Im September 2019 wurde im Fachjournal „PNAS“ eine Studie vorgestellt, nach der es im Labormaßstab gelungen sein soll, mit einer elektrochemischen Methode Zement herzustellen. Die Zementproduktion zählt zu den größten industriellen Verursachern von CO2- Emissionen. Mit der neuen Methode soll sich die Zementproduktion allein durch erneuerbare Energien betreiben lassen. Von Christoph Berger

Laut den Studienautoren, Wissenschaftlern des Massachusetts Institut of Technology (MIT), ist die Zementproduktion für acht Prozent der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Daher machte sich ein Team um Yet-Ming Chiang, Kyocera-Professor für Materialwissenschaft und -technik am MIT, daran, eine Methode zu entwickeln, mit der sich die Emissionen nicht nur vollständig eliminieren, sondern auch noch andere Produkte daraus herstellen lassen. „Für jedes Kilogramm Zement, das heute hergestellt wird, wird etwa ein Kilogramm Kohlendioxid freigesetzt“, sagt Chiang. Somit komme man auf drei bis vier Gigatonnen (Milliarden Tonnen) Zement und Kohlendioxidemissionen, die momentan jährlich produziert würden.

Portlandzement, die am weitesten verbreitete Standardsorte, wird hergestellt, indem Kalkstein gemahlen und dann bei hoher Hitze mit Sand und Ton gekocht wird, der durch Verbrennung von Kohle entsteht. Das Verfahren produziert Kohlendioxid auf zwei verschiedene Arten: durch die Verbrennung der Kohle und durch die Gase, die während der Erwärmung aus dem Kalkstein freigesetzt werden. Die Idee der MIT-Forscher war es nun, das bisherige fossile brennstoff-abhängige System durch einen elektrochemischen Prozess zu ersetzen. Der neue Prozess würde beide Quellen eliminieren oder drastisch reduzieren, sagt Chiang. So könnte der neue Ansatz auf die Verwendung fossiler Brennstoffe für den Heizprozess verzichten und Strom aus sauberen, erneuerbaren Quellen ersetzen. Doch darüber hinaus würde mit dem neuen Verfahren das gleiche Zementprodukt produziert wie bisher.

Im Mittelpunkt des neuen Verfahrens steht der Einsatz eines Elektrolyseurs. Während an der einen Elektrode Kalksteinmehl in Säure gelöst und hochreines Kohlendioxid freigesetzt wird, fällt an der anderen Elektrode Calciumhydroxid, allgemein bekannt als Kalk, aus. Das Calciumhydroxid kann dann in einem weiteren Schritt zu dem Zement verarbeitet werden, der meist aus Calciumsilikat besteht. Und: Das Kohlendioxid in Form eines reinen, konzentrierten Stroms könne leicht abgetrennt und zu Mehrwertprodukten wie beispielsweise einem flüssigen Kraftstoff als Benzinersatz verarbeitet werden. Im Ergebnis werde also beim gesamten Prozess kein Kohlendioxid an die Umwelt abgegeben, sagt Chiang.

Noch nicht in industriellen Maßstab übertragbar

Berechnungen hätten zudem gezeigt, dass der Wasserstoff und der Sauerstoff, die ebenfalls im Prozess emittiert werden, rekombiniert werden könnten, zum Beispiel in einer Brennstoffzelle. Oder sie könnten verbrannt werden, um genügend Energie zu erzeugen, um den gesamten Rest des Prozesses zu befeuern. Allerdings sei das neue Verfahren noch längst nicht in einen industriellen Maßstab übertragbar, wie die Forscher selbst eingestehen. Bisher sei die Methode nur im Labormaßstab gelungen, für eine breitere Anwendung seien noch viele weitere Arbeiten notwendig. Ein Aspekt, den auch Prof. Dr. Dietmar Stephan vom Fachgebiet Baustoffe und Bauchemie am Institut für Bauingenieurwesen der Technischen Universität Berlin hervorhebt.

„Die vorgestellte Syntheseroute über ein elektrochemisch hergestelltes Zwischenprodukt unterscheidet sich erheblich von den bisherigen Syntheseverfahren, die in erster Linie auf thermisch initiierten Reaktionen beruhen. Eine Implementierung dieses Ansatzes im größeren Maßstab würde Jahrzehnte dauern und damit weder kurz- noch mittelfristig ein Potenzial zur Entlastung der CO2-Emissionen bieten. Zudem müssten zusätzlich zur Umstellung des bisherigen Strombedarfs auf regenerative Erzeugung auch gigantische zusätzliche Mengen an regenerativer elektrischer Energie erzeugt werden.“ Prinzipiell hält er die Methodik der Studie aber für nachvollziehbar und im Ansatz für innovativ – das Verfahren sei potenziell dafür geeignet, Calciumhydroxid für großtechnische Prozesse herzustellen.

