Aus dem KV: Überlegungen zu einer nachhaltigen Betonproduktion

Beton ist allgegenwärtig im modernen Leben: ein künstlicher Stein aus der Verbindung von Zement mit Sand und Kies durch Wasser: extrem stabil, lange haltbar, leicht formbar und vor allem an jedem Ort leicht herstellbar. Denn noch sind die Bestandteile flächendeckend zu günstigen Preisen verfügbar.
Doch die Nachfrage steigt. Überall auf der Welt braucht man immer mehr Beton: In China wurde zwischen 2010 und 2013 mehr von dem Betonrohstoff Zement verbraucht als in den USA während des ganzen zwanzigsten Jahrhunderts. In Indien hat der Bauboom gerade erst begonnen. In den boomenden Städten Afrikas braucht eine wachsende Bevölkerung ein Dach über dem Kopf, braucht Schulen, Straßen, Gebäude für Kultur, Verwaltung und vieles mehr. All das muss errichtet werden - möglichst bald, möglichst schnell, mit Hilfe von Beton.
Die Betonindustrie gehört auch zu den größten anthropogenen CO2-Emittenten. Bei der Herstellung des Betonrohstoffs Zement, wenn Ton und Kalkstein bei Temperaturen von bis zu 1450 Grad zu sogenanntem „Zementklinker” gebrannt werden, wird das mineralisch gebundene CO2 zwangsläufig freigesetzt. Acht Prozent des weltweiten jährlichen CO2-Ausstoßes sollen durch die Zement-Herstellung verursacht werden und dieser Anteil dürfte bei steigender Beton-Nachfrage weiter wachsen. Damit nicht genug: Zwei Drittel des Betons bestehen aus Sand, Kies und Schotter. Wenn deren Abbau mit der Nachfrage Schritt hält, werden diese Rohstoffe bald knapp: Offensichtlich wird Beton zum Opfer seines eigenen Erfolgs. 

Ressourcen ausbeuten oder nachhaltig wirtschaften?

Was tun? Müssen wir künftig aus Rücksicht auf Umwelt und Natur auf Beton verzichten? Oder lässt sich die Rezeptur des Betons so verändern, dass dieser Baustoff künftig klima- und umweltfreundlicher wird? Und warum müssen immer neue Sand- und Kiesvorkommen für die Betonherstellung abgebaut werden? Wäre es nicht umweltfreundlicher, auf Sekundärrohstoffe zurückzugreifen, die bereits vorhanden sind, auf Deponien lagern, und höchstens besonders aufbereitet werden müssen?
Mit diesen Fragen hat sich Kb Dr. Felix Elsner in seiner Dissertation „Das System der Melilith-Mischkristalle zur Schaffung inertisierter, künstlicher Gesteinskörnung durch Sekundärstoffverklinkerung” beschäftigt. Und seine Antwort, seine Forschung ist ihm so überzeugend gelungen, dass seine an der Technischen Universität Clausthal 2024 vorgelegte Doktorarbeit nicht nur „summa cum laude” benotet wurde, sondern auch auf der 109. VV in Bautzen/Schmochtitz mit dem Carl-Sonnenschein-Gedächtnis-Preis ausgezeichnet worden ist, mit dem der Kartellverband wissenschaftlich besonders talentierte junge Kartellbrüder auszeichnet.
Weltweit werden geeignete Bausande knapp, hauptsächlich durch den steigenden Bedarf an Beton. 2019 schätzten die Vereinten Nationen die jährliche Nachfrage nach Sand auf etwa vierzig bis fünfzig Milliarden Tonnen mit jährlichen Zuwächsen von sechs Prozent. Doch nicht jeder Sand ist zur Betonproduktion geeignet. Wüstensand etwa scheidet aufgrund seiner Feinheit und gerundeten Kornform aus. Umso aggressiver werden daher Vorkommen von geeignetem Sand und Kies ausgebeutet: Flüsse, Deltas und Küsten werden ausgebaggert, werden instabil und schützen immer weniger vor Überschwemmungen. Und wo Flussbetten und Kiesgruben nicht mehr ausreichen, greift man auf Meeressand zurück - mit üblen Folgen für die Ökosysteme in der See.

Sand - eine der wichtigsten Ressourcen der Welt

Wie lässt sich die Abhängigkeit vom Sand verringern? Warum immer neue Kies- und Sandvorkommen ausbeuten? Wäre es nicht sinnvoller, ein Kreislaufsystem zu etablieren, bei dem die Menge an Sand, die jetzt bereits da ist, nicht einfach verbraucht, sondern immer wieder neu gebraucht wird?
Und: Warum dabei nicht auch auf Sekundärrohstoffe zurückgreifen, die Sand und Kies ersetzen, ohne vorher aufwendig abgebaut werden zu müssen? Das könnten etwa Gesteinskörnungen aus Hochofenschlacken sein, Aschen aus Verbrennungsprozessen oder mineralisches Abraummaterial aus Berg- und Tagebau. Sie stapeln sich derzeit auf Halden oder Deponien, belasten die Umwelt und gefährden das Grundwasser. Wäre es nicht sinnvoller, solche Stoffe zurück in den Wirtschaftskreislauf zu leiten und neu zu nutzen? 
Allerdings werden solche Stoffe schon deshalb nicht nochmals verwendet, weil sie oft, so Kb Dr. Felix Elsner bei der Vorstellung seiner Dissertation: „als zu feine Pulver vorliegen, starke Verunreinigungen aufweisen und keine sinnvollen, wirtschaftlichen Produktlösungen existieren.” Aber: „Genau hier habe ich mit meiner Promotion angesetzt, um die beiden genannten Probleme gemeinschaftlich zu lösen.” Ziel war, einen künstlichen Kiesersatz aus mineralischen Abfällen herstellen, um natürliche Ressourcen im Betonbau zu ersetzen. 

