Rohstoffe / Ausgangsstoffe

Hauptbestandteile

Ausgangsstoffe für die Herstellung von Portlandzementklinker sind Kalkstein und Ton, wobei Calciumcarbonat, CaCO₃, mit 65 bis 90 Masse-% überwiegt. Den restlichen Anteil bilden wechselnde Mengen an Tonmineralien, im wesentlichen Aluminiumsilicate sowie geringe Mengen u.a. von Magnesiumcarbonat, Eisencarbonat, Eisenoxid und Quarz.

Durchschnittliche chemische Zusammensetzung von Portlandzementklinker

• CaO (60 -69%)

• SiO₂ (20 - 25%)

• Al₂O₃ (4 - 7%)

• Fe₂O₃ (0,2 - 5 %)

• MgO (0,5 - 5%)

• Na₂O + K₂O (0,5 - 1,5%)

• SO₃ (0,1 - 1,3%)

Andere Bestandteile neben Portlandzementklinker

Hüttensand (granulierte Hochofenschlacke), Silicastaub, Puzzolane (z.B. Trass, Flugasche, gebrannter Ölschiefer, Kalkstein. Zusätzlich wird Calciumsulfat (Gips, Anhydrit) zur Erstarrungsregelung (verzögertes Erstarren am Anfang nach der Wasserbeigabe) zugegeben.
Durch die Zugabe weiterer und anderer Bestandteile zum Klinker können geringe Mengen an Spurenelementen (z. B. Schwermetalle) in den Zement eingetragen werden. Diese Spurenelemente werden bei der Hydratation des Zementes in die entstehende Zementsteinmatrix eingebunden und somit immobilisiert.

Zementzusatzmittel

Zementzusatzmittel werden zur besseren Herstellung oder zur Verbesserung der Eigenschaften von Zement eingesetzt. In der Regel handelt es sich um organische Bestandteile. Gemäß DIN EN 197 dürfen sie dem Zement mit nicht mehr als insgesamt 1 M.-% zugesetzt werden.
Wesentliche Zementzusatzmittel sind Mahlhilfen wie Glykole, Polyamine oder Triethanol-Amin, die alle zur chemischen Gruppe der Amine (organische Stickstoffverbindungen) gehören. Die Dosiermengen der Mahlhilfen betragen unter 0,2 % (im Allgemeinen unter 0,05 %), bezogen auf den Zement. Sie erleichtern den Mahlvorgang, wodurch weniger Energie verbraucht wird und geringere Emissionen an Staub und Lärm entstehen. Die Amine werden bei der Hydratation des Zementes in der Matrix fest eingebunden und stellen somit während der Nutzungsphase keine Gefahr für die Umwelt dar.

Umwelt- und Gesundheitsrelevanz

Gewinnung der Primärrohstoffe

Die Rohstoffe werden ausschließlich im Tagebau gefördert: Gewinnung im Großsprengverfahren, Verladen des Gesteins mit Löffelbaggern oder Radschaufelladern auf Schwerlastwagen, Anlieferung zu den Brechwerken. Die Zementwerke liegen in unmittelbarer Umgebung der Abbaustätten. Dies bedingt kurze Transportwege.

Verfügbarkeit

Die Rohstoffe sind (noch) in ausreichendem Maße vorhanden. Teilweise muss ein Teilrohstoff (Quarz, Kalk), der in den lokalen Abbaustätten nicht (mehr) vorhanden ist, aus der weiteren Umgebung angeliefert werden. Dies führt zu einer erhöhten Belastung der Umwelt (höherer Energieverbrauch, erhöhte Lärm- und Schadstoffemission, etc.). Teilweise werden auch Sekundärrohstoffe wie Kalkschlämme oder Gießerei-Altsande verwendet. Statt des reinen Portlandzementes (CEM I) werden inzwischen standardmäßig Portlandkomposit- bzw. -hüttenzemente (CEM II bzw. CEM III) angeboten und verwendet, um Primärrohstoffe zu schonen.

