Technical

Ton ist ein natürlich in großen Mengen vorkommendes, vorwiegend aus feinkörnigen Mineralen bestehendes Material.
Wesentliche Bestandteile sind die sehr feinkörnigen Tonminerale sowie in geringen Mengen Quarz und Feldspäte. Die Tonminerale und der Feldspat sind Verbindungen, die sich im Wesentlichen aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und den Alkalioxiden K₂O und Na₂O zusammensetzen. Der Quarz besteht ausschließlich aus Siliciumdioxid. Eisenoxid liegt im Ton als Bestandteil der Tonminerale oder als Eisenhydroxid (FeOOH) und z.T. auch als FeS₂ (Pyrit, Markasit) vor.
Ton ist ebenso wie Kalkstein ein wichtiger Rohstoff für die Zementherstellung. Deren natürlich vorkommendes Gemisch ist der Mergel.
Werden Tonminerale auf Temperaturen zwischen etwa 550 °C und 800 °C erhitzt (getempert), entweicht das gebundene Wasser und das Kristallgitter der Tonminerale zerfällt in eine quasi-amorphe Matrix, die überwiegend aus reaktionsfähigem Siliciumdioxid und Aluminiumoxid besteht, den Trägern der puzzolanischen Erhärtung.

Calcinierte (getemperte) Tone (vergleiche auch Metakaolin) können hohe Anteile reaktiver Kieselsäure und damit puzzolanische Eigenschaften aufweisen. Wenn sie einen Gehalt an reaktiver Kieselsäure von mindestens 25 M.-% aufweisen, können calcinierte (getemperte) Tone gemäß DIN EN 197-1 als puzzolanischer Zementhauptbestandteil (künstliches Puzzolan, Kurzzeichen Q) eingesetzt werden. Bei Temperaturen von 1000 °C bei einer Verweildauer von 30 Minuten können Gehalte an reaktiver Kieselsäure zwischen 29 M.-% und 55 M.-% (abhängig von der Zusammensetzung des jeweiligen Tons) erzielt werden. Bei homogenisierten Tonen kann eine vergleichbare Mineralogie auch bei niedrigeren Brenntemperaturen erreicht werden.
Calcinierte Tone haben eine größere spezifische Oberfläche als Zement, was bei der Verwendung im Beton einen höheren Wasseranspruch erwarten lässt, sich aber durch Zugabe von Betonzusatzmitteln berücksichtigen lässt.

Calciumcarbonat-Beton: Ein neuer Baustoff aus Abfällen und CO2

Forschende kombinieren Abfallbeton und abgeschiedenes Kohlendioxid in einem neuartigen Verfahren zu einer neuen, nachhaltigeren Form von Beton.

Eine neue Art von Beton könnte die Emissionen in der Bauindustrie verringern.
Calciumcarbonat-Beton entsteht aus Betonabfällen und Kohlendioxid aus der Luft oder Industrieabgasen.
Er ist ein vielversprechender Baustoff für die Zukunft, besonders dort, wo die natürlichen Ressourcen begrenzt sind.
Allerdings reicht er in puncto Festigkeit nicht ganz an herkömmlichen Beton heran.

Schätzungen zufolge stammen etwa 7 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen aus der Herstellung und Verwendung von Zement, dem Hauptbestandteil von Beton. Und ein großer Teil davon geht auf den notwendigen Einsatz von Kalzium zurück, das in der Regel durch das Verbrennen von Kalkstein gewonnen wird. Professor Ippei Maruyama und der Projektleiter des C4S-Projekts (Calcium Carbonate Circulation System for Construction), Professor Takafumi Noguchi, beide vom Fachbereich Architektur der Universität Tokio, haben einen neuen Weg zur Verringerung der durch die Verwendung von Beton verursachten Emissionen vorgeschlagen und nachgewiesen, dass er funktioniert. Sie haben ein Verfahren gefunden, Abfallbeton und abgeschiedenes Kohlendioxid in einem neuartigen Verfahren zu einer brauchbaren Form von Beton, dem so genannten Calciumcarbonat-Beton, zu kombinieren.

