Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen

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1 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner 1 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen Carbon footprint of wooden buildings and structures L empreinte carbone de constructions et d ouvrages en bois Dr. Annette Hafner Lehrstuhl Holzbau und Baukonstruktion TU München DE-München

2 2 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner 19. Internationales Holzbau-Forum 2013

3 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner 3 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen 1. Einleitung Der Bausektor ist für einen großen Anteil am Primärenergieverbrauch und die damit verbundenen Emissionen verantwortlich. Der vermehrte Einsatz von Holz und Holzwerkstoffen kann helfen 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. In dem europäischen Forschungsprojekt ECO2- wood in carbon efficient construction (Laufzeit 12/2010 bis 03/2013) stand genau dieses und die Minimierung des globalen Treibhauspotentials durch Kohlendioxidemissionen während der Herstellung von Holzbauten durch den Produktionsprozess, die Materialien und die Reststoffe, im Mittelpunkt der Forschungsarbeit. Das Projekt wurde finanziert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und war als europäisches Verbundprojekt beim ERA-Net Woodwisdom-Net angesiedelt. Es wurden verschiedene Untersuchungen über den gesamten Lebensweges des Holzes vom Baum im Wald bis zum fertigen Produkt beziehungsweise der Entsorgung durchgeführt. Dabei wurden Energie und Hilfsstoffe (Input) für die Bearbeitungsprozesse gezählt. Demgegenüber stehende Emissionen und Reststoffe, die insgesamt Umweltwirkungen verursachen, wurden als Output in die Bilanz eingerechnet. 2. Aus dem woodwisdom Projekt: ECO2 - wood in carbon efficient construction Ökobilanzen bieten die Möglichkeit die Primärenergie (aufgeteilt in erneuerbaren und nicht erneuerbaren Anteil), das Treibhausgaspotenzial und weitere Kategorien zu vergleichen. 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 Systemgrenzen In Anlehnung an die inzwischen eingeführte DIN EN wurde der Lebenszyklus eines Gebäudes in Module unterteilt. Im Folgenden werden die einzelnen Teilbereiche (Module) dargestellt. Unterschieden wird hierbei in die Module A, B, C und D. Eine Übersicht hierzu ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Module A1 bis C4 decken Umweltauswirkungen und Aspekte ab, die unmittelbar mit den Prozessen und Vorgängen innerhalb der Systemgrenze des Gebäudes stattfinden. Das Modul D liefert hingegen Vorteile, die sich insgesamt in Bezug auf exportierte Energie und Sekundärmaterialien, Sekundärbrennstoffe oder Sekundärprodukte aus Wiederverwendung, Recycling und Energierückgewinnung jenseits der Systemgrenze ergeben. [DIN EN 15978] Der Modulaufbau in der DIN EN ist analog zur Bauproduktebene nach DIN EN in die Module gegliedert. Modul A1 bis A3 entspricht dem Lebenswege cradle to gate. Hier finden die entsprechenden Produktdeklarationen ihre Anwendung (EPDs european product declarations, Systemhalter in Deutschland: IBU). Die Phasen A4 bezieht sich auf den Transport der Materialen zur Baustelle. Die Phase A5 beschreiben die Herstellung des Gebäudes, also z. B. die Vorfertigung von Holzbauten in der Halle und den Zusammenbau vor Ort.

4 4 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner 19. Internationales Holzbau-Forum 2013 Abbildung 1: Beschreibung des Lebenszyklus eines Gebäudes nach DIN EN und DIN EN Die Phasen B1 bis B7 umfassen die Nutzung und den Betrieb des Gebäudes über einen vorher definierten Nutzungszeitraum. Im Nutzungszeitraum anfallende Instandhaltungen, Instandsetzungen bis hin zu Modernisierungen (B1 bis B5) und der Energiebedarf im Betrieb (B6) über eine definierte Nutzungsdauer werden berücksichtigt. Das Lebensende des Bauwerks und die Entsorgung werden im Modul C zusammengefasst. Eingeschlossen sind der Rückbau (C1), mögliche Transportwege (C2), Wiederverwendung oder Recycling (C3) und die endgültige Beseitigung (C4). Das Modul D kann Vorteile und Belastungen jenseits der Systemgrenzen darstellen. In diesem Modul können die möglichen Vorteile der verwendeten Materialien dargestellt werden. Die Rechenregeln für das Modul D sind in DIN EN aufgeführt. In Abbildung 2 ist in anderer Form dargestellt, welche Bereiche bei einer Ökobilanzberechnung eines Gebäudes im Lebenszyklus eingerechnet werden und welche sich außerhalb des betrachteten Systems befinden. Abbildung 2: Systemgrenzen zur Berechnung einer Ökobilanz von Gebäuden

