Q&A: Warum Zementemissionen für den Klimawandel wichtig sind

Ein Bauarbeiter leitet nassen Beton aus einem Zementwagen in das Fundament eines großen Gebäudes. Credit: Peter Righteous/Alamy Stock Photo.

Zuerst hier veröffentlicht.

Wäre die Zementindustrie ein Land, wäre sie der drittgrößte Emittent der Welt.

Im Jahr 2015 verursachte sierund 2,8 Mrd. Tonnen CO2, was 8 % der globalen Gesamtmenge entspricht - ein größerer Anteil als in jedem anderen Land außer China oder den USA.

Der Zementverbrauch wird weiter steigen, da die weltweite Urbanisierung und wirtschaftliche Entwicklung die Nachfrage nach neuen Gebäuden und Infrastrukturen erhöht. Zusammen mit anderen Teilen der Weltwirtschaft muss die Zementindustrie ihre Emissionen drastisch senken, um die Temperaturziele des Pariser Abkommens zu erreichen. Bislang wurden jedoch nur begrenzte Fortschritte erzielt.

Verringerung der Emissionen von Zement. Infografik von RosamundPearce für Carbon Brief.

Was ist Zement?

Zement wird im Bauwesen verwendet, um andere Materialien miteinander zu verbinden. Er wird mit Sand, Kies und Wasser gemischt, umBeton herzustellen, das am häufigsten verwendete Baumaterial der Welt.Jedes Jahr werden mehr als 10 Mrd. Tonnen Beton verbraucht.

Der Industriestandard ist ein Typ namensPortlandzement. Dieser wurdein den frühen 1800er Jahrenerfunden und nach einem zu dieser Zeit in England weit verbreiteten Baustein benannt. Er wird heutein 98 % des Betons weltweit verwendet, wobei jedes Jahr 4 Mrd. Tonnen produziert werden.

Die Produktion vonPortlandklinker, der als Bindemittel dient, ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von Portlandzement. Kalkstein (CaCO3) wird bei hohen Temperaturen in einem Zementofen "gebrannt", um Kalk (CaO) zu erzeugen, was zu einer Freisetzung von Abfall-CO2 führt. Insgesamt läuft die folgende Reaktion ab:

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Warum emittiert Zement so viel CO2?

Etwa die Hälfte der Emissionen von Zement sind Prozessemissionen, die durch die oben beschriebene Reaktion entstehen. Dies ist ein Hauptgrund dafür, dass die Zementemissionen oft als schwer zu reduzieren angesehen werden: Da dieses CO2 durch eine chemische Reaktion freigesetzt wird, kann es nicht durch einen Wechsel des Brennstoffs oder eine Effizienzsteigerung beseitigt werden.

Weitere 40 % der Zementemissionen stammen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, um die Öfen auf die hohen Temperaturen zu heizen, die für diesen Kalzinierungsprozess erforderlich sind. Die letzten 10 % der Emissionen stammen aus den Brennstoffen, die für den Abbau und den Transport der Rohstoffe benötigt werden.

Daher hängen die Zementemissionen weitgehend von dem Anteil des Klinkers ab, der in jeder Tonne Zement verwendet wird. Auch die Art des Brennstoffs und die Effizienz der bei der Klinkerherstellung eingesetzten Anlagen haben einen Einfluss.

Gleichzeitig wird sich die Grundfläche der Gebäude weltweitin den nächsten 40 Jahrenverdoppeln. Das bedeutet, dass die Zementproduktionbis zum Jahr 2030 aufetwa 5 Mrd. Tonnen ansteigen wird, was einem Anstieg von 25 % gegenüber heute entspricht und mehr als das Vierfache des Niveaus von 1990 erreicht.

Effizienzsteigerungen allein werden daher nicht ausreichen, um die Emissionen des Sektors deutlich zu senken.

Welche Länder haben hohe Zementemissionen?

