Buchgeister, J.

Jeske, U.

Schebek, L.

Weil, M.

Jeske, Udo

Buchgeister, Jens

Schebek, Liselotte

Weil, Marcel

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Beton mit rezyklierter Gesteinskörnung : eine Ökobilanz

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Der Verbrauch natürlicher Ge-steinskörnung Kies- und Sand fürden Bausektor beträgt in denletzten Jahren zwischen 370 und400 Mio. t [Steine & Erden 2000].Über den Abbruch von Bauwer-ken gelangen derzeit jährlich 70-80 Mio. t mineralische Abfälle zurVerwertung oder auf die Deponie[KWTB 2001]. Zur Eröffnung ei-nes neuen Recyclingpfades wur-de im Projekt „Baustoffkreislaufim Massivbau“ [BIM] die Verwen-dung betonreicher rezyklierterGesteinskörnung anstelle vonKies oder Splitt im Hochbau er-probt und in den letzten Jahrennormiert [DIN 4226-100]. Rezy-klierte Gesteinskörnung aus auf-bereitetem mineralischem Bau-schutt kann bei der Betonherstel-lung nach Richtlinie [DAfStb-Richtl. 1998] einen Anteil dernatürlichen GesteinskörnungenKies oder Splitt ersetzen. Dies istin Abb. 1 schematisch darge-stellt. Die Richtlinie befindet sichderzeit in Überarbeitung [DAfStbRichtl 6.Entw. 2002]. Der vorliegende Beitrag will diefolgenden Fragestellungen be-antworten: Wird die Schonungnatürlicher Gesteinskörnungdurch die Verwendung rezyklier-ter Gesteinskörnung innerhalbdes gewählten Systemrahmensdurch gegenläufige Effekte, d.h.erhöhten Materialeinsatz an an-derer Stelle der Herstellung vonRecyclingbeton, vermindert? Trittbei der Herstellung von Recyc-lingbeton ein erhöhter Energie-verbrauch auf, und wenn ja,durch welche Einzelprozesse?Wo liegen möglicherweise Opti-mierungspotentiale bei der Be-tonherstellung unter Verwendungrezyklierter Gesteinskörnung?Zur Beantwortung der Fragestel-lungen wird eine vergleichendeÖkobilanz der Betonherstellungmit und ohne rezyklierte Ge-steinskörnung unter Berücksich-tigung der in Normen, Richtlinienund Zulassungen niedergelegtenBeschränkungen nach Norm [DINEN ISO 14040 ff] durchgeführt.Unter Einschluss eigener Daten-erhebungen zu Bauschuttauf-bereitungsanlagen werden dietatsächlich resultierenden Ein-sparungen mineralischer Res-sourcen sowie die im Herstel-lungsprozess auftretenden Treib-hausgas-Emissionen bilanziert.Die eigenen Datenerhebungen zuBauschuttaufbereitungsanlagenwaren deshalb notwendig, weil inder Literatur für die Herstellungrezyklierter Gesteinskörnung zumeinen nur Energieaufwendungenzu finden sind [Herbschleb, E.1999], [Müller, Ch. 2001], die da-zu noch stark differieren und dieWerte zum anderen im Vergleichzu denen der Kies- und Splitt-Ge-winnung um eine Größenordnunghöher liegen. Die bekannten Ver-fahrensunterschiede rechtferti-gen dies nicht, weshalb die Datenweder verlässlich noch plausibelerschienen.Adressaten dieser Untersuchungsind die Akteure der Bau- undBaustoffrecyclingbranche. Darü-ber hinaus sind es die Entwicklerneuartiger Recycling-Technologi-en [FRANKA 2000]. Ihnen könnendie Untersuchungsergebnisse Si-cherheit bei wichtigen zu berück-sichtigenden Vergleichsparame-tern wie dem Energieverbrauchder herkömmlichen