Zementmaterial aus Meerwasser extrahieren und dabei Kohlenstoff binden

Beton ist ein unverzichtbares Material in der modernen Welt, wobei Sand und Zement tatsächlich zu den weltweit größten Materialproduktionen nach Volumen und Gewicht gehören.

Quelle: Visual Capitalist

Die Zementproduktion ist ebenfalls eine sehr energieintensive Tätigkeit. Sie wird fast ausschließlich mit fossilen Brennstoffen betrieben, was dazu führt, dass die Zementproduktion für 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich ist.

Das lässt sich mit den CO₂-Emissionen von Autos und Lieferwagen vergleichen, die für 10 % der weltweiten Gesamtemissionen verantwortlich sind. Daher wäre die nachhaltigere Herstellung von Beton genauso wirkungsvoll, wie alle Autos der Welt in Elektrofahrzeuge umzuwandeln und sie ausschließlich mit grüner Energie zu betreiben.

Ein großer Teil der CO₂-Emissionen bei der Zementherstellung stammt aus dem Abbau, Zerkleinern, Verarbeiten und Raffinieren der Rohstoffe, die für die Produktion verwendet werden. Wie Kalkstein werden calciumcarbonatreiche Gesteine (CaCO₃) abgebaut und mit Ton gemischt, um das Rohmaterial zu erhalten, das zu Beton wird.

Eine weitere potenzielle Quelle für Calciumcarbonat auf der Erde ist das Meerwasser. Die Ozeane enthalten viele gelöste Mineralien, natürlich das Speisesalz (Natrium‑ und Chloridionen), aber auch Magnesium, Calcium, Kalium und sogar Metalle, wobei insbesondere Uran genannt werden muss, das eines Tages aus den Weltmeeren statt aus Uranminen gewonnen werden könnte.

Gelöstes CO₂ in Form von Karbonationen ist ebenfalls in den Ozeanen reichlich vorhanden, wodurch sie zu den leistungsfähigsten Kohlenstoffsenken der Erde gehören.

Quelle: Advanced Sustainable Systems

Wissenschaftler der Northwestern University und der CEMEX Innovation Holding AG (Schweiz) untersuchen nun, ob sie diese im Meer vorkommende Fülle nutzen können, um das Rohmaterial für Beton zu produzieren und dabei CO₂ zu binden statt es auszustrahlen. Sie veröffentlichten ihre experimentellen Ergebnisse in Advanced Sustainable Systems¹ unter dem Titel „Electrodeposition of Carbon‑Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections“.

Wasserelektrolyse

Wasser (H₂O) kann durch Anlegen eines starken elektrischen Stroms in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden, meist mit einem Katalysator, um die Geschwindigkeit und Effizienz der elektrochemischen Reaktion zu verbessern. Dies ist die Grundlage der grünen Wasserstoffproduktion, bei der der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens mit nicht reinem Wasser, und noch stärker mit Meerwasser, reagiert die Elektrolyse jedoch auch mit den im Wasser gelösten Mineralien.

Dies ist im Allgemeinen eine unerwünschte Reaktion, da sie Ablagerungen an den Elektroden erzeugen und Energie vom eigentlichen Ziel der Wasserstoffproduktion abziehen kann.

Durch Anpassen der Elektrolysebedingungen könnte diese unerwünschte Nebenreaktion jedoch in eine wertvolle neue Methode zur Herstellung von Calciumcarbonat umgewandelt werden.

Herstellung von Zement aus Meerwasser

Unbegrenzte Vorräte

Dies ist nicht unbedingt eine neue Idee, da CaCO₃ sowie Magnesium aus Meerwasser zahlreiche Anwendungen in den Bereichen Bauwesen, Fertigung und Umweltsanierung finden, einschließlich der Herstellung von Beton, Zement, Putz, Farben und Füllstoffen.

Da die weiten Ozeane der Erde praktisch eine unbegrenzte Versorgung mit diesem Material bieten, gilt dies als die nachhaltigste potenzielle Quelle für diese Stoffe.

Bisher hat das reine Erkunden der Elektroreduktion dieser Mineralien noch keinen wirtschaftlich tragfähigen Weg ergeben, ihre Produktion aus Meerwasser rentabel zu machen. Hier setzten die Forscher der Northwestern University einen entscheidenden zusätzlichen Schritt: die Zugabe von CO₂ zum Prozess.

CO2-Injektion ins Meerwasser

Da Meerwasser ein komplexes Gemisch vieler Mineralien ist, führt die Anwendung von Elektrolyse gleichzeitig zu einem Netzwerk elektrochemischer Vorgänge, von der Ausfällung von Calcium‑ und Magnesiumionen über die Bildung von Gips aus Sulfaten bis hin zur Erzeugung von Chlor‑ und Wasserstoffgas sowie einer Veränderung des Säuregrades um jede Elektrode.