Verwendung von Recyclingmaterialien / Produktionsabfällen

Recyclingmaterialien, die bei der Zementherstellung Einsatz finden, sind Hüttensandmehl (Nebenprodukt bei der Stahlherstellung), Silicastaub (fällt bei der Herstellung von Silicium- und Ferrosiliciumlegierungen an) und Flugasche (feiner Staub, der bei der Rauchgasreinigung von Kohlekraftwerken anfällt).

Bei Nutzung von Stäuben aus industriellen Prozessen, z.B. Flugaschen oder Silicastaub, sowie bei Rohstoffen vulkanischen Ursprungs wie Trass können die Gehalte der natürlichen Radionuklide angereichert sein.

Das Bundesinstitut für Strahlenschutz (BfS) publizierte in ¹⁾ eigene Messungen, Literaturangaben und rechnerische Abschätzungen für die Produktgruppe „Beton“. Dabei wurde die gesamte Spannweite der spezifischen Aktivitäten von natürlichen Zuschlägen (Kies, Sand) und künstlichen Zusätzen (Flugasche, Hochofenzement) zur Betonherstellung berücksichtigt. Laut BfS wird der für die strahlenschutzfachliche Bewertung relevante Wert von 1 mSv/a unter Berücksichtigung des natürlichen Untergrundes nur in Ausnahmefällen erreicht oder unwesentlich überschritten.

Quellen

¹⁾ Gehrcke K., Hoffmann B., Schkade U., Schmidt V. , Wichterey K.: Fachbereich Strahlenschutz und Umwelt: Natürliche Radioaktivität in Baumaterialien und die daraus resultierende Strahlenexposition, Online Quelle (abgerufen im November 2020)

Herstellung

Prozesskette

Herstellungsprozess

Zuerst werden die Rohstoffe in Brecheranlagen zerkleinert und die einzelnen Komponenten im nötigen Verhältnis vermengt. Anschließend erfolgt die Mahlung der Rohmischung in sogenannten Mahltrocknungsanlagen (Rohrmühlen mit einer Füllung aus Stahlkugeln oder Walzmühlen mit Stahlwalzen) und die Homogenisierung des Rohmehls. Bei Temperatur von ca. 1450 °C werden die Rohstoffe im Drehrohrofen zum Zementklinker gebrannt. Der Klinker wird nach dem Brennen mit Sulfatträger zur Regulierung der Erstarrungsgeschwindigkeit und je nach gewünschter Zementart mit den jeweiligen Haupt- und Nebenbestandteilen gemischt und gemeinsam vermahlen (Sulfatgehalt: 3,5 - 4,5%). Bei unterschiedlichen Mahlbarkeiten können die weiteren Zumahlstoffe auch nach der Mahlung des Klinkers zugemischt werden.

Umweltindikatoren / Herstellung

Energieaufwand

Die meiste Energie wird beim Zementklinkerbrand verbraucht. Als traditionelle Brennstoffe finden Steinkohle und Braunkohle, in geringerem Umfang auch Petrolkoks und Heizöl Verwendung. Daneben kommen zunehmend Sekundärbrennstoffe zum Einsatz, so z. B. Altreifen, Kunststoffabfälle, Klärschlamm, Altöl etc. (Anteil im Mittel in Deutschland 69 % im Jahr 2020).

Der Einsatz von Sekundärbrennstoffen ist genehmigungspflichtig. Hierbei wird sichergestellt, dass der Einsatz weder die Klinkereigenschaften, noch die Abgasemissionen verschlechtert. Vorsorgend auf Brennstoffebene wird dies normalerweise durch dauerhafte Qualitätskontrollen der Schadstoffbelastung erreicht.

Bei der Herstellung von Zementen wird außerdem Energie zur Mahlung der Rohstoffe und des gebrannten Zementklinkers benötigt. Hierfür kommt v.a. elektrische Energie zum Einsatz.

