Carbon-Footprint von Holzbauten und Konstruktionen - Forum

12. Internationales Branchenforum für Frauen IBF 2015
Carbon-Footprint von Holzbauten und Konstruktionen | A. Hafner
Carbon-Footprint von Holzbauten
und Konstruktionen
Prof. Dr. Annette Hafner
Ressourceneffizientes Bauen
Ruhruniversität Bochum
DE-Bochum
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Carbon-Footprint von Holzbauten
und Konstruktionen
1.
Einleitung
Der Bausektor ist für einen großen Teil unseres Ressourcenverbrauches verantwortlich. Der
Gebäudebereich verursacht rund 40% unseres Gesamtenergieverbrauchs, 36%
unserer Treibhausgasemissionen 40% unseres Materialverbrauchs und rund 33% aller Ab1
fälle . Die Berücksichtigung von Umweltaspekten bei der Planung von Gebäuden rückt daher
immer mehr in den Vordergrund.
Im März 2011 veröffentlichte die Europäische Kommission ein Strategiepapier mit dem Titel
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“A Roadmap formovingto a competitivelowcarboneconomy in 2050” , . Mit der Roadmap
2050 steckt die Kommission den klimabezogenen Handlungsrahmen ab, damit es gelingt bis
2050 eine auf erneuerbaren Energien beruhende wettbewerbsfähige Wirtschaft zu erreichen.
Die Treibhausgaseemissionen sollen dabei um 80-95% unter das Niveau von 1990 gesenkt
werden, um so die globale Erwärmung auf unter 2°C zu begrenzen. Der gebauten Umwelt
kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu. Kurzfristig lassen sich Reduktionsziele durch die
Verbesserung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden umsetzen. Mit den Verschärfungen
der Energieeinsparverordnungen bis hin zu den „Fast-Nullenergiehäusern“ ist der Weg hierfür angelegt.
Allerdings werden Effizienzsteigerungen im Bereich der Gebäudenutzung nicht ausreichen,
um die Reduktionsziele zu erreichen. Deshalb kommt der Wahl der Baumaterialien eine
wichtige Rolle zu. Der vermehrte Einsatz von Holz und Holzwerkstoffen kann dazu beitragen
den Kohlenstoff-Fußabdruck des Bausektors langfristig zu senken. Der Rohstoff Holz zeichnet sich dabei durch einen sehr geringen Kohlenstoff-Fußabdruck aus. Holz und viele Holzprodukte funktionieren als temporärer Kohlenstoffspeicher.
2.
Grundlagen des kohlenstoffeffizienten Bauens mit
Holz
Die Grundlagen kohlenstoffeffizienten Bauens mit Holz wurden in einem Europäischen
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Forschungsprojekt “ECO2” (Kuittinen et al., 2013 ) eingehend untersucht. Für den
Gebäudebereich bieten Ökobilanzen die Möglichkeit Umweltparameter von Gebäuden unterschiedlicher Konstruktionsart zu vergleichen. Lebenszyklusanalysen (LCA) oder “Ökobilanzen” sind eine etablierte Methode zur Quantifizierung der Umweltwirkung eines Produktes.
Sie erlauben es auch, Umwelteffekte zwischen verschiedenen Produkten zu vergleichen. Auf
diese Weise erhalten Informationen sind der Schlüssel, die positiven Klimaeffekte von Holz
aufzuzeigen und in den Kontext der Entscheidungsfindung zu integrieren. Basierend auf der
Ermittlung von Gebäudemassen und durch die Verknüpfung der eingesetzten Massen mit
Ökobilanzdatensätzen, können Wirkungsabschätzungen vorgenommen werden. Eine dieser
Wirkungskategorien ist das Treibhausgaspotenzial (GWP – global warming potential), aus dem
sich der carbon-footprint erschließt. Für die Berechnung und Vergleichbarkeit von Ökobilanzen
für Gebäude im gesamten Lebenszyklus sind die Systemgrenzen, funktionale Einheiten und
Datenquellen der hinterlegten Bauprodukte von großer Bedeutung. Deshalb wurden für die
Forschungsprojekte die einzelnen Parameter einheitlich definiert.
