Schwarzer Beton, grüne Idee: Wie Pflanzenkohle den CO₂-Fussabdruck senken kann

Im Departement für Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich wird auch im grossen Massstab geforscht, getestet und weiterentwickelt. Hier arbeitete Postdoktorandin Mareike Thiedeitz an einem InnoSuisse-Projekt: Beton, der Kohlenstoff einlagert und so die Bildung von CO₂ verhindert, statt CO₂ zu verursachen. Gemeinsam mit anderen Forschenden aus dem Netzwerk des NFS Digitale Fabrikation entwickelte sie innovative Baumaterialien und untersuchte, wie diese effizient automatisiert verarbeitet werden können. Wir haben ihr bei der Arbeit über die Schulter geschaut.

Mareike, ich habe dich in der Bauhalle beobachtet, wie du eine schwarze Masse in eine weisse, 3D-gedruckte Betonsäule gegossen hast. Was genau passiert da?

Das war ein Materialtest, bei dem zwei sehr unterschiedliche Betone kombiniert wurden. Die weisse Säule besteht aus einem 3D-gedruckten Hochleistungsbeton, der vor allem auf Präzision, Stabilität und Farbe ausgelegt ist. Der schwarze Teil, den ich eingefüllt habe, ist ein sogenannter Pflanzenkohlebeton. Ziel war es, eine Rezeptur zu entwickeln, die sich gut verarbeiten lässt – also z. B. gut fliesst – und gleichzeitig Potenzial bietet, die CO₂-Bilanz des Baustoffs zu verbessern, im besten Fall sogar negativ zu machen.

Wie ist die Zusammenarbeit mit den anderen Forschenden im Projekt entstanden – und wer ist daran beteiligt?

Das Projekt ist Teil einer InnoSuisse-Förderung, also einer Kooperation zwischen Forschung und Industrie. Ich habe dabei eng mit mehreren Forschenden aus dem Netzwerk des NFS Digitale Fabrikation zusammengearbeitet. Es geht nicht nur um Materialentwicklung, sondern auch um Design, Statik und Automatisierung. Aus der Architektur sind Dr. Ana Anton und Prof. Benjamin Dillenburger dabei – Dr. Anton hat bei dem 3D-gedruckten Tor Alva Turm die Fabrikation geleitet. Dann gibt es die Massivbauer*innen, die sich mit der Bewehrung und den statischen Anforderungen beschäftigen – das ist Dr. Lucia Licciardello, gemeinsam mit Dr. Alejandro Giraldo Soto und Prof. Walter Kaufmann. Bei uns im Bereich der Materialentwicklung sind das Dr. Tim Wangler und Professor Robert Flatt. Also wirklich ein interdisziplinäres Team, das von der Gestaltung über die mechanische Performance bis hin zur Automatisierung alle Bereiche abdeckt.

Forschende des Lehrstuhls Baustatik und Konstruktion sowie Forschende des Lehrstuhls Physikalische Chemie von Baustoffen führen einen Materialtest durch. © NFS Digitale Fabrikation, Lea Keller

Warum ist der CO₂-Fussabdruck beim Bauen ein so grosses Thema?

Beton ist einer der grössten CO₂-Verursacher weltweit. Bei der Herstellung seines Bindemittels Zement wird sehr viel CO₂ freigesetzt, ungefähr 8% des gesamten CO₂. Selbst wenn diese Zahl gering erscheint in Anbetracht der Tatsache, dass Beton mehr als 50% unserer genutzten Stoffe darstellt, ist es unerlässlich, die Emissionen im grossen Massstab zu verringern. Dazu gibt es viele Ansätze und Möglichkeiten, die teilweise kombiniert werden, um klimafreundlichere Betone herzustellen. Allerdings müssen wir auch sich gegenseitig aufhebende Effekte bedenken: Bei 3D-gedrucktem Beton wird beispielsweise Material gespart, allerdings hat das gedruckte Material einen höheren CO₂-Fussabdruck als Standardbeton. Daher arbeiten wir an unterschiedlichen Ansätzen, um auch das Material klimafreundlicher herzustellen. Beispielsweise versuchen wir, CO₂ durch sogenannte Karbonatisierung oder durch CO₂-negative Zusatzstoffe wieder im Material zu binden.

