Ökobilanz der Herstellung von Asphaltbelägen

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1 Ökobilanz der Herstellung von Asphaltbelägen der asphaltprofi 1-17 Prof. Dr. Susanne Kytzia Institutsleiterin IBU Institut für Bau und Umwelt Thomas Pohl Projektleiter am UMTEC Institut für Umwelt- und Verfahrenstechnik 22 Ausgangslage In der Herstellung von Asphaltbelägen werden in der Schweiz seit einigen Jahren Sekundärbaustoffe aus Ausbruchasphalt eingesetzt: in Trag- und Binderschichten ebenso wie zur Verstärkung der Fundation. Die Verantwortlichen der MOAG Baustoffe Holding AG konnten dabei in den letzten Jahren feststellen, dass die Emissionen von Flüchtigen Organischen Kohlenstoffen (VOC) bei der Produktion deutlich ansteigen, wenn Ausbruchasphalt in der Produktion eingesetzt wird. Die MOAG Baustoffe Holding AG steht vor der Herausforderung ihre Produktion bzw. ihre Produkte in Bezug auf Qualität, Kosten und Umweltwirkungen zu optimieren. Im Umweltbereich ergibt sich aktuell ein Konflikt zwischen dem Ziel des Schliessens der Materialkreisläufe einerseits und der Belastung der Luft durch organische Kohlenstoffe am Produktionsstandort andererseits. Die vorliegende vergleichende Ökobilanz liefert eine Grundlage, um diesen Zielkonflikt ganzheitlich zu betrachten und zu entschärfen. Zielsetzung und Inhalt In diesem Projekt sollen einerseits die Umweltwirkungen der Herstellung von Asphalt detailliert untersucht werden. Andererseits sollen die Umweltwirkungen von verschiedenen Asphaltprodukten mit einem unterschiedlichen Anteil an Sekundärmaterial im gesamten Lebensweg gegenübergestellt werden. Bei beiden Untersuchungen soll gezeigt werden, welchen Beitrag eine Reduktion der Materialtemperatur in den Trocknertrommeln zur Optimierung leisten kann. Dazu werden der Prozessablauf der Asphaltherstellung am Betriebsstandort Uznach-Grynau (SG) systematisch beschrieben und die Stoff- und Energieflüsse für alle relevanten Betriebszustände erfasst; alle Prozesse im Lebensweg der untersuchten Asphaltprodukte beschrieben. Mit Hilfe von Standarddaten aus gängigen Ökobilanzinventaren werden anschliessend die Umweltwirkungen abgeschätzt; Ökobilanzen für die untersuchten Asphaltprodukte erstellt (inkl. Unsicherheitsanalysen und Interpretation); Handlungsempfehlungen erarbeitet in Bezug auf weitere verfahrenstechnische Optimierungen einerseits und die Kommunikation gegenüber den wichtigsten Interessengruppen der MOAG Baustoffe AG andererseits. Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Bau und Umwelt (IBU) und dem Institut für Umwelt- und Verfahrenstechnik (UMTEC) an der Hochschule für Technik Rapperswil HSR erarbeitet. Die Verantwortlichen der MOAG Baustoffe Holding AG unterstützten diese Arbeit, indem sie die notwendigen Daten zu den Stoff- und Energieflüssen bei der Asphaltherstellung sowie zu den untersuchten Asphaltprodukten zur Verfügung stellen. In einem ersten Schritt wurden die zu untersuchenden Asphaltprodukte festgelegt: Asphalt-Concrete für Deckschichten mit Recyclinganteil % Asphalt-Concrete für Trag- und Binderschichten mit Recyclinganteil 3 % Asphalt-Concrete für Tragschichten mit Recyclinganteil 6 %

