3D-gedruckten Beton so gestalten, dass er mehr CO₂ aufnimmt

Die ökologischen Grenzen von Beton: Sandverbrauch und CO₂-Emissionen

Beton hat sich in den vergangenen Jahrzehnten zum zentralen Baustoff entwickelt, insbesondere in dicht besiedelten städtischen Gebieten. Dank seiner geringen Kosten, der einfachen Verarbeitung und seiner vielseitigen Einsatzmöglichkeiten hat er Ziegel, Stein und Holz zunehmend ersetzt.

Doch auch Beton bringt Probleme mit sich.

Erstens ist Beton im Hinblick auf den Ressourcenverbrauch alles andere als nachhaltig. Für seine Herstellung werden enorme Mengen Sand benötigt – so viel, dass Berichten zufolge der Welt „der Sand ausgeht“.

Quelle: Visual Capitalist

Auch die Zementherstellung ist äußerst energieintensiv. Sie wird fast ausschließlich mit fossilen Brennstoffen betrieben. Dadurch ist die Zementherstellung für 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich.

Das ist vergleichbar mit den Emissionen von Pkw und Lieferwagen, die für 10 % der weltweiten Emissionen verantwortlich sind. Beton nachhaltiger zu machen, hätte daher eine ähnlich große Wirkung wie die Umstellung aller Autos weltweit auf Elektrofahrzeuge und deren ausschließlicher Betrieb mit grüner Energie.

Ein Teil dieser Emissionen kann jedoch durch ein Phänomen namens Karbonatisierung ausgeglichen werden: Dabei nehmen zementgebundene Materialien CO₂ aus der Atmosphäre auf.

Eine neue Studie von Forschenden der ETH Zürich (Schweiz), der University of Bath (Vereinigtes Königreich) und der University of Manchester (Vereinigtes Königreich) untersucht, ob 3D-gedruckter Beton dank einer schnelleren Karbonatisierung eine geringere CO₂-Bilanz als herkömmlicher Beton aufweisen kann. Für den in Tor Alva untersuchten 3D-gedruckten Beton schätzten die Forschenden, dass die Karbonatisierung über einen Zeitraum von 50 Jahren etwa 21 % seiner anfänglichen CO₂-Bilanz ausgleichen könnte.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Cement and Concrete Research¹ unter dem Titel „(Re-)Karbonatisierung: Eine neue Chance für nachhaltigen 3D-gedruckten Beton“.

Beton & CO₂

Der Hauptgrund für den hohen Anteil von Beton an den weltweiten CO₂-Emissionen ist die Kalzinierung von Kalkstein (CaCO₃), bei der CO₂ und Calciumoxid beziehungsweise Branntkalk (CaO) entstehen. Der Branntkalk verbindet sich anschließend unmittelbar mit Siliciumdioxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Eisenoxid (Fe₂O₃) aus Ton oder Schiefer und bildet so den fertigen Zement.

„Der größte Teil dieser Emissionen (in der Regel 60 % [2]) entsteht bei der Kalzinierung von Kalkstein (CaCO₃), bei der CO₂ und Calciumoxid (CaO) freigesetzt werden. Dieser Schritt findet vor dem Klinkerbrennprozess im Ofen statt. Die übrigen CO₂-Emissionen des Zements stehen hauptsächlich mit den fossilen Brennstoffen in Verbindung, die für die Bereitstellung der Wärmeenergie benötigt werden.“

Ein Teil dieser CO₂-Emissionen kann im nächsten Schritt ausgeglichen werden, wenn der Zement für den Bau von Betonstrukturen verwendet wird.

In der erhärteten Zementpaste reagieren die calciumhaltigen Hydratationsprodukte langsam mit dem CO₂ in der Luft. Dabei entstehen Calciumcarbonate, die CO₂ binden.

„Aus Nachhaltigkeitssicht lässt sich dieselbe Reaktion, bei der CO₂ gebunden wird, als (Re-)Karbonatisierung bezeichnen. Diese Menge entspricht etwa 43 % der CO₂-Emissionen, die bei der Zementherstellung entstehen.“

Die Karbonatisierung hat jedoch auch Nachteile. Sie verringert die Alkalität der Porenlösung im Beton, wodurch die Passivierungsschicht auf der Stahlbewehrung destabilisiert werden kann. Dies kann zu Korrosion des Stahls führen und die Lebensdauer herkömmlicher Stahlbetonbauwerke verkürzen.

