Kick-Off-Meeting für Forschungsprojekt zu Ziegelbrand mit biogenen Porosierungsmitteln

Am 25. Juni 2026 fand das Kick-off-Meeting für das neu aufgelegte Forschungsprojekt NiGebZ, Minderung von CO₂-Emissionen durch gezielte Absenkung der Spitzenbrenntemperaturen beim Ziegelbrand, statt. Die Projektverantwortlichen Dipl.– Ing. Daniela Hesky vom Institut für angewandte Bauforschung Weimar (IAB) und Dipl.-Ing. Sandra Petereit vom Institut für Ziegelforschung in Essen (IZF) erläuterten die Ziele des Projektes, den gewählten Ansatz sowie die Arbeitspakete.

Ziele

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines nahezu CO₂-neutralen Wandbaustoffs für tragende Wände. Energie für den Brennprozess soll überwiegend durch biogene Porosierungsmittel bereitgestellt werden. Gasbrenner sollen nur noch zur Regelung und Anpassung der Brennkurve dienen.

Dieses Ziel, erläuterten die Forscherinnen, steht im Zusammenhang mit dem Vorhaben einer Dekarbonisierung der Ziegelindustrie, wie in der Roadmap 2050 skizziert. Dort wird der Einsatz biogener Porosierungsmittel als eine Maßnahme neben der Entkopplung von Ofen und Trockner, dem Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen sowie wasserstoffbetriebenen und elektrischen Öfen genannt.

Den Fokus des Projekts auf die Rohstoffseite begründeten die Forscherinnen unter Verweis auf die prozessbedingten Emissionen beim Ziegelbrand. Diese entstehen bei der Verwendung carbonathaltiger Tone und können nur durch den Ersatz mit und Einsatz von carbonatfreien Tonen vermieden werden. Doch dies ist nur um den Preis deutlich höherer Betriebskosten möglich, weil sowohl der Rohstoff selbst als auch dessen Transport zusätzliche Kosten verursachen.

Ein alternativer Weg, prozessbedingte Emissionen und gleichzeitig höhere Rohstoffkosten zu vermeiden, liegt laut den Forscherinnen darin, die Brenntemperatur unter die Temperatur der Carbonatzersetzung zu senken. Aus Forschungsprojekten am IZF sei bekannt, dass bereits bei etwa 600 °C Druckfestigkeiten von 10 MPa, ausreichend für tragendes Mauerwerk, erreicht werden können. Eine weitere Reduzierung der Prozessemissionen ließe sich, vermuten die Forscherinnen, durch die Nutzung kohlenstofffreier Zuschlagstoffe erreichen. Denkbar wären auch festigkeitsfördernde Additive.

Biogene Porosierungsmittel

Biogene Porosierungsmittel stammen aus natürlichen, organischen Quellen und können die Porosität des Endprodukts erhöhen. Sie sind eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Porosierungsmitteln. Die Forscherinnen stellten vier Kategorien vor: Feste Biomasse wie Holz und Halmgüter; Pflanzliche Reststoffe, Agrarabfälle wie Holzmehl, Reisspelzen und sonstige Pflanzenabfälle; Pflanzenkohle; sowie alternative biogene Quellen: Tierische Materialien (z. B. Hornmehl), Algen und Biopolymere.

Carbonatzersetzung

Die Forscherinnen referierten die für das Projekt relevanten Kenntnisse um die Carbonatzersetzung. Calciumcarbonat und Magnesiumcarbonat zersetzen sich überwiegend zwischen 600 und 900 Grad Celsius. Das höchste Maß an CO₂-Freisetzung findet bei Temperaturen zwischen 750 und 850 Grad Celsius statt. Die Zersetzungstemperatur hängt von der Aufheizgeschwindigkeit (schneller führt zu höheren Temperaturen) und dem CO₂-Partialdruck in der Scherbenmatrix ab. Die Zersetzung ist eine endotherme Abspaltung von CO₂, zurück bleiben Calciumoxid bzw. Magnesiumoxid. Sind diese porösen Stoffe in der Masse fein verteilt, fördert dies die Mikroporosierung, bei Vorliegen in stückiger Form drohen später Kalkabsprengungen, abhängig vom Aufbereitungsgrad.

Diese Reaktion der Carbonatzersetzung, betonen die Forscherinnen, erzeugt viel CO₂ und benötigt viel Energie.

