Kann man ­klima­neutrale ­Verkehrs­flächen bauen?

Ansichten eines Bauunternehmers

Innovative Verfahren wie Biochar aus Abfall und Elefantengras als Füllstoff in Beton ermöglichen CO₂-Reduktion im Straßenbau. Drei Stufen führen zur Klimaneutralität: Optimierung bestehender Methoden, Einsatz von Bio-Bitumen und Integration von Kohlenstoffsenken. Normen zur CO₂-Zertifizierung für Außenflächen fehlen bislang. Mit eigenen Tools kann die Gieseke GmbH klimaneutrale Verkehrsflächen planen und bauen und so die nachhaltige Transformation in der Branche vorantreiben.

Am Anfang war es nur Neugier

Vor etwa vier Jahren stand ich in unserer Asphaltabteilung in Rheine und schaute durch das Fenster auf unseren Asphaltfertiger und eine Walze. Sie standen zur Reparatur vor unserer Werkstatt. Ich stellte mir die unzähligen LKW vor, die Asphalt, Baustoffe und Schüttgüter zu unseren Baustellen transportieren. Wir hatten unseren Hauptsitz in Rheine gerade neu gebaut und uns dabei Mühe gegeben, dies möglichst energieeffizient umzusetzen. CO₂-Vermeidung und Klimaschutz waren schon viele Jahre medial omnipräsent und ich wunderte mich, dass der bewusste Umgang mit CO₂-Emissionen in unserer Welt, beim Bau von Straßen und Verkehrsflächen, immer noch keinerlei praxisrelevante Rolle ­spielte.

Als Bauunternehmen bewegen wir jährlich Unmengen Asphalt, Schotter, Beton und Bodenmaterial. Irgendwie war mir klar: Das muss ein wahnsinnig hoher CO₂-Ausstoß sein, der in unseren Bauprozessen verursacht wird. Gleichzeitig hatte ich kein Gefühl dafür, wieviel das konkret sein könnte. Kilos, Tonnen oder Mega­tonnen?

Aber jetzt wollte ich es wissen. Zunächst einmal für uns als Firma: Wie viel CO₂-Emissionen setzen wir beim Bauen frei? Und vor allem: Wie viel machen die einzelnen Prozessstufen aus? Als zweiten Schritt: Welche Hebel haben wir als Bauunternehmen in der Hand, wenn wir das wissen? Was können wir verändern? Als ich mich daransetzte, ein Bild vom CO₂-Fußabdruck unserer Materialien und Maschinen zu bekommen, stellte ich fest, dass es nicht unbedingt eine Wissenslücke von mir oder meinem Team war. Auch in der Fachliteratur fanden sich nur sehr schwer Anhaltspunkte und belastbare Zahlen. Meine Neugier war also geweckt.

Die Wissenschaft als Partner

Da wir die Beantwortung dieser Fragen auf wissenschaftliche Beine stellen wollten, kontaktierten wir Professor Hans-Hermann Weßelborg von der FH Münster. Wir schlugen vor, in einem gemeinsamen Projekt die CO₂-Bilanz im Straßenbau zu untersuchen. Aus vergangenen Projekten hatten wir bereits einen guten Draht zur Fachhochschule Münster, zum dortigen Institut für Verkehrswesen und Straßenbautechnik. Er fand die Idee spannend und startete damit, das Thema aufgeteilt in zwei Bachelorarbeiten zu bearbeiten. Die Studierenden stürzten sich mit fantastischem Engagement in dieses Thema.

Zunächst galt es, den Wertschöpfungsprozess des Asphaltbaus zu skizzieren, den Lebenszyklus zu betrachten und den Scope für die Untersuchung festzulegen. Anschließend wurde jeder einzelne Schritt untersucht: von der Rohstoffgewinnung, den Transporten, der Herstellung im Mischwerk bis zum Einbau durch die Fertiger und Walzen. Da es wenig Referenzzahlen gab, ging es schnell ans Eingemachte und jede Stufe wurde einzeln untersucht. Wo und wie wird Bitumen hergestellt, welche Raffinerien gibt es in Deutschland, wie sieht der Destillationsprozess für die verschiedenen Bitumensorten aus, wie viel Energie verbraucht die Herstellung von polymermodifiziertem Bitumen (PmB), welche Werte geben die Hersteller heraus und wie lassen sich diese überprüfen und kategorisieren?

Wir verglichen im Verlauf immer wieder theoretische Angaben mit konkreten Verbräuchen verschiedener Lieferanten und Asphaltmischwerke. Nachdem wir die wichtigsten Prozessschritte identifiziert hatten, gingen wir dort, wo die entscheidenden Hebel zu erkennen waren, noch weiter in die Tiefe, um reale Werte zu erhalten, die auf ein wirkliches Bauvorhaben an einem bestimmten Ort anwendbar sind (Bilder 1, 2).

