Zement und der Lesch
Eigentlich mag ich ja den Lesch, vor allem weil er Klartext redet wenn es um die politische Bedeutung der Forschung und ihrer Ergebnisse geht. Darum ging es auch in einem Beitrag über „Frag den Lesch“. Es ging um den „Klima Killer Zement“. Die Aussage: Es werden 3 Milliarden Tonnen Zement pro Jahr produziert, der Kohlendioxydausstoß soll viermal so hoch wie beim weltweiten Flugverkehr sein. Das scheint auch zu stimmen. Zumindest der Spiegel berichtet ähnliches. Danach ging es in der Sendung um die Klimafolgen und Alternativen und da muss ich sagen: Schuster bleib bei deinen Leisten. Wenn ich nichts von Chemie verstehe, weil ich Physiker bin (leider meiner Erfahrung nach bei Physikern der Normalfall) dann sollte ich den Mund halten.
Fehler Nummer 1: „Bei der Produktion von 1 Tonne Zement werden 870 kg CO2 frei“. Er begründet das aufgrund des Brennens bei 1450 Grad Celsius. Dabei wird im beim Einspieler etwas später deutlich, dass der Werkstoff Calciumcarbonat ist. Beim Brennen passiert chemisch folgendes:
CaCO3 + Energie → CaO + CO2.
Setzt man die molaren Massen an, so entfallen bei der rechten Seite, den Produkten auf das Calciumoxid 56 g und das Kohlendioxyd 44 g. Das bedeutet alleine durch die Produktion von Calciumoxid wird pro Tonne CaO 785 kg Kohlendioxyd freigesetzt. Calciumoxid ist der Hauptbestandteil von Zement, er besteht zu 58 bis 66% aus diesem Material. Das bedeutet von den 870 kg Kohlendioxyd die pro Tonne Zement emittiert werden entfallen 450 bis 522 kg also der größte Teil auf das vorher gebundene Kohlendioxyd und nicht den Herstellungsprozess. Wenn man den Wett der ITAS Studie nimmt, die sich mit dem unten angesprochenen Magnesiumcarbonat-Zement beschäftigen dann beträgt der weltweite Durchschnitt bei der Zementproduktion 740 kg Kohlendioxid-Emission pro Tonne, dann macht also dass gebundene Kohlendioxid zwei Drittel aus – entsprechend gering sind die Energieinsparpotentiale.
Es wird noch besser. Im zweiten Teil geht es um eine Alternative: Magnesiumsilikat (übrigens als falsche chemische Formel (MgO3Si) dargestellt, richtig wäre MgSiO3) soll Kohlendioxid binden und daraus soll Magnesiumcarbonat werden. Die Selbstverständlichkeit mit der er diese Erkenntnis herausposaunt ist schon erstaunlich „Das Verfahren Magnesiumcarbonat herzustellen ist ja schon aus dem Chemie Unterricht bekannt, das sind die kleinen weißen Stäbchen die man verwendet hat, also man wusste das schon“.
Aha ja: Den Chemieunterricht den Lesch genossen hat, möchte ich sehen. War dem Schullabor ein Hochofen angeschlossen? Magnesiumcarbonat wird nicht aus Magnesiumsilikat hergestellt. Silikate gehen mit fast allen Elementen eine stabilere Verbindung ein so auch mit Magnesium. Das Magnesiumcarbonat das wir heute abbauen stammt aus durch Wasser über Jahrmilliarden herausgelöst gelösten Magnesium Ionen die mit dem Kohlendioxyd der Luft reagieren. Niemand stellt es aus Silikat her, weil man für den nötigen Schnellgang viel Energie braucht, denn auch hier muss man das Magnesium aus einer Chemischen Bindung lösen. Lesch preist es trotzdem als Alternative zu Calciumoxid, weil es Kohlendioxid bindet nach
MgSiO3 + CO2 → MgCO3 + SiO2
Da der Rest der entsteht Quarz ist, ist vielleicht auch dem Laien klar, dass man dafür viel Energie braucht den Quarz ist chemisch sehr inert. Er reagiert nicht einfach so mit Magnesiumcarbonat zu Magnesiumsilikat.
