4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 445 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen Dr.-Ing. Ute Stöckner Steinbeis-Transferzentrum Infrastrukturmanagement im Verkehrswesen, Karlsruhe Prof. Dr. Susanne Kytzia Ostschweizerische Fachhochschule, Rapperswiel, Schweiz DI. Marco Conter AIT Austrian Institute of Technology GmbH, Wien, Österreich Prof. Dr. Markus Stöckner Hochschule Karlsruhe, University of Applied Sciences Zusammenfassung Lärmschutzanlagen werden in Deutschland seit den 1970er Jahren errichtet. Zunächst rückte die Flexibilisierung bei der Herstellung, Errichtung und Erhaltung dieser Infrastrukturbauten in den Vordergrund. Aus Gründen des nachhaltigen Ressourceneinsatzes wird heute unter dem Stichwort Dekarbonisierung verstärkt der Fokus auf entstehende Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) gelegt. Potenziell als nachhaltig eingestufte am Markt verfügbare Lärmschutzanlagen sind daher zur Entscheidungsfindung für Baulastträger auch rechnerisch vergleichend zu betrachten. Im Ergebnis fokussiert der Beitrag auf einen modularen Modellauf bau als Systemansatz zur Berechnung von THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen. Es werden damit kritische Einflußgrößen bei der Berechnung offengelegt, so dass deren Sensitivität im jeweiligen Einzelfall geprüft werden kann. Zugleich ermöglicht es der vorgeschlagene Modellaufbau, dass zukünftig eine Fortschreibung der Berechnungsgrundlagen zur THG-Ermittlung bei z. B. einer Erweiterung der eingesetzten Materialien erfolgen kann. 1. Einführung Lärmschutzanlagen (LSA) werden in Deutschland seit den 1970er Jahren errichtet. Steigendes Verkehrsaufkommen und wachsende Sensibilisierung der Bevölkerung führen bis heute zu einem stetigen Ausbau der Lärmschutzinfrastruktur [1], [2], [3], vgl Abbildung 1. Abb. 1: Entwicklung von Lärmschutzanlagen an Bundesfernstraßen (eigene Darstellung nach [3]) Zunächst rückte die Flexibilisierung bei der Herstellung, Errichtung und Erhaltung dieser Infrastrukturbauten in den Vordergrund. Aus Gründen des nachhaltigen Ressourceneinsatzes wird heute unter dem Stichwort Dekarbonisierung verstärkt der Fokus auf entstehende THG- Emissionen gelegt. Die nachfolgend dargelegten Ergebnisse entstammen dem laufenden FFG-Forschungsprojekt DeCarboNoise (10/ 2022-09/ 2025), welches sich zum Ziel gesetzt hat einerseits eine vollständige Bilanzierung des THG-Fußabdruckes in der Lebenszyklusbetrachtung vorzunehmen und andererseits das Anlagenspektrum um eine Betrachtung als umweltfreundlich bezeichneter Anlagen zu erweitern. 1.1 Stand des Wissens Treibhausgasemissionen für Lärmschutzsysteme wurden erstmalig im Projekt QUIESST [4] abgeschätzt im Rahmen einer Multi-Kriterien-Analyse für 13 verschiedene Typen von Lärmschutzsystemen. ([5], [6]) schätzen Treibhausgasemissionen im Rahmen einer Nachhaltigkeitsbewertung für Paneele von Lärmschutzwänden aus Metall, Beton und Holz. [7] publizierten eine Analyse der Treibhausgasemissionen für Lärmschutzsysteme für den Schienenverkehr und [8] . Im Rahmen des Projekts PROCEEDR [9] wurden Instrumente zur Schätzung von Treibhausgasemissionen entwickelt. Weitere Datengrundlagen sind aber nur als Auftragsstudien oder Masterarbeiten veröffentlich ([10], [11], [12], [13] und [14]). Die Ergebnisse dieser Studien sind nicht vergleichbar, da sie von unterschiedlichen funktionalen Einheiten und Systemgrenzen ausgehen. Nur wenige Studien betrachten das gesamte Lärmschutzsystem (inkl. Fundation); anderen Studien betrachten nur Lärmschutzwände in Modulbauweise (ohne 446 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen Fundation). Einzelne Studien analysieren nur die Treibhausgasemissionen der Paneele. Die Datengrundlagen sind nicht transparent dokumentiert; es fehlen teilweise Angaben zu den Dimensionen der Bauwerke, zur Materialzusammensetzung und/ oder den verwendeten Ökobilanzdaten. Auf dieser Grundlage ist eine Verwendung dieser Daten zur Entscheidungs-unterstützung in der Planungspraxis nicht möglich. Hier setzt das Projekt DECARBONOISE an mit einem modular aufgebauten Modell zur Schätzung von Treibhausgasemissionen von Lärmschutzsystemen. 