Gegenwärtige und zukünftige Zemententwicklungen vor dem Hintergrund der CO 2 -Reduzierung

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Gegenwärtige und zukünftige Zemententwicklungen vor dem Hintergrund der CO 2 -Reduzierung"

Nadine Böhm
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Gegenwärtige und zukünftige Zemententwicklungen vor dem Hintergrund der CO 2 -Reduzierung Prof. Dr.-Ing. Horst-Michael Ludwig Bauhaus-Universität Weimar INFRAKON Workshop Weimar, 21. Februar 2013

2 Agenda 1. Ausgangssituation 2. Compositmaterialien zur Senkung des Klinkerfaktors - heutige Composit- und Hochofenzemente - neue potentielle Compositmaterialien 3. Alternative Bindemittelkonzepte - Nutzung und Weiterentwicklung vorhandener Konzepte - Komplett neue Ansätze

3 Beton Heute und Morgen der Baustoff Fakten ungefähr 8 Mrd. m 3 Beton werden jedes Jahr verbaut damit ist Beton nach dem Wasser das am meisten genutzte Material auf der Erde Verbaute Betonmenge in Mio. m³

4 Leistungsfähigkeit Nachhaltigkeit, Umweltfreundlichkeit

5 Weltzementmenge Entwicklung bis 2050 Mio t/jahr Other India China Brazil Canada&US OECD Pacific Europe Quelle: IEA

6 60 % aus Entsäuerung von Kalkstein CO 2 -Emissionen bei der Zementherstellung 100 % CO 2 -Emission Je t Klinker entstehen ca. 825 kg CO 2 40 % aus thermischem und elektrischem Energieverbrauch 5 7 % der weltweiten CO 2 -Emissionen resultieren aus der Zementherstellung

7 Auswirkungen 1. Zementherstellprozess CO 2 -Zertifikate und -handel etc. 2. Ökobilanzierung von Baustoffen auf der Basis von Umweltproduktdeklarationen (engl. EPD für Environmental Product Declaration), Kernaussage einer EPD ist das Baustoffprofil Wirkungskategorie global regional Treibhauseffekt (GWP) kg CO 2 -Äq. Ozonabbau (ODP) 1) 0 1,6*10-5 kg R11-Äq. Versauerung (AP) 1,68 0,92 kg SO 2 -Äq. Überdünung (NP) 0,20 0,12 kg PO 3-4 Äq. Sommersmog (POCP) 2) 0,07 0,10 kg C 2 H 4 -Äq. Primärenergie (nicht erneuerbar) MJ Quelle: Eyerer/ Reinhardt + VDZ

8 Ökobilanzierung von Beton (Cradle to gate Ökobilanz für Beton) GWP für 1m 3 Beton der Güte C 30/37 Total GWP: 237 [kg CO 2 -equiv.] 0,9% 0,5% 1,0% 4,9% 0,7% Cement Gravel Sand Plasticizer Transport Diesel + Power prod. 92,0% Quelle: HC

9 Agenda 1. Ausgangssituation 2. Compositmaterialien zur Senkung des Klinkerfaktors - heutige Composit- und Hochofenzemente - neue potentielle Compositmaterialien 3. Alternative Bindemittelkonzepte - Nutzung und Weiterentwicklung vorhandener Konzepte - Komplett neue Ansätze

10 Wege zur CO 2 -armen Zementherstellung Verfahrenstechnische Optimierung der Ofenund Mahlanlagen (thermische, elektrische bedingte Emissionen) und CCS Substitution fossiler Brennstoffe durch Sekundärbrennstoffe (biogener Anteil mit Emissionsfaktor = 0) Verstärkter Einsatz Compositmaterial wie z.b. Hüttensand, Kalkstein oder Flugasche bei der Zementherstellung (insbesondere Senkung rohstoffbedingter Emissionen) Suche nach neuen verwertbaren Stoffen

11 Marktanteil in % Entwicklung der Marktanteile unterschiedlicher Zemente in Deutschland zwischen 2001 und 2010 CEM I CEM II CEM III Sonstige Jahr

