Deutschland bekannte sich 2017 zur Agenda 30 der UN mit den 17 Nachhaltigkeitszielen (SDG) und fasste diese in 63 konkrete Zielsetzungen. Auch im Bauwesen wird zunehmend auf Nachhaltigkeit geachtet. Doch was zeichnet überhaupt ein nachhaltiges Bauwerk aus und wie ist die Nachhaltigkeit messbar?
Im Rahmen der aktuellen Zertifizierungssysteme, um Nachhaltigkeit gesamthaft zu bewerten, ist die Ökobilanz nur ein Teilkriterium unter weiteren. Zur Erfassung der Umwelteinwirkung durch graue Energie, das heißt benötigte Energie zur Produktion, Herstellung, Transport und Entsorgung, ist sie ein wesentliches Instrument. Um im Bereich des Planens, Bauens und Betreibens von Gebäuden das SDG 13 (Klimaschutz) effektiv anzugehen, muss künftig dem Thema Ökobilanzen, spezieller dem Treibhausgaspotential stärkere Beachtung geschenkt werden.
Zwei Experten geben Einblicke in die Ökobilanzierung
Um zu ermitteln, welche Treibhausgasemissionen durch die Errichtung von Gebäuden erzeugt werden, bedarf es der Erstellung einer Ökobilanz in der der gesamte Lebenszyklus eines Gebäudes abgebildet wird. Zur Zertifizierung haben sich bereits verschiedene Benchmarks, wie der des DGNB oder des BNB etabliert. Um einen Einstieg in die Thematik zu bieten, veranstaltete das Klimaforum Bau im Juli 2021 einen Workshop zum Thema Ökobilanzierung. Als Referenten eingeladen waren Dipl.-Ing. Bernd Landgraf, Institutsleiter und Leiter der BNB-Konformitätsprüfungsstelle am Steinbeis-Transfer-Institut Bau- und Immobilienwirtschaft Dresden und Dipl.-VW. Christoph Scope, Mitarbeiter an der Professur für Betriebswirtschaftslehre, insbesondere Nachhaltigkeitsmanagement und betriebliche Umweltökonomie an der Fakultät Wirtschaftswissenschaften der TU Dresden.
Das Bilanzierungssytem
Herr Landgraf startete das Thema Ökobilanzierung mit einem Überblick zu Bilanzierungsmethoden und Einflussgrößen. Er konnte dabei aus dem umfangreichen Erfahrungsschatz des Steinbeis-Transfer-Institutes Bau- und Immobilienwirtschaft als BNB-Konformitätsprüfstelle schöpfen. In der Vergangenheit wurden hier bereits 45 Projekte zertifiziert, darunter vier in der Kategorie Gold und elf in der Kategorie Silber.
Eine Ökobilanz erfasst bauteilbezogen die energetischen und stofflichen Aufwendungen, sowie die daraus resultierenden Emissionen über den gesamten Lebenszyklus. Der Lebenszyklus eines Gebäudes wird hierbei in die verschiedenen Prozessmodule Rohstoffgewinnung, Transporte, Produktion, Herstellung, Instandhaltung, Abfallverwertung, Entsorgung und Recycling aufgeteilt und nach BNB-System mit 50 Jahren angesetzt. Die energetischen und stofflichen Inputs und Outputs, als auch die daraus resultierenden umweltwirksamen Emissionen werden prozessmodulbezogen ermittelt und ermöglichen so eine gesamtheitliche Bewertung der Umweltwirksamkeit des Gebäudes.
Der Umwelteinfluss wird durch die Berechnung von Umweltindikatoren zum Treibhausgas-, Ozonschichtabbau-, Ozonbildungs-, Versauerungs- und Überdüngungspotential, aber auch den Rohstoff- und Brennstoffbedarf, den Verbrauch von Frischwasser und den Primärenergiebedarf erneuerbar und nicht-erneuerbar quantifiziert und vergleichbar. Herr Landgraf bemängelt hier die bisher nicht ausreichende Betrachtung von Rohstoffabbau und Wasserverschmutzung durch unkontrollierte Einleitung schädlicher Substanzen.
Die verschiedenen Zertifizierungssysteme beziehen selten alle Prozessmodule mit ein, so bleiben die Aufwendungen für die Errichtung aufgrund der hohen Individualität der Herstellung und Transportstrecken oft außen vor. Doch auch zwischen den Zertifizierungssystemen bestehen wesentliche Unterschiede. Wohingegen die Zertifizierungssysteme nach DGNB und NaWoh eine Gutschrift außerhalb der Systemgrenze in Form des Prozessmoduls D für die Wiederverwendung und das Recycling von Bauteilen ermöglichen, wird dies im System des BNB nicht betrachtet. Herr Landgraf spricht sich für die Bilanzierung einschließlich des Prozessmoduls D aus, wodurch der Anreiz erhöht würde Möglichkeiten für die Wiederverwendung bei der Planung bereits zu berücksichtigen.