2 Für diese drei Produkte werden jeweils zwei Szenarien betrachtet: (i) Herstellung als Niedertemperaturasphalt und (ii) Herstellung als Heissasphalt. In diesem Bericht werden deshalb die verschiedenen Produkt_Produktions_Varianten wie folgt benannt: Tab. 1: Benennung der betrachteten Produkt_Produktions_Varianten. Recycling-Anteil % 3% 6% Niedertemperaturasphalt Heissasphalt H Daraus ergeben sich sechs Betriebszustände für die Asphaltherstellung im Werk Uznach- Grynau, für die detaillierte Daten zu den Energieverbräuche der Trocknertrommeln sowie den Luftemissionen erfasst werden müssen. In einem zweiten Schritt wurden die Stoff- und Energieflüsse der Asphaltherstellung am Standort Uznach-Grynau untersucht. Für die Ökobilanzanalyse wurden folgende Daten von den Verantwortlichen der MOAG Baustoffe Holding zur Verfügung gestellt resp. durch den Hersteller der Asphaltanlage, der Firma Ammann AG, und durch das Amt für Umwelt des Kantons St. Gallen erhoben: Zerkleinerung Sekundärmaterialien: Betriebsstunden und Energieverbrauch der Baumaschinen (Radlader, Prallbrecher). Produktionsanlage: Stromverbrauch pro Jahr (Durchschnitt), Lebensdauer und jährliches Produktionsvolumen (Durchschnitt). Verbrauch an Erdgas/Erdöl für jeden der sechs untersuchten Betriebszustände (siehe oben) sowie jährliche Verbrauchs- bzw. Produktionsmengen (zur Validierung). Abfallmengen unterschieden nach Feinmaterial, Schlämme aus der Entwässerung und sonstigem Abfall sowie Entsorgungswege. Messwerte für NOx, VOC, CO, Gesamtstaub und Benzol für jede der sechs untersuchten Produkt_Produktions_Varianten (siehe Tab 2) sowie Volumenstrom und Produktionsmenge. Zusammensetzung der verschiedenen Asphaltprodukte (Rezepturen). In einem dritten Schritt wurden die Ökobilanzen für die Lebenswege der untersuchten Asphaltprodukte, gemäss den gängigen Normen zur Ökobilanzierung, erstellt. In diesem Schritt wurden Inventardaten aus der Datenbank Ecoinvent 2.2 und 3.2 verwendet. Es wurden die im Baubereich gängigen Wirkungskategorien ausgewertet: Graue Energie, Treibhauspotenzial und Ökologische Knappheit (UBP), mehr dazu im Abschnitt «Methoden». In einem letzten Schritt wurden die daraus resultierenden Handlungsempfehlungen formuliert. Rohstoffe RA Emissionen Ges.-C CO NOx CO2 Benzol Staub Abb. 1: Ökobilanz-Modell zum Vergleich verschiedener Asphaltarten des Asphaltmischgutwerks in Uznach-Grynau. Transport Asphaltwerk MOAG Uznach-Grynau: Infrastruktur (Gebäude, Trommeln, Doseure, Hochelevatoren etc.) Radlader Prallbrecher Asphalt Produkte Energie Diesel Strom Erdgas Füller Füller 23der asphaltprofi 1-17

3 Ökobilanz der Herstellung von Asphaltbelägen Methoden Zur Bewertung der Emissionen und Ressourcenverbräuche wurden die im Baubereich üblichen Wirkungskategorien «Ökologische Knappheit/ Umweltbelastungspunkte UBP», «Treibhauspotenzial CO2- Äquivalente» und «Graue Energie MJ Öl-Äquivalente» verwendet: Graue Energie Wird auch «kumulierter Energieaufwand (nicht erneuerbarer Energien)» genannt, weil die gesamt aufgewandte Energie über den gesamten Lebenszyklus eines Produkts oder Prozesses kumuliert wird. Diese Umweltwirkungskategorie zeigt dabei den direkten und auch den indirekten Energieverbrauch, welche über Charakterisierungsfaktoren in MJ Öl-Äquivalente umgerechnet werden. Diese Wirkungskategorie beinhaltet die energetischen Inputs für die Gewinnung, Herstellung und Entsorgung aller benötigten Materialien und Hilfsstoffe und bewertet dabei den Bedarf an nicht erneuerbaren primären Energieträgern wie Kohle, Öl oder Uran. Treibhauspotenzial Diese Umweltwirkungskategorie berücksichtigt alle klimaschutzrelevanten Emissionen eines