Nachhaltige Häfen
Ökobilanz
- Technik
- Vorteile von Stahlspundbohlen
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Bau eines nachhaltigen Hafens: Umweltverträglichkeitsanalyse
Bevor ein neues Bauwerk errichtet wird, ist es sinnvoll, die Möglichkeit zu prüfen, die Nutzungsdauer bestehender Bauwerke zu verlängern. Dies ist unter Umweltgesichtspunkten die beste Option, aber meistens müssen alte Bauwerke nachgebessert werden. Daher kann nur eine Wirtschafts- und Umweltanalyse dem Eigentümer helfen, eine fundierte Entscheidung zu treffen. Aber wenn es darum geht, den Schwimmbaggerpegel zu erhöhen, um Schiffe mit größerem Tiefgang aufnehmen zu können, oder wenn die bestehenden Bauwerke kurz vor dem Versagen stehen, kann der Bau einer neuen Kaimauer die einzige praktikable Alternative sein.
Die Frage ist, wie baut man einen nachhaltigen Hafen?
ArcelorMittal beauftragte Tractebel, ein unabhängiges belgisches Ingenieurbüro, mit der Analyse dieses recht vielschichtigen Themas. Die Ingenieure schlugen vor, sich auf drei Schlüsselindikatoren zu konzentrieren: technische, finanzielle und Umweltkriterien. Ihre Aufgabe bestand darin, drei verschiedene technische Lösungen für die oben genannten Indikatoren zu vergleichen. Das ausgewählte Bauwerk ist ein Kreuzfahrtterminal, das die größten Kreuzfahrtschiffe aufnehmen kann. Es würde in einem belgischen Hafen gebaut werden, mit einem Tiefgang von 13 m bei typischen Bodenverhältnissen und Belastungsbedingungen für einen belgischen Hafen.
Die Ökobilanz basiert auf dem von Tractebel erstellten Leistungsverzeichnis und wurde von der F&E-Abteilung von ArcelorMittal durchgeführt. Sie wurde von einem Expertengremium begutachtet. Ziel war es, die Gesamtlebenszykluskosten zu vergleichen, einschließlich der Belastungen oder Vorteile der Endphase des Lebenszyklus, d. h. Rückbau und Recycling der Gebäudeelemente, wobei jedoch keine Wiederverwendung berücksichtigt wurde.
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Für diese Art von Anwendung ist eine Ökobilanz eine relativ faire und transparente Methode zum Vergleich verschiedener Lösungen und Anbieter. Obwohl die ISO- und EN-Normen dies nicht vorschreiben, ist eine Ökobilanz genauer und realistischer, wenn sie spezifische Umweltproduktdeklarationen (EPD) der Hersteller und keine generischen Daten aus Datenbanken verwendet.
Bei der Wahl einer Lösung sind mehrere Schlüsselindikatoren zu berücksichtigen, von denen der wichtigste die Baukosten (einschließlich des Designs) sind.
Der wichtigste Umweltindikator, der in diesem Fall analysiert wurde, ist der CO2-Fußabdruck; seine Einwirkungen für das Basisszenario sind in der nachstehenden Grafik für eine 200 m lange Wand zusammengefasst. Dieser Indikator kann in ein Schema zur Auswahl der nachhaltigsten Lösung (wirtschaftlich günstigstes Angebot) einbezogen werden, wie z. B. die in den Niederlanden angewandte Monetarisierungsmethode, die auf mehreren Schlüsselindikatoren beruht.
In dieser Fallstudie kommt man zu dem Schluss, dass die EcoSheetPile™ Stahlspundwand den geringsten CO2-Fußabdruck hat, der Unterschied beträgt 44 % im Vergleich zur Schlitzwand. Eine Sensitivitätsanalyse hat gezeigt, dass die Änderung einiger Parameter keine wesentliche Einwirkung auf die oben genannte Zahl hatte und in keinem Fall das Ergebnis umkehrte.
Hinweis:
Die Schlussfolgerungen können nicht einfach auf andere Situationen oder andere Länder übertragen werden, ohne dass entsprechende Korrekturfaktoren angewendet werden.