Zielsetzung Energieausnutzung

Dem entgegen richtet sich das Forschungsprojekt darauf, die exotherme Energie, die die Porosierungsmittel beim Brennen des Ziegels freisetzen, für den Brand zu nutzen. Der exotherme Zerfall der organischen Porosierungsmittel findet bei Temperaturen zwischen 300 (Sägemehl) und 900 (Graphit) Grad Celsius statt.

Blick in die Praxis

Beides, die Verbrennung von Porosierungsmitteln als auch die Carbonatzersetzung, trägt zur Gasbildung und Porosierung bei und spielt eine Rolle für die resultierende Porenstruktur und damit die Wärmedämmeigenschaften des Produktes. In der Praxis ist dieser Zusammenhang bekannt. So enthalten Hochlochziegel (HLZ) bis zu vier Prozent organischen Kohlenstoff (TOC) und bis zu 25 Prozent carbonathaltige Minerale.

Die Druckfestigkeit wiederum ist abhängig vom Sinterprozess, der bei Temperaturen von 800 bis 850 Grad Celsius beginnt. Die dabei stattfindende Mineralneubildung, bspw. von Feldspaten, Gehlenit und Diopsid, führt zu einem deutlichen Anstieg der Druckfestigkeit.

Der Brand von Ziegeln und die Mineralneubildung können jedoch, so zeigen Forschungsergebnisse, unterhalb der Temperaturen der Carbonatzersetzung stattfinden. So seien bei einer Brenntemperatur von lediglich 600 Grad Celsius Druckfestigkeiten bei Ziegeln möglich, die deutlich über der von Porenbeton liegen (2-8 N/mm² bzw. MPa).

Folgen für das Forschungsprojekt

Aus diesen Vorüberlegungen folgen die Rahmenbedingungen des Projekts. Die geplante Spitzentemperatur der Versuche beträgt ca. 600 Grad Celsius. Die Vermutung ist, dass sich die Carbonate bei diesen Temperaturen nur teilweise zersetzen. Dies kann Einfluß auf die Porengröße und -verteilung, die Festigkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit haben. Denn die Carbonatzersetzung ist ein zentraler Prozess für Porenbildung, Festigkeitsentwicklung und Wärmedämmung von HLZ. Eine Absenkung der Brenntemperatur auf ca. 600 °C kann diese Prozesse erheblich verändern. Das macht experimentelle Untersuchungen der Materialeigenschaften beim Einsatz biogener Porosierungsmittel und niedriger Brenntemperaturen erforderlich.

Lösungsweg

Am IAB sollen der Brand verschiedener HLZ-Massen bei unterschiedlichen Temperaturen und die Bestimmung von Rohdichte und Druckfestigkeit durchgeführt werden, ebenso die Charakterisierung der HLZ Massen (Mineralogie, Korngrößenverteilung ) und Korrelation der Ergebnisse mit der Entwicklung der Druckfestigkeit.

Am IZF sollen verschiedene Porosierungsmittel ausgewählt und auf ihren Brennwert hin bestimmt werden, zudem die Gasanalyse der porosierten Rohlinge durchgeführt und Rohdichte, Wärmeleitfähigkeit, Druckfestigkeit sowie Feuchtedehnung bestimmt werden.

Auf Basis der am IAB und am IZF gewonnenen Erkenntnisse soll ein Industrieversuch durchgeführt und die resultierenden bauphysikalischen Eigenschaften des Ziegels.

Der Arbeitsplan des Projektes sieht neun Arbeitspakete zur Bearbeitung dieser Schritte vor. Besonders interessant dürften die beiden letzten Pakete werden. Im Arbeitspaket acht, das im ersten Quartal 2028 angegangen werden soll, soll das verfahrenstechnische Konzept erarbeitet werden. Das beinhaltet das Konzept zur technischen Umsetzung, die Erarbeitung der Rohstoffmatrix geeigneter Rohstoffe und Masseversätze für die Herstellung von mit niedriger Temperatur gebrannten Ziegeln sowie die Definition der Anforderungen an das Brennverfahren. Arbeitspaket neun richtet sich auf die Ergebnisdarstellung und -dokumentation. Im zweiten Quartal 2027 ist mit einem Zwischenbericht und im zweiten Quartal 2028 mit einem Endbericht zu rechnen.

Die Zi wird berichten.