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COM(2007) 860 final
COM(2011)0112 final
Die Roadmap 2050 basiert auf der Europe 2020 Flagship Initiative für ein ressourceneffizientes Europa
Kuittinen, M., A. Ludvig und G. Weiss, Eds. (2013): Wood in carbon efficient construction; tools, methods and
applications. Brussels, CEI-Bois. http://www.eco2wood.com/2
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2.1. Rahmenbedingungen einer Ökobilanz auf Gebäudeebene
Ökobilanzen bieten die Möglichkeit die Auswirkungen von unterschiedlichen Baukonstruktionen
und dem energetischen Standard von Gebäuden über den Lebenszyklus einer
Immobilie zu vergleichen und damit die Umwelteinflüsse herauszuarbeiten. Für die Berechnung und Vergleichbarkeit von Ökobilanzen für Gebäude im gesamten Lebenszyklus sind die
Systemgrenzen, funktionale Einheiten und Datenquellen der hinterlegten Bauprodukte von
großer Bedeutung. Deshalb wurden in dem Forschungsprojekt die einzelnen Parameter einheitlich definiert.
Die Beurteilungen wurden mit verschiedenen Indikatoren vorgenommen. Diese sind die Primärenergie, aufgeteilt in erneuerbaren und nicht erneuerbaren Anteil an der Primärenergie,
sowie dem Energieinhalt an erneuerbarer Energie auf der input-Seite, sowie das Treibhauspotenzial und dem Kohlenstoffspeicher im Material auf der Wirkungsseite zu vergleichen.
Systemgrenzen
Um eine einheitliche und vergleichbare Beurteilung der Ökobilanz auf Gebäudeebene zu gewährleisten sind die Systemgrenze und das funktionale Äquivalent des Bauwerks festzulegen. Die DIN EN 15978 sollte hierbei Grundlage sein. Die grundlegenden Prinzipien der Bewertung der umweltbezogenen Leistung von Gebäuden werden darin zusammengefasst. Im
Rahmen dieses Vortrages wird besonders auf die Indikatoren Treibhausgaspotential
(GWP100 in kg CO2-Äquivalent) als Kohlenstofffußabdruck eines Gebäudes oder Indikatoren
zum Einsatz an erneuerbarer bzw. nicht-erneuerbarer Primärenergie eingegangen.
Abbildung 1: Beschreibung des Lebenszyklus eines Gebäudes nach DIN EN 15978 und DIN EN 15804.
Der Lebenszyklus eines Gebäudes und analog eines Bauproduktes ist in verschiedene Abschnitte unterteilt: “Produktion” der Bauprodukte (Module A1 – A3), “Transport, Erstellung”
des Gebäudes (Module A4 – A5), die “Nutzungsphase” (Module B1 – B7) sowie das “End-oflife” als Rückbau und Abfallbewirtschaftung (Module C1 – C4). Ein zusätzliches optionales
Modul kann Informationen zu “Lasten und Gutschriften außerhalb des Lebenszyklus des Gebäudes” aufzeigen. In diesem Modul können potentielle Substitutionseffekte ausgewiesen
werden, z. B. energetische Substitutionseffekte aus der Energierückgewinnung aus Altholz
und damit die Substitution fossiler Energieträger.
Das Gebäude wird über einen vorgegebenen Betrachtungszeitraum bewerten, wobei die
Nutzungsdauer der Produkte im Gebäudekontext über die Referenzlebensdauer abgeschätzt
wird.
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Funktionelle Einheit
Die funktionelle Einheit muss die technischen Eigenschaften und Funktionen des Bauwerks
eindeutig beschreiben. Hierunter zählen neben einer kurzen Beschreibung des Gebäudes die
Größe des Gebäudes (wie Bruttogeschossfläche (BGF), Nettogeschossfläche (NGF), Anzahl
Bewohner), der energetische Standards, verwendete Materialien und technische Anforderungen (z. B. Brandschutz, Schallschutz). Anhand der dargestellten Grafiken in Abbildung 2
können genau die beinhalteten und ausgeschlossenen Teilbereiche im Gebäude dargestellt
werden.
Die Berechnungen werden für das Gesamtgebäude ausgewiesen. Die Auswertung wird
jeweils für die Input-Kategorien Primärenergie erneuerbar und Primärenergie nicht
erneuerbar und für die Output-Kategorie Treibhauspotenzial und separatem Kohlenstoffspeicher dargestellt.