Im Vergleich zu anderen Bindemitteln wie Gips und Kalk, die sich aber erheblich in ihren Eigenschaften unterscheiden, wird relativ viel Energie aufgewendet.

Graue Energie

In den generischen Zement-Datensätzen in der ÖKOBAUDAT (Release 2021-2) finden sich folgende Angaben zur Grauen Energie, PENRT:

CEM III Zemente weisen durch den hohen Anteil an Hüttensand (Nebenprodukte der Stahlerzeugung) den geringsten PENRT auf (1,29 bzw. 1,491 MJ/kg). Die anderen Zemente liegen in einer Größenordnung von 1,887 bis 2,312 MJ/kg, wobei die Werte für CEM IV tendenziell etwas niedriger sind. Auf Grund der Normvorgaben zur Zementzusammensetzung wäre hier ein eindeutigeres Ergebnis zugunsten der CEM IV Zemente zu erwarten. Für Portlandzementklinker bzw. für Zement mit 95 – 100 % Klinkeranteil (CEM I) befinden sich keine Datensätze in der ÖKOBAUDAT. Es ist davon auszugehen, dass der PENRT-Wert hierfür deutlich höher liegt.

Charakteristische Emissionen

Für primäre und für sekundäre Brennstoffe gelten unterschiedliche Anforderungen an die einzuhaltenden Emissionskonzentrationen: für die primären Brennstoffe gelten die Regelungen der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft), für sekundäre Brennstoffe die Bestimmungen der 17. Verordnung zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (17. BImSchV, Verordnung über Verbrennungsanlagen für Abfälle und ähnliche brennbare Stoffe). Die einzuhaltenden Grenzwerte richten sich dabei nach dem Anteil des eingesetzten Abfalls am gesamten Brennstoff (z.B. Primärbrennstoffanteil: 70% → Grenzwert für Staub = 0,7 * 50 mg/m³ + 0,3 * 10 mg/m³ = 38 mg/m³).

Stickstoffoxidemissionen

Die Zementklinkerproduktion gilt neben Verkehr und Energieerzeugung als Hauptverursacher von Stickstoffoxiden. Die Verbrennungsgase bei der Zementklinkerproduktion erreichen Temperaturen von bis zu 2000 °C. Bei solchen Hochtemperaturprozessen entstehen unweigerlich Stickstoffoxide (NOx). Ihre Reduktion stellt eine besondere Herausforderung für die Zementindustrie dar. Im Jahr 2019 senkte die novellierte 17. BImSchV die Tagesgrenzwerte von Stickoxid weiter herab auf 200 Milligramm je Kubikmeter. Diese anspruchsvollen Grenzwerte werden nur mehr mit modernen Technologien wie SCR-Katalysatoren (Selektive Katalytische Reduktion) erreicht.

Staubemissionen

Für die Herstellung von Portlandzementklinker müssen Rohstoffe und Brennstoffe staubfein gemahlen werden. Dabei entsteht Staub, ebenso wie beim Brennprozess selbst und bei der anschließenden Zementmahlung. Durch moderne Filtertechnologien sind die Staubemissionen aus der Drehofenanlage heute auf 10 Milligramm pro Kubikmeter begrenzt. In den 1950er Jahren lagen sie noch bei bis zu 3.000 mg/m³.

Schwefeldioxidemissionen

Schwefeldioxid (SO₂) entsteht beim Brennvorgang, hauptsächlich bei der Verbrennung von Kohle und Heizöl (schwer). Das entstehende Schwefeldioxid ist auch abhängig vom Schwefelgehalt im Rohstoff. Schwefeldioxid wird zu ca. 90 % in den Klinker eingebunden. Mit Abgasentschwefelungsanlagen konnten die SO₂-Emissionen reduziert werden.