China ist mit Abstand der größte Zementproduzent, weit abgeschlagen folgen Indien und die Länder der EU zusammen, wie die untenstehende Grafik aus einem aktuellenBericht von Chatham House zeigt. Drei Viertel der Zementproduktion seit 1990entfielen auf China, das zwischen 2011 und 2013 mehrZement verbrauchte als die USA im gesamten 20. Jahrhundert.

Zementproduktion und Emissionen von 2010 bis 2015. Quelle: Analyse von Olivier et al. (2016) durch ChathamHouse.

Auch in China ist die Pro-Kopf-Produktion von Zement hoch, da das Land eine rasanteUrbanisierung erlebt und vieleMenschen in Hoch- oder Flachbauten aus Zementziehen. Der chinesische Verbrauch könnte jedochkurz vor einer Abflachung stehen.

Im Gegensatz dazu wird der Verbrauch in Indien aufgrund der raschen Urbanisierungund des Ausbaus der Infrastruktur deutlichansteigen. Das meiste zukünftige Wachstum wird in Indien und anderen Schwellenländern erwartet.

Mann hebt eine Pfanne mit Zement auf ein Gerüst, Punjab, 2011. Bildnachweis: imageBROKER/Alamy Stock Photo.

In Europa sind die bestehenden Ofenanlagen laut Chatham House in der Lage, den zukünftigen Bedarf an Zement zu decken. Die europäischen Zementhersteller gehören auch zu den fortschrittlichsten, was den Einsatz alternativer Brennstoffe angeht, heißt es weiter. Aufgrund ältererAnlagenliegen sie jedoch bei der Energieeffizienz hinter Indien und China zurück.

Auch die USA, der viertgrößte Zementverbraucher, liegt in Bezug auf Energieeffizienz und Klinkeranteil hinter anderen großen Produzenten zurück.

Konnten die Zementemissionen reduziert werden?

Die durchschnittliche CO2-Intensität der Zementproduktion - die Emissionen pro Tonne Ausstoß - ist laut Chatham House in den letzten Jahrzehnten weltweit um 18 % gesunken. Allerdings sind dieEmissionen des Sektors insgesamt deutlich gestiegen, da sich der Bedarf seit 1990 verdreifacht hat.

Fortschritte wurden bisher vor allem in drei Bereichen erzielt:

• Erstens: Effizientere Zementöfen haben die Produktion weniger energieintensiv gemacht. Dies kann noch weiter verbessert werden: Der weltweite durchschnittliche Energieverbrauch pro Tonne Zement ist immer nochetwa 20 % höher als bei der Produktion mit der derzeit besten verfügbaren Technologie und Praxis.
• Zweitens hat auch der Einsatz von alternativen Brennstoffen die Emissionen gesenkt - zum Beispiel durch die Verwendung von Biomasse oder Abfall anstelle von Kohle. Dies ist vor allemin Europa der Fall, wo inzwischen rund 43 % des Brennstoffverbrauchs aus Alternativen stammen, so Chatham House.
• Drittens hat auch die Reduzierung des Anteils von Portlandklinker im Zement die Emissionen gesenkt. "High-Blend"-Zemente können laut Chatham House die Emissionen pro Kilogramm um das bis zu Vierfache reduzieren. Klinker kann durch andere zementähnliche Materialien ersetzt werden, darunter Abfälle aus der Kohleverbrennung und der Stahlherstellung. Dies kann jedoch die Eigenschaften des Zements beeinträchtigen und ist daher nur für einige Endanwendungen geeignet.

Der Weltdurchschnitt des Klinkeranteils (Klinker:Zement) sank2014 auf 0,65, mit einer großen Spanne von 0,57 in China bis 0,87 in Eurasien.

Nach mehreren Jahrzehnten des Fortschritts hat sich die CO2-Intensität von Zementlaut der Internationalen Energieagentur (IEA) von 2014 bis 2016 kaum verändert. Das liegt daran, dass Verbesserungen der Energieeffizienz durch einen leichten Anstieg des Klinkeranteils ausgeglichen wurden, heißt es.

