Auswertung
Einleitung
In der vorliegenden Auswertung der Ökobilanzierung des fiktiven Mustergebäudes (Entwurf aus Masterarbeit „Abbau Aufbau“, 2020) werden die Potenziale zur Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen und des Verbrauchs von Primärressourcen durch die Wiederverwendung von gebrauchten Betonelementen im Vergleich zu einer konventionellen Bauweise mit neuen Materialien dargestellt.
Baukonstruktion
Das Mustergebäude ist ein teils ein- und teils zweigeschossiges Wohngebäude mit 23 Wohnungen auf einer Nettogrundfläche von insgesamt ca. 3685m2. Die Rohbaukonstruktion wird als Stahlbetonskelett mit aussteifenden Stahlbetonwänden ausgebildet. Der Großteil des Rohbaus besteht aus wiederverwendeten Betonelementen (Decken-, Unterzug-, Stützenelemente) aus dem Rathaus Ahlen. Die aus dem zerschnittenen Spendergebäude in einheitlicher Breite vorliegenden Elemente werden seitlich von neu hergestellten Stahlbeton-Unterzügen getragen und über einen nachträglichen Bewehrungsanschluss mit diesen verbunden. Das Gebäude ist auf einem bewehrten Betonstreifenfundament gegründet. Die Fußbodenkonstruktion im Erdgeschoss ist mit tragenden Holzbalken und dämmender Schaumglasgranulat-Schüttung geplant. Innenwände und Ausfachungen werden aus Ziegelmauerwerk mit Kalkputz hergestellt. Die Fassade besteht aus großen Fenster-/Türelementen für die transparenten Fläche sowie Holzfaserdämmung und Bekleidungen aus Holz und Titanzinkblech bei den geschlossenen Flächen. Das Dach ist als Warmdachkonstruktion mit EPS-Gefälledämmung und Kunststoffdachbahn vorgesehen.
Szenario Mustergebäude (ReUse)
und Szenario Referenzgebäude (Neubau)
Die durchgeführten Untersuchungen im Bezug auf Treibhausgasemissionen im Herstellungsprozess (LCA Module A1-3) und Transport (LCA Modul A4) sowie der Primärressourcenverbrauch für die Bereitstellung von Baustoffen und -produkten basieren auf zwei Szenarien: Das Mustergebäude unter Verwendung der beschriebenen gebrauchten Betonelemente (ReUse-Case) und das Referenzgebäude, für das genau die gleiche Baukonstruktion angenommen wird, die Betonelemente jedoch aus neuem Stahlbeton hergestellt werden (Neubau-Case). Für die gebrauchten Betonelemente werden für den Herstellungsprozess keine CO2-Emissionen und kein Primärressourcenverbrauch angenommen, da die Elemente bereits einen Lebenszyklus (50 Jahre) abgeschlossen haben. Lediglich der Transport von der Rückbaubaustelle bis zum Wiederneubau wird berücksichtigt.
Modellierung, Mengenermittlung
Zur Mengenermittlung wurde ein detailliertes 3D-Modell erstellt. So konnten die Volumen- bzw. Flächengrößen der Baustoffe ausgelesen werden.
Methodik – LCA
Für die Ökobilanzierung wurden die Bilanzierungsregeln nach dem vereinfachten Verfahren gemäß des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB) angewendet. Es wurden folgende Bauteile berücksichtigt: Außenwände, Fenster, Außen-Beschichtungen, Dach, Geschossdecken, Fußbodenaufbau, Fußbodenbeläge, Geschossdecken, Fundamente, Innenwände einschließlich Beschichtungen, Stützen, Türen.
Über ein Plugin für Grasshopper (visuelle Programmierschnittstelle des 3D-Programms Rhino) wurde das 3D-Modell des Mustergebäudes mit LCA-Daten der internationalen Ökobilanzierungsplattform One-Click-LCA referenziert. Jedem der Bauteile wurde ein spezifischer Materialdatensatz (EPD oder Ökobaudat-Datensatz, s.u.) zugeordnet. Nach dem Export aus der 3D-Umgebung in die Web-Oberfläche von One-Click-LCA konnten die Berechnungen der LCA exportiert und analysiert werden.
