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Prof.Dr.Dr.-Ing.E.h.

Die Fukushima-Katastrophe hat in Deutschland dazu geführt, dass die pauschale Ablehnung der Kernenergie deutlich zunahm. Bei dem Ende Juni beschlossenen Ausstieg könne — so sagen die Befürworter — Deutschland eine Vorreiterrolle über nehmen. Die Gefahr, dass das Land im globalen Wettbewerb Boden verliert, darf allerdings nicht außer Acht gelassen werden. Mit weltweit 442 Kernkraftwerken im Betrieb, 60 im Bau und über 300 in Planung ist Kernkraft kein deutsches Problem.1 Landesgrenzen schützen nicht vor den Folgen von Störfällen in Nachbarstaaten; sie schützen auch nicht vor dem Abwandern energieintensiver Industriezweige wie der Aluminium- oder der Kupferindustrie.
Sicher ist, dass unsere Basis für Energie und Rohstoffe, die von fossilen Brennstoffen abhängt und negative Einflüsse auf das Klima hat, nicht zukunftsfähig ist. Der Ausstieg aus der Kerntechnik und der Umstieg — weg von fossilen Brennstoffen — stellen eine der größten Herausforderungen für die Menschheit dar, deren Energie- und Rohstoffbedarf trotz aller Sparmaßnahmen deutlich steigen wird. Einige Handicaps erneuerbarer Energien und alternativer Rohstoffe sind offenkundig: Sonne und Wind sind höchst unstetige Energiequellen. Die Energiespeicherung ist nicht zufrieden stellend gelöst, und der aus Windkraft erzeugte Strom braucht Überlandleitungen, gegen die Bürgerinitiativen Sturm laufen. Bei nachwachsenden Rohstoffen beansprucht die Erzeugung von Nahrungsmitteln erste Priorität.
Es gilt als ausgemacht, dass die Kerntechnik zu Ende entwickelt sei, die erneuerbaren Energien dagegen riesiges Innovationspotenzial besäßen. Die Chance, dass aber auch die Kerntechnik eine Zukunftstechnologie sein kann, sollte nicht ausgeschlossen werden.2 Weiterentwickelte Reaktoren des Typs Evolutionary Power Reactor (EPR) bieten deutlich verringerte Störfallwahrscheinlichkeiten und ein erheblich verbessertes Sicherheitsmanagement zur Bekämpfung von Kernschmelzen und Wasserstoffexplosionen. Die englische Health and Safety Executive gab im November letzten Jahres bekannt, dass der neueste EPR die Auflagen der Behörde erfüllt.
Auch der inhärent sichere, überwiegend mit Thorium betriebene Kugelhaufenreaktor nach Schulten, für den sich viele Länder — darunter Kanada, USA, Indien, Japan und insbesondere China — interessieren, sollte beachtet werden. Dieser Reaktor ist sehr gut für die Bereitstellung von Prozesswärme geeignet. So kann Wasserstoff preiswert durch thermische Spaltung gewonnen werden. Wasserstoff könnte eine Schlüsselrolle bei der Nutzung von CO2 als ultimative C-Quelle einnehmen.
Zudem gibt es Hoffnung, lang strahlende Isotope im radioaktiven Müll — die bisher endgelagert werden müssen — in weniger strahlende und ungefährlichere Isotope umzuwandeln.3
Die Forschungsmittel für erneuerbare Energien sollten erhöht und umgeschichtet werden. Die Einspeisevergütungen für Strom aus Photovoltaik (PV) sind unsozial, da Rentner und Hartz-4-Empfänger keine PV-Anlage betreiben können. Die Eignung von Photovoltaik zur Deckung der Grundlast ist wegen der Laune der Sonne und aus Gründen der Ökonomie und Ökologie fragwürdig; die größte deutsche PV-Anlage erzeugt in Waldpolenz mit 550 000 Modulen auf einer Fläche von 120 Fußballfeldern gerade einmal ein Fünfzigstel der Strommenge von Biblis A. Die wirksamste Energiespeicherung als chemische Energie z. B. in Form von Methan oder Methanol und deren Gewinnung aus CO2 erfordert preiswerten Wasserstoff. Neben der Möglichkeit, ihn im Kugelhaufenreaktor oder ähnlichen Reaktoren zu gewinnen, sollte die Photolyse intensiv erforscht werden.
Wenn sich zeigt, dass der Ausstieg aus der Kernenergie nicht zu schaffen ist oder schwere ökonomische und damit soziale Nachteile mit sich bringt, darf ein Wiederanfahren von Nuklearanlagen oder der Neubau von modernen Reaktoren nicht ausgeschlossen werden.


