Rohstoff Sand – eine Mangelware?

1‌ Einführung

Wenn etwas nahezu unbegrenzt zur Verfügung steht, benutzt man in einigen Ländern gern den Ausdruck „Das gibt es wie Sand am Meer“. Während insbesondere Wüsten zu viel Sand besitzen, sind die Ressourcen für Bausand begrenzt. Der weltweite Bauboom hat die Nachfrage nach Sand und Kies (Bild 1) in den letzten zwei Jahrzehnten verdreifacht. Dies ist das Ergebnis einer Untersuchung der UNEP (UN Environment Programme) aus dem Jahr 2019. Nach Erhebungen der UNEP werden weltweit jedes Jahr 40 bis 50 Milliarden t (Mrd. t) Sand und Kies abgebaut und in der Bauindustrie bzw. für Infrastrukturmaßnahmen verwendet. Der Bedarf steige schneller als sich geeignete Ressourcen auffüllen. Der übermäßige Sand- und Kiesabbau entlang von Küsten und Flusslandschaften habe schwerwiegende Folgen für die Umwelt und führe vermehrt zu Auswaschungen und Überschwemmungen [1].

2 Der Rohstoff Sand

2.1 Entstehung und Vorkommen

Sand entsteht bei der Verwitterung von Gesteinen. Durch Niederschlag, Wind, Frost und Temperaturschwankungen werden die im Gestein enthaltenen festen Verbindungen im Laufe der Jahre zu Gesteinskörnern gelöst. Kalksandstein verwittert deutlich schneller als harter Quarzit. Die Sandkörner werden von Wind, Wasser und Eis teilweise über weite Strecken transportiert und unterliegen einem mechanischen Abrieb und werden dabei abgerundet. Schließlich werden die Sandkörner in geologischen Lagerstätten abgelagert und teilweise wieder zu Sandstein verfestigt. Bild 2 zeigt qualitativ den Anteil dieser Fraktionen an den natürlichen Oberflächenvorkommen der Erde. Man erkennt, dass Sande mit insgesamt nur etwa 10 % einen relativ geringen Anteil ausmachen. Kies kommt auf doppelt so hohe Anteile von 20 %. Die größten Anteile mit etwa 45 % lagern in den Steinbrüchen der Erde.

2.2 Korngrößen und Einsatz in der Bauindustrie

Die mineralische Zusammensetzung und Färbung des Sandes ist unterschiedlich. Der am weitesten verbreitete Sand besteht hauptsächlich aus Quarz (Siliziumdioxid = SiO₂). In der Bauindustrie ist die relativ hohe Härte von Quarzsand sehr willkommen (7 auf der 10-stufigen Mohs’schen Härteskala). Bei Sand unterscheidet man 3 Korngrößenbereiche. Feinsand hat Korngrößen von > 0,063 – 0,2 mm, Mittelsand wird definiert mit > 0,2 – 0,63 mm und Grobsand mit > 0,63 – 2,0 mm. Kleinere Korngrößen unterhalb vom Feinsand werden als Schluff bezeichnet, noch kleinere unterhalb von 0,002 mm als Ton. Größere Korngrößen als Grobsand bezeichnet man als Kies bzw. Splitt (aus der Natursteinzerkleinerung). Auch beim Kies werden Fein-, Mittel- und Grobkies unterschieden. Nach den üblichen Konventionen bezeichnet man Material, was größer als 63 mm ist, als Steine und alles was größer als 200 mm ist als Blöcke.