Einleitung
Die Spundwand ist mit einem 24,5 m langen Standardprofil AZ 46-700N in der Stahlgüte S 460 AP ausgeführt, die Ankerwand besteht aus einem 7,5 m langen AZ 20-800 in S 460 AP. Beide Wände sind mit 30 m langen Stahlankern mit einem Durchmesser von 64 mm im Abstand von 1,40 m (Mittellinie) verbunden.
Die Schlitzwand ist 25,5 m hoch, hat eine Wandstärke von 800 mm und zwei 22,0 m lange aktive Anker, die sich auf einer Höhe von +1,0 m befinden.
Es stellte sich heraus, dass unter den gewählten Bedingungen und Annahmen die Stahlspundwand etwa 20 % kosteneffizienter ist als die Schlitzwand und dass die Kosten für die Deck-auf-Pfahl-Struktur im Vergleich zu den beiden anderen Alternativen wesentlich höher sind. In Anbetracht der erheblichen Unterschiede wurde daher beschlossen, dass sich die Ökobilanz auf die beiden wirtschaftlich attraktiveren Lösungen konzentrieren sollte: Stahlspundwand und Schlitzwand.
Leistungsverzeichnis und Ökobilanz
Das im Rahmen dieses Entwurfsprojekts erstellte Leistungsverzeichnis dient als Grundlage für die Ökobilanz.
Die nachhaltigste Struktur kann auf verschiedene Arten ermittelt werden. Für diese Analyse wurde die in den Niederlanden angewandte Monetarisierungsmethode gewählt.
Es gibt mehrere Umweltindikatoren, die zum Vergleich der nachhaltigsten Lösungen herangezogen werden können, wie z. B. der MKI in der niederländischen Methode. Diese Ökobilanz konzentriert sich jedoch auf das Treibhauspotenzial (GWP), den wichtigsten Einflussfaktor für den Anstieg der Temperatur auf unserem Planeten. Andere Umweltparameter wurden analysiert und zeigen ähnliche Trends wie das GWP, mit Ausnahme von zwei Parametern.
Die Ökobilanz wurde von der F&E-Abteilung von ArcelorMittal im Jahr 2020 durchgeführt und von einem Gremium aus drei unabhängigen Experten begutachtet. Die Gutachter kommen zu dem Schluss, dass der Ökobilanz-Bericht professionell und unvoreingenommen erstellt wurde und dass die Schlussfolgerungen korrekt sind.
Die Variabilität der Schlüsselparameter kann einige Ergebnisse erheblich beeinflussen; daher wurde eine Sensitivitätsanalyse der Schlüsselparameter durchgeführt, die bestätigt, dass ihre Variation eine begrenzte Einwirkung auf die Ergebnisse hat, aber niemals die Schlussfolgerung des Basisszenarios umkehrt.
Ziel, Umfang und Annahmen
Methodik
Daten
Es wurden bevorzugt die relevantesten und neuesten Quellen herangezogen. Die Datenbank wurde auf den folgenden Elementen aufgebaut:
- Umweltproduktdeklarationen (EPDs), die der Norm DIN EN 15804 entsprechen und im IBU registriert sind. Bei diesen Daten handelt es sich um öffentliche und von Fachleuten geprüfte Daten,
- Gabi Database 2018 für den Transport sowie für Baustellen- und In-Use-Prozesse.
Die Repräsentativität und Konsistenz der Daten wurde überprüft, und wann immer möglich wurden belgische, deutsche oder europäische EPDs und Datenbanken verwendet. Beachten Sie, dass in den Daten ein gewisser inhärenter Ausschnitt enthalten sein kann, aber alle Daten in den EPDs entsprechen den europäischen Normen.
Die ausgewählten Stahlspundbohlen werden im ArcelorMittal-Werk in Belval, Luxemburg, hergestellt. Die Daten für Stahlspundbohlen wurden der EPD der EcoSheetPiles™ von ArcelorMittal entnommen. Hinweis: Da es sich um eine Ökobilanz für ein spezifisches Projekt handelt, wurden die Werte aus der EPD an die projektspezifischen Annahmen angepasst. Daher wurde von der F&E-Abteilung ein einfaches Werkzeug entwickelt.
