8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 377 Decarbonisation First Methoden zur CO 2 -Bilanzierung im Lebenszyklus von Infrastrukturbauwerken Dr. techn. Robert Veit-Egerer VCE Vienna Consulting Engineers ZT GmbH, Wien, Österreich Dipl.-Ing. Helga Barkow VCE Vienna Consulting Engineers ZT GmbH, Wien, Österreich Dr. techn. Emile Van Eygen Umweltbundesamt, Wien, Österreich Mag. David Fritz Umweltbundesamt, Wien, Österreich Assoc. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Johann Fellner Technische Universität Wien, Österreich Zusammenfassung Im vorgestellten Forschungsprojekt DECARBONISATION FIRST wird zunächst eine Datenbank mit für Österreich repräsentativen CO 2 -Äquivalenten (“Cradle to Grave”) für die relevanten Baustoffe von Infrastrukturbauwerken (Brücken, Oberbau, Dämme, Stützmauern, Wannen) erstellt. Dazu wird eine Methodik für die Verknüpfung einer Lebenszykluskostenberechnung mit einer CO 2 -Bilanzierung unter Berücksichtigung der Streuungen der Eingangsparameter entwickelt. Für die Durchführung von Variantenuntersuchungen von Infrastrukturbauwerken wird ein praktisches Berechnungstool erstellt, das Kosten und CO 2 über den gesamten Lebenszyklus ermittelt. DECARBONISATION FIRST verfolgt den Gedanken, dass zukünftige Entscheidungsfindungen für Baumaßnahmen auf einer deutlich stärkeren Gewichtung der Kosten infolge CO 2 -Fußabdrucks erfolgen und gleichzeitig die Akzeptanz der damit einhergehenden Primärkosten gehoben wird. 1. Ausgangslage Der Baubranche lassen sich direkt und indirekt bis zu 50 % der weltweiten CO 2 Emissionen zuordnenwodurch für deren CO 2 -Fußabdruck ein enormes Einsparungspotential vorliegt. Im Tief bausektor werden Entscheidungen z.B. im Zuge von Ausschreibungen und Wettbewerben in erster Linie auf Grundlage der zu erwartenden baulichen Lebenszykluskosten (= Primärkosten) getroffen. Ein für die Branche allgemein anwendbares Tool zur Berechnung der damit einhergehenden Umweltfolgekosten gibt es derzeit nicht. 2. Methodische Vorgehensweise Ziel des Forschungsvorhabens war eine Methodik für die Verknüpfung einer Lebenszykluskostenberechnung mit einer CO 2 -Bilanzierung unter Berücksichtigung der Streuungen der Eingangsparameter zu entwickeln. Für die Durchführung von Variantenuntersuchungen von Infrastrukturbauwerken wurde ein praktisches Berechnungstool erstellt, das Kosten und CO 2 über den gesamten Lebenszyklus (Herstellung, Bau, Betrieb, Abbruch, Entsorgung/ Wiederverwertung) ermittelt. Abb. 1: Flussdiagramm zum technischen Lösungsansatz und zur Vorgehensweise zur Zielerreichung 378 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Decarbonisation First 3. Systemabgrenzung und Framework Konstruktionseinheiten (Bauteile) Als erster Schritt wurden die zu untersuchenden Infrastrukturbauwerke in definierte Anlagenkategorien festgelegt. Dabei handelt es sich um: • Brücken • Oberbau • Dämme • Stützmauern • Wannen Jede dieser Anlagenkategorien ist aus unterschiedlichen Materialien (wie z.B. Beton in unterschiedlichen Qualitäten oder Baustahl) bzw. Bauwerksteilen (Ausrüstung wie Brückenlager oder Fahrbahnübergänge) zusammengesetzt. Eine umfassende Liste dieser Materialien und Bauwerksteile aller Bauwerke wurde erstellt, für die in weiterer Folge GWP-Daten zu sammeln waren. In Anlehnung an [2] bzw. die dort vorgesehene Inventarisierung von Brückenelementen bzw. die