Sind magnesiabasierte Zemente die Zukunft?
Teil 2: Novacem –
eine Bewertung neuer ­Entwicklungen

Das Bindemittelkonzept Brucit/M-S-H-Phasen.

Ab Mitte des Jahres 2010 sind folgende Änderungen in Bezug auf den Aufbau des Bindemittels und das Prinzip seines Aushärtens zu nennen:

In Zusammenhang mit der Aushärtung wird nur noch die Hydratation erwähnt. Es wird explizit von einer Aushärtung unter Wasser gesprochen, was eine Carbonatisierung ausschließt [5].

Die CO₂-Bilanz bezieht sich nur noch auf den Herstellungsprozess von Novacem Zementen.

Die Druckfestigkeitswerte bewegen sich plötzlich in Bereichen von 70 – 80 N/mm².

Die im Jahr 2011 ausgewiesenen Energie- und CO₂-Bilanzen sind nur nachvollziehbar, wenn Novacem Zemente etwa 50 M-% magnesiumhaltige Bestandteile enthält.

Christopher R. Cheeseman, der in der Patentschrift gemeinsam mit Nikoloas Vlasopoulos als Erfinder aufgeführt ist, weist in einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung darauf hin, dass aus MgO und Silicastaub relativ einfach Zemente erzeugt werden können, die nach dem Aushärten aus Magnesiumsilikathydraten (M-S-H)-Phasen bestehen. Hierbei wären Mischungen günstig, die MgO und Microsilica zu gleichen Anteilen enthalten [6].

Auf der ecra-conference 2011 bestätigen die Erfinder den Autoren den angenommenen Verfahrensablauf und die Zusammensetzung von Novacem weitgehend.

Nur ein Teil von Novacem (ca. 50 M-%) besteht aus MgO und (Hydro-)Magnesit, ein weiterer wesentlicher Bestandteil ist amorphe Kieselsäure, die Novacem als „mineralisches Additiv“ ausweist. Wenn die bei der Herstellung von Novacem anfallende Kieselsäure vollständig genutzt wird, dürften die Zemente ein molares Mg/Si-Verhältnis zwischen 1,4 und 1,5 aufweisen; dies sind Werte, die dem Verhältnis in Serpentin und Olivin entsprechen. Da sich nach [7] keine (M-S-H)-Phasen mit einem Mg/Si-Verhältnis größer 1 bilden, ist wahrscheinlich, dass ausgehärtete Novacem Zemente ein Gemisch aus (nicht umgesetztem) Brucit und (M-S-H)-Phasen sind.

Novacem geht in Future Cement (2011) [5] von zwei Zementformulierungen aus, bei beiden liegt das Verhältnis von magnesiumhaltigen Bestandteilen zu Kieselsäure wahrscheinlich bei 1:1. Vom Standard Novacem nehmen wir an, dass die magnesiumhaltigen Bestandteile zu ca. 80 M-% aus reaktivem Magnesia bestehen, die verbleibenden 20 M-% aus (Hydro-)Magnesiten. Im High Carbonate Novacem sind die magnesiumhaltigen Bestandteile anders verteilt: mehr als 50 M-% (Hydro-)Magnesite und der Rest MgO.

Die Technologie: Mineralische Sequestrierung

Als Hauptbestandteil des oberen Erdmantels sind ­Magnesiumsilikate die am häufigsten vorkommenden Silikate und gesteinsbildenden Minerale. Olivin (Mg,Fe)₂SiO₄ ist Hauptbestandteil des Peridotit, eisenfreies Olivin (oder Dunit) ist selten. Umgewandelter, das heißt verwitterter Peridotit bildet Serpentin (Mg,Fe,Ni)₆Si₄O₁₀(OH)₈. Auf Serpentin konzentriert sich die Forschung zur mineralischen Sequestrierung, da er häufiger vorkommt als Olivin. Aller­dings ist sein Aufkommen regional sehr unterschiedlich, am häufigsten ist es in Regionen mit ultramafischen, magmatischen Gesteinen zu finden (Bild 2).

Serpentin kann chemisch und mineralogisch sehr heterogen zusammengesetzt sein und ist mit anderen Mineralien vergesellschaftet. Der nutzbare Magnesiumgehalt und damit die Reaktivität für eine Carbonisierung können daher sehr unterschiedlich sein. Unter dem Gesichtspunkt einer globalen Nutzung dieses Ansatzes zur Herstellung eines Massenbaustoffs kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Gewinnung geeigneter Rohstoffe sich aufwändiger gestaltet als vermutet. Ob Peridotit oder Serpentin für die Zementindustrie vergleichbar universell nutzbare Rohstoffe darstellen wie Kalkstein und Mergel, ist schwer abzuschätzen.

