FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SOLARE ENERGIESYSTEME ISE

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SOLARE ENERGIESYSTEME ISE VERGLEICHENDE ÖKOBILANZ VERSCHIEDENER MATERIALIEN ZUR KONSTRUKTION MULTIFUNKTIONALER FASSADEN Andreas Piekarczyk, Sina Hahn, Regine Weiß, Karl-Anders Weiß, Michael Köhl Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ökosan 15 Graz,

2 AGENDA Hintergrund Motivation multifunktionale Fassade Modellsystem Methodik Ergebnisse Fazit 2

3 Gruppe Gebrauchsdaueranalyse Hintergrund Freibewitterung Beschleunigte Alterung Analytik Modellentwicklung und Simulation Prüfung & Qualifizierung von Materialien: Solare Absorber Reflektoren Polymere Glasoberflächen Anwendungen: PV, Solarthermie, Gebäudetechnik 3

4 Von der Gebrauchsdaueranalyse zur Gebäude-LCA Hintergrund IEA SHC Task39 ( ) SCOOP ( ) ExKoll ( ) Solarthermische Kollektoren auf Kunststoffbasis Nachfolgetasks der Task39: Preisreduktion von solarthermischen Systemen Fassadenintegrierten Systemen 4 Gebäudeintegrierte solarthermische Kollektoren in Reihenhaussiedlung in Oslo, Norwegen. (Quelle: Aventa AS)

5 Multifunktionale Fassaden Motivation Multifunktionalen Fassaden Mehrwert durch Funktionalität Hohes technologisches Niveau Energetische Sanierung Erweiterte Nutzfläche Ästhetische Fassadenintegration Neue Konzepte zur Kostensenkung Life-Cycle-Analysis (LCA) Ökologische Auswirkungen Nachhaltigkeit Werkstoffe Identifizierung zukünftiger Forschungsfelder Gebrauchsdaueranalyse zu Fassadensystemen Vorstudie an Konzeptsystem für Realisierung multifunktionaler Fassade 5

6 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Illustrierte Fassade Mehrfamilienhaus 6

7 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Betrachtung eines Stockwerks 7

8 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Feste Geschoßhöhe 8

9 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Gebäuderaster gegeben durch Fenster, Balkon, 9

10 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Anpassung des Rasters an 2 einheitliche Größen 10

11 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Pfostenlänge angepasst an Geschoßhöhe 11

12 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Riegellänge angepasst an Gebäuderaster 12

13 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Vorgefertigte Tragekonstruktion 13

14 Standardisierung als Kostenvorteil Untersuchtes Modellsystem Konzept bestehend aus Tragendem Teil (skalierbar) Funktionelle Komponenten (feste Dimensionen) Welche Konstruktionswerkstoffe sind unter ökologischen Gesichtspunkten zu bevorzugen Vergleich unterschiedlicher Werkstoffe anhand einer kleinsten funktionellen Einheit 14 Standardisierte funktionale Elemente: Photovoltaikmodule, Solarthermische Kollektoren, Verschattungselemente

15 Funktionelle Einheit Untersuchtes Modellsystem Vorgefertigte Elemente Feste Gebäudehöhe (Pfostenlänge) Variable Riegellänge und Position Vormontiertes Element in Pfosten (grün) und Riegel (rot) Bauweise Traglast 300 kg pro Riegel (1 m) 15

16 Funktionelle Einheit Untersuchtes Modellsystem Vorgefertigte Elemente Feste Gebäudehöhe (Pfostenlänge) Variable Riegellänge und Position Verbindungselemente: Stahlwinkel und Schrauben Kunststoffeckverbinder Winkelverbinder (blau) mit Schrauben (orange) 16

17 Profile und Materialien Untersuchte Produktsysteme Berechnung der Profilquerschnitte Riegel 1 m Länge 300 kg Max. Durchbiegung 2 mm Werkstoffe Holz Wood-plastic-composit (WPC) Polyamid, glasfaserverstärkt (PA-GF) Aluminium Stahl Holz WPC PA- GF Alu Stahl 17

18 Methodik Life-Cycle-Analysis Definition des Lebenszyklus 18

19 Methodik LCA Definition des Produktsystems 19 Funktionelle Einheit (FE) definieren Prozessschritte aufstellen Systemgrenzen definieren Sachbilanz aufstellen (Menge) Rohstoffe Energie Ggf. Allokation Festlegung Datenquellen Rohstoffgewinnung Energiemix Transport

20 Methodik LCA Wahl der Methode und des Indikators Wirkungsabschätzung Kategorien (Umweltprobleme) Indikatoren (Quantifizierung) Charakterisierungsmodelle (Berechnung) 20

21 Methodik LCA Wahl der Methode und des Indikators Analysemodell ReCiPe 2008 kombiniert Eco-Indicator 99 (Endpoint) CML (Midpoint) 18 Wirkungskategorien 3 Schadenskategorien (Auswirkungen auf ) Ökologische Punktezahl (Ø 1000 Pt/a) Detaillierte Analyse der Wirkungskategorien 21