Dennoch waren die Gesamtemissionen von Zement in den letzten Jahren flach oder rückläufig, da die Nachfrage in China abflachte.

BioMason verwendet Bakterien, um Zementsteine zu züchten, die nach eigenen Angaben Kohlenstoff binden können. Kredit: bioMASON, Inc.

Wie weit können die Zementemissionen gesenkt werden?

Die IEAund die von der Industrie geführte Cement Sustainability Initiative (CSI)haben vor kurzem eine neue kohlenstoffarme Roadmap veröffentlicht, die zeigt, wie ihrer Meinung nach die Emissionen in Übereinstimmung mit einem 2C"-Szenario und einem Szenario unter 2C" reduziert werden können. Die Roadmap geht davon aus, dass die Zementnachfrage bis 2050 um 12-23% steigen wird.

Für ein 2C-Szenario - in Übereinstimmung mit der 50%igen Chance, den globalen Temperaturanstieg bis 2100 auf 2C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen - sagt die Roadmap, dass eine Senkung der Zementemissionen um 24% erforderlich ist. (Es ist erwähnenswert, dass dies nicht mit dem PariserAbkommen übereinstimmt, das fordert, dass der Temperaturanstieg zumindest "deutlich unter" 2C bleiben soll).

Die Roadmap stützt sich für diese Emissionssenkungen auf vier Handlungsfelder.

Drei davon sind die bisher von der Zementindustrie verfolgten Strategien zur Emissionsbegrenzung, nämlich verbesserte Energieeffizienz, emissionsärmere Brennstoffe und geringere Klinkeranteile.

So sieht die Roadmap beispielsweise vor, dass der durchschnittliche globale Klinkeranteil bis 2050 von 0,65 auf 0,60 gesenkt werden soll. Dies ist eine große Herausforderung: Chatham House stellt fest, dass bis 2050 etwa 40 % mehr Klinkersubstitute benötigt werden als heute, und das zu einer Zeit, in der die Verfügbarkeit der traditionellen Substitute - Flugasche und Hochofenschlacke - wahrscheinlich abnimmt.

Der vierte Bereich ist "innovative Technologien", was im Wesentlichen eine Abkürzung für die Reduzierung von Emissionen durch Kohlenstoffabscheidung und -speicherung(CCS) ist. Die Roadmap gehtjedoch davon aus, dass die Integration von CCS in der Zementindustrie bis zum Jahr 2030 den kommerziellen Maßstab erreicht. Die Unsicherheitüber das Potenzial einer schnellen Skalierung von CCS und die hohen Kosten sind dieHaupthindernisse für seinen Einsatz bei der Reduzierung von Betonemissionen.

Das untenstehende Diagramm zeigt die Chatham House-Analyse der IEA- und CSI-Zement-Roadmap. Die rot gestrichelte Linie zeigt die 24%ige Emissionsreduktion gemäß dem 2C-Szenario (2DS) bis 2050.

Wege zur Reduzierung der Zementemissionen, die zu einem "Paris-kompatiblen" Pfad führen. Es sind drei Szenarien dargestellt: "Referenztechnologie-Szenario" (RTS), "2C-Szenario" (2DS) und "Jenseits von 2C-Szenario" (B2DS). Quelle: ChathamHouse Analyse von IEA und CSI Technology Roadmap(2018).

In der Roadmap wird auch ein "beyond 2C"-Szenario (B2DS; lila gestrichelte Linie oben) dargestellt, bei dem eine weitaus höhere Emissionsreduktion von 60 % erforderlich wäre. In diesem Szenario müsste sich der Anteil der durch CCS aufgefangenen CO2-Emissionen an den gesamten Zementemissionen im Vergleich zum 2C-Szenario mehr als verdoppeln, bis auf 63 % im Jahr 2050, so die Roadmap. Dies zu erreichen, wird eine Herausforderung sein", heißt es.

