Lichtbogenöfen helfen, Klimaherausforderungen der Welt zu lösen

Die Methode, die die Forscher als "ein absolutes Wunder" bezeichnen, nutzt die elektrisch betriebenen Lichtbogenöfen, die für das Stahlrecycling verwendet werden, um gleichzeitig Zement, den kohlenstoffhungrigen Bestandteil von Beton, zu recyceln.

Beton ist nach Wasser das am zweithäufigsten verwendete Material der Welt und für etwa 7,5 % der gesamten anthropogenen CO₂-Emissionen verantwortlich. Eine skalierbare, kostengünstige Methode zur Reduzierung von Betonemissionen bei gleichzeitiger Deckung der globalen Nachfrage ist eine der größten Dekarbonisierungsherausforderungen der Welt.

Die Cambridge-Forscher fanden heraus, dass gebrauchter Zement ein wirksamer Ersatz für Kalkflussmittel ist, das beim Stahlrecycling verwendet wird, um Verunreinigungen zu entfernen. Er endet normalerweise als Abfallprodukt, das als Schlacke bekannt ist. Aber durch den Ersatz von Kalk durch gebrauchten Zement ist das Endprodukt recycelter Zement, der zur Herstellung von neuem Beton verwendet werden kann.

Die von den Cambridge-Forschern entwickelte Zementrecyclingmethode, über die die Zeitschrift "Nature" berichtet, verursacht keine nennenswerten Kosten für die Beton- oder Stahlproduktion und reduziert die Emissionen von Beton und Stahl aufgrund des geringeren Kalkflussmittelbedarfs erheblich.

Jüngste Tests von dem Institut für Materialverarbeitung, einem Partner des Projekts, zeigten, dass recycelter Zement erstmals in einem Elektrolichtbogenofen (EAF) in großem Maßstab hergestellt werden kann. Letztendlich könnte diese Methode emissionsfreien Zement produzieren, wenn der EAF mit erneuerbarer Energie betrieben würde.

"Wir haben eine Reihe von Workshops mit Mitgliedern der Bauindustrie abgehalten, um zu erfahren, wie wir die Emissionen des Sektors reduzieren können", sagte Professor Julian Allwood vom Cambridge Department of Engineering, der die Forschung leitete. "Aus diesen Diskussionen gingen viele großartige Ideen hervor, aber eine Sache, die sie nicht in Betracht ziehen konnten oder wollten, war eine Welt ohne Zement."

Beton wird aus Sand, Kies, Wasser und Zement hergestellt, der als Bindemittel dient. Obwohl es sich um einen kleinen Anteil im Beton handelt, ist Zement für fast 90 % der Betonemissionen verantwortlich. Zement wird durch ein Verfahren namens Klinkering hergestellt, bei dem Kalkstein und andere Rohstoffe zerkleinert und in großen Öfen auf etwa 1.450 °C erhitzt werden. Dieser Prozess wandelt die Materialien in Zement um, setzt aber große Mengen CO₂ frei, da Kalkstein zu Kalk dekarbonisiert.

In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler Ersatzstoffe für Zement untersucht und herausgefunden, dass etwa die Hälfte des Zements im Beton durch alternative Materialien wie Flugasche ersetzt werden kann. Diese Alternativen müssen jedoch durch den verbleibenden Zement chemisch aktiviert werden, um auszuhärten.

Der Klinkerprozess erfordert Wärme und die richtige Kombination von Oxiden, die alle in gebrauchtem Zement enthalten sind, aber reaktiviert werden müssen. Die Forscher testeten eine Reihe von Schlacken, die aus Abbruchabfällen hergestellt und mit Kalk, Aluminiumoxid und Kieselsäure versetzt wurden. Die Schlacken wurden im EAF des Materials Processing Institute mit geschmolzenem Stahl verarbeitet und schnell abgekühlt.

"Wir haben festgestellt, dass die Kombination aus Zementklinker und Eisenoxid eine ausgezeichnete Stahlschlacke ist, da sie schäumt und gut fließt", sagte Dunant. "Und wenn man das richtige Gleichgewicht findet und die Schlacke schnell genug abkühlt, erhält man am Ende reaktivierten Zement, ohne den Stahlherstellungsprozess zu belasten."

Der durch diesen Recyclingprozess hergestellte Zement enthält einen höheren Eisenoxidgehalt als herkömmlicher Zement, aber die Forscher sagen, dass dies nur geringe Auswirkungen auf die Leistung hat.

Cambridge Electric Cement

Der Prozess hat sich schnell skaliert, und die Forscher sagen, dass sie bis 2050 eine Milliarde Tonnen pro Jahr produzieren könnten, was etwa einem Viertel der derzeitigen jährlichen Zementproduktion entspricht.

"Die Herstellung von emissionsfreiem Zement ist ein absolutes Wunder, aber wir müssen auch die Menge an Zement und Beton reduzieren, die wir verwenden", sagte Allwood. "Beton ist billig, stark und kann fast überall hergestellt werden, aber wir verwenden einfach viel zu viel davon. Wir könnten die Menge an Beton drastisch reduzieren, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen, aber es muss der politische Wille vorhanden sein, dies zu erreichen.

"Wir hoffen, dass Cambridge Electric Cement nicht nur ein Durchbruch für die Bauindustrie ist, sondern auch ein Zeichen dafür ist, dass die Regierung erkennt, dass die Innovationsmöglichkeiten auf unserem Weg zu Null-Emissionen weit über den Energiesektor hinausgehen."

Die Forscher haben ein Patent auf das Verfahren angemeldet, um seine Kommerzialisierung zu unterstützen. Die Forschung wurde teilweise von Innovate UK und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) unterstützt, der Teil von UK Research and Innovation (UKRI) ist. Julian Allwood ist Fellow des St. Catharine's College in Cambridge.

Quelle: University of Cambridge / Foto: Institut für Materialverarbeitung