minderverbrauch von treibstoffen auf betonfahrbahnen Ökobilanz...
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Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 1
Minderverbrauch von Treibstoffen auf Betonfahrbahnen
– Ökobilanz für die Herstellung und Nutzung eines
Autobahnabschnittes
05.05.2015
C. Thiel
T. Stengel
C. Gehlen
Schweizer Fachtagung Betonstraßen
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 2
Warum ökologische Aspekte von Oberbauweisen???
Ökologie
Ökonomie Soziales
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 2 05.05.2015
Luftschadstoff
Anteil des
Straßenverkehrs an
Gesamtemissionen in
der Schweiz [%]
CO2 30
NOx 50
Feinstaub 20
Quelle: BAFU, Bezugsjahr: 2010
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 3
Ökobilanz zur Erfassung potentieller Umweltwirkungen
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 3 05.05.2015
Zusammenstellung und Beurteilung potenzieller Umweltwirkungen eines
Produkts über dessen gesamten Lebensweg
Rohstoff-
gewinnung Produktion
Nutzung des
Produktes
Verwertung/
Entsorgung
nach der
Nutzung
Ökobilanz: Herstellung und Nutzung eines
Autobahnabschnittes
Ressourcen
Vorkette
Herstellung des Oberbaus
Vorkette
UnterbauHerstellung
und
Nutzung
einer
Autobahn
Luft-, Wasser-,
Bodenemissionen
Vorkette
Nutzung durch
Verkehr
Vorkette
Erhaltung
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 4 05.05.2015
Vorkette
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 5 05.05.2015
Ziel:
Quantifizierung des Optimierungspotentials hinsichtlich der
Umwelteinwirkungen im Straßenbau durch geeignete Bauausführung
Identifizierung der effektivsten Verbesserungsmaßnahmen
Untersuchungsrahmen:
Oberbaukonstruktion eines 1 km langen Autobahnabschnittes
Aktuelle Situation in Deutschland bzw. Westeuropa
Nutzungsdauer von 30 Jahren
ecoinvent-Datenbank
SimaPro
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 6 05.05.2015
aus CML-Methode
GWP (Treibhauspotential)
ODP (Ozonabbaupotential)
POCP (photochemisches Ozonbildungspotential)
AP (Versauerungspotential)
EP (Eutrophierungspotential)
Wirkungskategorien:
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 7 05.05.2015
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 8
Herstellung eines
Autobahnabschnittes
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 8 05.05.2015
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 9
- 1 km langer Autobahnabschnitt mit verschiedenen Oberbauweisen
4 cm Asphaltdeckschicht (MA/SMA)
8 cm Asphaltbinderschicht
51 cm FSS
22 cm Asphalttragschicht
Entwässerungseinrichtungen sowie Nacharbeiten an der Oberbaukonstruktion
(Fahrbahnmarkierungen, Beschilderung, etc.) wurden nicht berücksichtigt
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 9 05.05.2015
Vlies
43 cm FSS
15 cm HGT
27 cm Betondeckschicht:
Texturierte Deckschicht (tB);
Waschbetonausführung (WB)
Herstellungsphase
Fahrbahnvarianten
Szenario A:
0 % Recyclingmaterial
Szenario B:
100 % Recyclingmaterial in der FSS
Szenario C:
5 % weniger Heizenergie bei der
Asphaltherstellung /
CEM III statt CEM I in der Deckschicht
nicht praxiskonform !
