Tiefgaragen. Teil 2 | Ökobilanz

Die Städte sind stark gewachsen, was zu einer höheren Bebauungsdichte und einer Verknappung des Platzes geführt hat. In vielen europäischen Städten beruht die Mobilität immer noch überwiegend auf dem eigenen Auto und den damit verbundenen Problemen: Staus und Parkplatzknappheit. Die Denkweise ändert sich, aber derzeit scheinen Tiefgaragen in dicht besiedelten städtischen Gebieten die bevorzugte Lösung zu sein.

In einer ersten Marktstudie, die von Royal Haskoning DHV, einem niederländischen Ingenieurbüro, im Jahr 2018 durchgeführt wurde, wurden mehrere Alternativen für den Bau der umgebenden Stützwände einer Tiefgarage in typischen niederländischen Bodenverhältnissen verglichen. Sie kamen zu dem Schluss, dass eine dauerhafte Stahlspundwand für eine Tiefgarage mit 2-3 Ebenen bis zu 50 % kostengünstiger ist als die zweitbeste Lösung, eine überschnittene Bohrpfahlwand, und sogar noch mehr im Vergleich zu anderen Alternativen (Cutter Soil Mix, Schlitzwand). Außerdem ist die Ausführungszeit deutlich kürzer.

Später im Jahr 2019 beauftragte ArcelorMittal Witteveen & Bos (W+B), ein weiteres niederländisches Ingenieurbüro, sich eingehender mit diesem Thema zu befassen und eine detailliertere Analyse von vier Alternativen für den Bau der Stützwand einer Standard-Tiefgarage zu erstellen. Die Ergebnisse der technischen und finanziellen Analyse sind in Teil 1 dieser Broschüre ausführlich dargestellt.

Dieser zweite Teil befasst sich mit den Umwelteinflüssen der Alternativen, mit Schwerpunkt auf dem Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP), das in diesem Fall mit dem CO2-Fußabdruck gleichgesetzt werden kann. Die Umwelteinflüsse werden anhand einer Ökobilanz ermittelt, die auf dem von Witteveen & Bos erstellten Leistungsverzeichnis basiert und von der F&E-Abteilung von ArcelorMittal durchgeführt wurde. Der Bericht wurde von der niederländischen Forschungsorganisation TNO als unabhängiger Sachverständiger begutachtet. Ziel war es, die gesamten Lebenszykluskosten zu vergleichen, einschließlich der Belastungen oder Vorteile der Endphase des Lebenszyklus, d. h. des Rückbaus und des Recyclings der Gebäudeelemente. Eine Wiederverwendung wurde nicht in Betracht gezogen.

EPD & Ökobilanz

Um einen fundierten Vergleich einer Stahlspundwand mit alternativen Lösungen zu ermöglichen, wurde eine einfache, aber realistische Fallstudie durchgeführt. Die Fallstudie basiert auf einer hypothetischen Geometrie einer 250 Meter langen und 30 Meter breiten Tiefgarage mit zwei unterirdischen Ebenen, die in der Stadt Amsterdam in den Niederlanden gebaut werden soll. 

Folgende Stützkonstruktionen wurden analysiert 

• Stahlspundwand;
• Cutter-Soil-Mix-Wand (CSM), in anderen Ländern auch als Deep Soil Mix bekannt;
• überschnittene Bohrpfahlwand;
• Schlitzwand. 

Der Querschnitt der Stahlspundwandlösung ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Länge der Stützwände variiert leicht je nach Variante. Das Verstrebungssystem und andere Elemente (Sohlplatten,...) sind bei allen Lösungen recht ähnlich, so dass Witteveen & Bos zur Vereinfachung die gleichen Elemente für die vier Bauweisen ausgewählt haben. Daher unterscheiden sich in dieser Studie nur die Stützwände.

Ziel der Studie

Die Studie wurde in Übereinstimmung mit den Normen ISO 14040 und ISO 14044 durchgeführt. Die Materialdaten basieren auf EPDs gemäß DIN EN 15804 und die globale Ökobilanz der Infrastruktur orientiert sich an der DIN EN 15978-Methode, auch wenn sie im Prinzip nicht anwendbar ist. 

Das Hauptziel der Studie ist die Bewertung des Einflusses einer baulichen Lösung auf die CO₂e-Emissionen unter Berücksichtigung des Lebenszyklus eines Tiefgaragenbauwerks. Es wird ein Vergleich von vier alternativen Lösungen mittels Ökobilanz vorgeschlagen.

Die Gesamtlebenszykluskosten sind der Hauptindikator, so dass nach der Nutzungsdauer Abriss, Wiederverwertung von Strukturelementen, Wiederverwendung, Recycling und Deponierung in Betracht zu ziehen sind, wann immer dies technisch machbar ist. 