1.2 Ausgangslage Im trinational finanzierten Projekt (D-A-CH: Deutschland, Österreich, Schweiz) DECARBONOISE werden Lärmschutzanlagen (LSA) betrachtet, welche Lärmschutzwände und Lärmschutzwälle (inklusive Steilwälle) beinhalten. Tröge, Einhausungen und Tunnel werden als Sonderbauwerke mit zusätzlichen Anforderungen nicht betrachtet, ebenso tiefe Bewuchsstreifen („Grünstreifen“), welche keine Bauwerke darstellen. Damit lassen sich die Lärmschutzsysteme nach ihrer Bauweise in folgende Typen unterteilen: - Modulbauweise mit Pfostensystem (fundamentiert); - Massivbauweise - Begrünte Steilwälle (Tragkonstruktion vorhanden/ konstruktiver Einsatz der Bepflanzung) - Lärmschutzwälle (Schüttung, mit/ ohne Böschungsbefestigung) Betrachtet werden darüber hinaus Kombinationen aus Wand und Wall. In einer Marktrecherche wurde ermittelt, welche -gegenüber konventionellen Systemenpotenziell als nachhaltig anzusehende Lärmschutzsysteme am Markt verfügbar sind bzw. deren Einsatz kurzbis mittelfristig zu erwarten ist. Hierzu konnten insbesondere begrünte Steilwälle identifiziert werden: Diese Wälle werden konventionell mit schräg versetzt gestapelten erdverfüllten begrünten Trögen erstellt, deren Tragkonstruktion zumeist aus Betonfertigteilen besteht. Die Alternative wird bis 12 m Höhe aus vollbegrünter bewehrter Erde hergestellt; sie kann mit und ohne Photovoltaik ausgebildet werden; ein Beispiel zeigt Abbildung 2. Abb. 2: Bewehrte Drahtgitterwand (Steilwall) mit und ohne Photovoltaik [Quelle: RAU Geosystem Süd GmbH] Eine Kombination von Lärmschutz und Photovoltaik ist zum einen standort- und expositionsabhängig, darüber hinaus dort interessant, wo Stromabnehmer vorhanden sind. Im Rahmen des Projektes DECARBONOISE wurde im ersten Quartal 2024 eine Umfrage bei Infrastrukturbetreibern im D-A-CH-Raum durchgeführt, die aufgrund der Rückmeldungen als nicht repräsentativ angesehen wird (vgl. auch Abschnitt 2.2). Obwohl darin Antwortgebende berücksichtigt werden, welche durch ihre Teilnahme als gegenüber Neuerungen und Pilotprojekten potenziell eher aufgeschlossen eingeschätzt werden, geben nur 28 % der Befragten an, dass es in ihrer Verwaltungseinheit LSA gibt, welche mit Photovoltaik kombiniert sind; bei mehr als zwei Drittel der Befragten ist dies nicht der Fall. Befragt nach den Bautypen der LSA im Verwaltungsbereich der jeweiligen Antwortgebenden zeigt sich, dass erste „grüne“ LSA zwar errichtet wurden, konventionelle LSA in Massiv- und klassischer Modulbauweise jedoch neben den ebenfalls traditionell-klassisch errichteten Lärmschutzwällen deutlich dominieren (vgl. Abbildung-3). 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 447 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen Abb. 3: Lärmschutzanlagen nach Typ (Quelle: Umfrage DECARBONOISE) 2. Lebenszyklus von Infrastrukturanlagen Der Lebenszyklus von Infrastrukturanlagen kann mit nach Hilfe der DIN EN 17472: 2024-06 beschrieben werden (vgl. Abbildung 4). Abb. 4: Lebenszyklusmodule von Ingenieurbauwerken eigene Darstellung nach [15] 448 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen Sie geht von den geforderten technischen Merkmalen und Eigenschaften sowie Funktionalitäten des Ingenieurbauwerks aus, seiner „funktionalen Äquivalenz“. Für eine vergleichende Analyse von Lärmschutzsystemen wird daher im weiteren davon ausgegangen, dass jeweils alle betrachteten Varianten die Mindestvorgaben für die zu erreichende Lärmminderung im relevanten Lärmimmissionsgebiet erfüllen. Für die THG-Analyse der Lärmschutzsysteme werden die Mengen aller Werkstoffe und Produkte quantifiziert, die im gesamten Lebenszyklus verwendet werden. Grundlage bildet die Konstruktionsbeschreibung (vgl. Abschnitt-3.1). Eine geforderte Nutzungsdauer wird als Referenz-Betrachtungszeitraum für den gesamten Lebensweg betrachtet. Die Systemgrenzen der Analyse schließen alle vorgelagerten und nachgelagerten Prozesse ein, welche benötigt werden, um die Funktion(en) des Lärmschutzsystems zu erfüllen und aufrecht zu erhalten. Im Projekt DECAR- BONOISE werden die folgenden Module des Lebenswegs gemäss DIN EN 17472 berücksichtigt: Herstellungsphase (A1-3), Errichtungsphase (A4-5), Nutzungsphase (B1-5) und Entsorgungsphase (C1-4). Eine mögliche Stromerzeugung mit PV-Modulen wird als Teil von Modul D betrachtet, das Vorteile und Belastungen außerhalb der Systemgrenzen ermöglicht. Die Bewertung der Umweltwirkungen von Lärmschutzsystemen fokussiert auf das Treibhausgaspotenzial durch Emissionen und Bindung von fossilem Kohlenstoff (GWP fossil). Es wird beschrieben durch ein gewichtetes Mittel aller Treibhausgasemissionen im Lebensweg des Bauwerks, ausgedrückt in Kilogramm CO 2 Äquivalent. Gewichtungsfaktor ist die relative Wirkung des Gases auf den Treibhauseffekt im Verhältnis zur Wirkung von Kohlendioxid. 