Chatham House weist auch darauf hin, dass noch stärkere Reduktionen erforderlich sein werden, wenn sich die Annahmen über den Beitrag von CCS-Technologien als optimistisch erweisen". Es sagt:

"Der Übergang von 2DS erfordert transformative Maßnahmen zur Substitution von Klinker, neuartigen Zementen und CCS sowie eine Reihe von nachfrageseitigen Ansätzen außerhalb des Sektors, um den Gesamtverbrauch zu senken. Diese werden auch kritischer, wenn sich CCS als zu schwierig erweist, um skaliert zu werden."

Können 'neuartige' Zemente die Emissionen senken?

Einige Unternehmen haben "neuartige" Zemente erforscht, die gänzlich ohne Portlandklinker auskommen. Wenn diese Zemente mit den Kosten und der Leistung von Portlandzement mithalten könnten, würden sie eine Möglichkeit bieten, die Emissionen erheblich zu reduzieren.

Bislang hat jedoch noch keiner dieser Zemente eine großflächige kommerzielle Nutzung erreicht und wird derzeit nur in Nischenanwendungen eingesetzt. Darüber hinaus konzentriert sich die Innovation in diesem Sektor eher auf inkrementelle Veränderungen, wie eine globale Patentrecherche von Chatham House zeigt, mit einem begrenzten Fokus auf neuartige Zemente.

Zemente auf Geopolymerbasis beispielsweise sind seit den 1970er Jahren ein Forschungsschwerpunkt. Diese verwenden kein Kalziumkarbonat als Hauptbestandteil, härten bei Raumtemperatur aus und geben nur Wasser ab. Zeobondund banahUKgehören zu den Firmen, die diese Zemente herstellen, wobei beide behaupten, die Emissionen im Vergleich zu Portlandzement um 80-90% zu reduzieren.

Es gibt auch mehrere Firmen, die "kohlenstoffgehärtete" Zemente entwickeln, die beim Aushärten CO2 statt Wasser aufnehmen. Wenn diese CO2-Absorption höher ist als das bei der Herstellung freigesetzte CO2, könnten Zementepotenziell als Kohlenstoffsenke genutzt werden.

Solidia Concrete™ Schlackenblock. Kredit: Solidia

Die US-Firma Solidia behauptetzum Beispiel, dass ihr Beton bis zu 70 % weniger CO2 als Portlandzement ausstößt, einschließlich dieses Sequestrierungsschritts. Das Unternehmen ist jetzt eine Partnerschaft mit dem großen Zementhersteller LafargeHolcim eingegangen.

In ähnlicher Weise behauptete das britische Start-up-Unternehmen Novacem- eine Ausgründung des Imperial College London - im Jahr 2008, dass der Ersatz von Portlandzement durch sein kohlenstoffnegatives"Produktes der Industrie ermöglichen würde, eine Netto-Senke für CO2-Emissionen zu werden. Allerdings gelang es der Firma nicht, genügend Geldmittel aufzubringen, um die Forschung und Produktion fortzusetzen.

Andere Firmen verwenden völlig andere Materialien zur Herstellung von Zement. Das in North Carolina ansässige Startup-Unternehmen Biomasonzum Beispiel verwendet Bakterien, um Zementsteine zu züchten, die nach eigenen Angabensowohl ähnlich stark wie herkömmliches Mauerwerk sind als auch CO2-negativ.

Die folgende Tabelle von Chatham House fasst die Entwicklungsstadien verschiedener alternativer Zementtechnologien zusammen.

Kohlenstoffarme Zemente in verschiedenen Stadien des Innovationszyklus. Quelle: Chatham House (2018).

Was sind die Hindernisse für kohlenstoffarmen Zement?

Es gibt mehrere Gründe, warum klinkerarme oder neuartige Zemente bisher keine breite Anwendung gefunden haben.