Bei CO₂-armen Betonen kann dies ein ernstes Problem darstellen, da sie tendenziell schneller karbonatisieren als herkömmlicher Portlandzementbeton.

3D-Druck von Beton

Anhand eines Beispiels aus der Praxis

Unter den neuen Bauverfahren, bei denen Beton mithilfe digitaler Fertigung verarbeitet wird, ist der 3D-Druck von Beton die am weitesten verbreitete und vielversprechendste Technologie.

Um die tatsächliche CO₂-Bilanz dieser Technik zu ermitteln, entwickelten die Studienautorinnen und -autoren eine Methode zur dynamischen Ökobilanz (LCA). Als Fallstudie aus der Praxis diente ihnen der 3D-gedruckte Turm „Tor Alva“ im Dorf Mulegns in den Schweizer Alpen. Im Mittelpunkt standen die 3D-gedruckten verzweigten Säulen und die Kuppel.

Quelle: Zement- und Betonerforschung

Zunächst ermittelten sie die Karbonatisierung mit drei verschiedenen Verfahren: einem beschleunigten Test in einer Karbonatisierungskammer bei 4 % CO₂, 67 % relativer Luftfeuchtigkeit und 20 °C sowie zwei Verfahren auf Basis natürlicher Karbonatisierung. Bei diesen wurde entweder die Karbonatisierungstiefe direkt gemessen oder der Gehalt an Carbonaten beziehungsweise CO₂ mithilfe der thermogravimetrischen Analyse bestimmt.

Ermittlung der tatsächlichen Karbonatisierungsrate

Um die Auswirkungen der beobachteten Karbonatisierung über die Zeit abzuschätzen, legten die Forschenden einen Zeitraum von 50 Jahren zugrunde. Außerdem verglichen sie die Ergebnisse für die 3D-gedruckte Betonstruktur mit denen einer vor Ort gegossenen Struktur, die eine ähnliche äußere Geometrie und eine ähnliche Zementzusammensetzung aufwies.

Sie stellten fest, dass im karbonatisierenden Bereich das gesamte verfügbare Material reagierte und CO₂ aufnahm.

„Im karbonatisierten Bereich liegt die Menge des gebundenen CO₂ zwischen 44,16 und 51 g CO₂ je 100 g hydratisiertem Bindemittel. Der höhere Wert entspricht einer CO₂-Menge, die ausreicht, um das gesamte verfügbare Calciumsilikathydrat zu entkalken.“

Quelle: Zement- und Betonerforschung

Als Nächstes stellt sich die Frage, wie viel des 3D-gedruckten Betons während seiner Lebensdauer tatsächlich Kohlenstoff aufnehmen wird. Mithilfe beschleunigter Tests zur Untersuchung des Eindringens der Karbonatisierung ermittelten die Forschenden, dass innerhalb von 50 Jahren 86 % des gesamten für den Turm verwendeten Druckmörtels karbonatisiert würden. Das entspricht insgesamt 32 m³ karbonatisiertem 3D-Druckbeton.

Quelle: Zement- und Betonerforschung

Beim Vergleich dieser Ergebnisse mit Messungen der natürlichen Karbonatisierung ergab die direkte Messung der Karbonatisierungstiefe einen ähnlichen Wert (89 %). Die Methoden lieferten unterschiedliche Schätzungen des Ausmaßes der Karbonatisierung, doch diese Prozentsätze messen nicht unmittelbar die gesamte CO₂-Aufnahme. Die Forschenden erklären, dass pH-Indikatoren eine beträchtliche Absorption übersehen können, bevor sich die Farbe des Materials verändert. Die thermogravimetrische Analyse misst die Aufnahme direkt und stützt die Schätzung, dass der CO₂-Fußabdruck des 3D-Druckbetons um 21 % sinkt; bei pH-Messungen der natürlichen Karbonatisierung beträgt die geschätzte Verringerung dagegen 14 %.

Quelle: Zement- und Betonerforschung

Im Vergleich zum Ortbetonbau weist Tor Alva dank des um 25 % geringeren Betonverbrauchs und der besseren Karbonatisierung eine günstigere CO₂-Bilanz auf.