Quelle: Advanced Sustainable Systems

Die CO₂-Injektion erhöht die Komplexität, da sie den pH‑Wert des Meerwassers senkt. Der pH‑Abfall durch CO₂ wird teilweise durch die Produktion von OH⁻‑Ionen aus der elektrischen Energie kompensiert.

Die Auflösung oder Ausfällung von Calciumcarbonat hängt selbst vom Säuregrad des Wassers ab. Insofern ist dies ein Phänomen, das Wissenschaftler beunruhigt: Während die Atmosphäre immer mehr CO₂ enthält, werden die Ozeane saurer.

Ist der elektrische Strom stark genug, und damit die Produktion von OH⁻‑Ionen, kann er hoch genug sein, um den pH‑Wert über 8,5 zu halten.

Bei diesen Säurewerten fangen die chemischen Reaktionen das CO₂ ein und wandeln es in gelöste Bicarbonat‑Ionen (HCO₃⁻) um.

Diese Bicarbonat‑Ionen reagieren anschließend mit Calcium und fallen zu Calciumcarbonat aus, dem Grundmaterial für die Betonherstellung.

Optimierung der Kohlenstoffbindung

Bei dieser Art von Reaktion würde die Herstellung von für die Zementindustrie nutzbarem Calciumcarbonat das eingespritzte CO₂ binden, anstatt CO₂ in die Atmosphäre freizusetzen.

Für jede gegebene Leistungsstufe gibt es eine optimale Durchflussrate des eingespritzten CO₂, die den Energieverbrauch minimiert und gleichzeitig die Ausbeute an Mineralproduktion maximiert. Eine Konzentration von 0,30 sccm CO₂ erwies sich als optimaler Punkt, bei dem ein niedrigerer Leistungspegel dennoch zu einer hohen Masse an ausfallendem Mineral führt.

Quelle: Advanced Sustainable Systems

Erzeugung einer nutzbaren Ablagerung

Ein Problem bei der Umsetzung dieses Konzepts in die Industrie ist dasselbe Problem, das bei der Calciumcarbonatausfällung während der Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse auftritt.

Meistens verstopft die Calciumablagerung die Oberfläche der Elektrode, beschädigt das Gesamtsystem und verringert im Laufe der Zeit die Effizienz.

Allerdings führten die in diesem Experiment bei höheren Leistungsstufen eingesetzten Stromstärken in Kombination mit CO₂-Injektion zu zusätzlichen Reaktionen, wodurch das ausfallende Calciumcarbonat von der Elektrode abgelöst wurde.

Insgesamt könnte diese Methode das Carbonat so produzieren, dass es sich leicht als Mineralablagerung am Boden des Tanks sammeln lässt, ohne die Elektrode zu verstopfen.

Wachstum von Mineralienkristallen

Je nach Bedingungen bilden sich unterschiedliche mineralische Aggregate mit verschiedenen Kristallstrukturen, insbesondere Calciumcarbonatkristalle (Calcit und Aragonit) sowie Magnesiumkristalle (Brucit).

Quelle: Advanced Sustainable Systems

Insgesamt kann das resultierende Material aus Kristallen bestehen, die mehrere Zentimeter lang (1–2 Zoll) sind, und ist zudem sehr porös.

Die Zusammensetzung, Porosität und Größe der mit dem vorgeschlagenen Ansatz synthetisierten Aggregate entsprechen den aktuellen Standards für ihre Verwendung in Materialien wie Beton.

Fazit

Insgesamt beweist diese Veröffentlichung, dass die Herstellung von kohlenstoffnegativem Zementmaterial nicht nur eine theoretische Möglichkeit, sondern eine praktikable Option ist, wenn während der Elektrolyse von Meerwasser CO₂ injiziert wird.

Weitere kritische Parameter, wie Härte und Abriebbeständigkeit, müssen noch untersucht werden, um endgültig zu bestätigen, dass das resultierende Material für Bauprojekte einsetzbar ist.

Dieser Prozess ist von Natur aus skalierbar, ohne offensichtliche Beschränkungen durch seltene Materialverfügbarkeit, übermäßigen Energieverbrauch oder geringe Ausbeuten.

Durch die Vorstellung eines Netzwerks miteinander verbundener, skalierbarer Reaktoren hat dieser Ansatz das Potenzial, im industriellen Maßstab eingesetzt und in bestehende Infrastrukturen, wie küstennahe Industrieanlagen, integriert zu werden.

Weitere Fortschritte im Reaktordesign sollten die Gesamteffizienz in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Energieverbrauch steigern, zum Beispiel durch Optimierung der Elektrodengeometrie, Materialien und Strömungsdynamik.

Letztlich könnte das Wasser, aus dem das Calciumcarbonat extrahiert wurde, auch ein interessantes Material für einen sekundären Schritt der Wasserstofferzeugung aus Meerwasser sein, da die geringere Ionenkonzentration dazu beitragen sollte, die mit Mineralablagerungen an der Elektrode verbundenen Probleme zu verringern.

