Sustainability certifications for buildings: requirements, benefits, and funding opportunities
Beton ist unverzichtbar – aber auch höchst problematisch. Das Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart erarbeitet Lösungen, die ihn nachhaltiger machen.
In aller Kürze: > Beton ist der meist genutzte Baustoff, verursacht aber immense CO2-Emissionen. > Am ILEK forscht Prof. Lucio Blandini gemeinsam mit seinen Kolleg:innen Dr.-Ing. Daria Kovaleva und David Nigl, M.Sc. an Lösungen für einen nachhaltigen Einsatz von Beton. > Im Fokus stehen insbesondere die R-Prinzipien der Kreislaufwirtschaft (reduce, reuse, recycle). > Die kreislauffähigen Lösungen reichen von optimierten Konstruktionen über zementbasierte Hohlkörper, wiederverwendbare Sandschalungen und zementfreie Bindemittel bis zu korrosionsresistenten Bewehrungen aus Basaltfaserverbundwerkstoffen. |
Mit einem Verbrauch von 30 Milliarden Tonnen pro Jahr ist Beton der meist genutzte Baustoff weltweit. Dieser massenhafte Einsatz macht ihn jedoch auch zu einer enormen Klima- und Umweltbelastung: Acht Prozent der globalen CO2-Emissionen entfallen allein auf die Betonproduktion. Das Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart forscht an Lösungen für ein nachhaltiges Bauen mit Beton. Im Interview verraten Institutsleiter Prof. Lucio Blandini sowie seine Kolleg:innen Dr.-Ing. Daria Kovaleva und David Nigl, wie optimierte Konstruktionen, zementbasierte Hohlkörper, wiederverwendbare Sandschalungen, zementfreie Bindemittel und Basaltfaserbewehrungen den ökologischen Fußabdruck dieses Jahrhunderbaustoffs deutlich reduzieren können.
Am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) setzen Sie sich seit mehr als 20 Jahren damit auseinander, wie „leicht bauen mit Beton“ gelingen kann. Was sind aus Ihrer Sicht aktuell die größten Herausforderungen und wo liegen die Potenziale in den Bereichen Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft?
Prof. Lucio Blandini: Um die Ziele des Pariser Klimaabkommens einzuhalten, muss die gesamte Bauindustrie ihre Emissionen bis 2045 durch die Umsetzung von neuen Strategien auf allen Ebenen der Wertschöpfungskette ausgleichen. Dabei spielt der Umgang mit Beton eine besondere Rolle. Die Umsetzung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft ist essenziell, um eine nachhaltige Transformation in der Betonindustrie zu erreichen. Wir fordern durch die Anwendung der drei primären R-Prinzipien (Reduce, Reuse, Recycle) ein völliges Umdenken bei der Planung, dem Bau und der Nutzung von Strukturen. Unter dieser Prämisse haben wir uns in der Forschung verschiedene Schwerpunkte gesetzt, die alle darauf abzielen, den ökologischen Fußabdruck eines Bauwerks während seiner gesamten Nutzungsdauer zu minimieren.
In erster Linie möchten wir den Verbrauch von Primärrohstoffen und die damit verbundenen grauen Emissionen so weit wie möglich reduzieren. Zu diesem Zweck optimieren wir beispielsweise die Konstruktionen selbst (Strukturleichtbau) und die Materialien, aus denen sie hergestellt werden (nachhaltiger Materialleichtbau). Im nächsten Schritt schauen wir, ob weitere Emissionen beziehungsweise Abfall während der Produktion durch den Einsatz nachhaltiger, abfallfreier Produktionsmethoden (wie wiederverwendbare Sandschalungen) reduziert werden können. Dabei berücksichtigen wir stets die Möglichkeit eines sortenreinen Recyclings (mineralische Hohlkörper und mineralische Basaltbewehrung) und auch eine direkte Wiederverwendung von Bauteilen.
Leichte Betonkonstruktionen haben oft auch höhere Anforderungen an die statische Berechnung. Gibt es in der Forschung neue Simulationsverfahren, die Ingenieur:innen helfen, komplexe Tragwerke zu berechnen?
