Kann das Bauwesen ihr Betonproblem lösen?

Beton ist das am häufigsten verwendete Baumaterial, doch die Herstellung von Portlandzement, dem wichtigsten Bindemittel, verursacht Treibhausgasemissionen. Daher steht die Branche unter Druck, eine umweltfreundlichere Lösung dafür zu finden.
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Illustration von Wenjia Tang

Der Klimawandel hat keine Region der Erde verschont. Die Folgen – steigende Meeresspiegel und Hochwasser, Dürren, Waldbrände und Hitzewellen – sind weltweit zu beobachten. Und die Probleme beschleunigen sich. Die 26. Klimakonferenz der Vereinten Nationen 2021 machte deutlich, dass sofort gehandelt werden muss, um einen katastrophalen Temperaturanstieg von 3 Grad Celsius bis zum Jahr 2100 zu verhindern.

Dieser Herausforderung müssen sich nicht nur die Regierungen stellen, sondern auch der private Sektor. In der Baubranche achten Kund:innen, Investor:innen, Mitarbeiter:innen und Gebäudenutzer:innen verstärkt auf Nachhaltigkeitsinitiativen.

Das kleine schmutzige Geheimnis

Ein Unternehmen, das Fortschritte in puncto Emissionen macht, ist Lendlease, das seinen Hauptsitz im australischen Barangaroo hat. Bis 2025 will Lendlease laut der Unternehmenswebsite zum Thema Nachhaltigkeit die eigenen Emissionen aus verbranntem Kraftstoff und verbrauchtem Strom beseitigen. Aber diese Emissionen zu reduzieren, ist noch relativ einfach.

Um wirklich etwas zu verändern, müssen sich Unternehmen auf die Emissionen konzentrieren, die während der Herstellung und des Lebenszyklus von Baumaterialien entstehen. Ohne gewissenhafte Bemühungen wird dieser gebundene Kohlenstoff parallel zum Anstieg der Bautätigkeit zur Befriedigung der Bedürfnisse der wachsenden Weltbevölkerung zunehmen.

Etwa 90 % der von Lendlease verursachten Emissionen stammen aus gebundenem Kohlenstoff in Beton, Stahl und Aluminium von Zulieferern. Das „Mission Zero“-Programm des Unternehmens zielt darauf ab, den gebundenen Kohlenstoff zu reduzieren und bis 2040 eine absolute Emissionsfreiheit zu erreichen. Das Testobjekt für Beton mit einem geringen Anteil an gebundenem Kohlenstoff stellt The Reed in Chicago dar – ein Gebäude mit 41 Stockwerken und 440 Wohneinheiten im Stadtteil Southbank.

Das Betonproblem

Laut dem Zero Energy Project ist Beton das am weitesten verbreitete vom Menschen hergestellte Material auf der Welt. Es trägt entscheidend zur Stabilität, Flexibilität und Langlebigkeit von Bauwerken bei und kann Jahrhunderte überdauern, wie die römischen Aquädukte beweisen.

Die Herstellung von Portlandzement, dem wichtigsten Bindemittel, ist jedoch mit einem enormen Energieaufwand verbunden, da Kalkstein erhitzt und Klinker hergestellt werden muss. Die massive Freisetzung von Kohlenstoff aus Kalkstein macht 8 % der weltweiten Kohlenstoffdioxidemissionen aus. Noch mehr Emissionen entstehen bei der Herstellung von Beton selbst.

Dieser immense Beitrag zur globalen Erwärmung hat dazu geführt, dass alle – von Bauträgern über Generalunternehmern bis hin zu Betonherstellern – nach Möglichkeiten suchen, Beton umweltfreundlicher zu machen.

Vom Vorhaben zur Vorgabe

Lendlease führte für The Reed eine Bewertung der klimarelevanten Risiken durch. Die Ergebnisse stellten die Grundlage für den Ansatz des Unternehmens zur Abschwächung des Klimawandels und zur Erreichung seiner Ziele in Bezug auf den gebundenen Kohlenstoff dar. Lendlease wandte sich dann an McHugh Concrete, um die gesteckten Ziele zu erreichen.

