Wie stark tragen Sand, Splitt und Kies zu den Kohlenstoffemissionen von Beton bei?

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Während dieser konkreten Tage … äh … Wochen … äh … fast zwei Wochen habe ich viele Lösungen zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen für die gesamte Wertschöpfungskette des grauen Klebers untersucht, der dafür sorgt, dass unsere Gebäude nicht einstürzen, unsere Brücken stehen bleiben und unsere unterirdischen Arbeitskammern nicht zusammenbrechen. Wir müssen dieses Problem lösen, da es etwa 10 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen und auch einen Teil der Methanemissionen ausmacht.

Ich habe mit einigen potenziell vielversprechenden Startups angefangen, Brimstone und Sublime. Ja, Markennamen, die sich an Risikokapitalgeber richten, nicht an die Zement-, Beton- oder Bauindustrie. Brimstone schien weder die Mineralversorgung im Griff zu haben, noch das Vorkommen der erforderlichen chemischen Bestandteile in gewöhnlichen Gesteinen oder den tatsächlichen Bedarf an Zementzusätzen. Sublime verwendet eindeutig weniger ausgereifte technische Ansätze, die jedoch möglicherweise nur die Hälfte der Energie verbrauchen und mit einer größeren Bandbreite an Materialien funktionieren, darunter recycelter Beton und Lichtbogenofenschlacke. Brimstone wird wahrscheinlich nicht gewinnen, aber Sublime ist zumindest im Rennen, was nicht bedeutet, dass sein Ansatz unbedingt skalierbar oder wirtschaftlich sein wird.

Sublime ist nur eine von zahlreichen Firmen und Organisationen, die versuchen, Lichtbogenöfen auf unterschiedliche Weise zu nutzen, um die Zementemissionen zu reduzieren. Sublime versucht, den Kalk zu reaktivieren. Cambridge Electric Cement recycelt Zement aus Beton, um Kalkstein und dessen Lichtbogenofenemissionen zu ersetzen, und erzeugt so neuen Kalk für neuen Zement. Carbicrete verwendet die Schlacke in Fabriken zur Herstellung von Zementformteilen, indem die Schlacke mit Zuschlagstoffen vermischt und Kohlendioxid eingepresst wird, um einen natürlichen Prozess zu beschleunigen. Das deutsche Unternehmen DRI-EOS experimentiert mit den chemischen Zusätzen der Kalksteinzusätze, um aus der entstehenden Schlacke eine direkter nutzbare Zementsubstanz zu machen. Die Großkonzerne Halcim, BASF und ArcerlorMittal verwenden die Schlacke allesamt in verschiedenen Bereichen der Zementwertschöpfungskette.

Eine weitere Untersuchung von Lösungen zur Dekarbonisierung von Zement hat keine Wundermittel ergeben, aber vielleicht ein paar magische BBs. Basalt wurde mehrfach vorgeschlagen, hat aber nur ein Sechstel des Kalks von Kalkstein, kostet mehr pro Tonne, braucht mehr Energie, um sich in Kalk und Kohlendioxid zu zersetzen, und würde absurde Mengen an wertlosem Abfall hinterlassen. Die Verbrennung von Altreifen für Kalksteinöfen erschien mir als schreckliche Idee, wird aber anscheinend in den USA, Europa und Japan häufig angewandt. Epoxidkleber wurde von vielen vorgeschlagen, ist aber etwa drei- bis viermal so teuer und bringt erhebliche Herausforderungen für die Arbeitsabläufe auf den Baustellen mit sich. Glasfaser als Ersatz für Bewehrungsstahl und Drahtgeflecht wurde erwähnt, hat aber Einschränkungen, auf die ich in einem separaten Artikel eingehen werde. Kalk aus dem Meer zu saugen wäre wie Kohlendioxid aus der Luft zu saugen, ein enorm energieintensiver und teurer Prozess.

