20.11.2017
1
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft
Jochen Simon | Peter Stötzel
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Sabine Helm | Christel Lubenau | Klaus Richter | Gabriele Weber-Blaschke
Lehrstuhl für Holzwissenschaft, Holzforschung München
Hannes Dietl | Sachverständiger für die Sägewerksindustrie
Landwirtschaft im Klimawandel
15. Kulturlandschaftstag am 14. November 2017 in Freising
Klimafreundlich Bauen
in regionalen Kreisläufen
EUROPÄISCHE UNION
Gefördert aus dem Europäischen Fonds
für Regionale Entwicklung
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Einführung
Holz
20.11.2017
2
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Einführung
3
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Einführung
4
20.11.2017
3
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Einführung
5
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Einführung
Trapezblech 180mm
Rundholzpfette/strebe d = 25 cm
Rundholzstütze d = 25 cm
Windverband
Flachstahl 50/6 mm
Fichtenbrett sägerau 140/24/2,4 cm
U-Profil 50/50/6 mm
Stülpschalung Fichte
1
2a
2b
2c
4a
4b
4c
4d
20.11.2017
4
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Einführung
7
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Klimafreundliches Bauen in regionalen Kreisläufen
Einführung
Material und Methode
Baustoffeigenschaften
● Umweltwirkung – Primärenergiebedarf Holz – Stahl
● Nachwachsender Rohstoff
● Bauphysik
● Vergleich Investitionsbedarf Holz – Stahl
Schlussbemerkung
Simon et al. 8
20.11.2017
5
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Klimafreundliches Bauen in regionalen Kreisläufen
Einführung
Material und Methode
Baustoffeigenschaften
● Umweltwirkung – Primärenergiebedarf Holz – Stahl
● Nachwachsender Rohstoff
● Bauphysik
● Vergleich Investitionsbedarf Holz – Stahl
Schlussbemerkung
Simon et al. 9
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Material und Methode Vorstellung des Modells
Simon et al. 10
Pilotbetrieb A
Milchviehstall für 170 Tierplätze
20.11.2017
6
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Material und Methode Vordimensionierung | Konstruktionsplanung | Materiallisten
Simon et al. 11 Grundriss | Schnitte
Modellstall in Stahl Modellstall in Holz
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Material und Methode Vordimensionierung | Konstruktionsplanung | Materiallisten
Simon et al. 12
Modellstall in Holz
Materialliste
20.11.2017
7
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Material und Methode Vergleich der Umweltwirkung
Primärquellen
► Materiallisten für den Modellstall (Liegehalle)
Sekundärquellen
► In- und Outputflüsse über den gesamten Lebenszyklus
Modul 1 Bauprodukte → Gewinnung bzw. Erzeugung | Ernte
→ Lieferung Verarbeiter (Stahl- | Sägewerk) | Herstellung
Modul 2 Nutzung (Errichtung – Bauunterhalt)
Modul 3 Nachnutzung → Thermische Verwertung (Holz, Kunststoffe)
→ Recycling (z.B. Beton: 70% Bauschutt, 30% Deponie)
zzgl. Sekundärmaterialien | Nutzenergie | Koppelprodukte
→ Allokationsverfahren | Gutschriften Helm | Simon et al. 13
nicht eingerechnet →
ohne Verbindungsmittel | ohne Transport zur Baustelle →
ohne Rückbaumaßnahmen | ohne Abtransport von Baustelle →
Stahl Konstruktion 100 %
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Material und Methode Vergleich der Umweltwirkung
Berechnung der ökologischen Auswirkungen
►Ökobilanzdaten
A) Nicht-Holzbauprodukte → Ökobau.dat-Datenbank *
B) Holzbauprodukte → ÖkoHolzBauDat **
Berechnung ohne „Modul 2 Nutzung “ sowie „Transport“ etc.
