altbeton und Stahlschlacke verbindet
- Ausgangspunkt war die Idee, dass sich alter Beton zerkleinern, Sand und Steine entfernen und der Zement anschließend erhitzen lässt, sodass Wasser entweicht und sich erneut Klinker bilden kann
- Für das Klinkern sind Wärme und die richtige Kombination von Oxiden nötig; Altzement enthält diese Bestandteile, muss aber reaktiviert werden
- Die Forschenden stellten mit Abbruchabfällen sowie zugesetztem Kalk, Aluminiumoxid und Silika verschiedene Schlacken her, verarbeiteten sie im EAF des Materials Processing Institute zusammen mit geschmolzenem Stahl und kühlten sie anschließend rasch ab
- Laut Cyrille Dunant ergibt die Kombination aus Zementklinker und Eisenoxid eine Stahlschlacke, die gut schäumt und gut fließt
- Wenn die Zusammensetzung ausgewogen ist und die Schlacke schnell genug abgekühlt wird, lässt sich reaktivierter Zement gewinnen, ohne dem Stahlherstellungsprozess zusätzliche Kosten aufzubürden
- Dieser Recyclingzement enthält mehr Eisenoxid als herkömmlicher Zement, der Einfluss auf die Leistung wird jedoch als gering eingeschätzt
Ziel: 1 Milliarde Tonnen bis 2050
- Ein jüngster Test des Materials Processing Institute zeigte, dass sich Recyclingzement im Elektrolichtbogenofen in relevantem Maßstab produzieren lässt; dies wurde erstmals erreicht
- Das Verfahren von Cambridge Electric Cement wird schnell skaliert
- Bis 2050 könnte eine Jahresproduktion von 1 Milliarde Tonnen möglich sein, was etwa einem Viertel der heutigen jährlichen Zementproduktion entspricht
- Wenn EAFs mit erneuerbarer Energie betrieben werden, könnte diese Methode langfristig zur Produktion von emissionsfreiem Zement führen
- Die Forschenden haben ein Patent auf das Verfahren angemeldet, um die Kommerzialisierung zu unterstützen
Weniger Betonverbrauch ist genauso wichtig wie die Technologie
- Allwood bezeichnet die Produktion von emissionsfreiem Zement als „absolute miracle“, sagt aber, dass auch der Einsatz von Zement und Beton reduziert werden müsse
- Beton ist billig, robust und lässt sich fast überall herstellen; zugleich ist der heutige Verbrauch seiner Ansicht nach übermäßig hoch
- Der Betonverbrauch ließe sich deutlich senken, ohne die Sicherheit zu verringern; dafür wäre jedoch politischer Wille nötig
- Cambridge Electric Cement ist nicht nur ein Durchbruch für die Bauindustrie, sondern könnte auch ein Signal dafür sein, dass Innovationschancen bei der emissionsfreien Transformation über den Energiesektor hinausreichen
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Überraschenderweise wird Beton mit einem großen elektrischen Lichtbogenofen, wie er fürs Stahlrecycling verwendet wird, recycelt. Wenn man den Lichtbogenofen mit Solarstrom betreibt, könnte sogar emissionsfreier Beton möglich sein
Da Beton derzeit 7,5 % der menschengemachten CO2-Emissionen ausmacht, könnte das einen großen Unterschied machen. Lichtbogenöfen verbrauchen enorme Energiemengen, aber wenn sich Solarenergie alle zwei Jahre verdoppelt, wird es zu bestimmten Tageszeiten überschüssigen Strom geben, den man kaum noch unterbringen kann, und Lichtbogenöfen wären ein gutes Mittel, um negative Spotstrompreise aufzunehmen