David Nigl: Seit Jahrzehnten existieren numerische Methoden, die Ingenieure bei der Planung und Auslegung von einfachen und geometrisch komplexen Tragwerken untersützen. Die Anwendung selbst ist häufig nicht das Problem. Es ist die Zeit, die den limitierenden Faktor spielt, denn der Arbeitsaufwand steigt mit dem Grad der Komplexität einer Konstruktion. Vor einem monetären Aspekt ist es daher auch nicht verwunderlich, dass man lieber auf einfachere und weniger effiziente Alternativen zurückgreift. Wir sind aber überzeugt, dass die jüngsten Entwicklungen im Bereich der digitalen Planungs- und Fertigungsmethoden diese Situation ändern können.
Welche Rolle spielen digitale Technologien wie Robotik oder KI?
Dr.-Ing. Daria Kovaleva: Die additive Fertigung, einschließlich der Robotik, umfasst genau die technischen Lösungen, die eine schnelle und präzise Herstellung geometrisch komplexer Konstruktionen ermöglichen und damit traditionelle Fertigungsmethoden ersetzen. Zahlreiche Forschungsprojekte zur additiven Fertigung von Betonkonstruktionen sowie erste Pilotprojekte bestätigen die Anwendbarkeit dieser Technologien im Baumaßstab und das große Potenzial für einen breiteren Einsatz leichter und effizienter Betonkonstruktionen in der Zukunft.
Prof. Lucio Blandini: In Zukunft wird KI eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung von Planungs- und Bauprozessen beziehungsweise beim Umgang mit dem Bestand spielen. Wichtig wird sein, wie die Zusammenarbeit von menschlicher und künstlicher Intelligenz aussehen wird. Wir stehen in diesem Prozess noch ganz am Anfang: Hier setzen wir auch bei der Forschung an und sehen ein großes Potenzial für die Zukunft.
Wie viel Beton ließe sich durch eine Optimierung der Deckenkonstruktion mit den von Ihnen erforschten Technologien ohne Qualitätsverlust einsparen?
David Nigl: In den letzten zehn Jahren haben wir verschiedene Produktionstechnologien erforscht, die die Umsetzung von optimierten Betonkonstruktionen ermöglichen, vor allem im Bereich funktional gradierter Bauteile. Hierbei werden die mechanischen Eigenschaften des Materials oder dessen Verteilung entsprechend dem Lastprofil innerhalb des gegebenen Entwurfsbereichs manipuliert.
Versuche an Balken- und Deckenkonstruktionen im Prototypenstatus mit verschiedenen Spannweiten haben gezeigt, dass bei alleiniger Betrachtung der Tragfähigkeit Materialeinsparungen von bis zu 50 Prozent erzielt werden können. Die Technologie der Mesogradierung (das heißt, die Bildung von Hohlräumen mithilfe mineralischer Hohlkugeln) wird nun erstmals beim Bau eines realen Gebäudes eingesetzt – dem neuen IntCDC-Gebäude der Universität Stuttgart. Für die zugrundliegende Zustimmung im Einzelfall wurden neben der Tragfähigkeit auch die Brandschutzanforderungen (F90) berücksichtigt. Trotz der komplexen Grundrissbildung und aller Anforderungen konnten Materialeinsparungen von circa 30 Prozent für die Deckenelemente erreicht werden.
Die Hohlkugeln, die Sie erwähnen, sind zementbasiert. Wo liegen die Vorteile gegenüber Hohlkörpern aus Kunststoffen?
David Nigl: Ein entscheidender Vorteil ist der Ansatz einer Monomaterialtechnologie und damit die Rezyklierbarkeit der späteren Baukomponente im Rahmen eines End-of-Life Szenarios. Es sind keine aufwendigen Trennverfahren für ein sortenreines Recycling nötig.
Der „Marinaressa Coral Tree“ zeigte auf der Architekturbiennale 2023 in Venedig anschaulich, wie filigrane Konstruktionen dazu beitragen können, die benötigte Betonmenge zu reduzieren. Welche weiteren aktuellen Forschungsprojekte zum Thema Sandschalungen, filigrane Konstruktionen oder neue Fertigungsverfahren verfolgen Sie gerade?
