Beton war, ist und wird weiterhin ein kritisches Strukturmaterial sein – Wie können wir seine Mängel umgehen?

Betonbeschränkungen

Beton ist in den letzten Jahrzehnten zum zentralen Baustoff geworden, besonders in dicht besiedelten städtischen Umgebungen. Er hat nach und nach Ziegel, Steine und Holz ersetzt, dank seiner geringen Kosten, einfachen Handhabung und Skalierbarkeit.

Aber er ist nicht ohne Probleme.

Nachhaltigkeit

Zunächst ist er bei den verbrauchten Ressourcen alles andere als nachhaltig. Er verbraucht enorme Mengen Sand, sodass bereits beschrieben wurde, dass die Welt „aus Sand läuft“.

Quelle: Visual Capitalist

Die Zementproduktion ist ebenfalls ein sehr energieintensiver Vorgang. Sie wird fast ausschließlich mit fossilen Brennstoffen betrieben, was dazu führt, dass die Zementproduktion für 8 % der weltweiten CO₂‑Emissionen verantwortlich ist.

Dies lässt sich mit den CO₂‑Emissionen von Autos und Lieferwagen vergleichen, die für 10 % der globalen Emissionen verantwortlich sind. Das bedeutet, dass eine nachhaltigere Betonherstellung genauso wirkungsvoll wäre wie die Umstellung aller Weltautos auf Elektrofahrzeuge und deren Versorgung ausschließlich mit grüner Energie.

Haltbarkeit

Wenn Betonbauten Jahrhunderte überdauern würden, könnten wir zumindest davon ausgehen, dass der Sandverbrauch und die CO₂‑Emissionen einmalig und für lange Zeit erledigt sind, da die Konstruktion lange bestehen bleibt.

Doch das ist weit von der Realität entfernt. Stahlbetonbauten, die den Großteil der heutigen Bauwerke ausmachen, haben eine durchschnittliche Lebensdauer von nur 50‑100 Jahren. Sie müssen dann vollständig abgerissen, der Schutt entfernt und irgendwo vergraben und von Grund auf neu gebaut werden.

Neue Betontechnologien

Diese Kombination aus hohen Umweltkosten und mangelnder Haltbarkeit bedeutet, dass Beton verbessert werden muss. Natürlich könnten wir theoretisch vollständig zu Stein, Ton und Holz als Grundmaterialien für den Bau zurückkehren. Allerdings macht die Praktikabilität und die niedrigen Kosten von Beton es sehr schwer, ihn von seiner Position als bevorzugtes Material von Architekten zu verdrängen.

Entfernung von Stahl

Der zentrale Schuldige für die geringe Haltbarkeit modernen Betons ist die in ihn eingebrachte Stahlbewehrung (Bewehrungsstab). Stahlbewehrung bietet wichtige strukturelle Vorteile, indem sie die Zugfestigkeit des Betons (die Fähigkeit, Zug‑ oder Dehnungskräften zu widerstehen) radikal verbessert.

Das Problem ist, dass Stahl, der größtenteils aus Eisen besteht, letztlich rostet. Beim Rosten dehnt er sich aus, wodurch der umgebende Beton Risse bekommt. Das wird oft als Beton­krebs bezeichnet und erklärt, warum Stahlbeton nur begrenzt haltbar ist.

Quelle: USNW Sydney

Graphenbeton

Da wir neue Materialien erfinden, können neue Lösungen auf Beton angewendet werden. Durch das Hinzufügen von Graphen zu Beton, einem außergewöhnlichen 2D‑Material, haben Forscher der University of Virginia die Leistung von Beton gesteigert, ihn gleichzeitig haltbarer gemacht und die CO₂‑Emissionen reduziert.

Es wurde im Journal of Building Engineering unter dem Titel „Rheologische, mechanische und umweltbezogene Leistung druckbarer, graphenverstärkter zementischer Verbundwerkstoffe mit Kalkstein und kalziniertem Ton“ veröffentlicht.

Sie konzentrierten sich auf Beton, der in 3D‑Druckverfahren verwendet wird, ein Thema, das wir ausführlicher in „Home Ownership is More Prohibitive than Ever Before in North America – Can 3D Printing Change This?“ behandelt haben.

Der graphenverstärkte LC2‑Beton könnte die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu herkömmlichen druckbaren Betonmischungen um etwa 31 % reduzieren. Das liegt daran, dass anstelle von Stahl, der bei seiner Herstellung große Mengen CO₂ ausstößt, Graphen verwendet wird, das aus reinem Kohlenstoff besteht. Somit bindet dieser neue Beton zumindest im Bewehrungsanteil Kohlenstoff, anstatt ihn zu emittieren.

Dennoch bleibt der Zementanteil ein ebenso kohlenstoffintensiver Prozess, aber dies ist ein guter erster Schritt.