Die Herstellung von Beton ist in einschlägigen Normen wie beispielsweise der EN 206 geregelt. Die erforderlichen Mengen an Wasser, Zement, Gesteinskörnungen (Sand, Kies, Splitt) und Zuschlägen wie Hüttensandmehl (HSM) oder Flugasche richtet sich dabei nach den Betonklassen und Verwendungen. Bild 3 zeigt die üblichen Massenanteile für einen Normalbeton gemäß EN 206. Dabei werden für einen m³ Beton, etwa 150 l Wasser, 300 kg Zement, 630 kg Sand, 580 kg Feinkies und 700 kg Mittelkies verwendet. Der Anteil an Zement und Wasser liegt somit knapp unter 20 %, etwas mehr als 80 % entfallen auf die Gesteinskörnungen. Der Anteil von Bausand an der Gesamtmenge liegt dabei bei unter 30 %. Das Verhältnis von Zement zu Bausand beträgt etwa 1 : 2. Für den Fall, dass Zement teilweise durch HSM oder Flugasche ersetzt wird, steigt das Verhältnis von Zement zu Bausand auf maximal 1 : 2,5.

2.3 Marktgröße und Bedarf

Bisher existieren praktisch keine verlässlichen Daten zu dem weltweiten Bedarf an Bausand und Kies. Der industrielle Markt ist in den Industriestaaten etwas besser erfasst, ist aber im Vergleich zu den Mengen in der Bauindustrie außer in den USA zumeist vernachlässigbar. Anders ist das aber bei der wirtschaftlichen Bedeutung. Von der UNEP wird die weltweite Marktgröße von 40 Mrd. t für Bausand und Kies aus den Verhältniszahlen der Zementproduktion und der Produktion von Gesteinskörnungen in den USA abgeleitet. Dort zeigte sich über die letzten 2 Jahrzehnte eine Korrelation mit dem Faktor 1 : 10. Mit der weltweiten Zementproduktion in Höhe von 4,1 Mrd. t im Jahr 2017, wird somit eine Menge von 41 Mrd. t für Bausand und Kies abgeleitet. Auf einen ähnlichen Wert von 40,2 Mrd. t kommt das Marktforschungsunternehmen Freedonia in ihrer Marktstudie aus dem Jahr 2016 – dies gilt allerdings für alle Gesteinskörnungen, einschließlich der Produkte aus der Natursteinzerkleinerung.

Nimmt man die Marktzahlen aus den USA, die in einer langen Zeitreihe von dem US Geological Survey (USGS) veröffentlicht werden, ergibt sich mit den Produktionszahlen für Sand und Kies und den Produktionszahlen aus der Natursteinzerkleinerung eine Menge an Gesteinskörnungen von insgesamt 2,49 Mrd. t (Bild 4) bzw. ein Pro-Kopfverbrauch von 7,6 t. Bausand und Kies machen 39 % davon aus, industrieller Sand und Kies kommen auf 5 % und zerkleinerter Naturstein kommt auf den Löwenanteil von 56 %. Aus unserer Sicht macht es wenig Sinn, diese Zahlen mit dem weltweiten Zementbedarf hochzurechnen. Die USA kommen mit 1,3 Trillionen US$ allein auf fast 12 % der weltweiten Bauausgaben. Dies wird deutlich bei einem Vergleich von Infrastruktur-Eckdaten wie beispielsweise dem Pro-Kopf Streckennetz von Straßen, Autobahnen und Bahntrassen mit dem Weltdurchschnitt.

3 Marktbetrachtungen, weltweit

3.1 Europa

In Europa (EU28) gibt es gemäß der UEPG (Union Européenne des Producteurs de Granulats) insgesamt etwa 13 900 Betriebe, in denen Gesteinskörnungen wie Sand, Kies und Naturstein gewonnen werden. Die Zahl der operativen Sand- und Kiesgruben sowie Steinbrüche wird mit 24 540 beziffert. Bild 5 zeigt die teilweise geschätzten Produktionsmengen für das Jahr 2017. Danach stammen mit 1282 Millionen Jahrestonnen (Mta) bzw. fast 45 % die größten Mengen aus zerkleinertem Naturstein, 1097 Mta bzw. 38,4 % entfallen auf Sand- und Kies und nur 9,3 % stammen aus der Wiederverwertung von Bauabfällen. Durchschnittlich hat Europa einen ProKopf-Verbrauch von 5 t Gesteinskörnungen. Die wichtigsten Produzenten in der EU sind Deutschland, Frankreich, Polen, Großbritannien und Italien, die auf insgesamt fast 63 % der Anteile kommen (Bild 6). Die TOP 10, zu denen außerdem Spanien, Österreich, Schweden, Rumänien und Belgien zählen, kommen auf insgesamt fast 80 %.