lt. [3] für die anderen Anlagenkategorien derselben RVS 13.03er Reihe vorkommenden Bauteile wurde ein Framework für mögliche Konstruktionselemente ausgearbeitet. Dazu wurde eine detaillierte Systemidentifikation und -abgrenzung erstellt und für die weitere Bearbeitung modifiziert. Auch die Ansätze in der Nutzungsphase wurden in Übereinstimmung mit [2] angesetzt. Teile der vorgegebenen Inventarisierung konnten später direkt durch entsprechende EPDs abgedeckt werden (Massenbezug in Form von Laufmetern, Flächen, Volumina, Stückzahlen, etc.). Andere Konstruktionselemente wurden für eine modulare Zusammenstellung anhand von EPDs entsprechend ausgestaltet, bevor sie für die darauffolgenden Berechnungsschritte wieder in RVS-konforme Masseneinheiten konvertiert werden konnten. Das Ergebnis dieses Arbeitspaketes war eine Zusammenstellung der für eine Carbon Footprint Bilanzierung vorzunehmenden SOLL-Inventarisierung aller maßgebenden Konstruktionselemente in katalogisierter Form als Grundlage für die weiteren Bearbeitungsschritte. 4. GWP-Katalog Methodisches Herzstück des Forschungsprojektes war die Zusammenstellung der für die Konstruktionselemente relevanten THG-Emissionsfaktoren in Form eines Excel- Datenpools. Dabei wurde für jedes definierte Konstruktionselement die Emissionsfaktoren für die maßgeblichen Lebenszyklusphasen Herstellung, Bau, Betrieb, Abbruch, Entsorgung/ Wiederverwertung recherchiert. Ziel war eine Katalogisierung im Sinne Österreich-spezifischer Mittelwerte. Abb. 2: Grobkonzept zur Inventarisierung der Konstruktionseinheiten (links) und der Bestimmung der THG-Emissionsfaktoren (rechts) Der Auf bau der GWP-Emissionsfaktoren erfolgte in Anlehnung an [5] und [6]. Die Struktur einer EPD ist der Abb. 2 (rechts) zu entnehmen. Da nicht alle Quellen für Emissionsfaktoren der Materialien direkt aus EPDs entnommen werden konnten (insbesondere sind nicht alle Lebenszyklusphasen innerhalb der EPDs vollständig mit Daten hinterlegt) wurde der GWP- Katalog mit Hilfe unterschiedlicher Datenquellen und daraus resultierenden Ableitungen bzw. eigenen Abschätzungen erstellt, wie in Abb. 3 ersichtlich. Für die Module A1 (Rohstoffgewinnung), A2 (Transport zum Hersteller) und A3 (Herstellung), die die Herstellungsphase der Baumaterialien oder -produkte abbilden, werden hauptsächlich Daten aus EPDs eingesetzt. Diese Module werden von jeder EPD deklariert, häufig als aggregiertes Modul A1-3. Bei einzelnen Baumaterialien wurde - wenn keine passende EPD verfügbar war - auf weitere Quellen zurückgegriffen (siehe Abb. 3). Darüber hinaus wurden für einige Ausrüstungselemente die GWP-Daten über EPD-Daten der jeweiligen (Haupt)Materialien abgeschätzt. Für das Modul A4 (Transport zur Baustelle) sind weniger häufig Daten in den EPDs verfügbar. Für die Baumaterialien, für die keine Informationen vorliegen, wurde die mittlere Transportdistanz entweder aus EPD-Daten von vergleichbaren Produkten übernommen oder über Daten der Statistik Austria zu Transportaufkommen, Anteil von Verkehrsträgern und Güterklassen sowie Emissionsfaktoren von Verkehrsträgern abgeschätzt. Auch für das Modul A5 (Einbau in das Gebäude) werden häufig keine Informationen publiziert. In diesem Fall wurden die nicht verfügbaren A5-Werte anhand der Daten für die deklarierten Hauptmaterialien rechnerisch abgeschätzt. Für die Nutzungsphase sind nur teilweise Daten in den EPDs für B1 (Nutzung) vorhanden. Daher wurden für alle Einträge in Anlehnung an die Ansätze zur Erhaltungsplanung (Umfang und Zeitpunkte lt. RVS 13.05.11 [2]) die Module B2 (Instandhaltung) und B4 (Ersatz) aus den Phasen A, C und D sinngemäß abgeleitet. 