Der Weg zur Klimaneutralität von Zement und Beton

4. August 2023

Mit dem „Green Deal“ hat die Europäische Kommission die Weichen gestellt, dass wir in Europa bis zum Jahr 2050 Klimaneutralität in allen Bereichen erreichen müssen. In Deutschland wird dieses ehrgeizige Ziel bereits für 2045 angestrebt. Darüber hinaus sind Zwischenziele für 2030 und 2035 definiert, die ebenfalls eingehalten werden müssen.

Aus diesem Grund steht die Zementindustrie in Deutschland und damit auch die gesamte Wertschöpfungskette von Zement und Beton vor großen Herausforderungen. Hintergrund hierfür ist, dass bei der Herstellung von Zement, beziehungsweise seinem Vorprodukt Zementklinker, große Mengen an CO2 freigesetzt werden. Je Tonne Zementklinker fallen etwa 700 kg CO2 an. Dabei entfallen rund 2/3 auf rohstoffbedingte Prozessemissionen durch die Entsäuerung des Kalksteins. Rund 1/3 sind energiebedingte CO2– Emissionen aufgrund des Einsatzes der Brennstoffe und des Brennprozesses, um die erforderlichen Temperaturen im Zementofen von 1450 °C zu erreichen (Bild 1).

Bild 1: Aufteilung der CO2-Emissionen bei der Zementklinkerherstellung (Quelle VDZ)

Bereits seit 1990 haben Optimierungsmaßnahmen in dem Zementherstellungsprozess und die Einführung von Portlandkompositzementen mit geringerem Zementklinkeranteil zur Reduzierung der CO2-Emissionen um etwa 20-25 % bis zum Jahr 2020 beigetragen. Bei der weiteren Minderung der CO2-Emissisionen stößt die Zementindustrie jedoch zunehmend an Grenzen. Somit sind künftig weitere Maßnahmen notwendig, um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen.

Hierzu gibt es mehrere Ansätze, die in Summe zur Klimaneutralität der Zementindustrie führen sollen. Der Verein Deutscher Zementwerke VDZ e.V. hat in seiner Roadmap die notwendigen Schritte beschrieben. Die Einsparungen von CO2 sollen entlang der gesamten Werkschöpfungskette des Bauens mit Beton erfolgen (Bild 2).

Bild 2: Roadmap des VDZ hin zur Klimaneutralität bis 2050 (Quelle VDZ)

Wie auf Bild 2 erkennbar, sind im Jahr 2019 etwa 20 Mio. to CO2 bei der Zementherstellung angefallen (13,2 Mio. to rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins und 6,8 Mio. to durch den Brennprozess). Bei der Studie geht der VDZ davon aus, dass die Baunachfrage bis 2050 um ca. 5 % zurückgeht. Weiters werden Optimierungen im Klinkerherstellprozess Verbesserungen um etwa 10 % bringen. Dazu zählt auch die Verwendung von Sekundärbrennstoffen im Brennprozess, anstelle von Primärbrennstoffen wie Kohle, Öl oder Gas. SCHWENK hat in seinen vier Zementwerken in Deutschland den Brennprozess nahezu vollständig auf Sekundärbrennstoffe umgestellt und somit das Potenzial bereits jetzt weitgehend ausgeschöpft, was sich auch in niedrigeren CO2-Emissionen je Tonne Zement niederschlägt (Tabelle 1).

Die CO2-Emissionen im Zement und Beton werden maßgebend durch den Anteil des Zementklinkers dominiert. Bei durchschnittlich zusammengesetztem Beton der Festigkeitsklasse C25/30 betragen die CO2-Emissionen ca. 200 kg CO2 Äq. je m³ Beton. Der Anteil, verursacht durch den Zement, beträgt in etwa 80 – 90 % der gesamten CO2– Emissionen des Betons. Somit liegt das größte Absenkungspotential der CO2-Emissionen im verstärkten Einsatz von Zementen mit reduziertem Klinkergehalt und daraus folgend erhöhtem Anteil weiterer Hauptbestandteile. Bereits in der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass CEM II/A-Zemente (Anteil weiterer Hauptbestandteile neben Klinker bis zu 20 M.-%) und CEM II/B-M-Zemente (Anteil weiterer Hauptbestandteile neben Klinker bis zu 35 M.-%) durch innovativen Einsatz von Zumahlstoffen bei der Zementproduktion das gewohnt hohe Leistungsniveau aufweisen und in der breiten Anwendung vergleichbare Eigenschaften zeigen. Diese Zumahlstoffe sind in den SCHWENK Zementwerken überwiegend die Hauptbestandteile Kalksteinmehl (LL) aus eigenem Steinbruch, Hüttensand (S) aus der Stahlindustrie und Flugasche (V) aus Kohlekraftwerken.

