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Was beeinflusst die CO₂-Bilanz von Beton?

Die Hauptbestandteile von Beton sind Sand, Kies, Wasser und Zement. Die Herstellung von Zement verursacht rund fünf bis acht Prozent der globalen CO₂-Emissionen. Wäre die Zementindustrie ein Land, wäre sie somit der viertgrößte Emittent von Kohlendioxid weltweit, so das World Economic Forum.

Zement und sein ökologischer Fußabdruck

Zement wiederum besteht zu einem überwiegenden Teil aus Klinker, der durch das Erhitzen von Kalkstein und Ton bei etwa 1450°C entsteht. Dieser Vorgang benötigt auf Grund der extrem hohen Temperaturen nicht nur viel Energie, sondern setzt durch die chemische Reaktion selbst große Mengen an CO₂ frei . Sehen wir uns nun diese beiden Faktoren genauer an:

1. Chemische Reaktion: Klinker ist das Ergebnis der thermischen Zersetzung von Kalkstein und Ton bei rund 1450°C in einem Zementofen. Dieser Prozess wird als Kalzinierung bezeichnet und führt zur Bildung von Calciumoxid und CO₂. Die Kalzinierung ist eine unvermeidbare chemische Reaktion und verursacht rund 50 – 60% der CO₂-Emissionen. Diese Prozessemissionen sind besonders schwierig zu reduzieren, da sie nicht durch Änderungen der Brennstoffe oder Effizienzsteigerungen beseitigt werden können.
2. Energieverbrauch bei der Erhitzung: Etwa 40% der Emissionen stammen aus dem Verbrennen fossiler Brennstoffe zur Erzeugung der hohen Temperaturen, die für die Zementherstellung erforderlich sind. Dieser Energieverbrauch kann durch den Einsatz von erneuerbaren Energien und effizienteren Technologien reduziert werden.

Zusammenfassend ist es für das nachhaltigere Bauen mit Beton also wichtig, bereits beim Zement und dessen Herstellung anzusetzen. Sehen wir uns also nun an, wie die Klimabilanz von Zement bzw. Klinker verbessert werden kann.

Sechs Wege zu klimafreundlicherem Zement

Laut Angaben der Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie setzt die Branche bereits jetzt zahlreiche Maßnahmen für mehr Nachhaltigkeit erfolgreich um:

• Klinker reduzieren: Ein Teil des Klinkers kann durch andere Materialien ersetzt werden, die umweltfreundlicher sind oder ohnehin als Industrienebenprodukte anfallen. Portlandzementklinker wird dabei beispielsweise mit Flugasche, Hüttensand, kalziniertem Ton oder Gipsersetzt.
• Moderne Herstellungsverfahren: Wird Zementklinker in Drehrohröfen mit Zyklonvorwärmanlagen hergestellt, kann die bei der Produktion anfallende Abwärme im eigenen Produktionsprozess zum Vorwärmen von Brenn- und Rohstoffen genutzt werden. Dadurch wird der Gesamtenergieverbrauch für die Zementherstellung reduziert. Darüber hinaus kann die restliche Abwärme in umliegende Fernwärmenetze eingespeist werden und so zur regionalen Energieversorgung beitragen.
• Alternative Brennstoffe: Anstelle von fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl oder Erdgas setzt die Zementindustrie vermehrt auf Sekundärbrennstoffe wie z.B. Kunststoffabfälle, Altreifen oder Papierfaserreststoffe.

Das World Economic Forum weist auf weitere innovative Möglichkeiten hin:

• Neue Zemente: Die Entwicklung klinkerfreier Zemente könnte die Emissionen erheblich reduzieren. Geforscht wird an Alternativen zum Kalkstein, wie zum Beispiel die Gewinnung von Zement aus kohlenstofffreiem Kalziumsilikatgestein, Kalciumsilikatmineralien oder dem Herstellen von Zement mithilfe eines elektrochemischen Verfahrens anstelle von Wärme. Das schwedische Unternehmen Cemvision recycelt beispielsweise Nebenprodukte aus dem Bergbau und der Stahlindustrie, wodurch weniger Energie benötigt wird und kein Abfall entsteht. 

