Lithiumabfall wird zu grünem Beton für die Städte der Zukunft

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

Von den Fundamenten neuer Vorstädte bis zu den Wänden von Rechenzentren steht Beton im Zentrum des modernen Wachstums – und der damit verbundenen Emissionsrechnung.

Die verborgenen Klimakosten von Beton

Die Menschheit stellt inzwischen jährlich rund 30 Milliarden Tonnen Beton her, also etwa 952 Tonnen pro Sekunde. Der Werkstoff gilt als Sinnbild des Fortschritts und steckt in Wohnhochhäusern, Bahntrassen, Staudämmen und Häfen. Gleichzeitig wächst seine Klimabelastung 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; zudem wird der im Gestein gebundene Kohlenstoff freigesetzt. Nach Schätzungen von Forschenden verursacht allein Zement etwa 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen.

Auch beim Rohstoffverbrauch ist die Branche enorm anspruchsvoll. Nahezu 30 % aller nicht erneuerbaren Ressourcen, die für Bauzwecke abgebaut werden, entfallen auf Beton – 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 Milliarden Tonnen wie ein riesiger, langsam verbrennender fossiler Brennstoff.“

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

Von Batterieabfall zu Baustoffen

Mit der Verbreitung von Elektroautos und dem Anschluss grosser Batteriespeicher an Stromnetze steigt der weltweite Lithiumbedarf kontinuierlich. Minen und Raffinerien werden von Südamerika bis Australien und zunehmend auch in 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. Sobald das wertvolle Lithium entfernt wurde, bleibt ein problematischer Rest zurück: staubige Rückstände und zerkleinertes Gestein, die Betreiber normalerweise auf grossen Halden oder in Rückstandslagern lagern.

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

Geopolymere ersetzen Klinker, den energieintensiven Kern von Portlandzement, durch aluminium- und silikatreiche Stoffe wie Flugasche oder Hochofenschlacke. In Verbindung mit alkalischen Aktivatoren erhärten diese Materialien zu einem steinähnlichen Gefüge, das potenziell geringere Emissionen und eine hohe Dauerhaftigkeit bietet.

In der australischen Untersuchung übernimmt DβS als zentraler Bestandteil der Mischung eine ähnliche Funktion wie Flugasche. Erste Laborversuche zeigen, dass der daraus hergestellte Beton nicht nur stabil bleibt: Bei Festigkeitsprüfungen kann er mithalten und weist eine vielversprechende Widerstandsfähigkeit gegen Alterung auf.

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

Warum dieser Abfallstrom relevant ist

Der Nutzen von DβS-basiertem Beton beschränkt sich nicht auf eine raffinierte chemische Lösung. Er verknüpft zwei industrielle Entwicklungen zu einem Kreislauf.

• Die Lithiumraffination erzeugt grosse Mengen mineralischer Abfälle, die langfristig gelagert und überwacht werden müssen.
• Das Bauwesen benötigt enorme Mengen an Zuschlagstoffen und Bindemitteln und steht unter wachsendem Druck, seine Emissionen zu senken.
• Geopolymere eröffnen einen Weg zu CO₂-ärmerem Beton, sind jedoch auf industrielle Nebenprodukte wie Flugasche angewiesen, deren Verfügbarkeit mit der Stilllegung von Kohlekraftwerken sinken könnte.

DβS liegt genau an der Schnittstelle dieser Entwicklungen. Sein Einsatz im Beton könnte das Volumen der in Rückstandslager gelangenden Abfälle verringern, den Bedarf an einigen primären Rohstoffen senken und dem Geopolymersektor einen neuen, skalierbaren Ausgangsstoff liefern, der zur Energiewende passt.

Im Inneren des neuen „grünen“ Betons

Das Verhalten des Materials im Labor

Das Team der Flinders University erprobte mehrere Rezepturen und variierte dabei Menge und Zusammensetzung der alkalischen Aktivatoren, welche die Geopolymerisation auslösen. Untersucht wurden die Druckfestigkeit, die 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 diesen teilweise übertreffen. Mikroskopische Analysen zeigten eine dichte innere Struktur, die üblicherweise mit guter Dauerhaftigkeit und geringer Durchlässigkeit verbunden ist.

Die Forschenden verglichen Geopolymere auf DβS-Basis mit Varianten aus Flugasche. Die Leistungswerte lagen in einem ähnlichen Bereich, ohne dass dafür kohlebasierten Abfällen benötigt wurden. Für Klimapolitik und Planung ist dieser Unterschied bedeutsam: Ein dekarbonisiertes Stromnetz kann nicht dauerhaft der wichtigste Lieferant eines angeblich grünen Baustoffs sein.

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

Das Langzeitverhalten bei Frost-Tau-Wechseln, chemischen Angriffen und wiederholten Belastungen muss noch untersucht werden. Brücken, Tunnel und Bauwerke an Küsten sind wesentlich härteren Bedingungen ausgesetzt als ein kontrolliertes Labor. Dennoch wecken die ersten Ergebnisse bereits das Interesse von Ingenieurinnen und Ingenieuren, die nach realistischen Wegen zur Dekarbonisierung suchen.

Von Versuchsmischungen zu realen Bauwerken

Für die Skalierung dieses Ansatzes reicht es nicht aus, einige Laborkörper zu füllen. Betonnormen, Bauvorschriften und Bauunternehmen agieren zurückhaltend, oft aus nachvollziehbaren Gründen der Sicherheit und Haftung.