Grundlage für die Bilanzierung schafft der Bund
Datengrundlage für die Ökobilanzierung ist die frei zugängliche ÖKOBAUDAT des Bundesministerium des Inneren, für Bau und Heimat. In der Datenbank werden Bilanzierungsdatensätze in Form von Environmental Product Declaration (EPD) für Baumaterialien bereitgestellt. Die EPDs der einzelnen Bauprodukte bilden, neben allgemeinen Informationen, die verschiedenen Umweltindikatoren produktspezifisch über die Prozessmodule ab. Als Lieferanten der EPDs sind unter anderem das Institut Bauen und Umwelt e.V. (IBU) und die ift Rosenheim GmbH zu nennen. Die Gültigkeit der Datensätze beläuft sich auf 5 Jahre um die Aktualität zu gewährleisten. Mit derzeit rund 1400 Datensätzen ist die Datenbank verglichen mit der am Markt verfügbaren Bauprodukteauswahl jedoch relativ klein.
Beispielbilanzierung erklärt die Systematik
Im Zuge des Workshops gibt Herr Landgraf Einblicke in die Bilanzierungssystematik, welche sich für Neubau und Komplettsanierung, sowie die Gebäudeart voneinander unterscheidet. Die Ergebnisse werden mit einem Bewertungsmaßstab aus Ziel-, Referenz- und Grenzwerten abgeglichen und bewertet. Der Vergleich typischer Wandbaustoffe illustriert das Einsparpotential für Treibhausgasemissionen bei der Verwendung nachhaltiger Baustoffe und die Auswirkung des Modul D auf die Bewertung.
Für die ökobilanzielle Bewertung von Vollholz ohne Modul D, also ausgehend von einer Verbrennung ohne Weiterverwertung ist der Unterschied zur Bilanzierung mit Modul D extrem. Die Bilanzierung einschließlich des Modul D ermöglicht die Umrechnung der Heizenergie in Erdgasäquivalente und Gutschrift dieser im Modul D. Die Weiterverwertung spart so rechnerisch Erdgas und somit Treibhausgasemission, da die Verbrennung ohnehin stattgefunden hätte. Aber auch die Bilanz von Bewehrungsstahl verbessert sich durch die später mögliche Einschmelzung mit Einbezug des Prozessmoduls D erheblich.
Gewichtung im BNB
Im BNB Bewertungssystem ist das Treibhausgaspotential einer von acht Indikatoren, nimmt aber in der Gesamtwichtung von 12 Punkten, analog zum Primärenergiebedarf, ein Viertel ein. Daraus leitet sich die Empfehlung ab, bei der Erstberatung und Planung den primären Fokus auf diese beiden Werte zu legen. So kann die Komplexität reduziert und das Thema für ein breiteres Publikum geöffnet werden. Ambitionierte Ansätze von Architekten und Fachplanern scheitern erfahrungsgemäß an teilweise noch fehlender Datengrundlage und der allgemeinverständlichen Kommunikation dieser gegenüber dem Bauherren.
Planungsoptimierung hinsichtlich der Ökobilanzbetrachtung
Wesentliche Einflussmöglichkeiten bei der Planung sind eine Reduzierung der Bauteilmenge, eine angepasste Materialauswahl, die Reduzierung von Bauteilabmessungen, und die Verwendung hochwertigerer Materialien. Letztere Möglichkeit führt durch eine in der Regel längere Nutzungsdauer zur Einsparung von Energieaufwendungen.
Die Optimierung des Endenergiebedarfes für Heizung, Kühlung, Lüftung, Strom und Trinkwarmwasser als ein Prozessmodul der Ökobilanz, sollte ebenfalls Bestandteil der Planungsoptimierung sein. Dabei sind der Einsatz effizienterer Anlagentechnik, die Vermeidung von Wärmebrücken und die lokale Energieerzeugung aus regenerativen Quellen Kernansatzpunkte. Herr Landgraf stellt die Reduzierung des Fensterflächenanteils auf maximal 30-40% als konstruktive Maßnahme gesondert heraus, um Kühlaufwand im Sommer und Heizaufwand im Winter zu vermeiden.
