Recyclinggerechtes und ressourceneffizientes Bauen

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1 Recyclinggerechtes und ressourceneffizientes Bauen Helmut RECHBERGER Institut für Wassergüte und Ressourcenmanagement HB2 MODUL HOCHBAU: STRUKTUR KONSTRUKTION DETAIL

2 Inhalt Der Beitrag des Bauwesens zum anthropogenen Stoffhaushalt Knappheit von Ressourcen Probleme beim Recycling von Baurestmassen DfR und Produzentenverantwortung Vorlesungsunterlagen zum Download: 2

3 Accumulation of materials in the anthroposphere Source: BGR, Germany Sand and gravel 307 t Lignite 158 t Hard rock 130 t Mineral oil 116 t Natural gas (1000 m³) 90 Limestone, dolomite 72 t Hard coal 67 t Steel 40 t Cement 29 t Rock salt 12 t Gypsum 8,5 t Industrial sand 4,7 t Kaolin 4,0 t Potash (K 2 O) 3,4 t Aluminium 1,7 t Copper 1,1 t Steel refiners 0,9 t Sulphur 0,2 t Asbestos 0,16 t Phosphate 0,15 t Electricity (MWh) 290 Consumption of materials over a person s life-time: ca tons Source: Brunner & Rechberger 2004 (updated) 3

4 Der Stoffhaushalt einer Stadt Wasser Energieträger Konsum und Investitionsgüter, Baustoffe Σ I ~ 200 t/e.a Luft Lager: Abgas Quelle: Daxbeck et al (aktualisiert) Abwasser Exportgüter Abfälle Restmüll Σ O Flüsse [t/e.a] Lager [t/e] O ~ 190 t/e.a 4

5 Kaum Kreisläufe Primärressourcen Versorgung & Konsum Sekundärressourcen 0,5-1 Abfälle Lager Deponie Flüsse [t/(e.a)] Lager [t/e] Entsorgung 1-2 Quelle: Baccini, 2002 (adaptiert) 5

6 Die Zusammensetzung des anthropogenen Lagers Quelle: Wittmer, 2007 Separate Sammlung von Kunststoffen (LVP): 18 kg/e.a Altmetall: 15 kg/e.a Altholz: 23 kg/e.a Quelle: BAWP 2011 ca. 400 t/e Vergleich zwischen UL und Reserven Kupfer: 300 Mio. t 580 Mio. t Eisen: Mio. t Mio. t Zink: 205 Mio. t 200 Mio. t Quelle: Rechberger, 2004; Rauch 2009, USGS

7 Preisvolatilität Kupfer Palladium Phosphaterz Zink Source: 7

8 Regionale Knappheit am Bp. Kies (CH) 8

9 Rohstoffknappheit am Beispiel PV1 Advanced International Policy Scenario von EREC: TWh of electricity by 2040 (25% of total) Quelle: Zuser & Rechberger,

10 Rohstoffknappheit am Beispiel PV2 Advanced International Policy Scenario von EREC: TWh of electricity by 2040 (25% of total) Quelle: Zuser & Rechberger,

11 Knappheit am hinteren Ende nach Adam Nieman Hydrosphäre "Lithosphäre" 500 Atmosphäre "Pedosphäre" 0,3 Volumen [Mio. km³] Erde Atmosphäre Hydrosphäre Lithosphäre 500 Pedosphäre 0,3 Lithosphäre : gesamte Erdoberfläche bis 1 km Tiefe Pedosphäre : eisfreie Landoberfläche bis 2 m Tiefe TU Wien, AWS

12 Knappheit der Senken CO 2 [ppm] CO2 CH 4 [ppb] CH Jahrtausende vor heute heute Jahrtausende vor heute heute Quelle: Beer, Baumgartner,