► vereinfachte Umweltbilanz
Anteil des Energiebedarfs eines landwirtschaftlichen Gebäudes
► 82 – 92% verwendete Baumaterialien (DUX ET. AL, 2009)
Helm | Simon et al. 14
* Bundesministerium für Verkehr, Bau- & Stadtentwicklung (2011), seit 2013 gem. DIN EN 15804
** Heinrich von Thünen-Institut, gem. DIN EN 15804 (2012)
Anm.: Dux ist der einzige, der die Umweltwirkung
Landwirtschaftlicher Nutzgebäude untersucht hat
20.11.2017
8
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Klimafreundliches Bauen in regionalen Kreisläufen
Einführung
Material und Methode
Baustoffeigenschaften
● Umweltwirkung – Primärenergiebedarf Holz – Stahl
● Nachwachsender Rohstoff
● Bauphysik
● Vergleich Investitionsbedarf Holz – Stahl
Schlussbemerkung
Simon et al. 15
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Baustoffeigenschaften Umweltwirkung – Primärenergiebedarf | Holz - Stahl
Helm | Simon et al. 16
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
Holz-Variante Stahl-Variante
Mio
. M
J
Primärenergie
Primärenergie nichtregenerativ
Primärenergie regenerativ(ohne Holzspeicher)
im Holz gespeicherteregenerative Primärenergie(Sonnenenergie)
2.61 Mio. MJ 2.610.000 MJ
4.05 Mio. MJ 4.055.000 MJ
20.11.2017
9
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Ergebnisse Vergleich der Umweltwirkung - Primärenergiebedarf
Helm | Simon et al. 17
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
Holz-Variante Stahl-Variante
Mio
. M
J
Primärenergie
Primärenergie nichtregenerativ
Primärenergie regenerativ(ohne Holzspeicher)
im Holz gespeicherteregenerative Primärenergie(Sonnenenergie)
Differenz Primärenergie
1.44 Mio. MJ | 36% 1.445.000 MJ
4.05 Mio. MJ 4.055.000 MJ
2.61 Mio. MJ 2.610.000 MJ
1.44 Mio. MJ = Heiz-Energie EFH für 20 Jahre
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Ergebnisse Vergleich der Umweltwirkung - Primärenergiebedarf
Helm | Simon et al. 18
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
Holz-Variante Stahl-Variante
Mio
. M
J
Primärenergie
Primärenergie nichtregenerativ
Primärenergie regenerativ(ohne Holzspeicher)
im Holz gespeicherteregenerative Primärenergie(Sonnenenergie)
0.20 Mio. MJ 206.300 MJ
1.83 Mio. MJ 1.839.000 MJ
0.46 Mio. MJ
468.500 MJ
2.30 Mio. MJ 2.307.500 MJ
Differenz Primärenergie regenerativ
2.10 Mio. MJ | 1.160% 2.101.200 MJ
20.11.2017
10
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Ergebnisse Vergleich der Umweltwirkung - Primärenergiebedarf
Helm | Simon et al. 19
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
Holz-Variante Stahl-Variante
Mio
. M
J
Primärenergie
Primärenergie nichtregenerativ
Primärenergie regenerativ(ohne Holzspeicher)
im Holz gespeicherteregenerative Primärenergie(Sonnenenergie)
3.84 Mio. MJ 3.849.000 MJ
0.30 Mio. MJ 300.500 MJ
Differenz Primärenergie
nicht regenerativ
3.54 Mio. MJ | 1.280% 3.548.500 MJ
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Baustoffeigenschaften Umweltwirkung – Primärenergiebedarf | Holz - Stahl
Helm | Simon et al. 20
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Holz-Variante Stahl-Variante
t C
O2-Ä
qv.
