Zirkuläre Innovation in der Betonindustrie
Hintergründe und Perspektiven zur Zukunft des Betonbaus
Die Betonindustrie kann den Übergang von einer linearen zu einer zirkulären Wirtschaft beschleunigen, indem sie innovative Material- und Systemlösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette entwickelt.
Unternehmen haben in der Regel keine Probleme bei der Entwicklung neuer Ansätze für innovative Produkte oder Dienstleistungen – vielmehr liegt die Herausforderung darin, auf skalierbare Innovations-produkte zu fokussieren, welche eine nachhaltige Wertschöpfung ermöglichen. Um in einer zirkulären Bauwirtschaft zu innovieren, müssen Unternehmen das richtige Innovationsökosystem aufbauen. Dafür ist eine branchen- und wertschöpfungsübergreifende Zusammenarbeit mit Start-Ups, Finanzierungsinstitu-tionen, technischen Experten und Designern unumgänglich.
Der älteste Ingenieurstoff der Welt
Beton ist der älteste Ingenieurbaustoff und weltweit eines der am meisten verbrauchten Materialien, nach Wasser an zweiter Stelle. Die Geschichte des Betons reicht weit zurück: Das Kolosseum und das Pantheon sind 2000 Jahre alt und aufgrund ihrer hervorragenden Materialeigenschaften sowie ausreichender Wartung und Instandhaltung noch immer nutzbar. Die chinesische Mauer wurde mit zementgebundenen Materialien errichtet, die Bambus zusammengehalten haben.
In unserer modernen Welt steht seit 2011 das mit 828 Metern höchste Stahlbeton-Hochhaus, das Burj Khalifa in Dubai. Es umfasst 330.000 Kubikmeter Beton und 61.000 Tonnen Betonstahl. Eine Manifestation wirtschaftlicher Macht, in der das Wirtschaftswachstum noch immer mit der Gewinnung und dem Verbrauch von nicht erneuerbaren Ressourcen in einem meist linearen Wirtschaftssystem gekoppelt ist.
Die Arbeitsproduktivität der letzten Jahrzehnte hat deutlich zugenommen, während die Materialproduktivität im BIP pro Inlandsverbrauch deutlich zurückbleibt. Die wachsende Weltbevölkerung und die damit verbundenen Bautätigkeiten in den Entwicklungsländern gefährden zunehmend die Versorgung mit endlichen Ressourcen wie Sand. Hinzu kommt, dass die weltweiten CO2-Emissionen die erwarteten Werte bei weitem übersteigen. Die Produktion von Zement macht schätzungsweise sieben bis acht Prozent aller vom Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen aus1. Um regionale und globale Ziele zu erreichen, ist Beton daher einer der größten Hebel im Bauökosystem.
Zwei Aspekte sind für die Diskussion relevant. Zum einen sind alle Prozesse, die mit Beton in Verbindung stehen (also auch das Recycling des Materials), sehr energieintensiv – die Grauenergie ist also auf außergewöhnlich hohem Niveau. Zum anderen können die einzelnen Materialbestandteile des Betons (feine und grobe Körnungen und Zement) zwar recycelt werden, jedoch nicht in ihrem höchsten Wert. Die wiederverwerteten Materialien enden entweder als Straßenuntergrund oder als nichttragender Beton. Momentan ist also ein zusätzlicher Lebenszyklus erreichbar, langfristig sollten jedoch mehrere Zyklen angestrebt werden.
Kreislaufwirtschaft – Der Schlüssel zur Entkopplung von Wohlstand und Ressourcenverbrauch
Eine Kreislaufwirtschaft ist ein geschlossenes Ressourcensystem, in welchem (theoretisch) kein Abfall entsteht – jegliche Materialien werden konserviert und können als Input für eine neue Produktion verwendet werden. Dies kann durch Design, Wartung, Wiederverwendung, Wiederaufbereitung, Aufarbeitung und Recycling von Produkten erreicht werden. Der potentielle wirtschaftliche Nutzen wird bis 2030 auf bis zu 1.800.000 Millionen Euro jährlich allein für den europäischen Mobilitäts-, Ernährungs- und Bausektor geschätzt2.