13 Grenzen des Recyclings Aufwand Umweltschutz 0 % Recyclingrate 100 % 0 % Recyclingrate 100 % 13

14 Urban Mining: Aufgaben Urbane Lager (Masse) Exploration des Anthropogenen Lagers Neubau Umbau Lagerforschung

15 Lagerforschung3 1 Drei Ansätze, die auf einzelne Abbruchprojekte angewandt werden: 1. Analyse existierender Informationen/Data Mining (Baupläne, Daten der Fernerkundung, Normen, Abfallkonzept, Schadstofferkundung, ) 2. Begehung und Aufnahme des Objektes (Inventar, Beprobung, ) 3. Indirekte Analyse durch selektiven Rückbau und Bilanzierung der Baurestmassen-Recyclinganlage Analyse und Verschmelzung der Ansätze Prüfung inwieweit damit die Basis für Rohstoffkataster für Wien gegeben ist

16 Begehung und Aufnahme 1 Beprobung von repräsentativen Einheiten Wohneinheiten, Stockwerke, etc. Erhebung von Zentralleitungen und der Anzahl bzw. Länge von Verteilungsleitungen Abhängig von Gebäudetyp und -alter Erhebung von Materialmengen typischer Einbauten Türen, Fenster, Heizungen, Zwischenwände, etc. 16

17 Begehung und Aufnahme 2 gedankliche Schnitte Installationen entlang der Schnitte gezählt, gemessen Länge der Installationen anhand der Raumdimensionen 17

18 Begehung und Aufnahme 3 Aufnahme einzelner Bereiche zählen, messen, wiegen, Auf Grundlage beider Methoden werden Materialmassen aus Volumen, Fläche, oder Anzahl sowie der jeweiligen Dichte oder Gewicht des Materials errechnet. 18

19 Typisches Ergebnis Masse [t] Materialzusammensetzung eines Wohnkomplexes (Stahlbeton, 4 Gebäude mit 2-9 Stockwerken, Bruttogeschoßfläche: m²) PVC Bodenbelag Kabelisolierung Beschläge, Verkleidungen Quelle: Kleemann et al

20 Fallstudien Gebäudenutzung CS1 CS2.1 CS2.2 CS2.3 CS3 CS4 Wohnen Verwaltung, Krankenhaus Baumaterial Stahlbeton Ziegel Krankenhaus, Pflege Stahlbeton, Ziegel Krankenhaus Industrielle Produktion Wohnen, Gewerbe Stahlbeton Stahl, Ziegel Ziegel Baujahr BRI Bruttorauminhalt BGF Bruttogeschoßfläche m³ m³ m³ m³ m³ m³ m² m² m² m² m² m² Quelle: Kleemann et al

21 Ausgewählte Fallstudien 21

22 Allgemeine Erkenntnis Analyse vorhandener Unterlagen: Geeignet um große Massen zu charakterisieren (Beton, Ziegel, Mörtel, teilweise Stahl) Begehung und selektiver Beprobung der Gebäude: Geeignet um Materialien von Installationen und Einbauten zu quantifizieren 22

23 Materialintensität [kg/m³ BRI] Material CS1 CS2.1 CS2.2 CS2.3 CS3 CS4 CS5 CS6 CS7 Mineral Asbestos 1,5 0, ,14-0,12 0,092 0,006 Steel 7,6 5,1 4,6 8,6 5,8 0,97 3,3 7,6 9,4 Aluminium 0,22 0,049 0,057 0,55 0,03 0,16 0,15 0,32 0,54 Copper 0,11 0,15 0,16 0,24 0,0019 0,062 0,034 0,099 0,15 Wood 2,3 4,3 2,2 0,62 3,6 20 4,200 0,69 1,2 PVC 0,52 0,19 0,21 0,18 0,0093 0,20 0,093 0,33 0,10 Other plastics 1,3 0,16 0,35 4,9 0,14 0,46 0,35 0,23 0,11 others 1,1 0,54 1,2 0,69 0,43 0,13 0,26 2,7 0,63 Total Source: Kleemann et al

24 How many case studies? 24

25 Herkunft der Materialien CS1 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Wände Zwischenwände Decken Dächer Fußbodenaufbau Deckenabhängung Türen Zargen Fenster Loggien Heizörper Rohre Kabel Andere Quelle: Kleemann et al

