Abfall wird Baustoff: Forscher haben eine klimafreundlichere Alternative zum normalen Portland-Zement entwickelt. Bei diesem wird rund die Hälfte des Kalks durch Belterra-Lehm ersetzt – einem Abraumprodukt bei der Förderung des Bauxits für die Aluminiumgewinnung. Dies senkt den CO2-Ausstoß bei der Zementproduktion um bis zu 60 Prozent, wie erste Tests ergaben. Trotzdem ist dieser „Abraum“-Zement genauso stabil wie der herkömmliche.
Beton und seine Hauptkomponente Zement sind einer der wichtigen Baustoffe der Menschheit. Gleichzeitig trägt gerade die Zementherstellung massiv zu den anthropogenen Treibhausgas-Emissionen bei: Bei der Umwandlung des Rohkalks (Calciumcarbonat) in Calciumoxid werden große Mengen CO2 frei, weitere Emissionen fallen beim Brennen des entstehenden Klinkers an. Rund acht Prozent des globalen CO2-Ausstoßes gehen dadurch allein auf die Zementindustrie zurück.
Schon länger suchen Wissenschaftler daher nach Wegen, die CO2-Emissionen der Zementherstellung zu verringern – beispielsweise durch spezielle Brennöfen oder indem Teile des Kalksteins durch kohlenstoffarme Rohstoffe wie Vulkanasche oder Abfallstoffe ersetzt werden.
Lehm als Abfallstoff der Bauxit-Förderung
Eine weitere Möglichkeit haben nun Leonardo Negrao von der Universität Pará in Brasilien und seine Kollegen untersucht. Dabei wird ein Teil des Kalksteins durch ein Abfallprodukt des Aluminiumerzes Bauxit ersetzt – den sogenannten Belterra-Lehm. „Diese bis zu 30 Meter dicke Tonschicht bedeckt die Bauxitlagerstätten im Tropengürtel der Erde, beispielsweise im Amazonasbecken“, erklärt Koautor Herbert Pöllmann von der Universität Halle-Wittenberg.
Für die Aluminiumproduktion ist diese Deckschicht nicht geeignet, daher wird sie normalerweise abgetragen und verworfen. Doch als Zusatz im Zement hat dieser Abraum einige Vorteile: „Er enthält genügend aluminiumhaltige Minerale für eine gute Qualität, ist in großen Mengen verfügbar und kann ohne zusätzliche Behandlung verarbeitet werden“, erklärt Pöllmann. Für ihre Studie hat das Team daher untersucht, wie viel CO2 durch Verwendung des Belterra-Lehms eingespart werden kann und wie die Beimischung die Stabilität des Zements beeinflusst.
Weniger CO2 bei Kalzinierung und Brand
Das Ergebnis: Ersetzt man 50 bis 60 Prozent des Kalks durch Belterrra-Lehm, werden bei der Kalzinierung zu Zementklinker rund 30 Prozent weniger CO2 frei als beim klassischen Portland-Zement. Weitere Einsparungen ergeben sich im nächsten Schritt, dem Brennen des Klinkers, wie die Tests ergaben. Denn der Belterra-Zement kann bei 1.250 Grad gebrannt werden und damit 200 Grad weniger als sonst üblich. Das spart Energie und senkt den CO2-Fußabdruck zusätzlich.
„Unsere Methode setzt also nicht nur bei der chemischen Umwandlung weniger CO2 frei, sondern auch beim Beheizen der Drehöfen“, berichtet Pöllmann. Durch die Kopplung dieser Effekte könnte die CO2-Emission bei der Zementherstellung insgesamt um bis zu zwei Drittel reduziert werden, wie das Team ermittelte. Vor allem in den Regionen, denen wegen der Bauxit-Förderung ohnehin Belterra-Lehm anfällt, wäre dies daher eine vergleichsweise einfache, günstige und effektive Methode, die Zementproduktion klimafreundlicher zu machen.
Positiv auch: Der Belterra-Zement steht in seinen mechanischen Eigenschaften dem normalen Portlandzement kaum nach, wie ergänzende Belastungstests ergaben. Er war ähnlich haltbar und hielt Belastungen von bis zu 40 Megapascal (Mpa) stand – beim Portlandzement waren 46 Mpa. Pöllmann und sein Team wollen nun untersuchen, ob es auch in Deutschland Abraumquellen gibt, die sich für die Zementproduktion eignen. (Sustainable Materials and Technologies, 2021; doi: 10.1016/j.susmat.2021.e00299)
Quelle: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