Aus klimatischer Sicht wäre es schon sehr vorteilhaft, Wärme einfach zu elektrifizieren. Dies führt jedoch zu höheren Betriebskosten und lässt die Zementhersteller mit ihren Brennerkästen scheuern. Das führt dazu, dass sie nach etwas Billigem zum Verbrennen suchen – selbst nach alten Lkw- und Autoreifen –, statt zu akzeptieren, dass Elektrizität etwas ganz Besonderes ist und tatsächlich die Zukunft darstellt.

Dann gab es Hebel, mit denen Zement ganz vermieden werden konnte. Ein wichtiger Hebel war Chinas verlangsamter Infrastrukturausbau. Ein weiterer wichtiger Hebel war Fertigparkett, auch bekannt als Massivholz. Ebenso gab es Software zur Optimierung der Grundmaterialien, um Überbestellungen zu vermeiden. Dann gab es Software, um Wände auf die Mindestdicke für die erforderliche Festigkeit zu reduzieren. Dann gab es Software, um 10.000 alternative Designs auszuprobieren, um die Designs mit dem geringsten Materialverbrauch zu finden, die den Anforderungen entsprachen. Dies ist bei weitem der wichtigste Hebel, an dem man ziehen kann.

Zuletzt habe ich mich in die schmutzige Welt der ergänzenden zementartigen Materialien (SCMs) gegraben. Ich habe festgestellt, dass wir wahrscheinlich bereits den Höhepunkt des Zementersatzes durch SCMs erreicht haben und größtenteils Flugasche und Hochofenschlacke aus Kohlekraftwerken verwenden, mit einer Beilage aus Bimsstein und Vulkanasche, wo diese billig erhältlich ist. Das hat meine frühere Einschätzung von Kalkstein-gebranntem Ton-Zement (LC3) und gebrannten Tonen im Allgemeinen gedämpft. Wie Bimsstein und Vulkanasche sind sie ein natürlich vorkommendes SCM, müssen aber in einem Ofen gebrannt werden, um wirksam zu sein, sind ungleichmäßig verteilt und kosten mehr als Portlandzement, ganz zu schweigen von der viel billigeren Flugasche und Schlacke, von denen wir Berge haben, ohne die Klimanadel viel stärker zu bewegen.

Die Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff wird in meiner Bewertung ihren großen Auftritt haben, aber heute wollen wir uns dem Sand und Kies zuwenden, der mit Zement, SCMs und Stahl in verschiedenen Formen gemischt wird, um Beton herzustellen. Schließlich ist es der schwerste Massenanteil von Beton, 65-85 %. Angesichts der zig Milliarden Tonnen Beton, die wir jährlich herstellen und verwenden, kann man mit Sicherheit sagen, dass die Erde für Beton bebt.

Ich habe die obige Tabelle zusammengestellt, um ein Gefühl für das Ausmaß der Herausforderung zu bekommen. 28 Milliarden Tonnen Sand und Kies sind eine Herausforderung, aber wie groß ist die Klimaherausforderung? Wenig überraschend ist Chinas Bedarf um Längen größer als der des Rests der Welt, aber wie ich in dem Artikel über die Vermeidung von Zement und Beton anmerkte, geht Chinas Infrastrukturboom zu Ende, da das Land die überwiegende Mehrheit der Städte, Straßen, Eisenbahnen, Brücken und Tunnel gebaut hat, die es benötigte. China baut immer noch enorme Mengen an Wind-, Solar- und Wasserkraft sowie Übertragungsnetzen, aber der Zement- und Betonbedarf für diese Zwecke ist viel geringer als der für Autobahnen und ganze Städte, die 1980 noch nicht oder kaum existierten.

In einer typischen Betonmischung beträgt das Volumenverhältnis etwa 25-30 % Sand und 40-45 % Kies. Bei einem geschätzten Gesamtverbrauch von 28 Milliarden Tonnen Beton in den wichtigsten Regionen entspricht dies etwa 7 bis 8,4 Milliarden Tonnen Sand und 11,2 bis 12,6 Milliarden Tonnen Kies.

Beginnen wir mit Sand. Wie gewinnen wir ihn und welche Auswirkungen hat er? Auf drei Arten: aus dem Flussbett, aus Sand an der Küste und in Küstennähe und durch Steinbrüche.