Produktes oder Prozesses über den gesamten Lebenszyklus. Die Bewertung wird anhand eines Charakterisierungsfaktors in kg CO2-Äquivalente vorgenommen. Ökologische Knappheit (UBP-Methode) Diese Ökobilanzierungsmethode beruht auf dem Vergleich der aktuellen Belastung der Umwelt (aktueller Fluss, «Ist-Menge») mit der gesellschaftspolitisch als zulässig angesehenen Belastung (kritischer Fluss, «Toleranzmenge»). Das Verhältnis von aktuellem zu kritischem Fluss resp. der «Ist-Menge» zur «Toleranzmenge» wird als ökologische Knappheit bezeichnet. Diese Methode wird auch Umweltbelastungspunkte-Methode (kurz UBP-Methode) genannt. Denn diese Ökobilanzierungsmethode berücksichtigt eine grosse Anzahl an Wirkungskategorien, welche anhand einer Gewichtung, basierend auf politischen Zielen der Schweizer Umweltgesetzgebung abgestützt, ein gesamtaggregiertes eindimensionales Ergebnis in der Einheit UBP liefert. Sie wurde im Auftrag des BAFU erarbeitet und gilt auch besonders hilfreich als Entscheidungsgrundlage in verschiedenen Geschäftsbereichen privatwirtschaftlicher Unternehmen. Die Ökobilanz stützt sich auf die Umweltdatenbank Ecoinvent 2.2 und 3.2 sowie auf Betriebsdaten und Emissionsmessungen der MOAG AG am Betriebsstandort Uznach. Als funktionale Einheit wurde eine Tonne Asphalt ab Werk definiert. Die Systemgrenze umfasst die Gewinnung der Ressourcen, sämtliche Produktionsschritte der Herstellung von Zwischenprodukten (z.b. ) und ihrer Transporte sowie die Asphaltherstellung am Betriebsstandort der MOAG AG in Uznach (Systemgrenze «Von der Wiege bis zum Werkstor / Cradle-to-Gate», siehe Abb. 2). Asphalt Recycling / Deponierung Rohstoffgewinnung Asphalt Produktion Cradle-to-Gate Lebenszyklusanalyse Asphalt Rückbau Asphalt Nutzung Asphalt Einbau Abb. 2: Darstellung der angepassten Systemgrenzen zu einer «Cradle-to-Gate» -LCA, bei der alle Emissionen und Ressourcenverbräuche ab Gewinnung Rohstoffe bis Asphalt ab Werk miteinbezogen werden. 25der asphaltprofi 1-17

4 Ökobilanz der Herstellung von Asphaltbelägen Umweltbelastung [kubp/t] H Abb. 3: Ökobilanz verschiedener Produkt_Produktions_Varianten mit Auflösung nach Prozessbeitrag, berechnet mit der UBP-Methode. Anlagenspezifische Luftemissionen Infrastruktur (Asphaltwerk, Baumaschinen etc.) Betriebsmittel (Diesel, Erdgas, Strom) Transporte Resultate Abb. 3 zeigt das Ergebnis der Ökobilanz basierend auf der UBP-Methode unter Berücksichtigung der Datenunsicherheit (Fehlerbereich gezeigt als 95 %-Konfidenzintervall). Die Ökobilanz von allen Produkt_Produktions_ Varianten wird dominiert durch die Bereitstellung der Rohmaterialien der Asphaltherstellung, insbesondere des s. Dabei sind auch schon die Emissionen, die bei der Ressourcenextraktion und -aufbereitung anfallen, miteinbezogen. Hingegen sieht man, dass die Asphaltproduktion keine «abfall-intensive» Industrie ist, denn abgesehen von Füller (<.63 mm) und dem Schlammsammler der Platzentwässerung fallen keine nennenswerte an. Auch die gesamte Infrastruktur des Mischgutwerkes, wie z.b. die Trocknertrommeln, die Doseure, die Hochelevatoren, die Radlader etc. tragen auch nur einen relativ kleinen Teil zur Gesamtbilanz bei. Umweltbelastung [kg CO2-eq/t] Treibhauspotenzial, CO2-Äquivalente Die Betriebsmittel und die Transporte verursachen die zweithöchsten Belastungen. Ein signifikanter Unterschied lässt sich auch in Bezug auf die verwendete Menge Asphaltgranulat (aus