Treibhauspotenzial
128,9 to CO2
335,5 to CO2 Differenz
206,6 to CO2 | 61%
ESP = Einsparpotenzial
20.11.2017
11
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Baustoffeigenschaften Nachwachsender Rohstoff
Materialliste Holz für Pilotbetrieb A
Milchviehstall für 170 Tierplätze:
Kantholz Pos. A 104,30 m³
Kantholz Pos. C 13,80 m³
Schalung 28 mm Pos. B 92,55 m³
Lattung 24/48 mm Pos. B 6,35 m³
Gesamt 217,00 m³
Schnittholz / Tierplatz 1,28 m³/TP
entspricht:
Kantholz 118,10 m³
Schalung und Latten (Seitenware) 98,90 m³
Simon et al. 21
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Baustoffeigenschaften Nachwachsender Rohstoff
Fichtenreinbestand (Privatwald), mittlere Bonität, Alter 80-100 Jahren
Holzvorrat pro Hektar ca. 400 fm/ha
217 m³ Kantholz, Schalung und Lattung entsprechen:
Rundholz ca. 360 fm*
Rundholz ca. 445 fm**
Bedarf Waldfläche (bei Kahlschlag) 0,9 ha*
Bedarf Waldfläche (bei Kahlschlag) 1,1 ha**
Bedarf Waldfläche (bei 20%iger Durchforstung) 4,5 ha*
Bedarf Waldfläche (bei 20%iger Durchforstung) 5,5 ha**
* bei Gesamtausbeute 60% ** bei Gesamtausbeute 50%
Dietl | Simon et al. 22
Ø Holzzuwachs in Bayern pro Minute 60 Festmeter Rundholz = 36 m³ Schnittholz / Minute
►Holzmenge für 170 Tierplätze in ca. 6 Minuten
20.11.2017
12
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Baustoffeigenschaften Bauphysik - Strahlung
Simon | Stötzel et al. 23
Wärmeaustausch bei Rindern (nach FAT-Bericht 620, 2004)
Luftfeuchtigkeit
↓ Globalstrahlung (Solarkonstante)
► > 1.370 W / m²
► direkte / diffuse Strahlung
elektromagnetische Wellen
(0,8 – 800 µm)
↓ Bauteile (Absorber / Strahler)
► Wärmewelle im Bauteil
↓ Wärmeenergie / Strahlung
► ??? W / m²
↓ Tier (Absorber / Strahler)
Mangelnde Wärmeabgabe
↓ Hitzestress
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Baustoffeigenschaften
Bauphysik - Strahlung
Simon | Stötzel et al. 24
Wärmespeicherung von Baustoffen Material Rohdichte
ρ
[kg / m³]
Wärmeleit-
fähigkeit
λ
[W / m·K]
Spez.
Wärme-
kapazität
c
[kJ / kg∙K]
Wärme-
eindring-
koeffizient
b
[kJ /m²h1/2K]
Wärme-
speicherzahl
S = c ∙ ρ
[kJ / m³∙K]
Stahlbeton 2.400 2,10 1,00 142 2.400
Sand/ Kies 1.800 0,70 1,00 70 1.800
Holz (Fichte, Kiefer, Tanne) 600 0,14 1,60 26 960
Holzwolle-Leichtbauplatten 420 0,093 1,70 18 714
Polystyrol 15-30 0,040 1,45 2,2 21-44
PU-Schaum ≥30 0,035 1,40 2,5 45
Mineralfaser-Dämmplatten 10-200 0,040 1,00 3,6 10-200
Aluminium 2.700 200,00 0,80 1310 2.160
Stahl 7.800 60,00 0,40 860 3.120
Wasser 1.000 0,58 4,20 98 4.200
(Quelle: W. Pistol, 2007)
20.11.2017
13
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Tierwohl Bauliche Maßnahmen gegen sommerlichen Hitzestress
Simon | Stötzel 25
einschalig
40 mm 24 mm
mehrschalig
hinterlüftet
100 mm
mehrschalig
hinterlüftet
130 mm 200 mm
348 368 359 371 378 380 382 385
403 342 365
258 257 223 211
173
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Ziegel dunkel Ziegel hell Blech Schalung Sandwich Brettstapel Gründach Gründachschwer
Hit
zestr
ess i
n S
tun
den
mäßiger Stress milder Stress
• offene Trauffassade
• Dachüberstand 1,5 m
• First W-O
3-Reiher
743 m²
0°
10°
751
710 724
629 635 603 593
558
325 348
368 359 371 378 380 382 385
288
403 342 365
258 257 223 211
173
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Außenklima Ziegel dunkel Ziegel Blech Schalung Sandwich Brettstapel Gründach Gründach schwer
Hit
zestr
essstu
nd
en
mäßiger Stress milder Stress
613
