Environmental & Energy Systems

Die „Hamburger Mische“ zeigt: Baustellenabfälle können hochwertige Rohstoffe für die Betonherstellung liefern und dadurch die Branche nachhaltiger machen

Beton ist ein vielseitiges und langlebiges Baumaterial, in Deutschland werden pro Jahr einige 100 Millionen Tonnen verbaut. Er besteht aus Zement, Wasser und den sogenannten Zuschlagsstoffen wie Sand, Kies und Schotter. Die allerdings werden weltweit immer knapper und auch teurer, weshalb die Branche nach Ersatz sucht. Eine Möglichkeit ist die Wiederverwertung von Bauschutt und Abbruchabfällen. In einem EU-Projekt hat die TU Hamburg gemeinsam mit Partnern aus der Bauwirtschaft einen vielversprechenden Recycling-Beton entwickelt – die „Hamburger Mische“. Nach erfolgreichen Tests wurde sie nun erstmals in der Praxis eingesetzt: In Hamburg-Eilbek sind Teile eines Grundschul-Neubaus mit der innovativen Beton-Rezeptur errichtet worden. 
„Wenn Bau- und Abbruchabfälle wiederverwertet werden, geschieht das bislang meist nur als Füllmaterial für den Straßenbau – wir sprechen von Downcycling“, sagt Mahsa Doostdar vom CREM, dem Institute of Circular Resource Engineering and Management der TU Harburg. „Dagegen wollten wir diese Abfälle nutzen, um hochwertigen Beton herzustellen – Recycling-Beton.“ Um die Idee in die Tat umzusetzen, beteiligte sich die von Janus zum Brock geleitete Arbeitsgruppe am EU-Projekt „CIRCuIT“. Das Konzept klingt erst mal simpel: Der Bauschutt wird zu kiesel- oder sandkorngroßen Partikeln zerkleinert, die dann dem Zement als Zuschlagstoff beigemengt werden.

Hamburger Mische hat sich durchgesetzt

Doch in der Praxis gibt es diverse Herausforderungen – so darf der Bauschutt nicht kontaminiert sein. Und damit der Beton später stabil und haltbar ist, muss bei der Größe der verwendeten Partikel ein gutes Verhältnis zwischen feiner und grober Körnung gefunden werden. Gemeinsam mit mehreren Firmen aus der Hamburger Baubranche setzte sich das TU-Team ein ehrgeiziges Ziel: Lässt sich ein hochwertiger Beton herstellen, dessen Zuschlagstoffe vollständig aus recycelten Materialien bestehen? Um das herauszufinden, errichteten die Partner auf dem Firmengelände der OTTO WULFF Bauunternehmung in Hamburg-Billstedt die „Musterbude“ – eine Art Forschungshütte. Deren Wände und Bodenplatten bestanden aus jeweils unterschiedlichen Betonrezepturen mit variierenden Recycling-Anteilen. Dagegen war die Decke aus Normalbeton ausgeführt und diente als Referenzpunkt. „Das beste Resultat erzielten wir mit einer Rezeptur, die wir als Hamburger Mische bezeichnen“, erzählt Doostdar. „Ihre Zuschlagsstoffe bestehen zu hundert Prozent aus Bauschutt, im Wesentlichen aus Klinker, Ziegel, Kalksandstein und Beton.“ Das neue Material steht den meisten herkömmlichen Betonen an Festigkeit, Tragkraft, Verarbeitung in nichts nach – und sieht auch nicht schlechter aus. Das Ergebnis war so überzeugend, dass die neue Rezeptur 2024 erstmals in einem richtigen Gebäude zum Einsatz kam: Als an der Grundschule Richardstraße in Hamburg-Eilbek ein dreigeschossiger Neubau errichtet wurde, kamen rund 100 Kubikmeter des neuen Recycling-Betons zur Verwendung. „Dabei war wichtig, dass die Bau- und Abbruchabfälle für den Beton aus Hamburg stammen“, betont Doostdar. „Wir haben sie quasi aus der Nachbarschaft bezogen.“ Müsste man den Schutt aus weiter entfernten Orten herankarren, würden die langen Transportwege und damit verbundenen CO2-Emissionen die Öko-Bilanz verschlechtern. Das haben Umweltverträglichkeitsprüfungen an der TU ergeben. Für Hamburg sind die Aussichten günstig: 2025 wird das Unternehmen OTTO DÖRNER – einer der Projektpartner bei CIRCuIT – eine neuartige, höchst leistungsfähige Recycling-Anlage in Betrieb nehmen. Sie kann Bau- und Abbruchabfälle deutlich gründlicher in ihre Bestandteile trennen, als es bislang möglich ist.

