Sind magnesiabasierte Zemente die Zukunft?
Teil 1: Analyse bisheriger Entwicklungen

1 Einführung

Zement wird überwiegend für Ortbeton und Betonfertigteile verwendet; in Deutschland werden dafür mehr als 80 % des gesamten Zements benötigt (Bild 1). Putze, Mörtel und Estriche sowie Spezialbindemittel wie Kleber sind dagegen nicht nur in Deutschland oder Europa, sondern auch global mengenmäßig von geringerer Bedeutung. Eine Markt­analyse von [1] weist darauf hin, dass diese Produkte mit einer Produktion von ca. 80 Mio. t global eher Nischen­bereiche im Bindemittelmarkt abdecken.

Die globale Zementindustrie wies in der letzten ­Dekade jährliche Zuwachsraten von ca. 7 % auf (Bild 2). Von 1,16 Mrd. t im Jahr 1990 wuchs die Zementproduktion bis 2008 weltweit auf rund 3 Mrd. t. Dieser Anstieg wurde insbesondere durch die stark wachsenden Märkte Asiens hervorgerufen. Schon 2003 kam ein Drittel der Weltproduktion aus China, 2008 waren es bereits 50 %. Auch wenn die Wirtschaftskrise 2008 zu einem konjunkturellen Einbruch in der Baubranche führte, hat sich die Zementproduktion insbesondere in Asien rasch wieder erholt. Bis 2013 wird ein jährliches Wachstum von 4,1 % vorhergesagt, womit die weltweite Zementproduktion bei 3,4 Mrd. t liegen dürfte.

Die großen Zuwachsraten sind insbesondere unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten als problematisch zu betrachten, da die Herstellung von Zement mit hohen CO₂‑Emissionen verbunden ist. Beim Klinkerbrennprozess wird Kohlendioxid (CO₂) sowohl rohstofflich als auch brennstofflich bedingt freigesetzt. Im Mittel werden global etwa 0,74 t CO₂ pro Tonne Zement emittiert. Derzeit trägt die Zementindustrie mit mehr als 8 % zu den globalen anthropogenen CO₂-Emissionen¹ bei (ohne Berücksichtigung von Landnutzung, Landnutzungs­änderungen und Waldbau²). Wie in [2] aufgezeigt, wird es der Zementindustrie trotz Ausschöpfung aller zur Verfügung stehenden Möglichkeiten nicht gelingen, die zukünftigen CO₂-Emissionen auf dem Niveau von 2005 zu halten, etwa durch:

die Substitution veralteter Anlagen durch solche mit „best available technology“ (BAT),

den verstärkten Einsatz von inerten, puzzolanischen und latent-hydraulischen Klinkerersatzstoffen,

oder die zunehmende Nutzung sekundärer Brennstoffe.

In der letzten Zeit werden neben Carbon Capture and Storage (CCS) immer häufiger „Green Cements“ als Problemlöser für die durch die Zementindustrie verursachten CO₂-Emissionen genannt, von ihren Entwicklern werden sie gerne sehr medien­wirksam als „die Lösung“ vorgestellt. Bei den Bindemittelkonzepten handelt es sich im Wesentlichen um calcium- oder magnesiumbasierte Systeme oder Geopolymere. Von verschiedenen Seiten werden an die Wissenschaft Anfragen gestellt, wie sie deren Potential als Ersatz für den traditionellen Portlandzement (OPC) einschätzt. Zwar werden neuerdings auf Konferenzen oder in Fachzeit­schriften erste Vergleiche dieser „Zemente“ mit Portlandzement vorgestellt [3–7], die Ausführungen sind jedoch eher oberflächlich und stellen nur einige wenige Aspekte darunter das theoretische CO₂-Einsparpoten­zial in den Fokus. Untersuchungen, die die verschiedenen Neuentwicklungen näher beleuchten und diese Inventionen umfassend in die gegenwärtige Landschaft der Bauindustrie einordnen sowie fundierte Ergebnisse vergleichend gegen­überstellen, fehlen bisher. Fragen nach der Verfügbarkeit der Rohstoffe für die neuen Massenbaustoffe oder dem Aufwand für die Rohstoffbereitstellung, dem (kumulierten) Energieaufwand für die Produktion unter Berücksichti­gung der gesamten Prozesskette (inklusive der Vorprozesse), den großtechnischen Realisierungs­bedingungen oder den zu erwartenden ökologischen ­Auswirkungen sind bisher in der Diskussion praktisch außen vor.