2.1 Materialien Bisherige Studien zu Treibhausgasemissionen fokussierten auf Lärmschutzsysteme in Modulbauweise und vergleichen Wandpaneele aus unterschiedlichen Materialien (z. B. Holz und Beton). Dabei werden nur teilweise auch die Pfosten mit bilanziert. Bei häufig eingesetzten Materialien wie Beton oder Stahl sind Daten zu den Treibhausgasemissionen von Herstellung und Entsorgung in öffentlich zugänglichen Datenbanken wie den Ökobilanzdaten im Baubereich in der Schweiz oder der ÖKOBAU- DAT in Deutschland angegeben. Für Materialien, die ausschließlich für Lärmschutzwände eingesetzt werden, kann auf Umweltproduktdeklarationen zurückgegriffen werden (z. B. [16], [17], [18], [19] und [20]). Vereinzelt stehen auch Studien zur Verfügung, die von Herstellern von Lärmschutzsystemen in Auftrag gegeben wurden [11]. In Verbindung mit den Betrachtungen der Wand- oder Wand-Pfosten-Systeme und ohne ausdrückliche Betrachtung der Fundation ergeben sich relative, projektbezogene Entscheidungshilfen, die Betrachtungsweise erlaubt jedoch z. B. keinen Vergleich mit neuen Materialien: Bereits realisierte prototypische Anwendungen von Wandpaneelen aus Holz in Kombination mit Schilf, Lehm und/ oder Hanf können nicht den Betrachtungen gegenübergestellt werden und bleiben damit vernachlässigt, ebenso wie z. B. schallabsorbierende Hanffüllungen in Holz- oder Aluminiumkassetten (vgl. Abbildung 5). Abb. 5: Prototypische LSA aus. Schilf-Lehm-Kombination im Holzrahmen bzw. Lehm [Fa. REEDuce; Alhambra-Projekt in Nebellin/ Deutschland] 2.2 Aufwendungen im Betrieb Aufwendungen im Betrieb von Lärmschutzsystemen werden in den bisher veröffentlichen Studien entweder vernachlässigt oder grob abgeschätzt ([10], [11] und [12]). Es wurde meist nur der Ersatz von kleineren Teilen einzelner Bauteile der Lärmschutzsysteme pauschal berücksichtigt. Keiner der Studien liegen empirische Daten zu den Aufwendungen im Betrieb zugrunde. Bisher regelmäßig ebenfalls vernachlässigt wurden bei den Treibhausgasbetrachtungen von Lärmschutzanlagen die Emissionen während der Betriebsphase (u. a. [8]). Diese entspricht nach [15] den Modulen B3 bis B8. Dem Straßenbetrieb werden davon die Teile B6 (Energieeinsatz für den Betrieb) und B7 (Wassereinsatz für den Betrieb), B2 (Instandhaltung), B3 (Reparatur), zugerechnet. Abb. 6: Abgrenzung von Straßenbetrieb und Straßenunterhalt nach [21: 12]. Der Grenzfall B4 (Austausch/ Ersatz) entspricht der unscharfen Abgrenzung „bauliche Unterhaltung“ in und nur unter Hinzuziehung der Erläuterungen zu Abbildung 6. Daher werden im Folgenden die Teile B4 (Austausch/ Er- 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 449 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen satz) sowie Teil B5 (Erneuerung) der DIN EN 17472 dem Baulichen Unterhalt zugerechnet [21] 1 . Beide Aspekte der Nutzungsphase wurden im Rahmen des Projektes DeCarboNoise mittels Umfrage vertieft untersucht (vgl. Abschnitt 1.2 und ff.). 2.2.1 Baulicher Unterhalt Grundsätzliche Untersuchungen hierzu wurden vorgelegt in [22) sowie [23]. Es werden neben den „klassischen“ Lärmschutzanlagen (Massivbauweise, Modulbauweise) auch begrünte LSA wie z. B. bewehrte Drahtgitterwände mit Erdfüllung und Steilwälle grundsätzlich thematisiert; es werden neben der Schadenerfassung grundsätzliche Hinweise zur Erhaltung der Funktionstüchtigkeit der Anlagen gegeben (Vermeidung von Baumängeln, visuelle Kontrolle der akustischen Dichtheit etc.) ohne auf einen zeitlichen Bezug näher einzugehen. Auch aus der o. g. Umfrage heraus lassen sich keine verallgemeinerbaren Reparaturbzw. Ersatzansätze ableiten, da sowohl Lage und Exposition als auch streckenabhängige Unfallgefahr i.V. mit der Ausstattung von Anprallvorrichtungen bis hin zu Schäden, die durch den Winterdienst verursacht werden, hier Einfluß nehmen. Für klassische LSA können betreiberabhängig eigene Erfahrungswerte für die Module B2 bis B4 angesetzt werden, deren THG-Fußabdruck sich an denen der Herstellungs- und Entsorgungsberechnung orientiert. Hinsichtlich der potenziell als nachhaltig eingeschätzten LSA (Hanffüllung, Lehm/ Schilf bauweisen) fehlen für die errichteten Prototypen