In Bild 7 ist die Entwicklung der Produktion für Gesteinskörnungen in Europa (EU28 + EFTA) dargestellt. Nach 3,65 Mrd. t in 2007 wurde in 2013 eine Talsohle mit 2,61 Mrd. t erreicht. Seitdem ist wieder ein stetiges Wachstum der Produktionsmengen mit etwa 2,5 bis 3,5 % jährlich erkennbar. Die Anteile der Sand- und Kiesproduktion an der Gesamtproduktion haben seit 2010 von 42 % auf 38 % in 2017 abgenommen. Dies hat in erster Linie mit den höheren Recyclingraten in der Baustoffproduktion und der teilweisen Bedarfsdeckung durch industrielle Nebenprodukte (Flugasche, Stahlwerksschlacke) zu tun, und weniger mit der begrenzten Verfügbarkeit. In der EU28 + EFTA wurden in 2017 etwa 163 Mta Zement produziert. Damit könnten entsprechend den Mengenanteilen bei Bild 3 fast 545 Mm³ Beton hergestellt werden, die etwa 1010 Mta Gesteinskörnungen (davon 325 Mta Sand) benötigen. Tatsächlich wurden in 2017 aber nur etwa 261 Mm³ Transportbeton hergestellt.

3.2 USA

In den USA wurden in 2018 etwa 970 Mta Sand und Kies für die Bauindustrie von 3800 Betrieben mit ca. 9350 Sand- und Kiesgruben mit einem Marktwert von 8,7 Mrd. US$ erzeugt. Dazu kommen geschätzte 120 Mta Sand und Kies für Industrieanwendungen mit einem Marktwert von 6,2 Mrd. US$. 73 % bzw. etwa 88 Mta davon wurden für die Fracking-Industrie bereitgestellt, in die Glasindustrie gingen 7 % und 4 % wurden als Gießereisand verwendet. Bild 8 zeigt, wie sich die Produktionsmengen in den letzten Jahren entwickelt haben. In 2006 betrugen die Mengen für Sand und Kies noch 1320 Mta. Seit 2007 haben die Mengen von 1240 Mta bis auf 805 Mta in 2010 abgenommen. Inzwischen steigen die Produktionszahlen. Für 2018 wird ein Anstieg von fast 8 % erwartet. Bei Industriesand werden nach der Flaute der letzten Jahre bei neuen Ölbohrungen für 2018 Wachstumsraten von über 17 % erwartet.

3.3 China

Nach aktuellen Zahlen der Chinese Aggregates Association (CAA) wurden in China jährlich über 20 Mrd. t. Sand und Gesteinskörnungen von mehr als 150 000 Betrieben produziert und hauptsächlich in der Bauindustrie verbraucht (Bild 9). Auf den Betonverbrauch entfallen allein 14,3 – 14,7 Mrd. t, wenn man einen Zementverbrauch von 2,3 Mrd. t zugrunde legt. Etwa 4,8 Mrd. t entfallen allein auf Bausand. Dieser ist in China knapp geworden. Über Jahre waren die Preise für Flusssand z.B. aus dem Yangtse mit Preisen von etwa 40 Yuan/t (5,7 US$/t) weitgehend stabil. Inzwischen sind diese Preise auf 130 Yuan/t gestiegen, das entspricht Preisanstiegen von 325 %. Zwei Gründe sind dafür ausschlaggebend. Zum einen sind für Sand- und Kiesbetriebe strengere Auflagen erlassen worden und Betriebe, die die Auflagen nicht erfüllen, wurden geschlossen. Zum anderen besteht weiterhin ein enormer Bedarf der Bauindustrie. Weniger als 5 % der Bau- und Abbruchabfälle werden bisher in China recycelt.