Die Systemgrenzen für die vorliegende Ökobilanzierung wurden auf die Module A1-4 (Herstellung und Transport) festgelegt, da die restlichen Module für die vorliegende Forschung unerheblich sind. Der Fokus wurde auf das Einsparpotenzial bei der Herstellung der Baustoffe und -produkte des Gebäudes gesetzt. Die Errichtung (Modul A5), der Betrieb (Modul B) und der Rückbau (Modul C) sind unabhängig vom Produktursprung (gebraucht oder neu) und daher für beide Szenarien gleichwertig.
Zur Vereinfachung der Auswertung wurden nur die Daten der Umwelteinwirkungskategorie Global-Warming-Potential (in kg CO2-Äq.) betrachtet. Daten zu den weiteren Umwelteinwirkungskategorien (Versauerung, Überdüngung, Ozonschichtabbau, Ozonbildung, Verwendung von Primärenergie und biogener Kohlenstoffspeicherung) liegen vor, werden hier aber nicht dargestellt.
Methodik – Primärressourcenverbrauch
Für die Berechnung des Primärressourcenverbrauchs wurde die bereits für die Ökobilanzierung berücksichtigte, oben beschriebene Baukonstruktion auf ihre stoffliche Zusammensetzung hin analysiert und der Bedarf an Primärressourcen für die Herstellung der einzelnen Baustoffe und -produkte ermittelt. Basierend auf der Tabelle zu Materialintensität (MIT) von Materialien, Energieträgern, Transportleistungen und Lebensmitteln, die vom Wuppertal Institut für Klima Umwelt Energie im Jahr 2014 veröffentlicht wurde, konnte der Verbrauch von abiotischen und biotischen Rohstoffen sowie Wasser und Luft pro Tonne Bauprodukt ermittelt und auf die aus dem 3D-Modell ermittelten Mengen des Mustergebäudes bezogen werden.
Auch hier wurden das ReUse-Szenario mit dem Neubau-Szenario verglichen, wobei für die gebrauchten Betonelemente kein erneuter Primärressourcenverbrauch angesetzt wurde, da diese bereits einen Lebenszyklus abgeschlossen haben.
Auswertung
Für das untersuchte Global-Warming-Potential (Emissionen von CO2 und CO2-Äquivalenten) kann festgestellt werden, dass durch die Verwendung von gebrauchten Betonelementen für den Rohbau 36,15% der Emissionen im Vergleich zum entsprechenden Referenzgebäude in konventioneller Bauweise mit neuem Ortbeton eingespart bzw. vermieden werden können. (Siehe Diagramm 1) Die Gesamtsumme der vermiedenen Emissionen beträgt 550,30 t CO2-Äq., was zum Beispiel ca. 1.700.000 Fahr-Kilometern mit einem durchschnittlichen Benziner-Pkw oder 550 Flügen von Berlin nach New York (eine Person, One-Way, Economy) entspricht.
Auf den Quadratmeter Nettogrundfläche bezogen, verursacht die Herstellung des Gebäudes im Neubau-Szenario das Global-Warming-Potenzial von 413,22 kg CO2-Äq./m2-NGF für die Module A1-4. Beim ReUse-Szenario sind es nur 263,83 kg CO2-Äq./m2-NGF. Zur Einordnung kann eine Studie des DGNB herangezogen werden, in der 50 Neubauten auf ihren CO2-Austoß (GWP) hin untersucht wurden. Die Studie umfasst Büro- und Wohngebäude und kommt auf einen Mittelwert von ca. 365 kg CO2-Äq./m2-NGF für die Bauwerkherstellung. Da hier nur die Module A1 bis A3 dargestellt wurden, muss für die Vergleichbarkeit zu den in diesem Forschungsprojekt ermittelten Daten das Modul A4 addiert werden. Der hierfür ermittelte Wert liegt für die Muster- und Referenzgebäude bei ca. 14,8 kg CO2-Äq./m2-NGF.