Erfahrungswerte, die durch Langzeitbeobachtung nun gewonnen werden können. Für bereits seit bis zu 20 Jahren am Markt erhältliche drahtbewehrte grüne Steilwälle wurden keine Erfahrungswerte für den baulichen Unterhalt ermittelt: Nach Angaben der Hersteller werden nach der Anwuchsphase (Module B6 und B7) keine weiteren Maßnahmen erforderlich. Die Maßnahmen der Anwuchsphase werden von 1 Erläuternd ist Abb. 6 im Original hinzugefügt: „D. h., Straßenerhaltung wird nur dann dem Straßenbetrieb zugerechnet, wenn es sich um Maßnahmen geringen Umfangs handelt und diese vornehmlich aus Gründen der Verkehrssicherheit sofort bzw. schnellstmöglich nach Auftreten eines Schadens oder Mangels ausgeführt werden (=Bauliche Unterhaltung). Alle größeren Erhaltungsmaßnahmen, die der Bewahrung und/ oder Wiederherstellung der Substanz dienen (Straßeninstandsetzung und -erneuerung), sind nicht dem Straßenbetrieb zuzurechnen.“ [21: 12]. den Infrastrukturbetreibern regelmäßig zusammen mit der Ausschreibung auf den Hersteller übertragen und gehen daher nicht in die Betrachtung der Betriebsphase ein. Es werden damit für drahtbewehrte grüne Steilwälle ebenso wie für alle LSA mit konstruktivem Einsatz der Begrünung (z. B. Living-Wall-Paneele) keine Aufwendungen für den baulichen und auch nicht für den betrieblichen Unterhalt (vgl. Abschnitt 2.2.2) angesetzt (Module B3 bis B5 sowie B8). 2.2.2 Straßenbetriebsdienste Im Gegensatz zu den LSA mit konstruktivem Einsatz der Begrünung wurde im Rahmen der o. g. Umfrage deutlich, dass LSA aus Holz nicht nur mit einer kürzeren Lebenserwartung (vgl. Abschnitt 2.3.1) sondern auch als pflegeaufwändiger eingestuft werden: Gegenüber klassischen LSA werden eine vermehrte Kontrolle und auch häufigere Kleinreparaturen benannt, jedoch nicht quantifiziert. Begründet werden die Aufwendungen mit der Ritzenbildung durch Schwinden und Verformung des Materials, Beschädigung durch Tiere und resultierende Schäden durch Bewuchs. Insgesamt zeigte sich im Rahmen der o.g. Umfrage, dass klassische begrünte LSA gegenüber solchen ohne Bewuchs einen erhöhten Pflegeaufwand nach sich ziehen. Dies steht in Verbindung mit dem erwünschten Pflanzenwachstum, das jedoch zur Entstehung und Vergrößerung von schallausbreitungsrelevanten Ritzen bis hin zum akustischen Versagen Einfluss auf die LSA nehmen kann. Die Entfernung unerwünschten Bewuchses zur Vermeidung von Schäden an Bauteilen oder der Funktionstüchtigkeit des Bauwerks ist daher erforderlich (vgl. [22], [24]. In der Umfrage allgemein bestätigt werden die in Abbildung 7 genannten Ansätze zu Betriebsaufwendungen für Lärmschutzanlagen, soweit sie die Grünpflege betreffen: 450 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen Abb. 7: Betriebsaufwendungen für Lärmschutzanlagen (Quelle: Umfrage DeCarboNoise) Daraus sind für die klassischen begrünten LSA die Betriebsaufwendungen mit einer mittleren Anfahrtsentfernung sowie durch Ansatz der Maschinenstunden aus der Grünpflege abzuschätzen. 2.2.3 Ergebnisse Zur Abbildung unterschiedlicher umfeldtypischer Randbedingungen wird für die THG-Ermittlung im Projekt DECARBONOISE zusätzlich eine Kategorisierung des Lagetyps bzw. der Exposition vorgeschlagen, welche durch Abbzw. Aufschläge auf die Berechnungswerte räumliche Besonderheiten berücksichtigt. Zur Kategorisierung des Lagetyps gehören z. B. Arbeiten im alpinen Bereich bzw. starke Hanglage, die erhöhte Aufwendungen im Handling (Sicherung, Maschinenpark) nach sich ziehen. Als weiterer Punkt werden erhöhte Anforderungen an den Pflegezustand berücksichtigt, welche in Bereichen mit Rastanlagen bzw. Wohn- und Freizeitnutzung gestellt werden. Einen dritten Aspekt könnte die Lage von fraßbzw. grabempfindlichen Bauteile darstellen. Zur Exposition des Lagetyps gehören Abschläge auf die angesetzte Lebensdauer (vgl. Abschnitt 2.3.1), die z. B. bei Waldlage infolge Verschattung etc. zur Berücksichtigung von wasserempfindlichen Bauteilen (Holzpaneele/ Paneelfüllstoffe) beiträgt. 2.3 Wesentliche Einflussgrößen 2.3.1 Lebensdauer Die Lebensdauer von Bauteilen kann als die kritische Einflußgröße auf die Beurteilung der verbundenen THG-Emissionen eines Bauwerks angesehen werden: Ihre Schwankung, die unmittelbar auf die Erneuerung von Bauwerken bzw. den Ersatz von Bauteilen einwirken, können positiv wie negativ das Zusammenspiel „passender“ Ersatzintervalle beeinflussen. Üblicherweise werden theoretische Lebensdauern als Ersatz verwendet, z. B. [25], [26]. 