Zementwerke könnten mehr CO₂ aus der Luft holen, als sie selbst verursachen

Zementwerke stoßen enorme Mengen CO₂ aus. Künftig könnten sie einen Teil davon nicht nur vermeiden, sondern zusätzlich aus der Luft holen. Berechnungen für das Jahr 2050 kommen sogar auf eine negative Klimabilanz. Nach einem einzigen zusätzlichen Kreislauf liegt sie bei rund minus 0,15 Tonnen CO₂-Äquivalent pro Tonne Zement. Voraussetzung sind allerdings klimafreundliche Energie und eine dauerhafte Speicherung des abgeschiedenen Kohlendioxids.

Hinter dem Konzept steht ein Team der ETH Zürich. Die Wissenschaftler verbinden die Zementherstellung mit sogenanntem Direct Air Capture, kurz DAC. Dabei wird CO₂ direkt aus der Umgebungsluft entfernt. Für Zementwerke bietet sich dafür ein Verfahren mit Kalzium an. Denn beide Prozesse arbeiten bereits mit denselben Ausgangsstoffen und ähnlichen chemischen Reaktionen. Die Arbeit erschien im Fachjournal Chem Circularity.

Wie Zementwerke CO₂ aus der Luft zurückholen könnten

Der wichtigste Rohstoff für Zement ist Kalkstein, chemisch Kalziumkarbonat. Im Werk wird er stark erhitzt. Dabei zerfällt er in Branntkalk und CO₂. Dieser Vorgang heißt Kalzinierung. Ein Teil der hohen Emissionen entsteht daher direkt aus dem Rohstoff. Weltweit stammen laut ETH etwa fünf bis acht Prozent der CO₂-Emissionen aus der Zementindustrie. Jährlich werden rund vier Milliarden Tonnen Zement produziert.

Für das neue Konzept soll ein elektrisch betriebener Ofen fossile Brennstoffe wie Kohle oder Gas ersetzen. Dadurch entfallen deren Verbrennungsemissionen. Gleichzeitig lässt sich das CO₂ aus der Kalzinierung leichter auffangen. Es ist nicht mit den Abgasen eines fossilen Brenners vermischt. Allein Elektrifizierung und direkte CO₂-Abscheidung könnten die Klimawirkung der Zementproduktion bis 2050 um 78 Prozent senken.

Der Kalk bekommt plötzlich eine zweite Aufgabe

Danach beginnt der ungewöhnliche Teil des Kreislaufs. Wasser verwandelt den Branntkalk in gelöschten Kalk. Dieser kommt in speziellen Luftkontaktoren mit Umgebungsluft in Kontakt und bindet daraus CO₂. Dabei entsteht erneut Kalkstein. Das Material kann anschließend wieder in die Zementherstellung wandern. Durch weitere Durchläufe lässt sich vor der Verarbeitung zusätzliches CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen.

Das eingefangene Kohlendioxid bleibt allerdings nicht dauerhaft im fertigen Zement. Es wird wieder abgetrennt, verdichtet und zu unterirdischen Speicherstätten transportiert. Gerade diese Kombination ermöglicht rechnerisch eine negative Bilanz. Nach einem DAC-Zyklus erreicht das untersuchte System rund −0,15 Tonnen CO₂-Äquivalent je Tonne Zement. Weitere Zyklen senken den Wert in den Berechnungen zusätzlich.

Sauberer Strom entscheidet über die Klimabilanz

Wie groß der Nutzen ausfällt, hängt stark vom Strom ab. Das Abscheiden von CO₂ aus der Luft benötigt viel Energie. Deshalb berechnete das Team verschiedene Szenarien. Dazu gehörten der heutige US-Strommix, ein stark dekarbonisiertes Netz mit Wind- und Solarstrom sowie eine eigenständige Versorgung mit Photovoltaik und Batteriespeichern. Die Energieversorgung verursacht dabei den größten Teil des verbleibenden Umweltfußabdrucks.

