Häuser, Straßen, Infrastruktureinrichtungen – sie werden bis heute mit Beton gebaut. Zunehmende Ressourcenknappheit und der hohe Anteil der Betonindustrie an den globalen Treibhausgasemissionen (11 Prozent) fordert weltweit Firmen heraus, ihre problematische Ökobilanz zu verbessern. Nicht verwunderlich, wie schnell sich die gute Nachricht herumspricht, dass Pflanzenkohle in der Baubranche entscheidend zum Klimaschutz beitragen kann – durch Zementersatz und Kohlenstoffspeicherung.
Vorteile von Beton mit Pflanzenkohle
- Ersatz von Zement in Beton
- Verbesserte mechanische Eigenschaften wie Druckfestigkeit und Feuerfestigkeit1Salim Barbhuiya, Bibhuti Bhusan Das, Fragkoulis Kanavaris (2024)“Biochar-concrete: A comprehensive review of properties, production and sustainability“ Case Studies in Construction Materials, Volume 20, https://doi.org/10.1016/j.cscm.2024.e02859
- Verringerter CO2-Fußabdruck von Gebäuden und Straßeninfrastruktur
- Bei Einarbeitung in den Straßenaufbau: Schadstoffrückhaltung, Adsorption von Auftausalzen und Erdölrückständen, Filtration von Regenwasser
Pflanzenkohle-Anwendung in der Bauindustrie ist vergleichsweise neu. Es bietet ein sehr großes Potenzial für eine nachhaltige Entwicklung: Zement kann in Beton anteilig durch Pflanzenkohle ersetzt werden, und das nachgewiesen ohne Eigenschaftseinbußen. Zusätzlich wird durch einen hohen C-fix Gehalt von Pflanzenkohle-Additiven der Kohlenstoff fest gebunden. Kreisläufe werden geschlossen, indem nicht genutzte organische Restbiomassen in den stabilen Zustand der Pflanzenkohle überführt werden.
Wissenschaftliche Nachweise
Pflanzenkohle ist ein effizientes Bindemittel in Beton. In bestimmten Mischungen kann durch die gezielte Zugabe von Pflanzenkohle in Beton die Biegefestigkeit und Feuerbeständigkeit verbessert werden2Salim Barbhuiya, Bibhuti Bhusan Das, Fragkoulis Kanavaris (2024)“Biochar-concrete: A comprehensive review of properties, production and sustainability“ Case Studies in Construction Materials, Volume 20, https://doi.org/10.1016/j.cscm.2024.e02859.
Neben der mechanischen Festigkeit und thermischen Leitung kann auch die elektromagnetische Leistung von gehärteten Biokohle-Zement-Verbundwerkstoffen verbessert werden. Außerdem kann der Zusatz von Pflanzenkohle die Widerstandsfähigkeit gegen Sulfateinwirkung, chloridbedingte Korrosionsschäden, Schrumpfung und Permeabilität von Biokohle-Zement-Verbundwerkstoffen verbessern. Die Pflanzenkohle hat auch das Potenzial, die Durchlässigkeit von Beton zu verringern3Xuqun Lin et.al. (2023) „Biochar-cement concrete toward decarbonisation and sustainability for construction: Characteristic, performance and perspective“ Journal of Cleaner Production, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138219.
In Gebäuden kann Pflanzenkohle für chemische Stabilität, Wasserrückhalte- fähigkeit sowie Rissfestigkeit sorgen4Shailey Singhal (2022) Biochar as a cost-effective and eco-friendly substitute for binder in concrete: a review, European Journal of Environmental and Civil Engineering, DOI: 10.1080/19648189.2022.2068658. Bei Dächern und anderen Leichtbauanwendungen wird das Gewicht des Betons durch die Pflanzenkohle reduziert.
Silikatische Zuschlagsstoffe im Beton können (anteilig) gegen Pflanzenkohle ersetzt werden (Pflanzenkohle als Additiv). Pflanzenkohlebeton kann außerdem das oberflächlich ablaufende beziehungsweise versickernde Regenwasser und adsorbiert Salze und Erdölrückstände filtern, die von der Straße gewaschen werden. Für sämtliche der genannten Anwendungen kann auch minderwertige Pflanzenkohle eingesetzt werden.