Schwermetalle (v.a. Quecksilber und Thallium-Probleme)

Mit den Ersatzbrennstoffen werden auch metallische Spurenelemente in den Brennprozess eingebracht. Die meisten Metalle werden im stark basisch reagierenden Brenngut (PZ-Klinker) weitgehend eingebunden. Emissionen metallischer Spurenelemente können aber nicht ausgeschlossen werden, da unter anderem die Einbindungsrate von leicht flüchtigen Metallen (z.B. Thallium) gering ist. Neben dem Einbindungsgrad in den Klinker wird die Rückhaltung von Metallemissionen somit auch vom Abscheidgrad des Filters bestimmt.

Weitere Schadstoffemissionen

Eine etwaige TOC-Belastung im Abgas stammt nicht vom Brennvorgang selbst, sondern von organischen Verunreinigungen der Rohstoffe, die bei der Aufgabe auf die Ofenanlage umgesetzt werden. Durch die hohen Temperaturen beim Brennprozess werden evtl. toxisch relevante organische Verbindungen aus den Brennstoffen wie z. B. polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sowie Dioxine und Furane thermisch aufgeschlossen und spielen dadurch praktisch keine Rolle mehr.

Wenn Ofenstäube durch Zusatzfilter zurückgehalten werden (z. B. Bypass-Filter zur Verringerung der Alkalität), werden diese später dem gekühlten Klinker zugegeben und gemeinsam vermahlen. Schwermetalle, die mit den Roh- und Brennstoffen in den Drehofen gelangen, werden mit dem Abgasstrom in den Filter- und Ofenstäuben oder unmittelbar im Klinker gebunden. Bei der Hydratation des Zementes werden sie in die entstehende Zementsteinmatrix eingebunden und somit immobilisiert.

Chlor- und Fluorverbindungen werden nicht emittiert, da sie vom basischen Brenngut gebunden werden.

CO2 -Emission / Klimarelevanz

In Deutschland produzieren die Zementwerke etwa 17% der industriellen und ca. 3% der gesamten CO₂-Emission. CO2 entsteht bei der Verbrennung und bei der Entsäuerung des Kalksteins. Die rohstoffbedingten Emissionen aus dem Kalkstein haben einen Anteil von etwa 60 % an den Gesamtemissionen.

Andere Treibhausgase werden von den Zementwerken nur in untergeordneten Mengen emittiert.

In der folgenden Tabelle ist das Globale Erwärmungspotenzial (GWP) der in der ÖKÖBAUDAT enthaltenen generischen Zementdaten angeführt.

Die Interpretation ist analog jener für die PENRT-Werte, wobei im Fall des GWP die CEM IV Zemente erwartungsgemäß durchwegs besser als die CEM II Zemente abschneiden.

Maßnahmen Gesundheitsschutz

Es sollte persönliche Schutzausrüstung getragen werden (Augen-, Atem- und Gehörschutz).

Maßnahmen Umweltschutz

Maßnahmen zum Schutz der Umwelt und der Luft sind modernen Technologien wie SCR-Katalysatoren (Selektive Katalytische Reduktion), Entschwefelungsanlagen, hocheffiziente Filter und Einhausung der Anlagen zu Staubrückhaltung etc..

Transport

Die Zementwerke liegen in der Regel in unmittelbarer Umgebung der Abbaustätten. Dies bedingt kurze Transportwege in der Herstellungsphase des Grundstoffes.

Literatur

Verein Deutscher Zementwerke e.V., Hrsg. Umweltdaten der deutschen Zementindustrie 2018. Düsseldorf, 2019

Verein Deutscher Zementwerke e.V., Hrsg. Umweltdaten der deutschen Zementindustrie 2020. Stand Juli 2021, Düsseldorf, 2019

Verarbeitung

Technische Hinweise / Verarbeitungsempfehlungen

Bei der Verarbeitung von zementhaltigen Produkten ist auf die richtige Zugabemenge von Wasser zu achten. Eine Überdosierung von Wasser kann eine Verschlechterung der Produkteeigenschaften hervorrufen.

