Von Agrarabfällen zu Baumaterialien: So funktioniert der industrielle Prozess
Entdecken Sie, wie Stroh, Fruchtschalen und andere Agrarabfälle als innovative Materialien im Baugewerbe ein neues Leben finden.
Laut dem Global Status Report for Buildings and Construction 2024/2025 des UNEP ist der Baubereich für 32% des globalen Energieverbrauchs und 34% der CO₂-Emissionen verantwortlich. In diesem Zusammenhang stellt die Umwandlung von Agrarabfällen in Baumaterialien eine der vielversprechendsten Grenzen zur Reduzierung der Umweltauswirkungen des Bauwesens dar. Durch spezifische industrielle Prozesse, die Vorbehandlung, Extrusion und additive Technologien kombinieren, werden Reste wie Maisstroh, Schalen und pflanzliche Abfälle in Platten, Ziegel und Dämmstoffe umgewandelt, deren Leistung mit traditionellen Materialien vergleichbar ist.
Arten von verwendbaren Agrarabfällen
Die landwirtschaftlichen Reststoffe, die sich am besten für die Umwandlung in Baumaterialien eignen, umfassen zellulosefaserreiche Biomassen und Nebenprodukte der Lebensmittelverarbeitung, die nach chemischer Zusammensetzung und lokaler Verfügbarkeit ausgewählt werden.
Das Projekt CORNCRETL, das vom mexikanischen Kollektiv Manufactura entwickelt wurde, zeigt, wie die Reste des Maisanbaus zu Rohstoffen für das Bauwesen werden können. Das System verwendet nejayote, eine calciumreiche Flüssigkeit, die während der Nixtamalisation (traditioneller mesoamerikanischer Maisverarbeitungsprozess) produziert wird und anstatt weggeworfen zu werden, zum Schlüsselbestandteil des druckbaren Komposits wird. Hinzu kommen getrocknete Maisstängel und -blätter, die der Mischung faserverstärkenden Halt geben.
Die Entscheidung, Maisreste zu nutzen, ist für Mexiko strategisch, da Mais ein tägliches Nahrungsmittel ist und signifikante Mengen an organischen Abfällen erzeugt. Dieser Ansatz nutzt lokale und kulturell verwurzelte Abfallströme und wandelt sie in Baustoffe um, die in der Nähe der Baustellen verfügbar sind. Das dezentrale Modell von CORNCRETL ermöglicht die Verarbeitung von Agrarabfällen direkt vor Ort, was die Transportkosten und den Gesamtkohlenstofffußabdruck reduziert.
Vorläufige Phasen: Sammlung, Vorbehandlung und Auswahl
Vor der industriellen Umwandlung erfordern Agrarabfälle Trocknungs-, Zerkleinerungs- und Größenkontrollmaßnahmen, um Gleichmäßigkeit und Kompatibilität mit den nachfolgenden Verarbeitungsprozessen zu gewährleisten.
Bei CORNCRETL werden Maisrückstände zunächst getrocknet um den Feuchtigkeitsgehalt zu reduzieren, dann zerkleinert und gemahlen bis eine kontrollierte Korngröße erreicht ist. Diese Phase ist entscheidend, da Partikel unregelmäßiger Größe die Qualität der Extrusion und die Festigkeit des Endmaterials beeinträchtigen würden. Der Mahlprozess erzeugt ein feines Pulver, das anschließend mit natürlichen Bindemitteln vermischt wird.
Die Vorauswahl eliminiert Kontaminanten und ungeeignete Materialien und stellt sicher, dass nur die Fraktionen mit den gewünschten chemisch-physikalischen Eigenschaften in den Produktionsprozess gelangen. Im Kontext von Biokompositen für den 3D-Druck kann die Anwesenheit von Restfeuchtigkeit oder Verunreinigungen zu Ablagerungsfehlern, Luftblasen oder Änderungen der mechanischen Eigenschaften der fertigen Komponente führen.
