Abgas oder Luft? Beton bekommt jetzt einen CO₂-Fingerabdruck

Beton kann CO₂ speichern. Forscher können nun nachweisen, ob es aus Abgasen stammt oder aus der Luft – wichtig für Klimabilanzen.

Die Zementproduktion gehört zu den großen Klimaproblemen der Industrie. Schätzungen zufolge gehen rund acht Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen auf ihr Konto. Ausgerechnet dieser Baustoff kann aber auch Kohlendioxid dauerhaft binden. Forschern aus Japan ist nun ein entscheidender Schritt gelungen: Sie können verfolgen, woher das CO₂ in Beton stammt – ob aus Industrieabgasen oder aus der normalen Umgebungsluft.

Für die Klimabilanz ist diese Herkunft nicht unerheblich. Denn CO₂ ist nicht gleich CO₂. Wenn ein Werk fossiles Kohlendioxid aus Abgasen abfängt und im Zement bindet, kann es Emissionen vermeiden. Nimmt der Baustoff dagegen CO₂ aus der Umgebungsluft auf, zählt das eher als Entnahme aus der Atmosphäre.

Beides kann dem Klima helfen, doch für CO₂-Zertifikate, Lebenszyklusanalysen und Unternehmensbilanzen macht der Unterschied viel aus. Diesen können die Forscher nun direkt im Material nachweisen.

Warum CO₂ in Beton jetzt genauer messbar wird

Ein Team um Ippei Maruyama von der University of Tokyo hat nun im Labor geprüft, wie zuverlässig sich diese Herkunft bestimmen lässt. Die Ergebnisse erschienen in Cement and Concrete Research. Für die Bauindustrie ist das mehr als eine technische Detailfrage. Wer Beton künftig als CO₂-Speicher vermarktet, muss belegen können, welches Kohlendioxid wirklich im Material gelandet ist.

„Im Kontext der Kohlenstoffneutralität erkennt das Konzept der CO₂-Bilanzierung an, dass verschiedene CO₂-Quellen einen unterschiedlichen Wert haben“, sagt Maruyama. „Aus dieser Perspektive ist es sehr sinnvoll, den Ursprung von CO₂-Gas, etwa in Beton, zu unterscheiden, wie es in dieser Untersuchung geschehen ist.“

Möglich wird das durch Kohlenstoff-Isotope. Sie wirken wie eine chemische Herkunftsmarke. Kohlenstoff-12 kommt am häufigsten vor. Kohlenstoff-13 ist etwas schwerer. Kohlenstoff-14 zerfällt mit der Zeit. Deshalb steckt in CO₂ aus fossilen Brennstoffen praktisch kein Kohlenstoff-14 mehr. In der Atmosphäre lässt es sich dagegen noch messen.

Fossiles CO₂ hinterlässt eine andere Signatur

Die Spur steckt im Kohlenstoff selbst. Nimmt Zement CO₂ aus einer fossilen Quelle auf, verändert sich seine Isotopen-Zusammensetzung anders als bei normaler Luft. „Wir haben erfolgreich den Anteil von CO₂ bestimmt, der von bestimmten Quellen wie Industrieabgasen stammt, und den Anteil, der aus der Atmosphäre kommt“, berichtet Maruyama.

Für ihre Versuche griffen die Forscher zu gut ausgehärteter Zementpaste. Sie hatte mehr als zweieinhalb Jahre in Kalkwasser gelegen. Danach mahlte das Team das Material zu Pulver und setzte es verschiedenen Bedingungen aus. Ein Teil der Proben kam mit CO₂ aus einer Gasflasche in Kontakt. Ein anderer Teil nahm nur Kohlendioxid aus der normalen Luft auf.

Feuchtigkeit verändert die Aufnahme deutlich

Zement bindet CO₂ nur dann gut, wenn genug Feuchtigkeit vorhanden ist. Zu trocken ist schlecht, zu nass kann ebenfalls bremsen. Im Versuch klappte es bei hoher Luftfeuchtigkeit am besten. Die Forscher testeten Proben bei 33, 60 und 95 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit.

