Zementproduktion Wie Zementwerke der Atmosphäre CO₂ entziehen können

Forscher der ETH Zürich zeigen in einer Studie wie sich die Klimabelastung der Zementproduktion bis 2050 um 78 Prozent senken lassen könnte. Die Technologie nutzt bestehende Prozesse und Rohstoffe der Zementherstellung und könnte sich vergleichsweise einfach in die Zementproduktion integrieren lassen.

Die Herstellung von Zement ist energieintensiv, und während des Verfahrens entstehen Treibhausgase – vor allem bei der thermischen Zersetzung von Kalkstein, dem wichtigsten natürlichen Rohstoff für Zement. Wenn die Zementproduktion mit einer Technologie zur direkten Entfernung von CO₂ aus der Atmosphäre, dem so genannten Direct Air Capture (DAC), gekoppelt würde, könnten die Emissionen laut der Forscher stark gesenkt werden.

Für die Studie haben die Forscher rund um André Bardow, Professor für Energie- und Prozesssystemtechnik, mit dem US-Unternehmen Heirloom Carbon Technologies zusammengearbeitet. Dieses gehört zu den weltweit führenden Entwicklern von DAC basierend auf Kalzium-Looping. Ein Verfahren, das sich einen chemischen Kreislauf mit verschiedenen Kalziumverbindungen zunutze macht. Ausgangspunkt ist Kalziumkarbonat, also Kalkstein, der weltweit in Kalksteinbrüchen abgebaut wird. DAC-Anlagen mit Kalzium-Looping und Zementwerke arbeiten mit denselben Kalziumverbindungen und nutzen denselben Prozess: Sie erhitzen Kalkstein, bis er in Branntkalk und CO₂ zerfällt – ein Vorgang, den man Kalzinierung nennt.

Bei der integrierten Zementproduktion mit Kalzium-Looping-DAC wird für die Kalzinierung ein Ofen verwendet, der mit Strom betrieben wird anstelle mit fossilen Energieträgern. Dadurch werden Treibhausgasemissionen durch den Verbrennungsofen vermieden. Zugleich kann das im Kalzinierungsprozess anfallende CO₂ direkt abgeschieden werden, weil es nicht durch Verbrennungsabgase verunreinigt wird. Allein durch die Elektrifizierung des Ofens und die direkte CO₂-Abscheidung, könnte die Klimawirkung der Zementproduktion bis 2050 um 78 Prozent gesenkt werden, so die Berechnungen in der Studie.

Nach Zugabe von Wasser zum Branntkalk nimmt der so gelöschte Kalk weiteres CO₂ aus der Atmosphäre auf und wird wieder zu Kalkstein. Dieser kann erneut als Rohstoff für die Zementproduktion genutzt werden. Je öfter das Kalzium diesen Luftkontakt-Kreislauf durchläuft, bevor es zu Zement weiterverarbeitet wird, desto mehr CO₂ entzieht die Anlage der Atmosphäre. Dadurch könnte die Zementproduktion sogar CO₂-negativ werden. Das aus der Atmosphäre eingefangene CO₂ wird dabei nicht im Zement gebunden, sondern verdichtet und in unterirdische Lagerstätten transportiert.

Die aktuelle Studie sei die erste vorausschauende Lebenszyklusanalyse für DAC mit Kalzium-Looping im industriellen Maßstab. Dabei haben die Wissenschaftler nicht nur der Betrieb der Anlage, sondern sämtliche Umweltwirkungen entlang der Prozesskette betrachtet; von der Rohstoffgewinnung über den Bau und den Betrieb der Anlage bis hin zur Speicherung des abgeschiedenen CO₂.

Zunächst wollte das Forscher-Team herausfinden, ob größere, kommerzielle Anlagen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg mehr CO₂ entfernen, als sie verursachen. In einem zweiten Schritt prüften sie, ob die Reduktion der CO₂-Emissionen zulasten anderer Umweltfaktoren geht, zum Beispiel des Wasser- oder Landverbrauchs.

Dabei zeigte sich, dass der mit Abstand größte Anteil des Umweltfußabdrucks auf die benötigte Energie für das Verfahren entfällt, da die Abtrennung von CO₂ aus der Luft sehr energieintensiv ist. Dies gilt auch für andere DAC-Verfahren. Im Rahmen der Studie wurden deshalb verschiedene Energieszenarien getestet: der Betrieb der Anlage mit dem aktuellen US-Strommix, mit einem stark dekarbonisierten Strommix aus Wind- und Solarenergie sowie mit einem vollständig autonomen System mit Photovoltaik und Batteriespeichern.

„Wir konnten zeigen, dass die Klimabilanz der Technologie netto negativ ist, also dass kommerzielle Kalzium-Looping DAC Anlagen mit CO₂-Speicherung mehr CO₂ entfernen, als sie über ihren gesamten Lebensweg verursachen“, sagt Vittoria Bolongaro, Doktorandin bei Bardow und Erstautorin der Publikation. „Je nach Energiemix, den wir in den Hochrechnungen verwendeten, beträgt die Effizienz der CO₂-Entnahme bis 2050 zwischen 85 und 96 Prozent.“ Anders gesagt: Für jede Tonne CO₂, die abgeschieden und gespeichert wird, entstehen in der Prozesskette 40 bis 150 kg CO₂. Das sei vergleichbar mit Werten von anderen DAC-Systemen. Die Effizienz ist dann am höchsten, wenn die Anlage mit erneuerbarer Energie betrieben wird.

Die zentralen Berechnungen für die Studie basieren auf Zukunftsszenarien bis 2050 und setzen erhebliche Fortschritte bei der Dekarbonisierung der Stromversorgung voraus. Zudem befinden sich einige der Anlagenkomponenten, insbesondere indirekt beheizte Elektro-Kalzinieröfen, noch nicht in großindustriellem Einsatz. Es ist deshalb noch offen, ob sich das System wirtschaftlich betreiben lässt; eine detaillierte Kostenanalyse war nicht Teil der Studie.

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