Aufberei-tungsanlagen vermitteln.Die zu vergleichenden Systemeunterscheiden sich nur in der Auf-bereitung und Verwendung vonrezyklierten Gesteinskörnungen.Bei der Aufbereitung fallen zu-sätzlich geringe Mengen Eisen-schrott an. Die Systemgrenzenfür die Herstellung von Beton miteinem Anteil an rezyklierten Ge-steinskörnungen sind in Abb. 2dargestellt. Sie umfassen: Her-stellung von natürlichen Ge-steinskörnungen (V1.1 und V1.2),Herstellung von Betonverflüssi-ger (BV) und Fließmittel (FM) (V3),Bereitstellung von Flugasche(V4), Herstellung von Zement (V5)Transport der Betonkomponen-ten zum Transportbetonwerk(Prozess), Mischung der Beton-komponenten (Herstellprozess),Herstellung rezyklierter Gesteins-körnungen (V2).Diesen Hauptprozessen sind wei-tere Prozesse vorgelagert: Ge-winnung von Rohstoffen (z.B.Systemrahmen derÖkobilanz VorgehensweiseFragestellungenEinleitung219(219)Beton mit rezyklierter Gesteinskörnung – eine ÖkobilanzU. Jeske, J. Buchgeister, L. Schebek, M. Weil, ITCNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 36  4/2004  S. 219-224Abb. 1: Verwendung eines Anteils rezy-klierter Gesteinskörnung für Beton (sche-matisch).rezyklierteGesteinskörnungBeton mit RezyklatanteilKalkstein), Bereitstellung vonelektrischer Energie oder Ener-gieträgern, Herstellung von Zwi-schenprodukten (z.B. Melaminfür BV), Herstellung von Hilfs-und Betriebsstoffe (z.B. Schmier-öl, Stahl, PU-Schaum).Bei der Ökobilanz erfolgt die Bi-lanzierung mit der entscheiden-den Bedingung der Nutzen-gleichheit der zu vergleichendenSysteme. Dabei wird der Nutzenauch als funktionelle Einheit be-zeichnet. Für die weitere Untersu-chung wurde die funktionelle Ein-heit auf 1 m3 Frischbeton für denkonstruktiven Bereich festgelegt.Berücksichtigt wurden hierbei:Festigkeitsklasse: B25 (Nennfe-stigkeit 25 N/mm2, an einem Wür-fel zu messen), Konsistenz: KR(weich, Ausbreitmaß: 42 bis 48cm), Verwendung als Innenbau-teil. Die zusätzlich anfallendenMengen Eisenschrott konnten beider Festlegung der funktionellenEinheit vernachlässigt werden.Für die Wirkungsabschätzungmüssen Umweltindikatoren aus-gewählt werden, die die wesentli-chen Ressourcenverbräuche undUmweltbelastungen abbilden. Ein Screening ergab folgendesBild: Als Ressourcenverbrauchhat der mineralische Stoffstromeine besondere Bedeutung undfür die Umweltbelastung ist derEnergieeinsatz die Hauptquelle.Dessen Höhe wird im Wesentli-chen durch die Zementherstel-lung bestimmt. Als Ergebnis wurden die folgen-den Indikatoren festgelegt: 1. Verbrauch primärer minerali-scher Rohstoffe (VMR) DerVerbrauch primärer minerali-scher Rohstoffe (VMR) umfassthier neben der natürlichen Ge-steinskörnung auch die zurZementherstellung benötigtenmineralischen Rohstoffe. 2. Kumulierter Energieaufwand(KEA). Der KEA gibt die Ge-samtheit der primärenerge-tisch bewerteten Energieauf-wendungen an [VDI 4600].3. Zusätzlich wurde das Treib-hauspotential (GWP) ausge-wählt, da bei der Zementher-stellung Treibhausgas-Emis-sionen nicht nur aus dem En-ergieverbrauch stammen, wasdurch den KEA abgedeckt wä-re, sondern auch aus der Ent-säuerungsreaktion des Kalk-steins (CaCO3 -> CaO + CO2 ),was im KEA nicht berücksich-tigt werden kann.Beim GWP werden die Treibhaus-potentiale der emittierten Gaseermittelt. Über Äquivalenzfakto-ren werden die Potentiale der ver-schiedenen Gase auf CO2-Äqui-valente (kg) umgerechnet. 