26 Metalle CS1 (Wohnkomplex) 18% Stahl gesamt 450 [t] Bewehrung Obergeschoße Untergeschoße 9% 73% 22% Aluminium gesamt 13 [t] Obergeschoße Fassade Untergeschoße 10% 68% 20% Kupfer gesamt 6.8 [t] Untergeschoße Obergeschoße Dächer 7% 73% Quelle: Kleemann et al

27 Gebäudestruktur in Wien GIS Daten Fläche & Höhe aller Gebäude Wiens (MA 41 Vermessung) Nutzung und Baualter (MA 21 Flächenwidmungs- und Bebauungsplan; MA 18 Stadtentwicklung und Stadtplanung; MA 37 Baupolizei) Zuordnung spezifischer Materialmengen je nach Nutzung und Bauperiode Fallstudien, Literatur, Experten 27

28 Combination of data Information about the material composition of different building categories Case studies - analysis of documents - on-site investigation Demolished buildings - analysis of construction plans Period of construction Utilization Mineral materials New buildings - final bills - LCA Data - construction plans Literature Organic materials Metals Area & height of buildings Total residential commercial industrial residential commercial industrial residential commercial industrial residential commercial industrial residential commercial industrial Information about the building structure (GIS - geographical information system) Utilization & construction period of buildings 28

29 Total material stock of Vienna [t] 210 [t/cap] 29

30 Material stock per person [t/cap] Mineral 200 Organic 5,5 Metal 3,4 Concrete 83 Wood 4,1 Iron/Steel 3,2 Bricks 70 Various plastics 0,37 Lead 0,09 Mortar/plaster 30 Carpet 0,22 Aluminium 0,044 Mineral fill 7,7 Heraklit 0,18 Copper 0,031 Slag fill 3,5 Bitumen 0,14 Zinc 0,022 Gravel/sand 2,9 Asphalt 0,13 Brass 0,0012 Foamed clay bricks 0,76 PVC 0,11 Natural stone 0,7 Polystyrene 0,077 Plaster boards/gypsum 0,59 Paper/Cardboard 0,065 Ceramics 0,44 Laminate 0,039 (Cement) asbestos 0,37 Linoleum 0,013 Glass 0,22 Mineral wool 0,21 Mineral wool boards 0,012 Total 210 Source: Kleemann et al (submitted) 30

31 Resource cadastre - Resource cadastre - Gives information about the total material stock in buildings - Combined with data about the demolition activity, current and future waste streams can be estimated 31

32 Abbruchaktivität in Wien 3. Sammlung und Analyse aller angezeigten Abbrüche in Wien in Zusammenarbeit mit MA 37 (Baupolizei) Klassierung der Abbruchgebäude nach Nutzung und Bauperiode (wenn möglich auch Konstruktionsweise) Zuordnung spezifischer Materialmengen je nach Nutzung und Bauperiode Fallstudien, Literatur, Experten Kubatur, Bauperiode und Nutzung abgebrochener Gebäude Materialzusammensetzung unterschiedlicher Gebäudetypen Materialoutput aus Abbruchgebäuden in Wien 32

33 Demolition activity2 33

37 Der globale Kupferhaushalt (GKHH) Erz Lithosphäre Kupferproduktion Kathoden Kupfer Produkte Abfall Güterproduktion Konsum Neuschrott Systemgrenze Kupfer global 1994 Schlacke Gangart Altschrott II Deponien Halden Altschrott I deponierte Abfälle Entsorgung Flüsse: t/a Lager: t Quelle: Graedel et al (ergänzt) 37

38 Bewertung des GKHH mittels Statistischer Entropie Relative Statistische Entropie Statistische Entropieanalyse 1, ,0 Güterproduktion Kupferproduktion Konsum Kreislaufwirtschaft Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 Lebenszyklus von Kupfer Entsorgung Erdkruste Kupfer pur Quelle: Rechberger & Graedel,

39 Technologisch hoch entwickelte Abfallwirtschaft Produktion und Errichtung: Monate Entsorgung: Tage Wochen? Fotos: A. Weinert 39