Auch auf die Langlebigkeit von Beton kann Pflanzenkohle (bis zu 5 Gew.-%) eine positive Wirkung haben. Dies wird auf die verbesserte Hydratation und physische Füllung zurückgeführt, wodurch das Eindringen von Ionen und Wasser verhindert wird5Xuqun Lin et.al. (2023) „Biochar-cement concrete toward decarbonisation and sustainability for construction: Characteristic, performance and perspective“ Journal of Cleaner Production, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138219 .
Beton kann mithilfe von Pflanzenkohle in seinem Carbon Footprint nicht nur CO2-neutral werden, sondern sogar klimapositiv und dies obendrein mit verbesserten Materialeigenschaften. Das ist möglich, indem die knappen und konfliktbehafteten Zuschlagstoffe Sand und Kies für Beton mit lokal und emissionsarm produzierter Pflanzenkohle ersetzt werden. Schon bei einer Zugabe von einem Masse-Prozent Pflanzenkohle zum Beton könnten ca. 20% der durch die Zementindustrie verursachten jährlichen CO2-Emissionen sequestriert werden 6Banjo A. Akinyemi, Adeyemi Adesina, Recent advancements in the use of biochar for cementitious applications: A review, Journal of Building Engineering, Volume 32, 2020, 101705, ISSN 2352-7102, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101705..
Zur begrifflichen Abgrenzung sei gesagt, häufig wir ‚Biokohle‘ oder ‚technischer Kohlenstoff‘ aus biogenem Ursprung synonym für Pflanzenkohle genutzt.
Grad der Marktreife
Innerhalb der letzten Jahre haben einige Produkte die Marktreife erlangt. Pflanzenkohlehaltiger Beton ist bereits in Form von Betonfertigteilen und Beton-Pflastersteinen erhältlich.
Derzeit werden in öffentlichen und privaten Forschungsvorhaben diverse Rezepturen von pflanzenkohlehaltigem Beton entwickelt. Beispielsweise wird zur Schaffung von Kohlenstoffspeichersystemen basierend auf kohlenstoffneutralem Beton an der Verwendung von Pflanzenkohle in Kombination mit Kalziumcarbonat (CaCO3) in Beton geforscht7Winters D, Boakye K, Simske S. Toward Carbon-Neutral Concrete through Biochar–Cement–Calcium Carbonate Composites: A Critical Review. Sustainability. 2022; 14(8):4633. https://doi.org/10.3390/su14084633.
Anwendung
Sollte Pflanzenkohle in Beton Verwendung finden, empfiehlt es sich, die regionalen Gesetze für Schadstoffe zu beachten.
Zur Herstellung von pflanzenkohlehaltigem Beton wird eine Zugabe von 1-3% Pflanzenkohle als optimal betrachtet8Shailey Singhal (2022) Biochar as a cost-effective and eco-friendly substitute for binder in concrete: a review, European Journal of Environmental and Civil Engineering, DOI: 10.1080/19648189.2022.2068658.
Dies bestätigen auch Xuqun Lin et al (2023) in ihrem Review, wobei sie als Optimum für die Druck- und Biegefestigkeit 1-2 Gew.-% Zementersatz durch Pflanzenkohle angeben9Xuqun Lin et al (2023) Biochar-cement concrete toward decarbonisation and sustainability for construction: Characteristic, performance and perspective, Journal of Cleaner Production. Weitere Anbieter geben mehr als 10 Volumenprozent feinkörnige Pflanzenkohle zum Beton.
Für den gezielten Einsatz muss die Pflanzenkohle sorgfältig ausgewählt werden, da jede Pflanzenkohle unterschiedlich ist aufgrund der Ausgangsmaterialien sowie der Art und Weise ihrer Herstellung. Dabei ist Pflanzenkohle mit minderwertiger Qualität, niedrigem PAK-Wert zu bevorzugen, die mindestens einen Nutzungszyklus ohne signifikanten Abbau des C-Gehalts durchlaufen hat, z. B. Filterrückstände.