Da Graphen zudem viel stabiler ist und nicht oxidiert (rostet), sollte diese Betonart vor Beton­krebs geschützt sein. Wenn das daraus entstehende Gebäude deutlich länger hält, bedeutet das langfristig deutlich weniger Emissionen.

Hanfbewehrung

Fortschrittliche Materialien wie Graphen sind möglicherweise nicht die einzige Option. Das ist gut, da Graphen derzeit noch recht teuer ist, was die Kommerzialisierung dieses leistungsstarken, emissionsarmen Betons behindern könnte.

Hanf (die nicht‑psychoaktive Art von Cannabispflanzen) wird zunehmend in Baumaterialien eingesetzt. Bei richtiger Verarbeitung kann er zu Dämmmaterial, Hanfblöcken für kleine Gebäude und sogar zu Hemcrete (Hanf+Beton) verarbeitet werden.

Quelle: 2050 Materials

Er könnte auch zu Bewehrung für Beton geformt werden, in Form von Natural Fiber‑Reinforced Thermoplastic (NFRT) Composite‑Bewehrung, also Hanfbewehrung, bei der Hanfseil mit einer thermoplastischen Hülse kombiniert wird.

Quelle: CASE

Da Hanf ein Pflanzenfaser ist, ist er kohlenstoffnegativ und bindet atmosphärisches CO₂. Zudem ist Hanf sehr widerstandsfähig und nicht brennbar.

Selbstheilender Beton

Nicht aller Beton hält nur wenige Jahrzehnte. Einige Betonarten waren tatsächlich robust genug, um Jahrtausende zu überdauern, bereits aus der Römerzeit. Zum Beispiel ist das berühmte Pantheon die weltweit größte unbewehrte Betondom und wurde 128 n. Chr. erbaut.

Der entscheidende Punkt ist, dass solche Betonbauten keine Bewehrung verwendeten. Sie wurden zudem mit speziellen Materialien wie vulkanischem Gestein und Asche hergestellt, die dem Beton eine gewisse Selbstheilungsfähigkeit verliehen.

Während diese Option nicht perfekt skalierbar ist, da vulkanisches Gestein nicht so reichlich wie Sand vorkommt, könnte sie für viele Konstruktionen, die keine Bewehrung benötigen und kaum einen Neubau erfordern, eine Option sein.

Beheizter Beton

Neben Korrosion kann ein weiterer Faktor, der Betonbauten schädigt, das Einfrieren‑und‑Schmelzen im Winter sein. Jedes Mal dehnt sich das Wasser beim Gefrieren zu Eis aus, was kleine Stücke Beton abbröckelt oder Risse verursacht. Im Laufe der Zeit kann dies zu immer schwereren Schäden führen.

In „Self-Heating Concrete Could Help our Roads, Aquifers, and Wallets“ haben wir untersucht, wie ein Niedrigtemperatur‑Phasenwechselmaterial (PCM) in Mikrokapseln aus Paraffin eingebettet und direkt in Beton gemischt werden kann.

Dies könnte helfen, Beton bei Temperaturen um 0 °C frostsicher zu halten und den Wartungsaufwand für Winterstraßen zu reduzieren.

Kohlenstofffreier Zement

Da die CO₂‑Emissionen von Zement fast so hoch sind wie die von Autos, ist eine wichtige Verbesserung nötig, um die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren oder vollständig zu entfernen – leichter gesagt als getan.

Grüne Energie

Da die Zementproduktion viel Wärme erfordert, müssen wir die Entwicklung elektrischer oder thermischer Alternativen zu fossilbasierten Öfen und Kalzinern sehen.

Dies ist nicht unbedingt eine sehr komplexe technische Aufgabe, aber es wird Zeit brauchen, bis die gesamte Branche ihre Anlagen umstellt und diese neue Technologie übernimmt.

Zusätzlich sind elektrische Alternativen zu fossilbasierten industriellen Prozessen nur so grün wie der Strom, den sie nutzen. Daher ist eine stetige Versorgung mit kohlenstofffreiem Strom ebenfalls erforderlich.

Kalksteinbezogene Emissionen

Ein großes Problem bei der Entfernung von CO₂‑Emissionen aus der Zementproduktion ist, dass nicht alle Emissionen vom Energieverbrauch stammen. Wäre das der Fall, würde allein die Nutzung von grünem Strom zum Erhitzen des Kalksteins zu Zement ausreichen.

Aber der Kalkstein selbst, das Grundrohmaterial für Zement, emittiert CO₂ nach folgender Formel (mit Δ=Hitze): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 in einem Prozess, der Kalzinierung genannt wird.

