Additive Fertigung
Schnell trocknender 3D‑gedruckter Ton‑Hanf‑Polymer zur Ersetzung von Beton
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Umweltgrenzen von Beton: Sandverbrauch und CO₂‑Emissionen
Beton hat sich in den vergangenen Jahrzehnten zum wichtigsten Baustoff entwickelt, insbesondere in dicht besiedelten Städten. Dank seiner niedrigen Kosten, einfachen Verarbeitung und Skalierbarkeit hat er Ziegel, Stein und Holz zunehmend verdrängt.
Doch der Baustoff bringt erhebliche Probleme mit sich.
Erstens ist Beton beim Ressourcenverbrauch alles andere als nachhaltig. Er benötigt enorme Mengen Sand – 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, weshalb die Zementproduktion für 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich ist.
Das ist mit den Emissionen von Pkw und Lieferwagen vergleichbar, die 10 % der weltweiten Emissionen verursachen. Beton nachhaltiger zu machen, könnte daher eine ähnlich große Wirkung haben wie die Umstellung aller Autos weltweit auf Elektroantrieb mit ausschließlich grüner Energie.
Wie der 3D-Druck mit Ton und Hanf eine CO₂-arme Betonalternative schafft
Parallel zur Suche nach umweltfreundlicheren Alternativen zu herkömmlichem Beton entstand die Idee, Häuser nach den Prinzipien des 3D-Drucks zu errichten.
Anstelle arbeitsintensiver Verfahren wie dem Mauern kann ein automatisierter 3D-Drucker Wände schnell aufbauen.
Das Drucken der Wände beseitigt jedoch nicht die lange Aushärtezeit von Beton: Bis das Bauwerk seine volle Festigkeit erreicht, müssen weiterhin 28 Tage vergehen.
Forschende der Oregon State University haben nun einen Betonersatz entwickelt, der deutlich weniger CO₂ verursacht und dennoch mit der 3D-Drucktechnik kompatibel ist.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Advanced Composites and Hybrid Materials1 unter dem Titel „3D-Druck nachhaltiger Infrastruktur mit schnell abbindendem Tonbeton und biobasierten Zusatzstoffen“.
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| Eigenschaft | Traditioneller Zementbeton | Ton‑Hanf‑Polymerbeton (OSU) | CO₂‑armer Elektrolyse‑Zement (Sublime) |
|---|---|---|---|
| Bindemittel | Portlandzement, im Ofen gebrannter Klinker | Acrylamid‑basiertes Polymerbindemittel mit RICFP | Elektrolysebasiertes Zementverfahren bei Umgebungstemperatur |
| Anteil biobasierter bzw. vor Ort verfügbarer Stoffe | Niedrig; hauptsächlich abgebautes Gestein | ≈75 % Ton, Sand, Hanffasern, Biokohle nach Gewicht | Abhängig von örtlichen Calciumquellen (industrielle Nebenprodukte, Gesteine) |
| Festigkeit unmittelbar nach dem Auftragen | Effektiv 0 MPa; erfordert Schalung | ≈3 MPa direkt nach dem 3D‑Druck | Frühfestigkeitsprofil wird noch skaliert und getestet |
| Tage bis zum Erreichen einer strukturellen Festigkeit von 17–24 MPa | Typischerweise bis zu 28 Tage | ≈3 Tage bis zum Überschreiten von 17 MPa | Ziel ist ähnlich oder besser, variiert je nach Mischung und Anlage |
| Vollständige Aushärtezeit | ≈28 Tage | ≈8–14 Tage (über 40 MPa) | Anlagenspezifisch; so konzipiert, dass kein Ofenprozess erforderlich ist |
| CO₂‑Fußabdruck vs. gewöhnlicher Portlandzement | Hoch (Öfen und Prozessemissionen) | Niedriger, dank biobasierter Zuschlagstoffe und ohne Zementofen | Entwickelt, um deutlich niedriger zu sein, indem die Kalksteinverbrennung vermieden wird |
| Eignung für den 3D-Druck | Erfordert Stützen, langsameres Aushärten, begrenzte Überhänge | Kann freistehende Überhänge und Lücken ohne Stützen drucken | Frühphase; Fokus auf Chargenproduktion von CO₂‑armem Zement |
Im Inneren des Ton‑Hanf‑Polymers: RICFP und biobasierte Zuschlagstoffe
Zement besteht üblicherweise aus Calcium, Silicium, Aluminium und Eisen. Diese Bestandteile werden in einem Ofen erhitzt und anschließend zu einem feinen Pulver gemahlen.
Die Forschenden entwickelten stattdessen einen 3D-druckbaren Baustoff auf Tonbasis mithilfe eines Verfahrens namens radikalinduzierte kationische Frontpolymerisation (RICFP).