Abbildung 2: Darstellung der in der Berechnung enthaltenen Komponenten.
Datengrundlage
Als Datengrundlage für die ökologischen Auswirkungen einzelner Bauprodukte wurde im
Forschungsprojekt ECO2 die Datenbank ecoinvent herangezogen. Zusätzliche Daten wurden
für einzelne Produktionsschritte (z.B. Energieverbräuche Vorfertigung) in den Firmen erhoben. In den weiteren Forschungen wurde auf die in Deutschland im Rahmen von Nachhaltigkeitsbeurteilungen obligatorische Datenbank ökobaudat zurückgegriffen. Generell ist auf
eine klare Darstellung der verwendeten Datenquellen zu achten. Die Verwendung von EPDs
für Produkte kann hierbei die Transparenz erhöhen.
Betrachtungszeitraum im Lebenszyklus
Der zeitliche Rahmen wird durch die vorgesehene Nutzungsdauer des Bauwerks definiert.
Die vorgesehene Nutzungsdauer des Bauwerks darf nicht verwechselt werden mit der voraussichtlichen Nutzungsdauer der Bauteile. Die Nutzungsdauer ist eine festgelegte Größe,
die sich in der Regel zwischen 30 und 100 Jahren bewegt. Für das Forschungsprojekt wurde
ein Betrachtungszeitraum gleich der vorgesehenen Nutzungsdauer des Bauwerks von 50
Jahren festgelegt, wie sie auch für die Gebäudezertifizierung nach den Anforderungen z. B.
der Deutschen Gesellschaft für nachhaltiges Bauen (DGNB) oder der entsprechenden österreichischen Gesellschaft (ÖGNI) verwendet wird.
3.
„Goodpractice" für eine Kohlenstoff-effiziente
Bauweise in Holz
Da der Bausektor für einen großen Anteil am Primärenergieverbrauch und den damit verbundenen Emissionen verantwortlich ist, kann der vermehrte Einsatz von Holz und Holzwerkstoffen helfen den Kohlenstoff-Fußabdruck des Bausektors langfristig zu senken. Der
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Rohstoff Holz zeichnet sich dabei durch einen sehr geringen Kohlenstoff-Fußabdruck aus.
Holz und viele Holzprodukte funktionieren als temporärer Kohlenstoffspeicher. In diesem
Kapitel soll gezeigt werden, wie Gebäude kohlenstoff-effizient geplant werden können.
3.1. Planung eines Kohlenstoff-effizienten Gebäudes
Um Konstruktionen mit möglichst optimiertem Kohlenstofffußabdruck zu erhalten, müssen
schon in den frühen Planungsphasen die Weichen gestellt werden. Frühzeitig müssen die
Ziele vom Auftraggeber / Bauherrn festgelegt werden, damit sich der Kohlenstofffußabdruck
der Konstruktionen im Gebäudebereich optimieren lässt. In der Vorentwurfsphase sollten
Zielwerte zu folgenden Themen festgelegt werden:
- Der Einsatz von Holz im Bereich des Primärtragwerkes. Dies hat großen Einfluss auf die
Ergebnisse einer Ökobilanz.
- Der Energiebedarf während der Betriebsphase sollte sehr gering sein.
- Festlegungen über spätere Instandhaltungszyklen. Diese haben Einfluss auf die Konstruktion bzw. erzeugen Vorgaben an die Bauausführungsqualität.
- Entsorgungsszenarien für die gesamte Konstruktion und deren mögliche Zerlegung in
Einzelteile sollten festgelegt werden.
Um die Ziele festzulegen, können im Bereich der Ökobilanzierung zum einen schon entwickelte Benchmarks für die Nachhaltigkeitszertifizierung übernommen werden, oder aber
darauf aufbauend weitere, für die Konstruktion relevante Kennwerte definiert werden. Um
kohlenstoffeffiziente Gebäude zu planen, ist es notwendig hier klare Zielwerte für die Kons5
truktionen festzulegen.
Für die Zukunft ist denkbar, dass Konstruktionen auf den möglichst geringen ökologischen
Fußabdruck hin optimiert werden. Hier können Produkte mit kleinem Fußabdruck vorteilhaft
sein.
