Beton weist eine hohe Kohlenstoffbelastung auf, die durch die Herstellung von Zement, einem seiner Hauptbestandteile, verursacht wird. Dies ist auf den energieintensiven Herstellungsprozess von Zement und die Kohlenstoffemissionen aus dem chemischen Kalzinierungsprozess zurückzuführen. Eine weitere Herausforderung bei der Verwendung von Beton ist die Wiederverwendbarkeit. Heutzutage wird praktisch der gesamte Beton am Ende der Lebensdauer des Gebäudes zu Zuschlagstoffen zerkleinert. Aufgrund der sehr großen Menge, die verwendet wird, gibt es kein Material, das die Verwendung von Beton ersetzen kann. Alternative Baumaterialien spielen zwar eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung der bebauten Umwelt, ihre Skalierbarkeit reicht jedoch nicht aus, um Beton zu ersetzen. Andere Materialien tragen jedoch dazu bei, die Innovation im Betonsektor voranzutreiben und seine Umweltleistung zu verbessern.
Ein kurzer Leitfaden für Planungsteams und Bauunternehmen |
Eine Checkliste für die Reduzierung von gebundenem Kohlenstoff beim Bauen mit Beton:
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Beton besteht aus Zement, Wasser, Sand, Zuschlagstoffen und in einigen Fällen aus chemischen Zusatzstoffen zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit. Der größte Teil der Kohlenstoffemissionen von Beton stammt aus dem Zement. Zement wiederum besteht aus Klinker (dem traditionellen Portlandzement) und anderen Materialien. Klinker wird durch Erhitzen von zerkleinertem Kalkstein, Ton und anderen Materialien auf Temperaturen von bis zu 1400 Grad Celsius hergestellt. Bei diesen Temperaturen wird Kalkstein (CaCO3) in Kalk (CaO) und CO2 zersetzt. Das dabei entstehende Prozesskohlendioxid wird als Kalzinierungskohle bezeichnet. Der Kalzinierungsprozess ist notwendig, damit der Klinker als Bindemittel fungieren kann, so dass er nicht vermieden werden kann. Sehr oft wird der Klinker mit anderen Materialien gemischt, um die gewünschten Eigenschaften des Zements zu erreichen.
Beton wird häufig in monolithischen Bauwerken verwendet oder an Ort und Stelle gegossen, so dass er nach dem Ende der Nutzungsdauer eines Gebäudes nicht ohne weiteres wiederverwendet werden kann. Das zirkulärste Szenario am Ende des Lebenszyklus ist die Zerkleinerung des Betons zu Zuschlagstoffen. Das bedeutet, dass für künftige Gebäude neuer Beton benötigt wird, mit allen damit verbundenen zusätzlichen Kohlenstoffemissionen.
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Abbildung 1: Die typische Zusammensetzung von herkömmlichem Beton |
Abbildung 2: Der Prozess der Zementherstellung: Kalkbrennofen in der Trommel |
Was in der Bauindustrie allgemein als kohlenstoffarmer Beton angesehen wird, ist eine Betonmischung, die im Vergleich zu einer durchschnittlichen Betonmischung einen geringeren gebundenen Kohlenstoffgehalt aufweist. Allerdings gibt es derzeit keine weltweit vereinbarte Definition für kohlenstoffarmen Beton.
Zu den lokalen Versuchen gehören der Concrete Sustainability Council (Deutschland), der Lavkarbonbetong-Standard (Norwegen) und die Low Carbon Concrete Routemap des Vereinigten Königreichs. Dies führt dazu, dass der Begriff in jedem Fall verwendet wird, wenn Beton einen geringeren gebundenen Kohlenstoff aufweist als eine typische Portlandzementmischung, auch wenn die Reduzierung minimal und manchmal sogar nominal ist. In den meisten Fällen ist die Verringerung des "embodied carbon" das Ergebnis der Substitution von Zement durch traditionellere alternative Bindemittel wie Flugasche, gemahlenen Hochofenschlacke (GGBS), kalzinierte Tone und in einigen wenigen Fällen auch durch natürliche Puzzolane sowie durch innovative neue Lösungen. Diese Liste ist nicht erschöpfend, denn es gibt noch viele andere Lösungen und neue werden entwickelt.