Laut https://ourworldindata.org/grapher/electricity-prod-source-s... lag die weltweite erneuerbare Stromerzeugung 2021 bei 10.700 TWh und 2023 bei 11.600 TWh, und die Rohstahlproduktion betrug 2023 1,5 Milliarden Tonnen, von denen 30 % elektrisch erzeugt wurden. Selbst wenn man annimmt, dass von diesen 30 % bereits 20 % mit erneuerbarem Strom betrieben werden, benötigen 24 %, also 360 Millionen Tonnen, grünen Strom, und 360 Millionen × 0,4 MWh = 144 TWh. Ohne diese Annahme wären es etwa 152 TWh, also könnte man theoretisch mit rund 1,5 % der weltweiten erneuerbaren Stromerzeugung 24 % der elektrischen Rohstahlproduktion ersetzen. Da das weltweite Wachstum erneuerbarer Stromerzeugung bei +5 % lag, scheint es theoretisch möglich, die Stahlproduktion in einem Jahr zu dekarbonisieren; selbst wenn die Zahlen zu 100 % falsch wären, läge man bei etwa zwei Jahren. Das hilft allerdings nur, wenn diese 5 % mit einem Rückgang des Kohle- und Gasverbrauchs um 5 % einhergehen, und in der Realität ist das nicht der Fall
Selbst bei großer Skalierung wird sie die 7,5 % vermutlich nur leicht senken
https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=50357
Man könnte Wasser entsalzen oder Kryptowährungen schürfen, und wenn es Roboter mit menschenähnlichen Fähigkeiten gibt, könnte man die Produktion von allem unbegrenzt steigern
Eine sehr coole Entdeckung, aber auch heute landet verwendeter Zement nicht einfach unverändert auf der Deponie
Der meiste Zement wird zu Beton, und in verschiedene Größen zerkleinerter Beton ist ein wertvoller Baustoff, der etwa im Straßenbau als billigerer Zuschlagstoff als Schotter verwendet wird. In meiner Gegend sieht man oft Anzeigen für gebrochenen Beton, und wenn man anruft, ist er häufig schon verkauft. Wahrscheinlich ist solches Material hier immer knapp, weil die umliegenden Böden aus Ton und Sand bestehen
Betonschutt hat schon auf der Baustelle einen Rückgewinnungswert. Um ihn auf diese Weise zu recyceln, müsste er erst zu einer Mühle transportiert, zerkleinert, getrennt und dann wieder zu einem Ofen transportiert werden, bevor der im Artikel beschriebene Prozess überhaupt beginnt
Der Teil, der „wenn möglich eine große Sache“ wäre, scheint die Rückführung von Beton zu hydratisierter Zementpaste zu sein
Die eigentliche Arbeit: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
In der Arbeit steht, dass rückgewonnene Zementpaste (RCP) derzeit nicht im kommerziellen Maßstab verfügbar ist und dass der Wert verbesserter rückgewonnener Gesteinskörnung nicht hoch genug ist, um die zusätzlichen Verarbeitungskosten zu decken, weshalb RCP derzeit deponiert wird. Es heißt jedoch auch, dass das Know-how und die Technologie für eine großskalige RCP-Produktion vorhanden seien, unter Verweis auf [22]
22. Thermomechanical beneficiation of recycled concrete aggregates (RCA): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182...
Die zitierte Arbeit stützt die Behauptung jedoch nicht, dass die Technologie existiert, um Beton zu RCP zu recyceln. Sie behandelt das Entfernen von anhaftendem Mörtel (AM) aus recycelter Betongesteinskörnung (RCA)
Gut, dass dieses Thema den Flagging-Prozess auf HN überlebt hat.
Es wäre schön, wenn auch andere vielversprechende nicht-kohlenstoffbasierte Energiequellen wie Bohrloch-Geothermie diskutiert würden. Etwas am Thema vorbei, aber viele Laien sind oft überrascht, wenn man sagt: NET-ZERO == MAX-CO2 == MAX-HEAT. Man denkt leicht, dass mit Netto-Null die Mission erfüllt ist, aber tatsächlich zählt die Fläche unter der Kurve, also die gesamte Menge an CO2/Treibhausgas-Äquivalenten, die wir in die Atmosphäre gebracht haben, und diese bleiben lange erhalten.