Bewehrungsstäbe können von jedem beliebigen Werk in Europa geliefert werden, weshalb es schwierig war, ein bestimmtes Werk auszuwählen. Die beste Option ist die Berücksichtigung einer EPD und die Berechnung einer durchschnittlichen Entfernung zwischen den in der EPD erfassten Werken und der Baustelle. Es wird davon ausgegangen, dass der Baustahl, z. B. die Gurtungsträger, in einem der Werke in Luxemburg (Belval oder Differdange) hergestellt wird. Es wurde eine EPD für in Differdange hergestellte Stahlträger ausgewählt.
Es wird angenommen, dass der Beton in einem Werk in der Nähe des Hafens von Antwerpen hergestellt wird. Es wurden einzelne EPDs für Beton, mit und ohne Modul D, verwendet.
Transport
Die Umwelteinflüsse der Verkehrsträger sind der Gabi-Datenbank von 2018 entnommen. Sie enthält mehrere Kategorien für jeden Verkehrsträger, zum Beispiel einen „Sattelschlepper mit einer maximalen Nutzlast von 27 Tonnen, Euro 0-6-Mix“.
Die Ökobilanz berücksichtigt folgende Annahmen für den Transport:
- Stahlspundbohlen: 250 km mit der Bahn – vom Werk in Belval (Luxemburg) zum Hafen von Antwerpen in Belgien,
- Bewehrungsstäbe: 1.400 km mit der Bahn – durchschnittliche Entfernung von den in der EPD berücksichtigten Werken nach Antwerpen,
- andere Stahlelemente: 250 km mit der Bahn – vom Werk in Belval oder Differdange (LU) nach Antwerpen,
- Beton: 10 km mit dem Lkw – von einem Mischwerk in der Nähe des Hafens von Antwerpen.
End-of-Life-Praktiken
Es wird davon ausgegangen, dass Stahlspundbohlen und andere Stahlelemente aus der Stahllösung nach der Nutzungsdauer wiederverwertet werden. Die Wiederverwendung von Spundwänden, die 50 Jahre lang in einer dauerhaften Wand verwendet wurden, ist recht selten, daher wurden zwei Szenarien mit 0 % Wiederverwendung analysiert:
- 95 % Recycling und 5 % Deponierung,
- 99 % Recycling und 1 % Deponierung.
In der EcoSheetPiles-EPD wird angenommen, dass 25 % wiederverwendet, 74 % recycelt und 1 % deponiert werden. Die Methode, mit der die Werte der EPD an die oben genannten Szenarien angepasst wurden, wird in dem Bericht ausführlich erläutert.
Die Schlitzwand konnte nur teilweise abgerissen werden, so dass nur ein Teil wiederverwertet und recycelt bzw. deponiert werden konnte. Diese Unterscheidung führt auch zu zwei verschiedenen Szenarien.
Monetarisierung
Die Monetarisierung ist ein allgemeiner und politisch gebilligter Ansatz, um die Haltung der Wirtschaftsakteure zur globalen Erwärmung und zu ökologischen Fragen zu reflektieren. Dieser Ansatz entspricht nicht der ISO 14040-44, wird aber in Belgien und den Niederlanden angewandt. Mit diesem methodischen Verfahren kann ein faires und angemessenes Gleichgewicht zwischen Umwelteinflüssen und Kosten ermittelt werden.
Der Standardwert für 1 Tonne CO2e wird beispielsweise in den Niederlanden mit 50 € und in Belgien mit einer Spanne von bis zu 100 € angesetzt. Der Faktor wird verwendet, um den berechneten CO2e-Gehalt zu multiplizieren.
In den Niederlanden führt die Methode zu einem globalen Index namens MKI. Er berücksichtigt mehrere Parameter, die nicht in den europäischen Standard-EPDs enthalten sind (z. B. toxikologische Parameter), sowie Gewichtungsfaktoren für jeden Parameter.
