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May 29, 2023

Bei Beton ist weniger mehr

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Während die Staats- und Regierungschefs der Welt auf der Jahreskonferenz des Weltwirtschaftsforums in Davos zusammenkommen, um globale Themen wie den Klimawandel zu diskutieren, werden sie den Tag umgeben von Beton verbringen. Häuser, Wolkenkratzer, Straßen, Autobahnen, Brücken, Gehwege, Wassersysteme, Dämme und mehr verlassen sich auf Beton aufgrund seiner unübertroffenen Festigkeitseigenschaften, Haltbarkeit, Vielseitigkeit und niedrigen Kosten. Es ist keine Überraschung, dass die weltweite Nachfrage nach Zement, der beim Mischen mit Wasser und Mineralien zu Beton aushärtet, bis 2050 voraussichtlich um 48 % von 4,2 Milliarden auf 6,2 Milliarden Tonnen steigen wird.

Im Rahmen der jüngsten massiven Urbanisierung Chinas verwendete das Land zwischen 2011 und 2013 mehr Beton als die Vereinigten Staaten im gesamten 20. Jahrhundert. Während in China die Verwendung von Beton zurückgeht, wird der Verbrauch in Indien, Afrika und anderen Entwicklungsländern im Zuge der wirtschaftlichen Entwicklung sprunghaft ansteigen, wobei die Verwendung zwischen Wohn-, Gewerbe- und Infrastrukturbereichen aufgeteilt wird. Obwohl Beton für den Bau von Strukturen, die unser tägliches Leben verbessern, unerlässlich ist, ist er für 8 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich. und 90 % dieser Emissionen stammen aus der Herstellung von Klinker, dem Hauptbestandteil von Beton, der zur Festigkeit beiträgt.

Gemäß dem Pariser Klimaabkommen muss die globale Betonindustrie ihre Emissionen bis 2030 um 16 % und bis 2050 um 100 % reduzieren, um das CO2-Budget für die Erwärmung um 1,5 °C einzuhalten. Dieser Aufwand wird erhebliche Veränderungen in der Betonwertschöpfungskette erfordern, aber die einfachste und kostengünstigste Maßnahme besteht darin, weniger Material zu verwenden und gleichzeitig die Projektanforderungen zu erfüllen. Die Reduzierung der Nachfrage nach CO2-intensivem Klinker wird dazu beitragen, dass die Betonindustrie ihre Klimaziele wieder erreicht.

Der erste Schritt zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks des Sektors besteht darin, bei jeder Anwendung weniger Beton zu verwenden, selbst wenn die Anwendungen zunehmen. Es gibt mehrere existierende und sich entwickelnde Methoden zur Sicherstellung der Betonmaterialeffizienz, die zu großen CO2-Einsparungen führen können, ohne das Material selbst zu verändern. Traditionelle Entwürfe von Gebäuden und anderen Projekten zielen eher auf die Minimierung der Kosten als auf die Minimierung von CO2-Emissionen ab und bieten übermäßige Gestaltungsspielräume. Allerdings ermöglichen die jüngsten und anhaltenden Fortschritte bei automatisierten Entwurfstools Bauingenieuren und Architekten, schnell mehr strukturelle Optionen für ein bestimmtes Projekt zu erkunden und dabei die Materialeffizienz stärker zu berücksichtigen.

RMIs Publikation „Profitably Decarbonizing Heavy Transport and Industrial Heat“ befasst sich mit den Beton- und Stahleinsparungen, die durch eine bessere Strukturkonstruktion profitabel erzielt werden können. Beispielsweise konnten durch solche Ingenieursmethoden beim Freedom Tower in New York und beim Shanghai Tower in China 40 % bzw. 24 % des Betonverbrauchs eingespart werden. Mit der Verbesserung automatisierter Design-Software wird erwartet, dass Lean Design im Vergleich zu aktuellen Methoden kostenmäßig (in der Designzeit) konkurrenzfähig ist und zu einem Haupttreiber für die Nachfragereduzierung wird.

Ein zweiter Hebel besteht darin, keinen neuen Beton zu verwenden. In manchen Fällen können Optionen wie die Wiederverwendung von Betonelementen aus alten Bauwerken zu CO2-Reduzierungen führen. Die richtige Antwort variiert jedoch von Region zu Region und hängt von einer Vielzahl anderer Faktoren ab, darunter der Art der Konstruktion, Designanforderungen, lokaler Materialverfügbarkeit und mehr.