Zur Zielgruppe des Berichts gehören private Investoren, Behörden, Ingenieure und Architekten, die möglicherweise nicht mit der Komplexität eines Ökobilanz-Ansatzes vertraut sind. Der Bericht wurde daher absichtlich in einer recht einfachen und klaren Form verfasst. Weitere technische Details zu den Hintergrundinformationen und Daten können von den Experten von ArcelorMittal angefordert werden.

Kreislaufwirtschaft

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 deutsche oder europäische EPDs und Datenbanken verwendet. Es ist zu beachten, dass die Daten möglicherweise eine gewisse Abgrenzung aufweisen, 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 Excel-Tool entwickelt.

Bewehrungsstäbe können von jedem beliebigen Werk in Europa geliefert werden, weshalb es schwierig war, ein bestimmtes Werk auszuwählen. In diesem Fall ist es am besten, eine EPD zu berücksichtigen und eine durchschnittliche Entfernung zwischen den in der EPD erfassten Werken und der Baustelle zu berechnen. 

Baustahl wie die H-Träger, die zur Verstärkung der CSM-Wand und der überschnittenen Bohrpfahlwand verwendet werden, würden in einem der Werke in Luxemburg (Belval oder Differdange) hergestellt werden. Es wurde eine EPD für in Differdange hergestellte Stahlträger ausgewählt.

Es wird davon ausgegangen, dass der Beton in einem Werk in der Nähe der Stadt Amsterdam hergestellt wird. Es wurden spezifische deutsche EPDs für Beton, mit und ohne Modul D, verwendet. Die Verwendung einer niederländischen EPD könnte zu einer Verzerrung führen, da die niederländischen EPDs, die in der offiziellen niederländischen Datenbank (Nationale Milieu Database, NMD) enthalten sind, in der Regel mit einer anderen Software und auf der Grundlage einer anderen Ökobilanz (ecoinvent) erstellt werden.

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. Dieser Gewichtungsfaktor wird verwendet, um den berechneten CO₂e-Gehalt zu multiplizieren.

In den Niederlanden führt die Methode zu einem globalen Index namens MKI (ECI auf Englisch). Sie berücksichtigt insgesamt 11 Umweltindikatoren, darunter einige, die in den europäischen Standard-EPDs nicht vorgeschrieben sind (z. B. toxikologische Indikatoren), sowie Gewichtungsfaktoren für jeden Indikator. Zusätzlich unterteilt die Methode die Umweltdaten 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 zusätzlichen Gewichtungsfaktor benachteiligt wird, um die Mittelwertbildung und Streuung der generischen Daten zu berücksichtigen.

In den Niederlanden beträgt der Bestrafungsfaktor 30 %. Folglich müssen Hersteller, die ihre Produkte in die Daten der „Kategorie 1“ einbeziehen wollen, eine einzelne EPD für die Niederlande entwickeln. Daten der Kategorie 2 enthalten z. B. kollektive EPDs, d. h. Daten für ein bestimmtes Produkt, das jedoch von mehreren Herstellern produziert wird, oder eine EPD, die mehrere Produkte eines einzigen Herstellers umfasst. Dieser Ansatz hat jedoch eine Schwachstelle: In bestimmten Fällen kann es günstiger sein, generische Daten (Kategorie 3) zu verwenden als eine einzelne EPD, die einen sehr hohen Umwelteinfluss hat!

Bentonit und Transportstrecke für Beton

Das Wasservolumen, das zur Herstellung des Bentonits für die temporären Gräben/Löcher der Schlitzwand und der überschnittenen Bohrpfahlwand verwendet wird, wird in der Phase A5 (Einbringung) berücksichtigt. Aufgrund des Mangels an Daten und Informationen wurde die Wasseraufbereitung vor Ort nach der Bentonitgewinnung nicht in die aktuellen Berechnungen einbezogen. Die Ergebnisse wurden ohne Berücksichtigung der Wassermengen neu bewertet und führen zu einer Verringerung der Lücke zwischen den CO₂e-Emissionen von weniger als 1 %.

Das Modul Transport A4 trägt zu weniger als 1 % des Gesamtwerts im betrachteten Perimeter bei. Obwohl 10 km Lieferdistanz für den Beton eher gering sind, hätte eine Verdopplung oder sogar Verdreifachung der Distanz nichts an der Schlussfolgerung zwischen der Betonlösung und der Stahllösung geändert.

