Evaluating Potentials of Coal-gangue-derived Building Materials Utilization in China: based on GCAM with Multi-dimensional Corrections

Jedes Jahr produzieren Chinas Kohleminen eine gewaltige Menge an Gesteilsabfällen, die als Kohlegangue bekannt sind. Dieses Material, das über Jahrzehnte hinweg Milliarden von Tonnen anhäuft, ist ein Nebenprodukt des Abbaus für Energiezwecke. Lange Zeit war die Standardlösung, dieses Gestein zu zerkleinern und in Ziegel, Zement und andere Baumaterialien umzuwandeln. Die Logik schien fundiert: Bauprojekte verbrauchen enorme Mengen an Material, und die Verwendung von Abfall anstelle der Gewinnung neuer Ressourcen hilft sowohl der Umwelt als auch der Wirtschaft. Dieser Ansatz setzt jedoch voraus, dass der Abfall leicht die Baustellen erreichen kann, an denen er benötigt wird, und dass das Gestein selbst für jede Aufgabe gut genug ist. Während sich das Land in Richtung einer grüneren Zukunft bewegt und weniger Kohle produziert, wird die Frage, was mit den Bergen des bestehenden Abfalls geschehen soll, dringlich. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, eine Verwendung für das Gestein zu finden, sondern herauszufinden, welche Verwendung an welchem Ort sinnvoll ist und ob die alte Strategie, alles in Ziegel zu verwandeln, tatsächlich auf nationaler Ebene funktionieren kann.

Ein Team von Forschern der Beijing University of Technology setzte sich zum Ziel, diese lang gehegte Annahme mithilfe eines hochentwickelten Computermodells zu testen, das darauf ausgelegt ist, zu simulieren, wie Energie und Materialien durch eine gesamte Wirtschaft fließen. Sie entwickelten ein detailliertes Framework, das das Problem gleichzeitig aus vier verschiedenen Blickwinkeln betrachtete: der Qualität des Gesteins, der Distanz, die es zurücklegen muss, den vollen Umweltkosten des Transports und der Verarbeitung sowie der technologischen Verbesserung im Laufe der Zeit. Anstatt allen Kohlegangue als gleich zu behandeln, sortierten sie das Material basierend auf seiner tatsächlichen Zusammensetzung in verschiedene Klassen ein. Ein Teil war kohlenstoffreich und besser geeignet, um zur Stromerzeugung verbrannt zu werden; ein anderer Teil war aluminiumreich und konnte zur Extraktion wertvoller Metalle verarbeitet werden; der Rest war gewöhnliches Gestein, das für das Bauwesen geeignet ist. Sie kartierten auch genau, wo der Abfall entstand im Vergleich dazu, wo sich die Baumärkte befanden, und berechneten die Kosten für den Transport von schwerem Gestein über hunderte Meilen.

Die Ergebnisse dieser Simulation offenbarten eine harte Grenze, die bisher übersehen worden war. Die Forscher fanden heraus, dass die Strategie, Kohlegangue primär als Baumaterial zu nutzen, strukturell bei etwa 100 Millionen Tonnen pro Jahr gedeckelt ist. Diese Grenze wird nicht durch einen Mangel an Technologie oder einen Mangel an Bauprojekten verursacht, sondern durch Geografie und Physik. Der Großteil des Abfalls stammt aus den Binnenprovinzen im Nordwesten, während die größten Baub Märkte an den fernen östlichen und südlichen Küsten liegen. Die Kosten für den Transport des schweren, minderwertigen Baumaterials über diese langen Distanzen übersteigen schnell den Wert der Materialien selbst. In vielen Fällen wären die Transportkosten drei- bis fünfmal höher als der Preis des Produkts, was das Projekt wirtschaftlich unmöglich macht. Darüber hinaus zeigte die Studie, dass der Bausektor einen Sättigungspunkt erreicht, was bedeutet, dass er die massiven Mengen des erzeugten Abfalls nicht aufnehmen kann, insbesondere wenn dieser Abfall mit anderen industriellen Nebenprodukten wie Flugasche und Stahlschlacke konkurrieren muss.

