Zement macht nur einen kleinen Teil der Masse eines Kubikmeters Beton aus und hinterlässt doch den größten CO₂-Fußabdruck. Fast die gesamte Last geht auf einen einzigen Bestandteil zurück: den Zementklinker. Wer versteht, was Zementklinker ist und warum er so viel CO₂ freisetzt, versteht auch, warum Zement- und Betonindustrie heute weniger davon einsetzen wollen.
Was ist Zementklinker?
Zementklinker, genauer Portlandzementklinker, ist das Produkt, das aus dem Ofen eines Zementwerks kommt: harte, graue Körner, die durch Brennen einer Mischung aus Kalkstein und Ton bei rund 1.450 °C entstehen. Bei dieser Temperatur schmelzen die Minerale teilweise auf und bilden neue Verbindungen, die mit Wasser reagieren und erhärten können. Mit Klinkersteinen für Fassaden und Pflaster hat er nur gemeinsam, dass beide gebrannt werden.
Zementklinker wird nicht als solcher verkauft. Er wird mit etwas Gips oder Anhydrit als Erstarrungsregler sehr fein gemahlen; das Ergebnis ist Portlandzement. Werden weitere Hauptbestandteile wie Hüttensand, Flugasche oder Kalkstein mitgemahlen oder zugemischt, entstehen die übrigen Zementarten.
Wie Zementklinker hergestellt wird
- Steinbruch: Abgebaut werden Kalkstein, der den Großteil des Rohmaterials ausmacht, und Ton oder Mergel.
- Mahlen und Homogenisieren zu Rohmehl mit genau eingestellter Zusammensetzung.
- Zyklonvorwärmer und Calcinator: Das Rohmehl durchläuft im Gegenstrom zu den heißen Ofengasen einen Turm aus Zyklonen, und der Kalkstein beginnt sich zu zersetzen (Entsäuerung).
- Drehrohrofen: ein geneigtes, rotierendes Rohr von mehreren Dutzend Metern Länge, in dem rund 1.450 °C erreicht werden. Hier entsteht der Zementklinker.
- Kühler: Schnelles Abkühlen fixiert die gewünschten Phasen.
- Zementmahlung: Zementklinker, Gips und je nach Zementart weitere Hauptbestandteile.
| Phase | Üblicher Anteil | Wirkung |
|---|---|---|
| Tricalciumsilikat (Alit, C₃S) | 50–70 % | Erstarren und Festigkeit in den ersten Tagen |
| Dicalciumsilikat (Belit, C₂S) | 15–30 % | Langzeitfestigkeit |
| Tricalciumaluminat (C₃A) | 5–10 % | Sehr schnelle Reaktion; wird durch den Gips geregelt |
| Tetracalciumaluminatferrit (C₄AF) | 5–15 % | Schmilzt bei niedrigerer Temperatur und gibt die graue Farbe |
Wie diese Phasen mit Wasser reagieren, erklären wir im Beitrag Abbinden von Beton.
Warum er so viel CO₂ verursacht
Bei der Herstellung von Zementklinker entsteht CO₂ auf zwei Wegen:
- Aus dem Kalkstein selbst. Beim Brennen zerfällt Calciumcarbonat in Calciumoxid und Kohlendioxid. Das ist reine Chemie: Dieses CO₂ stammt aus dem Rohstoff und lässt sich nicht durch einen anderen Brennstoff vermeiden. Diese rohstoffbedingten Emissionen machen mehr als die Hälfte der Emissionen des Zementklinkers aus.
- Aus dem Brennstoff, der den Ofen auf 1.450 °C hält. Dieser Teil lässt sich mit alternativen Brennstoffen und höherer Energieeffizienz senken.
Deshalb liegt der wirksamste Hebel nicht nur darin, Zementklinker anders herzustellen, sondern weniger davon zu verwenden: weniger Zementklinker je Tonne Zement und weniger Zement je Kubikmeter Beton.
Wie viel Zementklinker jeder Zement enthält
| Zementart | Zementklinker | Ersetzt durch |
|---|---|---|
| CEM I · Portlandzement | ≥ 95 % | Fast nichts: Zementklinker und Gips |
| CEM II · Portlandzement mit weiteren Hauptbestandteilen | 65–94 % | Hüttensand, Silikastaub, Puzzolan, Flugasche, gebrannter Schiefer oder Kalkstein |
| CEM II/C-M · Portlandkompositzement | 50–64 % | Mischung mehrerer Hauptbestandteile (DIN EN 197-5) |
| CEM III · Hochofenzement | 5–64 % | Hüttensand |
| CEM IV · Puzzolanzement | 45–89 % | Puzzolane und Flugasche |
| CEM V · Kompositzement | 20–64 % | Hüttensand mit Puzzolan oder Flugasche |
| CEM VI · Kompositzement | 35–49 % | Hüttensand mit weiteren Hauptbestandteilen (DIN EN 197-5) |
Zemente mit weniger Zementklinker gewinnen meist langsamer an Festigkeit und verlangen eine sorgfältigere Nachbehandlung, ergeben aber Betone, die gegen bestimmte chemische Angriffe widerstandsfähiger sind.
In Deutschland sind Hochofenzemente und Portlandkompositzemente weit verbreitet. Welche Zementart für welche Expositionsklasse eingesetzt werden darf, regelt DIN 1045-2.
Wie sich der Zementklinkeranteil senken lässt
Weniger Zementklinker im Zement
Der klassische Weg: einen Teil des Zementklinkers durch andere Hauptbestandteile ersetzen. Die Grenze setzt die Verfügbarkeit. Hüttensand fällt nur im Hochofen an, und die Stahlindustrie stellt auf Direktreduktion und Elektrolichtbogenofen um; Flugasche stammt aus Kohlekraftwerken, die mit dem Kohleausstieg vom Netz gehen. Deshalb gewinnen Alternativen an Bedeutung, etwa kalzinierte Tone in Kombination mit Kalkstein, die fast überall verfügbar sind.
Weniger Zement im Beton
Der zweite Hebel liegt im Betonwerk: dieselbe Festigkeit mit weniger Kilogramm Zement je Kubikmeter erreichen. Dazu braucht es eine gut abgestimmte Sieblinie und Zusatzmittel, die die Leistung des Zements verbessern.
Genau das leisten die Zusatzmittel mit Graphen SmartADDITIVES. In der Katalogreferenz sinkt der Zementgehalt von 300 auf 210 kg/m³, also um 30 %, bei gleicher charakteristischer Festigkeit. Bei einem Emissionsfaktor des Zements von etwa 0,6–0,8 kg CO₂ je kg, je nach Zementart, entsprechen diese 90 kg weniger rund 50–70 kg weniger CO₂ je Kubikmeter. Für die Zusatzmittel liegt außerdem eine verifizierte, produktspezifische Umweltproduktdeklaration (EPD) vor, die in Ausschreibungen mit Umweltkriterien eingesetzt werden kann.
Weitere Wege
- CO₂-Abscheidung in Zementwerken, derzeit in Form großtechnischer Projekte.
- Bindemittel ohne Zementklinker, etwa alkalisch aktivierte Bindemittel: Es gibt sie, ihr Einsatz ist aber noch gering und nicht immer durch Normen abgedeckt.
- Mit der nötigen Festigkeit planen: nicht mehr Zement und keine höhere Festigkeitsklasse ausschreiben, als Tragwerk und Expositionsklasse erfordern.