Die Schwierigkeit in frühen Leistungsphasen eine Ökobilanz zu erstellen ist dem Fachmann bekannt und er rät dazu, eine grobe Abschätzung über die Tragkonstruktion vorzunehmen und auf bisherige Erfahrungswerte für die Energiebilanzierung zurückzugreifen. Zukünftig sieht er die fortgeschriebene Ökobilanzierung als Standardprozess in der Bauplanung und prognostiziert, dass jeder Marktteilnehmer diesen Prozess bis 2025 beherrschen müsse um den Marktbedarf zu bedienen.
Fortgeschriebene Ökobilanz im Planungsprozess
Im Rahmen der Vorplanung (2. Leistungsphase nach HOAI) wird eine Variantenbetrachtung von bis zu drei Varianten der Baukonstruktion als zielführend erachtet. Die Vorzugsvariante der Betrachtung wird dann für die Ausführungsplanung übernommen und mit fortschreitendem Planstand bis hin zur Fertigstellung angepasst und fortgeschrieben.
Nach diesem Prinzip wurde im Rahmen des Workshops ein Projekt mit Neubau eines Wohn- und Geschäftshauses in Dresden und erfolgtem ökobilanziellem Variantenvergleich vorgestellt. Das Gebäude soll aus Untergeschoss mit Parkmöglichkeiten, Supermarkt im Erdgeschoss und drei darüber liegenden Wohnetagen bestehen. Ziel war es, schon in den frühen Leistungsphasen die Gebäudekonstruktion zu bilanzieren und zu ermitteln, ob eine Optimierung im Hinblick auf Treibhausgasemissionen möglich ist. Zur Komplexreduktion wurde auf die Bilanzierung der Anlagentechnik und den Einbezug der Energiebedarfe aus der Nutzung verzichtet.
Durch die bereits mit konventionellen Materialien abgeschlossene Grundrissplanung blieb die Umwandlung in einen kompletten Holzbau jedoch eine theoretische Überlegung und eine hybride Variante das real maximal erreichbare Ziel.
Will man nun die Planung hinsichtlich der Umweltwirksamkeit optimieren, bieten sich zuerst größere Flächenbauteile zur Betrachtung an, wobei im Beispielprojekt die Reduktion der Kellerdeckenstärke das größte Einsparpotential darstellte. Aber auch der Austausch von Materialien beispielsweise die Ausführung der Tiefgarage in großen Teilen als Mineralgemisch/Magerbeton mit Betonpflaster oder der Einsatz von Brettschichtholzdecken birgt Potenzial zur CO2-Einsparung.
Am Beispielprojekt lässt sich leicht erkennen, dass die Umweltwirksamkeit in Bezug auf CO2-Emissionen mit steigendem Holzanteil der Konstruktion wesentlich abnimmt. Der zusätzliche Vergleich zwischen den Bilanzierungsmethodiken mit dem vorab beschriebenen Modul D und ohne, zeigen Verbesserungen von etwa einem Siebtel in der Gesamtbilanz mit Modul D.
Energetische Nachbetrachtung des Projektes
Die ursprünglich fehlende energetische Betrachtung der Nutzungsphase wurde im Nachgang durch Herrn Landgraf vorgenommen. Auf die Reduktion des Treibhausgaspotential (THG) und des kumulierten Energieverbrauches (KEV) hat die Wahl der Energieträger einen großen Einfluss, ebenso wie der regional unterschiedliche Gesamtstrommix. Vorteilhaft für die Gesamtbilanz ist hier der Einsatz von Photovoltaikanlagen und eine Einspeisung von Energie in das Strom- oder Wärmenetz. Beim anschließenden Vergleich der Ausführungsvarianten mit den Werten des Internationalen Institut für Nachhaltigkeitsanalysen und –strategien GmbH (IINAS) zeigt sich deutlich, dass der Holzbau mit Pelletkessel und 50kWp Photovoltaikanlage überdurchschnittlich und der konventionelle Bau mit Fernwärmeversorgung und ohne Photovoltaik unterdurchschnittlich abschneidet. Bezogen auf die Klimawirksamkeit vergrößert sich der ursprüngliche Abstand der beiden Varianten aus der Betrachtung der reinen Baukonstruktion.
Die politisch festgelegte 0g CO2 Emission pro kWh für Photovoltaikanlagen wurde vom Publikum als nicht der Realität entsprechend kritisiert und es wurde auf die Gefahr verwiesen, dass diese politische Entscheidung auch einem Wandel unterworfen sein kann.