220(220)Abb. 2: Systemgrenzen der Beton-Herstellung mit einem Anteil an rezyklierten Gesteinskörnungen.RessourcenVorketteFlugasche(V4)VorketteZement(V5)Misch-prozessTransportbetonwerkLuft-, Wasser-, Bodenemissionen+T = Transport+T +T +T+T+T1 m3FrischbetonEisenschrottVorketteBF/FM(V3)SystemgrenzenWasserVorkettenatürliche Gesteinskörnungen(V1.1, V1.2)Vorketterezyklierte Gesteinskörnungen(V2)Untersucht wurden insgesamt 12verschiedene Aufbereitungsanla-gen für Bau- und Abbruchabfällezur Erzeugung rezyklierter Ge-steinskörnung. Sie unterscheidensich hinsichtlich Größe, einge-setzten Brechereinheiten (Anzahl,Typ), Reinigungseinheiten (tro-cken, nass), internem Transportbzw. Verladung (z.B. Radlader,Förderband, Verladestation) undArt der Produkte. Aus der eige-nen Erhebung wurden am Endezwei stationäre Bauschuttaufbe-reitungsanlagen mit trockenerund nasser Aufbereitungstechnikbilanziert (RC-Anlage B und D),die technisch in der Lage sind,hochwertige, gut gereinigte rezy-klierte Gesteinskörnungen zu er-zeugen. Für diese Anlagen sinddetaillierte Anlagendaten mittelseines Fragebogens erhoben wor-den. Hergestellt werden Körnun-gen der Klassen 0-4 mm, 4-8mm, 8-16 mm, 16-32 mm. Werk Bhat eine Produktionskapazitätvon über 200.000 t/Jahr, Werk Dvon ca. 100.000 t/Jahr.Darüber hinaus wurden 7 Daten-sätze aus einer Befragung derUniversität Stuttgart [Kümmel, J.2001] zur Ergänzung der eigenenUntersuchungen aufbereitet undbilanziert.Die Systemgrenzen der Herstel-lung von rezyklierten Gesteins-körnungen sind in Abb. 3 darge-stellt. Bei der Modellierung der Werkewurden berücksichtigt: die Vor-zerkleinerung und Beschickung,die Zerkleinerung (Brechen), dasEntfernen von Störstoffen sowiedie Klassierung (Siebung) undVerladung der Produkte. Wasserwird in beiden Anlagen für Maß-nahmen der Staubminderung ins-besondere im Sommer einge-setzt, bei der nass betriebenenAufbereitungsanlagen auch fürdie Entfernung von Feinst- undLeichtstoffen. In Tab. 1 sind die Sachbilanzda-ten der RC-Anlagen B und D aus-gewiesen. Dargestellt sind derKEA, die durch den Energiever-brauch verursachten Treibhaus-gase, soweit sie einen Beitragzum GWP leisten und der Was-serverbrauch pro t rezyklierterSachbilanz: Vorketterezyklierte Gesteins-körnungen (V2)221(221)Abb. 3: Systemgrenzen der Herstellung von rezyklierten Gesteinskörnungen (V2).RessourcenVorketteHilfs- undBetriebsstoffeBau- undAbbruch-abfälleVorzerkleinerungund Beschickungder AnlageZerkleinerungKlassierung und Reinigung(inkl. Eisenabtrennung)+T = Anlageninterner Transport+TRC-Anlage+T +TVerladungRezyklierte Gesteins-körnungenAzV (z.B. Eisen)AzV (z.B. Staub)SystemgrenzeVorketteStromVorketteStromVorketteStromVorketteStromVorketteDieselLuft-, Wasser-, BodenemissionenGesteinskörnung. Gegenüberge-stellt sind zwei Literaturangabenüber den KEA für rezyklierte Ge-steinsteinskörnungen