Einen besonderen Stellenwert bei Diskussionen in Fachkreisen haben magnesiabasierte Bindemittel. Bisher ist MgO (Periklas) in konventionellen Zementen aufgrund der Gefahr des „Magnesiatreibens“ im ausgehärteten Zementstein unerwünscht. Obwohl magnesiabasierte Bindemittel (wie Magnesiumoxychloridzemente, „Sorel­zemente“) seit dem 19. Jahrhundert bekannt sind, haben sie es aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften und der Verfügbarkeit der Rohstoffe nicht geschafft, über ein Nischendasein hinauszukommen. In dieser systemanalytischen Untersuchung wird die Frage untersucht, inwieweit neue magnesiabasierte Entwicklungen, die auf einem gänzlich anderen Bindemittelkonzept aufbauen und andere Rohstoffe nutzen, das Potential haben könnten, den etablierten Massenbaustoff Portlandzement zu ersetzen. Basierend auf den Entwicklungen der zurückliegenden Dekaden werden in Teil 1 der Untersuchung die Charakteristika dieser Bindemittel kurz beschrieben und bewertet. In Teil 2 wird am Beispiel Novacem eine Einordnung dieser Neuentwicklung in die gegenwärtige Landschaft der Bauindustrie aus der Sicht der Technikfolgenabschätzung vorgenommen.

2 Methodik

Neben einer Einordnung der Invention in die gegenwärtige Landschaft der Bauindustrie stehen Fragen nach den großtechnischen Realisierungsbedingungen, insbesondere dem (kumulierten) Energieaufwand unter Berücksichtigung der gesamten Prozesskette (inklusive der Vorkette), der Verfügbarkeit der Rohstoffe für die neuen Massenbaustoffe sowie dem Aufwand für die Rohstoffbereitstellung und den zu erwartenden ökologischen Auswirkungen im Vordergrund. Diese Aspekte werden bislang weniger beachtet, sind jedoch im Rahmen einer TA-Untersuchung von Bedeutung.

Die Untersuchungen für innovative magnesiabasierte Zemente werden am Beispiel von Novacem, einer Entwicklungen des Start-up-Unternehmens gleichen Namens, das eine Ausgründung aus dem Imperial College London ist, durchgeführt. Es werden erste Ein­schätzungen zu ressourcen- und stoffstrombezogenen, verfahrenstechnischen und energetischen Frage­stellungen sowie zu CO₂-Emissionen, die mit der Herstellung dieser Zemente verbunden sind, abgegeben. Aussagen zu den Materialeigenschaften können auf Grund des Entwicklungs­standes gegenwärtig noch nicht getroffen werden. Die Analysen beruhen auf der Basis offengelegter Informationen von Novacem (Patent, Kurzbeschreibungen, Präsentationen im Internet und Publikationen). In Teil 1 werden bislang bekannte magnesiabasierte Bindemittel kurz skizziert und in die gegenwärtige Landschaft der Bauindustrie eingeordnet. Es folgt eine ausführliche systemanalytische Untersuchung des neuen Bindemittelkonzepts Brucit/(M-S-H)-Gel (Teil 2).

Nach Angaben von Novacem basiert das Verfahren zur Herstellung ihrer Zemente auf der Technologie zur mineralischen Sequestrierung – der künstlichen Verwitterung von Magnesium­silikaten. Damit stehen auf den ersten Blick aus rohstofflicher Sicht im Vergleich zur konventionellen Magnesiaherstellung deutlich mehr Ressourcen zur Verfügung, eine Voraussetzung für den Einsatz dieser Bindemittel als Massenbaustoff. Die auf diesen Rohstoffen basierenden Bindemittel werden ebenfalls bezüglich ihrer Eignung für einen Massenbaustoff diskutiert.