Außerdem unterteilt die Methode die Daten für die Ökobilanz in drei verschiedene Kategorien. Die erste Kategorie entspricht einer einzelnen EPD für ein bestimmtes Produkt (in der Regel von einem einzigen Hersteller), während die dritte Kategorie generischen Daten (Durchschnittswerte aus verfügbaren Datenbanken oder von Herstellern) entspricht und mit einem spezifischen Gewichtungsfaktor belegt wird, um die Mittelwertbildung und Streuung der generischen Daten zu berücksichtigen. Folglich müssen Hersteller, die ihre Produkte in die Daten der „Kategorie 1“ einbeziehen wollen, eine einzelne EPD für die Niederlande entwickeln. Beachten Sie jedoch, dass dieser Ansatz eine Schwäche hat: In bestimmten Fällen kann es günstiger sein, generische Daten zu verwenden als eine einzelne EPD, die einen sehr hohen Umwelteinfluss hat!
Ergebnisse
Außerdem beträgt der Beitrag der Phasen A1-A3 zum gesamten Lebenszyklus in beiden Fällen mehr als 70 % (rund 70 % für die Spundwandlösung, rund 90 % für Beton).
Es wurden weitere Indikatoren analysiert: Versauerungspotenzial, Elemente des abiotischen Ressourcenverbrauchs usw. Weitere Einzelheiten finden Sie in dem Bericht. Die Tendenz ist ähnlich wie beim GWP, mit Ausnahme des Süßwasserverbrauchs und des abiotischen Erschöpfungspotenzials fossiler Brennstoffe, wo die Umwelteinflüsse bei der Stahllösung größer sind.
Der Vergleich der Indikatoren zeigt einen ausreichenden Unterschied zwischen den beiden Alternativen, um die Aussage zu rechtfertigen, dass „die Umwelteinflüsse von Stahlspundbohlen geringer sind als die der Schlitzwand“. Geht man von einer Unsicherheit von 5 % bei jedem Input der Studie aus, ist eine Differenz von mindestens 10 % erforderlich, um einen deutlichen Unterschied zwischen alternativen Lösungen aufzuzeigen. Dies gilt für die untersuchten Indikatoren.
Sensitivitätsanalyse
Karbonatisierung des Betons in der Nutzungsphase
Die Karbonatisierung in Modul D wird berücksichtigt, während sie in Modul B1 ausgeschlossen wurde, da der größte Teil des Betons untergetaucht ist, so dass eine Karbonatisierung des Betons während der Nutzungsphase in dieser speziellen Anwendung sehr unwahrscheinlich ist. Dennoch wurde eine Bewertung dieses Parameters durchgeführt.
Die Schlussfolgerung ist, dass sich der Abstand zwischen der Stahllösung und der Betonlösung, bei Anwendung auf das gesamte Betonvolumen, von 44 % auf 41 % verringert.
Beton-EPD
Bei dieser Sensitivitätsbewertung wurden verschiedene EPDs für Beton berücksichtigt, und um zu bestätigen, dass der Strommix keinen oder nur einen begrenzten Einfluss auf das GWP von Beton hat. Es wurde eine Reihe von EPDs aus Frankreich und Deutschland für verschiedene Betonstärken ausgewählt: C 30/37 bis C 50/60.
Bei Beton mit höherer Festigkeit vergrößert sich der Abstand zwischen der Stahllösung und der Betonlösung, bei Beton mit geringerer Festigkeit verringert sich der Abstand.
Hinweis: Ein Vergleich mit Beton auf der Grundlage von CEM III-Zement wurde aufgrund der derzeitigen Uneinheitlichkeit der Schlackenzuweisung zwischen Stahl- und Zementindustrie nicht analysiert.
End-of-Life-Szenario
Die Bewertung des Einflusses des End-of-Life-Szenarios erfolgt, indem der Rückbau/Abriss des Bauwerks für jede Alternative ignoriert wird. Daher werden die Systemgrenzen durch Entfernen der Phasen C3 und D geändert.
Abbildung 7 zeigt eine Zunahme des Unterschieds zwischen der Stahl- und der Betonlösung.
Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass für die EcoSheetPiles™ Modul D aufgrund des negativen „Netto-Schrottwertes“ zu einer Belastung führt (im EAF-Produktionsprozess wird mehr Schrott verbraucht, als am Ende der Lebensdauer für das Recycling zur Verfügung steht), während es für den Beton durch die Karbonatisierung am Ende der Lebensdauer von Vorteil ist.
Korrosionsverluste
Ein genauer Verlust an Stahlmasse aufgrund von Korrosion ist kaum vorhersehbar, da das Korrosionsphänomen je nach Expositionszone und Ort unterschiedlich ist.