Ebenso werden bei den großformatigen additiven Produktionssystemen, wie sie von CEAD für verstärkte thermoplastische Materialien entwickelt wurden, die Produktionsabfälle zu homogenen Spänen zerkleinert mit kalibrierten Abmessungen, um Verstopfungen in den Extrudern zu vermeiden. Dieses Prinzip der Größenkontrolle gilt auch für landwirtschaftliche Abfälle, die für Extrusions- oder Pressverfahren in der Industrie bestimmt sind.
Technologische Transformationsprozesse
Die Schlüsseltechnologien zur Umwandlung von Agrarbiomasse in Baumaterialien umfassen Roboterextrusion, Hochtemperaturpressung und Polymerisation mit natürlichen oder synthetischen Bindemitteln.
CORNCRETL nutzt einen KUKA-Roboterarm in Kombination mit einem kontinuierlichen WASP Concrete HD-Fördersystem, um das Mais-basierte Komposit schichtweise abzuscheiden. Die gemahlenen Rückstände werden mit natürlichem hydraulischem Kalk (NHL 3.5) als Bindemittel und für die Roboterextrusion geeigneten Zuschlagstoffen vermischt. Die Mischung wird durch eine Düse extrudiert, die Materialstränge entlang programmierter Bahnen ablegt, wodurch herkömmliche Schalungen entfallen und die Baustellenabfälle um den 90%.
vermindert werden. Die Bewegungsfreiheit des Roboters ermöglicht die Herstellung von gekrümmten Oberflächen und geometrischen Texturen, die an Terrassen inspiriert sind und mit konventionellen Methoden nicht realisierbar sind. Nach dem Druck härtet das Kalk-basierte Material bei Raumtemperatur innerhalb weniger Tage aus, ohne dass energieintensive Härtungsprozesse wie bei Portlandzement erforderlich sind.
Bei Pellet-basierten LFAM-Systemen (Large Format Additive Manufacturing) wie denen von CEAD verarbeiten Schneckenextruder mit kurzen Fasern verstärkte thermoplastische Granulate und erreichen hohe Durchsätze geeignet für die Produktion von strukturellen Komponenten in Realgröße. Diese Systeme können zellulosebasierte Biokomposite integrieren und bieten so Alternativen zu Glas- oder Kohlenstofffasern mit geringerer Umweltauswirkung.
Physikalische und leistungstechnische Eigenschaften von Endprodukten
Materialien, die aus landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen werden, zeigen strukturelle, thermische und Haltbarkeitsmerkmale, die mit herkömmlichen Produkten vergleichbar sind, mit spezifischen Vorteilen in Bezug auf Nachhaltigkeit und Zeitverhalten.
CORNCRETL kann die CO2-Emissionen im Vergleich zu Portlandzement um bis zu 70% reduzieren, dank der auf Kalk basierenden Chemie und dem Niedrigtemperatur-Härtungsprozess. Das Material weist zudem ein selbstheilendes Verhaltenauf: Wenn Feuchtigkeit in die Mikrorisse eindringt, kristallisieren sich die nicht reagierten Kalkpartikel wieder und versiegeln den Riss teilweise – eine Eigenschaft von Kalkbinder, die die Haltbarkeit im Laufe der Zeit verbessert.
Die Prototypen der Modulwände wurden erfolgreich bis zu einer Höhe von 80 cm gedruckt und in voller Größe im Freiluftlabor Shamballa in Italien getestet, was die strukturelle Machbarkeit des Systems bewies. Die Tests haben die Fähigkeit des Materials bestätigt, Lasten zu tragen, die mit nicht tragenden und trennenden Bauanwendungen kompatibel sind.
Im Kontext von recycelten thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen deuten erste von CEAD durchgeführte Tests darauf hin, dass die regenerierten Materialien Eigenschaften für nicht kritische strukturelle Anwendungen beibehalten und für Formen oder Produktionsequipment geeignet sind. Die Gegenwart kurzer Fasern in den recycelten Granulaten trägt zur Erhaltung der mechanischen Festigkeit und Steifigkeit bei, obwohl jeder Recyclingzyklus einen gewissen Abbau der Polymerketten mit sich bringt.