China ist dabei, seine Produktionsstruktur für Bausand, Kies und Naturstein umzustellen. Illegale und unwirtschaftliche Sand- und Kiesgruben werden geschlossen. Bereits mehr als 400 neue moderne Steinbrüche wurden eröffnet. In großem Maße wird knapp gewordener Flusssand, der für Hochleistungsbeton eingesetzt wird, durch maschinell hergestellten Sand aus Kiesgruben und Steinbrüchen ersetzt. Die großen Zementunternehmen, die bisher nur auf relativ kleine Produktionskapazitäten bei Gesteinskörnungen kommen, investieren kräftig in die Technologie. Für 2020 ist dort bereits eine Kapazität von über 1 Mrd. t geplant, nach weniger als 0,3 Mrd. t im Jahr 2017. Allein CNBM, die 2017 mehr als 370 Mta Zement produziert haben, will seine derzeitigen Kapazitäten von weniger als 40 Mta auf über 700 ausbauen. Ähnliche Planungen existieren bei Conch Cement und den anderen chinesischen TOP-Zementfirmen. Damit sollen auch Sandimporte aus Malaysia und den Philippinen eingedämmt werden.

3.4 Andere BRIC-Staaten

Indien ist aus Sicht vieler Experten der am schnellsten wachsende Markt bei Gesteinskörnungen. Im Jahr 2018 wurden nach aktuellen Schätzungen der AMA (Aggregates Manufacturers Association) 5080 Mta produziert. Davon entfielen allein 710 Mta auf Flusssand und 720 Mta auf maschinell hergestellten Sand aus Kiesgruben und Steinbrüchen. Auf Kies entfallen 1600 Mta und auf zerkleinerten Naturstein 2050 Mta. Während die Produktion von Flusssand zuletzt um 3 % abnahm, wuchs die Produktion von maschinell hergestelltem Sand allein im Jahr 2018 um 70 %. Nach Informationen von Freedonia hatte der Markt 2015 noch bei 3330 Mta gelegen, was einem ProKopf-Verbrauch von 2,5 t Gesteinskörnungen entspricht. Mit den Zahlen für 2018 wäre dieser Wert innerhalb von 3 Jahren auf 3,7 t gestiegen. Die indische Zementproduktion in Höhe von 520 Mta erfordert Gesteinskörnungen in einer Menge von etwa 3200 Mta.

Der brasilianische Bedarf an Gesteinskörnungen ist von 340 Mta im Jahr 2000 durchschnittlich um 6,2 % auf 745 Mta im Jahr 2013 angewachsen (Bild 10). Mit der Wirtschafts- und Baukrise im Land fiel der Bedarf um 33 % auf 497 Mta im Jahr 2017 mit einem ProKopf-Verbrauch von nur 2,4 t. Seitdem werden wieder leichte Anstiege der Bedarfsmengen um jährlich 3,5 bis 5 % prognostiziert. Die Verhältnisse der Mengen an Sand und Kies blieben über die Jahre mit 58 % zu 42 % weitgehend stabil. Einbrüche in der Sandproduktion sind bisher nicht zu erkennen. Russland zeigt sogar eine vergleichsweise positive Entwicklung. Die Produktion von Gesteinskörnungen ist von 422 Mta im Jahr 2010 auf 706 Mta im Jahr 2017 angewachsen. Die Mengen für Sand und Kies betragen nunmehr 282 Mta (40 %) nach 163 Mta (39 %) in 2010. Prozentual sind die Anteile für Sand und Kies an den Bedarfsmengen auch hier unverändert.