5 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner Funktionelle Einheit Die funktionale Einheit muss die technischen Eigenschaften und Funktionen des Bauwerks eindeutig beschreiben. Hierunter zählen energetische Standards, verwendete Materialien und Anforderungen an Brandschutz und Schallschutz. Anhand der dargestellten Grafiken in Abbildung 3 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 Kohlenstoffspeicher dargestellt. Abbildung 3: Darstellung der in der Berechnung enthaltenen Komponenten Zusätzlich wurde als Berechnungsgröße die Wohnfläche eingeführt, um den Einfluss der einzelnen Kategorien (Primärenergie erneuerbar und nicht erneuerbar, Treibhauspotenzial, Kohlenstoffspeicher) mit anderen Gebäuden vergleichbar zu machen. Vergleichswert ist dann die jeweilige Kategorie pro m² Wohnfläche (als mögliche Vergleichsgrößen können auch die Bruttogeschossfläche oder Nettogeschossfläche herangezogen werden). Als Datengrundlage für die ökologischen Auswirkungen einzelner Bauprodukte wurde ecoinvent benutzt. Zusätzliche Daten wurden für einzelne Produktionsschritte (z.b. Energieverbräuche Vorfertigung) in den Firmen erhoben Betrachtungszeitraum im Lebenszyklus Die zeitliche Grenze wird durch die Nutzungsdauer des Bauwerks definiert. Die Nutzungsdauer des Bauwerks darf nicht verwechselt werden mit der technischen Lebensdauer der Bauteile. Die Nutzungsdauer ist eine festgelegte Größe, die sich in der Regel zwischen 30 und 100 Jahren bewegt. Für das Forschungsprojekt wurde eine Nutzungsdauer von 50 Jahren festgelegt, wie sie auch für die Gebäudezertifizierung nach DGNB oder BNB verwendet wird. Die Nutzungsdauer ist eine in einem Abstimmungsprozess von interessierten Kreisen und dem BMVBS festgelegte Größe, die immer wieder von verschiedenen Seiten in Frage gestellt wurde. Sie ist aber ein formales Kriterium, um einheitliche Bewertungen vorzunehmen Allgemeine Ergebnisse Das Forschungsprojekt ECO2 fokusierte auf die Betrachtung von Gebäuden in der Herstellungsphase, also Modul A. Aus dem Forschungsprojekt ECO2 sollen im Folgenden einige Bereiche herausgegriffen werden.

6 6 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner 19. Internationales Holzbau-Forum 2013 Zusammenhang von Herstellungsphase und Nutzungsphase Abbildung 4: Zusammenhang von Energieverbrauch in der Herstellungsphase und dem betrieb der Gebäude über 50 Jahre In Abbildung 4 ist der Vergleich des Energieverbrauchs von mehrgeschossigen Wohngebäuden mit EnEV-Standard und im Passivhausstandard dargestellt, aufgeteilt nach Herstellungsphase und Betriebsphase über 50 Jahre. Es wird deutlich, dass sich bei Gebäuden mit hohem energetischen 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 energetischen Standard der Primärenergieverbrauch der Herstellung eine große Bedeutung erlangt. Deshalb rückt die Herstellungsphase und damit die einzelnen Bauprodukte zunehmend in das Zentrum der Betrachtungen. Spezielle Untersuchungen zu den Modulen A4 Transport und A5 Vorfertigung Abbildung 5: Gegenüberstellung des Energieverbrauchs in Modul A von Vorfertigung gegenüber Herstellung des Gebäudes auf der Baustelle Anhand mehrerer Gebäude wurden die Module Transport und Vorfertigung bzw. Vor-Ort- Aufbau untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 am Beispiel Mietraching dargestellt. In der Herstellungsphase (Modul A) haben die Module A1-A3, also die Herstellung der Bauprodukte den größten Einfluss. Der Transport zur Baustelle spielt allerdings auch eine Rolle. Gegenübergestellt ist in Abbildung 5 die Vorfertigung von Wänden / Decken in der Halle mit Zusammenbau auf der Baustelle und die reine Vor-Ort Montage. Die Vorfertigung kann insgesamt ökologisch etwas 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 (weniger Primärenergieverbrauch) und ökologisch (bessere Ökobilanzwerte) auswirken.