(Anmerkung: PmB ist eine durch Polymere modifizierte Form des Bitumens mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und Belastungen. Es wird hauptsächlich im Straßenbau eingesetzt und erhöht die Leistung und Haltbarkeit des Bitumens, was zu geringeren Instandhaltungskosten führt.)

Zahlen sorgen für Transparenz

Ich muss zugeben: Meine Vermutung war damals, dass die LKW-Transporte den größten Beitrag zum CO₂-Fußabdruck liefern. Unsere Analyse der Prozesskette ergab allerdings recht deutlich, dass die größte Menge der Emissionen im Asphaltmischwerk freigesetzt wird. Um Gestein und Bitumen zu erhitzen, wird dort in aller Regel noch Braunkohlestaub verwendet, der als fossiler Brennstoff einen sehr hohen CO₂-Fußabdruck hat. Transporte zum Mischwerk und zur Baustelle fallen hingegen deutlich geringer ins Gewicht. Auch Verkürzungen der Transportwege über die Auswahl des Mischwerks und der Gesteinsbrüche können sich positiv auf die Emissionsbilanz auswirken. Der Asphalteinbau macht wiederum einen eher geringen Wert aus. Unsere Fertiger und Walzen verbrauchen bei einer durchschnittlichen Tagesleistung von 500 bis 1500 t Asphalt letztlich mehrere Hundert Liter Diesel, die man sich ebenfalls kritisch anschauen muss. Die großen Hebel liegen aber in der Asphaltherstellung (Bild 3).

Variabilisierung der Stellschrauben

In den nächsten Schritten fokussierten wir daher auf die Stellschrauben in der Asphaltherstellung. Hier lassen sich verschiedene Parameter beeinflussen. Diese galt es hinsichtlich ihres CO₂-Ausstoßes zu quantifizieren. Hierzu zählt der Recyclinganteil im Asphalt, der zwischen 0 % und über 80 % liegen kann. Auch die Mischtemperatur spielt eine entscheidende Rolle: Der Energieaufwand steigt exponentiell mit der Temperatur. Durch ihr Absenken auf 150 bis 160 °C lässt sich bereits erheblich Energie einsparen. Werden dem Mischgut verschiedene Additive wie Wachse zugesetzt, erhält es eine niedrigere Viskosität und kann etwa 20 °C kühler verarbeitet werden. Unsere Berechnungen haben gezeigt, wie viel CO₂ mit jedem Grad Temperaturabsenkung im Produktionsprozess eingespart werden kann. Hier war die nächste wichtige Erkenntnis: Allein durch die Zusammensetzung des Mischguts können wir bis zu 35 % CO₂ reduzieren.

Optimierte Straßenaufbauten

Bei der Asphaltherstellung hört es nicht auf, wir können den gesamten Straßenaufbau in den Blick nehmen. Grundsätzlich gibt es unterschiedliche Wege, Verkehrsflächen für PKW oder LKW mit gleicher Tragfähigkeit und gleicher Lebensdauer herzustellen. Zum Beispiel bieten die Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen (RStO) innerhalb einer Belastungsklasse verschiedene Aufbauvarianten an, die sich in Materialien, Schichtarten und Bauweisen unterscheiden. Ähnlich wie bei der Zusammensetzung des Asphaltmischguts kann man nun über den gesamten Verkehrsflächenaufbau Varianten entwickeln, deren CO₂-Footprint ermitteln und dann die Schichten in Hinblick auf die Emissionen minimieren.

Klassische Vorschläge, die wir von unseren Kunden bzw. deren Ingenieurbüros bekommen, sehen oft so aus: Bodenverbesserung mit einem Kalk-Zementgemisch, Natursteinschotter überlagert von einem dicken Beton-, Pflaster- oder Asphaltaufbau. Man kann in jeder Schicht ansetzen und eine CO₂-optimale, technisch gleichwertige Variante identifizieren: Wählt man zum Beispiel die Deckschicht aus Beton, Pflaster oder Asphalt?

Zement wird in einem energieintensiven Prozess hergestellt, bei dem zusätzlich durch den chemischen Prozess CO₂ abgespalten wird. Auf eine Tonne Zement kommen so etwa 600 kg ausgestoßenes CO₂. Da Zement und Beton im Hochbau eine zentrale Rolle spielen, ist die Daten- und Forschungslage hierzu bereits umfangreich. Für unsere Modelle konnten wir daher gut auf Werte der Hersteller zurückgreifen und möglichen Asphaltvarianten gegenüberstellen.

