Auswirkungen CO₂-reduzierter Zemente auf den Betonaushärtungsprozess

Die Herstellung von Zement und Beton verursacht einen erheblichen Anteil der weltweiten CO₂-Emissionen. Davon entfällt wiederum ein Großteil auf die Herstellung von Zementklinker als Hauptbestandteil des Zements. Zementklinker entsteht in einem Brennverfahren des Ausgangsstoffgemisches aus Kalkstein (CaCO₃), Ton und Sand und dessen anschließende Vermahlung in Drehrohröfen bei etwa 1.450°C. In diesem Prozess werden etwa zwei Drittel der CO₂-Emissionen durch die chemische Umwandlung von Kalkstein zu Calciumoxid (CaO) und CO₂ verursacht. Das verbleibende Drittel kann der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Gas oder Öl zugeordnet werden, die maßgeblich zum Erreichen der hohen Brenntemperaturen benötigt werden.

Roadmap der Zementindustrie

Die Zementindustrie hat eine strategische Roadmap erarbeitet, mit der die Branche bis zum Jahr 2045 Klimaneutralität erreichen will. Die Strategie beinhaltet drei Hauptstoßrichtungen:

Erstens - die Substitution von fossilen Brennstoffen durch Einsatz von Ersatzbrennstoffen oder durch Elektrifizierung. Bereits heute werden über 70 % der fossilen Energie durch biogene oder Abfallbrennstoffe ersetzt.

Zweitens - die Entwicklung CO₂-reduzierter Zemente. Mit diesem Ansatz soll der Klinkeranteil im Zement reduziert werden, indem zunehmend Hüttensand, Flugasche oder kalzinierte Tone als Zumahlstoffe eingesetzt werden. Dadurch sinken der Anteil des CO₂-intensiven Klinkers und die Emissionen pro Tonne Zement schon heute um bis zu 40 %.

Drittens - CCS- und CCU-Technologien (Abscheidung und Nutzung bzw. Speicherung von CO₂). Dieser Ansatz ist notwendig, da bei der Zementherstellung unvermeidbare Prozessemissionen entstehen, die sich auch langfristig nicht vollständig vermeiden lassen.

Der erste und der dritte Ansatz haben keinen unmittelbaren Einfluss auf den Herstellungsprozess von Betonwaren. Für den zweiten Ansatz sieht es aber anders aus, denn allen CO₂-reduzierten Zementen ist gemein, dass sie eine geringere Hydratationswärme aufweisen und damit im Aushärtungsprozess weniger Wärme abgeben, was den Aushärtungsfortschritt verlangsamen kann. Dieser Sachverhalt soll am Beispiel von kalziniertem Ton dargelegt werden.

Kalzinierte Tone spielen bei der Dekarbonisierung der Zementindustrie eine große Rolle, da sich durch sie der Klinkeranteil im Zement erheblich verringern lässt, ohne dass die Festigkeit oder Dauerhaftigkeit des Betons darunter leidet. Kalzinierte Tone werden durch Erwärmung (Kalzinierung) bei Temperaturen zwischen etwa 600 °C und 850 °C aktiviert. Aktivierung bedeutet hierbei, dass das Kristallwasser sowie andere chemische Verbindungen aus den Tonen entfernt werden. In der Folge entsteht ein hochreaktives Material, das in der Zementherstellung puzzolanische Eigenschaften aufweist. Damit bieten kalzinierte Tone zwei wesentliche Vorteile gegenüber Klinker: Zum einen werden sie bereits bei ca. 800 °C aktiviert – also bei einer im Vergleich zur Entsäuerung von Kalkstein bei 1.450 °C deutlich niedrigeren Temperatur – und verbrauchen somit wesentlich weniger Energie. Zum anderen entstehen beim Kalzinieren nur Metakaolin und Wasserdampf und kein zusätzliches CO₂.

Auswirkungen auf den Aushärtungsprozess

So positiv sich diese Eigenschaften auf die Vermeidung von CO₂-Emissionen auch auswirken, stellt sich doch die Frage, welche Folgen sich daraus für den Aushärtungsprozess von Betonwaren ergeben.

Wie oben dargelegt, weisen CO₂-reduzierte Zemente eine geringere Reaktivität auf als reiner Klinker. Daraus ergibt sich für die Aushärtung von Betonwaren ein verlangsamter Hydratationsprozess. Zusätzlich ist zu bedenken, dass sich auch die Wärmefreisetzung durch den reduzierten Klinkeranteil deutlich verringert. Während handelsüblicher Portlandzement der Klasse CEM I eine Hydratationswärme von 300–400 kJ/kg Zement aufweist, liegen kalzinierte Tone nur bei etwa der Hälfte, also 150–250 kJ/kg. Beide Faktoren führen dazu, dass die für die Herstellung von Betonwaren so wichtige Frühfestigkeit langsamer erreicht wird. In Abb. 1 ist erkennbar, wie groß die Einbußen an Hydratationswärme bei der Verwendung nachhaltiger Zemente gegenüber einem herkömmlichen Portlandzement der Klasse CEM I ausfallen.