Beim Flussbettabbau wird Sand mithilfe mechanischer Geräte wie Bagger und Baggerlader direkt aus dem Flussbett gewonnen. Diese Methode ist weit verbreitet, da Flusssand von hoher Qualität ist und sich gut für Bauzwecke eignet. Der Flussbettabbau hat jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt, darunter Ufererosion, Sedimentation und die Zerstörung von Wasserlebensräumen. Diese Veränderungen können die Strömung des Flusses verändern und sich negativ auf lokale Ökosysteme und die Artenvielfalt auswirken. Übermäßige Entnahme kann auch zu einer Verschlechterung der Wasserqualität und einer erhöhten Anfälligkeit für Überschwemmungen führen.

Beim Küsten- und Meeressandabbau wird Sand von Stränden, Dünen und dem Meeresboden abgebaut. Diese Methode kann schwerwiegende Folgen für die Küstenökosysteme haben und zu Stranderosion, Lebensraumverlust für Küsten- und Meeresarten und erhöhter Anfälligkeit der Küstengebiete für Sturmfluten und steigenden Meeresspiegel führen. Insbesondere das Ausbaggern im Meer zerstört den Meeresboden und beeinträchtigt das Meeresleben und die Wasserqualität. Die Entfernung von Sand aus Küstengebieten kann auch die strukturelle Integrität der Küsteninfrastruktur beeinträchtigen.

Beim Sandabbau in Steinbrüchen wird Sand aus Tagebaugruben gewonnen, die sich normalerweise im Landesinneren befinden. Bei dieser Methode werden schwere Maschinen wie Bulldozer und Frontlader eingesetzt, um Sandvorkommen abzubauen. Obwohl der Abbau in Steinbrüchen im Vergleich zum Flussbett- oder Küstenabbau kontrollierter erfolgen kann, stellt er dennoch erhebliche Umweltprobleme dar. Der Abbauprozess führt zu Bodenerosion, Abholzung und Verlust von Lebensräumen. Darüber hinaus verursacht der Abbau in Steinbrüchen Staub- und Lärmbelästigung, die sich auf umliegende Gemeinden und die Tierwelt auswirkt.

Und wie steht es mit Kies? Wenig überraschend gibt es hier Überschneidungen, denn auch hier spielen Steinbrüche und Wasser eine Rolle.

Der Steinbruch ist eine der Hauptmethoden zur Gewinnung von Kies, der in der Betonproduktion verwendet wird. Dabei werden Kiesvorkommen aus natürlichen Felsformationen identifiziert und abgebaut. Sobald ein geeigneter Standort ausgewählt wurde, werden kontrollierte Sprengtechniken eingesetzt, um den Kies aus dem Steinbruchbett zu lösen. Schwere Maschinen wie Bagger, Lader und Bulldozer werden dann verwendet, um das gesprengte Material einzusammeln. Der gewonnene Kies durchläuft eine Reihe von Verarbeitungsschritten, darunter das Zerkleinern, um große Steine ​​in kleinere Stücke zu zerlegen, das Sieben, um sie nach unterschiedlichen Größen zu trennen, und das Waschen, um Verunreinigungen und Feinanteile zu entfernen. Der verarbeitete Kies wird mithilfe von Förderbändern innerhalb des Steinbruchs transportiert und dann mit Lastwagen zu Baustellen oder Lagereinrichtungen gebracht.

Kies für Beton kann auch durch Baggerarbeiten aus Flussbetten und Meeresumgebungen gewonnen werden. Beim Flussbettabbau wird Kies mithilfe von Saugbaggern aus dem Flussbett gewonnen. Diese Methode ist zwar effektiv, unterliegt jedoch Vorschriften, um übermäßige Erosion und ökologische Schäden an Wasserlebensräumen zu verhindern. Beim Meeresbaggern hingegen werden mit Baggern ausgestattete Spezialschiffe eingesetzt, die Kies vom Meeresboden gewinnen. Dieser Prozess muss auch den Umweltvorschriften entsprechen, um die Auswirkungen auf die Meeresökosysteme so gering wie möglich zu halten. Beide Methoden erfordern eine sorgfältige Verwaltung, um Nachhaltigkeit zu gewährleisten, da eine übermäßige Kiesentfernung zur Zerstörung von Lebensräumen, veränderten Wasserströmen und erhöhter Anfälligkeit für Überschwemmungen führen kann.

