Industrie + Technik

Im ersten Halbjahr 2022 erhöhten die im Industrieverband Körperpflege- und Waschmittel organisierten Unternehmen ihren Gesamtumsatz auf 14,5 Mrd. Euro, das sind 7,1 % mehr als 2021. Diese produzierten Kosmetika (Foto Abfüllanlage) und Körperpflegeprodukte im Wert von 10,7 Mrd. Euro, Wasch-, Pflege- und Reinigungsmittel 3,8 Mrd. Euro. Innerhalb Europas ist Deutschland der größte Markt – vor Großbritannien, Frankreich, Italien und Spanien. Foto: Wayhome Studio / Adobe Stock<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/jbUTZySMGg40CpTiBdWA">

Meldung

Schönheits- und Haushaltspflegeindustrie

Im ersten Halbjahr 2022 erhöhten die im Industrieverband Körperpflege- und Waschmittel organisierten Unternehmen ihren Gesamtumsatz auf 14,5 Mrd. Euro, das sind 7,1 % mehr als 2021. Diese produzierten Kosmetika (Foto Abfüllanlage) und Körperpflegeprodukte im Wert von 10,7 Mrd. Euro, Wasch-, Pfleg...

Prof.Dr.

Zementherstellung verursacht CO2-Emissionen, die die Industrie durch Kreisläufe und Recycling zu senken sucht. Entscheidend ist der Unterschied zwischen neuem und recyceltem Beton. Es gibt Verfahren, die aufbereiteten Beton und CO2 aus der Zementproduktion für Kompositzemente nutzen.Zement und der daraus hergestellte Beton sind die Rohstoffe mit den weltweit höchsten Produktionsmengen. Bereits im Römischen Reich diente Gussmauerwerk (opus caementicium) als Baustoff und Bindemittel. Portlandklinker ist der wichtigste Bestandteil heutiger Zemente. Er wird aus Kalkstein und Tonmineralen bei 1450 °C gebrannt, mit Calciumsulfat zu Zement vermahlen und mit Wasser sowie Zuschlagstoffen wie Sand und Kies zu Beton verarbeitet.Beim Brennen in Drehrohröfen emittiert Kalkstein CO2; die Wärmeproduktion verursacht zusätzliche CO2-Emissionen. In den 1990er Jahren emittierte die Zementindustrie in Deutschland jährlich etwa 27 Millionen Tonnen CO2. Die Emissionen pro Tonne erzeugtem Klinker betrugen zu dieser Zeit zirka 800 kg; davon waren 500 kg prozess- und 300 kg brennstoffbedingt. Seitdem sanken die Emissionen um 20 bis 25 Prozent – vor allem durch Ersetzen fossiler Energieträger und geringeren Klinkergehalt im Zement. Dies entspricht etwa 20 Millionen Tonnen CO2 oder 3 Prozent der gesamten deutschen CO2-Emissionen; der Emissionsanteil der Zementproduktion weltweit entspricht etwa 6 bis 7 Prozent der anthropogenen CO2-Emissionen. Dabei nutzte die deutsche Zementindustrie im Jahr 2019 zu zirka 70 Prozent Brennstoffe wie Autoreifen, Altöl und Klärschlamm. Damit sank der Einsatz fossiler Energieträger.1)<h2 type="main">Kreislaufwirtschaft mit Zement</h2>Die Zement- und Betonindustrie will vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit die Zementherstellung dekarbonisieren und eine Kreislaufwirtschaft etablieren.2)Derzeit wird in Europa zwar ein großer Teil des Betons wiederverwendet, jedoch der darin enthaltene Zement nicht im eigentlichen Sinn recycelt. Eine echte Kreislaufwirtschaft trennt den abgerissenen Altbeton in seine Hauptkomponenten Sand, Kies und Zementstein (recycled concrete paste, RCP, <link href="#nadc20224131156-fig-0001">Fließbild). Aktuell verwendet vor allem der Straßenbau recycelten Beton.3)<figure xml:id="nadc20224131156-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/fmoQSr1NS0OCEICeJVpY"><figcaption><label>Abb.1: </label>Statt Altbeton zu deponieren lässt er sich recyceln und wiederverwenden.</figcaption></figure></figure>Sand und Kies verursachen keine Qualitätseinbußen in neuem Beton. Dagegen muss der Zementstein mit Mineralisierungsverfahren aufbereitet werden. Denn da das Material kaum hydraulische Eigenschaften hat, also nicht mit Wasser härtet, muss es durch Karbonatisieren aktiviert werden.<h2 type="main">CO2-Emissionen reduzieren</h2>Der Portlandklinkeranteil im Zement lässt sich mit Zumahlstoffen wie granulierter Hochofenschlacke und Flugasche verringern, um prozessbedingte CO2-Emissionen bei der Zementherstellung zu reduzieren. Darüber hinaus stehen Abscheiden und Verwenden von CO2 (carbon dioxide capture and utilization, CCU) zusammen mit der RCP-Mineralisation im Vordergrund.4) Die Voraussetzungen hierfür sind:<list><listitem>verbesserte Recyclingtechniken und Verfahren, die Altbeton in Zementstein, Sand und Kies trennen, um RCP herzustellen,</listitem><listitem>Karbonatisierungsverfahren für RCP und</listitem><listitem>Kompositzemente mit karbonatisiertem RCP (cRCP).