40 Nur was man kennt kann man effektiv rezyklieren Zusammensetzung VW VW Golf Golf Stahl und Eisen Blei Kupfer Sonstige Schwermetalle (Chrom, Nickel, Zink) Aluminium Sonstige Leichtmetalle (Titan, Magnesium) Kunststoffe Kraftstoff/Öl/Fett Gummi Glas Kabel, E-Technik Dämmstoffe Lacke Sonstige Recycling-Ziel der EU: 95 % (2015) Tool: Materieller Gebäudepass? Recycling-Ziel von % möglich 40

41 Produktzusammensetzung wird komplexer Intel Leiterplatte Quelle: Graedel 2006 Quelle: Hagelüken

42 Materieller Gebäudepass Sources: IngWare GmbH 42

43 Was ist zu tun: Materieller Gebäudepass Kunststoffe Masse [kg] Massiv Holzmassiv Dämmstoffe Stahl Gipskarton Estrich, Putz, Spachtelung Glas keramische Werkstoffe Holz Kupfer Aluminium Computerunterstützte Planung (BIM, Integrale Planung) 43

44 Schema einer trockenen Bauschuttsortieranlage < 80mm I: B II: F+E+A3 III: G+C+A1 Metalle: I+A2+D+E Rest: H+K Quelle: Brunner, Stämpli,

45 Massenbilanz einer trockenen Bauschuttsortieranlage 25 % Fraktion II Leichtfraktion 27 % Fraktion III Schwerfraktion I: B II: F+E+A3 III: G+C+A1 Metalle: I+A2+D+E Rest: H+K <1 % Rest 3 % Metalle 45 % Fraktion I < 80 mm Quelle: Brunner, Stämpli,

46 An- und Abreicherung durch die Bauschuttsortierung Vergleich mit dem Input geringere höhere Konzentration Fraktion I 1 Al Cd Zn ACOC Pb Fe Cu 1 Si S AC Ca Cr Hg OC Cd TC Hg Pb S Fraktion II Al Cu Ca Cr TIC Fe Fraktion III Metalle Cr S TC Fe Cd HgCu Zn OC 10 Si Pb Al AC Ca 1 Fe Cu Zn Cr Pb Al

47 Einfluss der Vorsortierung an der Baustelle Vergleich mit der Erdkruste geringere <-> höhere Konzentration Si Ca TC Fe Al S Zn Pb Cr Cu Cd Hg ohne Vorsortierung mit Vorsortierung (Bereich von - bis ) 47

48 Maßnahmen beim Neubau Üblicherweise werden die folgenden Grundsätze aufgezählt: Wiederverwendung von Bauteilen bzw. Einbauten Verwendung/Einsatzmöglichkeiten von Recycling-Baustoffen Bevorzugung abfallarmer Konstruktionen Abfallvermeidung an der Baustelle Darüber hinaus sind wesentlich: Reduktion der Materialvielfalt, Auswahl einfach verwertbarer Werkstoffe Minimierung der Verunreinigung von Baumaterialien Lange Nutzungsdauer Modularer Aufbau der Bauwerke Demontagegerechte Baustruktur und Verbindungstechnik Kennzeichnung wertvoller bzw. schädlicher Werkstoffe Auswahl verwertbarer Werkstoffpaarungen, z.b. Vermeidung von Verbunden 48

49 Auswahl von Werkstoffen am Bsp. Kunststoffe 49

50 Beispiel für DfR: Fassade 90+% recyclebar innen Gipskartonplatten (GKP) 2 Lagen 0,025 Mineralwolle 0,040 Alu - C Profile für GKP zw. Mineralwolle GKP 2 La gen 0,025 Da mpfs perre 0,000 Mineralwolle 0,125 Alu-C Profile für GKP Stahlunterkonstruktion für Fassadenplatten zw. Mineralwolle zw. Mineralwolle Zementbauplatte 0,025 Hinterlüftung 0,030 Fassadenplatten: 1. Aluminumverbundplatten 2. Zementfaserplatten außen Wandstärke Aufbau Leichtbaufassade Di cke [m] 0,015 0,285 50