• Recycling-Zement: Einem Forschungsteam aus Cambridge gelang es erstmals, Zementklinker zu recyclen. Dafür wird die Herstellung von Stahl mit elektrischen Lichtbogenöfen genutzt, mit denen Stahlwiederverwendet werden kann. Zum Entfernen von unerwünschten Stoffen wird dabei normalerweise Kalkstein zugesetzt und als Schlacke abgeschieden. Wird stattdessen recyclete Zementklinkerpaste zugegeben, fällt hochwertiger Zementklinker an, ohne dass dafür zusätzlich Energieaufgewendet werden muss. . Der Recycling-Zement wird anschließend wie gewohnt für die Herstellung von neuem Beton verwendet. Auf diese Weise können die Emissionen erheblich gesenkt werden. Erfahren Sie mehr in diesem Video in Englisch https://youtu.be/MqWXXLOCeNg 

• Carbon capture and utilization/storage (CCS): Carbon Capture and Utilization/Storage ist eine Methode, um CO₂ aus großen Quellen wie Kraftwerken und Industrieanlagen abzuscheiden, zu nutzen oder zu speichern, um Emissionen zu verringern. Es wird erwartet, dass der Bedarf an CO₂ für die Chemieindustrie deutlich steigern wird. Die Kohlendioxidabscheidung und -nutzung bei der Zementherstellung ist besonders attraktiv, da das CO₂ in sehr hoher Konzentration anfällt. Kohlendioxidabscheidung,- nutzung und -speicherung könnte die Emissionen der Zementindustrie um bis zu 36 % senken. Die norwegische Hafenstadt Brevik hat als erste Stadt weltweit eine CCS-Anlage im Zementwerk in Betrieb genommen. Der Kohlenstoff wird dabei in der Nordsee unterirdisch gespeichert. 

Innovative Verfahren und neue Technologien spielen ebenfalls eine vielversprechende Rolle, wenn es um umweltverträglicheren Zement geht:

Die Hybridmischtechnologie von Bton ermöglicht es, den Bedarf an Klinker um bis zu 75% zu reduzieren, indem Zement und Wasser in einem ersten Schritt gemischt werden, bevor Sand und Kies hinzugefügt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsmethoden reduziert dies den Wasserbedarf um 10% und führt zu einer 25% höheren Druckfestigkeit und 100% schnelleren Frühfestigkeit.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Zementmenge zu reduzieren. Der deutschen Firma Sonocrete gelang es, durch den Einsatz von Ultraschall den Zementbedarf um 30% zu senken. Zudem wird die Frühfestigkeit des Betons um das Vierfache erhöht.

Fazit: egal, ob weniger Klinker, weniger Zement oder weniger Wasser – der ressourcenschonende Einsatz von Rohstoffen ist das Gebot der Stunde.

Vier Wege zum ressourcenschonenden Planen mit Beton

Führen wir nun den „Reduce“-Gedanken weiter: Beton ist besonders wegen seiner Langlebigkeit und Vielseitigkeit beliebt und weit verbreitet. Doch bereits in der Planungsphase gilt es, Nachhaltigkeitsaspekte zu berücksichtigen und Material dort einzusparen, wo dies sinnvoll möglich ist. Das InformationsZentrum Beton führt folgende Maßnahmen an:

1. Geringere Deckendicken

Mit vorgespannten Decken und hochfesten Betonen lassen sich geringe Deckendicken auch bei großen Spannweiten realisieren. Durch die Vorspannung werden die Zugbeanspruchung des Betons und die Durchbiegung verringert, wodurch größere Lasten getragen werden können. Hochfeste Betone ermöglichen zudem schlankere Querschnitte, was den Materialverbrauch weiter reduziert.

1. Betonmenge reduzieren

Deckensysteme mit Hohlräumen oder Hohlkörpern in statisch wenig wirksamen Bereichen vermindern die notwendige Betonmenge. Diese Systeme nutzen das Prinzip, dass nicht der gesamte Querschnitt gleichermaßen zur Tragfähigkeit beiträgt. Durch das Aussparen von Material in den weniger belasteten Zonen wird Gewicht reduziert und Ressourcen geschont.

1. Bewehrungsmenge reduzieren

Skelettbauweisen bzw. Stockwerkrahmen können oft zur Verminderung der Bewehrungsmengen beitragen. Diese Bauweisen verteilen die Lasten effizient auf die tragenden Elemente, wodurch die benötigte Stahlmenge reduziert wird. Eine optimierte Lastverteilung führt zu geringeren Beanspruchungen und somit zu einer niedrigeren Menge an Bewehrungsstahl.

1. Hochfeste Betone und kleinere Querschnitte

Schlanke Stützenquerschnitte sind z. B. unter Verwendung hochfester Betone möglich. Hochfeste Betone erlauben es, die Stützenquerschnitte zu verkleinern, ohne die Tragfähigkeit zu beeinträchtigen. Dies führt zu einer geringeren Materialmenge und spart Ressourcen.

Es ist eindeutig: auch in der Planungsphase lässt sich mit ein wenig Know-How und dem Mut zum Umdenken eine ganze Menge Material einsparen.

Nachhaltigere Betonfertigteile

Wer „Reduce“ sagt, muss auch Betonfertigteile sagen. Betonfertigteile werden in einem Fertigteilwerk unter gleichbleibenden Bedingungen wetterunabhängig hergestellt. Dies ermöglich eine erhöhte Präzision und Qualität und bietet auch in punkto Nachhaltigkeit zahlreiche Vorteile:

Weniger Abfall: Die Produktion in kontrollierten Fabriken ermöglicht eine präzise Herstellung und minimiert Materialabfälle. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung von Ressourcen und reduziert den ökologischen Fußabdruck.