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 379 Decarbonisation First Daten für die Module C und D sind häufig nicht verfügbar. Darüber hinaus spielt die spezifische Situation des österreichischen Abfallwirtschaftssystems eine bedeutende Rolle, die berücksichtigt werden muss. Aus diesem Grund werden für diese Module keine deklarierten EPD- Daten herangezogen, sondern wird eine eigene Modellierung der GWPs durchgeführt. Dazu werden die unterschiedlichen Baumaterialien in 12 Materialgruppen eingeteilt, für die anschließend die Modellierung durchgeführt wurde: • Beton • Betonstahl • Baustahl • Beschichtungen • Holz • Kautschuk • Bitumen Abdichtung • Asphalt • Glasfaserverstärkte Kunststoffe • Kunststoffe • Aluminium • Gesteinskörnung Für jede dieser Materialgruppen wurde Sammelraten und Anteile für die verschiedenen Behandlungs- und Verwertungsprozesse, auf Basis der in Österreich derzeit gängigen Praxis, festgesetzt. Diese Optionen beinhalten: • Stoffliche Verwertung (Recycling), • Thermische Verwertung, und • Deponierung. Die THG-Emissionen aller Verwertungsoptionen, sowie der Vorbehandlungsprozesse wie Abbruch und Zerkleinerung inkl. Transport, wurden mittels der ecoinvent- Datenbank modelliert. Für weitere Details zum vorliegenden Kapitel siehe [1]. Abb. 3: Datenquellen für Emissionsfaktoren für die einzelnen Phasen Abb. 4: Übersicht über den GWP-Katalog Der ausgearbeitete GWP-Katalog sieht für seine weitere Verwertung im Zuge der Verknüpfung mit dem Berechnungstool eine Unterteilung in 3 Hauptgruppen vor (Hauptmaterialien/ Ausrüstung/ Sonstige Materialien). Alle für die Modellierung von Infrastrukturbauwerken (Brücken, Oberbau, Dämme, Stützmauern, Wannen) maßgeblichen Elemente wurden hier aufgelistet und mit THG-Emissionsfaktoren für alle Lebenszyklusphasen wie oben beschrieben hinterlegt. In Abb. 4 gibt eine Übersicht über den fertiggestellten GWP-Katalog, wobei anhand der Farbverteilung im Sinne der unterschiedlichen Quellen eine Gewichtung der Herkunft der Datenquellen (Legende siehe Abb. 3) ersichtlich ist. 5. Berechnungstool 5.1 Aufbau Das Berechnungs-Tool ist aufgeteilt in • 6 Anlagen-Tabs (Brücken, Oberbau, Dämme, Stützmauern, Wannen und Lärmschutzwände) • 1 Material-Tab (GWP-Benchmarks wie in Kapitel 4 beschrieben) • 1 Alterungsmodell (Spezifikation der Instandhaltungs-Interventionen) • 6 Ergebnis-Tabs (tabellierte & grafische Ergebnisse je Anlagenkategorie) 5.2 Eingabe Das Tool sieht im Wesentlichen 3 Eingabe-Etappen vor, wobei die Eingabe auf möglichst wenige, gelb markierte Felder reduziert wurde: 380 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Decarbonisation First • Die Inventarisierung der baulichen Elemente im maßgeblichen Anlagenreiter (rote Markierung in Abb. 5) wird anhand der farblich hervorgehobene Felder in ausgewählten Spalten befüllt, sofern ein bauliches Element vorhanden ist wobei zwischen Inventar- Massen für die Errichtung und den Betrieb der baulichen Anlage unterschieden wird. • Die Materialspezifikation für jedes bauliche Element (grüne Markierung in Abb. 5) wurde durch eine umfassende Pull down Funktion gelöst, in