Mehr als 100 weltweit führende Unternehmen wenden die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft an, um langfristig einen Wettbewerbsvorteil zu sichern und zur Erreichung der UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung beizutragen.
Ein systematischer Blick auf Betonsysteme und deren gegenwärtiges und zukünftiges Potential in der Kreislaufwirtschaft eröffnet drei zentrale Erfolgsfaktoren zur Steigerung der Materialproduktivität und zur Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes.
1. Materialinnovation – Eine neue Generation der Betonmaterialien und -systeme mit reduzierter Auswirkung auf die Umwelt bzw. mit der Eignung zur Wiederverwertung
2. Systeminnovation – Design für Fertigung und Montage mit Betonbauteilen
3. Innovation des Ökosystems – Neben technischen Optimierungen können neue Geschäftsmodelle und Stakeholder-Kollaborationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette eine Verlagerung zum zirkulären Bauen fördern.
Materialinnovation
Aufgrund der Umweltnachteile gibt es beachtliches Wissen darüber, wie unter dem Oberbegriff ‚Green Concrete‘ Beton mit reduzierter Umweltbelastung hergestellt werden kann. Ausführliche Forschungsarbeiten untersuchen, in welchem Umfang und mit welchen Technologien Green Concrete in der Praxis für Gebäude eingesetzt werden kann. Insbesondere die mechanischen Eigenschaften wie Druckfestigkeit, Langlebigkeit, Brandverhalten, Gießen und Ausführung, Härten und Aushärten werden durch das Bestreben, die Umweltbelastung durch Beton zu reduzieren, beeinflusst und erfordern kontinuierliche Forschung und Entwicklung.
Basierend auf einer Lebenszyklusanalyse haben Forschungsstudien ergeben, dass aufgrund der erforderlichen zusätzlichen Aufbereitung recycelter Betonzuschläge für frischen Beton die Nutzung von Primärrohstoffen die nachhaltigere Wahl sein kann3. Dies wird noch verstärkt, indem für Bau und Konstruktion nicht mehr als drei bis vier Prozent Sekundärmaterialien verwendet werden.
Den Lebenszyklus verlängern – Design für Langlebigkeit
Beton ist, bei ausreichendem Schutz und Pflege, einer der beständigsten Werkstoffe in der Bauindustrie. Die Verbesserung und Verlängerung der Nutzungsdauer ist ein zentrales Anliegen, insbesondere im Infrastruktursektor. Selbstverdichtender Beton, selbstüberwachende Eigenschaften und Bakterien, die eine Selbstheilung von Mikrorissen ermöglichen, wurden umfassend untersucht, um zu einem der wichtigsten Aspekte der Kreislaufwirtschaft beizutragen – Design für Langlebigkeit.
In einer idealen Welt mit einem idealen Systemdesign sind die Anzahl der Rezyklierungen unwichtig, da das Recycling theoretisch keinen Einfluss auf die Qualität der Materialien hat (Cradle-to-Cradle-Prinzip). In der realen (Bau-)Welt ist dieses Paradigma allerdings unrealistisch. Angesichts der großen Menge an Grauenergie, die Beton enthält, ist die Verlängerung eines Lebenszyklus einer der größten Hebel zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen.
Substitution – Glas
Es werden acht Millionen Tonnen Altglas auf Deponien entsorgt, da es Bedenken hinsichtlich der Rentabilität von Recyclingprogrammen und volatilen Endmärkten gibt. Die Ellen MacArthur Foundation und Google arbeiten intensiv zusammen, um die Verbreitung zirkulärer Geschäftsmodelle zu fördern. Kaskadierende Materialströme und der Fokus auf gesunde Materialien führen beispielsweise zu der Frage, wie Altglas – zu Pulver gemahlen – Zement im Beton ersetzen und damit die Grauenergie reduzieren und Lieferketten zentralisieren kann. Forschungen haben gezeigt, dass bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften bis zu 30% des Zements substituiert werden können.