Die Studie

Link zur vorgestellten Studie „Toward electrochemical synthesis of cement – An electrolyzer-based process for decarbonating CaCO3 while producing useful gas streams“.

Allerdings merkt Stephan auch an: „Für die Herstellung von Portlandzement kann jedoch auch mit der vorgeschlagenen Methode nicht auf einen energieintensiven Hochtemperaturprozess bei etwa 1500 Grad Celsius verzichtet werden. Vorteile gegenüber der konventionellen Herstellung von Portlandzement können sich nur ergeben, wenn reiner Kalkstein eingesetzt wird und die verwendete elektrische Energie vollständig regenerativ erzeugt wird und extrem günstig ist.“ Doch auch unter diesen Voraussetzungen seien die Einsparungen sehr begrenzt, da der Calciumgehalt im Portlandzement hoch sei und deshalb immer entsprechend viel CO2 durch die Zersetzung des Ausgangsstoffes Kalkstein freigesetzt werde. Stephan plädiert daher – zumindest im Moment – für einen anderen Weg: „Auf der Suche nach kurz- und mittelfristigen Alternativen zum Zement auf Basis von Portlandzement bleibt festzustellen: Das größte und schnellste Potenzial zur Einsparung von CO2 ergibt sich durch den sparsameren Umgang: dauerhaftere Auslegung von Bauwerken, Instandsetzung statt Abriss und Neubau sowie geringere Wohn- und Nutzflächen sowie eine effizientere Nutzung der gebauten Infrastruktur. Alternative Baustoffe mit geringerem CO2-Fußabdruck dürfen zudem nicht automatisch ausgeschlossen werden, nur weil sie kurzfristig preislich teurer sind.“

Ohne den Einsatz von Maschinen: Wissenschaftler schafften es, Holz mithilfe eines kontrollierten Trocknungsprozesses in eine zuvor berechnete Form zu bringen. Von Christoph Berger

Im Rahmen der Remstal Gartenschau 2019 bei Stuttgart wurde auch ein Turm gezeigt, der sich wie von selbst in eine Höhe von bis zu 14 Metern zu drehen scheint. Errichtet wurde er im Mai 2019 von Forschenden der ETH Zürich und der schweizerischen Empa in Zusammenarbeit mit Ingenieuren und Architekten der Universität Stuttgart sowie der Schweizer Holzbaufirma Blumer-Lehmann. Das Projektteam nutzte dabei eine Methode, mit der sich Holzplatten, also massive Holzbauelemente, in einem kontrollierten Trocknungsprozess ohne Maschinenkraft selbst in eine zuvor berechnete und vordefinierte Form biegen. Bisher gelang ein solcher Umformungs- und Biegeprozess nur durch den Einsatz großer und energieintensiver Maschinen, die das Holz in die gewünschte Form pressen.

In der im Fachmagazin Science Advances veröffentlichten Studie „Analysis of hygroscopic self-shaping wood at large scale for curved mass timber structures“ erklären die Wissenschaftler den Prozess. Sie übertrugen dafür aus der Natur bekannte Mechanismen, die bereits bei kleinen biomedizinischen Geräten zum Einsatz kommen, mithilfe modernster Modellierungstechnologien in einen großen Maßstab: So basiert das Verfahren der Selbstformung auf dem natürlichen Quellen und Schwinden von Holz in Abhängigkeit seines Feuchtegehalts: Trocknet feuchtes Holz, zieht es sich senkrecht zur Faserrichtung stärker zusammen als längs der Faserung. Ein normalerweise unerwünschter Prozess.

Die Studie

Studie „Analysis of hygroscopic selfshaping wood at large scale for curved mass timber structures“ mit allen relevanten technischen Details.

