Kalksandstein als dauerhafter CO2-Speicher
Baustoff bindet klimaschädliche TreibhausgaseProf. Dr. Bernhard Middendorf (Leiter des Fachgebiets Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie an der Universität Kassel) erklärt die Recarbonatisierung und wie sie der Kalksandsteinindustrie beim Weg in die Klimaneutralität helfen kann.
Prof. Dr. Bernhard Middendorf lehrt an der Universität Kassel und hat intensive Untersuchungen zur Recarbonatisierung von Kalksandstein durchgeführt.
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Herr Prof. Dr. Middendorf, worauf basiert die CO2-Speicherfähigkeit von Kalksandsteinen?
Prof. Dr. Bernhard Middendorf: Bei der Recarbonatisierung handelt es sich um eine natürliche chemische Reaktion von zement- und kalkgebundenen Baustoffen. Kalksandsteine verdanken ihre CO2-Speicherfähigkeit dem Bindemittel Branntkalk. Ausgangsstoff ist Kalkstein, der bei 1.000 °C kalziniert wird; als Reaktionsprodukt entsteht Branntkalk. Zur Herstellung von Kalksandsteinen werden Branntkalk und Sand im Verhältnis von 1:12 gemischt und mit Wasser vermengt. Dabei löscht der Branntkalk zu Kalkhydrat ab. Während der Härtung reagiert das Kalkhydrat mit der gelösten Kieselsäure des Sandes zu Calciumsilikathydraten, den CSH-Phasen. Dringt das in der Umgebungsluft vorhandene CO2 während der Nutzungsdauer des Steins in seinen Porenraum ein, reagiert es mit Anteilen der CSH-Phasen zu Calciumkarbonat, dem Ausgangsstoff des Kalkkreislaufs.
Sie haben zwei aktuelle Versuchsreihen zur CO2-Speicherfähigkeit von Kalksandsteinen abgeschlossen. Was haben Sie untersucht?
Prof. Dr. Bernhard Middendorf: Mit den Versuchen wollten wir herausfinden, wie hoch das Speicherpotenzial ist und inwieweit sich das Alter von Kalksandsteinen auf die Speicherfähigkeit auswirkt. Nimmt ein 100 Jahre alter Stein mehr CO2 auf als ein 50 Jahre alter Stein? Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen, wurden frisch hergestellte Steine mit Kalksandsteinen unterschiedlichen Alters untersucht. Der älteste stammte aus dem Jahr 1903. Im ersten Schritt wurden die frisch produzierten Kalksandsteine in dünne Scheiben gesägt. Danach wurden sie mehrere Wochen in einer angereicherten CO2-Atmosphäre gelagert und der Recarbonatisierungsgrad wurde bestimmt. Für den zweiten Teil sind Bohrmehle der historischen Steine entnommen worden, welche ein Prüfinstitut analysiert hat, um den Recarbonatisierungsgrad zu bestimmen.
Wie viel CO2 können Kalksandsteine speichern und wie wirkt sich das Alter der Steine auf ihre Speicherfähigkeit aus?
Prof. Dr. Bernhard Middendorf: Im Rahmen unseres „Zeitraffer“-Recarbonatisierungsversuchs mit frisch hergestellten Kalksandsteinen hat sich gezeigt, dass die CSH-Phasen zu 90 Prozent carbonatisiert wurden. Rechnet man das auf die Massen hoch, lässt sich ableiten, dass Kalksandsteine prinzipiell rund 50 kg CO2 pro Tonne aufnehmen können. Betrachtet man den gesamten ökologischen Fußabdruck, der laut der aktuellen Umweltdeklaration (EPD) bei 126 kg CO2 pro Tonne liegt, nehmen Kalksandsteine während ihres Lebenszyklus rund 40 Prozent des bei ihrer Herstellung entstehenden CO2 wieder auf. Was das Alter der Steine angeht, scheint es, dass die 50 kg CO2 pro Tonne meist nach 50 Jahren erreicht sind und die Speichermenge mit fortschreitendem Alter nur marginal zunimmt. Anstriche und Putze verlangsamen die Recarbonatisierung, verhindern sie aber nicht grundsätzlich; es kommt auf die Dampfdichtigkeit der Beschichtung an. Im Rahmen der Untersuchungen haben wir den Nachweis erbracht, dass Kalksandsteine durch ihre CO2-Aufnahme einen Beitrag zur CO2-Reduktion leisten.
Welche Schlüsse lassen sich aus Ihren Untersuchungsergebnissen für die Transformation der Kalksandsteinindustrie ziehen?
Prof. Dr. Bernhard Middendorf: Die natürliche Recarbonatisierung in den Steinen unterstützt die Decarbonatisierung der Atmosphäre. Wenn ein Teil der bei der Herstellung entstehenden CO2-Emissionen kompensiert wird, verbessert dies die Ökobilanz. Zudem hat sich gezeigt, dass das aufgenommene CO2 chemisch eingebunden wird. Da es bei einem Abbruch und der weiteren Verwertung des Materials nicht austreten kann, handelt es sich um eine dauerhafte Speicherung. Auffällig ist, dass die Recarbonatisierung bei zerkleinertem KS-Recyclingmaterial schneller abläuft, was darauf zurückzuführen ist, dass eine größere Oberfläche die chemische Reaktion beschleunigt. Zudem hat sich gezeigt, dass sich die Festigkeiten von Kalksandsteinen mit steigender CO2-Aufnahme erhöhen.