2.3.2 Modellgenauigkeit Aus den o.g. Ausführungen ist ersichtlich, dass die Körnigkeit des Modells bzw. die Feinheit der Auflösung seiner Bestandteile einen wichtigen Baustein zur Beurteilung der verbundenen THG-Emissionen darstellt. Damit verbunden ist die Aufgabe eines flexiblen Ansatzes zur Abbildung klassischer wie prototypisch-neuer und auch ggf. noch zu entwickelnder LSA. Damit soll auch zukünftig die Möglichkeit des Vergleichs von LSA-Typen für Infrastrukturbetreiber gewährleistet werden. 3. Ansatz im Projekt DeCarboNoise Die höchste Auflösung bilden die Konstruktionszeichnungen zur Bauausführung, die jedoch in ihrer Genauigkeit die derzeitigen Ansätze zur THG-Schätzung um ein Vielfaches übersteigen. Als zweckmäßig wird daher im Projekt DECARBONOISE ein gegenüber der zur Ausführung erforderlichen Konstruktionsplanung vereinfachtes Mo- 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 451 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen dell erachtet, welches die Grundkonstruktionselemente aufgreift, jedoch auf eine explizite Berücksichtigung von Schrauben und ähnlichen Kleinteilen verzichtet. 3.1 Modularer Modellansatz Die o.g. Zielsetzung zur Modellgenauigkeit führt zur Wahl eines objektorientierten Ansatzes gemäß bereits bestehender Bauteiltypisierung z. B. nach ASB-Ing [27] bzw. nach dem Objektkatalog für das Straßen- und Verkehrswesen (OKSTRA) [28]. 3.1.1 Betrachtete Modelle Gemäß der o. g. Gruppenbildung werden als Grundmodelle die LSA-Bauteile nach Bauweise unterschieden. Betrachtet werden Modulbauweise, Massivbauweise, Steilwall sowie Wall/ Damm und -als rechnerische Modellkombinationenauch Wall-Wand-Kombinationen (vgl. Abbildung 8). Unterschiedliche Mengenbzw. Bauteilzusammensetzungen können durch die geometrische Beschreibung der Teilobjekte abgebildet werden, in der Modulbauweise sind dies z. B. Volumina der Wandpaneele, Pfosten, Fundation, ggf. Abdeckung. Abb. 8: Modellauf bau (Objekte) der Lärmschutzanlagen 3.1.2 Parametrisierung Eine parametrisierende Objektbeschreibung in Anlehnung an die BIM-Methode erlaubt weiterhin eine Attributzuordnung zur Beschreibung von Objektbzw. Materialeigenschaften (vgl. [29]). Ein Beispiel möglicher Eigenschaften für die Modulbauweise zeigt Abbildung 9. Eine ergänzende Parametrisierung von Materialeigenschaften kann vorgenommen werden. Damit ermöglicht es der vorgeschlagene Modellauf bau, dass auch zukünftig eine Fortschreibung der Berechnungsgrundlagen zur THG-Ermittlung bei einer Erweiterung oder Veränderung der eingesetzten Materialien erfolgen kann. 452 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen Abb. 9: Beispiel zur Objektbeschreibung bei der Modulbauweise 3.2 Lebensdauer Im Ergebnis wird im Projekt DeCarboNoise der Ansatz verfolgt, dass auf Anwenderseite die Lebensdauer maßgebender Bauteile variiert werden kann (vgl. Abschnitt-4.3). Der Modellansatz bietet durch diese Variation die Möglichkeit eine Bandbreite erwartbarer Ergebnisse zu generieren, welche aufgrund der verbundenen Einflüsse aus z. B. zugrunde gelegtem Energiemix und Transportwegen (vgl. Abschnitt 4.4) bei der Einschätzung der Konsequenzen sinnvoll erscheint. Es werden damit kritische Einflußgrößen bei der Berechnung offengelegt, so dass deren Sensitivität im jeweiligen Einzelfall geprüft werden kann. 4. Erste Berechnungen Die nachfolgend dargestellten Berechnungen beziehen sich jeweils als modellbasierte Schätzung der Treibhausgasemissionen von Lärmschutzsystemen auf ein fiktives Beispiel, welches die o.g. Aufwendungen des Betriebs (Module B2, B3 und B6) noch vernachlässigt. Diese vergleichend betrachteten LSA haben jeweils die Dimension einer Länge von 40 Metern und einer Höhe von 4 Metern. Sie sind entlang einer geraden und ebenen Strecke errichtet und es wird eine geforderte Nutzungsdauer von 80 Jahren zugrunde gelegt. 