Diese Technologien sind weniger erprobt als Portlandzement, der seit Jahrhunderten im Bauwesen verwendet wird. Dies führt zu Widerständen bei den Zementverbrauchern, insbesondere in einer Branche, die - aus offensichtlichen Gründen - dazu neigt, der Sicherheit eine hohe Priorität einzuräumen. Viele dieser neuen Technologien sind auch noch nicht ausgereift genug, um in großem Umfang eingesetzt zu werden.

Die Alternativen haben auch eher begrenzte Anwendungsmöglichkeiten, was bedeutet, dass es möglicherweise keinen einzigen Ersatz für Portlandzement gibt. Ihr Einsatz würde daher eine Abkehr von präskriptiven Normen bedeuten. Derzeit basieren fast alle Normen, Konstruktionsvorschriften und Protokolle für die Prüfung von Zementbindemitteln und Beton auf der Verwendung von Portlandzement, stellt Chatham House fest. Es fügt hinzu:

"Neue Ansätze und vor allem neue Industriestandards erfordern eine Menge Diskussionen und Tests. So kann es beispielsweise Jahrzehnte dauern, bis eine neue Norm in der EU genehmigt und umgesetzt wird."

Jüngste Fortschritte bei der Materialprüfung von Beton könnten es jedoch ermöglichen, seine Chemie besser zu verstehen, was mehr Vertrauen für die Anpassung von Industrienormen schafft.

Alternative Zemente müssen auch in der Lage sein, mit Portlandzement bei den Kosten zu konkurrieren, insbesondere wenn es keinen starken regulatorischen oder politischen Druck gibt, wie z.B. bei den Kohlenstoffpreisen. Die Umstellung könnte jedoch Investitionen in neue Anlagen oder teurere Materialien erfordern, die sich erst nach mehreren Jahren amortisieren könnten, so Chatham House.

Der Zugang zu genügend Rohstoffen, die für einige Zemente benötigt werden, ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt. Zum Beispiel nimmt die lokale Verfügbarkeit vonFlugasche - ein Nebenprodukt der Kohleverbrennung und einer der am häufigsten verwendeten Klinkerersatzstoffe - mit der Schließung von Kohlekraftwerken ab.

Kann die Zementnachfrage reduziert werden?

Eine Verringerung der Nachfrage nach Zement könnte ebenfalls dazu beitragen, die Emissionen zu begrenzen, insbesondere inEntwicklungsländern. Chatham House hebt zum Beispiel hervor, wie städtische Entwürfe, die auf einem "Kapillarnetz"-System und Fußgänger statt Autos basieren, ein Drittel weniger Beton verbrauchen können. In ähnlicher Weise wurden Prinzipien aus gotischen Kathedralen genutzt, um moderne Betonböden zu entwerfen, die 70 % leichter sindals herkömmliche Pendants.

Die Verwendung von Konzepten der "Kreislaufwirtschaft", die die Wiederverwendung modularer Gebäudeteile ermöglichen, kann ebenso eine Rolle spielen wie die Maximierung der Lebensdauer der Infrastruktur. China zum Beispiel ist in die Kritik geraten, weil es neue, minderwertige Gebäude baut, die vielleicht nur 25 bis 30 Jahre stehen, bevor sie abgerissen werden.

Betontreppen, die Teil des Deichs und der Meeresverteidigung am Strand von Blackpool sind. Bildnachweis: Manor Photography/Alamy Stock Photo.

Beton in Gebäuden könnte auchdurch Holzersetzt werden, wodurch möglicherweise CO2 aufgefangen und gespeichert werden kann. Einige neue Arten vonHolzwerkstoffen, wie z.B. Brettsperrholz, schaffen mehr Möglichkeiten für den Bau. Allerdings sind die Kohlenstoffeinsparungen durch die Verwendung von Holz anstelle von Stahl und Beton in Gebäuden nichtgarantiert.

Alter Beton kann auch zerkleinert und in Projekten wie Straßenbau wiederverwendet werden. Allerdings verliert der Beton seine Bindeeigenschaften, wenn kein neuer Klinker hergestellt wird.