Beton wird in Fundamenten, Decken und dem Tragwerk der meisten Gebäude auf der ganzen Welt verwendet. Da der größte Teil des im Beton enthaltenen Kohlenstoffs aus der Zementherstellung stammt, liegt der Schlüssel zur Verringerung des im Beton enthaltenen Kohlenstoffs in der Reduzierung der Gesamtmenge des verwendeten Zements. Dies kann erreicht werden durch:
Ein wesentlicher Vorteil der Optimierung der Beton- und Zementklinkermenge ist die Einsparung von Kapitalkosten. Durch die Verringerung der Klinkermenge bei der Betonherstellung können die Hersteller ihre Abhängigkeit von teuren Rohstoffen und energieintensiven Verfahren verringern. Dies senkt nicht nur die Produktionskosten, sondern steigert auch die Gesamteffizienz des Herstellungsprozesses. Darüber hinaus kann die Verwendung alternativer Bindemittel und die Optimierung der Betonmischung zu weniger Abfall und einer besseren Ressourcennutzung führen. Dieses Kostensenkungspotenzial ist vor allem bei großen Bauprojekten von Bedeutung, bei denen selbst kleine Einsparungen beim Materialverbrauch zu erheblichen finanziellen Einsparungen führen können. Darüber hinaus kann die Einführung kohlenstoffarmer Betonpraktiken die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens auf dem Markt verbessern und dem zunehmenden behördlichen und gesellschaftlichen Druck in Bezug auf nachhaltigere Baumethoden gerecht werden.
Die am häufigsten verwendeten alternativen Bindemittel zu Zement sind:
Obwohl einige dieser Bindemittel in der Bauindustrie weit verbreitet sind, hängt ihre Verfügbarkeit von der Nutzung fossiler Brennstoffe ab und wird in Zukunft voraussichtlich begrenzt sein, wenn der Verbrauch fossiler Brennstoffe hoffentlich zurückgeht. Folglich ist die Verwendung solcher Bindemittel heute wichtig, kann aber in der kohlenstofffreien Zukunft des Betons keine große Rolle spielen.
Obwohl die oben genannten Bindemittel den gebundenen Kohlenstoff im Beton reduzieren, werden sie von den Bauunternehmern oft mit Skepsis betrachtet, da sie die Aushärtungsgeschwindigkeit des Betons beeinflussen. Dies bedeutet, dass Betonmischungen mit solchen Bindemitteln im Vergleich zu herkömmlichen Portlandzementmischungen mehr Zeit benötigen, um eine bestimmte Festigkeit zu erreichen. Eine Betonmischung mit 50 % GGBS hat beispielsweise in den ersten 7 Tagen nach dem Gießen nur die Hälfte der Festigkeit einer Portlandzementmischung, sollte aber nach 28 Tagen die gleiche Festigkeit erreichen. Die langsamere Aushärtungszeit kann die Bauarbeiten für jedes zusätzliche Stockwerk um ein paar Tage verzögern, was bei größeren Gebäuden zu größeren Verzögerungen und Kosten führen kann. Die Bauunternehmer müssen die längere Aushärtungszeit von kohlenstoffarmem Beton nach Möglichkeit einplanen, um die Verzögerungen und die damit verbundenen Kostenfolgen zu verringern.
Zu den anderen alternativen Bindemitteln, die allerdings nicht so häufig verwendet werden, gehören:
Reisspelzenasche ist ein Nebenprodukt der Reisproduktion. Wenn die Reishülsen vom Reis entfernt werden, werden sie verbrannt. Die dabei entstehende Asche ist als Reishülsenasche bekannt und enthält einen hohen Anteil an Siliziumdioxid, das bei der Reaktion mit Kohlendioxid, einem Produkt der Zementhydratation, zusätzliche zementhaltige Verbindungen bildet. Ein wesentlicher Vorteil von Reishülsenasche ist, dass es sich um eine erneuerbare Ressource handelt.
Geht es bei kohlenstoffarmem Beton also nur um alternative Bindemittel zu Zement? Nein, es gibt auch andere kohlenstoffarme Betontechnologien, von denen einige bereits kommerziell verfügbar sind und in großem Umfang eingesetzt werden.
Eine wesentliche Ursache für die Kohlenstoffemissionen von Beton ist der Kalzinierungsprozess bei der Herstellung von Zement. Selbst wenn die Hauptenergie, die für die Herstellung und den Transport von Beton verwendet wird, kohlenstofffrei wäre, würden die mit der Kalzinierung verbundenen Emissionen gleich bleiben. Aus diesem Grund baut Heidelberg Materials derzeit die weltweit erste Anlage zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung in einer Zementproduktionsanlage in Brevik, Norwegen, und plant, dies auch im Werk Slite in Schweden zu tun.