Mehrere Effekte während der Nutzungsphase können diesen Parameter erheblich beeinflussen. Wenn genauere Langzeitmessungen vor Ort nicht zur Verfügung stehen, ist es üblich, die in Kapitel 4 der Norm DIN EN 1993-5 vorgeschlagenen Korrosionsraten anzunehmen.
Auf der Grundlage dieser Norm beläuft sich der Gesamtverlust an Stahl aufgrund von Korrosion auf etwa 136 Tonnen. Daher wurden die Wiederverwendungs- und Recyclingquoten auf 0 % Wiederverwendung, 88,3 % Recycling und 11,7 % Deponierung angepasst.
Wenn die Betonstruktur während der Nutzungsdauer keine ähnlichen Schäden erleiden würde (z. B. Korrosion der Bewehrungsstäbe), führt dieses Worst-Case-Szenario für die Stahllösung zu einer Differenz des GWP von +19 %, weniger als die +44 % des Basisszenarios (siehe Abbildung 8).
Schlussfolgerung
Die Sensitivitätsanalyse bestätigt die Ergebnisse des Basisszenarios in allen Fällen: Das GWP der Betonstruktur (Schlitzwand) ist deutlich höher als das der Stahlspundwandlösung und variiert zwischen +19 % und mehr als +76 % für die extremen Szenarien.
Schlussfolgerungen, Einschränkungen & allgemeine Kommentare
Allgemeine Bemerkungen
EPDs sind derzeit ein Instrument, das in gewisser Weise eine recht faire und transparente Bewertung der Umwelteinflüsse eines bestimmten Produkts oder einer Dienstleistung gewährleistet. Als Hersteller sind wir der Meinung, dass es sich bei richtiger Anwendung um ein hervorragendes Instrument zum Vergleich verschiedener Produkte und Alternativen handelt. Sie wird den Herstellern einen Anreiz bieten, ihre Produktivität zu verbessern und ihre Umwelteinflüsse zu verringern.
Wir haben jedoch auch festgestellt, dass nicht alle EPDs die gleiche Qualität und faire Bewertung haben und manchmal irreführend sein können. EPDs sollten von Umweltexperten ausgearbeitet werden, die auch auf die Branche spezialisiert sind, für die die EPD gilt, um zu verhindern, dass falsche Annahmen getroffen oder wichtige Prozesse übersehen werden.
Generische EPDs sind ein gutes Instrument, um verschiedene Alternativen zu vergleichen, wie in unserem Beispiel eine Stahlkonstruktion mit einer Betonkonstruktion, z. B. in der Machbarkeitsphase oder im Entwurfsstadium. Wenn es jedoch um den Vergleich der vorgeschlagenen Lösung für eine Ausschreibung geht, sollte eine einzelne EPD von einem Hersteller für das vorgeschlagene Produkt verlangt werden. Ein Produkt, das einen großen Einfluss auf das Ökobilanz-Ergebnis hat, aber nicht durch eine einzelne EPD abgedeckt ist, sollte benachteiligt werden, z. B. durch die Verwendung eines Gewichtungsfaktors im Vergleich zum klassenbesten Produkt mit einer einzelnen EPD.
Haftungsausschluss
Die technische und wirtschaftliche Analyse dieser Fallstudie wurde von dem belgischen Ingenieurbüro Tractebel für ArcelorMittal im Jahr 2018 durchgeführt. Die Entwurfsannahmen wurden für ein Kreuzfahrtterminal unter den für belgische Häfen typischen Bodenverhältnissen ermittelt. Aus technischer Sicht können solche vereinfachten Annahmen für einen Boden für eine Machbarkeitsstudie oder für einen Vergleich verschiedener Alternativen verwendet werden.
ArcelorMittal betont, dass Tractebel eine objektive und unvoreingenommene Fallstudie durchgeführt hat. Bei der Analyse handelt es sich um eine rein hypothetische Fallstudie mit Einschränkungen hinsichtlich der Beständigkeit von Kosten und Techniken, da diese Aspekte auf Märkten und in unterschiedlichen Baugründen sehr dynamisch sein können.