Erweitert man nun also den GWP-Mittelwert der real durchgeführten Bauvorhaben um den Referenzwert für Modul A4 von ca. 15 kg CO2-Äq./m2-NGF, würde im Neubau-Szenario das flächenbezogene GWP der DGNB-Studie um ca. 33 kg CO2-Äq./m2-NGF überschritten. Das entspricht ca. 9% des beschriebenen Mittelwerts der Studie. Im Falle des ReUse-Szenarios würde es um ca. 117 kg CO2-Äq./m2-NGF unterschritten, ca. 31% des DGNB-Mittelwerts. (Siehe Diagramm 4)
Beim Primärressourcenverbrauch ist durch die Wiederverwendung der gebrauchten Betonelemente eine Einsparung von 33,10% der benötigten Primärressourcen möglich. (Siehe Diagramm 2) Das entspricht einer Menge von ca. 28.950 t Rohstoffe, die nicht abgebaut bzw. verbraucht werden müssen. Für die Herstellung von einer t Beton werden 4,79 t Rohstoffe benötigt. Vor allem wird Wasser benötigt – etwa 3,42 t Frischwasser pro t Beton. Aber natürlich müssen auch abiotische (v.a. mineralische) Rohstoffe wie Kalkstein und Sand bereitgestellt werden – ungefähr 1,31 t abiotische Rohstoffe pro t neuen Betons.
Um eine Vorstellung über die Ausmaße des eingesparten Volumens zu bekommen, können dementsprechend angenommen werden, dass 30% der eingesparten Primärressourcen abiotische Rohstoffe (d.h. 8.685 t) sind und die restlichen 70% Wasser (d.h. 20.265 t). Nimmt man für die eingesparten abiotischen Rohstoffe an, dass es sich vor allem um Sand handelt, kann über die Dichte (1,5 t / m3) das Volumen (5.790 m3) ermittelt werden. Das entspräche einem Zylinder von 17m Durchmesser und 25m Höhe. Daneben kann das eingesparte Wasser (Dichte: 0,997 t / m3) mit einem Zylinder von 32m Durchmesser und 25m Höhe dargestellt werden. (Siehe Diagramm 3)
Einordnung / Vergleich zu anderen Klimaschutzmaßnahmen im Bauwesen
Zur Einordnung der Größe des Potenzials zur Einsparung von CO2-Emissionen durch die Wiederverwendung von Betonelementen sollen im Folgenden eine Reihe anderer aktueller Maßnahmen zur Reduzierung von CO2-Emissionen im Bauwesen betrachtet werden.
Beim Recyclingbeton bestehen die Zuschlagstoffe aus recycliertem mineralischem Bauschutt (min. 25 bis max. 45% des Betonvolumens). So kann der Abbau von natürlichen Rohstoffen wie Sand und Kies sowie deren Weitertransport vermieden werden. Durch den Transport und das Zerkleinern des wiederverwendeten Bauschutts wird jedoch auch Energie verbraucht und CO2 freigesetzt. Die Klimabilanz hängt also stark vom Transportweg zwischen Abbruch- und Wiedereinbauort ab. Zudem muss für RC-Beton neuer Zement verwendet werden, dessen Herstellung bekanntlich sehr energieaufwendig und CO2-Emissions-intensiv ist. Der Vorteil von RC-Beton liegt damit eher in der Reduzierung des Primärressourcenverbrauchs.
Laut eines Datensatzes aus der Ökobaudat-Datenbank wird für die Herstellung (Module A1-3) des RC-Betons ein Global-Warming-Potential von 230 kg CO2-Äq. pro Kubikmeter RC-Transportbeton freigesetzt. Im Vergleich dazu liegt neuer Transportbeton bei 234,4 kg CO2-Äq. pro Kubikmeter. In beiden Fälle handelt es sich um Beton der Druckfestigkeitsklasse C20/25. RC-Beton spart demnach in der Herstellung nur unbedeutende ca. 2% der CO2-Emissionen im Vergleich ein und stellt damit keine wirklich klimafreundlichere Alternative zu herkömmlichem Beton dar.