Diese Technologien zielen darauf ab, abgeschiedenes CO2 zu nutzen, indem es in flüssiger Form in Beton injiziert wird. Das CO2 reagiert dann mit Zement und Wasser, um weitere zementhaltige Verbindungen zu erzeugen. Solche Technologien sind bereits auf dem Markt und können in bestehenden Betonwerken eingesetzt werden. CarbonCure, ein kanadisches Unternehmen, und Carbonaide, ein finnisches Unternehmen, entwickeln Technologien, die in bestehenden Transportbeton- bzw. Betonfertigteilwerken eingesetzt werden können. CarbonBuilt hat eine ähnliche Technologie für die Herstellung von Betonblöcken mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt entwickelt. Die Technologie kann in jedes bestehende Betonsteinwerk integriert werden und reduziert den in den Blöcken enthaltenen Kohlenstoff, indem der Zement durch ein anderes alternatives Material ersetzt wird, das während des Aushärtungsprozesses mit eingeleitetem CO2 zu CaCO3 (Kalkstein) reagiert. Die erste kommerzielle Produktion von Betonsteinen mit dieser Technologie wurde 2022 von Blair Block in Alabama, USA, aufgenommen.
Es wird auch erforscht, wie kohlenstoffarmer Beton durch den Einsatz von Biotechnologie erreicht werden kann. Prometheus-Werkstoffe in den USA hat eine Betonmischung entwickelt, die Algen als Ersatz für Portlandzement verwendet. Ihre Lösung wurde in Pilotprojekten eingesetzt, und es werden Anstrengungen unternommen, das Produkt vollständig zu vermarkten. Biozeroc, ein Start-up-Unternehmen aus dem Vereinigten Königreich, stellt mit Hilfe von Bakterien kohlenstoffarmen Beton her. In ihrem Verfahren werden Bakterien eingesetzt, um Zuschlagstoffe und Sand zu einem Material zu verbinden, das genauso leistungsfähig ist wie herkömmlicher Beton. Dieses BioConcrete-Produktionsverfahren verursacht mindestens 85 % weniger Kohlenstoffemissionen und hat das Potenzial, kohlenstoffnegativ zu sein, sobald Abfallstoffe in die bakteriellen Ausgangsstoffe integriert werden.
Zu den pflanzenbasierten Lösungen gehören Materialien, die in vielen Fällen eine Mischung aus Kalk, Sand, Ton und Pflanzenfasern sind. Ein solches Material ist Hanfbeton, der aus Kalk, Sand und Hanffasern hergestellt wird. Solche Materialien können für Ortbeton, Spritzbeton und Mauerwerk verwendet werden. Obwohl diese Materialien biobasiert sind und einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweisen, können sie den herkömmlichen Beton nur bei kleinen Gebäuden und nicht tragenden Anwendungen ersetzen.
Um den im Beton enthaltenen Kohlenstoff zu reduzieren, der vor allem während der Produktionsphase (A1-A3) freigesetzt wird, sollte man sich darauf konzentrieren, den Bedarf an neuer Betonproduktion zu minimieren. Dies kann durch die Verwendung wiederverwendbarer Fertigteile mit reversiblen Verbindungen erreicht werden. Die Planer sollten leistungsbezogene Anforderungen festlegen, einschließlich der Dauerhaftigkeit, des Schwindens, der Druckfestigkeit und der Grenzwerte für den gebundenen Kohlenstoff. Bauunternehmen sollten kohlenstoffarmen Beton beschaffen, indem sie Umweltproduktdeklarationen (EPDs) verwenden, wo diese verfügbar sind, alternative Bindemittel bevorzugen und den Abfall auf der Baustelle reduzieren. Obwohl alternative Bindemittel die Auswirkungen verringern, verbleiben erhebliche A1-A3-Emissionen. Daher sind wiederverwendbare Betonelemente und die Minimierung der Neuproduktion von entscheidender Bedeutung für eine nachhaltige Bauweise, die mit den Zielen eines niedrigen Kohlenstoffausstoßes übereinstimmt.
Viele Hersteller produzieren bereits kohlenstoffarmen Transportbeton und Fertigteile oder Zement. Alle Hersteller, die EPDs für ihre Betonmischungen oder Zementprodukte erstellt haben, können in der One Click LCA-Datenbank gefunden und verglichen werden.
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Europa |
Nord-Amerika |
Naher Osten und Nordafrika |
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Mit dem Concrete EPD Generatorvon One Click LCA können Beton- und Zementhersteller Umweltproduktdeklarationen (EPDs) für ihre Mischungen zu einem Bruchteil des Aufwands und der Kosten im Vergleich zu herkömmlichen EPD-Lösungen erstellen. Das Tool generiert EPDs, die von Dritten verifiziert sind und den Normen ISO 14025, EN 15804+A2 und damit zusammenhängenden Standards entsprechen, und öffnet den Markt für mehr Produkte, die ihre Nachhaltigkeit nachweisen können.