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Inhalte

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→ Warum Beton?

→ Warum Zement?

→ Standardprozess

→ Herstellung Schritt für Schritt

→ Dekarbonisierungspfade

→ Fazit

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Warum Beton relevant ist

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Warum Zement relevant ist

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Übersicht über den Standardproduktionsprozess

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Die am häufigsten verwendete Zementsorte ist Portlandzement (abgekürzt OPC – ordinary portland cement). Portlandzement hat seinen Namen von der Isle of Portland in Dorset, England, wo er erstmals entwickelt und hergestellt wurde. Seine weite Verbreitung ist auf seine Festigkeit, seine Vielseitigkeit und seine Fähigkeit, verschiedenen Umweltbedingungen standzuhalten, zurückzuführen.

Zement wird in einem energieintensiven Verfahren aus Kalkstein und Ton hergestellt. Zwei Verfahren sind üblich: das Trocken- und das Nassverfahren.

Auch wenn die Verfahren auf den ersten Blick identisch erscheinen, sind die Parameter, mit Ausnahme der Wasserzugabe im ersten Verfahren, doch etwas unterschiedlich und werden in Tabelle 1 zusammengefasst.

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Kriterien	Trockenes Verfahren	Nasses Verfahren
Härte des Rohmaterials	Ziemlich hart	Jede Art von Rohmaterial
Kraftstoffverbrauch	Niedrig	Hoch
Prozesszeit	Kürzer	Länger
Qualität	Geringere Qualität	Hervorragende Qualität
Kosten der Produktion	Hoch	Niedrig
Gesamtkosten	Teuer	Preiswerter
Physischer Zustand	Rohmischung (fest)	Schlamm (flüssig)

Herstellung von Zement, Schritt für Schritt

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1️⃣ Kalzinierung von Kalkstein (CO₂-intensive Phase)

Reaktion:

CaCO₃ → CaO + CO₂

• Ausgangsstoffe: Mischung aus Kalkstein (CaCO₃) und Ton (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃)

• Temperaturbereich: 900 – 1200 °C

Emissionen:

• Brennstoffbedingte Emissionen (~35 %):

  • Durch die nötige hohe Hitzezufuhr beim Brennvorgang

• Prozessbedingte Emissionen (~65 %):

  • Beim Zerfall von Kalkstein zu Kalk (CaO) entsteht CO₂

    

 

2️⃣ Chemische Reaktionen zwischen Kalk und Ton

Wichtige Reaktionen:

• 2 CaO + SiO₂ → Ca₂SiO₄
• 3 CaO + SiO₂ → Ca₃SiO₅
• 3 CaO + Al₂O₃ → Ca₃Al₂O₆
• 4 CaO + Al₂O₃ + Fe₂O₃ → Ca₄Al₂Fe₂O₁₀

Beschreibung: 

• Der gebildete Kalk (CaO) reagiert mit Silikaten und Aluminaten aus dem Ton.
• Es entstehen Calcium-Aluminate und Calcium-Silikate.
• Diese verschmelzen und bilden den Klinker.

3️⃣Vom Klinker zum Zement

• Kühlung: Der heiße Klinker wird schnell abgekühlt, um seine chemische Struktur zu erhalten.
• Mahlung: Anschließend wird der Klinker zu feinem Pulver vermahlen.
• Zugabe von Gips: Etwa 5 % Gips wird beigemisscht, um die Erstarrungszeit zu regulieren.
• Ergebnis: Es entsteht Zement, der mit Wasser zu einer formbaren Masse reagiert.

 

Ergebis

Es entsteht Zement, der mit Wasser zu einer formbaren Masse reagiert.