Kohlenstoff verbindet sich mit Aluminiumoxid zu Carboaluminat

CaCO3 = Kalzit, Kalkspat Calciumcarbonat

Doch auch im Baustoffbereich sind vielfältige Anwendungen denkbar. Aktivkohle etwa kommt bereits heute als Zusatzstoff für Putze zum Einsatz. Beim Produkt „MP 75 Active-Comfort“ des Herstellers Knauf führt sie dazu, dass der Gipsputz mehr Feuchtigkeit aus der Raumluft zwischenspeichern kann und sogar schädliche VOC-Gase sowie unangenehme Gerüche aufnehmen und neutralisieren soll. Auch der Einsatz von Pflanzenkohle als Sand-Ersatz in Beton wird bereits erforscht.

Doch das ist noch längst nicht alles. Das porenreiche Material Biokohle und mit ihm das gespeicherte CO₂ lässt sich auch zu langlebigen Kunststoffen oder Kunststoffschäumen weiterverarbeiten. Vermischt mit herkömmlichen Elastomeren sind zum Beispiel nachhaltigere Materialien für Rohre, Fensterrahmen oder auch Reifen und Dichtungsringe möglich. Aufgeschäumte Biokohle-Produkte könnten Dämmfunktionen übernehmen oder als nachhaltige Verpackungsmaterialien dienen.

Technik der „Carbonauten“

Carbonschaum kann als Grundlage für Dämmstoffe genutzt werden.

Die Forestfinance-Gruppe betritt mit der Herstellung von Biokohle zwar Neuland, die Karbonisierung von Biomasse selbst ist allerdings eine uralte Praxis. Verglichen mit der im Bergbau gewonnenen fossilen Kohle war Biokohle bisher allerdings deutlich teurer. Bei den Produkten aus Eberswalde soll dies anders werden. Dafür kooperiert Forestfinance mit dem bayerischen Startup Carbonauten GmbH. Das wurde 2017 mit dem Ziel gegründet, weltweit qualitativ hochwertige Biokohlenstoffe in großen Mengen zu produzieren – klimafreundlich und zu wettbewerbsfähigen Preisen.

Um dieses Ziel zu erreichen, haben die Carbonauten-Gründer Torsten Becker und Christoph Hiemer ein technisches Verfahren entwickelt, das die Karbonisierung von Biomasse effizienter und weniger störungsanfällig macht. Innovativ daran ist nicht zuletzt auch der hohe Energieüberschuss bei der Herstellung. Diese Technik kommt nun in Eberswalde zum Einsatz. Becker und Hiemer sind für den Standort als Betriebsmanager verantwortlich. Erst ihr Verfahren ermöglicht es, hochwertige Biokohle zu günstigen Preisen anzubieten und nebenbei noch Erlöse aus dem Verkauf von Prozesswärme und Ökostrom zu erzielen.

Verwertung mitgedacht

Übrigens überlassen es die „Carbonauten“ auch nicht dem Zufall, was aus dem mit ihrer Technik hergestellten Pflanzenkohlenstoff wird. Becker und Hiemer haben längst Verfahren entwickelt, um das Material zum Beispiel als Zusatzstoff in Elastomeren zu verwenden oder es zusammen mit dem Biokunstoff PLA – ein Polymer der Milchsäure – zu einem nachhaltigeren Ersatz für erdölbasierte Kunststoffe wie Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) zu machen.

Auch Pflanzentöpfe aus reiner Biokohle haben die Beiden schon ausgetüftelt. Die sind zwar nicht dauerhaft, aber wenn sie sich nach dem Einpflanzen in kurzer Zeit zersetzen, tragen sie zugleich zur Bodenverbesserung bei. Aus Buchenholz-Kohlenstoff haben die Carbonauten zudem bereits Carbonschaum hergestellt. Der lässt sich als Grundlage für Dämmstoffe oder auch als Kernmaterial für Leichtbauplatten verwenden.

Als Chelatoren bezeichnet man organische oder selten anorganische Verbindungen, die zwei oder mehr freie Elektronenpaare aufweisen und damit mehr als eine koordinative Bindung mit einem zentralen (Metall-)Ion eingehen können.

Anreicherung der Kohle mit Nährstoffen durch Kompostierung oder Fermentation
Dabei werden gelöste Nährstoffe dauerhaft in die Kohlestruktur gebunden. Diese Arbeit übernehmen die Mikroorganismen, die mittels einer Chelatbildung, die Nährstoffe in die Kohle kleistern.

Das Besondere ist, dass diese Nährstoffe kaum ausgewaschen werden, sondern (nur) von den feinen Haarwurzeln der Pflanzen wieder herausgelöst werden können.