„Aus dem Wunsch nach kohlenstoffarmem Beton ist ein Muss geworden“, sagt Eamonn Connolly, SE, PE, LEED AP, Director of Engineering bei der McHugh Engineering Group, „das in Projektdokumenten mitsamt Anforderungen und verbindlichen Formulierungen festgehalten wurde.“

McHugh Concrete arbeitete mit Oremus Material in Chicago zusammen, um eine eigene umweltfreundliche Betonmischung speziell für The Reed zu entwickeln. „Die von uns entwickelten Mischungen basieren in erster Linie auf Schlacke aus der Stahlherstellung, die normalerweise auf der Mülldeponie landet“, so Connolly. „Diese wird zu einem reaktionsfreudigen feinen Pulver gemahlen, das sich sehr ähnlich wie Portlandzement verhält.“

Die Mischung ersetzt bis zu 60 % des im Beton verwendeten Portlandzements. Durch diese Umstellung ist das Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, kurz: GWP) des Betons – das Maß für das Kohlenstoffdioxid, das bei der Herstellung eines Materials in die Atmosphäre freigesetzt wird – um 32 % geringer als der Durchschnitt des von den Mitgliedern der National Ready Mixed Concrete Association hergestellten Betons. Das Ergebnis liegt zudem 14 % unter den von Lendlease vorgegebenen Anforderungen.

Leistungsfähigkeit und ästhetische Eigenschaften

Wird ein hoher Anteil des Portlandzements ersetzt, hat dies auch Auswirkungen auf die Eigenschaften des Materials. Durch die höhere Dichte ist der grüne Beton undurchlässiger für Schadstoffe aus der Umwelt und langlebiger als herkömmlicher Beton.

Die äußerst fließfähige, selbstverdichtende Mischung lässt sich leicht pumpen und einbauen und sorgt für umweltfreundlichen Beton mit weniger Hohlräumen und Wabenbildung. Das Ergebnis ist ein heller und glatter Beton, den viele dem gesprenkelten Grau des herkömmlichen Betons vorziehen.

Die Abbindezeiten bis zum Erreichen einer hohen Anfangsfestigkeit betragen in der Regel nur wenige Stunden. Noch am selben Tag kann das Team den Boden betreten und damit beginnen, Säulen und Wände einzuziehen. „Wir können den Beton innerhalb von 18 Stunden belasten, selbst mitten im Chicagoer Winter“, so Connolly.

Eine Kombination aus Strategien für eine ultimative Lösung

Das Ersetzen oder Reduzieren von Klinker ist jedoch nur ein Anfang. In einem Bericht des Imperial College London heißt es, dass für eine tiefgreifende Dekarbonisierung weitere Maßnahmen erforderlich sind, so Professor Paul Fennell von der Fakultät für Chemieingenieurwesen. Neben neuen Zementrezepturen werden unter anderem eine bessere Energieeffizienz und der Einsatz alternativer Brennstoffe in den Herstellungsprozessen vorgeschlagen.

Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung stellt eine weitere Strategie dar – noch effektiver könnte es jedoch sein, Kohlenstoff abzuscheiden und zur Verstärkung von Beton zu verwenden. Die ultimative Lösung wäre, einen Zement zu entwickeln, der tatsächlich Kohlenstoff absorbiert.

Fennell und seine Co-Autoren halten das für möglich. Sie schätzen, dass die Emissionen mit der richtigen Kombination von Strategien von 80 % auf bis zu negative 50 % der derzeitigen Werte sinken könnten. Mit komplementären Ansätzen könnte es gelingen, die Kohlenstoffemissionen durch Beton bis 2050 auf Null zu senken und die Ziele des Übereinkommens von Paris zu erreichen.

Was ist gebundener Kohlenstoff und wie kann er in der Baubranche reduziert werden?