4.1 Modellvalidierung Die Ergebnisse der modellbasierten Schätzung der Treibhausgasemissionen wird in Abbildung 10 dargestellt. Darin werden die genannten Bauweisen in folgenden Ausprägungen betrachtet: Modulbauweise (Pfosten und Paneele in Variation): Alle betrachteten Varianten haben eine Fundation mit einem Bohrpfahl von 4 m Länge mit Bohrpfahlkopf. Für die Pfosten werden Stahlträger verwendet. Es wird außerdem in allen Varianten angenommen, dass die Konstruktion ein Sockelelement aus Stahlbeton mit einer Höhe von 1,2 m verwendet, um den Spritzschutz zu erhöhen und die Konstruktion gegen aufsteigende Bodenfeuchte zu schützen. Es werden die folgenden Varianten für die darüberliegenden Paneele betrachtet: Holz, Beton, Aluminium, Schilf/ Lehm und Glas. Massivbauweise (Stahlbeton): Eine Massivbauwerk aus Stahlbeton, fundiert mit einem durchgehenden Streifenfundament. Als akustisches Element ist eine Vorsatzschale aus Holzbeton enthalten. Konstruktiv begrünter Steilwall (© „Umweltwand“): Exemplarisch für diese Bauweise wird ein System mit vollständig begrünten Drahtgitterwänden aus verzinktem Stahl mit Erdfüllung betrachtet, das auf einer Schottertragschicht errichtet wird. Erdwall: Hier wird von einem vollständig begrünten Erdwall ausgegangen, der nicht fundiert und nicht befestigt ist. Abb. 10: Treibhausgasemissionen unterschiedlicher Bauweisen (Beispiel) Die Ergebnisse stimmen mit [7aa], [8aa], [9aa], [10aa] und [11aa] überein in Bezug auf die relative Bedeutung der unterschiedlichen Phasen des Lebenswegs. Sie kommen übereinstimmend zum Schluss, dass die Materialherstellung am meisten zu den Treibhausgasemissionen beiträgt, in den Phasen A1-3 bzw. B4. Die Errichtung des Bauwerks, die Betriebsphase und die Entsorgung hingegen sind von untergeordneter Bedeutung. Ebenso stimmt die Rangordnung der Varianten ungefähr mit den anderen Studien überein. Auch [11aa] und [8aa] zeigen den Steilwall (V4) als Bestvariante (unter Vernachlässigung des Erdwalls in der vorliegenden Analyse). Die Modulbauweise mit Schilf-Lehm-Paneelen wird in [8aa] ebenfalls als drittbeste Variante eingestuft. Das Modell kann damit als validiert angesehen werden. 4.2 Variation der Fundation Der modulare Auf bau des Modells in DECARBONOISE unterstützt die Variation von einzelnen Bestandteilen des untersuchten Bauwerks. Als Beispiel wird für den Typ „Modulbauweise“ die Art der Fundation variiert. Für ein fiktives Bauwerk in Modulbauweise mit Holzpaneelen werden drei Typen von Fundationen modelliert: Bohrpfahlkopf mit Bohrpfahl aus Stahlbeton, Bohrpfahlkopf mit Mikropfählen sowie Einzelfundamente. 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 453 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen Die Ergebnisse in Abbildung 11 zeigen, dass eine Fundation mit Mikropfählen im Vergleich zur Einzelfundation in dieser Variante des fiktiven Bauwerks 32 % der Treibhausgasemissionen im gesamten Lebensweg einspart und 16 % im Vergleich zur Fundation mit Bohrpfahl aus Stahlbeton. Abb. 11: Treibhausgasemissionen bei unterschiedlichen Varianten der Fundation (Beispiel) 4.3 Variation der Lebensdauer von Holzpaneelen Ebenso kann die Lebensdauer der einzelnen Bauteile variiert werden. Als Beispiel wird für den Typ „Modulbauweise“ mit Holzpaneelen die Lebensdauer der Paneele variiert. Es werden alternative Lebensdauern für die Paneele und die Abdeckung von 15 Jahren, 20 Jahren und 30-Jahren gewählt bei einer geforderten gesamten Nutzungsdauer des Lärmschutzsystems von 80 Jahren. Abb. 12: Treibhausgasemissionen von Holzpaneelen bei Ansatz unterschiedlicher Lebensdauern (Beispiel) Die Ergebnisse in Abbildung 12 zeigen, eine Verminderung der Treibhausgasemissionen im Lebensweg des fiktiven Bauwerks um 17 % bei einer Lebensdauer der Holzpaneele von 30 Jahren bzw, 9 % bei einer Lebensdauer von 20 Jahren beides im Vergleich zu einer Lebensdauer von 15 Jahren. 4.4 Variation der nationalen Ökobilanzdaten Die Ergebnisse der modellbasierten Abschätzung der Treibhausgasemissionen hängt auch von den Datengrundlagen ab, die häufig länderspezifisch zur Verfügung gestellt werden. Unterschiede ergeben sich vor allen durch: i. länderspezifische Strommodelle: Die Strombereitstellung wird häufig aufgrund eines länderspezifischen Strommixes modelliert. In Deutschland führt die Stromherstellung beispielsweise zu höheren THG- Emissionen als in der Schweiz, weil der Anteil der Kohlekraftwerke höher ist. Das wirkt sich für alle Baumaterialien aus, deren Herstellung zu einem Stromverbrauch führt. ii. unterschiedliche Anteile von Sekundärmaterialien bei der Herstellung von Baustoffen: Dieser Anteil ist beispielsweise in der Schweiz höher als in Deutschland für Armierungseisen und Beton, da mehr Bauabfälle hochwertig wiederverwertet werden. iii. unterschiedliche Transportdistanzen in der Produktionskette: Die THG-Daten für Baumaterialien enthalten auch Transporte entlang der Wertschöpfungskette, z. B. den Transport von Holz bis zum Sägewerk. Diese Transportdistanzen können länderspezifisch variieren. Die Ergebnisse in Abbildung 13 zeigen, wie sich die Unterschiede länderspezifischer Datengrundlagen auswirken. Als Beispiel wurde hier ein Lärmschutzsystem in Modulbauweise mit Betonpaneelen der Berechnung zugrunde gelegt. Mögliche Unterschiede in den Transportdistanzen wurden vereinfachend vernachlässigt. Abb.