Werden Zementemissionen reguliert?

Zement wird oftals zu schwierig für eine Dekarbonisierungangesehen, zusammen mit anderen Sektoren wie Luftfahrt undStahl. Wenn Zementemissionen in der öffentlichen Debatte überhaupt erwähnt werden, wird in der Regel darauf hingewiesen, dass man wenig dagegen tun kann", heißt es in einem aktuellenBericht.

Infolgedessen ist die Zementindustrie im Vergleich zum Energiesektor weniger politischem und kommerziellem Druck ausgesetzt, erklärt FelixPreston gegenüber Carbon Brief. Preston ist Senior Research Fellow bei ChathamHouse und Mitautor des Zementberichts. Er sagt, dass der Sektor immer noch von einer Handvoll großer Firmen dominiert wird, die große Teile des Marktes kontrollieren. Preston fügt hinzu:

"[Diese Firmen] sind oft dominant oder sehr einflussreich in einem geografischen Gebiet sowie auf der globalen Bühne. Ich denke, das hat es schwierig gemacht - und es ist immer noch schwierig - auf radikale Veränderungen zu drängen. Sie sehen nicht unbedingt den unmittelbaren Anreiz, ehrgeizige Maßnahmen zu ergreifen."

Die EU sieht bei Zement ein erhebliches Risiko der Verlagerung von CO2-Emissionen, wasbedeutet, dass er im Rahmen des EU-Emissionshandelssystems (EU ETS) kostenlose Zertifikate erhält. Im Vorfeld derReform des EU-Emissionshandelssystems 2017 hat der Umweltausschuss des Europäischen Parlaments (ENVI)erfolglos vorgeschlagen, diese kostenlose Zuteilungzu beenden. Die Einführung vonCO2-Floor-Preisen -die in mehreren Mitgliedsstaaten in Erwägung gezogen wird - könnte den Sektor dennoch beeinflussen, so Chatham House.

Es wird erwartet, dassChinas Emissionshandelssystem auf Zement ausgeweitet wird, obwohl es in der ersten Phase nur den Energiesektor abdecken wird.

Ergreift die Zementindustrie Maßnahmen?

Im Rahmen der CSI arbeiten Hersteller, die 30 % der weltweiten Zementproduktion ausmachen, seit etwa zwei Jahrzehnten gemeinsam an Nachhaltigkeitsinitiativen, einschließlich Emissionsreduzierungen. Auf der PariserKlimakonferenz kündigtedie GruppePläne an, ihre kollektiven Emissionen bis 2030 um 20-25% zu reduzieren. Dies wäre ein ähnliches Ambitionsniveau wie das oben skizzierte Szenario "unter 2C".

Die WorldCement Association (WCA) entwickelt unterdessen einenClimate Change Action Plan", der noch in diesem Monat veröffentlicht werden soll. Die derzeitige Technologie kann nur die Hälfte der CO2-Einsparungen bringen, die nötig sind, um das 2C-Ziel des Pariser Abkommens zu erreichen, warnte die WCA kürzlich die Delegierten auf ihremGlobal Climate Change Forum" in Paris. Die WCA-Mitglieder repräsentieren eine jährliche Zementproduktionskapazität von mehr als einer Milliarde Tonnen.

Auch die kürzlich gegründete Global Cement and Concrete Association(GCCA) will die Umweltbilanz der Branche verbessern. Sie soll im Januar 2019die Nachhaltigkeitsarbeit der CSI übernehmen.

Mehrere Zementunternehmen haben außerdem bereits einen internen Kohlenstoffpreis eingeführt oder planen die Einführung eines solchen.

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Über den Autor

Jocelyn Timperley hat einen Master-Abschluss in Umweltchemie von der Universität Edinburgh und einen MA in Wissenschaftsjournalismus von der City University London. Zuvor arbeitete sie bei BusinessGreen und berichtete über kohlenstoffarme Politik und die grüne Wirtschaft.