Doch hier machen ihn sich die Forschenden zunutze, indem sie jeweils zwei Holzschichten so zusammenkleben, dass ihre Faserungen unterschiedlich orientiert sind. Die so entstandene Holzplatte mit zweilagigem Aufbau, „Bilayer“ genannt, ist der Grundbaustein der neuen Methode. „Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Bilayers sinkt, schrumpft eine Schicht stärker als die andere. Da die beiden Schichten fest miteinander verklebt sind, biegt sich das Holz“, erklärt Markus Rüggeberg von der ETH und der Empa. Und Dylan Wood, Leiter der Forschungsgruppe Material-Programmierung am Institut für Computerbasiertes Entwerfen der Universität Stuttgart, fügt an: „Der ausgeklügelte Einsatz der Selbstformung ermöglicht es uns, einem uralten Baumaterial wie Holz neue Funktionen zu verleihen.“ Wobei die Verformung keineswegs dem Zufall überlassen wird. Denn je nach Dicke der Schichten, Orientierung der Fasern und dem Feuchtegehalt kann im Vorfeld mit einem Computermodell berechnet werden, wie sich das Grundbauelement während der Trocknung verformt. Die Forschenden nennen diesen Prozess „Holz-Programmierung“.

Hat ein Bilayer seine Soll-Form eingenommen, kann er mit weiteren gleichartig geformten Bilayern verklebt werden. So werden benötigte Materialstärken für eine praktische Anwendung als Brettsperrholz erreicht. Zudem weisen gebogene Bauteile für Dachkonstruktionen und Wände im Vergleich zu flachen Teilen eine höhere strukturelle und materialwissenschaftliche Leistungsfähigkeit auf. Und sie eröffnen neue gestalterische Möglichkeiten. Der Urbach Turm der Remstaler Gartenschau zeigte nun, dass sich die neue Methode auch für groß dimensionierte Holzbauten eignet.

Stahlbetonbrücken haben vor allem einen Nachteil: Korrosion. Durch Risse im Beton dringt Wasser in das Bauwerk ein und beschädigt die Stahlbewehrung. Verhindert werden könnte dies durch den Austausch des Stahls durch Carbon. Im Mai 2019 wurde die weltweit erste integrale vorgespannte Carbonbeton-Brücke zu Forschungszwecken an der TU Berlin aufgebaut. Von Christoph Berger

Noch dient die Brücke, die in der Peter-Behrens-Halle des TU-Berlin-Instituts für Bauingenieurwesen auf dem historischen AEG-Gelände in Berlin- Wedding aufgebaut ist, nur Tests und Experimenten. Doch die Zeit drängt. Denn es ist bereits längst kein Einzelfall mehr, dass Brücken wegen Schäden zeitweilig gesperrt werden müssen. Laut der TU Berlin müssen rund die Hälfte der 40.000 zwischen 1960 und 1985 gebauten Brücken in Deutschland in naher Zukunft ausgetauscht werden. Der Grund: Korrosion an der Stahlbewehrung. Geht es nach den Bauingenieuren der Universität, kommt bei den Neubauten ein neuer Verbundbaustoff zum Einsatz: Carbonbeton. Genau daraus besteht die bei ihnen zu Forschungszwecken aufgebaute Testbrücke.

„In einem Tragwerk aus Beton mit Carbonbewehrung muss die Bewehrung vorgespannt werden, um dieses Hochleistungsmaterial voll auslasten zu können. Mit diesen vorgespannten Tragwerken beschäftigen wir uns hier am Fachgebiet vor allem“, erklärt Dr.- Ing. Alex Hückler, der das Projekt „C3 – Carbon Concrete Composite“ an der TU Berlin koordiniert. Er erklärt weiter: „Die Vorspannung der in den Beton eingebetteten Bänder und Seile aus Carbon muss über die gesamte Länge der Brücke tragen, Schwingungen zulassen, Bruchfestigkeit und Stabilität garantieren.“

Die Zukunft wird den schlanken, materialreduzierten und damit nicht nur kostengünstigeren, sondern auch umweltfreundlicheren Strukturen für Straßen, Brücken und Gebäude gehören.

Die Vorteile von Carbon sind dabei vielfältig und liegen nicht nur darin, dass der Baustoff nicht korrodiert. Allerdings hat auch dieser Umstand schon zur Folge, dass die Spannseile mit weniger Beton ummantelt werden müssen, dies sogar mit porösem Leichtbeton möglich ist. Das führt zu einem deutlich geringeren Gewicht. Darüber hinaus ist Carbonbeton auch strapazierfähig, robust, ressourcenschonend und wirtschaftlich.