und dasmittlere Sachbilanzergebnis fürdie 7 stationären Anlagen auf Ba-sis der Daten der Uni Stuttgart. Die Unterschiede der in Tab. 1ausgewiesenen Sachbilanzwerteder Luftemissionen erklären sichdurch unterschiedliche Strom-und Dieselanteile am Gesamten-ergieverbrauch der Anlagen. Dieeigenen 3 KEA-Werte zwischen43,1 MJ/t und 55 MJ/t basierenauf zwei von einander unabhängi-gen Datenerhebungen und kön-nen dadurch als gesichert gelten.Sie lassen die bisher schon nichtnachvollziehbaren um einen Fak-tor 5-10 höheren Werte aus Lite-raturangaben [Herbschleb, E.1999], [Müller, Ch. 2001] als un-haltbar erscheinen. Dies gilt ins-beondere für den KEA-Wert von500 MJ/t [Herbschleb, E. 1999],den auch [Müller, Ch. 2001] her-angezogen hat [Weil 2002].In gleicher Weise ist der zitierteWert von 200 MJ [Müller, Ch.2001] kritisch zu sehen, zumalder Autor sich auf die Angabe von[Herbschleb, E. 1999] bezieht. Für die weitere Bilanzierung derBetonherstellung werden die Vor-kettendaten der Anlage D ver-wendet, Tab. 2. Diese Anlage er-zeugt kontinuierlich Gesteinskör-nung, die den hohen Anforderun-gen für Beton genügen, sodassdie ermittelten Durchschnittsda-ten zutreffend sind.Benötigt werden noch Vorketten-daten für die natürlichen Ge-steinskörnungen Kies und Splitt,die in den Tabellen 3 und 4 zumVergleich angegeben sind. FürSplitt wurde hilfsweise das ModulKalksplitt verwendet. Die weite-ren verwendeten Vorkettendatenzu Flugasche, Betonverflüssigerund Transporten finden sich in[Weil 2004].Die KEA- und GWP-Werte derRC-Anlage D sind als gegenläufi-222(222)Tab. 2: Indikatorenwerte desModuls V2 für rezyklierte Ge-steinskörnungen.Tab. 4: Indikatorenwerte desModuls V1.2 für Kalksplitt.Tab. 3: Indikatorenwerte desModuls V1.1 für Kies und Sand.Tab. 1: Kumulierter Energieaufwand (KEA) und Luftemissionen bei der Herstellung von 1 t rezyklierter Gesteins-körnung für die Betonproduktion.Datensatz Alle Angaben auf RC-Anlage RC~Anlage Uni. [Müller, Ch. [Herbschleb eine t Produkt bezogen B D Stuttgart 2001] 1999]*)[Kümmel, J.2001]C02 (g) 2910,0 3520,0 3220,0CH4 (g) 4,7 5,7 4,9N20 (g) 0,1 0,1 0,1Eisenschrott – AZV – (kg) 4,5 0,8 2,4Wasser Verbrauch (kg) 33,9 283,0 19,0KEA (MJ) 43,1 55,0 47,4 200,0 500,0*) 500 MJ/t wird alleine für die Zerkleinerung angegebenAlle Angaben auf  eine t Produkt RC-Anlagebezogen DKEA (MJ) 55,0GWP (kg) 3,7VMR (kg) –Alle Angaben auf  eine t Produkt Kieswerkbezogen AKEA (MJ) 34,5GWP (kg) 2,2VMR (kg) 1001,0Alle Angaben auf Kalksplitteine t Produkt (ohne Spreng-bezogen stoffeinsatz)KEA (MJ) 44,6GWP (kg) 3,1VMR (kg) 1000,0ger Effekt um einen Faktor 1,6bzw. 1,4 größer als die des Kies-werkes A. Dies erklärt sich durchdie höhern Aufwendung (Zerklei-nerung, Reinigung) bei der Aufbe-reitung der Bau- und Abbruchab-fällen.Für jeden Beton einer bestimm-ten Klasse gibt es eine vorge-schriebene Mindestzementmen-ge, die aber nicht automatischschon die zur Verarbeitung desBetons notwendige Konsistenzgarantiert. In der Praxis wird häu-fig mehr Zement zugegeben, umdie gewünschten Verarbeitungs-eigenschaften einzustellen. Für die Bilanzierung wurden dreiin der