Ausbruchasphalt) feststellen. Denn je höher der Anteil an verwendetem Asphaltgranulat im Asphalt desto vorteilhafter schneidet dessen Umweltbilanz ab. Dieser Sachverhalt wird durch die beiden Wirkungskategorien «Treibhauspotenzial CO2-Äquivalente» und «Graue Energie MJ Öl-Äquivalente» in den Abbildungen 4 und 5 bestätigt. Dabei muss angemerkt werden, dass die Vermeidung einer Deponierung von RC-Granulat in der Ökobilanz nicht miteinbezogen wurde, da die Ergebnisse schon ohne eine solche Gutschrift klar genug ausfielen. Ein solcher Einbezug würde die Vorteile einer Wiederverwendung von RC-Granulat aus umwelttechnischer Sicht jedoch noch stärker unterstreichen. H Abb. 4: Ökobilanz verschiedener Produkt_Produktions_Varianten mit Auflösung nach Prozessbeitrag, berechnet für die Wirkungskategorie Treibhauspotenzial. 26 der asphaltprofi 1-17 Der Einfluss der Temperatur wird in der Ökobilanz bei der Wirkungskategorie «Treibhauspotenzial» deutlich (Abb. 4). Durch den verminderten Einsatz von Erdgas bei Niedertemperaturasphalten wird die Ökobilanz um ca % verbessert. Die UBP-Methode und die Wirkungskategorie «Graue Energie» hingegen zeigen auf eine Verbesserung von lediglich ca. 5 % (siehe Abb. 4 und 5). Die anlagenspezifischen Luftemissionen der Asphaltherstellung am Standort Uznach führen zu deutlich kleineren Umweltwirkungen als die Bereitstellung der Rohmaterialien. Die Ökobilanz liefert daher klare Argumente für Recyclingasphalt. Diese Aussage wird durch bereits vorhandene Studien zu dieser Frage bestätigt.

5 Fotos: IStockphoto und FORM 3 Masterline GmbH 8' 7' Graue Energie, MJ Öl-Äquivalente Umweltbelastung [MJ oil-eq/t] 6' 5' 4' 3' 2' 1' H Infrastruktur (Asphaltwerk, Baumaschinen etc.) Betriebsmittel (Diesel, Erdgas, Strom) Transporte Abb. 5: Ökobilanz verschiedener Produkt_Produktions_Varianten mit Auflösung nach Prozessbeitrag, berechnet für die Wirkungskategorie Graue Energie in der Einheit MJ Öl-Äquivalente. Abb. 5 zeigt die Wirkungskategorie «Graue Energie», bei der die anlagenspezifischen Luftemissionen wegfallen, da sie mit dieser Wirkungskategorie nicht betrachtet werden. Dafür zeigt der Wirkungsindikator Graue Energie deutlich, dass zur Bereitstellung von sehr viel nicht erneuerbare Energie aufgebracht wird. Dies nicht zuletzt, weil im Erdölprodukt sehr viel nicht erneuerbare Energie gespeichert ist, die nicht mehr für andere Zwecke zur Verfügung steht. Schlussfolgerung Der eingangs angesprochene Zielkonflikt kann dadurch jedoch nur bedingt entschärft werden. Ökobilanzen unterstützen Managemententscheide zugunsten einer ökoeffizienten Produktion/Produktentwicklung und beziehen sich auf national bzw. international bedeutende Umweltwirkungen (z.b. dem Treibhauseffekt). Das kantonale bzw. nationale Umweltrecht hingegen zielt vielfach auf die Vermeidung von lokalen Risiken für die natürliche Umwelt und folgt dem Vorsorgeprinzip. Die Einhaltung dieser Vorgaben im Sinne des «legal compliance» setzt den Rahmen für die Optimierung der Öko-Effizienz. In Konfliktfällen geht es letztlich um eine Abwägung zwischen der Vermeidung lokaler Risiken und der Reduktion national bedeutender Umweltwirkungen. Die Ökobilanzierung kann nur Argumente für die damit verbundenen Aushandlungsprozesse liefern. Die vorliegende Studie liefert in diesem Sinne klare Argumente zugunsten des Einsatzes von Asphaltgranulaten aus dem Rückbau von Strassenbelag. 27der asphaltprofi 1-17