Neuer Zement spart Energie und CO2

In der gebauten Umwelt wird viel Energie umgesetzt. Nicht nur zum Heizen, sondern auch – und das ist weniger bekannt –, um Baumaterialien herzustellen. Allein die Zementindustrie benötigt durch ihren energieintensiven Produktionsprozess zwei bis drei Prozent des weltweiten Energiebedarfs und entlässt aus Roh- und Brennstoffen fünf bis sieben Prozent des von Menschen gemachten Treibhausgases CO₂ in die Atmosphäre. Hier liegt ein großes Einsparpotenzial, das Wissenschaftler vom Karlsruher Institut für Technologie jetzt erschließen wollen. Sie haben ein neues Verfahren zur Produktion von Zement entwickelt, das nur halb so viel Energie verbraucht und noch weniger Kohlendioxid freisetzt. „Diese Entwicklung beruht auf völlig neuen Einsichten in die Prozesse während der Verfestigung“, erklärt Dr. Peter Stemmermann, der das Projekt leitet. Konventioneller Zement wird aus Kalkstein und Ton bei rund 1.450 Grad Celsius in einem Drehrohrofen gebrannt. Anschließend wird der Klinker mit weiteren Zusatzstoffen zum fertigen Zement fein vermahlen. Dabei entstehen große Mengen an Kohlendioxid, nicht nur durch die hohe Brenntemperatur, die viel Brennstoff erfordert, sondern auch, weil Kalk als Hauptbestandteil pro Tonne Zement 480 Kilogramm CO₂ freisetzt.

„Der hohe Kalk-Anteil ist der Schlüsselfaktor, hier haben wir angesetzt“, sagt Stemmermann. Dafür haben er und sein Team die Prozesse vor und während der Aushärtung von konventionellem Zement eingehend untersucht. Zwei Ergebnisse waren entscheidend: Zum einen konnten sie durch Strukturuntersuchungen an der Karlsruher Synchrotronstrahlungsquelle ANKA zeigen, dass nur etwa die Hälfte des Kalks nötig ist, damit der Zement beim Abbinden mit Wasser, der so genannten Hydratation, aushärtet. „Das war eine Überraschung“, erklärt Stemmermann. „Der Prozess der Hydratation findet in zwei Stufen statt: Zuerst laugt das umgebende Wasser aus einer dünnen, nur wenige Nanometer starken Schicht Calcium-Ionen aus und ersetzt sie durch Protonen. Diese Schicht ist dann arm an Calcium. Aber erst dieses gelaugte Produkt bildet in einem zweiten Schritt durch Reaktion mit Wasser die Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen, die für die Festigkeit des Zements entscheidend sind.“ Diese CSH-Phasen wachsen in Form dünner, sich verstrebender Folien, so dass der Zement fest wird. Die andere Hälfte des Kalks wird dagegen in Form von Calciumhydroxid und anderen Calciumhydraten gebunden und setzt die Qualität des Zements sogar herab, weil diese kaum Festigkeit besitzen und leicht durch Säuren angegriffen werden.

Daher, so die Idee, könnte man deutlich weniger Kalk verwenden und auf das Brennen verzichten, wenn man die Grundzutaten im Autoklaven, einer Art Dampfkochtopf, bei bis zu 300 Grad Celsius mit Wasser reagieren lässt. So entstehen polykristalline Phasen, die im Wasser wachsen und die durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert sind. Damit aber der Zement auch bei Umgebungstemperatur noch Wasser einlagern und abbinden kann, müssen diese Wasserstoffbrückenbindungen zum Beispiel durch Zermahlen gestört werden. „Das ist der eine Knackpunkt, wir brauchen weniger Kalk und kommen mit niedrigen Temperaturen aus“, betont Stemmermann. Aber noch eine zweite Beobachtung haben sich die Wissenschaftler zunutze gemacht: Konventioneller Zement reagiert oft über Jahre weiter, obwohl die erforderliche Festigkeit bereits nach einem Monat erreicht ist. Der Kern der Zementminerale wirkt zum Teil nur mechanisch, als Stützkorn. „Dann können wir auch einfach Sandkörner einbauen, um die sich das zementäre Material als dünne Schicht, wie ein Pelz, anlagert“, schildert Stemmermann den Gedankengang. Zusammen sparen diese beiden Ansätze mindestens die Hälfte der Energie und noch deutlich mehr an Treibhausgasemissionen. „Und das ist zurückhaltend gerechnet, im Labormaßstab erreichen wir wesentlich mehr, aber nun wollen wir das Verfahren auf industrielle Maßstäbe übertragen.“

Mittlerweile sind die Zusammensetzung des neuen Zements und die Prozessschritte durch Patente abgesichert und unter der Bezeichnung „Celitement“ geschützt. Nach zwei Jahren Förderung durch die KIT-Stabsabteilung Innovation und den Helmholtz Enterprise Fonds war es im Frühjahr 2009 dann soweit: Das KIT, die Erfinder und ein Industriepartner aus der SCHWENK-Gruppe gründeten die Celitement GmbH. Diese wird nun eine Pilotanlage bauen, die ab 2011 rund 100 Kilogramm des neuen Bindemittels pro Tag liefern soll. Ab 2014 will der Industriepartner eine Anlage errichten, die 30.000 Tonnen pro Jahr erzeugt. „Für die Zementindustrie sind das noch immer Apothekenmengen“, sagt Stemmermann, „aber es ist ein erster Schritt in den Massenmarkt.“