Wie Lithiumabfälle zu grünem Beton werden könnten

Wolkenkratzer, Autobahnen, Stadien: Unsere Zivilisation ruht auf einem Werkstoff, der die Zukunft des Planeten jede Sekunde unauffällig mitprägt.

Von den Fundamenten neuer Wohnviertel bis zu den Wänden von Rechenzentren steht Beton im Zentrum des modernen Wachstums – und seiner Emissionsbilanz.

Die versteckten Klimakosten von Beton

Die Menschheit stellt inzwischen jährlich rund 30 Milliarden Tonnen Beton her, also ungefähr 952 Tonnen pro Sekunde. Der Werkstoff gilt als Sinnbild des Fortschritts und wird in Wohnhochhäuser, Bahnstrecken, Staudämme und Häfen eingebaut. Seine Klimarechnung steigt jedoch weiter.

Herkömmlicher Beton basiert auf Portlandzement, der entsteht, indem Kalkstein und Ton in riesigen Öfen auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Dabei werden grosse Mengen fossiler Brennstoffe verbrannt; zugleich entweicht der im Gestein gebundene Kohlenstoff. Nach Schätzungen von Forschenden verursacht Zement allein etwa 8% der weltweiten CO₂-Emissionen.

Auch beim Rohstoffverbrauch ist die Branche enorm anspruchsvoll. Auf Beton entfallen fast 30% aller nicht erneuerbaren Ressourcen, die für das Bauen abgebaut werden – von Sand und Kies bis zu Kalkstein. Dieser Bedarf verändert Flussbetten, Küsten und Landschaften, häufig weit entfernt von den Städten, die davon profitieren.

Beton trägt die moderne Welt, verhält sich jedoch bei Mengen von Milliarden Tonnen wie ein riesiger, langsam brennender fossiler Brennstoff.

Dieser Widerspruch hat Forschende, Start-ups und grosse Baukonzerne in einen Wettlauf getrieben: Die Festigkeit und Vielseitigkeit von Beton sollen erhalten bleiben, sein ökologischer Fussabdruck aber drastisch sinken. Einer der spannendsten Kandidaten stammt nun aus einer Quelle, die kaum jemand erwartet hätte – Lithiumabfällen.

Von Batterieabfällen zu Baustoffen

Mit der Verbreitung von Elektroautos und Grossbatterien für Stromnetze wächst die weltweite Nachfrage nach Lithium stetig. Minen und Raffinerien werden von Südamerika über Australien bis zunehmend nach Europa ausgebaut. Entlang dieser Wertschöpfungskette fallen gewaltige Mengen mineralischer Rückstände an.

Bei der Lithiumgewinnung aus bestimmten Erzen entsteht in Raffinerien ein Nebenprodukt namens delithiierter β-Spodumen, oft als DβS abgekürzt. Nach der Entnahme des wertvollen Lithiums bleibt scheinbar vor allem eine Belastung zurück: staubige Rückstände und zerkleinertes Gestein, die Betreiber üblicherweise auf grossen Abraumhalden oder in Rückstandsanlagen lagern.

Ein Team unter Leitung von Professor Aliakbar Gholampour an der Flinders University in Australien beschloss, diesen Rückstand nicht als Abfall, sondern als Ressource zu betrachten. Ihr Ansatz: DβS soll in Geopolymerbeton eingesetzt werden, einen zementfreien Binder, der bereits als sauberere Alternative zur klassischen Portlandzement-Rezeptur gilt.

Geopolymere ersetzen Klinker, den energieintensiven Kern von Portlandzement, durch alumosilikatreiche Materialien wie Flugasche oder Hochofenschlacke. Zusammen mit alkalischen Aktivatoren bilden diese Stoffe ein steinartiges Gefüge, das potenziell weniger Emissionen verursacht und eine gute Dauerhaftigkeit bietet.

In der australischen Forschung wird DβS als zentraler Bestandteil beigemischt und übernimmt eine ähnliche Funktion wie Flugasche. Erste Laborversuche zeigen, dass der daraus hergestellte Beton nicht nur bestehen kann: Er erreicht bei Festigkeitsprüfungen überzeugende Werte und weist eine vielversprechende Widerstandsfähigkeit gegen Alterung auf.

Indem Rückstände aus Lithiumraffinerien zum tragenden Bestandteil von Geopolymerbeton werden, könnte dasselbe Metall, das Elektrofahrzeuge antreibt, auch die Fundamente sauberer machen, auf denen sie fahren.

Warum dieser Abfallstrom wichtig ist

Der Reiz von DβS-basiertem Beton geht über ausgeklügelte Chemie hinaus. Er verbindet zwei industrielle Entwicklungen zu einem Kreislauf.