Investition in nachhaltigen Zement

CRH Plc

Als einer der weltweit führenden Zementproduzenten wird CRH maßgeblich dazu beitragen, die Zementindustrie nachhaltiger zu gestalten. Es ist das Unternehmen mit dem größten Gesamtvolumen an Baustoffen sowohl in den USA als auch in den europäischen Märkten.

Das Unternehmen ist in 28 Ländern und an 3.390 Standorten aktiv, beschäftigt 78.500 Mitarbeitende, wobei CRH Americas 65 % des globalen Umsatzes ausmacht.

Quelle: CRH

Das Unternehmen rechnet damit, dass die kräftigen Investitionen westlicher Regierungen in die Infrastruktur sein Geschäft wachsen lassen werden. Die Trends zur Re‑Industrialisierung und zur Verlagerung hochmoderner Fertigung ins Inland sollten ebenfalls unterstützend wirken.

Nachhaltigkeit

• Es ist der größte Recycler in Nordamerika und hat 2023 43,9 Millionen Tonnen Abfall und Nebenprodukte aus anderen Industrien recycelt.
• Es reduzierte seine CO₂-Emissionen 2023 um 8 % dank des Einsatzes von 36 % alternativen Brennstoffen in seinen Zementwerken.
• Es strebt eine Reduktion der Emissionen um 30 % bis 2030 an (verglichen mit den Emissionen von 2021).

Das ist an sich lobenswert, kann aber als zu wenig, zu spät angesehen werden.

Glücklicherweise ist CRH auch ein Treiber grundlegender Veränderungen in der Branche. Insbesondere hat es zusammen mit dem europäischen Betonriesen Holcim 75 Millionen US‑Dollar in das kohlenstoffarme Zementunternehmen Sublime investiert.

Sublime Systems wurde 2020 aus dem MIT ausgegründet, um einen Elektrolyseur zu nutzen, der Zement bei Umgebungstemperatur produziert und damit energie- und fossile‑brennstoffintensive Kessel ersetzt. Zudem ermöglicht es die Verwendung von Calciumquellen als Ausgangsmaterial, wodurch die CO₂‑Freisetzung aus Kalkstein vermieden wird.

Die erste kommerzielle Anlage von Sublime in Holyoke, Massachusetts, soll bereits 2026 eröffnet werden. Sollte sie sich als erfolgreich erweisen, könnte sie ein echter Wendepunkt für die Zementindustrie sein und den Weg zu skalierbarem emissionsarmem Beton ebnen.

“Sublime ist eine disruptive Kraft in der Zementherstellung. Seine einzigartige Technologie durchdringt den gesamten Produktionsprozess, von der Nutzung sauberer Elektrizität bis hin zu kohlenstofffreien Rohstoffen. Wir sind begeistert von seinem Potenzial und freuen uns, gemeinsam den Markt in großem Maßstab zu erschließen. Diese Investition steht voll im Einklang mit Holcims Strategie, die Dekarbonisierung des Bauwesens zu beschleunigen, indem die innovativsten Technologien skaliert werden.” – Officer Nollaig Forrest – Leiter Nachhaltigkeit bei Holcim

CRH investierte zudem in weitere Dekarbonisierungs‑ und Nachhaltigkeits‑Start‑ups:

• 23,7 Millionen € in Cool Planet Technologies, die CO₂‑Abscheidungslösungen für Industrien entwickeln, die traditionell schwer zu dekarbonisieren sind.
• 34,7 Millionen $ von CRH und anderen Investoren in Carbon Upcycling Technologies, die eine rein elektrische Mineralisierungslösung einsetzen, um CO₂ dauerhaft in industriellen Nebenprodukten und Mineralien wie Zement, Kunststoffen, Konsumgütern, Düngemitteln und Pharmazeutika zu speichern.
• AICrete, eine ‚Recipe‑as‑a‑Service‘‑Plattform, die mit lokalen Betonherstellern zusammenarbeitet, lokale Materialien optimiert und den Zementverbrauch mithilfe von KI‑Analysen reduziert, wodurch sowohl der CO₂‑Fußabdruck als auch die Kosten der Betonproduktion gesenkt werden.
• FIDO AI erhielt eine Series‑B‑Finanzierung; das Startup nutzt KI, um den Wasserverbrauch zu senken und Wassereinsparungen zu erhöhen.

Insgesamt ist CRH ein profitabler Marktführer in der Betonindustrie und bereitet sich sehr aktiv auf die Dekarbonisierung der Branche vor, sowohl direkt in bestehenden Anlagen als auch als wichtiger Kapitalgeber für innovative Start‑ups, die die nächste Generation von Zement‑ und Betonproduktionstechnologien entwickeln.

Neueste zu CHR

Studienreferenzen:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Electrodeposition of carbon‐trapping minerals in seawater for variable electrochemical potentials and carbon dioxide injections. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943} auf Deutsch.