Gleichzeitig müssen Bauvorschriften und Marktpräferenzen angepasst werden, um die Verwendung von kohlenstoffarmem Beton zu ermöglichen. Da Kohlenstoff zu einem zentralen Aspekt beim Aufbau unserer Infrastruktur wird, müssen wir die Innovationslücke zwischen den Bedürfnissen der Designer und der vorhandenen Technologie schließen. Tools wie das EC3-Tool vergleichen effizient den verkörperten Kohlenstoff von Projektentwurfsoptionen und führen strenge Tests durch, um den Weg für die kohlenstoffarmen Strukturen der Zukunft zu ebnen.

Neben der Reduzierung der Gesamtbetonmenge in Gebäuden ist die Verwendung von weniger Zement pro Betoneinheit eine weitere wirksame Möglichkeit, den Klinkergehalt und die Kohlenstoffintensität von Beton zu reduzieren. Um die Bindemittelintensität zu reduzieren, ohne das Risiko zu erhöhen, sollten wir auf die Verwendung von Massenzement wie Transportbeton umsteigen, bei dem die Zementverschwendung um bis zu 30 % reduziert wird, Mischungsspezifikationen und Mischungserstellung präziser sind und Chemikalien, sogenannte Zusatzmittel, hinzugefügt werden können Verbesserung der Betoneigenschaften und Reduzierung des Zementbedarfs.

In vielen Ländern bevorzugen Bauherren immer noch die Verwendung von Zement in Säcken, was zu Verschwendung und Überbeanspruchung führt. Die Industrialisierung eines Teils des weltweiten Sackzementmarktes (derzeit 42 %) würde zu erheblichen Zementeinsparungen führen, erfordert jedoch Investitionen in Fertigbetonanlagen und Zementfahrzeuge sowie eine erhebliche Änderung der lokalen Marktdynamik. In Regionen wie den USA und der EU ist der Zementverbrauch bereits weitgehend industrialisiert, während der Marktanteil von abgepacktem Zement in Indien fast 90 % beträgt, was eine enorme Chance zur CO2-Einsparung bietet. Bestehende Anlagen enthalten bereits eine Vielzahl chemischer Zusatzstoffe wie Dispergiermittel, die den Wasserbedarf und damit die benötigte Zementmenge reduzieren. Zu den weiteren Zusatzmitteln gehören Beschleuniger, die den Beton schneller festigen, und luftverfestigende Mittel, die es Luftblasen ermöglichen, ihr Volumen zu vergrößern und den Feststoffeintrag für Anwendungen mit geringerer Festigkeit zu verdrängen.

Innovationen zur Schaffung neuer Zusatzmittel sowie zur Verbesserung der Anwendbarkeit, Effizienz und Kostenwettbewerbsfähigkeit bestehender Lösungen werden einen drastisch niedrigeren Klinker- und Zementgehalt im Beton ermöglichen und gleichzeitig die Leistung in einer bestimmten Anwendung beibehalten.

Alternativen zum herkömmlichen Portlandklinkerzement waren ebenfalls Gegenstand zahlreicher Untersuchungen, doch Kosten, Materialleistung, Verfügbarkeit von Rohstoffen und Energieeinsatz haben zu einer begrenzten Akzeptanz geführt. Auch wenn dieser Hebel einige Vorteile hat, ist ein groß angelegter Einsatz dieser Nischenlösungen kurzfristig unwahrscheinlich, da es sich um relativ maßgeschneiderte Produkte handelt, die in einer stark kommerzialisierten Welt nach Nischen suchen.

Allerdings hat die Verwendung von weniger gewöhnlichem Portlandzement auf andere Weise an Boden gewonnen – durch den Ersatz begrenzter Mengen zusätzlicher zementhaltiger Materialien (SCMs) in Zementmischungen, um Klinker teilweise zu ersetzen. SCMs zeigen beim Mischen mit Wasser ein ähnliches Verhalten wie Klinker und tragen zur Festigkeit der Zementmischung bei, können den Klinker jedoch in den meisten Fällen nicht vollständig verdrängen. Zu den SCMs gehören Industrieabfallprodukte wie gemahlene Hochofenschlacke (GBFS) und Flugasche, kalzinierter Ton, natürliche Puzzolane und gemahlener Kalkstein. Das derzeitige Klinker-zu-Zement-Verhältnis beträgt 0,72, aber die Global Cement and Concrete Association (GCCA) strebt eine Reduzierung des durchschnittlichen globalen Klinkergehalts von Zement um 18 % bis 2050 an.