• Bei der Lithiumraffination entstehen grosse Mengen mineralischer Abfälle, die langfristig gelagert und überwacht werden müssen.
• Die Baubranche benötigt riesige Mengen an Zuschlagstoffen und Bindemitteln und steht unter zunehmendem Druck, ihre Emissionen zu senken.
• Geopolymere eröffnen einen Weg zu kohlenstoffärmerem Beton, stützen sich jedoch auf industrielle Nebenprodukte wie Flugasche, deren Verfügbarkeit mit der Stilllegung von Kohlekraftwerken sinken könnte.

DβS befindet sich genau an der Schnittstelle dieser Entwicklungen. Sein Einsatz im Beton könnte das Volumen der in Rückstandsanlagen abgelagerten Abfälle verringern, den Bedarf an manchen Primärrohstoffen reduzieren und dem Geopolymersektor einen neuen, skalierbaren Rohstoff verschaffen, der zur Energiewende passt.

Im Inneren des neuen „grünen“ Betons

So verhält sich das Material im Labor

Das Team der Flinders University prüfte mehrere Rezepturen und variierte Menge sowie Zusammensetzung der alkalischen Aktivatoren, welche die Geopolymerisation auslösen. Gemessen wurden Druckfestigkeit, Mikrostruktur und die Entwicklung des Materials während der Aushärtung bei Umgebungstemperatur.

Den veröffentlichten Daten zufolge erreichten die leistungsstärksten Mischungen Festigkeiten, die mit herkömmlichem Konstruktionsbeton konkurrieren und ihn teilweise übertreffen. Mikroskopische Untersuchungen zeigten ein dichtes inneres Gefüge, das meist mit hoher Dauerhaftigkeit und geringerer Durchlässigkeit verbunden ist.

Die Forschenden stellten DβS-basierte Geopolymere Geopolymeren aus Flugasche gegenüber. Die Ergebnisse lagen in einem ähnlichen Bereich, ohne auf kohlebasierten Abfall angewiesen zu sein. Für Klimapolitik und Planung ist dieser Unterschied relevant: Ein dekarbonisiertes Stromnetz kann nicht dauerhaft der wichtigste Lieferant für einen angeblich grünen Baustoff sein.

Parameter	Portlandzementbeton	DβS-Geopolymerbeton (Labordaten)
Hauptbindemittel	Klinker aus Kalkstein	DβS und andere Alumosilikate
Typische Aushärtung	Bei Umgebungstemperatur, teilweise feucht	Geopolymer-Aushärtung bei Umgebungstemperatur
CO₂-Profil	Hoch, durch Öfen und Rohstoffe	Geringeres Potenzial, abhängig von Aktivatoren
Zentrale Ressourcenfrage	Enormer Bedarf an Klinker und Kalkstein	Erfordert eine stabile DβS-Versorgung und sichere Handhabung

Langzeitverhalten bei Frost-Tau-Wechseln, chemischen Angriffen und wiederholter Belastung muss weiterhin untersucht werden. Brücken, Tunnel und Küstenbauwerke sind deutlich härteren Bedingungen ausgesetzt als ein kontrolliertes Labor. Dennoch wecken die ersten Resultate bereits das Interesse von Ingenieurinnen und Ingenieuren, die nach realistischen Wegen zur Dekarbonisierung suchen.

Von Pilotmischungen zu realen Gebäuden

Um diesen Ansatz hochzuskalieren, reicht es nicht, einige Laborkörper zu füllen. Betonnormen, Bauvorschriften und Bauunternehmen agieren zurückhaltend – häufig aus berechtigten Gründen der Sicherheit und Haftung.

Damit DβS-basierte Geopolymere den Schritt vom Versuch in die tägliche Anwendung schaffen, benötigen sie:

• Eindeutige technische Normen für Festigkeitsklassen, Schwinden und Dauerhaftigkeit.
• Daten aus Pilotprojekten, etwa bei Fahrbahnen, Gehwegen oder nicht kritischen Tragwerkselementen.
• Liefervereinbarungen zwischen Lithiumraffinerien und Betonherstellern, um die Qualität zu stabilisieren.
• Untersuchungen zu möglichen Schadstoffen in DβS und zu ihrem Verhalten im ausgehärteten Beton.

Auch politische Massnahmen könnten eine Rolle spielen. Öffentliche Ausschreibungen für kohlenstoffarme Infrastruktur setzen oft Emissionsziele je Kubikmeter Beton. Wenn DβS-Geopolymere eine glaubwürdige Reduktion nachweisen, könnten sie in staatlich finanzierten Projekten Fuss fassen – von klimafreundlichem sozialem Wohnungsbau bis zum Ausbau von Bahnstrecken.

Ein breiterer Vorstoss für saubereren Beton

Weitere Wege zu einem „grüneren“ Gemisch

Der australische Durchbruch steht nicht für sich allein. Weltweit erproben Labore und Start-ups verschiedene Methoden, um die Klimabelastung von Beton zu senken, ohne seine Leistungsfähigkeit einzubüssen.