Industrielle Fallstudien und Skalierbarkeit
Finanzierte Pilotanlagen und Forschungsprojekte zeigen, dass die Umwandlung von Agrarabfällen in Baumaterialien auf industrieller Ebene mit dezentralen und zirkulären Produktionsmodellen umgesetzt werden kann.
Das Projekt AddMamBa der RWTH Aachen University, finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, untersucht die Umwandlung von Stahlschrott in 3D-gedruckte Fassadenhalterungen, doch der angewendete Kreislaufwirtschaftsmodell ist auch für biobasierte Materialien relevant. Das Konsortium umfasst Abrissunternehmen (Paul Kamrath Ingenieurrückbau GmbH), Hersteller von BauSystemen (RSB Rudolstädter Systembau GmbH) und Spezialisten für additive Fertigung (Laser Melting Innovations GmbH), was zeigt, wie die gesamte Wertschöpfungskette – vom Sammeln des Abfallmaterials bis zur Produktion der zertifizierten Komponente – industriell integriert werden kann.
Im Fall von CORNCRETL sieht das vorgeschlagene Modell lokale Mikrofabriken in der Nähe landwirtschaftlicher Gebiete, wo Reststoffe gesammelt, verarbeitet und in Bauelemente umgewandelt werden. Dieser dezentrale Ansatz reduziert die Logistikkosten und macht das Material auch in Gebieten mit Mangel an herkömmlichen Baumaterialien zugänglich. Die Modularität der gedruckten Komponenten erleichtert den Transport mit kleineren Fahrzeugen im Vergleich zu traditionellen Holzladungen oder schweren Fertigteilen.
CEAD hat in sein produktives Ökosystem Lösungen für Zerkleinerung und Regranulierung integriert, die Druckabfälle in neue Pellets umwandeln und den Kreislauf von verstärkten thermoplastischen Materialien schließen. Dieser geschlossene Workflow wurde erfolgreich in Branchen wie
articolo scritto con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale
Fragen & Antworten
- Wie groß ist die Umweltauswirkung der Bauindustrie und wie können Agrarabfälle helfen?
- Die Bauindustrie ist für 32% des globalen Energieverbrauchs und 34% der CO₂-Emissionen verantwortlich. Agrarabfälle wie Stroh und Schalen können in alternative Baumaterialien umgewandelt werden, was den Einsatz nicht erneuerbarer Ressourcen reduziert und die Emissionen senkt.
- Wie funktioniert das CORNCRETL-Projekt in Mexiko?
- CORNCRETL nutzt Rückstände der Maisverarbeitung, wie Nejayote und getrocknete Stängel, um ein druckbares Verbundmaterial zu erstellen. Dieses Material wird von Robotern extrudiert, um architektonische Elemente ohne Schalung zu bauen, wodurch Abfall und Emissionen reduziert werden.
- Welche vorbereitenden Phasen sind notwendig, um Agrarabfälle aufzubereiten?
- Die Abfälle werden getrocknet, zerkleinert und gesiebt, um eine einheitliche Korngröße zu erhalten. Dieser Schritt ist entscheidend, um die Qualität des Endmaterials zu gewährleisten und Defekte während der industriellen Verarbeitung zu verhindern.
- Welche Technologien werden verwendet, um landwirtschaftliche Abfälle in Baumaterialien umzuwandeln?
- Es werden Technologien wie robotergestütztes Extrudieren, Pressen und Polymerisierung mit natürlichen Bindemitteln eingesetzt. Beispielsweise verwendet CORNCRETL einen KUKA-Roboterarm und ein Extrusionssystem, um Elemente aus Kalk und pflanzlichen Resten zu drucken.
- Welche Vorteile bieten Materialien aus landwirtschaftlichen Abfällen im Vergleich zu traditionellen Materialien?
- Diese Materialien reduzieren die CO₂-Emissionen um bis zu 70%, weisen Selbstheilungseigenschaften auf und sind für nicht tragende Anwendungen geeignet. Darüber hinaus ist ihr Herstellungsprozess im Vergleich zu herkömmlichem Zement energieintensiver.