Noch bedeutender ist aber das Magnesiumcarbonat nicht die Bindungsfähigkeit von Calciumoxid hat. Aufgrund einer chemischen Reaktion bildet Calciumoxid mit Wasser ein neues Mineral, das als Gerüst wirkt und die anderen Teile des Betons einschließt. Das macht Magnesiumcarbonat nicht. Es bildet zwar das basische Magnesiumcarbonat mit Wasser (und gibt dabei wieder zwei Drittel des gebunden Kohlendioxyds frei) aber bildet dann keine feste Gerüstsubstanz. Ich habe nach Magnesiumsilikat und Magnesiumcarbonat in diesem Zusammenhang gesucht, aber außer einigen allgemeinen Ausführen wie hier nichts gefunden. Die auch dort falsch angegebene Summenformel lässt drauf schließen, dass auch die ZDF Redeakteure nicht weiter gesucht haben. Lediglich ein Patent wo man eine Calciumoxid – Magnesiumcarbonatmischung zum Verhärten von Erdreich, das zu weich ist, einsetzen will geht in die Richtung, doch dabei geht es nicht um einen Untergrund der betoniert wird, sondern das Binden das dort enthaltenen Wassers.
Die Webseite von Klimakiller.info verweist aber auf eine ITAS Studie die sich mit diesem „Magnesiumzement“ beschäftigt. Liest man die im Original durch so wird klar, dass zum einen die Bindung des Kohlendoxyds Energie erfordert – das mildere Verfahren läuft bei 100 bis 200°C und 120 bis 150 Bar Druck im Autoklaven ab und zum anderen dieser Zement zumindest der bindende Anteil nicht aus Magnesiumcarbonat sondern Magnesiumoxid/Magnesiumcarbonat besteht. Magnesiumoxid bildet aber wie Calciumoxid feste Hydroxyde und wird auch als Keramikwerkstoff verwendet. Es bildet mit den Magnesiumsilikaten, die man auch als Ausgangsstoff nimmt, Mischkristalle die ähnlich wie Zement erhärten. Neben dem kleinen Anteil an Magnesiumcarbonat (minimal 20%, maximal 50%) am Zement spricht auch dagegen dass man das Magnesiumoxid selbst wiederum aus Magnesiumcarbonat bildet bei etwa 600 bis 700°C und dabei wird natürlich Kohlendioxid frei nach
MgCO3 + Energie → MgO + CO2
Das heißt – in der Summe hat man wenig Kohlendioxid eingespart erst recht nicht welches chemisch gebunden wie uns Lesch vormachen will. Da man für die Produktion auch Energie braucht, im Falle des Magnesiumzements auch sehr viel um die Ausgangsmineralien abzubauen und zu reinigen beträgt die Kohledioxidbilanz -20 bis +141 kg Kohlendioxyd pro Tonne Zement, Portlandzement der aus Calciumoxid als Bindemittel besteht hat eine Bilanz bei optimierter Prozessführung von 201 bis 420 kg Kohlendioxyd, wenn z.B. das Calciumoxid nicht nur als Calciumcarbonat sondern anderen Calciumverbindungen wie Gips oder Anhydrid stammt. Daneben gibt es Mischungen aus Calciumoxid mit anderen Mineralien wie z. B Calciumhydroxid. Auch hier gibt es neuere Forschungen an Alternativen. So viel besser steht also dieser neue Zement gar nicht da. (Von den mechanischen Eigenschaften ganz zu schweigen).
Das alles hätte man nachlesen können, wenn man dem Link auf Klimainfo gefolgt und beim ITAS eine suche gestartet hätte, aber dazu hat es wohl nicht gereicht (ich habe weniger als eine Stunde dazu gebraucht das Paper querzulesen, es ist sogar in Deutsch). Ganz ehrlich: das war schwer geschludert und eine sehr schlechte Leistung.