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Baustoffeigenschaften Kostenvergleich Holz – Stahl
Simon et al. 26
Kostenvergleich
Tragwerk in Holz bzw. Stahl
Pilotbetrieb A
Liegehalle für 170 Milchkühe
Netto, Stand 2012
20.11.2017
14
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Zusammenfassung
Simon | Dietl | Helm | Oberhardt | Stötzel 27
Bewertung Holz zu Stahl
Holz Stahl ESP
Reduzierung Primärenergiebedarf 64% 100% ▼ 36%
Reduzierung Treibhauspotenzial 39% 100% ▼ 61%
Reduzierung Investitionsbedarf 88% 100% ▼12%
Brandschutz F30* F0
Dauerhaftigkeit ++** ++***
Eigenleistung | Bauunterhalt ++ o
Nachwachsender Rohstoff ++ o
Einfügen in die Landschaft | Verbraucherakzeptanz ++ o
ESP Einsparpotenzial
* Ausnahme: Nicht abgedeckte Holzverbindungen in Stahl
** Bei fachgerechtem Einbau u.a. gem. DIN 68800 Vorbeugender chem. Holzschutz
*** Korrosion bei Verzicht | Beschädigung schützender Maßnahmen (Anstriche | Verzinkung)
**** Fleichhygieneverordnung, Geflügelmindestanforderungen-Verordnung)
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Klimafreundliches Bauen in regionalen Kreisläufen
Vielen
Dank
207 t CO2-Äqv. = 195.280 km (Verbrauch ca. 40 l Diesel | 100km)
Quelle: Verkehrsrundschau 2015
EUROPÄISCHE UNION
Gefördert aus dem Europäischen Fonds
für Regionale Entwicklung
20.11.2017
15
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Erläuterungen
Primärenergiebedarf
► Energie aus der Hydrosphäre (Gesamtheit des Wassers der Erde), Geosphäre (Gesamtheit der festen Erde) und Atmosphäre (die gasförmige Hülle der Erdoberfläche)
► zur Herstellung, Nutzung und Beseitigung eines Produktes
Regenerative Energie
- Wind- und Wasserkraft
- Solarenergie
- Geothermie
- Biomasse
Nicht regenerative Energie
- Erdgas
- Erdöl
- Stein-/ Braunkohle
- Uran
Simon | Helm 29
fossile Brennstoffe
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Erläuterungen
Treibhauspotenzial
Treibhauseffekt
Wirkmechanismus von Absorption (Treibhausgase) und Reflektion (in Richtung Erde) von Sonneneinstrahlung über Gase in der Atmosphäre
► natürlicher Treibhauseffekt
Im Laufe der Erdentwicklung ist es durch natürliche Treibhausgase (CO2, H2O-Dampf) zu einem Anstieg der Jahresdurchschnittstemperatur von -18°C auf +15°C gekommen
► anthropogener Treibhauseffekt
zusätzlicher anthropogener Treibhauseffekt, der in den letzten 100 Jahren zu einem weiteren mittleren Temperaturanstieg von 0,5 – 1,0° C beigetragen hat
Ursachen:
Anstieg der Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre
- Kohlendioxid CO2
- Methan CH4
- Lachgas N2O
Simon | Helm 30
Darstellung des Treibhaus-Potenzials in
CO2 - Äquivalenten
20.11.2017
16
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Erläuterungen
Simon | Helm 31
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Erläuterungen
Auszug Ökobau.dat
Simon | Helm 32
Aggregierte Daten für Umweltwirkungen von Bauprodukten
► Sachbilanzindikatoren: Regenerative | nicht regenerative Primärenergie
► Wirkbilanzindikatoren: Treibhauspotenzial
20.11.2017
17
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Umweltindikatoren
Simon | Helm 33
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Lebenszyklus
Simon | Helm 34
20.11.2017
18
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Lebenszyklus
Allokation und Gutschriften
► Sekundärmaterialien
► Nutzenergie
► Koppelprodukte
Koppelprodukte
► z.B. Hackschnitzel
→ Zuordnung von Aufwand und Umweltauswirkung bei der
Herstellung gem. ökonomischem Wert | anderem Wert (z.B.