22 Ökologische Punktzahl Ergebnisse 3 Schadenskategorien Menschliche Gesundheit Ökosysteme Ressourcen LC Aluminium LC Stahl LC PA-GF 30% LC WPC LC Holz 22

23 Ökologische Punktzahl Ergebnisse 3 Schadenskategorien Menschliche Gesundheit Ökosysteme Ressourcen LC Aluminium LC Stahl LC PA-GF 30% LC WPC LC Holz 23

24 Ökologische Punktzahl Produktsystem Holz Ergebnisse Geringe Einflüsse Transport gering Holz gering Holzverbrennung Transport Holz Metallrecycling Metall Holzschutz Pt Transport 0,8 Hohe Einflüsse Stahl 10 Metall (13,1 kg) 8,6 Herstellung 6,5 Verarbeitung 2,1 Holzschutzmittel Recycling Energierückgewinnung 5 0 Holz (50,1 kg) 4,9 Rohstoff 4,2 Verarbeitung 0,8 Holzschutz (0,6 kg) 0,9 Imprägnierung 0,1-5 Auswaschen 0,8 Metallrecycling -2,8 Holzverbrennung -4,6-10 Gesamtpunktzahl 7,7 24

25 Ökologische Punktezahl Produktsystem WPC Ergebnisse Geringe Einflüsse Transport Holzfasern Polypropylen Hohe Einflüsse Stahl Recycling Energierückgewinnung WPC Verbrennung Metallrecycling Sonstige Metall Holzfasern PP Pt Sonstige 3,3 Transport 1 Verarbeitung zu WPC 2,3 Metall 8,6 Herstellung 6,5 Verarbeitung 2,1 Holzfasern 2,7 PP 4,1 Entsorgung -6,4 Metall -2,8 WPC -3,6 Gesamtpunktzahl 12,4 25

26 Ökologische Punktzahl Produktsystem Glasfaserverstärktes Polyamid Ergebnisse Geringe Einflüsse Energierückgewinnung Glasfasern Hohe Einflüsse Polyamid Stahl PA-GF Verbrennung Metall Entsorgung Sonstiges Metall Glasfaser PA6 Pt Sonstiges 3,7 Transport 0,5 Verarbeitung zu PA-GF 3,2 Metall 8,6 Herstellung 6,5 Verarbeitung 2,1 Glasfaser 3,6 PA 6 25,9 Entsorgung -4 Metall -2,8 PA-GF -1,2 Gesamtpunktzahl 37,7

27 Ökologische Punktzahl Produktsystem Glasfaserverstärktes Polyamid Parametervariation Polypropylen Höhere Belastung durch Polyamid Ursache in Wirkungskategorien Verbrauch fossiler Rohstoffe Klimawandel Produktionskapazitäten Unterschiedliche Abgasprodukte Ökologischere Alternative durch Polyolefine Unterschiedliche Werkstoffeigenschaften Polypropylen 9,4-3,6 Polyamid 25,9-1,2 Metallentsorgung Kunststoffverbrennung Metall Transport und Verarbeitung GF -5 Kunststoff

28 Ökologische Punktzahl Produktsystem Holz, WPC, PA-GF Parametervariation Verbindungsteile Großer Einfluss von metallischen Verbindungsteilen Reduktion der Einflüsse der Einflüsse um >2/3 Ausreichende Dimensionierung der Verbindungsteile notwendig 3,5 3 2,5 2 1,5 1 PA-GF Stahl 3,17 Entsorgung Herstellung und Transport 0,5 0,62 0-0,5-0,02-0, ,5 28

29 Ökologische Punktzahl Produktsysteme Aluminium und Stahl Ergebnisse Stahl Entsorgung Transport Plastikverbrennung Plastikverbindungen Aluminium Entsorgung Transport Plastikverbrennung Plastikverbindungen Stahl Stahl: 49.7 Pt Aluminium Aluminium: 58,2 Pt 29

30 MWh Zusammenfassung LCA zu Konstruktionswerkstoffen Annahmen und Vereinfachungen notwendig Parametervariationsstudien helfen bei Einschätzung der Fehler Öl Gas Kohle Erneuerbar Nuklear 1% 14% 24% Wahl der Methode abhängig von Definition der Fragestellung Vergleich von Produktalternativen Produktion größter Einfluss 2,5 2, 16% 2,01 45% Produktionsstandort (Energie-Mix) Rohstoffquellen (Recycling, EU, ) Berücksichtigung unterschiedlicher Massen 1,5 1, 0,5 0, 1,35 1,13 0,31-0,07-0,5 "Aluminium" "PA-GF" "Stahl" "WPC" "Holz" 30

31 Ökologische Punktzahl Fazit Ökologisch Back to the roots Metalle zeigen deutlich höheren ökologischen Einfluss verglichen mit holzbasierten Werkstoffen Abhängig von Recycling/Verwertung ,3 Wahl der kunststoffbasieren Verbindungselemente ,8 Anwendungsorientiert Materialwahl Overengineering vermeiden ,1 Berücksichtigung der Nutzungsdauer Kurzfristig: Holz und WPC Langfristig: Aluminium und Stahl Aluminium Recycling 35% Aluminium Recycling 70% Aluminium Recycling 88% 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Andreas Piekarczyk 32