Was ist Karbonatisierung – und warum wird sie hier anders genutzt?

Normalerweise ist Karbonatisierung ein Prozess, der die Dauerhaftigkeit von Beton negativ beeinflussen kann, da die Korrosionsgefahr des Bewehrungsstahls erhöht wird. Dabei reagiert das ausgehärtete zementöse Bindemittel mit CO₂ aus der Luft, was unter anderem zur Ausfällung von Calcit führt, also Kalkstein – einem der Rohstoffe in der Zementproduktion. Beim Entwurf im Tor Alva spielt die Korrosionsgefahr für die Bewehrung keine Rolle, sofern wir nichtrostenden Bewehrungsstahl einsetzen oder die Bewehrung in Standardbeton eingebettet ist. Daher rechnen meine Kollegen diesen Prozess positiv in die CO₂-Bilanz ein, weil dabei CO₂ dauerhaft gebunden wird. In einem anderen Ansatz füllen wir 3D-gedruckten Beton mit einem Beton, dessen rechnerischer CO₂-Fussabruck durch die Zugabe von Pflanzenkohle massiv reduziert sein kann. Das sind die Experimente, die wir jetzt in der Bauhalle ausgeführt haben.

Wird Pflanzenkohle in Beton eingebunden, kann der Kohlenstoff-Fussabdruck massiv reduziert werden. © NFS Digitale Fabrikation, Lea Keller

Was genau ist Pflanzenkohle?

Pflanzenkohle – englisch Biochar – entsteht aus organischen Abfällen, zum Beispiel Holzresten oder landwirtschaftlichen Nebenprodukten. Diese werden unter Sauerstoffausschluss erhitzt (Pyrolyse), wodurch ein kohlenstoffreiches, stabiles Material entsteht. Wenn wir diese Pflanzenkohle in Beton einbringen, bleibt der Kohlenstoff langfristig gebunden. Das verhindert, dass CO₂ in die Atmosphäre gelangt. Im besten Fall wird der Beton dadurch sogar klimaneutral oder klimapositiv: Pro Kilogramm Pflanzenkohle im Beton können ca. 2.5-2.7 Kilogramm CO₂ in der Atmosphäre verhindert werden. Je nach Zementgehalt können wir so ab einem Gehalt um die 80 Kilogramm Pflanzenkohle einen neutralen oder negativen CO₂-Fussabdruck erreichen.

Was sind die Herausforderungen bei der Verarbeitung dieses Betons?

Die Pflanzenkohle ist sehr fein und porös und verhält sich wie ein Schwamm: Sie saugt sehr schnell sehr viel Wasser auf. Dadurch wird der Beton steifer, denn das Wasser steht nicht mehr zur Verflüssigung zur Verfügung. Um die Verarbeitbarkeit sicherzustellen, fügen wir mehr Wasser, aber vor allem chemische Zusatzmittel hinzu. Letztere kann man sich vorstellen wie die Zugabe von Gewürzen beim Kochen: Geringe Mengen haben bereits einen grossen Effekt: 1 Prozent Fliessmittel bezogen auf das Zementgewicht kann die Fliessfähigkeit des Betons stark verbessern. Allerdings erhöhen Fliessmittel auch häufig, in Verbindung mit geringen Wassergehalten, die Viskosität. Der Beton hat dann am Ende eine dickflüssige Konsistenz – fast wie Lava oder zäher Honig. Für Verfahren wie das Pumpen, Digital Casting oder 3D Drucken ist das ein Problem, weil bestehende Pumpensysteme mit dieser Viskosität nicht klarkommen. Deshalb arbeite ich daran, die Mischung zu optimieren – zum Beispiel durch Vorsättigung der Pflanzenkohle, angepasste chemische Zusatzmittel und bessere Korngrössenverteilungen.

