Dekarbonisierung der Zementherstellung

Aus dem Bauwesen ist Beton nicht wegzudenken. Für die Produktion von Beton wird vor allem Zement benötigt, dessen Herstellung ein emissionsintensiver Prozess ist. Das Problem dabei: Die Emissionen lassen sich nicht durch einen Energieträgerwechsel vermeiden, sie entstehen auch aus dem Herstellungsprozess selbst. Um die Herstellung von CO₂-freiem Zement und Beton zu ermöglichen, ist somit gleichermaßen eine Umstellung auf regenerative Energien sowie die Abscheidung, Speicherung und dauerhafte Lagerung des Kohlenstoffdioxids über Carbon Capture and Storage (CCS) oder die Nutzung des Kohlenstoffs über Carbon Capture and Utilization (CCU) Technologien notwendig.

In Deutschland gab es im Jahr 2020 insgesamt 54 Zementwerke. Die Zementindustrie bietet rund 8.000 Beschäftigten Arbeit, die rund 35 Millionen Tonnen des Grundstoffs herstellen. Der Umsatz der Branche liegt bei rund 3,1 Milliarden Euro pro Jahr. Die Zementindustrie ist somit selbst bereits ein wichtiger Wirtschaftszweig und gleichzeitig eine Schlüsselbranche für das gesamte Bauwesen. Gleichzeitig ist die Zementherstellung sehr Energie- und CO₂-intensiv, wodurch auch die Betonherstellung Kohlendioxid verursacht.

Die Dekarbonisierung der deutschen Zementherstellung löst einen großen Transformationsprozess aus. Nur mit den richtigen Rahmenbedingungen für die gesamte Wertschöpfungskette von Zement und Beton kann die Klimaneutralität des Baustoffs unter Beibehaltung der Technologieführerschaft erreicht werden. In den letzten Jahrzehnten wurde die Energieeffizienz stetig vorangetrieben. Vor dem Hintergrund des klimapolitischen Ziels, bis 2045 in Deutschland die Klimaneutralität zu erreichen, sind neue Konzepte für die Zementherstellung hin zu CO₂-neutralem Zement und Beton notwendig.

Klimasünder Zementklinker

Das größte Problem bei der Zementherstellung ist das Vorprodukt Zementklinker. Von den 54 Zementwerken in Deutschland haben 33 eine eigene Klinkererzeugung. Zementklinker entsteht durch die Entsäuerung von Kalkstein, der aus Steinbrüchen gewonnen und bei 1.450 Grad Celsius zu Branntkalk verarbeitet wird. Branntkalk ist eine Vorstufe des Zementklinkers, aus dem dann Zement entsteht. Bereits die hohen Prozesstemperaturen gehen mit einem hohen Energiebedarf einher. Je nach eingesetztem Brennstoff entstehen dabei unterschiedlich große Mengen CO₂. Allerdings setzt auch der Kalkstein CO₂ frei, wenn er gebrannt wird. Tatsächlich entstehen zwei Drittel des freigesetzten Treibhausgases aus dem Material selbst und nur ein Drittel durch den eingesetzten Energieträger. Diese CO₂-Emissionen sind prozessbedingt und unvermeidbar. Die Produktion einer Tonne Zements nach den heutigen technischen Standards setzt in der Folge rund 600 Kilogramm CO₂ frei. Die Gesamtemissionen der deutschen Zementindustrie liegen bei etwa 20 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr, was in etwa zwei Prozent der deutschen Gesamtemissionen entspricht. Global betrachtet entstehen durch die Zementherstellung pro Jahr 2,8 Milliarden Tonnen CO₂. Das sind rund acht Prozent des globalen CO₂-Ausstoßes. Diese Zahlen verdeutlichen die Notwendigkeit, neue Technologien für eine klimaneutrale Zementherstellung zu finden.

Nicht alle CO2-Emissionen sind vermeidbar

Die deutsche Zementindustrie hat es in den vergangenen 30 Jahren bereits geschafft, die CO₂-Emissionen des Herstellungsprozesses um ein Viertel zu reduzieren. Dies gelang durch die Verringerung des Klinkergehalts im Zement und den zunehmenden Einsatz biomassehaltiger Brennstoffe. Der Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) hat in einer Studie die Pfade für eine Dekarbonisierung von Zement und Beton bis zum Jahr 2050 berechnet. Beim Einsatz der heute verfügbaren CO₂-Minderungstechnologien, einer deutlichen Steigerung der thermischen Effizienz im Herstellungsprozess, einem zusätzlich gesteigerten Einsatz von biomassehaltigen, alternativen Brennstoffen, neu normiertem CEM II/C-Zementen mit verringertem Klinkeranteil sowie einem ressourceneffizienteren Einsatz von Zement durch Weiterentwicklungen im Bauwesen wäre bis 2030 eine Minderung der CO₂-Emissionen um 40 Prozent und bis 2050 um 50 Prozent zum Referenzjahr 1990 möglich.