12 Erweiterung des Zementsortimentes CEM X, CEM II-C bzw. D S CEM III/C CEM III/B 50 CEM III/A 65 CEM II/B-S 80 Quelle: Wolter CEM II/A-S 95 CEM I K CEM II/A-LL CEM II/B-M(S,LL) 65 CEM II/B-LL Masonry Cements [pren 413-1] 5 L/LL wolter 2008

13 Aspekt Hüttensand Frühfestigkeit Klinker

14 Hydratation von Klinker und reaktiven Compositmaterialien Hüttensand Quelle: ZWL Lauf Klinker Flugaschekorn

15 Frühfestigkeiten verschiedener Zemente (identische Klinkerbasis) Druckfestigkeit in N/mm² h 1 d 2 d 7 d CEM I 42,5 R CEM I 52,5 R CEM II/A-S 42,5 R CEM II/A-S 52,5 R 0 CEM III/B 42,5 N

16 Aspekt Dauerhaftigkeit

17 Dauerhaftigkeitspotential von verschiedenen Zementen im Vergleich zu Portlandzement Frostwiderstand Frost- Tausalz- Widerstand Carbonatisierung Chloridwiderstand CEM II/A-S CEM II/B-S CEM III/A* CEM II/A-V CEM II/B-V 0/- 0/- 0 + CEM II/A-LL CEM II/B-LL 0/- 0/- 0 0 CEM III/A 0 0/- 0/- + CEM III/B

18 Potential Chloridwiderstand unterschiedlicher Zemente 25 DCl,M in m²/s CEM I - HS CEM I CEM II-LL CEM II-S CEM III/B CEM II/B-V Probe

19 Quelle: Schießl

20 Schadenswahrscheinlichkeit in % 100 Berechnung der Schadenswahrscheinlichkeit bezüglich des Erreichens eines kritischen Chloridgehaltes am Stahl (Annahme: 2 Monate/Jahr Streuung, Betonüberdeckung 4 cm) CEM I 32,5 NW/HS CEM I 32,5 R CEM II/B-S 32,5 R Nutzungsdauer in Jahren

21 Berechnung der Schadenswahrscheinlichkeit bezüglich des Erreichens eines kritischen Chloridgehaltes am Stahl (Annahme: 2 Monate/Jahr Streuung, Betonüberdeckung 4 cm) C D Chl = m 2 /s D Chl = m 2 /s D Chl = m 2 /s

22 Einfluss Hüttensandgehalt im Zement auf FTSW (CDF-Test) ohne LP mit LP Abwitterung in g/m² P 0 E 25 H 45 H 55 H 65 H 75

23 Agenda 1. Ausgangssituation 2. Compositmaterialien zur Senkung des Klinkerfaktors - heutige Composit- und Hochofenzemente - neue potentielle Compositmaterialien 3. Alternative Bindemittelkonzepte - Nutzung und Weiterentwicklung vorhandener Konzepte - Komplett neue Ansätze

24 490 Weltweite Verfügbarkeit latent-hydraulischer und puzzolanischer Stoffe 2003 (Quelle: Harder) 140 Menge in Mio. Tonnen Verfügbarkeit 2003 Verwendung 2003 Aktuelle Zahlen 2010: Flugasche 720 Mio. t/a (Quelle: ECOBA) Hüttensand 250 Mio. t/a (Quelle: FEhS) ,5 15 0,9 0,5 0,3 0,2 0,1 Flugasche Hüttensand nat. Puzzolane gebr. Ölschiefer Mikrosilika Reisschalenasche Metakaolin

25 Marktanteile unterschiedlicher Portlandcompositzemente (bezogen auf 100 % CEM II) Marktanteil in % CEM II/S CEM II/LL CEM II/M Sonstige Jahr

26 Alternative Compositmaterialien: Calcinierte Tone - gebrannte Tone nach DIN EN als Zementhauptbestandteil zulässig - Vorteil ist weltweite Verfügbarkeit ohne saisonale oder konjunkturelle Schwankungen (im Gegensatz zu HÜS und SFA) - Nachteil ist, dass die Verwendung natürlicher Tonvorkommen als reakives Material nur möglich ist, wenn vorab eine Temperung erfolgt ( C) - nachdem bereits weitreichende Erfahrungen mit Metakaolin als Temperungsprodukt relativ reiner Kaolinvorkommen vorliegen, sollen nun verstärkt auch andere z.t. stark verunreinigte Tonvorkommen genutzt werden