Wie ich bei meiner Erkundung von SCMs nicht überrascht feststellte, geht es bei Beton darum, was am billigsten und am nächsten kommt. Wenn es um 28 Milliarden Tonnen geht, endet jeder zusätzliche Cent pro Tonne mit einer Menge Nullen dahinter.

Angesichts der vielen gesprengten, ausgebaggerten, zerkleinerten und per Lastwagen transportierten Massen muss die Kohlenstoffschuld pro Tonne doch hoch sein, oder? Wie sich herausstellt, ist sie doch nicht so hoch. Alle oben beschriebenen Schritte sind mechanisch und erfordern weder Hitze noch Druck für chemische Reaktionen. Das heißt, sie verbrauchen im Vergleich zu Zement oder Stahl ziemlich wenig Energie pro Tonne. Das wiederum bedeutet, dass sie ziemlich geringe Emissionen pro Tonne verursachen, etwa 6,5 ​​bis 7 Kilogramm Kohlendioxid pro Tonne Sand oder Zuschlagstoff. Aber wie bereits erwähnt, multipliziert man diesen Wert allein für diese vier großen Regionen mit 28 Milliarden Tonnen. Das sind immer noch etwa 180 bis 190 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr.

Gibt es dafür eine Lösung? Ja, ein paar. Wenn wir Gebäude und Infrastruktur abreißen, brechen wir sie auseinander und bergen den Stahl. Der übrig gebliebene zerkleinerte Beton wird zunehmend als Kiesquelle genutzt, sowohl für Straßenarbeiten als auch für neuen Beton. Wie ich jedoch bei der Untersuchung von Sublime feststellte, das den recycelten Beton mithilfe elektrochemischer Methoden aus dem Zement herauslösen will, um neuen Zement herzustellen, reißen wir nicht annähernd so viel ab, wie wir jährlich bauen, sodass nur etwa 2 Milliarden Tonnen Beton zur Verfügung stehen. Und die Wiederverwendung von Zuschlagstoffen konzentriert sich ebenfalls auf den Westen.

Ich habe einige Zeit damit verbracht, grobe Statistiken zur Wiederverwendung von Zuschlagstoffen aus Quellen wie der National Ready Mixed Concrete Association (NRMCA), der Portland Cement Association (PCA), dem International Journal of Environmental Research and Public Health, der Environmental Protection Agency (EPA) und National Geographic zusammenzutragen. Das ist zwar nicht sehr ausführlich, reicht aber für meine Zwecke aus.

Da die Welt sich weiterentwickelt, das Bevölkerungswachstum irgendwann zwischen 2050 und 2070 endet und große Regionen wie China und Indien beginnen, Beton stärker zu recyceln, ist es wahrscheinlich, dass ein konstanter Wert von etwa 10 % des Zuschlagstoffs aus recyceltem Beton zur Norm wird. Das ist gut, aber das Recycling von Beton erfordert auch Energie.

Gibt es eine Lösung für die Energieemissionen? Natürlich. Denken Sie daran, dass all dieser Sand und Kies, egal ob aus natürlichen oder recycelten Quellen, nur etwas chemische Energie benötigt, um ihn freizusprengen, und eine Menge mechanische Energie, um ihn herumzutransportieren und zu zerkleinern. Elektrizität ist unglaublich effizient bei der Bereitstellung mechanischer Energie, und Elektrizität kann dekarbonisiert werden.

Da die Gewinnung, Zerkleinerung und Beförderung von Sand und Kies parallel zur Dekarbonisierung der Elektrizität elektrifiziert wird, wird sich dieser Teil des Betonemissionsproblems relativ natürlich von selbst lösen. Es ist nicht annähernd das Problem, das Zement und – ein Vorbote – Stahl für Betonemissionen darstellen, und die Elektrifizierung wird es lösen.