„Obwohl die 3DPC-Konstruktion 25 % weniger zementgebundenes Material enthält, kann sie 2,5-mal mehr CO₂ binden als die Ortbeton-Referenzkonstruktion (4,6 t CO₂ bei der gedruckten Konstruktion gegenüber 1,9 t CO₂ bei der vor Ort gegossenen).“

Verbesserte Kohlenstoffbindung

Diese Studie zeigt, dass eine schnelle Karbonatisierung dazu führen kann, dass Beton mehr Kohlenstoff bindet und dadurch die gesamten CO₂-Emissionen über den Lebenszyklus eines Gebäudes deutlich sinken. Das gilt insbesondere für Betonkonstruktionen ohne Stahlbewehrung sowie für 3D-Druckbeton, der sich schneller karbonatisiert.

Zu beachten ist außerdem, dass Frost-Tau-Wechsel wie im untersuchten Beispiel in den Schweizer Alpen wahrscheinlich sowohl die Randbedingungen als auch die inneren Transportvorgänge beeinflussten, die den Transport von Feuchtigkeit und CO₂ bestimmen.

Quelle: Zement- und Betonerforschung

In der Praxis könnte das bedeuten, dass 3D-Druckbeton in wärmeren Klimazonen als noch wirksamere Kohlenstoffsenke dienen könnte. Dies muss jedoch durch weitere Untersuchungen bestätigt werden.

„Gefrierendes Porenwasser könnte das Porennetz teilweise blockieren, dadurch den effektiven Transport verringern und die Karbonatisierung verlangsamen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Auswirkungen niedriger Temperaturen – sei es durch eine teilweise Blockierung der Poren, Veränderungen des Feuchtezustands oder eine Kombination aus beidem – bei der Beschreibung der Karbonatisierung unter solchen Umweltbedingungen berücksichtigt werden sollten.“

Dies eröffnet auch neue Perspektiven für die Optimierung des 3D-Betondrucks. Die Karbonatisierung zu optimieren, könnte bei der geometrischen Optimierung von 3D-gedruckten Betonkonstruktionen zu einem weiteren Parameter werden, indem möglichst viel Oberfläche der Karbonatisierung ausgesetzt wird.

Das bedeutet nicht, dass 3D-Druckbeton eine klimaneutrale Bauweise ist. Selbst bei optimierter Karbonatisierung sind die Emissionen, die bei der Kalzinierung während der Zementherstellung entstehen, weiterhin erheblich. Und natürlich wird der Kohlenstoff, der über 50 Jahre wieder aufgenommen wird, in der Zwischenzeit wesentlich zum Klimawandel beitragen.

Würden diese CO₂-Emissionen jedoch bereits in der Zementfabrik abgeschieden, könnte die spätere Karbonatisierung des Betongebäudes solche Bauwerke tatsächlich zu einer Netto-Kohlenstoffsenke machen – obwohl sie aus Beton bestehen.

3D-Druckbeton kann dieses Ziel am ehesten zuerst erreichen, indem er optimierte Geometrie, CO₂-arme Bindemittel und eine geeignete Bewehrung kombiniert. Daraus könnte sich wiederum eine Chance für Baustoffanbieter ergeben.

Investitionen in fortschrittliche Betontechnologie

CRH

Als einer der weltweit führenden Zementhersteller wird CRH entscheidend dazu beitragen, das Bauen mit Zement nachhaltiger zu gestalten. Gemessen am Gesamtvolumen der gelieferten Baustoffe steht das Unternehmen sowohl auf dem US-amerikanischen als auch auf dem europäischen Markt an erster Stelle.

Quelle: CRH

Das Unternehmen ist in 28 Ländern und an 3.390 Standorten tätig und beschäftigt 78.500 Menschen. Auf CRH Americas entfallen 65 % des weltweiten Umsatzes. Außerdem ist das Unternehmen mit Abstand der größte Zementhersteller – eine Führungsposition, die durch die kürzlich erfolgte Übernahme von Arcosa weiter gefestigt wurde.