Bislang nur ein Prozent Recycling-Beton

Allerdings ist das Recycling-Material teurer als konventioneller Beton – der Preisaufschlag dürfte bei etwa zehn Prozent liegen. „Bisher haben wir uns an der TU auf die Umweltverträglichkeitsprüfung konzentriert und sehen dabei positive Auswirkungen“, berichtet Mahsa Doostdar. „Um nun auch die Lebenszykluskosten abzuschätzen, haben wir einen Kollegen mit betriebswirtschaftlichem Hintergrund eingestellt, der uns bei diesen Berechnungen helfen kann.“ In Deutschland besteht lediglich rund ein Prozent des im Hochbau verarbeiteten Betons aus der Recycling-Variante. Um den Anteil zu steigern, müssten die Mehrkosten signifikant gesenkt werden. Ferner gibt es technisches Versbesserungspotenzial: Für die Herstellung von Recyclingbeton braucht es, um dieselbe Materialqualität und -stärke zu erhalten, deutlich mehr Wasser als bei der Produktion von herkömmlichem Beton. Forschungsprojekte sollen dieses Manko beheben. So experimentieren Fachleute damit, die recycelten Zuschlagstoffen vor dem Vermischen mit dem Zement in Wasser einzutauchen – dann könnte es sein, dass für den anschließenden Mischvorgang weniger Wasser benötigt wird. 

Für Beton nötigen Zement ersetzen

Eine weitere Forschungsfrage betrifft den Algenbewuchs. „Etwa ein Jahr nach der Fertigstellung der Musterbude bemerkten wir, dass einige ihrer Wände grün wurden, weil Algen auf ihnen wuchsen“, erzählt Doostdar. Um die Ursache aufzuspüren, nahm das TU-Team Proben und analysierte sie im Labor. In Verdacht steht die Porosität der recycelten Gesteinskörnchen. Enthalten sie mehr Poren als konventionelle Zuschlagsstoffe, könnte Wasser in die winzigen Hohlräume eindringen und einen Nährboden für das Algenwachstum schaffen. 
Doch die Arbeitsgruppe befasst sich nicht nur mit nachhaltigen Alternativen für Beton-Zuschlagsstoffe. Noch wichtiger wäre es, den für den Beton nötigen Zement zu ersetzen. Die Zementherstellung setzt enorme Mengen an Treibhausgasen frei – rund acht Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen gehen auf ihr Konto. Die TU-Fachleute verfolgen schon eine Idee: „Vielleicht lässt sich Asche als Zementersatz verwenden“, hofft Mahsa Doostdar. „Das ist etwas, was wir uns in Zukunft näher ansehen wollen.“

Ein bislang nicht ausgeschöpftes Potenzial für die Energiewende bietet die Erzeugung von Biomethan aus Küchenabfällen. Bislang wird nur ein kleiner Teil dafür verwendet.