Dr.-Ing. Daria Kovaleva: Die Sandschalungstechnologie hat mittlerweile einen Reifegrad erreicht, der ihren Einsatz in ersten Bauvorhaben ermöglicht. In diesem Zusammenhang planen wir derzeit ein Technologietransferprojekt, um sie unter realen Bedingungen zu testen. Das Ganze wird ergänzt durch unsere aktuelle Forschung zur Bewehrung von leichten und komplexen Betonkonstruktionen mit mineralischen Faserverbunden aus Basalt. Darüber hinaus untersuchen wir die beschleunigte Karbonatisierung filigraner Betonkonstruktionen, um die mit der Zementherstellung verbundenen Restemissionen zu kompensieren.
Wie ist der aktuelle Stand der Forschung zu CO2-freiem Beton?
Prof. Lucio Blandini: Wir beschäftigen uns mit komplementären Baustoffen die zum Teil in Zukunft eine Alternative bieten können. Wir bezeichnen es als „Biobeton”, weil wir als erste Forschungsgruppe weltweit Festigkeiten bis 60 MPa erreichen können. Die Herstellung basiert auf Biomineralisierung. Dabei erzeugen lebende Organismen durch chemische Reaktionen Calciumcarbonat-Kristalle, die als Bindemittel für Sandkörner dienen. Das Material kann potenziell vollständig aus Abfallstoffen CO₂-neutral hergestellt werden. Dies wird derzeit erforscht. Genau das meine ich mit nachhaltigem Materialleichtbau: Materialien mit einem sehr niedrigen ökologischen Fußabdruck.
Besonders spannend ist auch der Aspekt der wiederverwendbaren Deckensegmente. Was sind Ihre wichtigsten Erkenntnisse in Bezug auf kreislauffähige Betondeckenkonstruktionen?
Prof. Lucio Blandini: In der Regel erzeugen wir den niedrigsten ökologischen Fußabdruck, wenn wir gar keine neuen Bauteile herstellen müssen, sondern bestehende Bauteile wiederverwenden können. Das setzt voraus, dass die Bauteile als einzelne Elemente gefertigt werden, sodass sie zuerst zusammen- und später wieder auseinandergebaut werden können. Mit diesem Ziel haben wir an digitalen Planungsmethoden gearbeitet und lösbare Verbindungen entwickelt, die dies ermöglichen. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend, aber der Weg ist noch lang.
In der Forschung haben momentenreduzierte Konstruktionsmethoden wie Hängedächer oder Schalentragwerke eine große Relevanz. In der Praxis spielen sie aber keine Rolle. Wird sich das durch das nachhaltige Bauen ändern?
Dr.-Ing. Daria Kovaleva: Dünne Betonschalen sind ein perfektes Beispiel für den Leichtbau durch Formoptimierung. Aufgrund ihres extrem geringen Materialverbrauchs waren sie Mitte des letzten Jahrhunderts sehr beliebt. Nach etwa zwei Jahrzehnten verlor sich jedoch das Interesse aufgrund der enormen Schwierigkeiten bei ihrer Herstellung. Die Produktion ihrer Schalungen war äußerst arbeitsintensiv und zeitaufwendig und konnte bis zu 80 Prozent ihres Baubudgets betragen. Dieser Status Quo ändert sich glücklicherweise zur Zeit. Dank der wiederauflebenden Priorität ressourceneffizienter Lösungen und vor allem dank der Verfügbarkeit nachhaltiger und wettbewerbsfähiger Produktions- und Bauverfahren werden form- und topologieoptimierte Leichtbaukonstruktionen in naher Zukunft sicherlich wieder mehr Aufmerksamkeit erhalten.
Welche Forschungsarbeiten des ILEK sind noch für nachhaltigen Beton relevant?
Prof. Lucio Blandini: Neben den bereits erwähnten Beispielen erforscht das ILEK die Verwendung von Basaltfasern als Grundlage für mineralische und korrosionsfreie Bewehrungsalternativen. Diese Fasern haben einen niedrigeren ökologischen Fußabdruck als Carbon- oder Glasfasern und sind leichter in den Stoffkreislauf rückführbar. Das Potenzial der Verwendung als schlaffe Bewehrung haben wir bei unserem Prototyp „TMW Coral Slab” für das Technische Museum Wien gezeigt. Wir untersuchen aber auch die Möglichkeit der Vorspannung durch Basaltfaserverbundstäbe oder die Vorteile von Kurzfasern.