Nach 14 Tagen enthielt das Material bei 95 Prozent Luftfeuchtigkeit 39,12 Gramm CO₂ pro 100 Gramm Zement. Bei 60 Prozent waren es 33,92 Gramm, bei 33 Prozent nur 9,99 Gramm. CO₂ wird dabei nicht einfach wie Luft in einem Schwamm gespeichert. Es muss sich zuerst in Wasser lösen und reagiert dann mit Bestandteilen des Zements. Fehlt Feuchtigkeit, läuft diese Reaktion schlechter. Ist sehr viel Wasser in den Poren, kann es dem Gas den Weg versperren.

Sogar im Labor mischt sich Luft ein

Für spätere Anwendungen ist noch ein anderer Befund wichtig. Selbst im Labor nahm der Zement nicht nur CO₂ aus der Gasflasche auf. Ein kleiner Teil stammte aus der normalen Luft. Die Forscher bezeichnen das als atmosphärische Verunreinigung. Meist lag dieser Anteil unter etwa sieben Prozent. Für genaue CO₂-Bilanzen kann er trotzdem ins Gewicht fallen.

„Ein wichtiger Schwerpunkt war der Bedarf an einer Bewertungsmethode für Situationen, in denen atmosphärische Luft während des CO₂-Fixierungsprozesses in das Abgas gelangt“, erklärt Maruyama. In technischen Anlagen lässt sich solche Luft kaum vollständig ausschließen. Eine Kammer wird geöffnet, Gasströme verändern sich, Umgebungsluft mischt sich ein. Dann bindet der Baustoff am Ende nicht nur das geplante Industrie-CO₂.

Kleine Luftanteile verfälschen die Bilanz

Damit solche Messungen zuverlässiger werden, entwickelte das Team ein neues Rechenmodell. Es wertet Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14 gemeinsam aus. Das ist nötig, weil die chemische Reaktion im Zement die Isotopenwerte leicht verschieben kann. Leichtere und schwerere Kohlenstoffvarianten landen nicht immer im gleichen Verhältnis in den neu entstehenden Carbonaten.

Ohne diese Korrektur kann die Bilanz danebenliegen. In den untersuchten Proben ging es teils nur um wenige Prozent. Doch gerade bei kleinen CO₂-Mengen kann das viel ausmachen. Für Unternehmen, die später CO₂-Gutschriften oder Klimanachweise vorlegen wollen, zählt gerade diese Genauigkeit.

Die Arbeit macht Beton nicht automatisch klimaneutral. Sie liefert vor allem ein Prüfwerkzeug. Hersteller könnten damit belegen, ob ihr Material tatsächlich CO₂ aus einer bestimmten Quelle gebunden hat. Zugleich sinkt das Risiko, Umgebungsluft versehentlich als eingespartes Industrie-CO₂ zu verbuchen.

Noch stammt der Nachweis aus dem Labor. Die Forscher arbeiteten mit gemahlener Zementpaste und klar kontrollierten Bedingungen. In realen Anlagen ändern sich Feuchtigkeit, Gasströme, Temperaturen und Materialmischungen. Deshalb muss sich die Methode erst im industriellen Maßstab bewähren.

Kurz zusammengefasst:

Zement verursacht sehr viel CO₂, kann Kohlendioxid aber auch dauerhaft im Material binden; entscheidend ist deshalb, ob das gespeicherte CO₂ aus Industrieabgasen oder aus der Umgebungsluft stammt.
Forscher um Ippei Maruyama von der University of Tokyo nutzen Kohlenstoff-Isotope als chemische Herkunftsmarke: Fossiles CO₂ enthält praktisch kein Kohlenstoff-14 mehr, Luft-CO₂ dagegen schon.
Die Methode macht Beton nicht automatisch klimaneutral, liefert aber ein wichtiges Prüfwerkzeug für CO₂-Bilanzen, Zertifikate und Klimanachweise.

Übrigens: Wenn Beton künftig CO₂ speichern und seine Herkunft nachweisen kann, wird die nächste Frage noch größer: Wer darf mit entnommenem CO₂ Geld verdienen? Die EU plant dafür einen neuen Markt, in dem Firmen jährlich Millionen Tonnen Kohlendioxid aus der Luft holen könnten – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pexels