Wie in den meisten Industrien auf der ganzen Welt ist die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen ein zentraler Schwerpunkt für die Zement- und Betonbranche. Mit dem Ziel, bis 2030 den Betonverbrauch um 25 Prozent und den Zementverbrauch um 20 Prozent zu senken, nimmt die Suche nach Lösungen immer mehr Fahrt auf – und Graphen bewährt sich auf mehreren Stufen der Lieferkette.
Der Wettlauf um umweltfreundlichere Zement- und Betonlösungen läuft auf Hochtouren.
Die Industrie sucht nach mehr als nur Laborforschung und schreit nach kommerziell realisierbaren Optionen, um den CO2-Fußabdruck zu reduzieren, der mit der Herstellung und Verwendung von Zement und Beton einhergeht.
In den letzten 30 Jahren hat der Betonverbrauch exponentiell zugenommen, was vor allem auf den Wirtschaftsboom in China zurückzuführen ist. Laut der Global Cement and Concrete Association verbrauchte die Welt im Jahr 2020 14 Milliarden Kubikmeter – oder 4,2 Milliarden Tonnen – Beton.
Dabei handelt es sich um denselben Verband, der sich verpflichtet hat, bis 2030 eine Reduzierung der Kohlenstoffemissionen aus Beton um 25 Prozent und der Zementemissionen um 20 Prozent sowie bis 2050 einen Netto-Nullpunkt zu erreichen. Um dies zu erreichen, müssen die Emissionen in jeder Phase berücksichtigt werden die Lieferkette für Zement und Beton, vom Bergbau und Steinbruch der Rohstoffe über Produktionsprozesse bis hin zur Art und Weise, wie Bauwerke entworfen und gebaut werden.
Beton ist nach Wasser das am zweithäufigsten genutzte Gut der Welt. Es handelt sich um ein wesentliches Produkt der gebauten Umwelt, und da die Bevölkerung weiter zunimmt, steigen auch die Menge des verwendeten Betons und die Menge an Zement, die für die Herstellung dieses Betons erforderlich ist.
Und darin liegt die Herausforderung, denn für jede hergestellte Tonne Zement entstehen zwischen 650 kg und 900 kg Kohlendioxid (CO2). Dies ist der Hauptgrund dafür, dass die Zement- und Betonbranche für rund 8 Prozent aller weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist.
Ein Teil der Strategie der Betonindustrie, ihr 25-Prozent-Ziel zu erreichen, beruht darauf, dass die Zementhersteller umweltfreundlichere Produkte anbieten.
Kalzinierung und Emissionen
Eine der Hauptemissionsquellen ist die Erhitzung von Kalziumkarbonat (hauptsächlich aus Kalkstein gewonnen).
Durch den Erhitzungsprozess wird das Calciumcarbonat zu Calciumsilikaten bzw. Klinker und CO2 verschmolzen. Klinker ist das wichtigste Bindemittel im Zement und verfügt über außerordentlich gute Bindungseigenschaften, die für die strukturelle Festigkeit von Beton unerlässlich sind.
Der Prozess erfordert jedoch auch extrem hohe Temperaturen von bis zu 1.450 °C, und das Erreichen dieser Temperaturen erfordert einen erheblichen Energieaufwand, der bei aktuellen Herstellungsprozessen typischerweise mit fossiler Brennstoffen erzeugter Energie verbunden ist.
Das gesamte CO2 aus diesem Prozess des Erhitzens und Verschmelzens ist ein unerwünschtes Nebenprodukt und der größte Teil wird in die Atmosphäre freigesetzt.
Ein Hauptaugenmerk bei der Emissionsreduzierung liegt auf der Reduzierung der benötigten Klinkermenge zugunsten von Ersatzprodukten, sogenannten Supplementary Cementitious Materials (SCMs). Ein seit langem bestehendes Problem besteht jedoch darin, dass die meisten SCMs nicht die gleichen Bindungseigenschaften wie Klinker aufweisen, was bedeutet, dass Beton, der aus Zement mit niedrigerem Klinkerfaktor hergestellt wird, in vielen Anwendungen eine geringere Leistung aufweist.