Für die Betonerhärtung ergeben sich aus dieser Entwicklungsrichtung nicht unerhebliche Konsequenzen. Bei modernen Fertigungsanlagen für Betonwaren sind Konzepte wie „Time to Market“ und „Inline-Nachbehandlung“ wichtige Faktoren für die Wettbewerbsfähigkeit unserer Branche. Will man beim Einsatz von CO₂-reduziertem Zement keine herstellungsbedingten Nachteile in Kauf nehmen, ist daher der Aushärtungsprozess in den Fokus zu nehmen.

Trägere Reaktion und niedrigere Hydratationswärme

Die sich aus der Anwendung CO₂-reduzierter Zemente ergebende langsamere Reaktionsgeschwindigkeit und niedrigere Hydratationswärme erfordern zumindest die maximale Ausnutzung dieser Wärme durch gute Dämmung der Klimakammer und durch ein leistungsfähiges Umluftsystem, das die Wärme gleichmäßig verteilt. Ob dies dann ausreichend ist, hängt von mehreren Faktoren ab, u. a. in wie vielen Schichten produziert wird und wie hoch der Zementgehalt ist. Zu erwarten ist jedoch, dass man auf kurz oder lang auf eine aktive Beheizung der Härtekammer nicht mehr verzichten kann. Zudem stellt die aktive Beheizung eine gute Möglichkeit dar, dem derzeitigen Trend bei der Zemententwicklung entgegenzuwirken. Denn laut der aus der chemischen Kinetik bekannten Arrhenius-Gleichung steigt die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion mit der Temperatur. Diese Abhängigkeit ist durch die Untersuchung der Hydratationswärmeentwicklung von Weißzement sehr gut belegbar (siehe Abb. 2).

Erkennbar ist, dass die Hydratationswärme des Zements schneller freigesetzt wird, je höher die Temperatur bei der Aushärtung ist. Daher kann die aktive Beheizung dazu beitragen, die geringere Hydratationswärme aus nachhaltigen Zementen zumindest teilweise auszugleichen, wenn eine hohe Frühfestigkeit gefordert ist. Mit der aktiven Beheizung der Härtekammern können dementsprechend nachhaltige Zemente verwendet und CO₂-Emissionen gesenkt werden, ohne bei der Aushärtung große Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Betrachtung der thermischen Energiebedarfe

Nun könnte man einwenden, dass die Minderung der CO₂-Emissionen durch nachhaltige Zemente durch die Emissionen aus der aktiven Beheizung der Härtekammern möglicherweise zunichte gemacht wird. Jedoch ist zu bedenken, dass selbst CO₂-reduzierte Zemente immer noch einen großen thermischen Energiebedarf bei der Herstellung aufweisen, auch wenn dieser gegenüber einem CEM I um beachtliche 10-30 % für die Klasse CEM II und sogar um 20-40 % für die Klasse CEM IV sinkt. Die dem gegenüberstehenden thermischen Energiebedarfe der aktiven Beheizung der Härtekammer sind vergleichsweise gering. Näherungsweise zehrt die aktive Beheizung nur etwa 3-5 % der genannten thermischen Energieeinsparung wieder auf. Diese Zahlen erscheinen plausibel, wenn man bedenkt, dass sich die Aushärtungstemperatur in diesem Fall derzeit um lediglich 30 bis 35 °C erhöht – eine ganz andere Größenordnung als die Differenz von mehreren Hundert Grad bei der Zementherstellung.

Aktive Beheizung der Härtekammern

Zahlreiche Betonwarenhersteller verfügen bereits über eine aktive Beheizung ihrer Härtekammern, doch sind noch längst nicht alle Produzenten damit ausgerüstet. Zurückzuführen ist das mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die damit verbundenen Investitions- und Betriebskosten. Die Investition in eine aktive Beheizung der Härtekammer dürfte sich zukünftig auch finanziell lohnen, denn die CO₂-Emissionen sind bereits im Zementpreis berücksichtigt und die Kosten für CO₂-Emissionszertifikate steigen stetig.

Untersucht man die Option der aktiven Beheizung, ist ebenfalls zu berücksichtigen, dass sich die Zementkosten zum Jahresbeginn 2026 erhöhen dürften. Grund dafür ist, dass auf Importe von günstigen Zementen dann die Kosten von CO₂-Emissionszertifikaten (CBAM-Zertifikate) anfallen, um Wettbewerbsverzerrungen zu verhindern. Auch hier kann eine aktive Beheizung Abhilfe schaffen, denn aufgrund der beschleunigten Entwicklung der Hydratationswärme lässt sich der Zementverbrauch tendenziell senken. Somit könnten die höheren Zementkosten zumindest teilweise wieder ausgeglichen werden. Dies ist jedoch für den jeweiligen Anwendungsfall gesondert zu prüfen.

