Een stap op weg naar klimaatvriendelijk cement

Beton is een van de belangrijkste grondstoffen ter wereld. We hebben het nodig voor gebouwen, wegen, tunnels en bruggen. Het is een goedkoop en sterk materiaal dat al heel lang bestaat. Zelfs de Romeinen maakten al gebruik van een soort beton. Maar er zit een groot nadeel aan. Voor beton is cement nodig en om dat te maken is warmte nodig, met als gevolg de uitstoot van enorme hoeveelheden CO₂.

Er wordt geschat dat de betonproductie van 4,6 miljard metrische ton per jaar verantwoordelijk is voor 8 procent van de wereldwijde CO₂-uitstoot. Dat gaat gepaard met de uitstoot van ongeveer 2,8 miljard ton CO₂. China is verreweg de grootste cementproducent met 2,3 miljard ton. Maar ook Italië en Spanje scoren hoog.

Het mag duidelijk zijn dat beton daarmee een klimaatkiller van jewelste is. Het wordt een enorme uitdaging voor cementproducenten om de komende decennia CO₂-neutraal te worden. Maar er is misschien een oplossing in zicht. De Johannes Gutenberg-Universiteit Mainz heeft een methode ontwikkeld waarbij kalk niet langer verhit hoeft te worden. In het chemische proces is dat de voornaamste bron van CO₂-uitstoot.

Kalkbranden

Beton is op zich een vrij simpel product. Het bestaat uit grote en kleine stenen, zand, water en het bindmiddel cement. Het hoofdbestanddeel van cement is kalksteen of calciumcarbonaat (CaCO₃). En daar zit het probleem, want om van kalksteen een bruikbaar bindmiddel te maken moet het worden verhit tot meer dan 1400 graden Celsius.

In grote ovens wordt het kalksteen verwarmt tot zogenoemde klinkers overblijven, die later vermalen kunnen worden tot cementpoeder. Het calciumcarbonaat valt daarbij uiteen in CaO (calciumoxide) en het broeikasgas CO₂ (kooldioxide). Dat is de eerste bron van CO₂-uitstoot. Maar aangezien er voor het stoken van de ovens veel energie nodig is, komt daar nog veel meer CO₂ bij vrij.

Kamertemperatuur

Chemici van de Universiteit Mainz zijn onder leiding van professor Wolfgang Tremel min of meer toevallig op een oplossing gestoten.

In hun methode wordt het calciumcarbonaat niet gebrand maar heel fijn vermalen met natriumsilicaat (Na₂SiO₃). Door dat malen ontstaat een tussenproduct dat sterk lijkt op cement. Als dit wordt vermengd met de waterige oplossing natronloog (NaOH) ontstaat een pasta met de gelijke eigenschappen als cement, een perfect bindmiddel dus voor stenen, zand en water.

Het mooie van het malen van het calciumcarbonaat en het natriumsilicaat is dat het plaats kan vinden bij kamertemperatuur. Er zijn dus geen ovens meer nodig, waardoor een groot deel van de CO₂-uitstoot wegvalt.

Volgens professor Tremel is er voor het malen weliswaar elektriciteit nodig, maar dat kost slechts 10 procent van de energie die nodig is voor het kalkverhittingsproces. “Daardoor zouden miljarden tonnen aan CO₂-uitstoot voorkomen kunnen worden.” Extra voordeel is dat de cementindustrie nu ook al met maalmachines werkt om de klinkers te verwerken tot poeder.

Nog een lange weg te gaan

Tremel benadrukt dat het onderzoek zich nog in een vroeg stadium bevindt. “Het wordt een proces van jaren voordat deze techniek op grote schaal in de cementindustrie zal en kan worden gebruikt”, is zijn inschatting. Er hebben zich volgens hem wel al verschillende bedrijven en onderzoeksinstituut Fraunhofer gemeld.

Tremel: “Het gaat om een aantal oud-studenten van mij die daar nu werken. Het is belangrijk om te beseffen dat wij als universiteit alleen fundamenteel onderzoek doen. Het toegepast onderzoek vindt plaats binnen bedrijven zelf en wetenschappelijke instituten zoals Fraunhofer en Max-Planck die dichter bij de industrie staan. Die hebben ook de machines om dingen op grote schaal uit te testen.”

Die werkwijze is volgens Tremel overigens verschillend met Nederland. “Bij jullie werken universiteiten en bedrijven veel meer samen in laboratoria. In Duitsland is dat ongebruikelijk. Veel bedrijven zijn bang dat ze dan bepaalde geheimen prijsgeven. Die houden liever de luiken dicht.”

Een gelukkig toeval

Tremel vertelt dat het onderzoek van hem en zijn team eerst niks te maken had met cement. Het ging om een onderzoek naar verschillende typen van industriële molens die worden gebruikt in onder andere de chemische, farmaceutische en verfindustrie om poeders en andere stoffen fijn te malen en te vermengen.

• Zo zijn er kogelmolens, waarin kogels tegen elkaar aanbotsen in een ronddraaiende holle cilinder. De stoffen ertussen worden dan heel fijn gemalen.
• Een tweede vorm is de klassieke vijzel, die vaak in apotheken wordt gebruikt om medicijnen te prepareren.
• Verder zijn er zogenoemde disc mills (is geen Nederlandse term voor) die bedoeld zijn voor meer vaste stoffen. Denk bijvoorbeeld aan een steengroeve waar stenen worden vermalen of de conventionele productie van olijfolie, waarbij de pitten tussen twee enorme stenen vermalen worden om de olie te kunnen extraheren.

Tijdens het onderzoek kwamen de onderzoekers erachter dat de kogelmolens ook gebruikt kunnen worden voor het simpele malen (en uiteen laten vallen) van calciumcarbonaat. “Dat geeft maar weer eens het belang aan van fundamenteel onderzoek”, zegt Tremel.

Alternatieven

De betonindustrie beseft natuurlijk zelf ook dat het zo niet verder kan met de enorme uitstoot van broeikasgassen. Een van de oplossingen die zij tot nu toe hanteren, is door bij het verhitten van kalk gebruik te maken van afvalstoffen in plaats van fossiele brandstoffen. Denk bijvoorbeeld aan rioolslib, autobanden en groenafval. In de toekomst komt daarbij ook groene waterstof in aanmerking.

Een tweede manier is om te kijken naar gunstigere samenstellingen van kalk en andere ingrediënten. Ten derde kan klimaatwinst worden geboekt door het recyclen van oud beton. Ten vierde wordt er gezocht naar manieren om beton te produceren met een lager percentage cement. En tenslotte is het een optie om CO₂ op te slaan onder de grond.

Maar een echt grote doorbraak, zoals nu bij in Mainz, heeft dat tot nu toe niet opgeleverd. Wat dat betreft gloort er hoop. “Maar het wordt een zaak van de lange adem”, beaamt Tremel.

• Een link naar de wetenschappelijke studie uit Mainz, gepubliceerd in het vakblad Advanced Functional Materials, vindt u hier.
• Lees ook dit artikel dat wij eerder schreven over het Finse bedrijf Betolar dat beweert een alternatief voor cement te hebben gevonden.