Baupraxis erprobte RC-Be-tonrezepturen und zwei entspre-chende Rezepturen mit natürli-chen Gesteinskörnungen (Kies,Splitt) ausgewählt. Die Rezeptu-ren der RC-Betone unterschei-den sich sowohl im Zementgehaltals auch im Anteil an rezykliertenGesteinskörnungen. Für Kies-Beton wurde eine Rezeptur ge-wählt, die mit der Mindestze-mentmenge von 240 kg aus-kommt. Ergänzend wurde einSplitt-Beton bilanziert, dessenZementgehalt um 30 kg über derMindestzementmenge liegt. Die Ergebnisse in Abb. 4 zeigen:Auch wenn bei RC-Beton mit ei-nem erhöhten Zementeinsatz einentsprechend höherer Einsatz anRohstoffen verbunden ist (Faktor1,6 beim Durchschnittszement),so bleibt dieser Anteil als gegen-läufiger Effekt im Verhältnis zumRezyklatanteil klein.So hat RC-Beton immer einengeringeren Verbrauch primärermineralischer Rohstoffe (VMR)zur Folge, als ein Beton mit natür-lichen Gesteinskörnungen. DieEinsparung an primären minerali-schen Rohstoffen variiert bei RC-Beton je nach Anteilen an Ge-steinskörnung und Zementgehaltzwischen 24-44 M-% gegenüberdem Kies-Beton. Im gewählten Systemrahmen ha-ben die RC-Betone leicht bisdeutlich höhere KEA- und GWP-Werte als der Kies-Beton. Ur-sächlich dafür ist der erhöhte Ze-mentgehalt, der auch die höherenWerte des Splitt-Betons gegen-über dem Kies-Beton erklärt.Demgegenüber von untergeord-neter Bedeutung sind die übrigenVorkettenprozesse. Nennenswer-te Anteile (ca.-Werte) der einzel-nen Prozesse an den Treibhaus-gas-Emissionen (GWP) für denKies-Beton in Abb. 4 sind: 95%durch Zementherstellung, 2 %durch Erzeugung der RC-Kör-nung, 1% durch Erzeugung vonKies/Sand, je 1% durch Trans-porte der RC-Körnung (20 km),Kies/Sand (20 km) und Flugasche(120 km). Sachbilanz:Betonherstellung223(223)Abb. 4: Ergebnisse des ökobilanziellen Vergleichs von Betonen mit und ohne rezyklierte Gesteins-körnungen (pro m3 Beton) sowie gleichen Transportentfernungen der natürlichen und rezykliertenGesteinskörnungen.Verbrauch prim. min. Rohstoffe [kg]KEA [MJ]CO2-Äquiv. [kg]16841464272,117211740327,61296 128023101272236514515Splitt-Beton4Kies-Beton321Beton mit rezyklierten Gesteinskörnungen231,9 265,4234,4Ein lohnender Ansatzpunkt zurOptimierung der RC-Betonher-stellung liegt damit in der Verrin-gerung des Zementgehaltes inRichtung Mindestzementgehalt.Durch Zugabe von Flugaschebzw. Betonverflüssiger kann be-tontechnologisch ein ähnlicherEffekt erreicht werden wie durchden Mehrzement, ohne dass diesökobilanziell bei den hier zugrun-deliegenden Indikatoren zu Bu-che schlägt.Es wurde eine vergleichendeÖkobilanz der Betonherstellungmit und ohne rezyklierte Ge-steinskörnung unter Einschlusseigener Datenerhebungen zuBauschuttaufbereitungsanlagendurchgeführtEntgegen den Erwartungen auf-grund bisheriger Literaturwertezeigen die Ergebnisse, dass esdurch die Verwendung rezyklier-ter Gesteinskörnung nur gering-fügige gegenläufige Effekte zurRessourcenschonung gibt.So hat die RC-Anlage gegenüberdem Kieswerk einen 1,6-fach er-höhten Energieverbrauch. Auch durch erhöhten Zementein-satz bei nach Richtlinie herge-stellten RC-Betonen gibt es beiTreibhausgas-Emissionen