End-of-Life-Szenario – ohne Module C3 & D

Die Bewertung des Einflusses des End-of-Life-Szenarios erfolgt, indem der Rückbau/Abriss des Bauwerks für jede Alternative ignoriert wird. Die Systemgrenzen werden also geändert, indem die Phasen C3 und D entfernt werden. Tatsache ist, dass bei den Betonlösungen und der CSM-Wand die Module C3 und D bereits im Basisszenario nicht berücksichtigt wurden, da diese Bauwerke nicht abgerissen worden wären. 

Abbildung 6 zeigt einen Anstieg der Differenz zwischen der Stahllösung und den drei anderen Alternativen, beispielsweise von 88 % auf 144 % im Vergleich zur CSM-Wand. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass bei den Spundbohlen EcoSheetPile das Modul D zu einer Belastung führt, während es bei den anderen Lösungen bereits vernachlässigt wurde.

End-of-Life-Szenario – Korrosionsverluste

Ein genauer Verlust an Stahlmasse aufgrund von Korrosion ist kaum vorhersehbar, da das Korrosionsphänomen je nach Expositionszone und Standort unterschiedlich ist. Verschiedene Effekte während der Nutzungsphase können diesen Parameter erheblich beeinflussen. Wenn keine genauen Langzeitmessungen vor Ort verfügbar sind, ist es üblich, die in Kapitel 4 der Norm DIN EN 1993-5 vorgeschlagenen Korrosionsraten zu übernehmen. In den Niederlanden ist es jedoch gängige Praxis, die im CUR 166-Handbuch empfohlenen Werte zu verwenden. Für Stahl, der in den Boden eingegraben ist, kann der Korrosionsverlust pro Fläche auf 0,012 mm/Jahr geschätzt werden, was zu einem Verlust von ca. 137 Tonnen Stahl über die Nutzungsdauer von 100 Jahren führt (auf der durch den Anstrich geschützten Oberfläche tritt keine Korrosion auf).

Daher wurden die Wiederverwendungs- und Recyclingquoten der EPD EcoSheet Piles auf 0 % Wiederverwendung, 84,2 % Recycling und folglich 15,8 % Deponierung angepasst. Dieses Worst-Case-Szenario für die Stahlspundwand verringert den Unterschied im GWP zwischen der Stahlspundwand und den Alternativen, d. h. es sinkt von +88 % (Basisszenario) auf +35 %, siehe Abbildung 7.

End-of-Life-Szenario – Rückbau und Recycling der Schlitzwand und der überschnittenen Bohrpfahlwand

Bei diesem Szenario wird davon ausgegangen, dass der Teil der Betonwand und ihrer Bewehrung, der sich oberhalb des Aushubniveaus (-10,5 m) befindet, nach Ablauf der Nutzungsdauer abgerissen wird und dass der vollständig eingebettete Teil (3,5 m) an Ort und Stelle verbleibt. Dieses Szenario ist derzeit technisch unwahrscheinlich, könnte aber in Zukunft denkbar sein. Es gilt für die Schlitzwand und für die überschnittene Bohrpfahlwand. Die Cutter-Soil-Mix-Wand kann nicht abgerissen werden, da sie den vorhandenen Boden verstärkt; obwohl eine Technik zur Extraktion der Bewehrungsstahlträger in der Zukunft entwickelt werden könnte, wurde sie in dieser Studie nicht als Option in Betracht gezogen. 

Unter Berücksichtigung des Endes der Lebensdauer und der Recyclingmodule der EPDs der Betonlösungen verringert sich der Abstand zwischen der Spundwand und den Betonkonstruktionen um etwa 5 % bis 10 %, siehe Abbildung 8.

Einfluss des Stahlspundwandprofils

Dieses Szenario analysiert den Einfluss des gewählten Spundwandprofils auf die Ergebnisse. Derzeit können mehrere gleichwertige Profile aus verschiedenen Spundwandbaureihen für dieselbe Stützkonstruktion verwendet werden. Breitere Profile der Reihe AZ-800 sind leichter und können in der Regel schneller eingebracht werden, aber bei der Auswahl müssen auch Kriterien der Rammbarkeit berücksichtigt werden, die hauptsächlich von den Bodenverhältnissen, der Länge des Pfahls usw. abhängen. In der Studie wurden zwei Profile verglichen, das AZ 20-800 und das AZ 20-700 (ursprüngliche Wahl in dem Bericht von Witteveen & Bos). Die folgende Tabelle 1 zeigt die Stückliste für beide Profile. Man beachte, dass das AZ 20-800 Profil 800 mm breit ist (im Vergleich zu 700 mm beim AZ 20-700) und eine andere Höhe hat; dies führt zu einem Unterschied in der Länge der Dichtschweißnaht und der Anstrichfläche (und seinem Gewicht).