3.2. Vorfertigung und Zusammenbau auf der Baustelle
In der Ökobilanzierung wird in der Herstellungsphase das Augenmerk auf die Module
A1-A3, also die Bauprodukte selbst, gelegt. Die Module A4 Transport und A5 Vorfertigung
und Zusammenbau auf der Baustelle werden zur Zeit meist nicht einbezogen. Dies liegt zum
einen daran, dass die Module A1 bis A3 für den Großteil der ökologischen Auswirkungen
verantwortlich sind, zum anderen sind die Datengrundlagen hier noch recht dürftig. Für den
Transport (Modul A4) ist entscheidend, wie weit entfernt die Baustellen von den Produktionsstätten (bzw. Vorfertigung) ist.
Abbildung 3: Gegenüberstellung des Energieverbrauchs in Modul A von der Vorfertigung gegenüber der Herstellung
des Gebäudes auf der Baustelle.
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Kuittinen et al. (Eds.) (2013), S.75
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Anhand mehrerer Gebäude wurden die Module Transport und Vorfertigung bzw. Vor-OrtAufbau untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 am Beispielgebäude Mietraching dargestellt. In der Herstellungsphase (Modul A) haben die Module A1-A3, also die Herstellung
der Bauprodukte den größten Einfluss. Die Treibhausemissionen, die aus den
Modulen A1-A3 für die Holzbauteile entstehen machen bei den untersuchten Gebäuden im
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ECO2-Projekt zwischen 73% und 78% aus . Der Transport zur Baustelle spielt allerdings
auch eine Rolle, sobald er mehr als 50 km von der Produktionsstätte entfernt ist.
Im Forschungsprojekt ECO2 wurde die Vorfertigung von Wänden / Decken in der Halle mit
Zusammenbau auf der Baustelle und die reine Vor-Ort Montage gegenübergestellt. Der Grad
der Vorfertigung bzw. der Zusammenbau auf der Baustelle führen zu leicht
veränderten Ergebnissen. Die Vorfertigung kann insgesamt ökologisch minimal besser abschneiden. Der Vorteil einer Vorfertigung ist z.Z. aus ökologischer Sicht jedoch noch gering.
Genaue Untersuchungen zum Energieverbrauch in der Halle und der gesamten Vorfertigung
bieten die Grundlage, um Verbesserungspotenziale zu erkennen und Optimierungen für den
Betrieb umzusetzen. Dies wird sich ökonomisch (geringere Energiekosten) und ökologisch
(bessere Ökobilanzwerte) auswirken. Der ökologische Einfluss ist bei beiden Varianten im
Vergleich zu der Herstellung der Produkte (Modul A1-A3) klein, dennoch kann er zur Optimierung der eigenen Strukturen herangezogen werden.
3.3. Zusammenhang der Herstellungsphase (A) und der
Nutzungsphase (B)
Bis jetzt war der Fokus bei der Optimierung von Gebäuden hin zu geringeren CO 2Emissionen auf der Nutzungsphase eines Gebäudes gelegen. Mit der Einführung von Passivhausstandard, Fast-Nullenergiehäusern und Energieplushäusern verlagert sich das Einsparpotenzial auch auf die Herstellungsphase von Gebäuden.
Abbildung 4: Zusammenhang von Energieverbrauch in der Herstellungsphase und dem Betrieb der Gebäude über
50 Jahre dargestellt am Indikator Primärenergieverbrauch.
In Abbildung 4 ist der Vergleich des Energieverbrauchs von mehrgeschossigen Wohngebäuden mit EnEV-Standard 2009 (70 kWh/(m²a)) und im Passivhausstandard (15 kWh/(m²a))
dargestellt, aufgeteilt nach Herstellungsphase und Betriebsphase über 50 Jahre. Es wird
deutlich, dass sich bei Gebäuden mit hohem energetischem Standard der gesamte Energieverbrauch im Lebenszyklus verringert und gleichzeitig sich die prozentuale Aufteilung
zwischen Herstellungsphase (Modul A) und Betrieb (Modul B6) verschiebt. Daraus kann
gefolgert werden, dass bei hohem energetischem Standard der Primärenergieverbrauch
der Herstellung eine entscheidende Bedeutung erlangt. Über 50% des Primärenergieverbrauchs und damit auch an Treibhausgasemissionen entfallen hierbei auf die Herstellung des Gebäudes. Deshalb rückt die Herstellungsphase und damit die einzelnen Bauprodukte
zunehmend in das Zentrum der Betrachtungen. Je besser der energetische Standard eines
Gebäudes ist und damit weniger Energie für den Betrieb des Gebäudes verbraucht wird, desto
mehr Einfluss hat die Konstruktion auf die Ökobilanz des Gebäudes.
