Bei der Zementherstellung entstehen große Mengen CO₂ – nicht nur durch den Energiebedarf, sondern vor allem bei der Kalzinierung von Kalkstein. Forschende der ETH Zürich haben nun untersucht, wie sich dieser Prozess mit Direct Air Capture (DAC), also der direkten Entnahme von CO₂ aus der Umgebungsluft, kombinieren lässt. Grundlage ist ein Kalzium-Looping-Verfahren, das mit denselben Kalziumverbindungen arbeitet wie die Zementproduktion.

Für ihre Studie arbeitete die Forschungsgruppe von André Bardow, Professor für Energie- und Prozesssystemtechnik an der ETH Zürich, mit dem US-Unternehmen Heirloom Carbon Technologies zusammen. Das Unternehmen betreibt bereits DAC-Systeme auf Basis von Kalzium-Looping. Die Forschenden konnten ihre Berechnungen dadurch auf Daten aus dem realen Anlagenbetrieb stützen.

Elektrischer Kalzinierofen erleichtert CO₂-Abscheidung

Ausgangspunkt sowohl der Zementherstellung als auch des untersuchten DAC-Verfahrens ist Kalziumkarbonat in Form von Kalkstein. Bei der Kalzinierung wird dieser erhitzt und in Branntkalk und CO₂ zerlegt. Für einen integrierten Prozess soll der dafür benötigte Ofen elektrisch statt mit fossilen Energieträgern betrieben werden.

Damit entfallen die Emissionen aus der Verbrennung von Kohle oder Gas. Zugleich lässt sich das bei der Kalzinierung freigesetzte CO₂ direkt abscheiden, da es nicht mit Verbrennungsabgasen vermischt wird. Allein durch die Elektrifizierung des Ofens und die direkte Abscheidung könnte sich die Klimawirkung der Zementproduktion den Berechnungen zufolge bis 2050 um 78 Prozent reduzieren.

Anschließend wird dem Branntkalk Wasser zugesetzt. Der so gelöschte Kalk nimmt bei Kontakt mit der Umgebungsluft CO₂ auf und wird wieder zu Kalkstein. Dieser kann erneut in den Prozess eingespeist werden. Je häufiger das Kalzium diesen Kreislauf durchläuft, bevor es schließlich zu Zement verarbeitet wird, desto mehr CO₂ wird der Atmosphäre entzogen.

Das aus der Luft aufgenommene CO₂ verbleibt dabei nicht im Zement. Bei der erneuten Kalzinierung wird es freigesetzt, abgeschieden, verdichtet und anschließend zur dauerhaften Speicherung in unterirdische Lagerstätten transportiert. Bei entsprechender Prozessführung könnte die Zementproduktion dadurch insgesamt CO₂-negativ werden.

Energiebedarf bestimmt die Klimabilanz

Die Forschenden untersuchten den Prozess mithilfe einer vorausschauenden Lebenszyklusanalyse. Berücksichtigt wurden die Umweltwirkungen von der Rohstoffgewinnung über Bau und Betrieb der Anlagen bis zur Speicherung des abgeschiedenen CO₂. Neben der Klimabilanz betrachtete das Team auch weitere Faktoren wie Wasser- und Landverbrauch.

Den größten Anteil am Umweltfußabdruck verursacht demnach die für Direct Air Capture benötigte Energie. Deshalb verglichen die Forschenden mehrere Szenarien: den aktuellen US-Strommix, einen stark dekarbonisierten Strommix aus Wind- und Solarenergie sowie ein autonomes System aus Photovoltaik und Batteriespeichern.

In den untersuchten Szenarien entfernen kommerzielle Kalzium-Looping-DAC-Anlagen mit CO₂-Speicherung über ihren gesamten Lebenszyklus mehr CO₂, als sie verursachen. Für 2050 ergibt sich abhängig vom Energiemix eine CO₂-Entnahmeeffizienz von 85 bis 96 Prozent. Pro abgeschiedener und gespeicherter Tonne CO₂ entstehen demnach entlang der Prozesskette zwischen 40 und 150 Kilogramm CO₂. Am günstigsten fällt die Bilanz beim Betrieb mit erneuerbarer Energie aus.

Großindustrieller Einsatz noch offen

Ein Vorteil des Ansatzes liegt in den ähnlichen Prozessschritten von Kalzium-Looping und Zementherstellung. Für die Kopplung wären vor allem zusätzliche Kontaktflächen erforderlich, an denen das Material CO₂ aus der Luft aufnehmen kann. Zudem müsste der Kalzinierofen mit kohlenstoffarmer oder kohlenstofffreier Energie betrieben werden.

Die Studie beschreibt allerdings zunächst das theoretische Potenzial einer solchen Integration. Die Berechnungen beruhen auf Szenarien bis 2050 und setzen eine erhebliche Dekarbonisierung der Stromversorgung voraus. Einige benötigte Komponenten, insbesondere indirekt beheizte elektrische Kalzinieröfen, werden bislang noch nicht großindustriell eingesetzt. Auch die Wirtschaftlichkeit ist offen; eine detaillierte Kostenanalyse war nicht Teil der Untersuchung.