Pilotprojekte haben erste technische Umsetzungen dieses Ansatzes ermöglicht, sowohl für Bürgersteige in Montreal und New York, als auch auf dem Google Campus in Mountain View4. Aus rein ingenieurtechnischer Sicht könnte man dies in Frage stellen, allerdings zeigen Konzepte wie diese, dass genügend Potential besteht, vermeintlich etablierte Materialien wie Zement graduell zu ersetzen – natürlich immer im Kontext der endgültigen Anwendung.
Substitution – Flugasche
Flugasche wird in großem Umfang als Teilersatz von Zement verwendet. Obwohl der Einbau von Flugasche in Beton viele Vorteile bietet, führt eine solche Einbindung beispielsweise zu einer deutlichen Verringerung der Frühfestigkeit, zurückzuführen auf die relativ langsame Hydration des Ersatzmaterials. Dennoch führt Flugasche zu einer erhöhten Verarbeitbarkeit von Beton5 und kann die Kosten für Beton um zwei bis zehn Prozent senken.
Die Einsparungen werden durch den Preis und die Verfügbarkeit von Flugasche bestimmt, welche wiederum von der Nähe zu Kohlekraftwerken abhängen: Da sich die Bestände von Flugasche aufbauen, benötigen die Anlagen Entsorgungsplätze. Flugasche reduziert den CO2-Fußabdruck einer Tonne Beton um 25 bis 40 Prozent. Das Leonardo System der chinesischen Firma Vecor nutzt Flugasche, um bis zu 70 Prozent des Rohmaterials von Fliesen zu substituieren. Hierdurch werden sowohl 85 Prozent Wasser, als auch bis zu 15 Prozent Energie gespart. Interessant ist, dass die Fliesen bei gleicher technischer Leistungsfähigkeit deutlich leichter sind als herkömmliche Fliesen.
Hybridsysteme – Design für erneuerbare Komponenten
Wie bereits erwähnt, ist einer der wichtigsten Gestaltungsaspekte der Kreislaufwirtschaft die Gestaltung von Materialsystemen, in denen alle relevanten technischen Eigenschaften so kombiniert werden, dass am Ende der Nutzungsdauer eine saubere und einfache Trennung in technische und organische Kreisläufe möglich ist. Dies würde theoretisch eine endlose Kaskade der Ressourcennutzung ermöglichen.
Im Fall von Beton wird eine Stahlbewehrung, welche auf Zug beansprucht wird, von einer Betonmatrix, welche auf Druck beansprucht wird, umhüllt. Aus ingenieurtechnischer Sicht eine perfekte Ergänzung, aus der Perspektive der Kreislaufwirtschaft allerdings ein Alptraum.
Die Rückgewinnung beider (endlicher) Materialfraktionen am Ende ihrer Nutzungsphase unter Beibehaltung der ursprünglichen Qualität ist aus gutem Grund ein umfangreiches Forschungsfeld.
Hier setzen diverse Innovationsprojekte an. Holz-Beton-Verbunddecken wurden entwickelt, um einen erheblichen Teil des Betons durch Holzbalken zu ersetzen. Die Holzbalken werden mit dünnen Betondecken kombiniert, um vor allem die akustischen und thermischen Anforderungen zu erfüllen. Nach einem ersten Forschungsprojekt wurde in Dornbirn in Vorarlberg, Österreich, ein achtstöckiges Demonstrationsgebäude errichtet und 2012 von Cree bezogen.
Das System kombiniert beide Materialien, sodass jedes seine Stärken ausspielen kann. Durch den zunehmenden Druck auf den Bausektor und seine energieintensiven, etablierten Werkstoffe entwickelt sich Holz allmählich zu einer Alternative für Stahlbetonkonstruktionen. Dem Brock Commons Tallwood House – dem derzeit höchsten Gebäude der Welt mit einer Höhe von 52 Metern – wird voraussichtlich eine Reihe weiterer „Plyscaper“ folgen.