Für 2050 errechnen die Autoren eine Netto-Entfernungseffizienz von 85 bis 96 Prozent. Von jeder abgeschiedenen und gespeicherten Tonne CO₂ bleiben damit netto etwa 850 bis 960 Kilogramm entfernt. In der übrigen Prozesskette entstehen zwischen 40 und 150 Kilogramm CO₂. Erstautorin Vittoria Bolongaro erklärt:

Wir konnten zeigen, dass die Klimabilanz der Technologie netto negativ ist, also dass kommerzielle Kalzium-Looping DAC Anlagen mit CO₂-Speicherung mehr CO₂ entfernen, als sie über ihren gesamten Lebensweg verursachen.

Eine Milliarde Tonnen CO₂ wären theoretisch denkbar

Die Lebenszyklusanalyse endet nicht beim Treibhausgas CO₂. Neben der Klimawirkung bewerteten die Forscher 18 weitere Umweltkategorien. Dazu gehören unter anderem Feinstaubbildung, Gewässerbelastungen und Süßwasser-Ökotoxizität. Bei einem Szenario mit einer Milliarde Tonnen netto entferntem CO₂ pro Jahr blieben die zusätzlichen Umweltwirkungen in den meisten Berechnungen unter zwei Prozent des jeweils angesetzten globalen sicheren Handlungsspielraums. Die ETH-Forschungsgruppe nennt für die umfassendere Bewertung einen Höchstwert von weniger als 2,8 Prozent.

Für ihre Berechnungen nutzten die Wissenschaftler auch Daten des US-Unternehmens Heirloom Carbon Technologies. Das Unternehmen betreibt seit 2023 in Kalifornien eine Kalzium-Looping-Anlage mit einer Kapazität von rund 1000 Tonnen CO₂ pro Jahr. „Heirloom war für uns ein idealer Partner, weil das Unternehmen bereits erste Kalzium-Looping-DAC-Systeme in kommerziellem Maßstab betreibt“, sagt Bolongaro.

Bis zum CO₂-negativen Zementwerk fehlen noch wichtige Schritte

Ein CO₂-negatives Zementwerk im großen Industriemaßstab gibt es damit noch nicht. Die Berechnungen beruhen auf Zukunftsszenarien bis 2050. Sie setzen eine weitgehend klimafreundliche Stromversorgung voraus. Zudem sind indirekt elektrisch beheizte Kalzinieröfen bislang nicht großindustriell etabliert. Auch die Kosten der Kombination aus DAC und Zementproduktion wurden in der Untersuchung nicht detailliert berechnet.

Für einen Umbau wären außerdem zusätzliche Luftkontaktoren und größere beziehungsweise angepasste Kalzinieranlagen nötig. Die gemeinsame Kalziumchemie könnte die Integration jedoch erleichtern. Bolongaro gibt sich zuversichtlich:

Aus Klimasicht ist dieser Ansatz sehr vielversprechend als skalierbare Lösung, die sich in bestehende industrielle Lieferketten einfügt und gleichzeitig die Dekarbonisierung des Zementsektors voranbringt.

Ob daraus wirtschaftlich tragfähige CO₂-negative Zementwerke werden, sollen Materialtests, Pilotanlagen und genauere Prozessmodelle klären.

Kurz zusammengefasst:

Zementwerke verursachen große Mengen CO₂, doch elektrisches Brennen und CO₂-Abscheidung könnten ihre Klimabilanz stark verbessern.
Mit Kalzium-Looping könnte Kalk zusätzlich CO₂ direkt aus der Luft aufnehmen, bevor er für die Zementproduktion genutzt wird.
In Modellrechnungen für 2050 erreicht das Verfahren eine negative Klimabilanz, setzt dafür aber klimafreundlichen Strom und dauerhafte CO₂-Speicherung voraus.

Übrigens: Während Zementwerke künftig CO₂ aus der Luft holen könnten, setzt tauender Permafrost in Sibirien immer mehr Methan frei – seit 2010 haben sich die Emissionen dort etwa verdoppelt. Mehr dazu in unserem Artikel.