— — — Der Chemiker Heribert Offermanns, Jahrgang 1937, war bis zum Jahr 2000 Vorstandsmitglied der Degussa. Er ist Honorarprofessor der Universität Frankfurt. Er engagierte sich unter anderem im Präsidium der GDCh und für den Fonds der Chemischen Industrie.



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<source>Frankfurter Allgemeine Zeitung, 14.3.11.
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<source>Die Welt, 15.11.2008, 18.3.2011, 11.8.2011.
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3 

<source>Die Welt, 14.9.2010, 9.11.2010.
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Artikel

“Auch Kerntechnik kann eine Zukunftstechnologie sein”

Die Fukushima-Katastrophe hat in Deutschland dazu geführt, dass die pauschale Ablehnung der Kernenergie deutlich zunahm. Bei dem Ende Juni beschlossenen Ausstieg könne — so sagen die Befürworter — Deutschland eine Vorreiterrolle über nehmen. Die Gefahr, dass das Land im globalen Wettbewerb Boden...

Mikrosilica — einst ein lästiges Abfallprodukt der Silicium- und Ferrosiliciumproduktion — hat sich in den vergangenen drei Jahrzehnten zu einem unverzichtbaren Bestandteil des Betons gemausert. Weder Meerwasser, Sulfatlösungen oder flüssiges Aluminium, noch hohe Drücke und Temperaturen scheinen mikrosilicahaltigem Beton etwas anhaben zu können.


<h2>Kristalline und amorphe Silica-Polymorphe</h2>
Von Siliciumdioxid (Silica) existieren sehr viele polymorphe Modifikationen, sowohl kristalline als auch amorphe. Eine unter Chemikern weniger bekannte Form ist Mikrosilica. Im englischen Sprachgebrauch heißt Mikrosilica auch “silica fume” und darf nicht mit “fumed silica”, der pyrogenen Kieselsäure, verwechselt werden.
Mikrosilica entsteht als Nebenprodukt der großtechnischen Herstellung von Silicium und Ferrosilicium im elektrischen Lichtbogenofen. Dabei wird hochreiner Quarz mit kohlenstoffhaltigen Reduktionsmaterialien wie Kohle, Koks und Holzschnipseln carbothermisch zum elementaren Silicium reduziert. Im Verlauf der komplexen Reduktionsreaktion entsteht intermediär Siliciummonoxid (SiO, Reaktion 1 in Abbildung 1), das bei den vorherrschenden Temperaturen von über 2000 °C teilweise abdampft; in den oberen und kälteren Regionen des Ofens oxidiert es zu SiO2 und dieses kondensiert dann als amorphes Mikrosilica (Reaktion 2 in Abbildung 1).1 Durch Filtration wird Mikrosilica vom Abgasstrom abgetrennt und von groben Bestandteilen befreit. Pro Tonne Silicium fallen etwa 200 bis 400 kg Mikrosilica an.3 Die Gesamtproduktion von Mikrosilica wird weltweit auf jährlich etwa 1 Mio. Tonnen geschätzt.
Mikrosilica besteht aus perfekten Kugeln amorphen Siliciumdioxids, wie elektronenmikroskopische Untersuchungen belegen. Die Primärpartikelgröße liegt zwischen 20 nm und 1 lm mit einem Mittelwert zwischen 100 und 150 nm. Dies ergibt eine spezifische Oberfläche (BET) von etwa 20 m2·g—1. Im Gegensatz zu den synthetischen amorphen Silicatypen wie pyrogene und Fällungskieselsäure sind die Primärpartikel im Mikrosilica nicht zusammengesintert, sondern liegen als isolierte Kugeln vor, die vollständig dispergierbare Agglomerate bilden. Die chemische Reinheit, gemessen am SiO2-Gehalt, liegt in Abhängigkeit von Rohmaterialien und Prozessparametern zwischen 80 und 98 %.