Trotz großer Fortschritte in der Grundlagenforschung, insbesondere zum Verständnis der chemischen Abläufe, ist bisher keine großtechnische Umsetzung realisiert, die auf einem tragbaren ökonomischen Konzept basiert. Ein Knackpunkt ist u. a. die große kinetische Hemmung der Carbonisierung, die bisher eine sehr energieaufwändige Aktivierung der Rohstoffe notwendig macht, um akzeptable Umsetzungsraten zu erreichen [15].

Energieintensive Vorbehandlung der Rohstoffe. Bei Serpentin wird eine thermische Vorbehandlung bei 630 °C favorisiert.

Hochdruckreaktion bei 150 bar und 180 °C. Dabei ist eine intensive Durchmischung der Suspension notwendig. Ein kontinuierlicher Betrieb im großtechnischen Maßstab ist bisher noch nicht realisiert.

Eine nahezu vollständige Umsetzung bei der Hydrothermal-Synthese ist ohne eine aufwändige Vorbehandlung der Rohstoffe bisher nicht realisiert.

Es sind hohe korrosive und abrasive Probleme für die Systemkomponenten zu erwarten.

Das Herstellungsverfahren – ein Modell

Feinmahlung der Rohstoffe,

hydrothermale Reaktion mit CO₂ bei 150 bar und 180 °C,

Calcinierung des Autoklavenprodukts MgCO₃ bei Temperaturen von ca. 700 °C,

partielle Abscheidung und Verdichtung des CO₂,

anschließende Herstellung der (Hydro-)Magnesite,

Abmischung der Produkte.

Welche Methode von den Erfindern gewählt wird, um das im Rauchgas enthaltene CO₂ abzuscheiden und zu verdichten, wissen wir nicht. Wir können nur die Bandbreite für den Energieaufwand angeben, den Verfahren benötigen, die derzeit im Rahmen von CCS entwickelt werden.

Ergebnisse und Diskussion

Der ausschließliche Einsatz von Biomasse für die Produktion eines Massenbaustoffs dürfte unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten ein nicht realistisches Szenario sein, das bestenfalls lokal unbedenklich umsetzbar wäre. Ohnehin stehen entsprechende Energieträger global nicht überall zur Verfügung. Auch darf die Konkurrenzsituation mit anderen Industriezweigen im Hinblick auf den Einsatz dieser Ressource nicht übersehen werden. Die Zuweisung von „Null“-Emissionen basiert auf klimapolitischen Konventionen, bei denen angenommen wird, dass biogene Materialien während ihrer Wachstumsphase der Atmosphäre genauso so viel CO₂ entnehmen, wie sie bei ihrer Verbrennung wieder abgeben (Looping). Die Zulässigkeit dieses Herausrechnens von CO₂-Emissionen wird aus unterschiedlichen Gründen von der Fachwelt immer häufiger hinterfragt. Zudem wird der Energieeinsatz, der mit der Bereitstellung (Intensivwirtschaft) und dem Transport dieser Ressource verbunden ist, von Novacem nicht berücksichtigt.

Im Rahmen unserer Abschätzungen halten wir es nicht für sinnvoll, die CO₂-Emissionen für die Herstellung von einer Tonne Portlandzement (OPC) denen einer Tonne Standard Novacem gegenüber zu stellen, da wir die Eigenschaften und die Funktionalität der Novacem-Zemente nicht genügend einschätzen können. Damit lässt sich auch das Potential dieser Zemente derzeit noch nicht abschätzen. Außer Werten für die Druckfestigkeiten nach 28 Tagen und Angaben zum Erstarrungsverlauf wurden von Novacem keine Informationen zu weiteren Eigenschaften offengelegt. Um Novacem mit Portlandzement vergleichen zu können, müssten Angaben insbesondere zu Formbeständigkeit, Hydratationswärme und Dauerhaftigkeit (Angaben zur Porosität und der Porengrößenverteilung, der Carbonatisierung, zum Widerstand gegen eindringende Chloride sowie zum Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand) vorliegen. Generell muss eine Tonne OPC nicht unbedingt einer Tonne Novacem Zement entsprechen. Aufgrund der fehlenden rohstofflichen Emissionen dürften die CO₂-Emissionen, die bei der Herstellung einer Tonne Novacem entstehen, auf jeden Fall deutlich niedriger sein.

Ausblick