Der Abstand zwischen der Stahlspundwand und den anderen Lösungen schrumpft um weniger als 10 %, was den globalen Trend des Basisszenarios bestätigt.

Einfluss des Brandschutzanstrichs

Dieses Szenario analysiert den Einfluss des gewählten Brandschutzanstrichs auf die Ergebnisse. Im Basisszenario wird PROMASPRAY® P300 verwendet, und FIBROFEU® ist eine Spritzbeschichtung mit gleichwertiger Brandschutzleistung. Die Spritzschicht wird auch auf die CSM-Wand aufgetragen, so dass die Auswirkungen auf beide Lösungen recht ähnlich sind, siehe Abbildung 10. 

Der Abstand zwischen der Stahlspundwand und den anderen Betonlösungen verringert sich um 30 % bis 40 %. Trotz des deutlich höheren CO2-Fußabdrucks dieses alternativen Produkts würde sich der globale Trend des Basisszenarios nicht ändern.

Einfluss der verschiedenen Szenarien auf das GWP der Spundwand

In diesem Abschnitt wird die Variation des GWP der Stahlspundwand unter den Annahmen der verschiedenen Szenarien zusammengefasst. In Abbildung 11 ist deutlich zu erkennen, dass bei der zu beurteilenden Art von Bauwerk der Verlust an Stahldicke aufgrund von Korrosion den größten Einfluss hat. Der Anstieg des GWP aufgrund von Korrosion beträgt fast 40 %. 

Hinweis: Bei Stahl, der nach der Sekundärroute hergestellt wird (Recycling von Stahlschrott in einem Elektrolichtbogenofen), kann das Weglassen der Stufe nach dem Ende der Lebensdauer (Modul D) zu einer erheblichen Verringerung des CO2-Fußabdrucks führen (-23 % in dieser Fallstudie)! Dies ist ein Nachteil einiger Ökobilanzmodelle.

Schlussfolgerungen

Die durchgeführte Sensitivitätsanalyse bestätigt die Robustheit der Modelle und der im Basisszenario getroffenen Annahmen. In allen Fällen ist der CO2-Fußabdruck (ausgedrückt als GWP) der Stahlspundwandlösung immer geringer. Der Unterschied variiert je nach Alternative und hängt auch vom Szenario ab. 

Im Vergleich zu den Stahlspundwänden ist die Bandbreite des GWP-Anstiegs für die Extremszenarien in Tabelle 2 dargestellt.

EPDs sind derzeit ein Instrument, das in gewisser Weise eine recht faire und transparente Bewertung der Umwelteinflüsse eines bestimmten Produkts oder einer Dienstleistung ermöglicht. Als Hersteller sind wir der Meinung, dass eine Ökobilanz auf der Grundlage von durch Fachleute überprüften EPDs gemäß DIN EN 15804 eine hervorragende Methode zum Vergleich verschiedener Produkte und/oder Alternativen ist, wenn sie richtig eingesetzt wird. Die Investoren können die Hersteller zweifellos dazu ermutigen, ihre Wettbewerbsfähigkeit (d. h. Produktivität, neue Produktionstechnologien) zu verbessern, um ihre Umweltauswirkungen zu verringern, indem sie für jedes Projekt einen finanziellen Anreiz für die Lösungen mit den geringsten Umwelteinflüssen gewähren. Dieser Ansatz wird bereits in einigen europäischen Ländern im öffentlichen Beschaffungswesen angewandt.

Leider haben wir auch festgestellt, dass nicht alle EPDs mit der Qualität und fairen Bewertung verfasst wurden, die man von einem solchen Dokument erwarten kann, und schlimmer noch, in einigen Fällen können sie irreführend sein. EPDs sollten von Umweltexperten ausgearbeitet werden, die auch auf die Branche spezialisiert sind, für die die EPD gilt, um zu vermeiden, dass falsche Annahmen getroffen werden oder einige wichtige Prozesse übersehen werden.

Generische EPDs sind ein gutes Instrument, um Alternativen zu vergleichen, wie in dieser Tiefgaragen-Fallstudie eine Stahlkonstruktion gegenüber Betonkonstruktionen und einer Soil-Mix-Konstruktion, zum Beispiel in der Machbarkeitsphase oder dem Entwurfsstadium. Wenn es jedoch um den Vergleich von Alternativen in der Ausschreibungsphase geht, ist eine einzelne EPD des Herstellers des Produkts am besten geeignet und sollte 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 Anwendung eines Gewichtungsfaktors auf seine Umwelteinflussindikatoren im Vergleich zu einer einzelnen EPD für ein Produkt, das mit demselben Verfahren hergestellt wurde, oder im Vergleich zum klassenbesten Produkt.