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 10 05.05.2015
- GK (FSS) – Baustelle: 50 km
- Asphalt – Baustelle: 50 km
- Maschinen – Baustelle: 100 km
Transportentfernungen:
- Beton – Baustelle: 20 km
- Vlies – Baustelle: 50 km
- Stahl – Baustelle: 50 km
• Herstellung
Ergebnisse
Ergebnisse
• Herstellung
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 12 05.05.2015
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
GWP ODP POCP AP EP
An
teil
Wirkungskategorie
Dominanzanalyse • Herstellung (Sz. A)
Einbau Deckschicht:
ca. 95% CEM I
Einbau HGT:
ca. 60% CEM II
Einbau FSS:
ca. 80% Transporte
Gesamtanalyse GWP:
CEM I: 64%
Transporte: 12%
CEM II: 9%
Rest: Maschinen, Fugenfüllmaterial, Stahl, GK,
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 14
Nutzung von Oberbaukonstruktionen
aus Beton und Asphalt
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 14 05.05.2015
Ressourcen
Vorkette
Herstellung des Oberbaus
Vorkette
UnterbauHerstellung
und
Nutzung
einer
Autobahn
Luft-, Wasser-,
Bodenemissionen
Vorkette
Nutzung durch
Verkehr
Vorkette
Erhaltung
Eingangsdaten: Verkehrsaufkommen
►Verkehrsaufkommen: 52.000 Kfz/24h (42.000 Pkw, 10.000 Lkw)
► Betrieb: 30 Jahre
► Treibstoffverbrauch „Szenario A“ (Regelverbrauch):
Lkw: 0,286 kg Diesel/km
Pkw: 0,0125 kg Diesel/km + 0,0536 kg Benzin/km (0,0661 kg Treibstoff/km)
► Weitere Szenarien: „0,5% Treibstoffeinsparung“,
„2,0% Treibstoffeinsparung“
„10,0% Treibstoffeinsparung beim Schwerverkehr (Lkw)“
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 15 05.05.2015
Nutzungsphase (30 Jahre): Asphaltbauweisen
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 16 05.05.2015
Gussasphalt-
fahrbahn (MA)
Fahrbahn aus
Splittmastixasphalt (SMA)
Szenario A:
Deckschicht 2x erneuern,
Binderschicht 1x erneuern
Szenario B:
Deckschicht 2x erneuern,
Binderschicht 2x erneuern
Nutzungsphase (30 Jahre): Betonbauweisen
Texturierte
Betonfahrbahn (tB)
Waschbeton-
fahrbahn (WB)
Szenario A:
Fugensanierung 2x,
Kantensanierung 5%,
Heben + Festlegen 1%,
Platten ersetzten 1 %
Szenario B:
Fugensanierung 3x,
Kantensanierung 20%,
Heben + Festlegen 3%,
Platten ersetzten 3 %
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 17 05.05.2015
Ergebnisse
• Nutzung
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 18 05.05.2015
Ergebnisse
• Nutzung
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 19 05.05.2015
Dominanzanalyse: GWP • Nutzung
Dominanzananlyse der Erhaltung (Treibhauspotential)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Szenario A Szenario B
An
teil
Platten Ersetzen
Kantensanierung
Heben und Festlegen
Fugensanierung
Platten ersetzen:
ca. 88% CEM I
Kantensanierung:
ca. 98% Epoxidharz
Fugensanierung:
ca. 75% EPDM
Gesamtanalyse GWP:
CEM I: 30 %
Epoxidharz: 29%
EPDM: 24%
Rest: Heißvergussmasse, Transporte, Maschinen, NBM
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 20 05.05.2015
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 21
Beitrag der Nutzung (10 000 LKW und 40 000 PKW pro Tag) im Vergleich zu
den CO2-Emissionen aus Herstellung und Instandhaltung:
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 21 05.05.2015
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
tB SMA
GW
P [kg
CO
2-Ä
qu
.]
Treibhauspotential
Erhaltung
Herstellung
0
50000000
100000000
150000000
200000000
250000000
tB SMA
GW
P [kg
CO
2-Ä
qu.]
Treibhauspotential
Verkehr
Erhaltung
Herstellung
Dominanzanalyse - Verkehrsbelastung der Autobahn
Pkw
SV bis 16 t
SV 16 - 28 t
SV 28 - 40 t
53% der Umweltbelastungen stammen
von den Pkws
Anteil der Schwerverkehrs liegt bei 47%
(nur ein Viertel der Fahrzeuge)
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 22 05.05.2015
0
2000000
4000000
6000000
8000000
10000000
12000000
tB SMA TSV um0,5%
reduziert
TSV um2,0%
reduziert
TSV beim SVum 10%reduziert
GW
P [kg C
O2-Ä
qu.]
Treibhauspotential
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 23
Das größte Einsparpotential liegt in der Entwicklung von
„treibstoffsparenden“ Bauweisen
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 23 05.05.2015
Treibhauspotential
Literaturauswertung
Oberflächengestalt (Textur):
+ 5…10 % im Mittel (Schweden)
Steigende Unebenheit (obere Makro- + Megatextur):
+ 6 % bei SV (Südafrika)
+ 9 % im Mittel (Belgien)
+ 5 % bei Pkw (Frankreich)
Geringere Steifigkeit der Fahrbahn:
+ 20 % bei Lkw (USA)
+ 11 % im Mittel (Kanada)
+ 2,35 % im Mittel (Kanada)
Szenario B: 0,5 %
Szenario C: 2,0 %
Szenario D: 10% beim SV
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 24 05.05.2015
Zusammenfassung
- Straßenverkehr hat einen Anteil von rd. 30 % am CO2 – Gesamtausstoß der
Schweiz
- Effektivstes Optimierungspotential in der Herstellungsphase:
- Vermehrter Einsatz rezyklierter Materialien
- Reduzierung von Transportprozessen
- Asphaltstraßen: Anlagentechnische Maßnahmen bei der
Asphaltherstellung
- Betonstraßen: Reduzierung des Klinkergehalts im Zement
Maßgebend ist jedoch die Nutzungsphase (Faktor 100)
- Durch Optimierung der Fahrbahneigenschaften besteht erhebliches
Einsparpotential beim Treibstoffverbrauch
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 25 05.05.2015
Sachbilanz-
wert
GWP-
Faktor
Wirkungsindikator-
wert
10 kg CO2
2 kg CH4
1 kg NO2
…
1
23
296
…
10 kg CO2-äqu.