Das Verfahren beruht auf drei chemischen Schlüsselkomponenten:
- Ein Monomer, das in Gegenwart eines freien Radikals polymerisiert.
- Ein Vernetzer, der Polymerketten miteinander verbindet.
- Ein Initiator, der bei hoher Temperatur die für den Start der Polymerisation benötigten freien Radikale freisetzt.
Die Forschenden kombinierten das RICFP-Bindemittel mit Tonzuschlag, Sand, Biokohle und Hanffasern, um Druckfestigkeit, Wärmedämmung und Nachhaltigkeit zu verbessern. Hinzu kam ein Bindemittel aus dem Acrylamid-Monomer (ACR), dem Vernetzer Methylenbisacrylamid (MBA) und Ammoniumpersulfat (APS).
Insgesamt erreichte die Mischung einen Anteil biobasierter Materialien von 70–80 Gewichtsprozent.
Überlegene Festigkeit und schnelleres Aushärten im Vergleich zu herkömmlichem Beton
Der wichtigste Vorteil des Materials gegenüber Beton ist seine höhere Festigkeit, insbesondere unmittelbar nach dem 3D-Druck.
Mit einer verarbeitbaren Festigkeit von 3 Megapascal (MPa) ermöglicht es den Bau mehrschichtiger Wände und freitragender Überhänge wie Dächer.
Die Festigkeit nimmt mit der Zeit weiter zu, sodass am Ende ein sehr stabiles Bauwerk entsteht.
„Es überschreitet 17 Megapascal, die für Wohnbaustahlbeton erforderliche Festigkeit, bereits nach drei Tagen, im Vergleich zu bis zu 28 Tagen bei herkömmlichem zementbasiertem Beton.“
Devin Roach – Assistenzprofessor für Maschinenbau, OSU College of Engineering
Ein weiterer Vorteil ist die Aushärtezeit: Das Material erreicht die für tragenden Wohnungsbau erforderlichen 17 MPa bereits nach drei Tagen. Vollständig ausgehärtet ist es in weniger als zwei Wochen – herkömmlicher zementbasierter Beton benötigt dagegen rund 28 Tage.
Die Forschenden erprobten zudem verschiedene 3D-Druckverfahren für den Bau. Sie zeigten, dass die höhere Festigkeit und schnelle Polymerisation es ermöglichen, die neue Mischung ohne darunterliegende Stützkonstruktion zu drucken.
Mit der neuen Methode könnten auch Türen und Fenster in üblichen Formen gedruckt werden – Bauteile, die beim 3D-Druck mit Beton normalerweise zusätzliches Material oder besondere Verfahren erfordern.
„Die Fähigkeit des Materials, freistehende Strukturen ohne Stützen zu drucken, einschließlich verschiedener und einzigartiger Möglichkeiten, mit frontal polymerisierendem Beton zu drucken.“
Was 3D‑Druck mit Ton‑Hanf für zukünftige Gebäude bedeuten könnte
Während 3D-gedruckte Häuser und Bauteile anfangs auf Beton setzten, dürfte dieses neue Bauverfahren von neuartigen Materialien profitieren.
Da sich der Ton-Hanf-Biokohle-Baustoff noch im Versuchsstadium befindet, ist er derzeit teurer als Beton.
Weitere Verbesserungen und sinkende Baukosten durch die Effizienz des 3D-Drucks dürften ihn letztlich mit herkömmlichen Baustoffen konkurrenzfähig machen.
Darüber hinaus könnte der deutlich geringere CO₂-Fußabdruck zum entscheidenden Vorteil werden, wenn CO₂-Steuern die Zementkosten stark erhöhen.
Investition in die Zementproduktion
Investorenausblick – Ton‑Hanf‑3D‑Druck & CRH
Ton-Hanf-Polymerbeton befindet sich noch im Labor- und Pilotstadium, profitiert jedoch von drei starken Trends: der Dekarbonisierung des Bauwesens, dem automatisierten 3D-Druck von Gebäuden und schnell aushärtenden Materialien, die Projektlaufzeiten verkürzen. Die Mischung der Oregon State University zeigt, wie biobasierte Zuschlagstoffe und Polymerchemie in wenigen Tagen statt Wochen strukturelle Festigkeit liefern können – bei einem deutlich geringeren CO₂-Fußabdruck als herkömmlicher Zement. Für Anleger am öffentlichen Kapitalmarkt ist CRH eine der klarsten Möglichkeiten, an diesem Wandel teilzuhaben. Das Unternehmen ist der größte Recycler Nordamerikas, senkt bereits mithilfe alternativer Brennstoffe die Zementemissionen und investiert in Anbieter von CO₂-armem Zement wie Sublime Systems, Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und KI-gestützte Mischungsoptimierung. Wenn elektrolysebasierter Zement und fortschrittliche 3D-Druckmischungen kommerziell skalierbar werden, sind etablierte Anbieter mit globalem Vertrieb, Kapital und regulatorischen Beziehungen – wie CRH – am besten positioniert, den Wandel anzuführen, statt von ihm verdrängt zu werden.