Durch die Auswahl von Beton mit hohen Klinkersubstitutionsraten können die damit verbundenen CO2-Emissionen eines traditionellen fünfstöckigen Gebäudes sofort um 32 % gesenkt werden, wobei die Gesamtbaukosten weniger als 0,5 % steigen. Das antike römische Pantheon besteht vollständig aus natürlichem Puzzolanzement. Zu den moderneren Beispielen gehören The Spheres in Seattle und der Iconic Tower in Kairo, die beide den kohlenstoffarmen ECOPlanet-Zement von Holcim verwenden. Während viele dieser SCMs Leistungsvorteile bieten, können eine längere Abbindezeit und eine verringerte Anfangsfestigkeit die Projektzeitpläne verzögern und in einigen Fällen zusätzliche Kosten verursachen.

Die Verbesserung der Beschleunigungszusätze, die die Abbindezeit und Festigkeit verbessern, ist für eine stärkere Einbindung der SCMs in Mischbeton von entscheidender Bedeutung. Weitere Tests und Aktualisierungen von Standards sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung, um die Akzeptanz zu verbessern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Angebot an Flugasche und GBFS voraussichtlich zurückgehen wird, da ihre Quellen, Kohlekraftwerke bzw. Stahlwerke, auslaufen und dekarbonisiert werden, was die Exploration und Gewinnung anderer SCMs für die Herstellung von umweltfreundlicherem Beton noch wichtiger macht . Angesichts der weltweiten Verfügbarkeit von Kalkstein und kalziniertem Kaolinitton gilt LC3-Zement – ​​bestehend aus 50 % Klinker, 30 % kalziniertem Ton, 15 % Kalkstein und 5 % Gips – als ein vielversprechender Ansatz für die Zukunft von kohlenstoffarmem Beton. Da neue SCMs und Verbesserungen der Leistung aktueller Zementmischungen auftauchen, werden der Klinkerfaktor und die Kohlenstoffintensität von Beton weiter sinken. In diesem entscheidenden Jahrzehnt des Klimaschutzes ist jedoch die Zeit von entscheidender Bedeutung.

Unternehmen wie First Movers Coalition, ConcreteZero, Industrial Deep Decarbonization Initiative und andere fordern jetzt kohlenstoffarmen Beton, und die Lieferanten müssen handeln, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden. Innovationen in der gesamten Betonwertschöpfungskette können sowohl Emissionen als auch Kosten senken, die technischen Grenzen der CO2-Intensität verschieben und zu politischen Änderungen führen. Wir brauchen einen mehrgleisigen Ansatz, der auf die Reduzierung von Beton, Zement und Klinker abzielt. Die Bauingenieure der Zukunft werden mithilfe modernster Software schnell eine effiziente Grenze der Entwurfsmöglichkeiten erkunden, während Transportbetonwerke weniger CO2-intensiven Beton für Projekte liefern. Diese Nachfragerückgänge sind nur ein Teil der Gleichung, und angebotsseitige Maßnahmen wie alternative Kraftstoffe, Elektrifizierung und CO2-Abscheidung müssen die verbleibenden Emissionen beseitigen.

Im Rahmen der Mission Möglichen Partnerschaft hat RMI mit der Energy Transitions Commission, Systemiq, dem Weltwirtschaftsforum, der European Cement Research Academy (ECRA) und GCCA zusammengearbeitet, um jeden dieser Dekarbonisierungshebel zusätzlich zu den Dekarbonisierungshebeln auf der Angebotsseite in naher Zukunft zu untersuchen. noch zu veröffentlichende Strategie für den Übergang zum Zementsektor. Die Beton- und Zementindustrie steht an der Schwelle eines radikalen Wandels auf dem Weg zur Netto-Null-Energiewende.

Von Ben Skinner und Radhika Lalit, © 2023 Rocky Mountain Institute. Veröffentlichung mit Genehmigung. Ursprünglich auf RMI Outlet veröffentlicht.

Ausgewähltes Foto von Pawel Czerwinski auf Unsplash

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