Von 85 Kilogramm in privaten Haushalten generierten Küchenabfällen pro Person und Jahr werden bislang nur etwa 21 Kilogramm über die Biotonne eingesammelt und für eine weitere Verwertung zu Biogas und Kompost genutzt. „Um aus Küchenabfällen Biogas zu gewinnen, muss der Müll richtig getrennt werden. Ein Großteil der Küchenabfälle landet fälschlicherweise im Restmüll, wird damit verbrannt und geht so für eine hochwertige energetische und stoffliche Verwertung verloren“, erklärt Steffen Walk. Er ist Teil der Forschergruppe Bioressourcenmanagement (BIEM) des Instituts für Abwasserwirtschaft und Gewässerschutz an der TU Hamburg, die sich mit einem Projekt die Verwertung des Biomülls zum Ziel gesetzt hat. Bislang ist es so, dass aus dem Anteil, der in die Biotonne kommt, vielerorts noch kein Biogas gewonnen, sondern ausschließlich Kompost hergestellt wird. Idealerweise sollte eine Prozesskaskade aus Biogasproduktion mit anschließender Kompostierung des sogenannten Gärrests zur effizienten energetischen und stofflichen Nutzung der Bioabfälle erfolgen. Biogas enthält hauptsächlich Methan und Kohlendioxid. Durch die Entfernung des Kohlendioxids kann das Biogas zu Biomethan aufgewertet werden, das einen ähnlichen Brennwert wie fossiles Erdgas hat. „Nur etwa 15 Prozent der etwa 120 kommunalen Biogasanlagen Deutschlands arbeiten nach diesem Prinzip und speisen Biomethan in das Erdgasnetz ein, während bei den anderen eine direkte Verstromung erfolgt. Da ist also noch Luft nach oben“, so Walk.

Gasverbrauch für ein Jahr decken

Würde man das Bioabfallpotenzial aller 83 Millionen Einwohner Deutschlands zur Biomethanerzeugung nutzen, könnte der Gasverbrauch von 2,8 Millionen Menschen für ein Jahr gedeckt werden. Dazu können wir alle beitragen, indem man den Küchenabfall besser trennt. Die Nutzung von kleinen Gefäßen mit Deckel ist zur Bioabfalltrennung in der Küche empfehlenswert. Im Vergleich zu Kunststoff- oder Papierbeuteln spart dies Ressourcen und schont den Geldbeutel. Je mehr gesammelt wird, desto höher ist der Anreiz zum Neubau und zur Aufrüstung von Kompost- und Biogasanlagen zur Biomethangewinnung. Steffen Walk fordert: „Die Politik sollte außerdem die Küchenabfalltrennung konsequenter einfordern. Trennraten von 65 Prozent, das entspricht 55 Kilogramm pro Person, sind definitiv möglich.“ Ein Anfang wäre hier das konsequente Aufstellen von Biotonnen für alle Haushalte. Bislang verfügen nur knapp 60 Prozent der deutschen Haushalte eine Biotonne.

Projekt Kreislaufwirtschaft

Um den Menschen das Mülltrennen und wiederverwerten auch ganz praktisch näherzubringen, hat Steffen Walk das Projekt „BioCycle“ gegründet. „BioCycle beschreibt die Zusammenhänge eines Kreislaufs, bei dem Lebensmittel zu Abfällen werden und dann zu neuen Produkten, wie eben Biogas oder Kompost und Bodendünger. Die Idee ist, dass nicht alle Abfälle vermeidbar sind. „Eine Bananenschale muss man wegwerfen, aber, richtig entsorgt, kann sie den Biokreislauf schließen“ erklärt Walk. In Zeiten knapper Energie und Verschlechterung von Böden durch ihre zu intensive Nutzung, kann diesem Problemen mit einer Kreislaufwirtschaft entgegengewirkt werden. Biocycle versteht sich als Lernangebot, das in sechs Etappen konzipiert ist und den Kreislauf von Lebensmitteln aufzeigt.

Das Projekt ist zudem in die von der Hamburg Open Online University (HOOU) organisierten „Wattwanderungen“ integriert. Das Konzept beinhaltet das Erwandern bzw. Er“fahren“ von Orten in Hamburg, an welchen Erneuerbare Energien erzeugt werden.