• Biobasierte Bindemittel: Einige Teams verwenden getrocknete Bakterien, die nach der Reaktivierung mit Wasser, Harnstoff und Kalzium Kalzit ausfällen und „Biozement“ bilden. Das Material kann sich in Rissen selbst organisieren und den Wartungsaufwand senken.
• Selbstheilender Beton: Mit Heilmitteln oder Enzymen gefüllte Kapseln werden in die Mischung eingebracht. Entstehen Risse, brechen die Kapseln auf und lösen eine Reparaturreaktion aus, welche die Öffnung versiegelt und die Lebensdauer des Bauwerks verlängert.
• Pflanzen- und Holzrückstände: Projekte wie Rewofuel wollen Nebenprodukte der Forstwirtschaft in Bestandteile umwandeln, die Klinker teilweise ersetzen, und damit nachhaltige Waldbewirtschaftung mit der Dekarbonisierung von Zement verbinden.

Zusammengenommen deuten diese Ansätze darauf hin, dass die Zukunft von Beton eher einer Werkstofffamilie als einer einzigen Rezeptur ähneln wird. Manche Varianten setzen auf geringere Emissionen bei der Herstellung, andere auf Langlebigkeit oder Recycling am Ende des Lebenszyklus.

Im Wettlauf geht es nicht nur darum, weniger Beton zu giessen, sondern darum, jeden Kubikmeter für die verursachten Emissionen mehr leisten und länger halten zu lassen.

Was das für Bergbau, Bauwirtschaft und Städte bedeuten könnte

Neue Verbindungen in der Kette der Energiewende

Wenn DβS-basierter Beton an Bedeutung gewinnt, werden Lithiumprojekte auf dem Papier anders aussehen. Abraumhalden werden zu Einsatzstoffen statt zu Belastungen. Minenpläne könnten Anlagen zur Vorverarbeitung vor Ort einschliessen, um DβS für den Baumarkt aufzubereiten. Bei der Bewertung neuer Projekte könnten Investoren den Wert dieser zusätzlichen Einnahmequelle berücksichtigen.

Für Bauunternehmen könnte der Zugang zu kohlenstoffarmen Bindemitteln helfen, strengere Vorgaben einzuhalten. Viele Städte verlangen bereits Lebenszyklus-Kohlenstoffbewertungen für grosse Bauvorhaben. Der Einsatz abfallbasierter Geopolymere in Fundamenten oder Bodenplatten könnte diese Werte verbessern, ohne Bauverfahren grundlegend zu verändern.

Die Klimabilanz bleibt komplex. Alkalische Aktivatoren für Geopolymere verursachen ebenfalls Emissionen, und die Transportentfernungen zwischen Lithiumraffinerien und Betonwerken sind relevant. Dennoch verändert es die Entwicklung, wenn ein Teil der Branche sich vom Klinker weg und industriellen Reststoffen zuwendet.

Fragen, die noch beantwortet werden müssen

Mehrere offene Fragen werden die tatsächliche Wirkung dieser Technologie bestimmen:

• Gesundheit und Umwelt: Wie stabil bleiben mögliche Spurenelemente in DβS, nachdem sie in ausgehärtetem Beton eingeschlossen wurden – insbesondere wenn Bauwerke abgerissen und zerkleinert werden?
• Geografie: Lithiumraffination konzentriert sich auf bestimmte Regionen. Bleibt DβS-basierter Beton ein lokales Produkt, oder entsteht ein Welthandel, der zusätzliche Schifffahrtsemissionen verursacht?
• Mengen: Selbst wenn jedes Lithiumwerk DβS bereitstellen würde, welcher Anteil des weltweiten Betonbedarfs liesse sich damit realistisch decken?

Diese Punkte heben das Potenzial nicht auf, setzen ihm aber einen Rahmen. Beton wird von Baustellen nicht verschwinden; die Debatte verlagert sich daher auf Risikomanagement und intelligente Substitution. Die Umwandlung von Lithiumabfällen in tragfähigen Baustoff ist ein konkretes Beispiel für diesen Wandel.

Ingenieurinnen und Ingenieure, Architektinnen und Architekten sowie Planerinnen und Planer erhalten damit vorerst ein weiteres Werkzeug für die Modellierung künftiger Städte: Quartiere, deren Bindemittel saubere Energie, kritische Mineralien und kohlenstoffärmere Gebäude miteinander verknüpfen. Mit zunehmenden Daten aus Feldversuchen können digitale Simulationen prüfen, wie solche Materialien Lebenszyklus-Emissionen, Wartungsintervalle und sogar Versicherungskosten von Infrastruktur beeinflussen.

Hinter jedem Kubikmeter dieses neuen Betons steht eine andere Geschichte als hinter traditionellem Zement – eine Geschichte, in der der Abfall von gestern hilft, den Verkehr von morgen zu tragen und die Häuser von morgen mit Energie zu versorgen.