Doch Sicherheit geht vor. Daher sind trotz des beschriebenen Zeitdrucks noch allerhand Prüfungen an der Testbrücke vorzunehmen, bevor eine solche Brücke mit einer sechsspurigen Autobahn und einer Durchfahrtshöhe und -breite von 4,70 mal 36 Meter eine Straße oder einen Fluss überspannt. Rund ein Jahr lang werden dazu tonnenschwere Gewichte auf der Testbrücke im Wedding lagern. „Für die Untersuchungen befinden sich die vorgespannten Carbonlitzen in einem dünnen Kanal quer durch die Brücke. So kann man von Zeit zu Zeit mit Mini-Kameras kontrollieren, wie sich das Material innerhalb der Brücke unter Belastung verhält, oder welche Ermüdungserscheinungen auftreten“, erklärt Hückler.

Doch diese Anstrengungen werden sich laut seiner Meinung lohnen: „Die Zukunft wird den schlanken, materialreduzierten und damit nicht nur kostengünstigeren, sondern auch umweltfreundlicheren Strukturen für Straßen, Brücken und Gebäude gehören.“

Nachhaltig und ressourcenschonend, dazu leicht und trotzdem steif und tragfähig: Die Kombination all dieser Eigenschaften gelang Wissenschaftlern des Fraunhofer- Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI in einem Gemeinschaftsprojekt mit der Technischen Universität Braunschweig. Gemeinsam entwickelten sie Sandwichelemente aus Holzschaum und Textilbeton für den Einsatz im Hochbau. Von Christoph Berger

Der Einsatz von Holzfaserwerkstoffen ist in der Bauindustrie längst keine Seltenheit mehr. Allerdings sind in den dabei verwendeten Produkten wie Span- oder Grobspanplatten oftmals petrochemische Bindemittel enthalten. Dass es auch ohne Bindemittel und mit dem Einsatz nachwachsender Rohstoffe geht, zeigten nun Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI in einem Gemeinschaftsprojekt mit der Technischen Universität Braunschweig. Nachdem die Forscher des WKI in einem früheren Projekt bereits einen Holzschaum entwickelt hatten, der ohne künstliche Bindemittel auskommt, untersuchten sie nun mit Forschern der TU Braunschweig Potenziale des Holzschaums für den praktischen Einsatz in der Bauindustrie. Heraus kamen dabei Sandwichelemente, die einen Holzschaumkern haben, der beidseitig mit einer dünnen Schicht aus textilbewehrtem Beton versehen ist.

Durch die Verwendung unseres Holzschaums mit einer dünnen Textilbeton- Deckschicht kann der Anteil besonders nachhaltiger Baustoffe in Gebäuden erhöht werden.

Derartige Materialkombinationen führen zu allerlei Vorteilen. Sie sind steif und tragfähig, gleichzeitig aber auch leicht. Außerdem verfügen sie über gute Wärmedämm- und Schallschutzeigenschaften. Alles Gründe für den Einsatz im Hochbau. Hinzu kommt jetzt: „Durch die Verwendung unseres Holzschaums mit einer dünnen Textilbeton- Deckschicht kann der Anteil besonders nachhaltiger Baustoffe in Gebäuden erhöht werden“, sagt Projektleiterin Dr. Frauke Bunzel, die zudem Fachbereichsleiterin für Oberflächentechnologie am WKI ist.

Der dafür entwickelte Holzschaum besteht ausschließlich aus Holzfasern, wobei deren relativ druckstabile Strukturfixierung in einem speziellen Herstellungsverfahren mithilfe der holzeigenen Bindungskräfte erreicht wird. Damit der Holzschaum als Sandwich- Kernwerkstoff die Mindestanforderungen in Bezug auf die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit erfüllt, stellten die Wissenschaftler unterschiedliche Holzarten mit verschiedenen, praktikablen Rohdichten her und untersuchten sie. Außerdem beschäftigten sie sich intensiv mit der Art des Schäumens und einer effizienten Trocknung.

Die Wissenschaftler des Instituts für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig arbeiteten an den Deckschichten – sie ermittelten, dass beim Fügen des Holzschaumkerns mit den textilverstärkten Betondeckschichten verschiedene Techniken anwendbar sind. So haften Konstruktionsklebstoffe aus der Holztechnik gut auf den ausgehärteten Betondeckschichten, die sowohl im Innen- als auch im Außenbereich eingesetzt werden können. Zudem kann der Beton in flüssigem Zustand auch direkt auf den offenporigen Holzschaumkern gegossen werden, sodass auf den Klebstoff verzichtet werden kann und sich die Elemente beim Rückbau einfacher recyceln lassen. Einsatzmöglichkeiten für die von ihnen entwickelten Sandwichelemente sehen die Projektbeteiligten in leichten Vorhangfassaden sowie im Innenausbau.