Anders ausgedrückt: Die verfügbaren und die sich real abzeichnenden technischen Möglichkeiten reichen nicht aus, die CO₂-Emissionen in der Zementherstellung vollständig zu vermeiden.

Potenzial der CO2-Einsparungen in der Zementindustrie bis 2050 — * Davon ca. 21% Minderung durch Maßnahmen der Wertschöpfungskette. Verbleibende Emissionen werden durch den erwarteten Rückgang der Baunachfrage sowie den Beitrag der Rekarbonatisierung reduziert.

Carbon Management

Mit CO2-Abscheidung zu klimaneutralem Beton

Neben dem Referenzszenario hat der VDZ auch ein Szenario berechnet, das eine Dekarbonisierung der Zementherstellung ermöglicht. Auf der einen Seite steht auch hier die Markteinführung von neuen Zementen, die nur noch einen Klinkeranteil zwischen 35 bis 50 Prozent enthalten. Dadurch reduziert sich auch das in der Betonherstellung freigesetzte Kohlendioxid. Als Brennstoff für die Prozesstemperaturen wird in diesem Szenario grüner Wasserstoff eingesetzt. Entscheidend sind allerdings die Abscheidung und Speicherung beziehungsweise Nutzung der aus dem Prozess entstehenden unvermeidbaren CO₂-Emissionen. Durch die Nutzung der Carbon Management-Technologien CCS (Carbon Capture and Storage) und CCU (Carbon Capture and Utilization) könnte laut Szenario der CO₂-Ausstoß bis zum Jahr 2030 um 45 Prozent und bis 2050 zu 100 Prozent reduziert werden.

Klar ist dabei: Die technischen Potenziale, um bei der Herstellung von Zement die CO₂-Emissionen so weit wie möglich herunterzusetzen, müssen gehoben werden. Dennoch bleiben 2050 der Szenario-Berechnung zufolge 10,4 Millionen Tonnen unvermeidbare CO₂ pro Jahr, die durch CCU/S-Technologien eingelagert bzw. der industriellen Weiterverwertung zugeführt werden.

Szenario Klimaneutalität der Zementindustrie bis 2050 — * Davon ca. 21% Minderung durch Maßnahmen der Wertschöpfungskette. Verbleibende Emissionen werden durch den erwarteten Rückgang der Baunachfrage sowie den Beitrag der Rekarbonatisierung reduziert.
** CCUS: Carbon Capture and Utilization/Storage

Nutzung von CO2

Schwer vermeidbares CO₂ kann für industrielle Produktionsprozesse als Rohstoff genutzt werden.

Nutzung von Kohlenstoffdioxid

Speicherung von CO2

Die geologische Speicherung von CO₂ kann ein wichtiger Baustein für eine klimaneutrale Wirtschaft sein.

CCS: CO2 speichern

Erste Demonstrationsanlage in Norwegen

Das Unternehmen Heidelberg Materials zeigt an seinem Zementwerk am norwegischen Standort Brevik, dass es sich bei der CCS-Technologie um ein praktikables und einsatzfähiges Verfahren handelt. 2023 integriert Heidelberg Materials die CCS-Anlage in das bestehende Werk. Ab 2024 sollen dann jährlich 400.000 Tonnen CO₂ aus der Zementproduktion abgeschieden werden. Das entspricht 50 Prozent der Emissionen des Werks.

Das Zementwerk in Brevik ist Teil des Longship-Projekts, mit dem Norwegen die dauerhafte Einlagerung von CO₂ unter dem Meeresboden der Nordsee vorantreibt. Das abgeschiedene CO₂ wird per Schiff vom Werk zur Einspeiseanlage auf hoher See transportiert. Die Lage direkt am Meer prädestiniert das Werk für diese Vorreiterrolle in puncto klimaneutrale Zementherstellung.

In Deutschland ist zunächst der Aufbau einer CO₂-Transportinfrastruktur eine wichtige Voraussetzung, um die technische Abscheidung von CO₂ sinnvoll einzusetzen. Erste Projekte zum Aufbau dieser Infrastruktur laufen bereits.

CO2-Infrastruktur

Zementindustrie auf dem Weg zur Klimaneutralität

Insgesamt spielt die Dekarbonisierung der Zement- und Betonherstellung eine wichtige Rolle für die Transformation der Industrie hin zur Klimaneutralität. Zement wird weiterhin unverzichtbar sein – für Häuser, für Brücken, für Fundamente von z. B. Windkraftanlagen. Ein schneller Umstieg auf erneuerbare Energien und ein beschleunigter Ausbau der Energieerzeugung sind für die Dekarbonisierung der Zementproduktion unerlässlich. Der große Hebel ist der Umgang mit CO₂, das nicht vermieden werden kann. Die Abscheidung und Nutzung von Kohlendioxid, z. B. weiterverarbeitet als Methanol, ermöglicht den Aufbau einer CO₂-Kreislaufwirtschaft und den Schulterschluss mit anderen Industrien. Es gilt, alle möglichen technischen Potenziale zu nutzen.