Wir nähern uns jetzt bereits +1,5°C, und wenn die Temperatur unter den heutigen Bedingungen mit einem hohen Emissionsplateau pro Jahrzehnt um etwa 0,25–0,3°C steigt, dann liegen wir bis zum Erreichen von Netto-Null um 2050 wahrscheinlich im Bereich von +2,5 bis +3,0°C. Ich bin nicht sicher, ob +2,5°C für große Bevölkerungsgruppen noch lebensfähig sind, deshalb schaut man dann sogar auf Dinge wie Solar Radiation Management (SRM). Zum Beispiel durch das Ausbringen von Schwefelpartikeln, um die Wolkenbildung zu erhöhen und das vom Ozean aufgenommene Sonnenlicht zu verringern, was einen Netto-Kühlungseffekt erzeugt. Bis vor Kurzem hatte der Schwefel in Containerkraftstoffen einen solchen Effekt, später wurde der Schwefelgehalt in Treibstoffen jedoch regulatorisch gesenkt.
Letztlich haben wir dieses Chaos betreten, indem wir eine heiße, CO2-reiche Biosphäre durch Geoengineering geschaffen haben, und vermutlich werden wir uns auch mit Technik wieder daraus befreien müssen. Immerhin ist es beruhigend, dass es viele Technologien zu geben scheint, die fossile Brennstoffe ersetzen, Energie speichern und Wärme reduzieren können.
Zweitens muss eine dauerhafte Finanzierung gesichert sein. Wenn man 20 Jahre lang SRM betreibt und dann plötzlich aufhört, tritt auf einen Schlag die zusätzliche Klimaerwärmung von 20 Jahren ein. Außerdem wäre dafür die größte diplomatische Anstrengung der Menschheitsgeschichte nötig, damit fast alle Länder mitmachen. Da alle Länder betroffen sind, könnte fehlende Zustimmung zu Konflikten führen. Russland etwa erwartet sich höhere Temperaturen und längere Vegetationsperioden.
Eine andere Methode wäre, keine Dinge zu bauen, die nach 10 Jahren wieder abgerissen werden müssen. Ein erheblicher Teil der großen Betongebäude in Städten wurde in weniger als 20 Jahren abgerissen, manche schon nach 10 Jahren.
Das ist ziemlich verschwenderisch, und mit etwas Planung und Weitsicht müsste es eindeutig bessere Wege geben.
Dabei wird Flussmittel, das beim Stahlrecycling verwendet wird, durch Altbeton ersetzt, sodass man statt nutzloser Schlacke recycelten Zement erhält.
Eine wirklich gute Idee, aber man sollte im Hinterkopf behalten, dass der Einfluss auf die Zementproduktion minimal wäre, selbst wenn die gesamte weltweite Stahlproduktion auf dieses Verfahren umgestellt würde. Stahl liegt bei etwa 100 Millionen Tonnen/Jahr, Zement bei etwa 4 Milliarden Tonnen/Jahr.
https://www.statista.com/statistics/267264/world-crude-steel...
2022 lag die weltweite Rohstahlproduktion bei etwa 1,9 Milliarden Tonnen. Das Bauchgefühl, dass der Einfluss auf die Zementproduktion klein wäre, stimmt aber trotzdem.
Laut diesem Bericht braucht man bei der Herstellung von neuem Stahl aus Erz etwa 270 kg Kalkstein pro Tonne Stahl, beim Recycling von Stahl im Elektrolichtbogenofen sind es 88 kg.
https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-mat...
Weltweit stammen etwa 35% der Stahlproduktion aus Recycling und 65% aus Erz. Die hier diskutierte Cambridge-Forschung, die auf recycelten Stahl angewendet wird, könnte also rund 59 Millionen Tonnen Kalksteinverbrauch ersetzen. Verglichen mit dem weltweiten Zementverbrauch in Milliardenhöhe ist das wenig, aber für Kommunen mit Elektrolichtbogenöfen könnte es lokal relevant sein.
Die Cambridge-Forscher haben herausgefunden, dass gebrauchter Zement ein wirksamer Ersatz für Kalkflussmittel ist. Dann wirkt es auf mich so, als würde dieser Beton nur dadurch „recycelt“, dass er bei der Stahlherstellung als Ersatzmaterial verwendet wird.
Das wäre schwer zu skalieren. Um auch nur 1% des Betons zu verarbeiten, den man recyceln möchte, müsste man gewaltig mehr Stahl herstellen.
Ein ziemlich cooler Hack.
Die Zementproduktion ist ein erheblicher Verursacher der weltweiten CO2-Emissionen. Es ist erstaunlich, dass offenbar wirksame Methoden zum Zementrecycling entwickelt werden.