Die Auftragsbücher der Bauunternehmen sind voll. Doch die Sorgen der Unternehmen sind dadurch nicht beseitigt. Ganz im Gegenteil: Sie werden verstärkt. Denn es fehlt an Fachkräften, um die Aufträge abzuarbeiten. Die aktuellen Absolvent*innen- Zahlen bieten da nicht unbedingt Trost. Von Christoph Berger

Die Zahlen sprechen trotz vielfacher internationaler und nationaler politischer Unsicherheiten für sich. Im Juni 2019 konnte Peter Hübner, Präsident des Hauptverbandes der Deutschen Bauindustrie, vermelden, dass die Prognose für das nominale Wachstum der baugewerblichen Umsätze im Bauhauptgewerbe von 6,0 Prozent auf 8,5 Prozent angehoben wird. Und nicht nur das. Auch die Beschäftigung in der Branche werde weiter zulegen und um 20.000 Erwerbstätige auf 857.000 steigen. Dabei war im Jahr 2017 gerade erst die Marke von 800.000 Branchen-Beschäftigten überschritten worden.

Aktuell zurückgehende Baugenehmigungen und eine Abschwächung im Auftragseingang trüben zwar derzeit etwas die Stimmung, aber gerade zum Thema Auftragslage fügt Dieter Babiel, Hauptgeschäftsführer des Hauptverbandes der Deutschen Bauindustrie, hinzu: „Diese vergleichsweise schwache Entwicklung ist aber auch darauf zurückzuführen, dass wir mittlerweile ein hohes Auftragsniveau erreicht haben.“ Letztlich hätten für den gesamten Zeitraum von Januar bis August 2019 die Auftragseingänge immer noch um nominal 9,7 Prozent über dem vergleichbaren Vorjahreszeitraum gelegen.

Die aktuellen Zahlen des Statistischen Bundesamtes lassen allerdings den Schluss zu, dass der Bedarf weiterhin nicht gedeckt werden kann.

Die Auftragsbücher sind also voll, Arbeit en masse vorhanden. Dementsprechend wird dringend qualifizierter Nachwuchs in der stark vom Fachkräftemangel gebeutelten Branche benötigt. Kommt es zu Bauverzögerungen, hängt dies immer häufiger mit fehlendem Personal zusammen, das die komplexen Aufgaben des Bauens mit seinem Know-how bewältigen kann. Die aktuellen Zahlen des Statistischen Bundesamtes zu den Absolvent*innen- Zahlen im Studienbereich Bauingenieurwesen lassen allerdings den Schluss zu, dass der Bedarf weiterhin nicht gedeckt werden kann. So machen sich langsam die seit 2011 im Trend leicht rückläufigen Anfängerzahlen bemerkbar: 2018 wurden von dem Amt 10.483 bestandene Prüfungen registriert, 2,2 Prozent weniger als noch im Jahr 2017. Und nicht nur das. Denn auch von diesen 10.483 neuen Bauingenieur* innen stehen nicht alle dem Arbeitsmarkt sofort zur Verfügung.

Zählt man diejenigen zusammen, die einen Master- (4.296), einen universitären (206), einen Fachhochschul- (189) abschluss beziehungsweise eine Promotion (368) erzielt haben, kommt man auf lediglich 5.059 Absolvent*innen. Nur diese stehen dem Arbeitsmarkt (überwiegend) unmittelbar zur Verfügung. Immerhin ist diese Gruppe im Vergleich zum Vorjahr um 3,5 Prozent beziehungsweise 173 Personen angestiegen. Bei den Bachelor-Absolvent*innen wurde jedoch ein Rückgang im Vergleich zum Vorjahreszeitraum von sieben Prozent beziehungsweise 410 Absolvent*innen registriert. Wie hoch der Anteil derer ist, die nach diesem Abschluss die Hochschule verlassen und für den Arbeitsmarkt zur Verfügung stehen, geht aus der Statistik des Bundesamtes nicht hervor.

Was das Geschlechterverhältnis unter den Absolvent*innen betrifft, so liegt der weibliche Anteil mit 31 Prozent zwar deutlich über anderen Ingenieurdisziplinen, doch ist die absolute Zahl der Absolventinnen im Studienbereich Bauingenieurwesen im Vorjahresvergleich deutlicher zurückgegangen (-3,5 %) als die Zahl der männlichen.