7 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner Beispielrechnung Mietraching Abbildung 6: Auswertungen der Ökobilanz der Herstellungsphase nach Primärenergieverbrauch und Treibhausgaspotenzial Anhand des Beispiels 4-Holz (Architekt: Schankula; TWP: Bauart Konstruktions GmbH) in Mietraching werden die Auswertungen einer Ökobilanz für die Herstellungsphase aufgeteilt nach den Bauteilen dargestellt. Das Gebäude ist ein Massivholzgebäude auf einem bestehenden Kellergeschoss. Der Primärenergieverbrauch, Treibhausgaspotenzial und gespeicherter Kohlenstoff wurden pro m² Wohnfläche ausgewiesen. Die Außenwände haben einen sehr hohen Anteil am Energieverbrauch (erneuerbaren und nicht erneuerbarer Anteil). Großen Anteil daran haben die Dämmung (Mineralwolle), sowie die Gipskartonschichten. Allerdings ist in der Wand auch viel Massivholz enthalten, was zu dem sehr großen Primärenergieinhalt aus erneuerbaren Quellen beiträgt. Diese enthaltene Primärenergie kann in der Entsorgungsphase freigesetzt werden und als Energiequelle (Modul D) angesetzt werden. Im prozentualen Vergleich haben die Fundamente und Decken den größten Anteil am Treibhausgaspotenzial. Die Primärkonstruktion, hier Massivholzwände und Decken enthalten dagegen den größten Kohlenstoffspeicher. Hauptsächlich die Ausführung des Primärtragwerkes in Holz (besonders Massivholz) schafft einen größtmöglichen Kohlenstoffspeicher. Abbildung 7: Darstellung des prozentualen Einflusses der einzelnen Bauteile auf das Treibhausgaspotenzial und den Kohlenstoffspeicher.

8 8 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner 19. Internationales Holzbau-Forum Planungsprozesse für die Optimierung des carbon-footprints von Konstruktionen Um Konstruktionen mit möglichst optimierten Kohlenstofffußabdruck zu erhalten, müssen schon in den frühen Planungsphasen die Weichen gestellt werden. Bei der Berechnung von Ökobilanzen werden Datensätze für die einzelnen Produkte verwendet, die Kennzahlen zu Inputs und Outputs ausweisen. Dabei muss bei den Daten unterschieden werden. Es gibt: generische Daten, die für die verwendeten Tragwerks- und Materialarten typisch sind akkumulierte Daten, die einen branchenüblichen Durchschnittswert darstellen spezifische Daten, die die Stoffströme eines bestimmten Produkts, an einem Standort ausweisen. Abbildung 8: Beeinflussbarkeit von Carbon-footprint im Planungsprozess In der Planung können generische Daten verwendet werden, da hier verschiedene Konstruktionsprinzipien in Abwägung stehen. Für die Berechnung einer Ökobilanz eines tatsächlich gebauten Gebäudes sollte, soweit vorhanden, mit spezifischen Daten gerechnet werden. Hier kann dann ein Auswahlkriterium für einen Anbieter / Produkt die, im Vergleich zu den generischen Daten, vorhandene (bessere) spezifische Produktdeklaration (EPD) des Anbieters sein. Außerdem steckt großes Potenzial für die einzelnen Firmen in der Nutzung von spezifischen Produktdeklarationen, da die Daten zur Optimierung der eigenen Produktion herangezogen werden können. Für die Zukunft ist denkbar, dass Konstruktionen auf den möglichst geringen ökologischen Fußabdruck hin optimiert werden. Hier können Produkte mit geringem Fußabdruck vorteilhaft sein. 3. Zusammenfassung wichtiger Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt ECO2 Frühzeitig müssen die Ziele vom Auftraggeber / Bauherrn festgelegt werden, damit sich der Carbon-footprint von Holz im Gebäudebereich optimieren lässt. Um eine einheitliche und vergleichbare Beurteilung der Qualität zu gewährleisten sind die Systemgrenze und das funktionale Äquivalent des Bauwerks festzulegen. Die DIN EN sollte hierbei Grundlage sein. Je mehr die Energieeffizienz in der Nutzungsphase des Gebäudes (Modul B) verbessert wird, desto größer wird die Wichtigkeit der Herstellungsphase mit ihren ökologischen Fußabdruck.

9 Carbon-footprint von Holzbauten und Konstruktionen A. Hafner 9 Für Rückbau muss die materielle Nutzung der Ressource Holz an erster Stelle stehen und dann erst eine energetische Nutzung umgesetzt werden. Der Vergleich von Gebäuden in der Herstellungsphase ist meistens auf die Module A1 bis A3, also die Herstellung der Produkte, reduziert. Diese sind für einen Großteil der ökologischen Auswirkungen verantwortlich. Für den Transport (Modul A4) ist entscheidend, wie weit entfernt die Baustellen von den Produktionsstätten (bzw. Vorfertigung) ist. Der Grad der Vorfertigung bzw. der Zusammenbau auf Baustelle führen zu leicht veränderten Ergebnissen. 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. Vorfertigung scheint dabei etwas vorteilhafter abzuschneiden. Hierzu ist aber weitere Forschung nötig. Im Vergleich von Vorfertigung und Zusammenbau auf der Baustelle können die Ergebnisse zur Reduktion des Energie und Elektrizitätsverbrauchs während der Vorfertigungsphase benützt werden. In einem nächsten Schritt müssen nun Referenzwerte für Carbon-footprint von Bauteilen erarbeitet werden, die es ermöglichen den Carbon-footprint von Bauteilen genau mit maximalen Grenzwerten zu beschreiben. Diese können dann bei Ausschreibung / Vergabe von Gebäuden herangezogen werden, um den Fußabdruck von Gebäuden weiter zu reduzieren. Holz kann dabei eine wichtige Rolle spielen.