Mehr Informationen finden Sie unter:

www.tuhh.de/aww
www.hoou.de/projects/biocycle/preview
wattwanderungen.hoou.tuhh.de

Researchers                 Prof. Ralf Otterpohl

                                     Dr. Tavseef Shah

                                     Durga Prasad Babu Nasika

Institute                        Wastewater Management & Water Treatment

School of Studies         Civil Engineering

Funding                         Private, TUHH & FHH Hamburg

By 2050, the global water demand is expected to increase by 55 percent, much of which is attributed to agriculture. No wonder, since a good 40 percent of all food worldwide is grown on artificially irrigated land. Any savings in agricultural water use can free up water for other pressing needs like drinking water. A TU Hamburg-project shows how water and fertilizer use can be drastically reduced with a new cultivation concept.

Peas, beans, potatoes, and rice. Agriculture feeds us, but it pollutes groundwater with “unhealthy” nutrients especially nitrates and a variety of biocides. These are used in farming to control the growth of harmful organisms. But that also makes them potentially dangerous to humans, the environment and other organisms beneficial for plant growth. At the same time, agriculture worldwide uses about 80 percent of all freshwater withdrawals. Of this, about 40 percent is used in rice cultivation alone. This is a trend that has been going on for a long time. In the densely populated regions of South and Southeast Asia in particular, huge investments were made in additional irrigation systems between the 1960s and 1980s in order to keep increasing yields.

Dr. Tavseef Shah, with the help of his team from Hamburg University of Technology, has tried out new cultivation methods on site and in field trials in Kashmir in northern India. His idea is to significantly improve the dry rice cultivation (System of Rice Intensification, SRI) propagated mainly by Cornell University in the USA. At Hamburg University of Technology, he developed an intercropping concept that involves the simultaneous cultivation of different crops in one field. He combined SRI rice with bush beans. In this way, the nitrogen requirements of the rice plants could be supplemented with the help of the beans, which bind it to their roots. If this type of cultivation were used worldwide, it would save about 20 percent of the world's water needs as well as some of the fertilizer requirements.

And the bush beans provided an additional effect: the weeding requirement, which is otherwise very considerable for dry rice, fell by about 70 percent. Shah expanded his research even further for this purpose and founded the “Environmental Robotics” working group last year in 2021. In parallel with the development of rice cultivation in Kashmir, the group invented and built a selective weeding robot that has automatic plant recognition and is thus able to mechanically remove only the weeds that are harmful to the crops without chemicals. This development is in prototype status and is led by doctoral student Mr. Durga Nasika.

3 Questions for Dr. Tavseef Shah of the working group Environmental Robotics at the Institute of Wastewater Management and Water Protection about the project:

How does intercropping work, alternating rice and bush beans?

In intercropping, we plant rice and beans together in one plot. The beans are sown between the crop rows two weeks after the rice is sown. Since we use the dry rice cultivation method, the beans find good growing conditions. We have tested this method in fields in Kashmir with success. We observed reduced weed infestation, better and more diverse crop yields, and thus diversified income streams.

How much water can be saved with dry farming?

The SRI method can save up to 40 percent water in rice cultivation. We have observed this time and again in our trials at the TU Hamburg and in our field trials in Kashmir. We have to consider that on average 5,000 liters of fresh water are consumed to produce 1 kilogram of rice using the conventional flood rice method. Even if this method is slow to spread, the water savings will be significant. With intercropping, the dry rice cultivation method provides an added incentive to the farmers and the environment! We are currently looking at the possibility of using this methodology to grow rice in saline soils.

What has been the reaction of farmers to the weeding robot?

The farmers we talked to here in northern Germany were really excited about such an agricultural aid that eliminates weeds without the use of agrochemicals. For them, it's the kind of environmentally friendly and cost-effective solution that they're hoping for from a technical university. The idea was initiated by Prof. Otterpohl and Mr. Nasika has been working on this project since the very beginning.

