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Was passiert mit dem Müll, der in der schwarzen Tonne vor der Haustür landet? Er wird zum Beispiel verbrannt. Dabei fallen in Deutschland jährlich etwa 5,7 Millionen Tonnen Asche an, stellen Forschende der TH Köln fest. Gemeinsam mit weiteren Hochschulen und Forschungsinstituten sowie Unternehmen der Abfallwirtschaft und Betonherstellung arbeiten sie im Projekt ASHCON daran, mineralische Rückstände als Gesteinskörnung nutzbar zu machen. Das Vorhaben wird im Rahmen des Programms Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Bauen und Mineralische Stoffkreisläufe (ReMin) vom Bundesministerium für Bildung und Forschung bis Ende 2024 mit etwa einer Million Euro gefördert.

Die Betonherstellung, wie sie aktuell im großen Stil stattfindet, verbraucht nicht nur enorme Mengen Energie, sondern beruht auch auf dem Abbau von Kalk, Kies und Sand in riesigen Steinbrüchen – mit entsprechenden Konsequenzen für Pflanzen, Tiere und Grundwasser. Zumindest für einige der mineralischen Rohstoffe könnten die Forschenden eine Alternative gefunden haben. Dazu schauten sie sich die Zusammensetzung von Müllverbrennungsaschen (MV-Aschen) an. Diese entstehen bei der Verbrennung von sogenannten gemischten Siedlungsabfällen, sprich haushaltsüblichem Müll. In den MV-Aschen sind überwiegend (schwer-)metallische und mineralische Schmelzprodukte enthalten. Letztere könnten Kies oder Sand bei der Betonherstellung ersetzen, wenn es gelingt, ausreichende Mengen in gleichbleibend guter Qualität aus den Aschen zu gewinnen.

Abfallwirtschaft, Hochschulen und Betonwerke im Team

Im Rahmen des Vorhabens entwickeln die Forschenden Aufbereitungs- und Verarbeitungsverfahren, um aus den MV-Aschen Ausgangsstoffe für die Herstellung von Transportbeton und Betonwerkstein zu gewinnen. Projektpartner der TH Köln sind das Institut für Infrastruktur, Wasser, Ressourcen und Umwelt (IWARU) an der FH Münster, das Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen (IBAC), das Fraunhofer-Institut für Bauphysik, der Bergische Abfallwirtschaftsverband (BAV), das Entsorgungsunternehmen AVEA, das Aachen Institute for Nuclear Training (AINT), die Hersteller Fertigbeton Rheinland und METTEN Stein+Design sowie das Portlandzementwerk Wittekind Hugo Miebach & Söhne.

Von der Deponie ins Labor

Auf dem Gelände der BAV-Deponie Leppe werden abgelagerte sowie frisch angelieferte Aschen beprobt und zur Untersuchung ins benachbarte :metabolon Institut gebracht. Die Lehr- und Forschungseinrichtung der TH Köln, ist Fragen zur Weiterverwendung von Neben-, Rest- und Abfallstoffen gewidmet. Im institutseigenen Baustofflabor wurde die Korngrößenverteilung der Proben ermittelt. 60 Prozent der in einer Probe enthaltenen Körner ließen sich der Gruppe 2/8 zuordnen – diese werden in großen Mengen in der Betonherstellung benötigt.

Trennung per Stromstoß

Die Aufbereitung der MVA-Schlacke unterstütze das Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP), dessen besonderen Kompetenzen bei der elektrodynamischen Fragmentierung gefragt waren. Bei dem Verfahren werden die Schlackebrocken in einem Wasserbehälter kurzen elektrischen Impulsen ausgesetzt. Es entstehen Blitzendladungen, durch die sich metallische von mineralischen Bestandteilen abspalten. Die erhaltenen Fragmente werden anschließend klassiert, um Körner von mindestens 2 mm Größe zu erhalten. Für den Einsatz im großmaßstäblichen MVA-Recycling muss diese Technologie noch für größere Volumenströme und einen kontinuierlichen Betrieb weiterentwickelt werden.

Asche statt Kies

Mit den aus den Aschen gewonnenen Körnern testeten die Wissenschaftler*innen verschiedene Betonrezepturen, mit Blick auf Verarbeitbarkeit und Druckfestigkeit. Untersuchungen der Mischungen und der mit ihnen hergestellten Probekörper zeigten, dass sich etwa die Hälfte des in Standardrezepturen enthaltenen Kieses durch aufbereitete MV-Asche ersetzen lässt, ohne dass sich die Frisch- noch die Festbetoneigenschaften signifikant verändern. Nun arbeitet das Projektteam daran, wie die Betonproduktion mit MV-Aschen in großem Maßstab möglich ist.

Analyse der Prozesse und Ergebnisse

Verschiedene Stellen wirken im ASHCON-Projekt mit, um die Aufbereitungsverfahren, Umweltverträglichkeit der gewonnenen Baustoffe und die Dauerhaftigkeit der Betone zu bewerten: Wie erfolgreich die elektrodynamische Fragmentierung ist, sollte die chemisch-mineralogische Charakterisierung der Restbestandteile beim IBP klären. Für die stoffliche Analyse war das Aachener Institute for Nuclear Training (AINT) in Eschweiler zuständig. Am Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen (IBAC) werden die umweltrelevanten Aspekte für betontechnische Anwendungen untersucht. Problematisch sind beispielsweise Reste von Schwermetallen wie Kupfer.

ASHCON und die weiteren ReMin-Vorhaben können über die Webseite des Programms verfolgt werden (siehe Surftipps).

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