CO2-Einsparung muss nicht teuer sein

Untergrundverbesserungen werden häufig durch Einfräsen hy­drau­lischer Bindemittel hergestellt. Diese Kalk-Zement-Gemische haben einen hohen CO₂-Fußabdruck. Ein Silo-LKW mit einem solchen Gemisch enthält mehr CO₂ als ein durchschnittlicher Bürger in einem ganzen Jahr direkt und indirekt emittiert. Eine sehr einfache Möglichkeit kann hier sein, den Erdbau und die Baufeldvorbereitung in eine Trockenperiode zu legen. Viele anstehende Böden sind wasserempfindlich und haben aufgrund eines zu hohen Wassergehalts keine ausreichende Tragfähigkeit. Wenn bei einem Bauprojekt zeitliche Flexibilität besteht und eine günstige Witterungsperiode (eher im Sommer) für den Erdbau angesetzt wird, lassen sich Bindemittelmengen einsparen und teilweise ganz eliminieren. So simpel der Ansatz ist, so wirksam ist er: In der Bodenverbesserung gibt es effektive Möglichkeiten, bei gleichem Ergebnis deutlich weniger CO₂ zu emittieren (Bild 4).

Der beste Asphalt ist der, den man nicht baut

Ein weiterer Ansatz zur CO₂-Reduzierung ist, einfach möglichst wenig Asphalt und Beton zu verwenden. Das kann durch einen optimalen Schotteraufbau mit Tragfähigkeiten von 180 MN/m² und höher gelingen, da dann im Gegenzug Reduzierungen im Asphaltoberbau bei gleicher Langlebigkeit möglich werden. Wenn ein konventioneller Asphalt etwa 60 kg CO₂kg/t verursacht, sind es bei einem Schotter aus Betonrecycling aus der näheren Umgebung etwa 4 bis 8 kg/t.

An der Stelle sei eingeschoben, dass Recyclingschotter aus sehr unterschiedlichen Quellen stammen kann. Mit der richtigen Qualitätskontrolle und gut ausgewählten Ausgangsmaterialien lassen sich jedoch sehr hochwertige Tragschichten herstellen. Deshalb betreiben wir eine eigene Aufbereitungsanlage, in die wir nur ausgewählte Materialien einspeisen: weniger Hochbauschutt, dafür mehr Straßenaufbruch, der durch den hohen Beton- und Asphaltgehalt härter ist. So entsteht ein Schotter mit sehr guten technischen Eigenschaften, mit dem wir auch bei dünneren Asphaltschichten sehr gute langfristige Erfahrungen machen konnten.

Tool ermöglicht CO2-Einsparung von mehr als 50 %

Mit der Modellierung und Variabilisierung des Asphaltmischguts und des Straßenaufbaus konnten wir ein Rechentool entwickeln, mit dem sich für jedes Bauvorhaben nicht nur der individuelle CO₂-Fußabdruck, sondern auch eine CO₂-optimierte Alternative bestimmen lässt. Für einen Logistikneubau in Senden mit 20 000 m² Verkehrsfläche haben wir damit zum Beispiel dem vom Ingenieurbüro vorgeschlagenen Aufbau einen eigenen gegenübergestellt (Bild 5). Hier stellte sich heraus: Allein durch eine Optimierung des Untergrunds und den dadurch minimierten Asphalteinsatz konnten – komplett RStO-äquivalent – 56 % CO₂ eingespart werden!

Verantwortung als Unternehmen

Rund 35 % CO₂-Einsparung bei der Asphaltherstellung und zwischen 30 und 60 % im Straßenaufbau – ohne technische Inno­vation, sondern allein durch herkömmliche Baumethoden –, das waren für uns überraschende Werte. Wir hatten uns als mittelständisches Unternehmen nicht vorstellen können, dass wir einmal selbst einen Impuls für viele Akteure in unserem Industriezweig setzen würden. Aber mit diesen Zahlen und Fakten haben wir nun die Werkzeuge, genau das zu tun. Aus dem Wissen um das enorme CO₂-Einsparpotenzial im Verkehrswegebau ist für uns als Tiefbauunternehmen eine besondere Verantwortung erwachsen. Und die nächste logische Frage ist: Wie bringen wir diese Methoden in den Markt?