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Kuittinen et al. (Eds.) (2013), Seite 78ff.
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3.4. Der Carbon-Footprint von Holz im Gebäudebereich
Allgemeine Vorgaben:
– Um dem Klimawandel zu begegnen ist es notwendig, über die Optimierung der
Betriebsphase durch Fast-Nullenergiehäuser weiter hinauszudenken. Bauen mit Holz ermöglicht es, während der Herstellungsphase Kohlenstoff im Gebäude einzulagern und
dadurch einen Zwischenspeicher zu erzeugen.
– Um kohlenstoffeffiziente Gebäude zu bauen, sind Vorgaben an die Konstruktion in der
Herstellungsphase zum Kohlenstofffußabdruck, Primärenergieverbrauch und der Menge
an verbauten nachwachsenden Rohstoffen notwendig.
– Fundamente und Keller haben den größten Einfluss auf den Kohlenstofffußabdruck von
Gebäuden. Der Anteil hängt von der Größe des Kellergeschosses und der Art der Fundamente ab. Je höher die Gebäude sind desto geringer wird der prozentuale Anteil.
– Die größte Menge Kohlenstoff wird im Tragwerk eingelagert, da hier die größte Menge
an Holz verbaut wird. Am meisten Holz wird durch die Massivholzbauweise verbaut und
damit viel Kohlenstoff gespeichert. Jedoch muss die Menge an verbautem Holz in Relation
zum ressourcenschonenden Umgang mit den Holzvorräten gesehen werden. Deshalb sollte
es eine Abwägung zwischen maximalem Kohlenstoffspeicher und ökonomischem Einsatz
von Holz geben.
– Die Höhe des Kohlenstoffspeichers steigt mit der Menge an verbautem Holz aus nachhaltiger Bewirtschaftung.
– Kommunen sollten im Sinne der nachhaltigen Vergabepraxis Vorgaben ermitteln, die den
maximalen Kohlenstofffußabdruck für unterschiedliche Gebäudetypen vorgeben. Diese
könnten in den Bebauungsplänen verankert werden.
3.5. Rückbau und Abfallbewirtschaftung
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Auf Grund der EU Directive on waste gibt es eine Abfallhierarchie, nach der in Europa möglichst viel Material wiederverwendet oder recycelt werden soll. Erst in einem zweiten Schritt
soll Material als Energieressource verwendet werden. Um Material aus Holz einem zweiten
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Verwendungsweg zuführen zu können, ist es notwendig das Altholz zu klassifizieren. Es
darf nur Holz der Wiederverwendung zugeführt werden, dass nicht mit Schadstoffen belastet
ist. Das bedeutet, dass Holz mit chemischem Holzschutz oder auch lackiertes, gestrichenes
oder mit viel Klebstoff verarbeitetes Holz nicht wiederverwendet werden kann, sondern zur
Energiegewinnung eingesetzt werden muss.
Eine bessere Verwertung von unbehandeltem Altholz kann helfen die langfristig verfügbare
Menge an Holz zu vertretbaren Kosten zu stabilisieren. Hierbei sollte unbedingt auf eine
primäre Nutzung als Bauholz und im zweiten Schritt als Energiequelle geachtet werden. So
kann auch die Kohlenstoffspeicherwirkung verlängert werden.
Da sich weite Transportwege negativ auswirken und als Primärenergie die ansonsten
gute Material- und Energieeffizienz reduzieren, sollte das eingebaute Holz möglichst aus der
Region stammen, in der es verarbeitet, verwendet und schließlich thermisch verwertet wird.