Die Zementindustrie forscht seit einigen Jahren sehr intensiv an klimafreundlicheren Produktionsweisen für Zement. Ein Ergebnis dieser Bemühungen ist das Verfahren zur Abscheidung von CO2 während des Brennvorgangs der Zementklinker (Zwischenstadium bei der Zementherstellung). Heidelberg Cement, einer der größten Hersteller von Zement in Europa und seit 2022 in Heidelberg Materials umbenannt, veröffentlichte im März 2022 eine Presseinformation, in der der Bau einer CO2-Abscheideanlage im Werk Hannover mit geplanter Fertigstellung im Jahr 2025 angekündigt wurde. Diese Anlage soll 20% der CO2-Emissionen während der Herstellung abscheiden können.
Setzt man diese Reduzierung für den herkömmlichen Transportbeton voraus, könnte für die Herstellung eines Kubikmeters Transportbeton ein Global-Warming-Potential von 187,52 kg CO2-Äq. angenommen werden. Mit diesem Wert würde die gesamte Einsparung an Emissionen von CO2-Äq. für das Neubau Szenario (Mustergebäude mit gesamtem Rohbau aus neuem Beton) ca. 13,34 % betragen. Also weniger als die Hälfte dessen, was durch die Wiederverwendung der Betonelemente erreicht werden könnte. Zudem stellt die Verwendung von klimafreundlicherem Zement eine Option dar, die auch im Reuse-Szenario zusätzlich für die Bauteile angewendet werden kann, die ohnehin aus neuem Beton hergestellt werden müssten (Fundamente, Unterzüge, Stützen, etc.). Darüber hinaus ist die Abscheidetechnik erst in der Zukunft verfügbar.
Ein anderes Instrument für die Einsparung von Treibhausgasen im Bauwesen ist das Bauen mit Holz. Eine 2017 veröffentlichte Studie von Prof. Anette Hafner et. al. von der Ruhr Universität Bochum kommt zu dem Schluss, dass ein Holzbau im Vergleich zu einem Gebäude gleicher Größe aus mineralischen Baustoffen (Beton, Ziegel,etc.) von 9% bei Mehrfamilienhäusern bis zu 56% bei Ein- und Zweifamilienhäusern des Global-Warming-Potentials einsparen kann. Dies bedeutet, dass der Holzbau vor allem für kleinere Gebäude unbedingt angewendet werden sollte und hier auch das in diesem Forschungsprojekt berechnete CO2-Einsparpotenzial durch die Wiederverwendung von Betonelementen übersteigt. Für größere Gebäude hingegen stellt sich dieses Potenzial geringer dar, was für diese Gebäudeart für die mineralische Bauweise mit wiederverwendeten Betonelementen spricht.
Zudem ist die lokale Holzwirtschaft durch die natürliche Grenze des Waldwachstums eingeschränkt. Sollte durch eine überhöhte Nachfrage Bauholz aus fernen Orten nach Deutschland transportiert werden, reduziert sich durch den Transportaufwand die positive Auswirkung auf die Ökobilanz. Zudem werden z.B. Tropenhölzer nach wie vor illegal abgeholzt und tragen zur Zerstörung von tropischen Wäldern bei, die als natürliche CO2-Senken dringend benötigt werden.
Die wahrscheinlich am meisten verbreitete Maßnahme zur Einsparung von Energie und Vermeidung von CO2-Emissionen im Bauwesen ist die sogenannte Energieeffizienz. Darunter fallen Themen wie Wärmedämmung, effiziente Gebäudetechnik oder auch Eigenanlagen zur Produktion von erneuerbarem Strom (Photovoltaik) oder klimaneutraler Wärme (Solarthermie, Erdwärme). Diese Maßnahmen fokussieren vor allem darauf, die während der Nutzungsphase des Gebäudes benötigte Energie zu reduzieren und hängen in der Regel nicht direkt mit der (Roh-)Baukonstruktion zusammen. Insofern schließen sich die Wiederverwendung von Betonelementen und der Fokus auf energieeffizienter Gebäudehülle und technischer Ausstattung nicht aus.