27 Agenda 1. Ausgangssituation 2. Compositmaterialien zur Senkung des Klinkerfaktors - heutige Composit- und Hochofenzemente - neue potentielle Compositmaterialien 3. Alternative Bindemittelkonzepte - Nutzung und Weiterentwicklung vorhandener Konzepte - Komplett neue Ansätze

28 Alternative Bindersysteme Weiterentwicklung alter Ansätze (auszugsweise): Calciumsulphoaluminat (-ferrit) belit Zement (z.b. Lafarge, Italcementi) Alit C 3 S = 0,578 g CO2 /g phase Belit C 2 S = 0,511 g CO2 /g phase Aluminatferrit C 2 (A,F) = 0,362 g CO2 /g phase Calciumsulfoaluminat C 4 A 3 $ = 0,216 g CO2 /g phase Geopolymere Sulfathüttenzement Belitzement

29 CO 2 Emissionen verschiedener Zemente/ Binder 1000 Spezifische CO2-Emisionen (kgco2/t) CEM I 52,5 N CEM II/B-S 42,5 N CEM III/A 42,5 N CEM III/B 42,5 N SHZ Geopolymer

30 Bindemittel auf Geopolymerbasis reaktive alumosilicatische Komponente + alkalische Anregung n Al 2 Si 2 O 7 NaOH H 2 O Si OSi Al Al Na O Si O Al O Na O O Si O O Si Si O O O Na Al O Si Si O O Si Si O O Al Na Na Si Si Na O Al anorganisches Polymer

31 Agenda 1. Ausgangssituation 2. Compositmaterialien zur Senkung des Klinkerfaktors - heutige Composit- und Hochofenzemente - neue potentielle Compositmaterialien 3. Alternative Bindemittelkonzepte - Nutzung und Weiterentwicklung vorhandener Konzepte - Komplett neue Ansätze

32 Das Telefon hat zu viele ernsthaft zu bedenkende Mängel für ein Kommunikationsmittel. Das Gerät ist von Natur aus von keinem Wert für uns. Manager von Western Union, 1876 Ich denke, dass es einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer gibt. Thomas Watson, IBM-Vorsitzender, 1943 Erstaunlich ist auch Gottlieb Daimlers Misstrauen in den Erfolg der Automobilbranche. "Die weltweite Nachfrage nach Kraftfahrzeugen wird eine Million nicht überschreiten - allein schon aus Mangel an verfügbaren Chauffeuren", meinte er noch 1901.

33 Alternative Bindersysteme Neuartige Ansätze (auszugsweise): C-S-H-Binder (Celitement) Niedertemperaturbelit-Zement (NBZ) Binder basierend auf MgO-Reaktion (Novacem) Binder basierend auf amorphen/metastabilen CaCO 3 (Calcera) M3K-Binder (Wolter)

34 Wesentliche zukünftige Aufgabenstellung Kombination von nachhaltiger Bindemittel-/ Betonherstellung und hoher technischer Leistungsfähigkeit insbesondere Langlebigkeit

35 GWP von verschiedenen Bindemittel b-gips Kalkhydrat Feinkalk Portlandzement Quelle: Eyerer/ Reinhardt Naturanhydrit GWP in CO 2 -Äq. kg/t

36 Warum kein Gips als Bindemittel im Beton? Gips? - Löslichkeit in Wasser 2,6 g/l - rapider Festigkeitsverlust bei Durchfeuchtung - neutraler ph-wert - Bewehrungskorrosion

37 Festigkeit Green Concrete 3

38 Dauerhaftigkeit Green Concrete Quelle: Müller Karlsruhe 3

39 Wir werden Lösungen finden, die wir heute noch für undenkbar halten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 3

Ähnliche Dokumente

Zemente mit geringem Klinkeranteil für die Betone der Zukunft

Zemente mit geringem Klinkeranteil für die Betone der Zukunft Christoph Müller, Sebastian Palm, Katrin Severins, Düsseldorf Technisch-Wissenschaftliche Zementtagung 2011 Zementarten (Inlandversand Deutschland)