4 Wichtigste Produzenten

Der Weltmarkt für Gesteinskörnungen ist ein überaus fragmentierter Markt, in dem sich bisher nur wenige globale Unternehmen etablieren konnten. Tabelle 1 gibt einen Markteinblick mit den TOP 7 Unternehmen, die insgesamt nur einen Weltmarktanteil von 3,2 % haben. Die drei führenden Unternehmen sind HeidelbergCement, die CRH Gruppe und LafargeHolcim, die ebenfalls in der Zementindustrie zu den wichtigsten Unternehmen zählen. Die führenden internationalen Zementunternehmen haben schon seit jeher auf eine vertikale Integration gesetzt, wobei neben Zement auch Beton (Bild 11), Gesteinskörnungen und zumeist auch Asphalt das Portfolio dieser Unternehmen ausmachen. Durch Zukäufe, Übernahmen und Unternehmenszusammenschlüsse haben es die führenden Unternehmen geschafft, zumindest in Europa und Nordamerika marktführende Positionen einzunehmen.

HeidelbergCement verfügt von den genannten Unternehmen über die weltgrößten Reserven in Höhe von 19 Mrd. t, die einen Betrieb der Sand- und Kiesgruben (Bild 12) und Steinbrüche für die nächsten 90 Jahre sichern. CRH ist das führende Unternehmen in Nordamerika, insbesondere nach der erfolgreichen Übernahme von Ash Grove Cement im Jahr 2018. Über die Gesamtzahl seiner Kiesgruben und Steinbrüche (Bild 13) hält sich das Unternehmen bedeckt. Bei LafargeHolcim betrug die Zahl der Betriebe zuletzt über 600 (Bild 14), womit man in dieser Kategorie mit HeidelbergCement gleichzieht. Die beiden nächsten Plätze im Ranking gehen an Vulcan Materials und Martin Marietta (Bild 15), wobei diese Unternehmen mit Gesteinskörnungen ihren größten Umsatzanteil erwirtschaften. Die TOP 7 wird mit Cemex, einem weiteren Zementgiganten, und Eurovia, die ein weltweit führendes Unternehmen im Verkehrswegebau sind und zur VINCI Gruppe gehören, abgeschlossen.

5 Markttrends und Ausblick

Freedonia prognostizierte ein Wachstum des Bedarfs für Gesteinskörnungen von 40,2 Mrd. t um jährlich durchschnittlich 5,2 % auf 51,7 Mrd. t in 2019. Zerkleinerter Naturstein, recyclierter Beton, Flugasche und Hüttensand sollen dabei doppelt so schnell wachsen wie Bausand und Kies. Beton würde das größte Marktsegment bleiben und das größte Marktwachstum wäre im asiatischen/pazifischen Raum zu finden. Grundsätzlich sind diese Annahmen nachvollziehbar, aber sie erfordern einige Kommentare. Insbesondere sehen zahlreiche Experten aufgrund der CO₂-Diskussion allgemeine Rückgänge in der Verfügbarkeit von Flugasche und Beton [2]. Auch die Zuwächse bei recycliertem Beton und anderen Bauabfällen (Bild 16) sind in den meisten führenden Ländern kaum nennenswert [3; 4] und machen nach Ansicht des Fachverbandes UEPG selbst bei einem Recycling von 100 % nur 12 bis 20 % der Bedarfsmengen an Gesteinskörnungen aus.

Was in der o.g. Marktstudie zu wenig betrachtet wird, sind in erster Linie zwei wichtige Trends. Erstens der Trend zu maschinell hergestellten Sanden (Bild 17) und zweitens die Möglichkeit, die riesigen Mengen an Abraum und Tailings aus der Bergbauindustrie für den Bausektor zu verwenden [5]. Dies wird u.a. bereits in China gefordert und in Teilen umgesetzt. Schließlich ist noch ein weiterer Hinweis angebracht. Unternehmen wie VINCI planen, Hochleistungsbeton und entsprechende Bauteile über 3D-Drucker zu erzeugen (Bild 18). Dass dabei Betone mit anderen Eigenschaften, weniger Zement und anderen optimalen Kornzusammensetzungen der Gesteinskörnungen zum Einsatz kommen, ist zwingend, so dass künftige Prognosen erschwert werden. Dubai will bis zum Jahr 2030 bereits ein Viertel der Neubauten auf dieser Basis erstellen.