Die Rolle von Graphen
Seit einiger Zeit ist relativ gut bekannt, dass kleine Zugaben von reinem Graphen die Leistung von Zementen mit niedrigem Klinkerfaktor verbessern können. Im Wesentlichen dient Graphen als Ersatzbindemittel, sodass mehr SCMs und weniger Klinker verwendet werden können, um gleichwertige oder verbesserte Leistungsergebnisse zu erzielen.
First Graphene und seine Industrie- und Forschungspartner konzentrierten sich zunächst auf Möglichkeiten, PureGRAPH® durch Beimischungen in Betonprodukte einzuarbeiten, und entwickelten eine Reihe von Formulierungen, um eine gleichmäßige Einarbeitung in die Betonmischung zu erleichtern.
Die Herausforderung bestand zunächst darin, eine Möglichkeit zu finden, Graphen gleichmäßig in der Betonmischung zu verteilen. Neben der Überarbeitung mechanischer Prozesse wurde festgestellt, dass größere Plättchengrößen leichter eingearbeitet werden können als kleinere. Aus diesem Grund hat First Graphene sein einzigartiges Produkt PureGRAPH 50 entwickelt, das aus 50 Mikron großen Graphenplättchen besteht und die optimierte Lösung für den Einsatz in Zement- und Betonanwendungen darstellt.
Das Einarbeiten von Zusatzmitteln erfordert jedoch zusätzliche Schritte im Betonherstellungsprozess und Änderungen der aktuellen „Rezeptur“.
In jüngerer Zeit hat sich der Schwerpunkt jedoch weiter nach oben verlagert, um die Zugabe von PureGRAPH 50 zu gewöhnlichem Portlandzement zu ermöglichen. Dies dient einer Reihe wichtiger Zwecke.
Es ermöglicht Zementherstellern, das GCCA-Ziel einer 20-prozentigen Reduzierung der Emissionen im Zementsektor bis 2030 zu verfolgen und gleichzeitig Betonunternehmen umweltfreundlichere Produkte anzubieten, die die gleichen oder verbesserte Leistungsmerkmale zu ihren bestehenden Angeboten mit höherem Klinkerfaktor bieten. Dies wiederum bietet diesen konkreten Unternehmen einen Weg zur Erreichung des 25-prozentigen Emissionsreduktionsziels für diesen Sektor.
Der mit Graphen angereicherte Zement ermöglicht es Betonlieferanten auch, Mischungen mit der richtigen strukturellen Integrität herzustellenohne dass bestehende Produktionsmethoden geändert werden müssen, wie dies bei der Verwendung von Zusatzmitteln erforderlich sein kann.
Der effizienteste Weg, PureGRAPH 50 in Zement einzuarbeiten, sind Mahlhilfsmittel, die in der letzten Mahlphase der Zementherstellung zur Reduzierung der Partikelgröße eingesetzt werden. Auch mit Graphen angereicherte Mahlhilfsmittel haben sich zunächst als vielversprechend erwiesen, um die Verklumpung von Zement im Laufe der Zeit zu reduzieren.
Weitere Fortschritte bei Zement und Beton
Es gibt mehrere Bereiche, die gleichzeitig erforscht, getestet und kommerzialisiert werden, da die Industrie bestrebt ist, schnell Emissionsreduzierungen zu erreichen.
Eine kürzlich veröffentlichte Studie der University of Wollongong und einer australischen Wasser-, Abwasser- und Entwässerungsbehörde hat die Vorteile der Verwendung von PureGRAPH 50 zur Verbesserung der Haltbarkeit von Beton und Mörtel bestätigt, die korrosiven Wasserumgebungen ausgesetzt sind.
In dem von Experten begutachteten Papier zeigten die Ergebnisse, dass Graphenbeton und Reparaturmörtel basierend auf der Mischungsformulierung für die Abwasserinfrastruktur zu einer Verbesserung der 28-Tage-Druckfestigkeit um 10 bis 20 Prozent führten.
Als beste Zugabemenge wurde 0,02 – 0,1 Prozent PureGRAPH 50 ermittelt.