Dekarbonisierungspfade für die Zementindustrie

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Dekarbonisierungs- maßnahmen	Reifegrad der Technologie	Einbeziehung von Interessengruppen	Aktueller Stand	Die größten Hindernisse
⧉ Technologische Optionen für Zementanlagen	Konventionell	Produktionsseite	Kommerzielle Nutzung möglich	Hohe Investitionen
⧉ Verringerung des Klinker-Zement-Verhältnisses	Konventionell	Produktionsseite	Kommerzielle Nutzung möglich	Geringe Reaktivität; Ressourcenknappheit
⧉ Zementchemie mit geringerem Kohlenstoffgehalt	Aufkommend	Produktionsseite	Pilotprojekte	Geringe Marktdurchdringung
⧉ CCS	Aufkommend	Produktionsseite	Pilotprojekte	Sehr hohe Investitionen
⧉ CCU	Aufkommend	Produktionsseite	Kommerzielle Nutzung möglich	Geringe Marktdurchdringung
⧉ Strategien zur Materialeffizienz	Konventionell/ Aufkommend	Nachfrageseite	Kommerzielle Nutzung möglich	Risikobedenken; Mangelndes Bewusststein; höherer Preis
⧉ Recycling/Re-Use am Ende des Lebenszyklus	Aufkommend	Nachfrageseite	Pilotprojekte	Regulatorischer Rahmen/ höhere Preise

Fazit

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Wie sind die vorgestellten Dekarbonisierungspfade einzuordnen? Für die Analyse nutzen wir die drei Bellona-Kriterien:

• Wie hoch ist der Klimanutzen? Für eine Einordnung muss ermittelt werden, welche Treibhausgasreduktionen durch das Instrument möglich sind.
• Welche Trade Offs entstehen? Dazu gehören, wie hoch die Intensität der Ressourcennutzung ist und welche Auswirkungen auf den Dekarbonisierungspfad enstehen.
• In welchem Zeitrahmen kann die Lösung zur Realität werden? Hier gilt es das kurz-, mittel- und langfristigem Potenzial für den Einsatz im großen Maßstab zu prüfen. 

Diese Analyse wird für jede dieser Technologien als eigenständige Lösung durchgeführt.