Eine Vielzahl bautechnischer, thermischer, akustischer oder brandschutztechnischer Probleme kann durch die Kombination von Holz und Beton gelöst werden: Das Potential für eine Systemauslegung nach dem Prinzip der Kreislaufwirtschaft ist enorm.
Modularer Beton – Design für Zerlegbarkeit
Auch die mit dem Ende der Nutzungsdauer eines Gebäudes verbundenen Auswirkungen, wie Entsorgung oder Recycling, müssen hinreichend berücksichtigt werden. Beton macht mindestens ein Drittel der jährlich in Europa anfallenden 450 bis 500 Millionen Tonnen Bau- und Abrissanfälle aus.
Peikko, ein führender finnischer Anbieter für Betonanwendungen, hat kürzlich ein White Paper veröffentlicht. Ziel ist es, eine Systemlösung anzubieten, die ein schnelles und standardisiertes mechanisches Verbindungssystem für Fertigteile ermöglicht, ohne schwere Maschinen oder energieintensive Prozesse zu erfordern. Die Pilotprojekte beschäftigen sich mit den Verbindungen von tragenden Säulen zu Fundamenten und Wänden zu Wänden. Dies erfordert bis zur Marktreife sorgfältige, kontinuierliche Tests und branchenübergreifende Zusammenarbeit. Peikko will das vorgefertigte Konzept durch weitere Pilotprojekte bis 2020 verifizieren.
Ermöglicht werden Gebäude, deren Substanz aus einem Katalog konsolidierter, standardisierter Elemente besteht, welche außerhalb oder nahe der Baustelle hergestellt wurden. Die Nachhaltigkeit in der Planung steigert die Produktivität und letztlich die Qualität des Bauvorhabens. Die Technologie wird sich natürlich auf bestimmte Gebäudetypologien beschränken, ist aber ein wichtiger Meilenstein für Beton in einem zirkulären Bauökosystem. Die Kombination des Systems mit aufkommenden Materialpässen wird am Ende des ersten Lebenszyklus die benötigte Leistungstransparenz ermöglichen.
Innovation des Ökosystems
Keine einzelne Materialinnovation und keine einzelne revolutionäre Technologie gewinnt an Einfluss, wenn nicht das richtige Innovations-Ökosystem um sie herum besteht. Das Bauökosystem hat ein besonderes Problem: Die ausbleibende Skalierung.
Die meisten Gebäude sind noch immer ein Unikat, wodurch eine effektive Nachfrageprognose und damit verbundenes Supply-Chain-Management unmöglich ist. Weitere Druckfaktoren sind Ungewissheit, unzureichende Budgets, Zeitmangel und Qualität. Insgesamt kein ideales Ökosystem zur Förderung innovativer ökologischer und ökonomischer Lösungen.
In diesem Sinne lohnt es sich, systematisch auf Gebäudetypologien zu achten, die sich besser als andere für eine Skalierung eignen – im Prinzip ist jede sich wiederholende Typologie wie Wohnhäuser, Hotels oder Studentenwohnheime ein idealer Raum für die Anwendung zirkulärer Bauprinzipien. Die Fokussierung auf Modularität, Komponentenfertigung, Baugruppenmontage und einbaufertige volumetrische Lösungen – kurzum ein weitaus stärker industrialisierter Ansatz – ist für viele (hauptsächlich große) Betonunternehmen ein Impuls, neue Geschäftsmodelle und Wege der Wertschöpfung in Betracht zu ziehen.
Insbesondere Großunternehmen sollten sich weiter auf die Upstream- und Downstream-Integration konzentrieren, um die Materialbereitstellung, Konstruktion und Ausführung vor Ort besser steuern zu können. Darüber hinaus gewinnt vor allem die After-Sales-Phase zunehmend an Bedeutung. Die Verschlankung des Demontageprozesses, der selektive Abriss und die Herstellung sekundärer, aber hochwertiger Materialien sind der Schlüssel zu einem ökologischen und ökonomischen Erfolg.
