K4 - Kohlendioxidreduktion durch kalkarme Klinker und Karbonatisierungshärtung

Abstract

Aufgabenstellung: Das Verbundvorhaben K4 verfolgt das Ziel, den hydratisierten, erhärteten Zementstein aus Alt-beton - sogenannte Recycled Concrete Paste (RCP) - zur Herstellung kalkarmer belitischer Klinker und darauf basierender Zemente nutzbar zu machen. Die Aufgabe besteht darin, durch die Substitution von primärem Kalkstein substanzielle CO2-Minderungen zu erzielen und damit einen direkten Beitrag zur Carbon Direct Avoidance in der Zementindustrie zu leisten. Darüber hinaus soll durch optimierte Betontechnologie das hohe CO2-Aufnahmepotential dieser Zemente bei der industriellen Herstellung karbonatisierungsgehärteter Betonsteinprodukte maximal ausgeschöpft werden. Ziel ist es, das emittierte CO2 dauerhaft als thermodynamisch stabiles Kalziumkarbonat einzubinden. Die Weiterentwicklung des Konzepts vom Labor- in den großtechnischen Maßstab bildet die Grundlage für marktreife Lösungen mit deutlich gesteigerter Produktivitätsrate. Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens: Die Zementindustrie verursacht rund 0,8 Tonnen CO2 pro Tonne Klinker, wobei etwa 60 % der Emissionen rohstoffbedingt und systemimmanent sind. Während energiebedingte Emissionen durch alternative Brennstoffe und Ökostrom reduziert werden können, bleibt die CO2-Freisetzung bei der Kalzinierung von Kalkstein bislang unvermeidlich. Seit Jahrzehnten werden klinkerreduzierte Zemente und Sekundärbrennstoffe erforscht, um die Emissionen zu senken. Neuere Ansätze wie CCS und CCU zielen auf Speicherung bzw. Nutzung des emittierten CO2, wobei insbesondere die mineralische Karbonatisierung durch Reaktion mit Erdalkalisilikaten wie Olivin oder Wollastonit untersucht wird. Die technische Umsetzung ist jedoch durch hohen Energiebedarf und Materialaufwand begrenzt. CCU-Verfahren gelten als risikoärmer, sind jedoch bislang nicht in der Lage, relevante CO2-Mengen zu binden. Das Projekt K4 verfolgt daher ein neuartiges CCU-Konzept, das größere Mengen CO2 dauer-haft speichert und gleichzeitig neue klimafreundliche Produkte ermöglicht. Im Gegensatz zu bestehenden Verfahren, die CO2 in frühen Produktionsphasen wie der Frischbetonherstellung oder in speziell entwickelten Klinkerarten einbringen, setzt K4 auf eine kontrollierte Karbonati-sierung nach der Formgebung und kombiniert diese mit optimierten Hydratationsprozessen, um leistungsstarke Betonsteinprodukte auf der Basis kalkarmer Klinker herzustellen. Ablauf des Vorhabens: Das Projekt K4 verfolgt die Entwicklung kalkarmer, belitischer Klinker unter Verwendung von recyceltem Zementstein sowie deren Anwendung in karbonatisierungsgehärteten Beton-produkten. In sechs aufeinander abgestimmten Arbeitspaketen (AP) wird ein ganzheitlicher Technologiepfad bis zum industriellen Pilotmaßstab umgesetzt. AP1 widmet sich der Herstellung und Optimierung der Klinker sowie der Untersuchung von Karbonatisierungs- und Hydratationsmechanismen. AP2 entwickelt karbonatisierungseffiziente Zemente und optimiert die Systemparameter für maximale CO2-Bindung. In AP3 wird die erforderliche Anlagentechnik einschließlich Mess-, Regel- und Sicherheitstechnik konzipiert und aufgebaut. AP4 überführt die Laborergebnisse in die industrielle Praxis durch Pilotversuche und Upscaling in der Fertigteilproduktion. AP5 bewertet die Produktleistung hinsichtlich Phasenbestand, Festigkeit, Dauerhaftigkeit und Marktfähigkeit. Abschließend analysiert AP6 die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit mittels Lebenszyklusanalysen (LCA/LCCA). Drei zentrale Meilensteine markieren die Herstellung des ersten Klinkers mit RCP, die Verfügbarkeit einer Karbonatisierungsanlage und den erfolgreichen Praxistest im industriellen Maßstab. Wesentliche Ergebnisse: Die Herstellung belitischer Klinker mit hohem Anteil an recyceltem Zementstein konnte erfolgreich vom Labormaßstab in den großtechnischen Maßstab überführt werden. Insgesamt wurden 9.300 kg spezifikationsgerechter Klinker produziert. Durch Optimierung der Rohmehlrezepturen und Prozessparameter wurde ein stabiler Brennprozess etabliert, der die Grundlage für die Entwicklung karbonatisierungseffizienter Zemente bildete. Im Rahmen der Anlagentechnik wurde eine neue Karbonatisierungskammer mit erweitertem Volumen und verbesserter Sensorik realisiert. Die CO2-Ströme wurden messtechnisch erfasst und die Regeltechnik an die Anforderungen der Karbonatisierung angepasst. Die Karbonatisierungsrate konnte durch gezielte Steuerung von Feuchte, Temperatur und CO2-Konzentration optimiert werden. Die Übertragung der Laborergebnisse in die industrielle Praxis gelang durch umfangreiche Feldversuche in einem Fertigteilwerk. Dabei wurden Pflastersteine unter realen Produktions-bedingungen karbonatisiert, ohne negative Auswirkungen auf Frisch- oder Festbetoneigen-schaften, einschließlich der Dauerhaftigkeit. Die ökologische Bewertung ergab, dass durch die Kombination aus RCP-Nutzung, belitischem Klinker und Karbonatisierung eine signifikante Reduktion des Treibhauspotenzials erzielt werden kann. Der K4-Zement verringert die CO2-Emissionen um 20 % pro Tonne Zement im Vergleich zu einem CEM I. Durch Karbonatisierung konnten bis zu 50 kg CO2-eq. pro m² Pflasterstein dauerhaft gebunden werden. Die Verwendung von Grünstrom bei der CO2-Abscheidung senkte das Global Warming Potential (GWP) zusätzlich deutlich. Das Projekt K4 demonstriert somit erfolgreich die technische Machbarkeit und ökologische Wirksamkeit eines innovativen CCU-Konzepts zur CO2-Minderung in der Betonindustrie und liefert eine belastbare Grundlage für die industrielle Umsetzung.