Mit der Veröffentlichung und nationalen Einführung der EN 197-5 im April 2020 wurden nun Portlandkompositzemente CEM II/C-M in die Normung mit aufgenommen. Diese Zemente dürfen einen Anteil von 36-50 M.-% an zwei weiteren Hauptbestandteilen neben Klinker aufweisen. Bei den bereits im Markt eingeführten CEM II/A- und CEM II/B-M-Zementen ist der Anteil von Kalksteinmehl auf 20 M.-% begrenzt.

Über eine Zulassung beim DIBT (Deutschen Institut für Bautechnik) können diese Zemente nun für die Anwendung im Betonbau nach EN 206-1/DIN 1045-2 zugelassen werden. Wegen des geringeren Klinkergehaltes von minimal 50 M.-% kann es zu Einschränkungen in der Anwendung kommen. Da rund 2/3 der hergestellten Betone im Transportbetonbereich normale Innen- und Außenbauteilbetone sind, wird das Spektrum durch diesen Zement gut abgedeckt. Die möglichen Expositionsklassen der CEM II/C-Zemente werden in der Anwendungszulassung des DIBT beschrieben.

Durch den geringeren Klinkergehalt sind die Frühfestigkeiten der damit hergestellten Betone etwas niedriger, als mit den bisherigen Standardzementen. Dies kann jedoch, besonders bei den häufig auftretenden Hitzeperioden, ein Vorteil sein, da die Wärmeentwicklung geringer ist.

In der Tabelle 1 werden verschiedene Zementarten mit den entsprechenden CO2-Emissionen aufgelistet und verglichen. Das Treibhauspotenzial (GWP = Global warming potential) quantifiziert die CO2-Emissionen und zeigt, gerade im Hinblick auf die Forderung einer klimafreundlicheren Bauweise, welches Potenzial durch die Verwendung eines anderen Zementes möglich ist:

Zementsorte und Herstellwerk Anteil Klinker in % nach EN 197-1 GWP netto – kg Äq. CO2/to Zement CO2-Reduzierung gegenüber CEM I Durchschnitt BRD in %
CEM I Portlandzement Durchschnitt BRD 95-100 665 0
CEM I 42,5 N – Allmendingen 95-100 508 24
CEM II/B-M (V-LL) 42,5 N – Allmendingen 65-79 401 40
CEM II/C-M (V-LL) 42,5 N – Allmendingen 50-64 348 48
CEM II/C-M (S-LL) 42,5 N – Mergelstetten 50-64 400 40
CEM II/C-M (S-LL) 42,5 N – Karlstadt 50-64 317 52
CEM III/A 42,5 N – Bernburg 35-64 361 46

Tabelle 1: Verschiedene Zemente aus SCHWENK Zementwerken und die entsprechenden CO2-Emissionen netto im Vergleich zu einem CEM I Durchschnittszement in Deutschland

Aus den Zahlen wird deutlich, dass durch die Verwendung von klinkerreduzierten Zementen eine deutliche Einsparung von CO2-Emissionen im Beton bereits jetzt möglich ist.

Untersuchungen aus verschiedenen Forschungsvorhaben zeigen, dass eine gewisse Menge Klinker im Zement immer erforderlich ist, um die Dauerhaftigkeits- und Festigkeitsanforderungen erfüllen zu können. Um dennoch die Klimaneutralität des Baustoffes Zement erreichen zu können, müssen die restlichen unvermeidbaren CO2-Emissionen im Klinkerherstellprozess anderweitig behandelt werden.

Hierzu ist ein großes Forschungsprojekt (Cement Innovation for Climate) mit vier europäischen Zementherstellern am SCHWENK Werksstandort Mergelstetten angelaufen, bei dem an einer Demonstrationsanlage im halbindustriellen Maßstab die Abscheidung von CO2 untersucht wird. Sollte die Erprobung dieser Verfahrenstechnik im Standort Mergelstetten erfolgreich sein, könnte diese in den Zementwerken installiert werden. Somit wäre es dann möglich, langfristig die Klimaneutralität bei der Zementproduktion zu erreichen.

Fazit
Der Weg zur Klimaneutralität von Zement und Beton ist lang und mit hohem Aufwand und Investitionen verbunden. Bereits jetzt kann durch die Verwendung von CEM II/B- und CEM II/C-Zementen ein wichtiger Schritt zur Reduzierung der CO2– Emissionen im Betonbau erreicht werden. SCHWENK kann diese klinkerreduzierten Zemente den Kunden in allen Werksstandorten zur Verfügung stellen.

Diese vorhergehend beschriebenen Möglichkeiten in Verbindung mit der Optimierung der Bauweisen, durch zum Beispiel schlankere und höherfestere Bauteile, können dazu beitragen, die Betonbauweise klimaneutral zu gestalten. Dazu müssen alle an der Wertschöpfungskette Bau Beteiligten eng zusammenarbeiten und Ihren Beitrag leisten.

Ein Bericht von: Dipl.-Ing., Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Werner Rothenbacher, Leiter Anwendungstechnik, SCHWENK Zement GmbH & Co. KG

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