</listitem></list>Die Karbonatisierung stellt natürliche Prozesse nach. So reagiert CO2 bei der Mineralisierung zu Karbonaten wie CaCO3 und MgCO3 (<link href="#nadc20224131156-fig-0002">Schema). Die freien Standardbildungsenthalpien der an der Karbonatisierungsreaktion beteiligten kohlenstoffhaltigen Verbindungen sind negativ, und der thermodynamische Reaktionsprozess läuft entsprechend freiwillig ab. Im industriellen Maßstab ist der Energieaufwand zur CO2-Mineralisation somit gering. Die Herstellung von Brennstoffen oder Chemikalien wie Methanol aus Kohlendioxid ist allerdings thermodynamisch mit Energieaufwand verbunden.<figure xml:id="nadc20224131156-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/env0754oRhm0EqfEgL6h"><figcaption><label>Abb.2: </label>Molare Standardbildungsenthalpien (GBƟ / kJ·mol–1) einiger kohlenstoffhaltiger Verbindungen und deren Umwandlungen in der Zementindustrie.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Recycelter Zementstein</h2>Gegenwärtig führt das Betonrecycling zu groben Zuschlagstoffen und einer feinen Fraktion, die als recyceltes Betonfeingut (recycled concrete fines, RCF) bekannt ist und aus hydratisiertem Zementleim, feinen Zuschlagstoffen und Sand besteht. Die Qualität, also die Zusammensetzung und Partikelgrößenverteilung von RCF variiert stark und hängt von der Betonquelle sowie dem Recyclingverfahren ab.Erst selektives Betonrecycling führt zu RCP. Seine Reinheit und die zurückgewinnbare Menge bestimmen die Effizienz des gesamten Prozesses. Nach den verfügbaren Daten ist die Produktion von hochwertigem RCP möglich, wenn die Brech- und Mahltechniken verbessert werden. Zudem sind hochwertige Recyclingzuschlagstoffe und -sande notwendig.Nach dem ersten Zerkleinern zusammen mit Entfernen der Bewehrung im Beton (Baustahl) lässt sich durch Mahlen eine Sekundärzerkleinerung durchführen. Im aktuellen Entwicklungsstadium gewinnt ein zweistufiger Prozess aus Beton 10 bis 20 Gewichtsprozent RCP mit passender Zusammensetzung und Feinheit für die Karbonatisierung.Die Zerkleinerungsgeschwindigkeiten und Variation der Zusammensetzung bestimmen die RCP-Qualität mit. Ein Entstaubungssystem trennt den gelösten Zementleim von den gröberen Fraktionen. Dafür ist eine halbmobile Industrieanlage nutzbar (<link href="#nadc20224131156-fig-0003">Foto); sie recycelt Beton selektiv und produziert recycelte Zuschlagstoffe, recycelten Sand und RCP. Die selektive Trennung ist ein mechanischer Prozess, der nur unwesentlich mehr Energie verbraucht als die einfache Zerkleinerung und daher niedrige Verarbeitungskosten hat.<figure xml:id="nadc20224131156-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/qKZ3BMpYRXWj7Z4qW0dV"><figcaption><label>Abb.3: </label>Anlage zum selektiven Recycling von Beton im industriellen Maßstab. Foto: Heidelbergcement</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Zementleim karbonatisieren</h2>Im konventionellen Portlandzement sind Tri- und Dicalciumsilikat mit zirka 70 bis 80 Gewichtsprozent die Hauptbestandteile. Beide Phasen bilden bei der Reaktion mit Wasser (Abbinden des Zements) Calciumsilikathydrat (C-S-H) und Calciumhydroxid (Portlandit). Das CO2 aus der Klinkerproduktion karbonatisiert RCP entweder über ein halbtrockenes oder eine nasses Verfahren. Bei der wässrigen Karbonatisierung des Zementleims laufen mehrere Reaktionen ab, die die Zementklinkerphasen und -hydrate in amorphes Tonerde-Kieselgel (Al2O3-SiO2-Gel), Calciumkarbonat und Wasser umwandeln.5)Ein wesentlicher Vorteil der RCP-Karbonatisierung ist, dass diese bereits bei Normaldruck und -temperaturbedingungen schnell abläuft. Eine vollständige Karbonatisierung ist unter Laborbedingungen in wenigen Stunden erreichbar,4) was im industriellen Maßstab im Zementwerk von Heidelbergcement im norwegischen Brevik bestätigt wurde (<link href="#nadc20224131156-fig-0004">Foto). Dieses Verfahren erreicht eine fast vollständige Mineralisierung der CO2-Prozessemissionen aus der Zementklinkerherstellung mit geringem Energieaufwand.