Optimierungspotenzial der Methodik
Während der Bearbeitung sind einige Punkte aufgefallen, die als Optimierungspotenzial für die Methodik zur Ermittlung der vorliegenden Ergebnisse genannt werden können.
Zum einen ist ein geringer Anteil der Datensätze für das Global-Warming-Potential, die in der Datenbank von One-Click-LCA hinterlegt sind und für die vorliegenden Berechnungen verwendet wurden, veraltet oder in seltenen Fällen sogar nicht mehr gültig. Da die Herstellungsprozesse der Baustoffe und -materialien sich in den letzten Jahren nicht grundlegend verändert hat, sind die Ergebnisse trotzdem als aussagekräftig zu bewerten. Eine Aktualisierung bzw. Austausch von veralteten Datensätzen wäre aber in zukünftigen Berechnungen anzustreben.
Ähnlich verhält es sich mit der Datengrundlage für die Berechnung des Primärressourcenverbrauchs. Die MIT-Tabelle des Wuppertal Instituts wurde zuletzt im Jahr 2014 aktualisiert. Allerdings ist auch hier nicht von bedeutenden Veränderungen in der Materialgewinnung und Baustoffherstellung auszugehen.
Es muss zudem erwähnt werden, dass der Energieaufwand, der für den Rückbau der Betonelemente aufgewendet werden muss, nicht in die Ökobilanzierung aufgenommen wurde. Dies lässt sich dadurch begründen, dass dem Projekt die Annahme zugrunde liegt, dass das Gebäude sowieso rückgebaut worden wäre. Die CO2-Emissionen für den Rückbau könnten dann also in der Klimabilanz des vorherigen Gebäudes unter Modul C (Entsorgung) verbucht werden. In der Zukunft könnte aber eine genaue Aufnahme des Energieverbrauchs einer Rückbaumaßnahme durchgeführt werden, um diese Emissionen als Herstellungsaufwand für die gebrauchten Betonelemente zu berücksichtigen.
Zuletzt muss benannt werden, dass der Vergleich zwischen Mustergebäude (Reuse-Szenario) und dem Referenzgebäude (Neubau-Szenario) insofern nur bedingt belastbar ist, dass er nur explizit auf der Materialebene ansetzt. Ein konventioneller Neubau, der zwar die gleichen Wohnungsgrößen und Konfigurationen beinhalten würde, aber nicht aus wiederverwendeten Betonelementen zusammengesetzt wäre, würde eine andere, wahrscheinlich rationalere Form annehmen, wodurch sowohl die Gebäudeform als auch das Tragwerk materialsparender und effizienter geplant werden könnten.
Schlussfolgerung
Die vorliegende Untersuchung kommt zu dem Ergebnis, dass durch die Verwendung von gebrauchten Betonelementen im vorliegenden Entwurf eines Mustergebäudes ca. 36,15% der Herstellungsemissionen (Modul A1-4) und ca. 33,10% der Primärressourcen im Vergleich zu einem Gebäude gleicher Form und Größe, das aus neuem Stahlbeton erbaut würde, eingespart werden können. Im Vergleich zu anderen Klimaschutzmaßnahmen, die den Rohbau betreffen (wie RC-Beton, CO2-Abscheidung in der Zementproduktion, Holzbau), zeigt das vorliegende Konzept sehr hohes Potenzial, um maßgeblich zu einer Wende des Bauwesens hin zu klimafreundlicheren und ressourcenschonenden Neubauten beizutragen.
Darstellung Baukonstruktion
Tabelle mit allen Auswertungsdaten
Diagramme
In diesem Diagramm werden die Emissionen von Treibhausgasen (CO2-Äquivalente) nach den unterschiedlichen Bauteilen aufgegliedert und für das Reuse-Szenario (grün) und das Neubau-Szenario (rot) vergleichend dargestellt. Die Bauteile "Fenster und Türen", "Innenwände", "tragende vertikale Strukturen", "Außenwände und Bekleidungen" sowie "Fundamente und Unterbauten" sind für beide Szenarien identisch ausgebildet, weshalb die fünf Bauteile jeweils die gleichen Werte abbilden. Der Unterschied durch die Verwendung der gebrauchten Betonelemente stellt sich im Bauteil "horizontale Strukturen" dar. Hier kommt es zu einer Einsparung von 550,03 t CO2-Äq. im Reuse-Szenario im Vergleich zum Neubau-Szenario.