denen jeweils eine vorgruppierte Auswahl aus dem GWP-Katalog vorgenommen werden kann. Gleichzeitig wurde bei fast jeder Materialspezifikation die Möglichkeit vorgesehen, ein „eigenes“ Material via eingebauter Pop-up-Funktion auszuwählen und mit Eingaben zu versehen - sofern es Teile der modellierten Infrastruktur gibt, für die keine bereits im GWP-Katalog hinterlegten Werte vorliegen und die im Pop-up-Fenster mit der maßgeblichen Materialgruppe des GWP Katalogs verglichen werden können (siehe Abb. 6) • Ebenso ist es möglich, Spezifikationen hinsichtlich der Instandhaltungsdetails (blaue Kennzeichnung in Abb. 5) vorzunehmen. Hier sind wiederum in farblich hervorgehobenen Feldern in ausgewählten Spalten und in Anlehnung an [3] Richtwerte zum Zeitpunkt und Umfang der tiefgreifenden Maßnahmen (Tausch oder Instandhaltung und Ausmaß in %) in der Betriebsphase eingetragen, wobei diese bei Bedarf auch verändert werden können . Abb. 5: Auf bau des Tools und Ablauf der Eingabe Abb. 6: Pop-up zur Eingabe eigener GWP-Werte am Beispiel für Rohrmaterialien 5.3 Darstellung der Ergebnisse Um die einzelnen Einflüsse innerhalb der CO 2 Gesamtbilanz besser sichtbar zu machen, werden einerseits die Bilanz-Beiträge von jedem definierten baulichen Element zeilenweise andererseits die Beiträge jeder Lebenszyklusphase spaltenweise im maßgeblichen Anlagenreiter summiert und dargestellt - siehe Abb. 7 Abb. 7: Ergebnisdarstellung für einzelne bauliche Elemente (zeilenweise) und einzelne Lebenszyklusphasen (spaltenweise) Eine Gesamtübersicht über die CO 2 Berechnungsergebnisse ist im sog. Ergebnis-Tab jeder Anlagenkategorie konfiguriert worden, der die Summen-Ergebnisse tabellarisch, aber auch graphisch auf bereitet, wobei auch hier Ergebnisgruppen je Lebenszyklusphase oder je Elementcluster (z.B. Überbau/ Unterbau/ Ausrüstung im Fall von Brücken) vorgesehen wurden (siehe Abb. 8). Weitere Details dazu werden im Vortrag zum vorliegenden Aufsatz gezeigt. Abb. 8: Gesamtergebnisdarstellung am Beispiel der Anlagenkategorie Brücken 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 381 Decarbonisation First 6. Simulationsrechnung Simulationsrechnungen sind im Forschungsprojekt Decarbonisation First Teil der Validierungs- und Optimierungsprozesses im Rahmen der Erstellung des Berechnungstools, wobei der Fokus des Berechnungstools auf Variantenuntersuchungen von Straßeninfrastruktur in der Vorprojektphase unter Verwendung unterschiedlicher Materialien, Bauweisen etc. liegt. Nachfolgend wird eine Übersicht über die untersuchten Objekte und Fragestellungen gegeben, es werden aber keine inhaltlichen Details dargelegt. Die konkreten Ergebnisse und Schlüsse daraus werden im Zuge des Vortrages präsentiert werden. 6.1 Portfoliosimulation Lärmschutzwände Auf Basis einer vorab ausgearbeiteten Reinvest Prognose für das gesamte Lärmschutzwand-Portfolio der ASFI- NAG über einen Prognosezeitraum von 15 Jahren wurden die ermittelten, sog. Realisierungsmengen, d.h. m2 LSW-Paneele ermittelt und die zu erwartenden Reinvestkosten sowie die damit einhergehenden CO 2 Emissionen berechnet. Ebenso wurden auf Basis von materialspezifischen Einheits-Elementpreisen und Standard-Nutzungsdauern Variantenstudien für verschiedene Ausführungen je m2 LSW durchgeführt und Überlegungen zur Größenordnung der notwendigen Gewichtung der Kosten infolge CO 2 Fußabdruck im Zuge einer