Die globalen Klimaziele erfordern eine rasche Dekarbonisierung der Energieerzeugung und eine steigende Integration erneuerbarer Energien. Aber nicht immer weht der Wind oder scheint die Sonne. Für eine sichere Versorgung müssen Strom-, Gas- und Wärmenetz miteinander gekoppelt sein.

Das Energiesystem der Zukunft wird einerseits bestimmt durch die zunehmende Elektrifizierung der Verbrauchssektoren Verkehr, Industrie, Gewerbe und Haushalte. Andererseits verlangen die Volatilität der regenerativen Energieerzeugung und die unterschiedlichen Dynamiken des Energieverbrauchs ein hohes Maß an Flexibilität und damit Energiespeichervermögen des Gesamtsystems. Nur so kann eine resiliente Energieversorgung sichergestellt werden. Sie gelingt, wenn die Systeme und Netze der Energieträger Strom, Gas und Wärme miteinander gekoppelt werden. Und gleichzeitig eine intelligente Vernetzung zur Steuerung der Anlagen, Erzeuger und Verbraucher des Energiesystems stattfindet. Die Idee ist es, die Energie bedarfsabhängig und flexibel zwischen den Energieträgern umzuwandeln, beispielsweise Energie aus der regenerativen Stromproduktion in eine andere Energieform zu bringen, sie in größerem Maße zu speichern und bei Bedarf wieder in elektrischen Strom zurückwandeln.

Netzstabilität sicherstellen

Als Beispiel für solche Kopplungseffekte ist der Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen zu nennen, die sowohl in das Wärme- als auch in das Elektrizitätsnetz Energie einspeisen. Gibt es beispielsweise einen hohen Wärmebedarf und gleichzeitig ein großes Angebot an elektrischer Energie, können diese Anlagen nicht heruntergeregelt werden, um die Deckung des Wärmebedarfs zu gewährleisten. Dies kann dazu führen, weniger Strom aus regenerativen Energiequellen wie Offshore-Windparks einzuspeisen, um die Stabilität des elektrischen Energienetzes sicherzustellen. Durch die transiente also vorübergehende Betrachtung wird darüber hinaus die Möglichkeit geschaffen, durch den gezielten Einsatz von Speichertechnologien einen zeitlichen Ausgleich zu schaffen. Mit diesen Überlegungen lässt sich auch die Frage beantworten, welche Art von Speichern, in welcher Größe und an welchem Ort sinnvoll eingesetzt werden.

Erneuerbare verlässlich einbinden
Anhand von verschiedenen Szenarien unter Verwendung des eben beschriebenen Modells wird nach Möglichkeiten gesucht, die Erneuerbaren Energien verlässlich in eine existierende Energieversorgungsstruktur einzubinden. Die abschließende Bewertung der verschiedenen Szenarien erfolgt anhand der CO₂-Emissionen pro Jahr, wodurch ein direkter Rückschluss auf die Ziele der Energiewende ermöglicht wird. Die Ergebnisse dieser Forschung tragen zur Sicherung des steigenden Energiebedarfes der Gesellschaft und zu größtmöglicher Umwelt- und Klimaverträglichkeit bei.

Konkrete Projekte mit Beteiligung der TU Hamburg:

TransiEntEE: Transientes Verhalten gekoppelter Energienetze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien, ResiliEntEE: Resilienz gekoppelter Energienetze mit hohem Anteil Erneuerbarer Energien, CyEntEE: Cyber Physical Energy Systems – Sustainability, Resilience and Econimics, gefördert als I³-Lab der TU Hamburg, EffiziEntEE: Effiziente Einbindung hoher Anteile Erneuerbarer Energien in technisch-wirtschaftlich integrierte Energiesysteme, iNeP im NRL: Integrierte Netzplanung der Sektoren Strom, Gas und Wärme im Norddeutschen Reallabor