Schlüssel zum Erfolg sind hier die Mikroorganismen, die die Organik verstoffwechseln und zu dauerhaften Humus um- und aufbauen. (em Chiemgau)

Bindungen lassen sich durch die Zuführung von Energie, etwa in Form von Wärme oder Licht, spalten. Die dadurch entstehenden einzelnen Atome oder Moleküle haben häufig eine hohe Neigung, sich erneut zu binden. Die Neubindung kann an der vorher gespaltenen Stelle stattfinden, oder sie erfolgt an anderen Atomen oder Molekülen. Dies ist eine der Grundlagen für chemische Reaktionen.

Der maximale Abgabesatz beträgt nach Gesetz 210 Franken pro Tonne CO2. Die Abgabe kann auch nur für einen der beiden Teilbereiche eingeführt werden, wenn im anderen Bereich das Ziel erreicht wird. Sie kann auch für Brenn- und Treibstoffe unterschiedlich hoch sein. CO2-Gesetz

Die Eidgenössische Finanzkontrolle (EFK) prüfte 2017 die Lenkungswirkung des EHS (Emissionshandelssystems)und kam zu einem ernüchternden Fazit: «Generell kann gefolgert werden, dass das Schweizer EHS in der Verpflichtungsperiode 2013–2020 für die teilnehmenden Firmen praktisch keine direkten Anreize schafft, um den CO₂-Ausstoss zu reduzieren.»

Investitionen in neue Produktionsanlagen, in saubere Produkte und in innovative Lieferketten machen es möglich.

Trotz diesem positiven Trend werden die umweltrechtlichen Bestimmungen, so beispielsweise die Luftreinhalteverordnung, dauernd verschärft. Bisher sah die Verordnung für kleine
Holz-Zentralheizungen keine Messpflicht vor. Dies hat sich nun geändert. Die Verschärfung bedeutet einerseits zusätzlichen Aufwand und andererseits kann die Holzenergie ihre Leistungsfähigkeit bezüglich Umweltverträglichkeit nur eingeschränkt unter Beweis stellen. Dies steht zudem völlig im Widerspruch zur Tatsache, dass viele Landwirte oft Wald besitzen, wo neben Bauholz wertvolles Energieholz anfällt. Bis 2030 könnten gemäss „agrocleantech“ rund 3‘000 kleinere Schnitzelfeuerungs-Anlagen mit 50 kW Leistung oder 750 mittlere Schnitzelfeuerungs-Anlagen mit 200 kW Leistung betrieben werden. Daraus würde eine Wärmeproduktion von jährlich rund 330 GWh resultieren.23

Aus Sicht der SVP ist Holz als Energieträger praktisch CO2-neutral. In Schweizer
Wälder wächst mehr Holz als geschlagen wird und somit hat Holz ein Potenzial, welches es zu nutzen gilt. Durch die richtige Handhabung kann der Feinstaubausstoss
bereits heute reduziert werden, ohne neue Verbote und kaum einhaltbare Schwellenwerte.

Pospapier SVP

Klimakosten von Treibhausgas-Emissionen
Emissionen von Kohlendioxid (CO2) sind der Hauptverursacher des Klimawandels. Das Umweltbundesamt (⁠UBA⁠) empfiehlt für im Jahr 2021 emittierte Treibhausgase einen Kostensatz von 201 Euro2021 pro Tonne Kohlendioxid (t CO2) zu verwenden (1% Zeitpräferenzrate). Bei einer Gleichgewichtung klimawandelverursachter Wohlfahrtseinbußen heutiger und zukünftiger Generationen (0% Zeitpräferenzrate) ergibt sich ein Kostensatz von 698 Euro2021 pro Tonne Kohlendioxid. Dabei bezeichnet Euro2021 jeweils die Kaufkraft des Euro im Jahr 2021). Die Kosten infolge der ⁠Emission⁠ anderer Treibhausgase können mit Hilfe des Treibhausgaspotenzials (Global Warming Potential) analog ermittelt werden: Für Lachgas (N2O) gilt demnach der 265fache Satz der CO2-Kosten und für Methan (CH4) der 28fache Satz.