Dekarbonisierungspfad	Die Bellona-Kriterien
	Auswirkungen auf das Klima	Abwägungen	Zeitrahmen
Anlagentechnische Optionen (Erhöhung des Wirkungsgrads der Öfen, Brennstoffwechsel)	Anlagentechnische Optionen haben einen positiven, wenn auch recht begrenzten Einfluss auf die Emissionsreduzierung.	Anlagentechnische Optionen erfordern in der Regel hohe Investitionen, vor allem, wenn der Ofen ersetzt werden muss.  Bei der Umstellung auf einen anderen Brennstoff müssen konkurrierende Verwendungszwecke sowie die Kosten und die Verfügbarkeit des Brennstoffs berücksichtigt werden.	Wenn es um den Austausch von Öfen geht, muss in der Regel das Ende der Lebensdauer der alten Öfen abgewartet werden, welches in Europa grundsätzlich bald erreicht ist, jedoch ist das nicht überall der Fall. Die Umstellung auf einen anderen Brennstoff könnte schnell erfolgen, doch hängt dies stark von der Art und Verfügbarkeit des jeweiligen Brennstoffs ab. Die Elektrifizierung von Öfen befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, was eine Ausweitung in naher Zukunft schwierig macht.
Verringerung des Klinker-Zement-Verhältnisses	Je nachdem, wie stark die Verringerung ausfällt,  variieren die Auswirkungen auf das Klima  (Verringerungen haben aber generell eine positive Auswirkung auf das Klima, solange der Klinker nicht durch ein kohlenstoffintensiveres Produkt ersetzt wird).	Abhängig von den Eigenschaften des neuen Zementprodukts könnte eine längere Bauzeit entstehen. Ebenso ist es wichtig, die Verfügbarkeit und konkurrierende Verwendungen der genutzten SCM zu berücksichtigen.	Zwar gibt es  einige genormte Lösungen, die bereit für den Markt sind, jedoch ist für die Einführung in großem Maßstab ein Leitmarkt erforderlich.  Ein ineffizientes Standardisierungssystem (EN 197-Normenreihe), wie es derzeit in Europa besteht, könnte die Entwicklung ebenfalls verlangsamen.
Zementchemie mit geringerem Kohlenstoffgehalt	In Tabelle 3 ist ersichtlich, dass einige der chemischen Verfahren sowohl bei den Prozess- als auch bei den thermischen Emissionen ein erhebliches Emissionsminderungspotenzial aufweisen.	Abhängig von den Eigenschaften des neuen Zementprodukts  könnte eine längere Bauzeit entstehen. Auch konkurrierende Verwendungszwecke der Rohstoffe sind zu berücksichtigen, ebenso wie transportbedingte Emissionen im Falle der Nichtverfügbarkeit vor Ort.	Um den Markt zu durchdringen, müssen die Lösungen standardisiert werden. Für eine großtechnische Einführung ist ein führender Leitmarkt erforderlich.. Um die Entwicklung neuer Zemente zu ermöglichen und alle Leistungsanforderungen für verschiedene Anwendungen zu erfüllen, ist eine zeitgerechte Einführung leistungsbezogener Normen, zum Beispiel in Form von Labeln, erforderlich.
Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS)	CCS hat eine positive und große Auswirkung auf die Emissionsminderung, da die Emissionen aufgefangen und in tiefengeologischen Lagerstätten  permanent gespeichert werden.	CCS erfordert sehr hohe Investitionen und in den meisten Fällen eine internationale Zusammenarbeit. Die Endproduktkosten werden zwangsläufig steigen. Die CO2-Speicherkapazität wird mit anderen Industrien geteilt.	Die Technologie ist zwar vorhanden, und es werden groß angelegte Abscheidungsprojekte entwickelt, aber die Größenordnung und die internationalen Merkmale von CCS machen die Umsetzung komplex. Die aktuelle EU-Politik zielt darauf ab, die Einführung von CCS zu beschleunigen. In Deutschland hat die CMS (Carbon Management Strategie) dafür einen Grundstein gelegt. Es wird erwartet, dass einige CCS-Projekte bis 2026 in Betrieb genommen werden; eine weltweite Umsetzung ist jedoch noch lange nicht Realität. Für die Einführung in großem Maßstab ist ein Leitmarkt erforderlich
Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU)	Das Emissionsminderungspotenzial von CCU hängt vom Gesamtenergiebedarf, der CO2-Quelle und schließlich davon ab, ob das verwendete CO2 während der Nutzung und Entsorgung des Produkts emittiert wird. Wenn die Emissionen anschließend permanent gespeichert werden, wäre das Emissionsminderungspotenzial mit dem von CCS vergleichbar.	Je nach Produkt kann die Nutzung von CO2 hohe Energiekosten verursachen und bei einer Ausweitung auf erneuerbare Energien zurückgreifen, die sonst zu einer größeren Elektrifizierung geführt hätten.  Einige CCU-Produkte, wie Kraftstoffe oder andere kurzlebige Produkte, verzögern die Reduzierung der Emissionen nur, da sie CO2 nicht permanent speichern.	Das Ausmaß von CCU ist stark begrenzt durch den Energiebedarf und die Menge des „Produkts“, das benötigt wird, um die Emissionen tatsächlich zu senken. Nur wenige kleine Projekte nutzen Kohlenstoff auf eine Art und Weise, bei der das CO2 letztlich nicht in die Atmosphäre gelangt und somit CO2-Neutralität im Einklang mit dem 1,5 Grad Ziel möglich ist.
Strategien zur Materialeffizienz	Je nach Strategie können sie ein unterschiedliches Emissionsminderungspotenzial aufweisen.	Überlegungen zur konkurrierenden Verwendung von SCMs und zu alternativen Materialien zu Beton.	Die meisten Strategien zur Materialeffizienz könnten bereits eingesetzt werden, mit Ausnahme einiger Downcycling-Techniken. Leitmärkte für kohlenstoffarme Materialien würden die Entwicklung in großem Maßstab beschleunigen. Die Verfügbarkeit der Materialien ist möglicherweise begrenzt und kann daher den Umfang der Substitution der Primärproduktion einschränken.