Wie Zementwerke der Atmosphäre CO₂ entziehen können
Neue Lebenszyklusanalyse zeigt, wie Kalzium-Looping-DAC die Klimawirkung der Zementproduktion um 78 Prozent senken kann
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Die Herstellung von Zement gehört weltweit zu den grössten industriellen CO₂-Verursachern. Eine neue Studie zeigt nun, wie sich die Zementproduktion künftig nutzen liesse, um CO₂ aus der Atmosphäre zu entfernen. Grundlage dafür ist eine Technologie auf der Basis von Kalk.
Zement gehört zu den am meisten nachgefragten Baumaterialien unserer Zeit. Weltweit werden jährlich rund vier Milliarden Tonnen davon produziert. Die Herstellung von Zement ist energieintensiv, und während des Verfahrens entstehen Treibhausgase – vor allem bei der thermischen Zersetzung von Kalkstein, dem wichtigsten natürlichen Rohstoff für Zement.
ETH-Forschende zeigen in einer neuen Studie, dass diese Emissionen stark gesenkt werden könnten, wenn die Zementproduktion mit einer Technologie zur direkten Entfernung von CO₂ aus der Atmosphäre, dem sogenannten Direct Air Capture (DAC), gekoppelt würde.
Nach den Berechnungen der Forschenden aus der Gruppe von André Bardow, Professor für Energie- und Prozesssystemtechnik, könnte die Klimawirkung der Zementproduktion bis 2050 deutlich reduziert werden. Aktuell ist sie für fünf bis acht Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich. «Aus einer Klimaperspektive ist die Kombination von DAC und Zementproduktion sehr vielversprechend», sagt Vittoria Bolongaro, Doktorandin bei Bardow und Erstautorin der Publikation.
Synergien nutzen
Für die Studie haben die Forschenden mit dem US-Unternehmen Heirloom Carbon Technologies zusammengearbeitet. Dieses gehört zu den weltweit führenden Entwicklern von DAC basierend auf Kalzium-Looping. Ein Verfahren, das sich einen chemischen Kreislauf mit verschiedenen Kalziumverbindungen zunutze macht. Ausgangspunkt ist Kalziumkarbonat, also Kalkstein, der weltweit in Kalksteinbrüchen abgebaut wird. DAC-Anlagen mit Kalzium-Looping und Zementwerke arbeiten mit denselben Kalziumverbindungen und nutzen denselben Prozess: Sie erhitzen Kalkstein, bis er in Branntkalk und CO₂ zerfällt – ein Vorgang, den man Kalzinierung nennt.
Bei der integrierten Zementproduktion mit Kalzium-Looping-DAC wird für die Kalzinierung ein Ofen verwendet, der mit Strom betrieben wird anstelle mit fossilen Energieträgern, zum Beispiel Kohle oder Gas. Dadurch werden Treibhausgasemissionen durch den Verbrennungsofen vermieden. Zugleich kann das im Kalzinierungsprozess anfallende CO₂ direkt abgeschieden werden, weil es nicht durch Verbrennungsabgase verunreinigt wird. Allein durch die Elektrifizierung des Ofens und die direkte CO₂-Abscheidung, könnte die Klimawirkung der Zementproduktion bis 2050 um 78 Prozent gesenkt werden, so die Berechnungen in der Studie.
Nach Zugabe von Wasser zum Branntkalk nimmt der so gelöschte Kalk weiteres CO₂ aus der Atmosphäre auf und wird wieder zu Kalkstein. Dieser kann erneut als Rohstoff für die Zementproduktion genutzt werden. Je öfter das Kalzium diesen Luftkontakt-Kreislauf durchläuft, bevor es zu Zement weiterverarbeitet wird, desto mehr CO₂ entzieht die Anlage der Atmosphäre. Dadurch könnte die Zementproduktion sogar CO₂-negativ werden. Das aus der Atmosphäre eingefangene CO₂ wird dabei nicht im Zement gebunden, sondern verdichtet und in unterirdische Lagerstätten transportiert.
Zahlen aus dem echten Betrieb
«Heirloom war für uns ein idealer Partner, weil das Unternehmen bereits erste Kalzium-Looping-DAC-Systeme in kommerziellem Massstab betreibt», sagt Bolongaro. In Kalifornien betreibt das Unternehmen seit 2023 eine Anlage mit einer jährlichen Kapazität von rund 1000 Tonnen CO₂.