Um die wesentlichen Verfahrensabläufe für die Herstellung dieser beim Abhärten Brucit/(M-S-H)-Gel bildenden Zemente herzuleiten, werden zunächst die gut dokumentierten Ergebnisse zur mineralischen Sequestrierung analysiert und bewertet. Die Analyse konzentriert sich hierbei auf die Hydrothermalsynthese von MgCO₃, einem Verfahren, das von Experten der mineralischen Sequestrierung als relativ aussichtsreich eingeschätzt wird. Um die großtechnische Realisierbarkeit eines solchen Ansatzes zur Herstellung eines Zements näher zu untersuchen, insbesondere um seinen Energie­bedarf sowie die CO₂-Emissionen abzuschätzen, wird von uns eine Prozesskette zum Herstellungsverfahren modelliert, die sowohl Informationen von Novacem als auch von uns als notwendig erachtete Verfahrensschritte umfasst. Mit Hilfe einer Prozesskettenanalyse können für eine zukünftige große Produktionsanlage erste Abschätzungen zu den Stoffströmen, zum Energieaufwand und damit auch zum CO₂-Einsparpotential des Verfahrens durchgeführt werden. Sie werden den Angaben von Novacem vergleichend gegenüber gestellt.

3 Magnesiabasierte Bindemittelsysteme –

eine kurze Charakterisierung

Spatmagnesit (Typ Veitsch, mit hohem Eisengehalt: 4–6 %)

Gel-Magnesit (Typ Kraubath, mit Eisengehalten < 0,5 %).

Es existiert auch ein Verfahren, Magnesia aus dem Magnesiumsilkat Serpentin zu gewinnen. Hierbei wird dieses Mineral mit Salzsäure ausgelaugt. Die erhaltene Magnesiumchloridlösung wird anschließend pyrohydrolysiert. Diese Technologie, bei der Kieselsäure als Nebenprodukt anfällt, ist eher unüblich. Als Nachteil ist anzusehen, dass es um einen relativ komplexen Nassprozess handelt, in dem Salzsäure in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden muss, um Umweltschäden zu vermeiden.

Das reaktive, „schnelle“ MgO verhindert nach Aushärten des Bindemittels das Magnesiatreiben. Deshalb kann MgO entweder mit industriellen Abfällen (Flugaschen) oder mit Portlandzement zu einem zementären Bindemittel vermischt werden. Bei der Hydratation entsteht Brucit als bindende Phase, die partiell carbonatisiert. Solche Bindersysteme wurden von Vandeperre et al. [24] umfangreich untersucht, jedoch konnten sie den MgO-Beimengungen keinen nennenswerten Vorteil beimessen. Als mögliche Anwendung für diese Technologie schlägt Glasser bei einer ersten Bewertung nichttragende Bauelemente vor [25]. Bis jetzt existieren keine fundierten Informationen zu der „performance“ und der Langzeit-Beständigkeit, ein Sachverhalt, der für die meisten innovativen Zemente gilt. Ein wahrscheinlich wesentlich größeres Hemmnis für eine globale Implementierung dieser Technologie dürfte das nur lokale Vorkommen des hauptsächlichen Rohstoffs sein: Magnesit.

Bislang wurden Magnesiumoxid Zemente nicht in bedeutenden Mengen eingesetzt, und niemals für die Her­stellung tragender Bauteile. Und wie schon erwähnt, be­grenzen alle Zementnormen explizit die MgO-Menge. Damit sollte das psychologische Moment nicht unterschätzt werden, dass Magnesiumoxid seit mehr als hundert Jahren ein unerwünschter Stoff in der Zementherstellung ist.

Zur Technikfolgenabschätzung neuer Entwicklungen am Beispiel von Novacem siehe Teil 2 dieser Veröffent­lichung [26].