46 kg CO2-äqu.
296 kg CO2-äqu.
….
x =
x =
Wirkungsabschätzung
Berechnung Gesamtwirkungspotenzials innerhalb definierter
Wirkungskategorien mit Hilfe von Wirkungsfaktoren
Materialien (Herstellung) Ressourcen
Vorkette
FSS
Vorkette
HGT
Vorkette
Vlies
Vorkette
Unterbau
Autobahn
in Beton-
bauweise
Luft-, Wasser-,
Bodenemissionen
Vorkette
Betondeckschicht
FSS: 2150 kg/m³ GK
HGT: 90 kg/m³ CEM II/B-S
w/z = 1,22
1975 kg/m³ GK
Vlies: 0,5 kg/m² Polypropylen
Unterbeton: 350 kg/m³ CEM I 42,5 N
w/z = 0,45
1796 kg/m³ GK
5 Vol.-% LP
Oberbeton (tB): 360 kg/m³ CEM I 42,5 N
w/z = 0,45
1832 kg/m³ GK
5 Vol.-% LP
Oberbeton (WB): 430 kg/m³ CEM I 42,5 N
w/z = 0,42
1725 kg/m³ GK
5 Vol.-% LP
Fugenfüllungen:
Längsfugen: Heißverguss
Querfugen: Fugenprofile (EPDM) Stahl für Anker und Dübel
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 28 05.05.2015
Materialien (Herstellung)
FSS: 2150 kg/m³ GK
Asphalt f. Tragschicht: 36,7 kg/m³ Bitumen und 2433 kg/m³ GK
Asphalt f. Binderschicht: 45,9 kg/m³ Bitumen und 2486 kg/m³ GK
Asphalt f. Deckschicht (MA): 72,5 kg/m³ B20/30 und 2466 kg/m³ GK
Asphalt f. Deckschicht (SMA):
66,3 kg/m³ PmB 45 A
2356 kg/m³ GK
+ 8 kg/m² GK zum Abstreuen
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 29 05.05.2015
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
GWP ODP POCP AP EP
An
teil
Wirkungskategorie
Herstellung SMA-Deckschicht
Herstellung ABi
Herstellung ATS
Herstellung FSSAsphaltstrasse
Dominanzanalyse
• Herstellung
Deckschicht:
ca. 85% SMA
Binderschicht:
ca. 78% Asphalt
Tragschicht:
ca. 84% Asphalt
FSS:
ca. 94% Transporte
Gesamtanalyse GWP:
Asphalt: 66 %
Transporte: 24%
Maschinen: 5%
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 30 05.05.2015
Dominanzanalyse (GWP) • Nutzung SMA Sz. A
Deckschicht:
ca. 39% SMA
Binder-
schicht:
ca. 52%
Asphalt
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
GWP ODP POCP AP EP
Ante
il
Wirkungsindikator
Dominanzananlyse der Erhaltung der Gussasphaltstraße - Szenario A
Rest: Asphaltaufbereitung, Transportprozesse, Maschinen zum Einbau
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 32
des Oberbaus:
Beitrag am GWP: rund 66% vom Asphalt
Maßnahmen zur Reduzierung:
Tiefere Mischguttemperaturen
Reduzierung der Mischgutfeuchte z.B. durch Abwärmenutzung
Erhöhung der Mischguteingangstemperatur
Trockentrommeloptimierung
Optimierte Bitumenlager
Optimierter Brennstoff
Erhöhung der Recyclingquoten
Reduzierung von Transportprozessen
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 32 05.05.2015
http://www.asa-rosenthal.de/asphaltuebersicht.htm
Optimierungspotentiale bei der Herstellung
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 33
bei der Instandhaltung des Oberbaus
Beitrag am GWP: knapp 70% vom Asphalt
- Erhöhung der Recyclingquoten
- Steigerung der Energieeffizienz bei der Asphaltherstellung und
-aufbereitung
- Verwendung höherwertigem Bitumen in der Binderschicht und damit
bedingt verringerte Austauschzyklen der Deckschicht (STUVA 2003)
- Reduzierung von Transportprozessen
Dipl.-Ing. Charlotte Thiel 33 05.05.2015
Optimierungspotentiale
Schlusswort
Georges Spicher
Präsident IG Betonstrassen und Direktor cemsuisse, Verband der Schweizerischen Cementindustrie
Apéro riche