-13: Veränderung der berechneten Treibhausgasemissionen aufgrund der Anwendung länderspezifischer Daten aus Österreich und der Schweiz (Beispiel) In diesem Beispiel fallen die Treibhausgasemissionen im Lebensweg in Österreich um rund 20 % höher aus als in der Schweiz - bei gleichen Annahmen zum Bauwerk (Materialisierung und Lebensdauern) und den Transporten. 5. Schlussfolgerungen und Ausblick Es konnte gezeigt werden, dass mit dem Modellansatz des Projektes DECARBONOISE die Projektziele erreicht werden können: Das Modell ist gegenüber Vergleichsrechnungen aus der Literatur validiert und bildet die unterschiedlichen am Markt verfügbaren bzw. prototypischen LSA ab. Gemäß des Projektansatzes kann auf länderspezifische Datensätze zugegriffen werden, so dass national sinnvolle 454 4. Kolloquium Straßenbau in der Praxis - Februar 2025 Modularer Modellaufbau als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen Vergleiche zur Emission von THG genutzt werden können. Die mögliche Variation der Lebensdauer relevanter Bauteile leistet hierzu einen Beitrag. Die Anwendung des modularen Modellauf baus als Systemansatz zur Berechnung der THG-Emissionen im Lebenszyklus von Lärmschutzanlagen leistet damit einen Beitrag zur Ermittlung vollständiger Berechnungsergebnisse. Durch den modularen Modellauf bau wird darüber hinaus den künftigen Anforderungen an BIM-kompatibles Arbeiten Rechnung getragen. Damit können z. B. innerhalb der Modulbauweise auch Vergleiche zwischen dem Ersatz von Wandkassetten mit „klassischer“ Absorberfüllung z. B. aus Mineralwolle gegenüber einer Füllung aus Hanf gezogen werden. Weiterer Forschungsbedarf besteht im Hinblick auf die Ermittlung tatsächlich realisierter Reparaturmaßnahmen sowie Aufwendungen im Betriebsdienst: Kostenweil personalintensive Aufwendungen müssen aufgrund der eingesetzten Geräte nicht zwingend mit hohen THG- Emissionen einhergehen und aufwändig zu pflegende Anlagen resultieren nicht zwingend aus den originären Anforderungen des Bauwerks selbst. Vielmehr können sie eine Folge von Akzeptanzund/ oder ökologischen Ausgleichs- und Ersatzmaßnahmen darstellen, die sich dann auf das Bauwerk bzw. seinen Pflegeaufwand auswirken, was gegenwärtig jedoch nicht ex post differenzierbar ist. Darüber hinaus sollten die Lebensdauerbetrachtungen von Bauteilen unter verschiedenen klimatischen-räumlichen Bedingungen differenzierend untersucht werden, um zukünftig verläßliche Aussagen treffen zu können. Eine Erweiterung der bisherigen Systemgrenzen um die Wiederverwendung (Reuse) stellt ebenso eine Herausforderung für die Zukunft dar. Denkbar sind im Rahmen des Modells die Einberechnung der Wiederverwendung von Bauteilen wie z. B. aufgrund lärmtechnischer Erfordernis ausgebauter Pfosten oder der Ersatz von Paneelen mit gebrauchten und wiederauf bereiteten Kassetten mit erneuerter Absorberfüllung. Literatur [1] Bundesministerium für Digitales und Verkehr (2018): Lärmvorsorge und Lärmsanierung an Bundesfernstraßen. Verfügbar unter >>https: / / bmdv. bund.de/ DE/ Themen/ Mobilitaet/ Laerm-Umweltschutz/ Laermvorsorge-Laermsanierung-Bundesfernstrassen/ Laermvorsorge-Laermsanierung- Bundesfernstrassen.html<<, zuletzt abgerufen am 01.12.2024. [2] Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg (Hrsg., 2022): Lärmschutz an Straßen in Baden- Württemberg. Schritt für Schritt zur „Vision Zero“. 