Es bleibt natürlich ein Problem, dass wirklich zu viel Zement produziert wird. Nach der ITAS vor allem in Asien und dort ist die Produktion so ineffizient wie bei uns vor der Ölkrise. Wenn man den weltweiten Durchschnittsverbrauch von 740 kg Kohlendioxid pro Tonne nur auf die obere Grenze von 420 kg pro Tonne bei modernen Verfahren senken würden, wäre schon viel gewonnen. Noch wichtiger wäre weniger mit Zement zu bauen. Der geht ja nicht nur in Häuser.
Eine kurze Recherche ergab, dass ein Einfamilienhaus etwa 200 bis 250 t wiegt. Nicht alles davon ist Zement. Zum einen gehen Dach, Fließen ab, dann selbst wenn es vollständig betoniert wurde (meist werden ja die Mauern bei uns noch gemauert also aus Stein gemacht und nur der Keller und die Decken betoniert) besteht Beton nur zu einem Achtel aus Zement. Geht man von 200 t Beton aus, so enthält ein Einfamilienhaus also 25 t Zement. Das sind bei 4 Bewohnern 6,25 t pro Person. Nimmt man an dass es 50 Jahre steht so sind das 0.125 t pro Jahr. Da weltweit aber 3 Milliarden Tonnen hergestellt werden also 0,4 t pro Einwohner/Jahr) muss der größte Teil woanders hin gehen, z.B. in Straßen oder andere Versiegelungen. Dort anzusetzen wäre also sinnvoller.
Zur Reduktion des Zementverbrauchs kommt auch eine Verwendung von Stabilisierter Erde in Frage. Link zum Bauen mit Lehm z.B. http://www.earth-auroville.com/
Den Lesch-Beitrag fand ich ebenfalls sehr seltsam (gerade auf youtube nachträglich gesehen). Die meisten der hier gennanten Kritikpunkte fielen mir ebenfalls auf: die falsche Summenformel, die Frage nach der Energiebilanz und dem eigentlichen Ablauf der Härtung dieses angeblich neuen Zements, usw.. Der peinliche Vergleich mit den Magnesiastäbchen. Aua.
Die Idee scheint überhaupt nicht in der Forschung ein großes Thema zu spielen. Bei einer kurzen Suche nach Magnesiumsilicat-Beton bin ich nicht fündig geworden – bis auf diese Seite hier! Schade. Ich hatte zu Beginn des Filmchens noch gehofft, dass das echt ein Knüller werden könnte. Der „Optimismus“, den Lesch am Ende betont, hätte er sich sparen können – genauso wie den ganzen Film. Das war ne schlechte Leistung. Der Vorwurf „schwer geschludert“ passt leider absolut.
Die Idee, die Herr Lesch in seinem Vortrag äußert, ist von der Anlage her große Klasse. Er ist nicht der erste, der diesen Gedanken hatte, vor ihm wurde diese Idee schon von einem australischen Think-tank entwickelt und von einer Firma gekauft, die aber leider pleite ging bevor alles auf den Markt kommen konnte.
Aber der Reihe nach:
Es gibt zwei Verfahren, um aus Kalkstein Baustoff zu fabrizieren:
a.) Herstellung von Luftmörtel
b.) Herstellung von Beton (Zement)
In der englischen Sprache heißen beide Baustoffe „cement“ = Bindemittel. Deshalb wird in diesem Zusammenhang vieles aus amerikanischen Veröffentlichungen missverstanden und falsch interpretiert.
Zu a.) Ausgangsstoff ist Calciumcarbonat aus der Natur, das stark erhitzt wird. Dabei läuft folgende Reaktion ab
CaCO3 —- CaO + CO2 („gebrannter Kalk“)
Das entstandene CO2 geht in die Luft.