CRH: Führender Anbieter von nachhaltigerem Zement mit Dekarbonisierungsstrategie
CRH Preisdiagramm
Als einer der weltweit führenden Zementhersteller wird CRH maßgeblich dazu beitragen, das Bauen mit Zement nachhaltiger zu machen. Sowohl auf dem US-amerikanischen als auch auf dem europäischen Markt steht das Unternehmen beim Gesamtvolumen bereitgestellter Baustoffe an erster Stelle.
Das Unternehmen ist in 28 Ländern an 3.390 Standorten tätig und beschäftigt 78.500 Menschen. CRH Americas erwirtschaftete 65 % des weltweiten Umsatzes im Jahr 2023.
CRH erwartet, dass umfangreiche Infrastrukturausgaben westlicher Regierungen das Geschäftswachstum unterstützen. Auch die Reindustrialisierung und die Rückverlagerung der Hightech-Produktion dürften dem Unternehmen zugutekommen.
Quelle: CRH
CRH hat mit mehreren Initiativen deutliche Fortschritte bei der Nachhaltigkeit erzielt:
- Das Unternehmen ist der größte Recycler Nordamerikas und verwertete 2023 insgesamt 43,9 Millionen Tonnen Abfälle und Nebenprodukte anderer Branchen.
- Dank eines Anteils alternativer Brennstoffe von 36 % in seinen Zementwerken senkte CRH die CO₂-Emissionen 2023 um 8 %.
- Bis 2030 sollen die Emissionen gegenüber 2021 um 30 % sinken.
Das ist an sich lobenswert, kann angesichts der CO₂-Emissionen der Betonindustrie jedoch als zu wenig und zu spät gelten.
Glücklicherweise treibt CRH auch grundlegendere Veränderungen in der Branche voran. So investierte das Unternehmen gemeinsam mit dem europäischen Betonriesen Holcim 75 Millionen US-Dollar in den Anbieter von CO₂-armem Zement Sublime.
Sublime Systems wurde 2020 aus dem MIT ausgegründet. Das Unternehmen nutzt einen Elektrolyseur, um Zement bei Umgebungstemperatur herzustellen und energie- sowie fossilbrennstoffintensive Öfen zu ersetzen. Zudem können verschiedene Calciumquellen als Ausgangsmaterial verwendet werden, wodurch die CO₂-Freisetzung aus Kalkstein vermieden wird.
Die erste kommerzielle Anlage von Sublime in Holyoke soll bereits 2026 eröffnet werden. Bewährt sich das Verfahren, könnte es die Zementindustrie grundlegend verändern und den Weg für skalierbaren, emissionsarmen Beton ebnen.
CRH investierte außerdem in weitere Start-ups für Dekarbonisierung und Nachhaltigkeit:
- 23,7 Millionen Euro in Cool Planet Technologies, das Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung für traditionell schwer zu dekarbonisierende Branchen entwickelt.
- 34,7 Millionen US-Dollar investierten CRH und weitere Geldgeber in Carbon Upcycling Technologies. Das Unternehmen nutzt eine vollelektrische Mineralisierung, um CO₂ dauerhaft in industriellen Nebenprodukten und Mineralien für Zement, Kunststoffe, Konsumgüter, Düngemittel und Arzneimittel zu speichern.
- AICrete, eine Plattform für „Rezepturen als Dienstleistung“, arbeitet mit örtlichen Betonherstellern zusammen, optimiert regionale Materialien mithilfe von KI-Analysen und minimiert den Zementeinsatz. Dadurch sinken sowohl der CO₂-Fußabdruck als auch die Produktionskosten.
- Die Serie-B-Finanzierungsrunde von FIDO AI, einem Start-up, das mithilfe von KI den Wasserverbrauch senkt und Wassereinsparungen erhöht.
Darüber hinaus investiert CRH auch in den 3D-Druck mit Beton (3DCP) über seine Tochtergesellschaft Amerimix.
Insgesamt ist CRH ein profitabler Marktführer in der Beton- und Baubranche und bereitet sich sehr aktiv auf deren Dekarbonisierung vor: direkt in den bestehenden Anlagen und als wichtiger Kapitalgeber für innovative Start-ups, die die nächste Generation von Zement- und Betonproduktionstechnologien entwickeln, einschließlich Dekarbonisierung und 3D-Druck.
Neueste CRH (CRH) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Studie referenziert
1. Nicolas A. Gonsalves et al,. 3D‑Druck von nachhaltiger Infrastruktur mit schnell härtendem Tonbeton und biobasierten Zusatzstoffen. Advanced Composites and Hybrid Materials. Band 8. 01. Oktober 2025. https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-025-01456-1