<h2>Vom Ärgernis zum Verkaufsschlager</h2>
Ursprünglich war Mikrosilica nur ein Ärgernis für Metallurgen, da es die Ausbeute an Silicum oder Ferrosilicium verringert. Wenngleich Mikrosilica weder gesundheits- noch umweltgefährdend ist, belastet der Ausstoß von 20 000 Tonnen Silica staub pro Jahr in einem Werk durchschnittlicher Größe die Luft. Behördliche Auflagen zur Luftreinhaltung führten dann in den 1960er Jahren dazu (Vorreiter war Norwegen), dass die Unternehmen Filteranlagen installieren mussten. Von da an fielen große Mengen Mikrosilica an, die zuerst deponiert wurden, bevor man das Potenzial des Stoffes erkannte.
Mittlerweile ist Mikrosilica ein weltweit geschätztes und gefragtes Additiv für die Bauindustrie. Das norwegische Unternehmen Elkem steuert seine Öfen so, dass sie kundenspezifische Mikrosilicaqualität produzieren, ohne die Silicium- und Ferrosiliciumqualität zu beeinflussen. Internationale Standards (z. B. EN 13263, ASTM C1240) spezifizieren die chemisch-physikalischen Parameter für Mikrosilica in Beton.
Mikrosilica besitzt aufgrund seiner geringen Partikelgröße und seines amorphen Charakters eine hohe Puzzolanaktivität: Es bindet das aus der Zementreaktion gebildete Calciumhydroxid, indem es zu Calciumsilicathydratphasen reagiert, die dem Zement die eigentliche Härte verleihen. Durch den Zusatz von Mikrosilica entstehen so Druckfestigkeiten von bis zu 150 Mpa — die Druckfestigkeit normalen Konstruktionsbetons liegt dagegen zwischen 15 und 50 Mpa.
Indem Mikrosilica überschüssiges Ca(OH)2 bindet, steht auch kein Calcium mehr zur Verfügung, das mit Sulfationen zu Thaumasit und Ettringit reagieren und so den Beton zersetzen würde [s. Nachr. Chem. 2011, 59, VIII]. Mikrosilica-Beton ist also sulfatresistent.
Neben diesem chemischen Effekt (Puzzolan und Ca-Absorber) besitzt Mikrosilica außergewöhnliche physikalische Eigenschaften, die es für den Einsatz in Beton unverzichtbar machen. Aufgrund seiner geringen Partikelgröße von etwa 100 nm kommen auf jedes Zementkorn etwa 100 000 Mikrosilicapartikel, die annähernd alle Hohl- und Zwischenräume im Beton ausfüllen. Dies macht den Beton ausgesprochen dicht. Minimale Porosität ist beispielsweise wichtig, um gasdichte Betons für Ölbohrungen herzustellen. Zudem verhindert die Dichtigkeit das Eindringen von Chlorid ionen, die Beton und Armierungsstahl korrodieren — insbesondere bei Bauwerken, die Salzwasser und Streusalz ausgesetzt sind.
Die Impermeabilität ist weiterhin wichtig, um die Frostsprengung zu verhindern und um die Alkali-Silica-Reaktion, den Betonkrebs, zu unterdrücken, die zu Rissen in und Zerstörung von Beton führen kann [s. Nachr. Chem. 2010, 58, 1249].
Durch seinen sphärischen Charakter wirkt Mikrosilica auch als Kugellager und beeinflusst positiv die Fließeigenschaften frischen Betons. Dadurch reduziert sich der Wasserbedarf zum Betonguss, und dies minimiert wiederum die Gefahr der Alkali-Silica-Reaktion. Durch die Feinheit der Mikrosilicapartikel erhält der Beton eine besonders glatte Oberfläche, die in Verbindung mit der hohen Stärke und Chemikalienresistenz für eine hohe Erosions- und Abriebsbeständigkeit sorgt.
Mikrosilica findet nicht nur in Beton Anwendung, sondern auch in Feuerfestmaterialien, die flüssiges Aluminium und Silicium befördern. Die hohe Reaktivität des amorphen Mikrosilicas reduziert die Sintertemperatur keramischer Materialien, und die Partikelform erhöht die Packungsdichte und verbessert die rheologischen Eigenschaften zementarmer oder zementfreier Mörtel.2
In Anbetracht weltweiter Bestrebungen, Asbest zu ersetzen, wird Mikrosilica in Fiberzement eingesetzt, um die Anbindung der Fasern an die Zementmatrix zu verbessern und die Frostbeständigkeit zu erhöhen.3
Auch zum Tiefbohrzementieren [s. Nachr. Chem. 2011, 59, 510] in der Ölindustrie trägt Mikrosilica bei, indem es für gasdichten Zement sorgt und die Wasserabgabe in die Gesteinsformationen, den Fluid-loss, minimiert.
 Projekte wie der Burj Khalifa in Dubai wären ohne Mikrosilica nie möglich gewesen: In dem mit 828 Meter höchsten Turm der Welt wurden 20 000 Tonnen Mikrosilica verbaut. Hier hat ein Staub Karriere gemacht, indem man das Potenzial seiner außergewöhnlichen chemisch-physikalischen Eigenschaften erkannte.