Brennwert) zum Koppelprodukt und eigentlichem Produkt
Simon | Helm 35
Allokationsverfahren | Gutschriften
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Lebenszyklus: Modul 1 Bauprodukte
Simon | Helm 36
20.11.2017
19
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Lebenszyklus: Modul 2 Nutzung
Simon | Helm 37
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Lebenszyklus: Modul 3 Nachnutzung
Simon | Helm 38
20.11.2017
20
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Lebenszyklus
Simon | Helm 39
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Lebenszyklus
Simon | Helm 40
20.11.2017
21
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Bewertung der Umweltwirkung
Simon | Helm 41
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Bewertung der Umweltwirkung
Simon | Helm 42
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
TragwerkDach-
eindeckung
Wand-/Deckenkonstr.,Stalleinrichtung
RegionalesHolz
t C
O2-Ä
qv.
Mio
. M
J
Primärenergiebedarf [Mio. MJ]
Treibhauspotenzial [t CO2-Äqv.]
Wo ist hier die Bodenplatte?
20.11.2017
22
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
2.61 Mio. MJ 2.610.000 MJ
4.05 Mio. MJ 4.055.000 MJ
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
Holz-Variante Stahl-Variante
Mio
. M
J
Primärenergie
Primärenergie nichtregenerativ
Primärenergie regenerativ(ohne Holzspeicher)
im Holz gespeicherteregenerative Primärenergie(Sonnenenergie)
Ergebnisse Vergleich der Umweltwirkung - Primärenergiebedarf
Helm | Simon et al. 43
Differenz Modul 1
0.80 Mio. MJ | 16% 807.000 MJ
Differenz Primärenergie
Modul 1 Bauprodukte 0.80 Mio. MJ
► geringerer Energieaufwand
Primärenergie
Modul 1 Bauprodukte
Primärenergie
Modul 1 Bauprodukte
4.26 Mio. MJ 4.261.000 MJ
5.06 Mio. MJ 5.068.000 MJ
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
2.61 Mio. MJ 2.610.000 MJ
4.05 Mio. MJ 4.055.000 MJ
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
Holz-Variante Stahl-Variante
Mio
. M
J
Primärenergie
Primärenergie nichtregenerativ
Primärenergie regenerativ(ohne Holzspeicher)
im Holz gespeicherteregenerative Primärenergie(Sonnenenergie)
Ergebnisse Vergleich der Umweltwirkung - Primärenergiebedarf
Helm | Simon et al. 44
Differenz
aus Modul 3 Nachnutzung
über energetische Verwertung
- 1.65 Mio. MJ - 1.651.000 MJ
Differenz
aus Modul 3 Nachnutzung
über Recyclingpotenzial
- 1.01 Mio. MJ - 1.012.000 MJ
Differenz Primärenergie
Modul 1 Bauprodukte 0.80 Mio. MJ
► geringerer Energieaufwand
1.44 Mio. MJ = Heiz-Energie EFH für 20 Jahre
Differenz Modul 3
0.63 Mio. MJ | 37% 639.000 MJ
Modul 3 Nachnutzung 0.63 Mio. MJ
► höhere Gutschriften durch
energetische Verwertung
20.11.2017
23
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Baustoffeigenschaften Umweltwirkung – Primärenergiebedarf | Holz - Stahl
Helm | Simon et al. 45
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Holz-Variante Stahl-Variante
t C
O2-Ä
qv.
Treibhauspotenzial
128,9 to CO2
335,5 to CO2 Differenz
206,6 to CO2 | 61%
Differenzen Treibhauspotenzial, u.a.:
► Holz * Modul 1 Bauprodukte - 124,89 to CO2
► Stahl * Modul 1 “ + 247,04 to CO2
► Holz * Modul 3 Nachnutzung + 96,37 to CO2
► Stahl * Modul 3 “ - 70,85 to CO2
* inkl. Dacheindeckung | Wände
► STB Modul 1 Bauprodukte + 143,36 to CO2
► STB Modul 3 Nachnutzung - 2,69 to CO2
ESP = Einsparpotenzial
Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Einführung
Holz