undZusammenfassung224(224)Verbrauch mineralischer Res-sourcen gegenläufige Effekte. Siekönnen durch Optimierung derBetonrezeptur vermieden wer-den. Dies zeigt der bilanzierteKies-Beton, der über den Weg ei-ner Einzelzulassung hergestelltund unter ökonomischen Aspek-ten optimiert wurde. Zukünftige Forschungsarbeitenfür die Optimierung der Herstel-lung von Recycling-Beton solltensich daher vor allem auf die Ein-flussfaktoren konzentrieren, diefür den Zementbedarf der RC-Betone ausschlaggebend sind. [BIM] Baustoffkreislauf im Massivbau (BIM).http://www.b-i-m.de[FRANKA 2000]H. Bluhm, W. Frey, H. Giese,P. Hoppe, C. Schultheiss,R. Strässner, Application of pulsed HV dischargesto material fragmentation andrecycling. IEEE Transactions on Dielectrics andElectrical Insulation, 7(2000) S.625-636[DIN EN ISO 14040]Ökobilanz – Prinzipien und allgemeineAnforderungen. Deutsches Institut fürNormung e.V. (Hrsg.). Beuth, BerlinAugust 1997 [DIN 4226-100]Gesteinskörnungen für Beton undMörtel – Teil 100: RezyklierteGesteinskörnungen. DeutschesInstitut für Normung DIN e.V. (Hrsg.),Beuth, Berlin Februar 2002[DAfStb-Richtl.1998] DAfStb-Richtlinie „Beton mitrezykliertem Zuschlag“. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton(DAfStb), Deutsches Institut fürNormung e.V. (Hrsg.), Beuth, Berlin,August 1998[DAfStb Richtl 6.Entw. 2002] Beton nach DIN EN 206-1 und DIN1045-2 mit rezyklierten Gesteins-körnungen nach 4226-100. Teil 1:Anforderungen an die Beton-zusammensetzung für dieBemessung nach DIN 1045-1. 6.Entwurf, Deutscher Ausschuss fürStahlbeton (DAfStb). DeutschesInstitut für Normung e.V. (Hrsg.),Beuth, Berlin, Oktober 2002. [Herbschleb, E. 1999]Herbschleb, E.: Die Energie-Kennzahl: Standardisiertes Verfahrenzur Ermittlung des Gesamtenergie-aufwandes für die Herstellung vonBaustoffen. In Tagungshandbuch:Unipor-Fachtagung, München, 1999 [KWTB 2001]Arbeitsgemeinschaft Kreis-laufwirtschaftsträger Bau (2001):Monitoring-Bericht Bauabfälle,.Folgebericht, Teil 2 – Erhebung: 1998.Berlin, November 2001. [Kümmel, J. 2001] Persönliche Mitteilung von Herrn J.Kümmel. Institut für Werkstoffe imBauwesen, Universität Stuttgart,01/2001. Datensätze entstammeneiner mitbetreuten Diplomarbeit vonStephan Raichle (1998).Literatur[Müller, Ch. 2001] Müller, Ch. (2001): Beton alskreislaufgerechter Baustoff.DissertationDeutscher Ausschuss für Stahlbeton(Hrsg.), Heft 513. Beuth, Berlin 2001[Steine & Erden 2000]Der Bedarf an mineralischenBaustoffen – Gutachten über denkünftigen Bedarf an mineralischenRohstoffen unter der Berück-sichtigung des Einsatzes vonRecycling-Baustoffen.Bundesverband Baustoffe- Steineund Erden e.V. (Hrsg.). Frankfurt/Main 2000[VDI 4600]Verein Deutscher Ingenieure:Kumulierter Energieaufwand Begriffe,Definitionen, Berechnungsmethoden.VDI-Richtlinie 1995[Weil 2002] persönliche Auskunft durch Ch. Müller[Weil 2004]Weil, M.: Ressourcenschonung undUmweltentlastung bei derBetonherstellung durch Nutzung vonBau- und Abbruchabfällen,Dissertation, Darmstadt 2004

Beton mit rezyklierter Gesteinskörnung - eine Ökobilanz

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