• Ersetzen von Kalkstein: Durch die Verwendung von Calciumsilikat anstelle von Calciumcarbonat (Kalkstein) schlägt das Unternehmen Brimstone vor, kohlenstofffreien Zement zu erzeugen.
  • Da Calciumsilikat ein sehr verbreitetes Mineral ist, geht es hauptsächlich darum, die Technologie zu entwickeln und sie wettbewerbsfähig zu machen.
• CO₂‑Abscheidung: Da derzeit die meisten Zementwerke fossilbefeuerte Kalzinierer und Kalkstein verwenden, könnte es einfacher sein, die Emissionen abzufangen, als sie zu vermeiden.
  • Eine erste Pilotanlage, die Zement auf diese Weise produziert, ist bereits in Norwegen in Betrieb und könnte als Vorbild dienen.

Nachhaltiges Zementunternehmen

Als einer der weltweit führenden Zementproduzenten wird CRH entscheidend dazu beitragen, die Zementkonstruktion zu einer nachhaltigeren Branche zu machen. Es ist das Unternehmen mit dem größten Gesamtvolumen an Baustoffen sowohl in den USA als auch in den europäischen Märkten.

Das Unternehmen ist in 28 Ländern und an 3.390 Standorten aktiv, beschäftigt 78.500 Mitarbeitende, wobei CRH Americas 65 % des globalen Umsatzes 2023 ausmacht.

Das Unternehmen rechnet damit, dass robuste Ausgaben westlicher Regierungen für Infrastruktur sein Geschäftswachstum unterstützen werden. Die Trends zur Re‑Industrialisierung und zur Verlagerung hochmoderner Fertigung ins Inland sollten ebenfalls helfen.

Nachhaltigkeit

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

• Es ist der größte Recycler in Nordamerika und hat 2023 43,9 Millionen Tonnen Abfall und Nebenprodukte aus anderen Industrien recycelt.
• Es hat seine CO₂‑Emissionen 2023 um 8 % reduziert, dank des Einsatzes von 36 % alternativen Brennstoffen in seinen Zementwerken.
• Es strebt eine Reduktion der Emissionen um 30 % bis 2030 (im Vergleich zu den Emissionen von 2021) an.

Das ist an sich lobenswert, kann aber als zu wenig, zu spät angesehen werden.

Glücklicherweise ist CRH auch ein Treiber grundlegender Veränderungen in der Branche. Insbesondere hat es zusammen mit dem europäischen Betonriesen Holcim 75 Mio. $ in das Low‑Carbon‑Zement‑Unternehmen Sublime investiert.

Sublime Systems wurde 2020 aus dem MIT ausgegründet, um einen Elektrolyseur zu nutzen, der Zement bei Umgebungstemperatur produziert und damit energie- und fossilbrennstoffintensive Öfen ersetzt. Es ermöglicht zudem die Nutzung von Calciumquellen als Ausgangsmaterial, wodurch die CO₂‑Freisetzung aus dem Kalkstein vermieden wird.

Die erste kommerzielle Anlage von Sublime in Holyoke soll bereits 2026 eröffnet werden. Wenn sie sich bewährt, könnte sie ein echter Wendepunkt für die Zementindustrie sein und den Weg zu skalierbarem, emissionsarmem Beton ebnen.

„Sublime ist eine disruptive Kraft in der Zementherstellung. Seine einzigartige Technologie durchdringt den gesamten Produktionsprozess, von der Nutzung sauberer Elektrizität bis zu kohlenstofffreien Rohstoffen. Wir sind begeistert von seinem Potenzial und freuen uns, gemeinsam zu kooperieren, um es in großem Maßstab auf den Markt zu bringen. Diese Investition steht voll im Einklang mit Holcims Strategie, die Dekarbonisierung des Bauwesens zu beschleunigen, indem die innovativsten Technologien skaliert werden.“

Officer Nollaig Forrest – Holcims Leiter für Nachhaltigkeit

CRH hat zudem in weitere Dekarbonisierungs‑ und Nachhaltigkeits‑Start‑ups investiert:

• 23,7 Mio. € in Cool Planet Technologies, die CO₂‑Abscheidlösungen für Industrien entwickeln, die traditionell schwer zu dekarbonisieren sind.
• 34,7 Mio. $ von CRH und anderen Investoren in Carbon Upcycling Technologies, die eine rein elektrische Mineralisierungslösung einsetzen, um CO₂ dauerhaft in Industrie‑Nebenprodukten und Mineralien wie Zement, Kunststoffen, Konsumgütern, Düngemitteln und Pharmazeutika zu speichern.
• AICrete, eine „Recipe‑as‑a‑Service“-Plattform, die mit lokalen Betonherstellern zusammenarbeitet, lokale Materialien optimiert und den Zementverbrauch mithilfe von KI‑Analysen minimiert, wodurch sowohl der CO₂‑Fußabdruck als auch die Produktionskosten reduziert werden.
• FIDO AI’s Series‑B‑Finanzierung ist ein Start‑up, das KI einsetzt, um den Wasserverbrauch zu senken und Wassereinsparungen zu erhöhen.

Insgesamt ist CRH ein profitabler Marktführer in der Betonindustrie 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 Zement‑ und Betonproduktionstechnologien entwickeln.