Rührt man das gebildete CaO mit Wasser zu einem Brei an („gelöschter Kalk“), kann man das ganze als Bindemittel beim Mauern gebrauchen
Das Bindemittel härtet aus; dabei wird CO2 aus der Luft absorbiert und zwar die gleiche Menge, die beim Brennen freigesetzt wurde:
CaO + CO2 —- CaCO3
Es bildet sich wieder Kalk und da die CO2-Mengen beim Brennen und beim Aushärten gleich sind, ist das Verfahren, sofern man von der Energie absieht, die für das Brennen nötig ist, klimaneutral.
Zu b.) Der Start ist der gleiche:
CaCO3 —- CaO + CO2
CO2 geht in die Luft.
Dem Calciumoxid (CaO) wird nun Sand zugesetzt. Sand ist fast reines Siliciumdioxid (SiO2). Diesem Gemisch (= Zement) wird nun Wasser zugefügt und damit gebaut. Silicium ist ein chemisches Element, das dem Kohlenstoff sehr ähnlich ist. Es steht im Periodensystem unter Kohlenstoff. Aus diesem Grund ist es logisch, dass CaO wie unter a.) das zugesetzte SiO2 aufnimmt (nicht ganz so heftig wie das CO2, weil der Atomradius von Silicium größer ist als der von Kohlenstoff.
CaO + SiO2 —- CaSiO3
Der entstandene Stoff heißt Calciumsilicat; er ist härter als Calciumcarbonat. Diese Härte wünscht man sich beim Beton.
Facit: Bei b.) ist dieselbe Prozesswärme zum Brennen nötig wie bei a.), aber das entstandene CO2 bleibt in der Luft. Dieser Prozess ist nicht klimaneutral. Man kann rechnen: Grob, um eine Tonne Zement herzustellen wird eine Tonne CO2 frei und bleibt in der Luft.
Anmerkung: In vielen Veröffentlichungen liest man, dass es gar nicht so schlimm mit dem Beton sei, Beton würde CO2 aufnehmen. Ja, in geringem Maße. Beim Trocknen von Beton an der Luft tritt SiO2, das zugemischt ist, in Konkurrenz zu CO2 aus der Luft. In der ablaufenden Säure-Basen-Reaktion sind die Dioxide die Säuren und CaO die Base. CO2 hat einen pKs-Wert von 6,2, SiO2 einen pKs-Wert von 9,3. CO2 ist also die stärkere Säure und wird bevorzugt eingebaut. Immer vorausgesetzt, dass Beton an der Luft aushärtet. Der meiste Beton wird aber in Verschalungen verarbeitet, also unter Luftabschluss. Hier gibt es keine Konkurrenz mehr.
Nun kommt der entscheidende Gedanke:
Geht man nicht von CaCO3 aus, sondern vom auch natürlich vorkommenden Magnesiumsilikat (MgSiO3), kann man durch Erhitzen MgO herstellen:
MgSiO3 —- MgO + SiO2 (Brennen)
SiO2 ist fest, tritt also nicht in die Luft ein.
Nach Wasserzusatz wird der obige Vorgang umgekehrt, es bildet sich wieder festes Magnesiumsilikat.
Im Kommentar von Herrn Leitenberger wird dieser Vorgang in Frage gestellt. Er zeigt aber hier totale Unkenntnis von Thermodynamik. Das zeigt besonders der Satz :“ Da der Rest der entsteht Quarz ist, ist vielleicht auch dem Laien klar, dass man dafür viel Energie braucht den Quarz ist chemisch sehr inert“.
So kann man nicht argumentieren, nur weil man eine bestimmte Idee verfolgt. Denn wenn man viel Energie brauchte, um einen inerten Stoff herzustellen, besäße er eine hohe Enthalpie, man braucht also wenig Energie, um ihn zu zerlegen. Das ist bestimmt nicht das Merkmal eines inerten Stoffes, also von Sand.
Das Verfahren mit dem Ausgangsstoff Magnesiumsilikat ist eine sehr gute wesentlich umweltschonendere Methode zur Betonherstellung als die übliche Methode. Die geschilderten Argumente dagegen sind Küchenchemie.
Ach ja?