Das Erschließen neuer Rohstoffvorräte auf Basis einer effizienteren nachhaltigen Forstwirtschaft ist in Mitteleuropa begrenzt. Durch eine gezielte Verlängerung des Materiallebenszyklus, insbesondere für Produkte aus Massivholz, und eine konsequente Kaskadennutzung
können zusätzliche Rohstoffquellen für neue Produkte erschlossen werden. Sorgsame Planung und Vermeidung von Schadstoffen, sowie intelligente Konzepte zur Wiederverwendung
oder Recycling von wertvollen Materialien am Ende eines Produktlebens können die Menge
der thermisch verwerteten Reststoffe stark verringern. Kaskadennutzung von Holzprodukten
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DIRECTIVE 2008/98/EC
In Deutschland geschieht dies nach der Altholzverordnung. Verordnung
Verwertung und Beseitigung von Altholz (Altholzverordnung – AltholzV), 2012
über
Anforderungen
an
die
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verlängert den Kohlenstoffspeicher. Im holzverarbeitenden Sektor sind die Potenziale einer
effizienten Kaskadennutzung nur in den horizontalen Verwertungswegen (Holz, Rinde,
Sägespäne) ausgeprägt und bleiben daher weitgehend ungenutzt.
4.
Zusammenfassung
Der Bausektor bietet bedeutende Möglichkeiten, die Treibhausgasemissionen Europas deutlich zu senken. Da neue Gebäude immer energieeffizienter im Gebäudebetrieb werden,
rückt der Kohlenstofffußabdruck der Baumaterialien mehr und mehr in den Mittelpunkt des
Interesses. Holzprodukte haben aus Klimasicht mehrere gewichtige Vorteile. Allerdings sind
bis zur Hebung dieses Potentials weitsichtige politische Weichenstellungen notwendig.
– Holz hat die Fähigkeit, für das Klima doppelt nützlich zu sein, nämlich bei im Vergleich
zu anderen Baumaterialien geringen CO2-Emissionen aus fossilen Quellen und darüber
hinaus CO2 einzubinden und damit temporär der Atmosphäre zu entziehen.
– Jeder Kubikmeter Holz, der als Ersatz für einen anderen Baustoff verwendet wird, reduziert die CO2-Emissionen in die Atmosphäre um 1 bis 2,5 Tonnen CO 2. Hinzu kommt die
anschließende Energetische Substitution (Altholz statt Erdöl) im Sinne der Kaskadennutzung.
– Über die Lebensdauer eines Holz-Produktes werden im Fall von Nadelholz ca. 0,9 Tonnen
CO2 pro Kubikmeter Holz aus der Atmosphäre entzogen und im Holz gebunden.
– Das größte Potential, die CO2-Einsparungen von Holz auch tatsächlich zu nutzen, liegt in
der Verwendung eines größeren Anteils von Holzprodukten, der Verwendung von Holzprodukten mit einer längeren Lebensdauer und im Substituieren energieintensiver Materialien durch Holz und Holzprodukte.
– Länderspezifische Faktoren haben einen hohen Einfluss auf den Kohlenstofffußabdruck
von Bauprodukten und Gebäuden, da verschiedene Energieträger z.B. im Strommix verschiedener Länder zu unterschiedlichen Kohlenstofffußabdrucks ähnlicher Produktionsprozesse führen können. Bei der Bilanzierung von Produkten sollte möglichst auf die
korrekte Berücksichtigung dieser Faktoren geachtet werden.
– Die Ziele zur Minimierung des Kohlenstofffußabdrucks eines Gebäudes müssen vom Auftraggeber / Bauherrn frühzeitig festgelegt werden, damit Holz im Gebäudebereich optimal eingesetzt werden kann.
– Die Kohlenstoffspeicherung in Gebäuden nimmt mit der Mehrverwendung von Holz zu.
Um negativen Effekten in den Kohlenstoffspeichern im Wald vorzubeugen, muss Holz aus
nachhaltig bewirtschafteten Wäldern stammen.
– Holz und holzbasierte Baumaterialien können wiederverwendet, stofflich recycled und
danach in Kaskadennutzung energetisch verwertet werden. Die Kaskadennutzung
ermöglicht nicht nur einen ressourceneffizienten Umgang mit Holz; so können auch
mehrfach Substitutionseffekte aus der Verwendung von Holz statt energieintensiverer
Materialien und aus der Substitution fossiler Energieträger bei der Energierückgewinnung
erzielt werden. Dabei kann die Speicherzeit des eingelagerten atmosphärischen Kohlenstoffs um ein Vielfaches verlängert werden.