— — — Mikrosilica ist ein Nebenprodukt der groß technischen Herstellung von Silicium und Ferrosilicium und dient als Additiv für die Bauindustrie.
Jährlich werden etwa eine Million Tonnen Mikrosilica produziert.
Der Zusatz von Mikrosilica macht Beton druckfester und verhindert die Zersetzung des Betons in der Thaumasitreaktion sowie die Alkali-Kieselsäure-Reaktion, den Betonkrebs.
Mikrosilica verbessert die Dichtigkeit des Betons. Dies ist beispielsweise bei Öl bohrungen wichtig.


— — — Bernd Friede, Jahrgang 1968, promovierte im Jahr 1999 bei Martin Jansen über amorphe Siliciumsuboxide. Seit 2000 arbeitet Friede bei Elkem in Norwegen als Forscher und Reach Compliance Manager. Er repräsentiert Elkem im Vorstand des Siliciumkonsortiums und engagiert sich in technischen Fachgruppen verschiedener Verbände (Eurosil, Euroalliages) und der Silica-Arbeitsgruppe der Internationalen Organisation für Normung. <a href="mailto:bernd.friede@elkem.no">bernd.friede@elkem.no</a> Per Fidjestøl, Jahrgang 1951, graduierte 1973 an der Norwegischen Technischen Universität. Seit dem Jahr 1986 ist er Technical Manager für Beton bei Elkem. Fidjestøl war Präsident des American Concrete Institute und der norwegischen Betonvereinigung. Er ist Mitglied von internationalen Standardisierungskommissionen und norwegischen Fachgruppen für die Entwicklung von Beton- und Silica-Fume-Standards.



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1 


A. Schei, 
J. K. Tuset, 
H. Tveit, 
1998, 
<source>Production of High Silicon Alloys, 
<publisher-name>Tapir Verlag</publisher-name>, 
<publisher-loc>Trondheim</publisher-loc>, 
1998, ISBN 82—519—1317—9.

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2 


B. Myhre 1996, Particle size and its relevance in refractory castables, in: Proceedings of the 2nd India International Refractory Congress 1996, New Dehli 8th and 9th February 1996..
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3 

L. Zhen, Z. Yi, Effect of Elkem Mikrosilica on the Air-Cured Asbestos-Free Fibre Cement Product, The Sixth International Symposium on Cement &amp; Concrete, 2006, Xi'An, China..
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Artikel

“Auch Kerntechnik kann eine Zukunftstechnologie sein”

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