Also ich habe Chemie studiert und einen Abschluss darin. Wenn Du meinst das man aus Magnesiumoxid (im Handel als Tafelkreide erhältlich) und Siliziumoxid (im Handel als Quarzsand erhältlich) und Wasser Magnesiumsilikat erhält, dann probier das einfach mal aus.
Ein inerter Stoff hat auch keine hohe Bildungsenthalpie, er hat nur eine hohe Aktivierungsenergie um eine Reaktion in Gang kommen zu lassen. So haben Graphit und Diamant dieselbe Reaktionsenergie, aber eine unterschiedliche Aktivierungsenergie.
Das Hauptproblem, das habe ich im Artikel nur angedeutet, ist aber das man zur Herstellung von Zement, egal in welcher Form, für das Brennen der Werkstoffe viel Energie verbraucht weil dax bei hohen Temperaturen erfolgt. Ich habe das angedeutet indem ich auf die schlechte Effizienz in Asien verwiesen habe und die Effizienz von Anlagen findet man ja nicht in der chemischen Formel nach der wird immer dieselbe Stoffmenge umgesetzt.
Sie drückt sich auch im Preisunterschied von Zement zu den Ausgangsmaterialen aus.
Vorweg, ich bin Vollchemiker, wir können also auf Augenhöhe miteinander reden.
1.) das Lesch-Problem: Warum härtet Beton aus? Weil CaO + Wasser + SiO2 miteinander zu Calciumsilikat reagieren. Das ist unbestritten, genau so wie im Luftmörtel CaO + Wasser + CO2 zu Calciumcarbonat reagieren. Beide Reaktionen sind Säure-Basen-Reaktionen, auch unbestritten. Die Ionen, die Ca binden, sind CO3- – und SiO3- – . Die pKB-Werte sind beim Carbonat 3,60 beim Silikat 0. D.h. das Silikation ist die stärkere Base und bindet ganz bestimmt das Ca-Ion. Das ist Fakt, also keine Schulkreide und kein Sand, du vergisst das Wasser und die Hydrolyse.
2.) Bitte nicht verwechseln: Reaktionsenthalpie und Stoffenthalpie. Mir kam es so vor, als hast du das getan. Setze die beiden Begriffe als verschieden an, dann stimmt meine Aussage. Mit Aktivierungsenergie hat das überhaupt nichts zu tun.
Zitat:
„MgSiO3 —- MgO + SiO2 (Brennen)
SiO2 ist fest, tritt also nicht in die Luft ein.
Nach Wasserzusatz wird der obige Vorgang umgekehrt, es bildet sich wieder festes Magnesiumsilikat.“
Das ist schlicht und einfach falsch. Aus eine wässrigen Mischung von Magnesiumoxid und Siliziumdioxid wird kein Magnesiumsilikat.
Ich würde mir gerade als Vollchemiker mal auch die Mühe machen die verlinkte Originalarbeit durchzulesen. Es geht primär ja um die Aussage von Lesch, der Umweltbelastung die mit viel höheren Angaben für den CO2-Ausstoß unterlegt wird als dies der Fall ist.
Ich bin dafür, den Pflanzen mehr CO2 zur Verfügung zu stellen.
Die Photosyhese kommt unter dem CO2-Kompensationspunkt zum Erliegen. Je nach Pflanze ist das ein Anteil an CO2 von 0,001 – 0,01% ,
Massenexitus der Flora und damit auch der Fauna?
Um dieser Gefahr zu entkommen, bin ich dafür den Pflanzen dringendst mehr CO2 zur Verfügung zu stellen.
https://de.wikipedia.org/wiki/CO2-Kompensationspunkt
Pflanzen wachsen auch sehr gut wenn man sie nicht abtötet und abschneidet. Daher bin ich für das völle Verbot aller Herbizide, das Mähen von Getreidefeldern und Rasen, Abholzen von Wäldern und das Verbot von Tieren die Pflanzen fressen!
Gerhard, Du bist besser als meine ganze Münchhausenkolumne. Auf Ideen wie Du sie in die Welt wirfst kommt sonst kein zweiter.