Um klimagerechtes Bauen zu ermöglichen plädiert Herr Landgraf für die konsequente Umsetzung von Planungsgrundsätzen zum klimagerechten bauen, auch in Bezug auf den Flächen- und Raumbedarf und die Nutzung regenerativer Energien. Dabei räumt er ein, dass Klimaneutralität immer mit einer Kompensation verbunden ist, diese sollte durch die Ausschöpfung der zur Verfügung stehenden Möglichkeiten nahe Null gehalten werden. Ein Variantenvergleich ist für die ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertung unumgänglich.
Carbonbeton
Von den Bilanzierungsgrößen wechselt das Thema der ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung auf die Bauteilebene. Dafür referierte Christoph Scope über Ansätze und Fallbeispiele. Auch er zeigte noch einmal eindrücklich den Aufbau und Rahmen von Nachhaltigkeitsbewertungen auf. Ökobilanzierung nimmt dabei nur einen Teil der Bewertung ein und Komponenten wie Lebenszykluskosten oder soziokulturelle Aspekte werden ebenfalls betrachtet. Für die Ökobilanz selbst ist die ISO 14040 maßgebend. Die Norm ist allerdings in der Praxis nicht vollständig anwendbar, denn funktionale Parameter müssten zum Vergleich jeweils identisch sein, was wiederum bei Bau- und Immobilienprojekten durch den Unikatcharakter selten der Fall ist.
Warum Carbonbeton?
Herr Scope beschäftigt sich im Rahmen seiner Tätigkeit an der TU Dresden mit zementbasierten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffen zu denen Carbonbeton zählt. Der Vorteil des Materials liegt in seiner Korrosionsbeständigkeit, der höheren Zugfestigkeit und dem geringeren Gewicht im Vergleich zu Stahlbeton. Zudem kann der Baustoff mit Robotertechnologien computergestützt verarbeitet werden.
In einer Fallstudie zur Ermittlung der Nachhaltigkeit des Baustoffes wurden Deckenverstärkungen aus Carbonbeton und Stahlbeton, sowie Halbfertigteilwände aus den beiden Vergleichsmaterialien hergestellt. Zugleich wurden zwei verschiedene Zusammensetzungen Carbonbeton miteinander verglichen. Durch die Verwendung konnte eine Gewichts- und somit auch Materialeinsparung bei der Verwendung von Carbonbeton erzielt werden. Die Gewichtseinsparungen beliefen sich für die Deckenverstärkung auf 87% und für die Wandbauteile auf 37%.
Für die anschließende Lebenszyklusanalyse konnte der Carbonbeton trotz der Gutschrift durch Pyrolyse Downcycling sich in Bezug auf die Treibhausgasemission nicht gegenüber Stahlbeton durchsetzen. Besonders die Herstellung der Carbonfasern hat einen hohen Energiebedarf und verursacht einen großen Anteil der CO2-Emissionen. Dabei gilt es zu beachten, dass durch die Verwendung von Carbonbeton schlankere Bauteile möglich sind und die CO2-Bilanz hier am konkreten Projekt verglichen werden muss. Expert:innen machen deutlich, dass Anfragen derzeit vorrangig aufgrund der hohen Materialleistungsfähigkeit gestellt werden.
Herr Scope stellt heraus, dass die Verfügbarkeit von regionalen und aggregierten Datensätzen und die Entsorgung die größten Herausforderungen zum einen für die Erstellung einer vollständigen Lebenszyklusanalyse und zum anderen bei der Herstellung klimafreundlicher Baustoffe darstellen.
Fazit
Die Vorträge im Rahmen des Workshops haben verdeutlicht, dass die Prüfung der Nachhaltigkeit ein sehr komplexes aber notwendiges Thema ist. Vor allem die Dokumentation der Rahmenbedingungen, verwendeter Bewertungssysteme und die Nachvollziehbarkeit der Berechnung sind von besonderer Bedeutung um einen konsistenten Vergleich zu ermöglichen. Die Ergebnisse der verschiedenen Bewertungssysteme unterscheiden sich teils erheblich und führen zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen, wodurch ein zusätzlicher spezifischer Bauteilvergleich nötig werden kann.
Zukünftig wird eine strukturierte Bewertung von Gebäuden notwendig werden um die gesteckten Klimaziele zu erreichen und die Wichtigkeit sich mit den Grundgedanken intensiv zu beschäftigen ist für wirksame Entscheidungen in frühen Planungsphasen essentiell. Anwendersoftware wird in Zukunft diese Prozesse vereinfachen und besser vergleichbare Resultate hervorbringen.