22 S., verfügbar unter >>https: / / vm.baden-wuerttemberg.de/ de/ service/ publikation/ did/ laermschutz-an-strassen-in-baden-wuerttemberg<<, zuletzt abgerufen am 01.12.2024. [3] Bundesministerium für Digitales und Verkehr (2024): Statistik des Lärmschutzes an Bundesfernstraßen 2020 - 2021. Verfügbar unter >>https: / / bmdv.bund.de/ SharedDocs/ DE/ Publikationen/ StB/ statistik-des-laermschutzes-an-bundesfernstrassen-2020-2021.pdf<<, zuletzt abgerufen am 01.12.2024. [4] http: / / www.quiesst.eu. [5] Oltean-Dumbrava C, Miah A, Watts G, (2015) Towards a more sustainable surface transport infrastructure: A case study of applying multi criteria analysis techniques to assess transport noise reducing devices. International Journal of Cleaner Production, 112 (4): 2922-2934. [6] Oltean-Dumbrava C. and Miah A., (2016): Assessment and relative sustainability of common types of roadside noise barriers. Journal of Cleaner Production 135 (2016) 919-931. [7] Abdulkareem M., Havukainen J., Nuortila-Jokinen J., Horttanainen M. (2021), Life cycle assessment of a low-height noise barrier for railway traffic noise. Journal of Cleaner Production, 323 (2021) 129169. [8] Ahac M., Ahac S und Lakušic S. (2021): Long-Term Sustainability Approach in Road Traffic Noise Wall Design. Sustainability 2021, 13 (2): 536. [9] https: / / proceedr.project.cedr.eu, zuletzt aufgerufen am 01.12.2024. [10] Werner F. (2019), Arbeitsbericht: Ökobilanz von Ausfachungselementen für Lärmschutzwände. Eine Studie im Auftrag des Bundesamtes für Strassen ASTRA Lignum und des Verbands der Schweizer Wald- und Holzwirtschaft. [11] Duschen S. und Jorre S. (2021), Ausführlicher Studienbericht zur vergleichenden Ökobilanz für vier Lärmschutzwandsysteme der[k]nord GmbH. TÜV Rheinland Energy GmbH. [12] Tavajoh S. (2023), Comparative Life Cycle Assessment (LCA) of the Roadside Noise barriers. Master’s thesis in Design and Construction Project Management. Dep. Of Architecture and Civil Engineering. Chalmers University of Technology. [13] Afnan A. I. (2023), Comparative Life Cylce Assessment of willow, concrete and transparent noise barriers Master thesis. 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Date of publication (issue): 2018-12-13. [19] Hammerglas (2022), Hammerglass Noise barrier system GROUND-2 (Mark-2) from Hammerglass AB. EPD registration number: S-P-05712. Date of publication (issue): 2022-05-16. [20] Bundesverband Leichtbeton e. V. (2019), Lärmschutzelemente. Deklarationsnummer: EPD- BVL20180112IAG1DE. Ausstellungsdatum: 04.04.2019. [21] Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV, zuvor Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI)) (2021): Leistungsheft für den Straßenbetrieb auf Bun-desfernstraßen. verfügbar unter >> https: / / www.bast.de/ DE/ Verkehrstechnik/ Fachthemen/ Daten/ Leistungsheft- Strassenbetrieb.pdf? __blob=publicationFile&v=3 <<, zuletzt abgerufen am 13.05.2024. [22] Ghielmetti, M., Mühlebach, A. & Niederegger, A. (2009): Unterhalt von Lärmschirmen. FE 2004/ 201 (Schweiz). Im Auftrag des Schweizerischen Bundesamtes für Straßenbau (ASTRA). [23] CEDR (2017): Vanhooreweder, Marcocci und De Leo. Technical Report 2017-02. State of the art in managing road traffic noise: Noise barriers. ISBN: 979-10-93321-27-1. [24] Paul Lindner, Benedikt Hartmann, Christian Schulze, Jörn Hübelt (2019): Akustische Wirksamkeit alter Lärmschutzwände. Bericht zum Forschungsprojekt FE 02.0385. V, Verkehrstechnik (316). Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen. Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG. ISBN: 978-3- 95606-442-5. [25] Anlage zur Verordnung zur Berechnung von Ablösungsbeträgen nach dem Eisenbahnkreuzungsgesetz, dem Bundesfernstraßengesetz und dem Bundeswasserstraßengesetz. Ablösungsbeträge Berechnungsverordnung (ABBV 2010). [26] Weninger-Vycodil et al. (2022): Holistischer Bewertungs- und Analyseprozess für optimiertes Lifecycle-Management von Lärmschutzwänden SMART NOISE (VIF 2017). [27] Anweisung Straßeninformationsbank für Ingenieurbauten, Teilsystem Bauwerksdaten, verfügbar unter >>https: / / www.bast.de/ DE/ Publikationen/ Regelwerke/ Ingenieurbau/ Erhaltung/ ASB-ING. html<<, zuletzt abgerufen am 02.05.2024. [28] (OKSTRA) Objektkatalog für das Straßen- und Verkehrswesen, verfügbar unter >>https: / / www. okstra.de/ <<, zuletzt abgerufen am 02.05.2024. [29] Bundesministerium für Digitales und Verkehr (Hrsg., 2024): Modellbasierte Nachhaltigkeitsbewertung. Praxisdokument Version 1.0 mit Stand Nov. 2023. 33 S., verfügbar unter >> https: / / www. bim-bundesfernstrassen.de/ fileadmin/ user_upload/ Praxisdokumente/ bim-pd-nachhaltigkeitsbewertung.pdf<<, zuletzt abgerufen am 01.12.2024. Weitere Quellen: „Alhambra-Projekt“ siehe unter >> https: / / zentrum-fuer-peripherie.org/ startseite-test/ projekte/ brandenburgs-alhambra/ probewand<<, zuletzt abgerufen am 01.12.2024.