Arbeitshygienische Risiken

Allgemeines

Gesundheitsgefahren gehen nach heutigem Kenntnisstand überwiegend von der stark alkalischen Lösung aus, die sich beim Anmachen des Zements mit Wasser bildet (pH-Wert 12,5 bis 13,5) und Reizungen verursacht. Ergebnisse von in vitro-Versuchen zeigen, dass Gemische mit mehr als 1% Zement die Haut reizen und schwere Augenschäden hervorrufen. 

Bei der Verarbeitung zementhaltiger Produkte sind daher persönliche Schutzmaßnahmen erforderlich (u.a. Augenschutz, Handschutz, Hautschutz, Körperschutz).

Allergische Hautreaktionen auf Chromat (sogenannte „Maurerkrätze“) sind heutzutage nicht mehr zu erwarten, da die Herstellung und Verwendung nicht chromatarmer zementhaltiger Produkte (GISCODE ZP2) seit dem 17. Januar 2005 verboten ist.

Portlandzement(staub) ist gemäß [MAK- und BAT-Werteliste 2017] in Kategorie krebserzeugend III 3b eingestuft und entspricht damit einem Stoff nach → Anhang I, 9.2 „Bedingt zulässige Einsatzstoffe dieser Prüfkriterien, der nur in begründeten Fällen eingesetzt werden darf“. Im verarbeitungsfertigen Produkt Transportbeton tritt Portlandzementstaub aufgrund der Vermischung mit Wasser nicht auf. Im eingebauten Produkt ist Portlandzement nur noch im abgebundenen Zustand enthalten.

AGW-Werte

Portlandzement (staub):
5 mg/m³ gemessen in der einatembaren Fraktion

Einstufungen und Gesundheitsgefahren nach GISBAU

• ZP1 Zementhaltige Produkte, chromatarm
• ZP2 Zementhaltige Produkte, nicht chromatarm

Die Herstellung und Verwendung nicht chromatarmer zementhaltiger Produkte (GISCODE ZP2) ist seit dem 17. Januar 2005 verboten (s.o.).

Umweltrelevante Informationen

Energiebedarf

Bei der Verarbeitung von Zementen wird Energie beim Mischen zu einem verarbeitbaren Putz, Mörtel oder Beton verbraucht. Die Energiemenge ist abhängig von den verwendeten Mischaggregaten, ist aber im Vergleich zur Energie die bei der Herstellung aufgewendet werden muss gering.

Wassergefährdung

Eindringen von verdünnter Zementsuspension (Waschwasser) in Boden, Gewässer und Kanalisation muss aufgrund Freisetzung basischer Bestandteile durch Auslaugen / Auswaschen vermieden werden (WGK 1: schwach wassergefährdend). Hierzu zählen keine Bodeninjektionen oder dergleichen, bei denen die Zemente bzw. Zementmörtel aufgrund ihrer Zusammensetzung und ihrer schnellen Erhärtung kaum eine lang andauernde Beeinträchtigung darstellen.

Nutzung

Umwelt- und Gesundheitsrisiken Neuzustand

Zement ist im Nutzungszustand im erhärteten Bauprodukt als fester Stoff gebunden. Von Zementbindern werden weder im Neuzustand noch bei der Nutzung Schadstoffe in die Raumluft emittiert. Potenzielle Emissionen in die Umwelt werden durch die Eigenschaften des zementgebundenen Baustoffs und dessen Anwendungsbereich bestimmt. Im Allgemeinen sind außergewöhnliche umwelt- oder gesundheitsrelevante Auswirkungen durch die Verwendung von Zement weder im Neuzustand noch bei bestimmungsgemäßer Nutzung noch im Schadensfall zu erwarten.

Nachnutzung

Zement kann als hydraulisch abbindendes Bindemittel nicht mehr zurückgewonnen werden. Er wird daher als Bestandteil des Bauprodukts nachgenutzt oder beseitigt.