Diese Fallstudie ist kein projektspezifischer Entwurf, daher können weder ArcelorMittal noch Tractebel für Entscheidungen verantwortlich gemacht werden, die in spezifischen Projekten auf der Grundlage des Entwurfs oder der Schlussfolgerungen des von Tractebel erstellten Berichts getroffen werden.
Die Ökobilanz wurde von der F&E-Abteilung im Jahr 2020 intern durchgeführt und von einem Gremium aus drei unabhängigen Experten im Jahr 2020 begutachtet. Die Gutachter kommen zu dem Schluss, dass der Ökobilanz-Bericht professionell und unvoreingenommen erstellt wurde und dass die Schlussfolgerungen korrekt sind. Die Schlüsselparameter wurden einer Sensitivitätsanalyse unterzogen, die das Basisszenario bestätigte; die Variation der Parameter führte nicht zu einer Umkehrung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen des Basisszenarios.
Der Text in dieser Broschüre ist eine Zusammenfassung dieser beiden Berichte. Er wurde so bearbeitet, dass er sich auf die wichtigsten Punkte der Berichte konzentriert und ein Minimum an technischen Erläuterungen enthält. Obwohl der Inhalt und die Schlussfolgerungen mit den ursprünglichen Berichten übereinstimmen, haben die Ingenieure von ArcelorMittal einige Anmerkungen und Kommentare hinzugefügt, die die in den ursprünglichen Berichten enthaltenen Informationen ergänzen. Einige Abbildungen, Tabellen und Skizzen wurden bearbeitet, entfernt oder durch neue, von ArcelorMittal erstellte ersetzt. Im Falle von Fehlern in der Transkription sind nur der Text und andere Elemente aus den Originalberichten geltend.
Der technische Bericht von Tractebel und der von Fachleuten überprüfte Ökobilanz-Bericht sind auf Anfrage erhältlich.
Quellenangaben
– TRACTEBEL ENGINEERING S.A, Methodic Comparison of Retaining wall solutions, 2018.
- ArcelorMittal Global R&D, LCA methodological report - Comparative study of Steel Sheet Pile and Concrete Slurry Wall in quay infrastructure application, Luxemburg, 2020.
- Solinen & al - panel review of 3 experts, Critical review of the LCA - Comparative study of Steel Sheet Pile and Concrete Slurry Wall in quay infrastructure application, 2020.
- Stichting Bouwkwaliteit, Determination Method - Environmental performance - Buildings and civil engineering works, Rijswijk, 2019.
– ISO, ISO 14040:2006-07 –Umweltmanagement - Ökobilanz – Grundsätze und Rahmenbedingungen, 2006.
– ISO, ISO 14044:2006+A1:2018 - Umweltmanagement – Ökobilanz – Grundsätze und Rahmenbedingungen, 2018.
- CEN, EN 15978:2011. Nachhaltigkeit von Bauwerken.
– Bewertung der umweltbezogenen Qualität von Gebäuden. Berechnungsmethode, Brüssel, 2012.
- CEN, EN 1997-1:2004+A1:2013. Eurocode 7. Geotechnische Bemessung. Allgemeine Regeln, Brüssel, 2013.
- CEN, EN 1993-5:2007. Eurocode 3. Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 5: Pfähle und Spundwände, Brüssel, 2007.
- CEN, EN 1992-1 (Reihe). Eurocode 2. Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken, Brüssel, 2004-2019.
- CEN, EN 15804:2012+A1:2013. Nachhaltigkeit von Bauwerken. Umweltproduktdeklarationen.
- Kernregeln für die Produktkategorie der Bauprodukte, Brüssel, 2013.
- IBU - Institut Bauen und Umwelt e.V., PCR für baubezogene Produkte und Dienstleistungen. Teil A – Berechnungsregeln für die Ökobilanz und Anforderungen an den Projektbericht - v 1.7, Berlin, 2018.
- Thinkstep (Sphera), Gabi Datenbank, Berlin, 2018.
- IBU - Institut Bauen und Umwelt e.V., EPD „EcoSheetPiles™“ - EPD-ARM-20180069-IBD1-EN, Berlin, 2018.
- EFFC - DFI, EFFC DFI Carbon Calculator Methodological & User Guide v2.1, 2013.
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