Fortschritt in einer innovationsscheuen Branche ermöglichen

Leicht zynisch könnte man sagen: Die Schöngeistigkeit des Hochbaus ist im Tiefbau noch nicht angekommen. Wahr ist aber auch: Straßenbauprojekte liegen mehrheitlich in der Trägerschaft der öffentlichen Hand – und dort liegt ein klassisches Henne-Ei-Problem, das Innovationen in unserer Branche hemmt. Öffentliche Ausschreibungen unterliegen strengen Vergaberichtlinien, die dafür sorgen sollen, dass alle Bieter die gleichen Chancen haben und Entscheidungen nach objektiven, nachvollziehbaren Kriterien getroffen werden. Am Ende ist dann nur der Preis entscheidend. Für andere Wertungskriterien, für die es bislang weder objektive Zertifizierungen noch Normen gibt, fehlt die Grundlage.

Wir haben uns daher von Anfang an eher auf private Bauprojekte konzentriert. Mit unserem Kundenstamm, der zu 80 % aus privaten Kunden aus Industrie und Logistik besteht, wie IKEA, DHL oder Rewe, haben wir viele interessierte Gespräche mit den Bauabteilungen zu dem Thema geführt. Mit diesen Kunden versuchen wir, Ideen und neue klimaschonende Lösungen zu entwickeln. Aktuell setzen wir ein Pilotprojekt in Kooperation mit DHL in einem Paketzentrum in Duisburg um. Das Unternehmen verfolgt bereits auf vielen Ebenen das Ziel, Emissionen zu reduzieren, und unterstützt daher Innovationen, die auch Verkehrsflächen in Richtung Klimaneutralität führen. Ziel ist es, vollständig klimaneutrale Verkehrsflächen herzustellen. Wir setzen daher bei dem Pilotprojekt zusätzlich CO₂-Senken aus Kohlenstoff ein und erreichen dadurch für die Fläche Netto-Null-Emissionen. Alle Baustoffe werden im ersten Schritt CO₂-arm produziert und dann, wo es möglich ist, im zweiten Schritt mit technischem Kohlenstoff versetzt. Hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten von der Pyrolyse von Forstabfällen bis zu Elefantengras, das sich gut als Kohlenstoffspeicher eignet. Vom Asphalt über den Straßenbeton bis zu den Betonsteinen und Winkelstützelementen wurden sämtliche Materialien CO₂-optimiert. Mit dem Ergebnis, dass wir eine ausgeglichene Klimabilanz ausweisen konnten. Das heißt, die bei der Produktion emittierten Mengen werden durch die lebenszyklusübergreifende Speicherung von Kohlenstoff in den Materialien ausgeglichen.

Ein weiteres Innovationsfeld neben Kohlenstoffsenken ist die Substitution von Bitumen aus Erdöl durch biologisches Bitumen, das zum Beispiel aus Cashewkernschalenextrakt gewonnen wird. Bei diesem Verfahren wird das Bindemittel nicht einfach aus einem fossilen Destillationsrückstand des Erdöls gewonnen, sondern gezielt aus einer alternativen Asphalten- und Maltenphase. (DieMaltenphase ist der lösliche, harzartige Teil des Bitumens, der die Asphaltene – die schwer löslichen, flüssigen Bestandteile des Bitumens – dispergiert.) Die Ausgangsmaterialien sind dem natürlichen CO₂-Kreislauf entnommen und werden dauerhaft im Asphalt eingelagert. Zusätzlich lässt sich hierbei auch die Haltbarkeit des Asphalts signifikant verlängern.

Erste Ergebnisse und Erfahrungen dazu wurden auf dem Kongress der Deutschen Bundesstiftung Umwelt vorgestellt (Bild 6).

Kooperationen und Netzwerke bilden

Als Bauunternehmen stehen wir oft am Schluss des gesamten Planungs- und Bauprozesses. Klimaschutz muss aber von Anfang an mitgedacht und abgestimmt werden. Selbst als kleine Firma können wir eine Mittlerrolle übernehmen und Akteure miteinander vernetzen. Wir haben uns im Ausland umgesehen, um zu lernen, wie dort gebaut wird. Im Kanton Basel oder in den Niederlanden wird bereits seit Längerem technische Pflanzenkohle als CO₂-Senke eingesetzt. In Deutschland haben wir einen Pflanzenkohlehersteller mit einem großen Asphalthersteller zusammengebracht. Hierbei mussten wir von vorne anfangen und Details des Produktionsprozesses diskutieren: In welchen Säcken wird das Material geliefert? Ist der Brennpunkt der Kohle ein Hindernis? Wie sehen Recycling- und Lebenszyklusstrategien aus?

