Technologie revolutioniert die Zementproduktion und reduziert CO2-Emissionen um fast 100

Ein Team von UCLA-Ingenieuren hat ein innovatives Verfahren namens ZeroCAL entwickelt, das die Zementindustrie durch die Verringerung der Kohlendioxidemissionen (CO2) radikal verändern kann. Zement, einer der weltweit am häufigsten verwendeten Werkstoffe, ist auch einer der größten Verursacher globaler Treibhausgasemissionen (THG).

Diese Methode stellt eine erschwingliche und skalierbare Lösung für die Dekarbonisierung der Zementproduktion dar, bei der bestehende Infrastrukturen genutzt werden.

Die Umweltauswirkungen von Zement

Portlandzement, der bei der Betonherstellung verwendet wird, ist die weltweit am häufigsten verwendete Zementsorte. Seine Herstellung hat jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt: Für jedes produzierte Kilogramm Zement wird etwa ein Kilogramm CO2 emittiert. Dieser Prozess ist für etwa 8 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich - ein alarmierender Wert, der die Zementherstellung zu einem der Hauptverursacher der Klimakrise macht.

Ein Großteil dieser Emissionen ist auf die thermomechanische Zersetzung von Kalkstein zurückzuführen, der das wichtigste Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kalk ist, einem wesentlichen Bestandteil von Zement. 60 % der CO2-Emissionen stammen aus dieser chemischen Reaktion, die restlichen 40 % aus der Verwendung fossiler Brennstoffe zum Beheizen der Industrieöfen , in denen der Zementherstellungsprozess stattfindet.

Neben den Emissionen verbraucht der Prozess auch große Mengen an Energie. Für die Herstellung einer Tonne Kalk werden etwa 1,4 Megawattstunden Energie benötigt, was dem Energieverbrauch eines nordamerikanischen Hauses für anderthalb Monate entspricht.

ZeroCAL: Eine innovative Lösung

Das UCLA-Team unter der Leitung von Gaurav Sant, dem Direktor des UCLA Carbon Management Institute (ICM), hat das ZeroCAL-Verfahren entwickelt, das für "zero carbon lime" steht und bis zu 98 % der mit der Kalk- und Zementherstellung verbundenen CO2-Emissionen eliminieren soll. Anstelle von herkömmlichem Kalkstein wird bei dem neuen Verfahren Kalziumhydroxid als Vorstufe von Kalk verwendet. Beim Erhitzen gibt diese Verbindung nur Wasserdampf ab, so dass während des Erhitzungsprozesses in den Öfen kein CO2 entsteht.

Die ZeroCAL-Technologie beginnt mit der Auflösung von Kalkstein in einer wässrigen Lösung, die Ethylendiamintetraessigsäure, eine gängige Industriesäure, enthält. Durch Membran-Nanofiltration wird das Kalzium aus dem Kalkstein abgetrennt und dann in einem elektrochemischen Prozess zur Herstellung von Kalziumhydroxid verwendet.

Dieser Prozess vermeidet nicht nur CO₂-Emissionen, sondern erzeugt auch nützliche Nebenprodukte, darunter Salzsäure, Natriumbicarbonat, Sauerstoff und Wasserstoff. Wasserstoff wiederum kann als sauberer Brennstoff zum Beheizen von Zementöfen verwendet werden, wodurch ein geschlossener Kreislauf ohne Emissionen entsteht.

Darüber hinaus kann diese Technologie in bestehenden Zementwerken eingesetzt werden, ohne dass neue Infrastrukturen für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung gebaut werden müssen.

Globale Zusammenarbeit und das Potenzial für Skalierbarkeit

Obwohl die ZeroCAL-Methode immer noch mehr Energie benötigt als herkömmliche Verfahren, erforscht das Forscherteam Möglichkeiten zur Optimierung des Energieverbrauchs, zur Vereinfachung der Abläufe und zur Wiederverwendung der sauren und basischen Nebenprodukte, die bei dem elektrochemischen Prozess anfallen. Um den Wasserverbrauch zu senken, schlagen die Forscher vor, ZeroCAL in Fabriken einzusetzen, die sich in der Nähe von Wasserquellen, wie Flüssen oder Küstengebieten, befinden.

Derzeit arbeitet das UCLA-Team mit Ultratech Cement Limited, dem größten Zementhersteller Indiens, am Bau einer Demonstrationsanlage, die mehrere Tonnen Kalk pro Tag mit dem ZeroCAL-Verfahren herstellen kann. Indien ist der zweitgrößte Zementmarkt der Welt, und der Erfolg dieser Anlage könnte einen großen Durchbruch für die Dekarbonisierung der globalen Zementindustrie bedeuten .

Die Zukunft der industriellen Dekarbonisierung

Die Innovation des UCLA-Teams hat möglicherweise Auswirkungen über die Zementindustrie hinaus. Die Forscher gehen davon aus, dass die ZeroCAL-Methode auch in der Stahlproduktion, einem anderen Industriezweig mit hohem Kohlenstoffausstoß, angewendet werden kann. In diesem Fall könnte kohlenstoffarmer Kalk als Kalziumquelle im Stahlherstellungsprozess verwendet werden.

Dieses Projekt wurde von mehreren Einrichtungen finanziert, darunter die Chan-Zuckerberg Initiative, die Grantham Foundation for the Protection of the Environment und die Advanced Research Projects Agency-Energy des US-Energieministeriums.

Mit dieser neuen Technologie hat das UCLA-Team einen bedeutenden Schritt in Richtung einer nachhaltigeren industriellen Zukunft getan und den Weg für eine emissionsfreie Zementproduktion und eine drastische Verringerung der Umweltbelastung geebnet.

Quellenhinweis:

Leão, A., Collin, M., Ghodkhande, S., Bouissonnié, A., Chen, X., Malin, B., ... & Sant, G. (2024) ZeroCAL: Eliminating Carbon Dioxide Emissions from Limestone's Decomposition to Decarbonize Cement Production. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 10.1021/acssuschemeng.4c03193