Verknüpfung mit den aktuellen CO 2 Zertifikatepreisen je Tonne CO 2 vorgenommen. Abb. 9: CO 2 Simulation auf Basis einer 15-Jahres Reinvest-Prognose eines vorgegebenen Bestandes 6.2 Variantenuntersuchung Spannbetonvs. Verbundbrücke In einer weiteren Variantenuntersuchung wurde eine Wirkungsabschätzung in Form einer CO 2 Bilanz in den unterschiedlichen Lebenszyklusphasen für eine Spannbeton- und eine Verbundbrücke am gleichen Standort unter Verwendung unterschiedlicher Materialien erstellt und die maßgeblichen Einfluss-Parameter aufgezeigt (siehe auch Abb. 10). Abb. 10: Ergebnisse der Wirkungsabschätzung der Variantenuntersuchung einer Spannbetonvs. einer Verbundbrücke 6.3 Variantenvergleich Holzvs. Betonbrücke Im Zuge des Projektabschlusses wird noch eine sog. Wildquerungshilfe aus dem ASFINAG-Brückennetz untersucht werden, wobei einander hier zwei Planungs- Varianten für die Hauptmaterialien dieses Tragwerkes aus Holz bzw. Beton gegenübergestellt werden. Abb. 11: Wildquerungshilfe A2 Blumau 7. Fazit DECARBONISATION FIRST liefert ein wesentliches Instrument, die im Zuge von Baumaßnahmen eingesetzten Ressourcen entlang der betroffenen Wertschöpfungsketten umweltgerechter auszugestalten, um die nationalen Klimaschutzziele zu erreichen. Das Projekt adressiert die der Republik Österreich drohenden Kompensationszahlungen für den Ankauf von CO 2 -Zertifikaten in Milliardenhöhe und verfolgt das Ziel, den dem Tief bausektor zuzuschreibenden Anteil binnen möglichst kurzer Zeit in möglichst hohem Umfang zu reduzieren. Damit trägt DECARBONISATION FIRST dem in den letzten Jahren enorm gestiegenen gesellschaftlichen Bekenntnis zum Klimaschutz unmittelbar Rechnung und stellt sicher, dass der Tief bausektor seinen Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele in messbarer Form leisten kann. Der vorliegende Beitrag versucht einen guten Ein- und Überblick über das Forschungsprojekt zu geben. Für weitere Details wird auf [1] bzw. den zugehörigen Vortrag verwiesen. 382 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Decarbonisation First 8. Danksagung Die Autoren möchten an dieser Stelle der Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG, dem Österreichischen Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK) und der Österreichischen Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft (ASFINAG) für die im Zuge dieses Projektes ermöglichte Forschungsfinanzierung bedanken. Weiters gilt unser Dank unseren 2 Hauptansprechpersonen im Projekt - namentlich Herrn Dr. Kleiser (ASFINAG) und Herrn DI Ablinger (Stadt Wien). Literatur [1] Decarbonisation First (VERKEHRSINFRA- STRUKTURFORSCHUNG 2020 - FFG PRO- JEKT-NR. 886154): Technischer Zwischenbericht, Mai 2022 [2] RVS 13.05.11 Lebenszykluskostenermittlung für Brücken: Österreichische Forschungsgesellschaft Straße/ Schiene/ Verkehr; März 2017 [3] RVS 13.03.11: Überwachung, Kontrolle und Prüfung von Kunstbauten - Straßenbrücken. Forschungsgesellschaft Straße, Schiene, Verkehr, Wien, Juni 2021 [4] ISO 14040: 2006: 2009, Umweltmanagement - Ökobilanz - Grundsätze und Rahmenbedingungen. [5] ÖNORM EN ISO 14025: 2006 - Umweltkennzeichnungen und -deklarationen - Typ III Umweltdeklarationen - Grundsätze und Verfahren (ISO 14025: 2006) [6] EN 15804: 2012+A2: 2019, Nachhaltigkeit von Bauwerken - Umweltproduktdeklarationen - Grundregeln für die Produktkategorie Bauprodukte.