Nach diesem Prinzip haben wir mit einer ganzen Reihe von Herstellern gesprochen und Start-ups auf ihre Eignung für den Straßenbau überprüft (Tab. 1). Der Gedanke dabei: Wir sind zwar selbst keine Produktentwickler, aber wir können die Akteure zusammenbringen. Das führte dann in der Folge zu unserem ersten Kongress zum CO₂-optimierten Bau von Verkehrsflächen und Straßen im März dieses Jahres (Bilder 7, 8).

Tab. 1 Übersicht Start-ups

aspha-min	Die Zugabe von synthetischen Zeolithen bei der Asphaltproduktion sorgt für ein Aufschäumen des Bitumens. So lässt sich der Asphalt bei deutlich reduzierten Temperaturen mischen und einbauen.
B2Square	Statt Bitumen auf Basis von Erdöl herzustellen, werden die beiden Komponenten aus biologischen Produkten gewonnen. Asphaltene werden aus Kohlenwasserstoff-Harz und Maltene aus Cashewschalenextrakt gewonnen.
Aerogel-it	Stellt neuartige Aerogele auf Basis von Biopolymeren wie Polysacchariden und Lignin her und bieten eine Alternative zur herkömmlichen Herstellung aus erdölbasierten Stoffen oder extrem energieaufwendigen Trocknungen von Siliziumdioxid.
EcoPals	Ersetzt polymermodifiziertes Bitumen, das Straßen belastbarer macht, gleichwertig durch recycelten Kunststoff.
CarStorCon technologies	Stellen aus biologischem Abfall über Pyrolyse Biochar her, der Kohlenstoff dauerhaft bindet und als Zusatz zu Beton oder Asphalt als CO₂-Senke eingesetzt werden kann.
ecoLocked	Stellen aus biologischem Abfall über Pyrolyse Biochar her, der Kohlenstoff dauerhaft bindet und als Zusatz zu Beton oder Asphalt als CO₂-Senke eingesetzt werden kann.
BioBound	Elefantengras wird zum Beispiel massenweise an Flughäfen gepflanzt, um Vögel vom Nisten abzuhalten. Die beim Mähen anfallenden Abfälle werden weitergenutzt: Der Verrottungsprozess wird unterbrochen, CO₂ dauerhaft gebunden und als Füllstoff in Beton gegeben.

Auf dem Weg zur Klimaneutralität

Als ich vor fünf Jahren auf unseren Maschinenpark blickte, mit der reinen Neugier, wie viel CO₂ wir wohl verursachen, konnte ich das große Handlungsfeld im Straßenbau noch nicht erahnen. Unzählige Begegnungen und Gespräche später kennen wir die Hebel und Potenziale zur CO₂-Reduktion – bis hin zur Klimaneutralität. Es sind drei Handlungsstufen:

1. Optimierung der herkömmlichen Mittel,
2. Substitution von erdölbasiertem Bitumen durch biologisches Bitumen und
3. die Zugabe von Kohlenstoffsenken.

Damit kann man klimaneutral bauen!

Was es jetzt braucht, sind Bauherren, Planer und Ingenieure, die bereit sind, mit uns zusammen Pioniere zu werden. Denn wir wissen, dass die Methoden funktionieren, es braucht keine Grundlagenforschung mehr. Wir können das jetzt schon anwenden.

Langfristig werden wir dazu allerdings auch im Tiefbau eine Normierung für CO₂-Emissionen benötigen. Der Straßen- und Verkehrsbau bildet nach wie vor einen blinden Fleck in der CO₂-­Zertifizierungslandschaft Deutschlands. Für Energieverbrauch, gemeinschaftliche Aufenthaltsbereiche, Biodiversität und den Grad der Versiegelung gibt es Zertifizierungsmaßstäbe. Was man aber noch vergeblich sucht, ist der CO₂-Verbrauch der Außenflächen.

Von den ersten Bachelorarbeiten, über den Kongress zu CO₂-optimierten Verkehrsflächen bis zu den ersten klimaneutralen Projekten – wir sind selbst überrascht, dass wir offensichtlich Anstöße in der Bauwelt geben können. Mit unserem Berechnungstool können wir ganze Verkehrsanlagen und Straßen klimaneutral konzipieren und bauen. Wir hoffen, damit etwas in unseren Projekten für den Klimaschutz zu erreichen und würden uns riesig freuen, wenn wir so auch in unserer Branche die nachhaltige Transformation vorantreiben. Straßenaufbauten wurden bisher nach drei Faktoren optimiert: 1. Tragfähigkeit, 2. Lebensdauer und 3. Preis. Mit dem CO₂-Verbrauch haben wir eine vierte Variable ins Rennen gebracht.

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Autor:in

Mark Gieseke, info@gieseke-gmbh.de
Geschäftsführer der Gieseke GmbH, Rheine
www.gieseke-gmbh.de