Wie gehst du bei der Entwicklung der Betonmischung vor?

Ein bisschen wie beim Kochen. Ich mische Zuschläge wie Sand und Kies, dazu Zement und die Pflanzenkohle. Die hat eine ähnliche Korngrösse wie Zement und beeinflusst die Mischung stark. Bei geringen Gehalten kann Pflanzenkohle mit ihrer sehr feinen Struktur sogar das Mikrogefüge verbessern, allerdings wollen wir für eine bessere CO₂-Bilanz mit höheren Gehalten an Pflanzenkohle arbeiten. Das Ziel ist, eine Rezeptur mit einem hohen Gehalt an Pflanzenkohle zu finden, bei der der Beton weiterhin gut fliesst, sich aber nicht entmischt – also bei der alle Bestandteile in einem homogenen Gefüge verbleiben. Es ist ein ständiges Austarieren zwischen Ökologie, Rheologie und Performance.

Die verschiedenen Komponenten für die Materialmischung werden in kleinem Massstab getestet. © Mareike Thiedeitz

Was sind die nächsten Schritte in deiner Forschung?

Es gibt viele offene Fragen in Bezug auf die Verarbeitbarkeit und Dauerhaftigkeit von Beton mit Pflanzenkohle. Wie wirkt sich die Vorsättigung der Pflanzenkohle auf die Langzeiteigenschaften des Betons aus: Gibt sie das Wasser wieder ab? Verändert sich dadurch die Festigkeit oder Dauerhaftigkeit? Zudem wird derzeit stark diskutiert, inwiefern Pflanzenkohle überhaupt negativ zur CO₂-Bilanz beitragen darf, denn nach der rechnerischen Lebensdauer des Betons – in der Schweiz sind das 60 Jahre – ist derzeit noch unklar, wie Beton mit Pflanzenkohle recycelt werden kann.

Allerdings wechsle ich nun zu meinem eigenen Forschungsprojekt. Ich habe ein ETH Postdoctoral Fellowship erhalten, in dessen Rahmen ich mich multiskalig mit der Nutzbarmachung organischer Abfallstoffe als Zusatzstoffe in Beton beschäftigen werde. Für mich ist das ein sehr spannender Schritt, denn ich werde unter anderem weiterhin Pflanzenkohle, aber auch Pflanzenaschen hinsichtlich ihres Potenzials als nachhaltige und bezahlbare Baustoffe untersuchen – insbesondere mit Blick auf Schwellenländer, in denen weiterhin ein grosser Bedarf an Infrastruktur besteht. Im Zuge dessen wechsle ich auch das Institut: Von der materialwissenschaftlich geprägten Forschung am Institut für Baustoffe wechsle ich an den Lehrstuhl für Nachhaltiges Bauen am Institut für Bau- und Infrastrukturmanagement bei Professor Guillaume Habert. Denn die tatsächliche Nachhaltigkeit unserer Materiallösungen muss stets im grösseren Kontext betrachtet werden: Wie steht es um Ressourcenverfügbarkeiten und Materialflüsse? Wo können Wertschöpfungsketten geschaffen werden, um nicht nur ökologische, sondern auch soziale und ökonomische Vorteile zu erzielen? In meiner Forschung werde ich mich daher insbesondere mit der Frage befassen, wie sich Pflanzenkohle und Pflanzenasche so testen lassen, dass ihre Eignung für den Einsatz in Beton auch unter einfachen, ressourcenschonenden Bedingungen nachvollziehbar wird. Ziel ist es, nicht nur Materiallösungen für kapitalintensive Märkte zu entwickeln, sondern insbesondere niedrigschwellige („grassroots“) Lösungen, die sich in abgelegenen Regionen umsetzen lassen.

Das Innosuisse-Projekt hat hierfür einen wertvollen Grundstein gelegt und die wichtigsten Fragestellungen offengelegt. Ich bin sehr dankbar für die Möglichkeit, das Themengebiet nun in einem grösseren Kontext und aus neuen Blickwinkeln erforschen zu können.