Derzeit werden für die Pflanzenkohle beim Einsatz in Beton keine Abbauraten angenommen. Wissenschaftler und Praktiker fordern jedoch die Erforschung der langfristigen Beständigkeitseigenschaften unter verschiedenen Umweltbedingungen.
Zertifizierung
In Deutschland ist es seit 2022 möglich, ein in seinem Carbon Footprint reduziertes Beton-Produkt nach der Concrete Sustainability Council (CSC)-Zertifizierung für die Zement-, Rohstoff- und Betonindustrie zertifizieren zu lassen10https://www.csc-zertifizierung.de/. Betonhersteller, die CO2-arme Betone herstellen, können sich nach dem CSC CO2-Modul zertifizieren lassen, wobei der Nachweis durch anerkannten LCA-Tools oder EPDs erbracht werden kann. Reine Pflanzenkohle-Produzenten können sich nicht zertifizieren lassen.
Pflanzenkohle, die in einem Beton-Produkt Verwendung finden soll, kann nach dem European Biochar Certificate (EBC) in der niedrigsten Qualitätsklasse EBC-BasicMaterial zertifiziert werden, wodurch auch die Anforderungen der EU-REACH-Verordnung eingehalten werden11REACH COMMISSION REGULATION (EU) No 1272/2013 of 6 December 2013 amending Annex XVII to Regulation (EC) No 1907/2006 of the European Parliament and of the Council on the Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals (REACH) as regards pol. EU-Regulation 2013, 1272/2013. Damit sind grundlegende Ansprüche an die Pflanzenkohle gesichert12https://www.european-biochar.org/media/doc/7/version_de_10_1_trackchanges.pdf.
Soll ein Beton-Additiv außerhalb der europäischen Anforderungen eingesetzt werden, kann seit September 2023 das World Biochar Certificate (WBC) in der Klasse WBC-Material erworben werden, um die nachhaltige Produktion zu garantieren.
Bei Beton ist die Möglichkeit, dass eine Auswaschung von Schwermetallen vorkommt, gering. Aus diesem Grund verlangt EBC-Rohstoff nur die Deklaration von Schwermetallgehalten, legt aber keine Grenzwerte fest. Organische Schadstoffe müssen zum Teil unter Einhaltung spezifischer Grenzwerte analytisch nachgewiesen werden. Der Standard sieht außerdem vor, dass EBC-Rohstoffe “ausschließlich an andere Unternehmen (B2B) gehandelt” werden dürfen, die bestimmten Anforderungen im Handling gerecht werden.
Eine weitere Klasse ist EBC-Gebrauchsmaterialien, die wie EBC-Basic für Nicht-Bodenanwendungen vorgesehen ist, jedoch einen strengeren PAK13PAK = Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe-Grenzwert für die Verwendung in Kontakt mit Lebewesen und Ökosystemen aufweist. Eine dritte Klasse ist EBC-Urban, die für die Verwendung von Pflanzenkohle bei z.B. städtischem Grün und Regenwasserfilterung eingesetzt wird und verhindern soll, dass Grund- und Oberflächenwasser kontaminiert wird. Bei dieser Klasse gelten im Gegensatz zu EBC-Rohstoffe ein strengerer Grenzwert für EFSA PAK (1 g/t TS) und die Deklaration von weiteren 16 organischen Schadstoffen nach EPA-Vorgaben14https://www.efsa.europa.eu/en/news/efsa-opinion-suitable-indicators-both-occurrence-and-toxicity-polycyclic.
Diese Unterschiede ergeben sich aus der “Zulässigkeit von Pflanzenkohle für einen bestimmten Zweck in Bezug auf geltende Gesetze, Vorschriften und relevante Industrienormen” unabhängig von deren Güte. Perspektivisch soll für Baumaterialien eine eigene Klasse eingeführt werden15https://www.european-biochar.org/media/doc/7/version_de_10_1_trackchanges.pdf.
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