51 Einfache Energetische Bewertung Primärenergieaufwand [TJ/FE] LBF 0% Errichtung Zyklen 51

52 Einfache Energetische Bewertung Primärenergieaufwand [TJ/FE] LBF 0% LBF 98% Errichtung Zyklen 52

53 Einfache Energetische Bewertung Primärenergieaufwand [TJ/FE] LBF 0% LBF 98% Beton 0% Errichtung Zyklen 53

54 Einfache Energetische Bewertung Primärenergieaufwand [TJ/FE] LBF 0% LBF 98% LBF opt. 98% Beton 0% Errichtung Zyklen 54

55 Selektiver Rückbau: Demontagegruppen Türen Türrahmen Fenster Fensterrahmen Fensterläden Innenverkleidungen (Holz) Fußleisten Tapeten Boden-/Treppenbeläge Bekleidungen unter Decken Elektrische Installationen (Steckdosen, Schalter, Kabel, Verteilerkästen etc.) Sanitäre Installationen (Rohre, WC-Schüsseln, Wasserkästen, Waschtische etc.) Zwischenwände Spenglerarbeiten (Dachrinnen etc.) Wände (Mauerwerk) Decken Dacheindeckungen Dachstuhl. Quelle: UBA

56 Selektiver Rückbau: Demontagegruppen In der ersten Rückbaustufe werden schonend in Handarbeit Bauteile ausgebaut, die wieder verwendet werden können (z. B. Geräte und Maschinen der technischen Gebäudeausrüstung, Heizkörper, Verteiler, Schaltschränke, Sanitärarmaturen und - objekte, demontierbare Trennwände u. Ä.). In der zweiten Rückbaustufe sollen wieder verwendbare Bauteile demontiert werden, die einer Aufarbeitung durch Reinigung oder Reparatur bedürfen (z. B. Türen, Fenster, Oberlichter, Lüftungskanäle, Rollläden, Kabel, Kabelkanäle, Klimakanäle, Bodenbeläge, Decken- und Wandverkleidungen, Holztreppen und Geländer etc.). Von Vorteil sind dabei gut lösbare Verbindungselemente wie Schraub-, Steck- und Klemmverbindungen. In der dritten Rückbaustufe sind Baustoffe auszubauen, die seit langem recycelt und bei den Herstellern wieder als Sekundärrohstoff in den Materialkreislauf integriert werden (z. B. Dachstuhl, Eisenmetalle aus Stahlkonstruktionen im Dach- und Fassadenbereich, von Gittern, Zäunen, Toren und Türen, Stahlkonsolen und Anker, Aluminium, Zink, Blech, Kupfer und Blei aus Dach- und Fassadenkonstruktionen, Glas aus Fenstern, Fassaden, Türfüllungen etc.). In der vierten Rückbaustufe sollten alle noch verbliebenen Bauteile des Innenausbaues oder der Gebäudetechnik ausgebaut werden (z. B. Dämmmatten, Füllschäume, Teerpappen, Bodenbeläge etc.). Die verbleibende Baumasse soll von allen Bauteilen, Stoffen und Verunreinigungen befreit werden, die das Recycling des restlichen Rohbaues behindern. Die fünfte und letzte Rückbaustufe ist der konventionelle Abbruch des Rohbaues. Hierbei kann eine gleichzeitige Sortierung der Abbruchmassen nach Stahlbeton, unbewehrtem Beton, verschiedenem Mauerwerk und nicht frostbeständigem Material wie Gips oder Porenbeton erfolgen. Quelle: UBA

57 Zusammenfassung Bauwesen bindet große Massen an Ressourcen Knappheiten vorne und hinten im System Recyclingquoten sind derzeit gering Probleme sind: fehlende Produzentenverantwortung infolge langer Lebensdauer der Produkte unbekannte materielle Zusammensetzung Lösungen sind: materieller Gebäudepass Implementierung von DfR und Interdisziplinarität Selektiver Rückbau Optimierte Recyclingquoten 57

58 Vision einer Stadt,. die sich zu einem Großteil aus sich selbst erneuert. 58