<figure xml:id="nadc20224131156-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/PJKsNYGRMavTAxMIFMe8"><figcaption><label>Abb.4: </label>Zementwerk von Heidelbergcement in Brevik in Norwegen, in dem erste Karbonatisierungen rezyklierten Zementleims im industriellen Maßstab durchgeführt werden. Foto: Heidelbergcement</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Nutzen für Kompositzemente</h2>Unabhängig vom Verfahren ist der karbonisierte Zementleim (cRCP) als Zusatzstoff für Kompositzemente nutzbar. Mit Portlandit, das während der Zementklinkerhydratation entsteht, und Wasser reagiert Tonerde-Kieselgel zu Calcium-Tonerde-Kieselsäurehydraten (C-A-S-H) – das Aluminiumoxidkieselgel hat also die Eigenschaften von Puzzolan. Der Name stammt vom italienischen Ort Pozzuoli westlich Neapels, wo im Altertum Vulkanasche gewonnen wurde. Heute sind Puzzolane kieselsäure- und/oder aluminiumhaltige Materialien, die mit Wasser und Calciumhydroxid zu zementartigen Verbindungen reagieren.Typische Puzzolane wie Flugasche reagieren langsam; Al2O3-SiO2-Gel in cRCP reagiert jedoch schnell, was das Abbinden des Betons verkürzt.6) Die Zemente mit cRCP verhalten sich aufgrund ihrer hohen Druckfestigkeit nach ein bis zwei Tagen wie kalkstein- und flugaschehaltige Kompositzemente. Damit sie sind eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Zumahlstoffen. Dabei liegt die hohe Reaktivität in der großen Oberfläche des Gels begründet: etwa 100 m2·g–1 statt bei Flugasche 1 bis 10 m2·g–1.6)<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Die Zementindustrie in Deutschland und die gesamte Wertschöpfungskette von Zement und Beton arbeiten daran, klimaneutral zu produzieren.Um CO2-Emissionen zu reduzieren, sind die Zement- und Betonherstellung zu verändern sowie Recycling und Wiederverwertung in einer Kreislaufwirtschaft zu nutzen.Mehr Zumahlstoffe wie Hüttensande, Flugaschen und alternative Rohstoffe sollen Emissionen verringern.Zudem arbeitet die Industrie an der Trennung von Altbeton in Zementstein, Sand und Kies sowie an der Karbonatisierung recycelten Zementleims.<h2 type="main">Die Autoren</h2>Den Beitrag haben Volkmar M. Schmidt, Maciej Zajac und Nicolas Pato verfasst. Schmidt ist Professor am Institut für Chemische Verfahrenstechnik an der Hochschule Mannheim. Zu seinen Schwerpunkten gehören elektrochemische Verfahrenstechnik und industrielle Chemie mit fossilen und nachwachsenden Rohstoffen. Zajac ist leitender Wissenschaftler bei Heidelbergcement in Forschung und Entwicklung. Er leitet Projekte zur Entwicklung nachhaltiger Produkte. Pato ist Teamleiter in Forschung und Entwicklung bei Heidelbergcement. Er leitet die Implementierung der neuen Produktionstechnologien in die Zementindustrie. <a href="mailto:v.m.schmidt@hs-mannheim.de">v.m.schmidt@hs-mannheim.de</a><ul class="references" xml:id="nadc20224131156-bibl-0001" style="numbered" cited="no"><li xml:id="nadc20224131156-bib-0001">1 Verein deutscher Zementwerke, Dekarbonisierung von Zement und Beton-Minderungspfade und Handlungsstrategien, Düsseldorf, November 2020</li><li xml:id="nadc20224131156-bib-0002">2 A. T. M. Marsh, A. P. M. Velenturf, S. A. Bernal, J. Cleaner Prod 2022, 362, 132486</li><li xml:id="nadc20224131156-bib-0003">3 C. Zhang, M. Hu, F. Di Maio et al., Sci. Total Environ. 2022, 803, 149892</li><li xml:id="nadc20224131156-bib-0004">4 M. Zajac, J. Skocek, J. Skibsted, M. Ben Haha, RILEM Tech. Lett. 2021, 6, 53</li><li xml:id="nadc20224131156-bib-0005">5 M. Zajac, J. Skibsted, P. Durdzinski et al., Cem. Concr. Res. 2020, 131, 106013</li><li xml:id="nadc20224131156-bib-0006">6 M. Zajac, J. Skocek, P. Durdzinski et al., Cem. Concr. Res. 2020, 134, 106090</li></ul>

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