Geht man von der Prämisse aus, dass sich durch aktive Beheizung die Nachteile CO₂-reduzierter Zemente bei der Aushärtung von Betonwaren kompensieren lassen, stellt sich folgerichtig die weitere Frage, welche Beheizungstechnologie am besten dafür geeignet ist. Daher enthalten die folgenden Abschnitte einige grundlegende Informationen über die verschiedenen Energieträger, um die Auswahl der geeignetsten Beheizungslösung zu erleichtern:

Fossile Brennstoffe: Beheizungsverfahren mit fossilen Brennstoffen sind erprobt, weltweit verfügbar und vergleichsweise kostengünstig. Infolge der gesellschaftspolitischen Debatte und der klimapolitischen Ziele ist jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit damit zu rechnen, dass derartige Verfahren mittelfristig durch CO₂-neutrale Alternativen zu ersetzen sind.

Solarthermie/Photovoltaik: Die Investition in eine Photovoltaikanlage mit dem Ziel, die über das Jahr gerechnet weitgehend konstanten Stromkosten zu senken, mag grundsätzlich sinnvoll erscheinen. Anders sieht es allerdings bei thermischer Energie aus. Bei der Betonerhärtung wird Wärmeenergie größtenteils in der kühleren Jahreshälfte benötigt, in der wenig oder gar keine Energie aus Solarthermie- oder Photovoltaikanlagen zur Verfügung steht. Ohne günstige Speichermöglichkeit für Wärme und Strom erscheint diese Option daher derzeit nicht sinnvoll.

Strom/Wärmepumpen:Grundsätzlich ist Strom in Kombination mit einer Wärmepumpe eine gute Alternative für die klimaneutrale Erzeugung der benötigten thermischen Energie. Die Investitionskosten in eine Industriewärmepumpe sind jedoch im Vergleich zu fossilen Wärmeerzeugern deutlich höher und amortisieren sich erst über einen langen Zeitraum. Zudem ist vor Ort zu prüfen, ob eine ausreichende Wärmequelle – beispielsweise Geothermie oder Abwärme – zur Verfügung steht, denn die Wärmepumpe selbst erzeugt keine Energie, sondern nimmt thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur auf und überträgt sie als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur. Dabei ist die Qualität der Energiequelle entscheidend für den Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

In der Gesamtschau ist keine der genannten Optionen für die aktive Beheizung von Härtekammern uneingeschränkt zu empfehlen. Deshalb verdient eine weitere Alternative nähere Betrachtung, mit der sich die Wahl der Beheizung etwas variabler gestalten lässt: die Warmwassererzeugung.

Wasser ist zwar kein Energieträger, kann aber große Wärmemengen transportieren und in einen über Wärmetauscher gesteuerten Prozess einspeisen. Ist also die Härtekammer mit den entsprechenden Wärmetauschern und einem Warmwasserkreislauf ausgerüstet, lassen sich an einem Ende entweder eine einzelne oder mehrere unterschiedliche Wärmeerzeugungsquellen anschließen. So lässt sich beispielsweise eine zunächst installierte Gasbrennwerttherme später durch eine Wärmepumpe ersetzen, ohne gleich die gesamte Heizungsanlage abbauen zu müssen.

Von Rotho favorisierte Beheizungstechnik

Die oben genannte, von Rotho favorisierte Beheizungstechnik findet mittlerweile immer größeren Zuspruch – und das gleich aus mehreren Gründen:

Die Festlegung auf ein bestimmtes technisches Verfahren lässt sich zu einem späteren Zeitpunkt recht einfach korrigieren.

Rotho bietet seinen Kunden an, die Warmwassererzeugung selbst bereitzustellen. Hierdurch können Kunden die Kosten der Beheizung senken. Ein weiterer Vorteil: Die Heizungsanlage kann von einem ortsansässigen Unternehmen gewartet werden.

Durch den Einbau von Wärmetauschern in die einzelnen Umwälzkreise des Umluftsystems Rotho ProAir kann in der Härtekammer ein sehr gleichmäßiges Klima erzeugt werden. In Verbindung mit einer intelligenten Steuerung lässt sich durch den Einbau mehrerer Wärmetauscher die Wärme gezielt nur dort in die Härtekammer einbringen, wo sie auch benötigt wird.

Optional lässt sich die Abwärme von Hydraulikkühlung und Druckluftkompressoren in den Warmwasserkreislauf einkoppeln.

Bei Rotho-Umluftsystemen lässt sich die Beheizung mittels Warmwasser jederzeit nachrüsten.

Fazit

Durch innovative Entwicklungen in der Zementindustrie stehen den Betonherstellern mittlerweile Zemente mit deutlich günstigerer CO₂-Bilanz zur Verfügung. Diese nachhaltigen Zemente weisen jedoch eine geringere Reaktivität und eine niedrigere Hydratationswärme auf – mit ungünstigen Auswirkungen auf den Aushärtungsprozess von Betonwaren. Wer zukünftig für den Einsatz von klimafreundlichen Zementen gerüstet sein will, kann diese Nachteile durch aktive Beheizung teilweise kompensieren. In der Frage nach der geeignetsten Beheizungstechnik hat sich die Wärmeübertragung mittels Wärmetauscher und einem Warmwasserkreislauf in der Praxis als effizientes Verfahren bewährt. Dieses lässt sich mit unterschiedlichen Energieträgern für die Warmwassererzeugung realisieren und mit einer Wärmerückgewinnung kombinieren.