„Die Transaktion stärkt CRHs Position als führendes Unternehmen im US-amerikanischen und weltweiten Markt für Gesteinskörnungen und erhöht zugleich das Engagement in einigen der am schnellsten wachsenden Metropolregionen der USA (Metropolitan Statistical Areas, MSAs).“

Quelle: CRH

CRH erwartet, dass die kräftigen Infrastrukturinvestitionen westlicher Regierungen das Unternehmenswachstum fördern werden. Auch die Reindustrialisierung und die Rückverlagerung der Hightech-Produktion ins Inland dürften dazu beitragen.

CRH hat mit einer Reihe von Initiativen erhebliche Fortschritte im Bereich Nachhaltigkeit erzielt:

• Das Unternehmen ist der größte Recycler Nordamerikas: 2023 recycelte es 43,9 Millionen Tonnen Abfälle und Nebenprodukte aus anderen Branchen.
• 2023 senkte das Unternehmen seine CO₂-Emissionen um 8 %, indem es in seinen Zementwerken zu 36 % alternative Brennstoffe verwendete.
• Das Unternehmen strebt an, seine Emissionen bis 2030 um 30 % zu senken (gegenüber dem Emissionsniveau von 2021).

CRH treibt auch grundlegendere Veränderungen in der Branche voran. Besonders erwähnenswert ist, dass das Unternehmen gemeinsam mit dem europäischen Betonriesen Holcim 75 Mio. US-Dollar in das auf CO₂-armen Zement spezialisierte Unternehmen Sublime investiert hat.

Sublime Systems wurde 2020 aus dem MIT ausgegründet, um mithilfe eines Elektrolyseurs bei Umgebungstemperaturen Zement herzustellen und so energie- und fossilbrennstoffintensive Brennöfen zu ersetzen. Das Verfahren ermöglicht außerdem die Verwendung von Kalziumquellen als Ausgangsmaterial und vermeidet dadurch die CO₂-Freisetzung aus dem eingesetzten Kalkstein.

Die erste kommerzielle Anlage von Sublime in Holyoke soll frühestens 2026 eröffnet werden. Sollte sich die Technologie bewähren, könnte sie die Zementindustrie grundlegend verändern und den Weg für eine skalierbare Herstellung emissionsarmen Betons ebnen.

CRH investierte auch in weitere Start-ups, die sich mit Dekarbonisierung und Nachhaltigkeit befassen:

• 23,7 Millionen Euro in Cool Planet Technologies, das Lösungen zur CO₂-Abscheidung für Branchen entwickelt, deren Dekarbonisierung traditionell schwierig ist.
• 34,7 Mio. US-Dollar von CRH und anderen Investoren für Carbon Upcycling Technologies: Das Unternehmen nutzt ein vollständig elektrisches Mineralisierungsverfahren, um CO₂ dauerhaft in industriellen Nebenprodukten und Materialien wie Zement, Kunststoffen, Konsumgütern, Düngemitteln und Arzneimitteln zu speichern.
• AICrete ist eine Plattform für „Rezeptur als Dienstleistung“, die mit lokalen Betonherstellern zusammenarbeitet. Mithilfe von KI-Analysen optimiert sie die Verwendung lokaler Materialien und minimiert den Zementbedarf. Dadurch sinken sowohl der CO₂-Fußabdruck als auch die Kosten der Betonherstellung.
• Die Finanzierungsrunde der Serie B von FIDO AI unterstützt ein Start-up, das mithilfe von KI den Wasserverbrauch senken und Wassereinsparungen erhöhen will.

Schließlich investiert CRH auch in den 3D-Betondruck (3DCP), und zwar über seine Tochtergesellschaft Amerimix.

Insgesamt ist CRH ein profitabler Branchenführer im Beton- und Baugewerbe und bereitet sich sehr aktiv auf die Dekarbonisierung der Branche vor: sowohl direkt in bestehenden Anlagen als auch als wichtiger Kapitalgeber für innovative Start-ups, die die nächste Generation von Technologien zur Zement- und Betonherstellung entwickeln – einschließlich Technologien für die Dekarbonisierung und den 3D-Druck.

Aktuelle Börsennachrichten und Entwicklungen zu CRH (CRH)

Zitierte Studie

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Re-)Karbonatisierung: Eine neue Chance für nachhaltigen 3D-gedruckten Beton. Cement and Concrete Research. Dezember 2026. Artikel: 108411. Band 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}