Quellen
Datengrundlage für die LCA
Transport-Beton
Ready-mix concrete, C 25/30, Beton der Druckfestigkeitsklasse C 25/30 (InformationsZentrum Beton GmbH)
EPD
Bewehrungsstahl
Reinforcement steel wire, 7874.0 kg/m3
Datensatz
Sockeldämmung
EPS hard foam, white, for perimeter and base insulation, very high pressure resistance, L = 0.035W/mK, 30 kg/m3, Lambda=0.035 W/(m.K) (Industrieverband Hartschaum e.V. (IVH))
EPD
Konstruktionsvollholz
Structural timber, 100 – 240 x 60 – 140 mm, 12% moisture content, 468.62 kg/m3 (KVH)
EPD
Dämmschüttung
Cellular glass granulate insulation, Schaumglasschotter (trocken) (GEOCELL Schaumglas GmbH)
Datensatz
Fassadendämmung
Wood-fibre insulation board, L = 0.039 W/mK, 35 kg/m3, Lambda=0.039 W/(m.K), Thermofibre (GUTEX Holzfaserplattenwerk)
EPD
Fassadenbekleidung (Holz)
Sawn timber, pine or spruce, 460 kg/m3, sawntimber: thickness 15-140 mm, moisture 10-20 ± 3%, strength-graded timber: thickness 32-90 mm, moisture 15-18 ± 2%, Classic Sawn (Stora Enso)
EPD
Fassadenanstrich (Holzlasur)
Water based coatings for facades, 38,5% water, 1,5% solvents, 60% solids
Datensatz
Fassdenbekleidung (Blech)
Zinc-titanium alloy sheets, strips and profiles, 7200 kg/m3, CLASSIC® bright-rolled (RHEINZINK)
EPD
Ziegelmauerwerk
Wall bricks, 575 kg/m3 (Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie)
EPD
Innenwandputz
Lime plaster, L = 0.8-0.9 W/mK, 1800 kg/m3
Datensatz
Innenwandanstrich
Lime paint, whitewash, 0.15-0.25 kg/m2, 1700-1900 kg/m3
Datensatz
Innentüren
Wooden and engineered wood interior doors, biogenic CO2 not substracted, 485-1360 mm x 1597-2735 mm, min. thickness 39 mm, 41 kg/m2 (VHI)
EPD
Estrich
Floor screed mortar, cement screed, 1500 kg/m3, EPD coverage: > 1500 kg/m3 (quickmix Gruppe GmbH & Co. KG)
EPD-Nummer: EPD-QMX-20160208-IBC1-DE
Fliesen
Ceramic tiles and slabs, 17.97 kg/m2 (Bundesverband Keramische Fliesen)
EPD
Dampfbremse (FB)
Plastic vapour control layer, 0.2 mm (Tommen Gram)
EPD
Parkett
Massive wooden flooring/parquet, 22-450 x 44-7000 x 8-35 mm, 11.71 kg/m2 (Verband der Deutschen Parkettindustrie)
EPD
Dampfbremse (Dach)
Damp insulation, fence strenghtened PET, 0.12 kg/m2
Datensatz
Abdichtung (Dach)
FPO roofing and waterproofing sheets, 2.21 kg/m2, THERMOPLAN (Paul Bauder GmbH & Co. KG)
Datensatz
Fensterelemente
Window, triple glazed, wood frame, fixed, 1.23×1.48 mx105 mm, U-value 0.74, NTech Fixed 105/80 (NorDan)
EPD
Datengrundlage für die Berechnung des Primärressourcenverbrauchs
„Materialintensität von Materialien, Energieträgern, Transportleistungen, Lebensmitteln (MIT)“ Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie, Stand 3. Februar 2014
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