Wichtig für den Einsatz unter solch rauen Bedingungen ist, dass sich die Sulfat- und Chloridbeständigkeit erheblich verbessert hat, zusätzlich zu einer Verringerung der Wasserdurchlässigkeit bei mit Graphen angereichertem Beton und Mörtel.
Das in Neuseeland ansässige Unternehmen GtM Action kündigte die Markteinführung seines HexMortar-Produkts an, eines mit PureGRAPH verbesserten Trockenmörtels für Spritzbeton- und Pumpanwendungen.
HexMortar bietet eine verbesserte Biege- und Druckfestigkeit von 20 bzw. 27 Prozent, führt zu weniger Rückprall – und damit weniger Abfall – und ist für die gleichen Anwendungen genauso gut verwendbar wie andere Produkte. Die Chance zur Reduzierung der CO₂-Emissionen ergibt sich aus der Kombination dieser Faktoren.
Derzeit läuft auch ein Versuch, um zu untersuchen, wie PureGRAPH die Leistungsmerkmale von Recyclingbetonprodukten verbessern kann. Traditionell wird Altbeton zerkleinert und beispielsweise für den Straßenbau verwendet, doch das Angebot übersteigt die Nachfrage bei weitem. Wenn Graphen die Leistungseigenschaften verbessern kann, besteht die Möglichkeit, recycelte Produkte für ein breiteres Spektrum an Betonanwendungen neu zu formulieren.
Gleichzeitig forschen, entwickeln und vermarkten die Handelspartner von First Graphene weiterhin eine Reihe von Mahlhilfsmitteln und Zusatzlösungen, die alle auf Emissionsreduzierung und Leistungssteigerung ausgerichtet sind.
Emissionsreduzierung entlang der Lieferkette
Die mit Abstand direkteste und signifikanteste Reduzierung der CO2-Emissionen kann durch eine Reduzierung der benötigten Klinkermenge erreicht werden – und damit der Menge des produzierten Klinkers und der für seine Herstellung erforderlichen Energie.
Versuche im kommerziellen Maßstab bestätigen weiterhin das Ausmaß der Klinkerreduzierung, die erreicht werden kann, was wiederum spezifische Kennzahlen zur Reduzierung der CO2-Emissionen liefern wird.
Da Graphen jedoch eine Reihe von Vorteilen für die Gesamtleistung von Beton mit sich bringt, darunter Verbesserungen der Biege- und Druckfestigkeit, verbesserte thermische Eigenschaften, die zu einer geringeren Rissbildung führen, und eine größere Beständigkeit gegen chemische und umweltbedingte Zersetzung, kann dies auch die Funktionslebensdauer von Betonprodukten verbessern verbessert werden. Das bedeutet insgesamt eine Reduzierung der Menge an Beton, die jedes Jahr weltweit produziert wird.
Darüber hinaus könnte die verbesserte Festigkeit zu einer Verringerung der Dickenanforderungen für Betonplatten und -platten führen, was zu einer weiteren Reduzierung des Gesamtvolumens führen würde.
Wenn Verbesserungen in der Leistung von Recyclingbeton erreicht werden können, könnte eine noch stärkere Reduzierung der Menge an neuem Beton – und damit auch an neuem Zement – folgen.
Mit anderen Worten: Es bestehen Möglichkeiten zur Emissionsreduzierung vom Anfang der Lieferkette bis zum Ende.
Das Ziel treffen
Während eine 25-prozentige Reduzierung der CO2-Emissionen von Beton innerhalb der nächsten acht Jahre ein hohes Ziel zu sein scheint, bieten die verbesserten Mahlhilfen PureGRAPH von First Graphene eine deutlich effektivere Klinkernutzung für Zemente mit reduziertem CO2-Ausstoß.
Die Ergebnisse von langlebigerem und haltbarerem Beton sind weniger greifbar und werden möglicherweise erst im Laufe der Zeit konkret sichtbar.
Mit einem weiteren Fokus auf die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen bei der Herstellung und Verwendung von Zement und Beton bestehen jedoch alle Möglichkeiten, diese 25 Prozent zu erreichen, wenn nicht sogar zu übertreffen, und der Industrie auf ihrem Weg zu helfen, die Ziele zu erreichen ultimatives Netto-Null-Ziel.
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