Abfallmaterial wiederverwendet

Doch wie geht man vor, um aus verschiedenen feinen Pulvern unterschiedlicher Zusammensetzung einen künstlichen Kies herzustellen?
„Inspiration erhielt ich von der Hochofenstückschlacke, einem Nebenprodukt aus der Rohstahlherstellung, welches seit Jahrhunderten als künstliche Gesteinskörnung Verwendung findet - auch heute noch im konstruktiven Betonbau”, berichtete Kb Dr. Elsner weiter. „Denn dieses Material besteht aus einem Mineral, das in der Natur nur selten vorkommt: den so genannten Melilithen.” Durch geschicktes Mischen der zuvor analysierten, pulverförmigen Abfallstoffe wird die chemische 
Zusammensetzung der Melilithe nachgebildet. Diese Mischung wird anschließend zu Kugeln mit ca. 1-2 cm Durchmesser geformt und in einem Ofen auf ca. 1200 Grad Celsius erhitzt, damit eine Reaktion stattfindet. Durch die hohe Temperatur „sintern” die Partikel zu einem festen Korn zusammen, der gleiche Mechanismus wie beim Brennen von Keramiken. Die Melilithe vereinen mehrere Vorteile, so Kb Dr. Elsner, „zum einen sehr große Zusammensetzungsbreiten und so die Möglichkeit, verschiedenste Stoffe zu verwerten. Zum anderen werden kritische Bestandteile, wie zum Beispiel Schwermetalle in ihrer Struktur gebunden und können nicht mehr herausgelöst werden.” Das heißt: Erst mit Hilfe der Melilithen kann Abraummaterial so zu einem Kies aufbereitet werden, welcher zusammen mit Zement einen brauchbaren Beton ergibt.
„Doch was in der Theorie simpel klingen mag, so Kb Dr. Elsner, „brauchte in der praktischen Umsetzung hinsichtlich Optimierung der Parameter, thermodynamische Modellierungen, statistische Versuchsplanung, unzählige Analyseverfahren bis hin zu Technikumsversuchen mehrere Jahre!”
Das Resultat der Forschung, so Kb Dr. Elsner, „war eine neuartige Recycling-Gesteinskörnung zur Herstellung konstruktiver Betone, mit denen mehrgeschossige Häuser erbaut werden können.” Weitere Effekte: Natürliche Ressourcen werden geschont, der Bau weiterer Abfalldeponien vermieden. „In Summe also ein hervorragendes Beispiel, wie neue Wirtschaftsansätze in der Kreislaufwirtschaft eröffnet werden können, um so einen handfesten Beitrag zur Nachhaltigkeit zu leisten!”
Freilich: Eine solche Produktion von Kies wäre weit aufwändiger als das bloße Ausbaggern von Sand- und Kiesvorkommen und würde, so Kb Dr. Elsner, „in realem industriellem Maßstab etwa das sechs-fache an Produktionskosten hervorrufen.” Wobei solch eine Gegenüberstellung schon deshalb problematisch ist, weil der „ökologische Rucksack” der herkömmlichen Betonproduktion, also die ökologischen Kosten für Natur und Umwelt, in die Preisberechnung nicht einfließt. Die Reparaturkosten für das, was etwa die Ausbaggerung von Sand- und Kiesgruben ökologisch anrichtet, werden doch eher der Allgemeinheit und späteren Generationen überlassen. Ein auf Nachhaltigkeit und Recycling orientierter Wirtschaftsansatz dagegen vermeidet solche Kosten. Und deshalb könne dies auch nicht bedeuten, so Kb Dr. Elsner, „dass solche Projekte von vorneherein zum Scheitern verurteilt sein müssen. Vielmehr müssen politische Anreize für die Wirtschaft gesetzt werden, die eingefahrenen Strukturen sinnhaft neu zu denken: Und auch wir alle als Verbraucher sollten unsere eigene Perspektive hinterfragen.”
Denn Recycling ist mehr als das Verwerten von Abfall, sondern ein Umdenken, hob Kb Dr. Elsner hervor, ist es doch „eine Chance, die wir angesichts des Klimawandels und bevorstehender Ressourcenengpässe dringend ergreifen müssen, um eine nachhaltige und langfristige Wirtschaft sicherzustellen: Jeder von uns kann seinen Beitrag dazu leisten!”