Wenn wir Baustoffe in einer kritischen Menge produzieren und verwenden, ist es irgendwann nicht mehr nachhaltig. Dann ist es einfach zu viel", sagt Hermann Achenbach, Leiter der Forschungsgruppe "Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft" beim Kunststoffzentrum in Würzburg (SKZ). Und werde weiterhin so viel Beton eingesetzt wie bisher, führe das zu akutem Mangel an Ressourcen wie Sand und Kies.

Der weltweite Bedarf an Sand und Kies für die Betonproduktion wird nach Erhebungen der TU Dresden auf 15 Milliarden Tonnen jährlich geschätzt. Das wirkt sich auch auf die Klimabilanz des Rohstoffs aus: Weltweit ist die Zementproduktion laut dem europäischen Zementverband Cembureau für etwa fünf Prozent der CO2 -Emissionen verantwortlich. Der Verein Deutscher Zementwerke beziffert die Emissionen allein in Deutschland im Jahr 2015 auf 0,56 Tonnen CO2 pro Tonne Zement.

Aber die Suche nach nachhaltigen Alternativen hat begonnen. Seit 2014 läuft zum Thema Carbonbeton an der TU Dresden das C³-Projekt mit rund 160 Partnern, darunter dem Würzburger SKZ. Das Kunststoffzentrum forscht unter anderem an holzbasierten Kunststoffen und Rohren aus Industrieabfällen, die im Baubereich Anwendung finden.

Carbon besteht aus Kohlenstofffasern auf Erdölbasis, die zu Garn versponnen und dann weiter zu Matten oder stabförmigen Bewehrungen verarbeitet werden. Die Bewehrungen, die Gitterstäben ähneln, verstärken Betonbauteile für eine höhere Tragfähigkeit.

"Stahlbeton hat sich sukzessive in den letzten 100 Jahren als der Massenbaustoff entwickelt", sagt Dr. Matthias Lieboldt, C³-Projektmanager. Das Problem: Der Stahl, der im Beton als Bewehrung eingesetzt wird und dadurch den Baustoff verstärkt, korrodiert mit der Zeit - das Bauteil versagt."Die Stahlbewehrung im Beton muss also vor Korrosion geschützt werden", erklärt Lieboldt. Bis zu acht Zentimeter dick muss solch eine Mindestüberdeckung sein: Es wird für den Korrosionsschutz also viel Beton benötigt.

Carbon korrodiert anders

Carbon korrodiert anders als Stahl dagegen nicht - und ist etwa viermal leichter als Betonstahl. Zugleich halten Carbonfasern einer sechsfachen Zugbelastung stand, sagt Lieboldt. So entstehe theoretisch eine 24-mal höhere Leistungsfähigkeit. Zudem benötige Carbonbeton weniger Ressourcen, die Konstruktionen würden dünner und filigraner. Carbonbeton eigne sich zur Instandsetzung von Gebäuden, finde aber auch im Neubau Anwendung, so Lieboldt. Aber noch liegen für Carbonbauten keine Normen vor, weshalb besondere behördliche Zustimmungen notwendig sind.

Hohe CO2 -Werte, weniger Beton

Für die Herstellung von Carbon wird bislang der fossile Rohstoff Erdöl genutzt. Doch die Materialforscher sehen Alternativen: der Holzbestandteil Lignin, der vor allem bei der Papierproduktion als Abfallstoff anfällt, oder Algenöle. Die Herstellung einer Tonne Carbonbewehrung verursache bislang 12,83 Tonnen CO2 , wie die neueste Studie der TU Dresden zeigt. Das ist acht bis 15-mal mehr als bei Betonstahl. Dennoch: "Der massenbezogene CO2 -Emmissionsfaktor der Carbonbewehrung ist im Vergleich zu einer Stahlbewehrung zwar höher, aber durch die wesentlich geringere Dichte und die höhere Tragfähigkeit von Carbon wird wesentlich weniger Masse an Bewehrung benötigt", erklärt Lieboldt. Und weil der Stoff nicht korrosionsanfällig ist, ist die Lebensdauer auch länger.

Laut Lieboldt wird CO2 also hauptsächlich dadurch reduziert, dass weniger Beton benötigt wird. Im Vergleich zu Stahlbeton könnten bis zu 80 Prozent an Beton eingespart werden. Die Nutzungsdauer von Carbonbetonbauten wird auf 200 Jahre geschätzt. Ein Nachteil: Carbon ist etwa 15-fach teurer als Stahl. Dafür lässt sich Carbonbeton besser recyceln. Hermann Achenbach vom SKZ setzt auf Holz als Alternative im Baubereich. Dabei würden keine riesigen Mengen an Steinen und Beton benötigt - positiv für die Ökobilanz. Sein Team forscht an sogenannten Wood-Plastic-Composites-Kunststoffen, kurz WPC, bei denen Holz mit Kunststoff kombiniert wird: "WPC hat im Vergleich zu typischem Vollkunststoff eine geringere thermische Ausdehnung und nimmt mehr Wasser auf", so Achenbach. "Mit bis zu 80 Prozent Holzanteilen ist der Vorteil, dass nachwachsende Rohstoffe verwendet werden."

Heimisches Holz nachhaltiger

WPC-Produkte kommen im Baubereich bislang zum Beispiel als Terrassendielen sowie im Spielzeugbereich zum Einsatz. Das SKZ hat Terrassendielen aus WPC und aus Holz miteinander verglichen: "Wenn man einheimisches Holz nimmt, dessen Nutzungsdauer geringer ist als von WPC, ist die Ökobilanz besser. Trotz des vielen Holzes im WPC Kunststoff hat man immer noch eine schlechtere Ökobilanz durch den Kunststoff, der nötig ist", so Achenbach. In Langzeitversuchen untersucht die Forschergruppe am SKZ die mögliche Nutzungsdauer. WPC-Produkte sind wiederverwertbar, haben jedoch durch lange Nutzungsdauern hohe Rücklaufzeiten. Heimisches Holz sei mit Blick auf die Ökobilanz deshalb derzeit die positivere Variante, sagt Achenbach.

Neue Rohre aus Abfällen

Das SKZ entwickelt zudem Rohre aus Industrieabfällen: Dabei werden Abfälle von Unternehmen aus der Rohrbranche zurückgeführt, Fremdmaterial ist nicht zugelassen. Noch fehlt es an Normen für den Einsatz anderer Abfallprodukte - denkbar aber ist er, sagt der SKZ-Forschungsgruppenleiter. Die Eigenschaften der Rohre müssten denen von Neuware entsprechen. Das SKZ ist auf den Einsatz von Recyclingprodukten, sogenannten Rezyklaten, im Abwasserbereich spezialisiert. Abwasserrohre bestehen aus drei Schichten. Die Mittlere kann laut Achenbach durch Rezyklate ersetzt werden. Ziel ist es, Recyclingprodukte stärker in die Kreislaufwirtschaft einzubinden.