Die Schäden, die durch die ⁠Treibhausgas⁠-Emissionen entstehen, werden im Zeitablauf steigen, beispielsweise da der Wert von Gebäuden und Infrastrukturen, die durch Extremwetterereignisse geschädigt werden, steigt. Daher steigen auch die anzusetzenden Kostensätze im Zeitablauf (Umweltbundesamt Deutschland)

Abgabe Beton pro m3: 0.25-1.40 CO2-Ausstoss/m3 = 200 kg CO2 

590 kg CO2/1000 kg Zement

Abgabe Asphalt/Tonne: 2.- CO2-Ausstoss pro Tonne = 50 kg CO2

1 m3 Beton hat eine CO2-Lenkungsabgabe von CHF 1.40, stösst jedoch rund 200 kg CO2 aus (aus der Zementklinkerherstellung).

1 Tonne Asphalt hat eine Abgabe von CHF 2.-, stösst jedoch bei der Herstellung alleine 50 kg CO2 aus (ohne Transporte und Einbau). 

Das Deutsche Umweltbundesamt hat die mittel -und langfristigen Kosten einer Tonne CO2 berechnet: Sie liegen - je nach Rechnungs-Modell - zwischen 200-700 Euro.

Somit sind die aktuellen Abgaben kaum besonders stimulierend. Statt nun jedoch diese Lenkungsabgaben drastisch zu erhöhen, sollten wir uns Gedanken um eine Förderung von CO2-bindenden Produkten machen. Eine CO2-Zertifikatsgutschrift liegt zurzeit bei knapp CHF 100.-/Tonne CO2. Wenn nun ein Betonhersteller den Kohlenstoff mit 3% Masseanteil in seinen Beton mischt, kann er pro m3  ebenfalls gut 200 kg CO2 binden. D.h. mit 5 m3 erhält er theoretisch eine 100.-Gutschrift, die jedoch an den eigentlichen Versenker, also Bauherr oder GU geht.

Hier müsste auch für die Hersteller mehr an Belohnung geschaffen werden.

Ein CO₂-Preis, auch Kohlenstoffpreis genannt, ist ein Preis, der für Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO₂) gezahlt werden muss. Der CO₂-Preis dient dazu, externe Kosten der Kohlendioxidfreisetzung zu internalisieren, insbesondere die Folgen der globalen Erwärmung. Der CO₂-Preis muss für jede Tonne CO₂ bezahlt werden, die ausgestoßen werden soll. Er kann als CO₂-Steuer oder als CO₂-Emissionshandels-System umgesetzt werden.^[1] Für eine CO₂-Steuer spricht, dass die Höhe der Belastung von den politischen Gremien besser gesteuert werden kann.^[2] Der CO₂-Emissionshandel hat den Vorteil, dass die mengenorientierten CO₂-Reduktionsziele genau eingehalten werden können. Auch hybride Lösungen sind möglich, etwa ein Emissionshandel mit Mindest- oder Höchstpreisen.

Bildung von CSH-Kristallen

Wenn der Zement mit Wasser in Berührung kommt, kommt es praktisch augenblicklich zur so genannten Hydrolyse. Dabei reagiert das Wasser mit der Oberfläche der Zementklinker, was zu einem ersten Ansteifen des Zementleims führt. Doch danach gerät die spontane Reaktion zunächst ins Stocken. Erst frühestens eine Stunde nach dem Hinzufügen des Wassers brechen die Klinkeroberflächen auf und es beginnt der eigentliche Erstarrungsprozess des Zementleims. Bei dieser Hydratation werden die mit Wasser gefüllten Zwischenräume zwischen den Zement-Feststoffpartikeln nach und nach durch Hydratverbindungen ersetzt. Dabei handelt es sich um kristalline Feststoffe, in denen Wasser chemisch gebunden ist.

Je nach verwendetem Zementtyp bilden sich unterschiedliche Hydratkristalle. Beim Portland-Zement, der sehr viele Calciumsilikate enthält, sind es vor allem Calciumsilikathydrate (CSH). Am Anfang sind diese Kristalle noch sehr winzig, erst nach etwa vier Stunden bilden sich größere CSH-Verbindungen, die zunehmend in der Lage sind, die Zwischenräume zwischen den Zementpartikeln zu überbrücken. Es entstehen langfaserige, nadelförmige Strukturen. Diese Form spielt eine große Rolle für die hohe Festigkeit des späteren Zementsteins und damit des Betons. Die Kristallnadeln „verfilzen“ sozusagen miteinander.

(Baustoffwissen