Gut dann will ich noch genauer sein:
Beim Brennen von Magnesiumsilikat entsteht: 3 MgO + SiO2 —-> Komplex |MgO|3 . SiO2
Mit Wasser beim Härten ergibt sich: Komplex + 2 H2O —-> MgSiO3 + 2 Mg(OH)2
Dass das alles so läuft, setzt voraus, dass bei max. 800° C gebrannt wurde. Brennt man höher, sintert MgO, dann läuft nichts mehr. Das ist auch ein zusätzlicher Grund, weshalb bei diesem Verfahren der prozessuale Energieaufwand als auch der CO2-Ausstoß geringer ausfallen. Das als Nebenprodukt entstandene Magnesiumhydroxid kann beim Härten natürlich auch CO2 der Luft aufnehmen.
(Die Quellen kann ich gerne nennen, wenn es jemanden interessiert)
Ich pflege, da ich anorganische Chemie nur im Grundstudium hatte in Büchern, bevorzugt dem Hollemann-Wiberg nachzuschauen und da steht nichts davon drin.
Magnesiumoxid wird technisch aus Magnesiumcarbonat gewonnen und hat daher dieselbe Umweltbilanz wie Calciumoxid. Niedrig gebranntes MgO kann für Magnesiummörtel verwendet werden oder im Gemisch mit Magnesiumchlorid zum Binden von Materialien in Industriefussböden.
Deine letzte Reaktionsgleichung ist eine andere als im ersten Beitrag und ich habe noch mehr Verständnisprobleme, wenn Du von schreibst:
„Beim Brennen von Magnesiumsilikat entsteht: 3 MgO + SiO2 —-> Komplex |MgO|3 . SiO2“
Sorry aber in der Gleichung finde ich auf der linken Seite kein Magnesiumsilikat sondern Magnesiumoxid das man wiederum aus Magnesiumcarbonat erzeugt wird. Also bleibt die Umweltbilanz. Im übrigen bezieht sich der ganze Blog auf einen TV Beitrag und das dieser aus dem Gesamtbilanz von Beton sich einen kleinen Teil (Kohlendioxidabgabe beim Brennen) rausgesucht hat und den Energieaufwand für das Brennen völlig unter den Tisch fallen lies und das es da enorme Einsparpotenziale gibt.
Daher rate ich Dir die Sendung mal anzuschauen. Wenn Dir mein Blog nicht gefällt wirst Du als Chemiker dort das Graussen bekommen.
Chemie und die Medien. Das ist ein Thema für sich. Am Donnerstag kamen die jungen Ärzte. eingeliefert wurde eine Chemikerin die dauernd sagte sie forscht an „Derivaten der Schwefelsäure“ und sie hatte einen Unfall weil ihr „Sodium in ein Wasserglas“ fiel…
Ja, es ging ein bisschen schnell. Entschuldigung. Deshalb nochmal genau:
MgSiO3 —-> MgO + SiO2 das ist das Brennen bei niedriger Temperatur analog dem Brennen von CaCO3
3 MgO + SiO2 —-> |MgO|3 * SiO2 Das ist ein Komplex, der sich als Folgeprodukt noch beim Brennen bildet
Härten : Komplex + 2 H2O —-> MgSiO3 + 2 Mg(OH)2
Mg(OH)2 + CO2 —> MgCO3 + H2O , falls an der Luft getrocknet wird, sonst nicht
Dann würden mich deine Quellen doch sehr interessieren. Das MgCO3 und CaCO3 bei schon 800 Grad Celsius das Kohlendioxid abgeben hat mehrere Gründe. Die Bindung ist nicht so stark wie bei Silikaten, kann so auch durch Säure gelöst werden und das Kohlendioxid kann aus dem Gleichgewicht entweichen. Doch das ein Silikat aus der Klasse der Silikat-Perowskite sich bei nur 800 Grad Celsius, weit unterhalb des Schmelzpunkts zersetzt kann ich ehrlich gesagt nicht glauben.