Fazit und Ausblick
Angesichts der enormen ökologischen, ökonomischen und sozialen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts muss die Bauindustrie als einer der größten Ressourcenverbraucher und Kohlen-dioxid-Emittenten eine Schlüsselrolle übernehmen.
Für die identifizierten Erfolgsfaktoren lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:
1. Um die signifikante Grauenergie zu reduzieren, muss die Betonindustrie weiterhin Materialien entwickeln, die energieintensive Rohstoffe ersetzen. Auch ungewöhnliche Materialflüsse oder Nebenprodukte können zu einer ausgereiften Materialinnovation führen. Ein kohärenter Ansatz für das Recycling von Beton zielt darauf ab, sich auf mehrere zusätzliche Lebenszyklen und nicht nur auf einen einzelnen zu konzentrieren. Die Verlängerung der Nutzungsdauer bestehender Betonkonstruktionen durch sorgfältige Überwachung und Wartung, eventuell mit Selbstheilungsansätzen, entspricht einem der Hauptprinzipien der Kreislaufwirtschaft – der Lebensdauerverlängerung eines Produkts.
2. Betonbauteile können auf Vorfertigung und Modularität ausgelegt werden. Das ermöglicht nicht nur eine Wiederverwendung am Ende der ersten Lebensdauer, sondern erhöht auch die Material- und Arbeitsproduktivität vor Ort. Erfolgsentscheidend wird das weitere Testen von Verbindungsmöglichkeiten sein, um die volle Marktreife zu erreichen.
3. Die Digitalisierung der Bauindustrie wird einen stärker integrierten Prozess vom Entwurf bis zur Produktion ermöglichen. Bessere Nachfrageprognosen und ein verbessertes Supply-Chain-Management sowie das Entstehen neuer Geschäftsmodelle wie „Bauen als Dienstleistung“ können der Betonindustrie beim Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft helfen.
Die branchenübergreifende Zusammenarbeit wird Unternehmen dabei helfen, das richtige Innovationsökosystem zu schaffen. Um konkrete Innovationen auf den Markt zu bringen, sollten innovative Ideen mit der langfristigen Strategie der Organisation in Einklang gebracht werden. Die Organisation sollte dafür genügend interne Ressourcen für weniger, aber bessere (zirkuläre) Initiativen bereitstellen.
Arup Deutschland GmbH
Martin Pauli ist Architekt und Experte für die Circular Economy mit Schwerpunkt auf der Entwicklung und Anwendung von neuen Materialien und Technologien für Gebäude, deren Systeme und Komponenten. Im Foresight Consulting Team von Arup Deutschland ist er auf strategisches Innovationsmanagement und kollaborative Produktentwicklung spezialisiert.
Der Schwerpunkt seiner Arbeit liegt in der Innovationsarbeit mit Kunden aus der Gebäudeindustrie und der chemischen Industrie, um neue Technologien und Geschäftsmodelle zur Leistungsoptimierung der gebauten Umwelt zu nutzen. Martin Pauli hat u.a. Projekte mit Kunden wie BASF, Volkswagen und Google erfolgreich umgesetzt. Er hält zahlreiche Vorträge auf nationalen und internationalen Konferenzen dazu, wie unsere gebaute Umwelt sich in Richtung eines geschlossenen Kreislaufsystems mit einer effektiven ressourcensparenden Wirtschaft entwickeln kann.
Arup ist ein Ingenieurbüro mit Firmensitz in London. Es stellt für den Bereich Bauwesen Dienstleistungen wie Engineering, Design, Planung, Projektmanagement und Beratung zur Verfügung. Das Unternehmen hat weltweit Niederlassungen, insgesamt 92 Büros in 37 Ländern mit über 10.000 Mitarbeitern. In Deutschland gibt es Büros in Berlin, Düsseldorf und Frankfurt am Main. Projekte wurden in mehr als 160 Ländern durchgeführt.