Materialeinsparungen: Auch bei der Fertigung selbst können die Betondeckung und bei Stützen der notwendige Querschnitt reduziert werden, wenn es ausreichende werkseigene Qualitätskontrollen gibt. Außerdem werden für Fertigteile häufig Betone einer höheren Festigkeitsklasse verwendet. Auch wenn dies zunächst mehr CO₂ pro m³ Beton bedeutet, kann durch die Reduzierung des Bauteilquerschnitts sowie bessere Ausnutzung der Druckfestigkeit der absolute CO₂-Fußabdruck des Bauteils oft gesenkt werden.

Energieeffizienz: Moderne Fabriken nutzen fortschrittliche Technologien, um den Energieverbrauch zu optimieren und die Emissionen zu senken. Die Verwendung von erneuerbaren Energien und energiesparenden Methoden kann den CO₂-Ausstoß weiter reduzieren.

Weniger Bewehrung durch Mattenschweißanlagen: Durch die präzise Fertigung können die Bewehrungsmatten so konzipiert werden, dass sie genau den Anforderungen des Bauvorhabens entsprechen. Dies kann zu einer optimierten Materialnutzung führen, was den Bedarf an Bewehrungsstahl reduziert.

Geringere Lärm- und Staubbelastung: Durch die schnellere Montage verringern sich die damit einhergehenden Beeinträchtigungen durch Baustellenlärm und Staub.

Langlebigkeit: Betonfertigteile sind langlebig und widerstandsfähig, was die Notwendigkeit häufiger Reparaturen oder Erneuerungen verringert und somit Ressourcen schont.

Thermische Bauteilaktivierung: Bereits im Fertigteilwerk erfolgt das Verlegen der Rohre für die Heizung bzw. Kühlung direkt in die Elementdecke oder -wand. Nach der Fertigstellung des Gebäudes wird warmes oder kaltes Wasser durch diese Rohre geleitet. Beim Heizen wird die Energie der Decke als Wärmestrahlung an den Raum abgegeben. Trifft die Wärmestrahlung auf Gegenstände oder Körper, werden diese erwärmt. Das gleiche Prinzip lässt sich auch auf das Kühlen der Räume anwenden. In Kombination mit erneuerbaren Energien und smarten Raumthermostaten verringert die thermische Bauteilaktivierung so den Energiebedarf in der Nutzungsphase des Gebäudes merklich.

Neue Hybridkombinationen aus Holz und Beton sowie der gestiegene Druck auf die Baubranche, verstärkt Maßnahmen in Richtung Nachhaltigkeit zu setzen, werden die Vorfertigung 2025 definitiv beeinflussen.  Lesen Sie in diesem Blogartikel mehr darüber, welche weiteren Trends die Fertigteilbranche dieses Jahr prägen werden.

Beton und Recycling

Gemäß dem Gedanken von „Reduce, reuse, recycle“ stellt auch das Wiederverwenden von Beton eine wichtige Säule der Nachhaltigkeit dar, so der Beton Dialog Österreich. Alte Betonbauwerke werden abgebaut, zu Beton- und Mischgranulat verarbeitet und als recycelter Altbeton für Neubauprojekte verwendet. Typische Anwendungsfälle umfassen zum Beispiel den Straßenbau oder Gehwege.

Darüber hinaus gibt es bereits erste Pilotprojekte, die untersuchen, wie Betonfertigteile sinnvoll und sicher wiederverwendet werden können. Das EU-Projekt ReCreate hat erfolgreich gezeigt, dass die Deinstallation und Wiederverwendung von intakten Betonfertigteilen technisch möglich sind. In vier Pilotprojekten in Europa wurden tragende Bauteile wie Balken, Stützen und Hohlkammerdecken aus bestehenden Gebäuden gewonnen und für neue Bauprojekte wiederverwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Wiederverwendung von Betonfertigteilen die CO₂-Emissionen und der Energieverbrauch um bis zu 93-98% im Vergleich zur Herstellung von neuen Betonfertigteilen oder zum Recycling von Beton reduziert werden können.

Fazit

Die Zukunft des nachhaltigen Bauens mit Beton liegt klar in der Kombination von innovativen Technologien, durchdachter Planung und einem verantwortungsvollen Umgang mit Ressourcen. Die Bauindustrie muss ihren Beitrag zu einer grüneren Zukunft leisten – und das kann ihr gelingen, wenn sie konsequent den Ansatz der Nachhaltigkeit verfolgt.

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Wie wird Bauen mit Beton nachhaltiger? Mehr über klinkerfreien Zement, das Wiederverwenden von Fertigteilen, hochfeste Betone und weitere Innovationen.

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