Eine weitere, deutlich grössere Anlage soll in den nächsten Jahren in Louisiana gebaut werden. «Die Kooperation war für beide Seiten interessant: Unser Partner wollte mehr über den Umwelt-Fussabdruck der Technologie erfahren – und wir konnten unsere Berechnungen und Szenarien auf primäre Industriedaten aus dem realen Betrieb stützen», erzählt Bolongaro.
Die aktuelle Studie sei die erste vorausschauende Lebenszyklusanalyse für DAC mit Kalzium-Looping im industriellen Massstab. Dabei haben die Forschenden nicht nur der Betrieb der Anlage, sondern sämtliche Umweltwirkungen entlang der Prozesskette betrachtet; von der Rohstoffgewinnung über den Bau und den Betrieb der Anlage bis hin zur Speicherung des abgeschiedenen CO₂.
Zunächst wollten Bolongaro und ihr Team herausfinden, ob grössere, kommerzielle Anlagen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg mehr CO₂ entfernen, als sie verursachen. In einem zweiten Schritt prüften die Forschenden, ob die Reduktion der CO₂-Emissionen zulasten anderer Umweltfaktoren geht, wie zum Beispiel des Wasser- oder Landverbrauchs.
Dabei zeigte sich, dass der mit Abstand grösste Anteil des Umweltfussabdrucks auf die benötigte Energie für das Verfahren entfällt, da die Abtrennung von CO₂ aus der Luft sehr energieintensiv ist. Dies gilt auch für andere DAC-Verfahren. Im Rahmen der Studie wurden deshalb verschiedene Energieszenarien getestet: der Betrieb der Anlage mit dem aktuellen US-Strommix, mit einem stark dekarbonisierten Strommix aus Wind- und Solarenergie sowie mit einem vollständig autonomen System mit Photovoltaik und Batteriespeichern.
«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 », sagt Bolongaro. «Je nach Energiemix, den wir in den Hochrechnungen verwendeten, beträgt die Effizienz der CO₂-Entnahme bis 2050 zwischen 85 und 96 Prozent.» Anders gesagt: Für jede Tonne CO2, die abgeschieden und gespeichert wird, entstehen in der Prozesskette 40 bis 150 kg CO₂. Das sei vergleichbar mit Werten von anderen DAC-Systemen. Die Effizienz ist dann am höchsten, wenn die Anlage mit erneuerbarer Energie betrieben wird.
Was der Praxistest noch zeigen muss
«Der grosse Vorteil von DAC-Anlagen mit Kalzium-Looping ist, dass sich diese Technologie in ein gut etabliertes Verfahren der Zementherstellung integrieren lässt», erklärt Bolongaro. Die nötigen Anpassungen, um die Zementherstellung mit DAC zu koppeln, seien relativ einfach.
Es brauche in erster Linie zusätzliche Kontaktstellen für die Luft, um CO₂ aus der Atmosphäre zu binden. Ausserdem müsse der Ofen, in dem Kalkstein bei hohen Temperaturen zersetzt wird, mit kohlenstoffarmer oder kohlenstofffreier Energie betrieben werden, um eine möglichst hohe Netto-Entnahme zu gewährleisten.
«Aus Klimasicht ist dieser Ansatz sehr vielversprechend als skalierbare Lösung, die sich in bestehende industrielle Lieferketten einfügt und gleichzeitig die Dekarbonisierung des Zementsektors voranbringt», sagt Bolognaro. Nun sei eine genauere Untersuchung der physikalischen und wirtschaftlichen Grenzen dieser Integration nötig.
Die zentralen Berechnungen für die Studie basieren auf Zukunftsszenarien bis 2050 und setzen erhebliche Fortschritte bei der Dekarbonisierung der Stromversorgung voraus. Zudem befinden sich einige der Anlagenkomponenten, insbesondere indirekt beheizte Elektro-Kalzinieröfen, noch nicht in grossindustriellem Einsatz. Es ist deshalb noch offen, ob sich das System wirtschaftlich betreiben lässt; eine detaillierte Kostenanalyse war nicht Teil der Studie.
Für Bolongaro sind die Resultate deshalb vor allem ein wichtiger Ausgangspunkt, der das Klimapotenzial des Ansatzes aufzeigt.
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