Als die Forscher ihr Modell anpassten, um diese räumlichen Realitäten zu berücksichtigen, entdeckten sie, dass ein riesiger Teil des Abfalls überhaupt nicht für Ziegel oder Zement verwendet werden konnte. In einem Szenario reduzierte diese räumliche Diskrepanz das Potenzial für die Nutzung als Baumaterial um mehr als ein Drittel. Die Studie endete jedoch nicht mit einer Sackgasse. Indem das Team den Abfall, der nicht für den Bau verwendet werden konnte, basierend auf seiner Qualität anderen Pfaden zuordnete, fand es einen Weg, einen erheblichen Teil des verlorenen Potenzials zurückzugewinnen. Das kohlenstoffreiche Gestein wurde an Kraftwerke geleitet, um Elektrizität zu erzeugen, und das aluminiumreiche Gestein wurde zur Metallgewinnung verarbeitet. Dieser Wechsel ermöglichte es dem System, etwa 60 Millionen Tonnen des Abfalls zu nutzen, die andernfalls unbrauchbar geblieben wären. Als sie die Zahlen erneut prüften, um zu sehen, ob diese neue Zuweisung weitere Transportprobleme verursachen würde, stellten sie fest, dass das System sogar noch mehr zurückgewinnen konnte, wobei die kumulative Umleitung schließlich den ursprünglichen Verlust überstieg. Dieser Prozess zeigte, dass ein diversifizierter Ansatz, der unterschiedliche Methoden für unterschiedliche Arten von Gestein an unterschiedlichen Orten nutzt, weitaus effektiver ist, als zu versuchen, den gesamten Abfall in einen einzigen Pfad für Baumaterialien zu zwingen.

Die Forscher untersuchten auch die Umweltauswirkungen dieser verschiedenen Entscheidungen. Sie fanden heraus, dass es nicht ausreicht, lediglich zu zählen, wie viel neues Material durch den Abfall ersetzt wurde. Als sie die Emissionen beim Transport des schweren Gesteins über lange Distanzen und die Chemikalien, die für die Verarbeitung des aluminiumreichen Gesteins benötigt werden, einbezogen, fiel der gesamte Klimavorteil deutlich geringer aus, als frühere Schätzungen suggerierten. Tatsächlich war die Nettoreduktion des Kohlendioxids fast 20 Prozent niedriger, als man berechnen würde, wenn man nur den Ersatz von Primärressourcen betrachten würde. Dies verdeutlicht, dass das Bewegen von Abfall über zu lange Strecken oder die Verwendung energieintensiver chemischer Prozesse den ökologischen Gewinn erheblich schmälern kann. Die Studie testete auch, ob staatliche Maßnahmen, wie etwa Kohlenstoffsteuern oder Subventionen, das System dazu bringen könnten, mehr Abfall zu nutzen. Die Ergebnisse zeigten, dass diese finanziellen Instrumente die Zahlen zwar leicht beeinflussen konnten, aber die physischen und geografischen Grenzen nicht durchbrechen konnten. Es stellte sich heraus, dass Subventionen im Verhältnis zum erzielten Klimavorteil sehr teuer waren, während die CO2-Bepreisung nur eine geringfügige Steigerung der Nutzung bewirkte.

Letztlich kommt die Studie zu dem Schluss, dass die alte Strategie, die Priorität auf Baumaterialien für die gesamte Kohlegangue zu legen, auf nationaler Ebene nicht mehr tragbar ist. Die Lösung liegt in einem maßgeschneiderten Ansatz, bei dem jede Provinz den Abfall verwendet, der am besten zu ihren lokalen Bedingungen passt. In Gebieten nahe der Baustellen bleibt die Herstellung von Ziegeln eine gute Option. In kohlenstoffreichen Regionen ist die Verbrennung des Gesteins zur Energiegewinnung die logische Wahl. In Gebieten mit aluminiumreichem Gestein ist die Extraktion der richtige Weg, sofern sauberere chemische Verfahren entwickelt werden, um die Emissionen zu reduzieren. Es gibt auch eine Rolle für die Nutzung des Abfalls zur Verfüllung von bereits abgebauten Flächen und zur Wiederherstellung der Landschaft, eine Methode, die den Langstreckentransport gänzlich vermeidet. Die Forschung legt nahe, dass der Versuch, mehr Abfall allein durch politische Maßnahmen in den Baumaterialsektor zu drängen, kontraproduktiv ist. Stattdessen bietet ein flexibles, vielpfadiges System, das die Grenzen der Geografie und die spezifischen Qualitäten des Gesteins respektiert, den realistischsten und ökologisch sinnvollsten Weg, um Chinas massive Bestände an Kohlegangue zu verwalten.