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23.09.2019 | Bauchemie | Im Fokus | Onlineartikel

Eine elektrochemische Methode zur Zementherstellung

Autor:
Christoph Berger
3 Min. Lesedauer

Einem Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology ist es offenbar im Labor gelungen, Zement mit einer elektrochemischen Methode herzustellen. Mit ihr sollen sich die Emissionen nahe vollständig eliminieren lassen.

"Bei der Herstellung von Zement beziehungsweise Beton werden etwa fünf bis zehn Prozent der weltweiten, anthropogenen CO2-Emissionen abgegeben", schreibt Bernhard Wietek im Kapitel "Wirkungen auf die Umwelt" des Springer-Fachbuchs "Stahlbetonerhaltung".  Die notwendige Energie werde dabei im Wesentlichen für das Sintern des Zementklinkers aufgewendet, schreiben die Autoren des Kapitels "Alternativer Brennstoff für die Zementindustrie" in "100 Betriebe für Ressourceneffizienz – Band 2": "Dazu werden traditionell fossile Brennstoffe, wie Steinkohle, Braunkohle, Petrolkoks und in geringem Umfang auch schweres Heizöl, als Primärenergieträger verwendet." Allerdings beruhen die hohen Werte nicht nur auf dem Sintern. Auch bei der Gewinnung des zur Produktion benötigten Calciumoxids (CaO) aus Calciumcarbonat (CaCO3) wird CO2 freigesetzt.

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Keramische Werkstoffe

Zu den keramischen Werkstoffen zählen wir eine große Zahl nichtmetallischer und anorganischer Werkstoffe, bei denen der elektrische Widerstand (im Gegensatz zu den Metallen) mit steigender Temperatur abnimmt. Keramiken zeichnen sich in der Regel durch hohe Druckfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit aus. Keramiken können kristallin und amorph (als Glas) vorliegen.

Vor diesem Hintergrund entwickelte ein Forscherteam am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Labormaßstab eine neue Art der Zementherstellung. Mit dieser, so heißt es, würden sich die Emissionen vollständig eliminieren und sogar einige andere nützliche Produkte herstellen lassen. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Zeitschrift PNAS in einem Beitrag von Yet-Ming Chiang, dem Kyocera-Professor für Materialwissenschaft und -technik am MIT, mit Postdoc Leah Ellis, Doktorand Andres Badel und anderen. Die Idee der Wissenschaftler: Der von fossilen Brennstoffen abhängige Prozess wird durch einen elektrochemischen ersetzt. So würde sowohl das bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen produzierte Kohlendioxid als auch die bei der Erwärmung von Sandstein freigesetzten Gase drastisch reduziert, wenn nicht sogar gänzlich eliminiert. Allerdings gelte es noch, die unter Labormaßstab erfolgreich durchgeführte Methode in einen industriellen Maßstab zu übertragen.

Einsatz eines Elektrolyseurs

Im Mittelpunkt des neuen Verfahrens steht der Einsatz eines Elektrolyseurs, wobei die Sauerstoff entwickelnde Elektrode Säure produziert und die Wasserstoff entwickelnde Elektrode eine Base erzeugt. Bei dem neuen Verfahren wird das Kalksteinmehl an einer Elektrode in der Säure gelöst und hochreines Kohlendioxid freigesetzt, während Calciumhydroxid an der anderen als Feststoff ausfällt. Das Calciumhydroxid kann dann in einem weiteren Schritt zu dem Zement verarbeitet werden, der meist aus Calciumsilikat besteht.

Das Kohlendioxid könnte sich bei dem Vorgang in Form eines reinen, konzentrierten Stroms abtrennen und für Mehrwertprodukte verwenden lassen, zum Beispiel einen flüssigen Kraftstoff als Benzinersatz. So würde bei dem gesamten Prozess kein Kohlendioxid an die Umwelt abgegeben. Darüber hinaus hätten Berechnungen gezeigt, dass auch der im Prozess emittierte Wasser- und Sauerstoff rekombiniert werden könnte.

Umsetzung kann Jahrzehnte dauern

Prof. Dr. Dietmar Stephan vom Fachgebiet Baustoffe und Bauchemie am Institut für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin bestätigt, dass sich die vorgestellte Syntheseroute über ein elektrochemisch hergestelltes Zwischenprodukt erheblich von den bisherigen Syntheseverfahren unterscheidet, die in erster Linie auf thermisch initiierten Reaktionen beruhen. Er sagt weiter: "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." Laut Stephan ergebe sich das größte und schnellste Potenzial zur Einsparung von CO2 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.

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