Damit DβS-basierte Geopolymere vom Versuch in den alltäglichen Einsatz gelangen, brauchen sie:

• Eindeutige technische Normen für Festigkeitsklassen, Schwindverhalten und Dauerhaftigkeit.
• Daten aus Pilotprojekten, etwa für Beläge, Gehwege oder nicht kritische tragende Bauteile.
• Liefervereinbarungen zwischen Lithiumraffinerien und Betonherstellern, um die Qualität zu stabilisieren.
• Eine Bewertung möglicher Schadstoffe in DβS und ihres Verhaltens im ausgehärteten Beton.

Auch politische Massnahmen könnten helfen. Öffentliche Ausschreibungen für CO₂-arme Infrastruktur definieren häufig Emissionsziele je Kubikmeter Beton. Wenn DβS-Geopolymere eine glaubwürdige Reduktion nachweisen, könnten sie in staatlich finanzierten Vorhaben Fuss fassen – vom nachhaltigen sozialen Wohnungsbau bis zur Modernisierung von Bahnstrecken.

Ein breiterer Vorstoss für saubereren Beton

Weitere Ansätze für eine „grünere“ Mischung

Der australische Fortschritt steht nicht für sich allein. Weltweit prüfen Labore und Start-ups unterschiedliche Methoden, um die Klimabelastung von Beton zu reduzieren, ohne seine Leistungsfähigkeit einzubüssen.

• Biobasierte Bindemittel: Einige Teams verwenden getrocknete Bakterien, die nach einer Reaktivierung mit Wasser, Harnstoff und Kalzium Calcit ausfällen und „Biozement“ bilden. Das Material kann sich in Rissen selbst zusammensetzen und den Wartungsbedarf verringern.
• 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 verschliesst und die Lebensdauer des Bauwerks verlängert.
• Pflanzen- und Holzreste: Projekte wie Rewofuel wollen Nebenprodukte der Forstwirtschaft in Komponenten verwandeln, die Klinker teilweise ersetzen. Damit wird nachhaltige Waldbewirtschaftung mit der Dekarbonisierung von Zement verbunden.

In ihrer Gesamtheit deuten diese Ansätze darauf hin, dass die Zukunft von Beton eher aus einer Materialfamilie als aus einer einzigen Rezeptur bestehen wird. Einige Varianten setzen auf niedrigere Emissionen in der Herstellung, andere auf Langlebigkeit oder Recycling am Ende der Nutzungsdauer.

„Im Wettlauf geht es nicht allein darum, weniger Beton zu giessen, sondern darum, dass jeder Kubikmeter für die Emissionen, die er verursacht, mehr leistet und länger hält.“

Was dies für Bergbau, Bauwirtschaft und Städte bedeuten könnte

Neue Verbindungen in der Energiewende-Kette

Falls DβS-basierter Beton an Bedeutung gewinnt, werden Lithiumprojekte auf dem Papier anders aussehen. Abfallhalden werden zu Einsatzstoffen statt zu Belastungen. Minenplanungen könnten Anlagen zur Vorbehandlung vor Ort enthalten, um DβS für Baumärkte aufzubereiten. Bei der Bewertung neuer Projekte könnten Investoren den Wert dieser zusätzlichen Einnahmequelle berücksichtigen.

Für Bauunternehmen kann der Zugang zu CO₂-armen Bindemitteln dabei helfen, strengere Vorschriften einzuhalten. Viele Städte verlangen bereits bei grossen Vorhaben Lebenszyklusanalysen für Kohlenstoffemissionen. Der Einsatz von Geopolymeren aus Abfallstoffen in Fundamenten oder Bodenplatten könnte die Werte dieser Bewertungen verbessern, ohne die Bauverfahren grundlegend zu verändern.

Die Klimabilanz bleibt allerdings komplex. Alkalische Aktivatoren für Geopolymere verursachen selbst Emissionen, und die Transportentfernungen zwischen Lithiumraffinerien und Betonwerken sind ebenfalls relevant. Dennoch verändert sich die Entwicklung des Sektors, wenn ein Teil der Produktion von Klinker auf industrielle Rückstände umgestellt wird.

Fragen, die noch beantwortet werden müssen

Mehrere offene Fragen bestimmen, welche tatsächliche Wirkung diese Technologie entfalten kann:

• Gesundheit und Umwelt: Wie stabil bleiben mögliche Spurenelemente in DβS, wenn sie im ausgehärteten Beton gebunden sind – insbesondere wenn Bauwerke später abgerissen und zerkleinert werden?
• Geografie: Die Lithiumraffination konzentriert sich auf bestimmte Regionen. Bleibt DβS-basierter Beton ein lokaler Baustoff, oder entsteht ein globaler Handel, der zusätzliche Schiffsemissionen verursacht?
• Menge: Selbst wenn jede Lithiumanlage DβS liefern würde, welchen Anteil des weltweiten Betonbedarfs könnte dies realistisch abdecken?

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

Ingenieurinnen, Architekten und Planer erhalten damit vorerst ein neues Werkzeug für die Modellierung künftiger Städte: Quartiere, deren Bindemittel saubere Energie, kritische Mineralien und CO₂-ärmere Gebäude miteinander verbinden. Mit zunehmenden Daten aus Feldversuchen können digitale Simulationen prüfen, wie solche Materialien Lebenszyklusemissionen, Wartungsintervalle und sogar Versicherungskosten für Infrastruktur beeinflussen.

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