Ökobilanzierung von Gebäuden

• Erster Teil des Vortrages / Fachbeitrages von Dipl.-Ing Joost Hartwig, TU-Darmstadt, Fachbereich Architektur, Institut Entwerfen und Energieeffizientes Bauen (Prof. Manfred Hegger) im Rahmen der Vorstellung der Ökobilanz des "LichtAktiv Hauses" von Velux am 29.6.2011 im Rahmen der Consense

Der Betrieb eines Gebäudes (Heizung und Warmwasserbereitung) hatte in der Vergangenheit den größten Anteil am Energieverbrauch und den Emissionen im Lebenszyklus. Der Gesetzgeber hat hier angesetzt und durch Vorgaben wie die Wärmeschutzverordnung (1976,1984,1995) und die Energieeinsparverordnung (2002,2004,2007,2009) den Energieverbrauch in der Nutzungsphase für Neubauten deutlich reduziert.

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Etwa 70% des Gebäudebestands in Deutschland sind jedoch vor 1979 errichtet worden und erfüllen nicht einmal die Vorgaben der ersten Wärmeschutzverordnung. Auf Grund der geringen Neubauquote in Deutschland (0,55% des Gebäudebestands im Jahr 2008) wird es mehrere Generationen dauern, bis alle Bestandsgebäude mit hohem Heizwärmebedarf gegen energieeffiziente Neubauten ersetzt sein werden. Unberücksichtigt bleibt dabei auch der kulturelle Wert eines Gebäudes, der einen Abriss unter Umständen ausschließt (z.B. Denkmalschutz).

Die Klimaschutzziele der Bundesregierung sehen im Gebäudebereich eine Energieeinsparung von 19% bis 2020 (gegenüber 2005) vor. Nur mit Neubauten lässt sich dieses Ziel nicht erreichen. Der energetischen Sanierung des Gebäudebestands kommt also eine wichtige Rolle zu. Dabei haben Bestandsgebäude einen, bisher wenig beachteten Vorteil gegenüber Abriss und Ersatzneubau: Die Energieeinsparung im Gebäudebetrieb lässt sich mit einem deutlich kleineren Ressourcenaufwand und geringeren Umweltwirkungen als im Neubau realisieren.

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Mit einer so genannten Ökobilanz, einer Betrachtung des gesamten Gebäudelebenszyklus von der Herstellung der Gebäudekonstruktion über die Instandhaltung und den Betrieb bis zum Abriss und der Entsorgung, können die anfallenden Umweltwirkungen ganzheitlich betrachtet werden.

Ökobilanzmethodik

Eine Ökobilanz analysiert den Lebensweg eines Produkts, das eine oder mehrere Funktionen ausführt. Dazu betrachtet man die Lebensstadien ...

• Rohstoffgewinnung,
• Herstellung,
• Verarbeitung und
• Transport sowie ggf.
• Gebrauch,
• Nachnutzung und
• Entsorgung.

Unterschieden wird u.a. zwischen so genannten „Cradle to Grave“-Betrachtungen, bei denen der gesamte Lebenszyklus eines Produkts untersucht wird und „Cradle to Gate“-Betrachtungen, bei denen nur die Herstellung des Produkts (bis zum Werkstor des Herstellers) Gegenstand der Untersuchung ist.

Gemäß ISO 14040 umfasst eine Ökobilanzierung vier Teile:

• Festlegung von Ziel und Untersuchungsrahmen,
• Sachbilanz,
• Wirkungsbilanz und
• Auswertung.

Für die Ökobilanzierung von Gebäuden sind darüber hinaus weitere Festlegungen von der Deutschen Gesellschaft für nachhaltiges Bauen (DGNB) definiert worden, die eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher Gebäude gewährleisten. Dazu gehören u.a. die anzusetzende Nutzungsdauer des Gebäudes (50 Jahre), die einzubeziehenden Bauteile und die zu verwendende Datengrundlage.

Ziel und Untersuchungsrahmen

Zunächst werden das zu untersuchende Produkt und seine Funktion beschrieben (funktionelle Einheit). Über die Festlegung der Systemgrenze wird beschrieben, welche Prozessmodule zum Lebensweg des Produkts gehören bzw. welche nicht betrachtet werden. Für Gebäude erfolgt die Betrachtung über die gesamte Konstruktion (Herstellung, Instandhaltung, Entsorgung) und den Betrieb, die Ergebnisse werden auf einen Quadratmeter Nettogrundfläche (NGFa) normiert.

Die Deutsche Gesellschaft für nachhaltiges Bauen (DGNB) hat für Gebäude ein so genanntes vereinfachtes Verfahren beschrieben. Dabei werden die Regelaufbauten von Außenwänden inklusive Fenster und Türen, Dächern, Geschossdecken, Fundamenten und Bodenplatten, Innenwänden und -türen sowie die Wärmeerzeugungsanlage in der Bilanz berücksichtigt. Anschlussdetails und haustechnische Komponenten (außer dem Wärmeerzeuger) werden nicht berücksichtigt. Um diese Vereinfachung dennoch in der Bilanz abbilden zu können, wird pauschal ein Aufschlag von 10% auf die Ergebnisse gegeben.

Sachbilanz

In der Sachbilanz werden die für das Produktsystem relevanten Stoff- und Energieumwandlungsprozesse unter Berücksichtigung der Systemgrenze und der Abschneidekriterien erfasst und quantifiziert. Einbezogen werden Energie-, Rohstoff- und Betriebsstoffinputs, Produkte, Koppelprodukte und Abfälle sowie Emissionen in Luft, Wasser und Boden. Bei Gebäuden können die benötigten Informationen aus der vorhandenen Planung entnommen werden. Der berechnete Energiebedarf in der Nutzungsphase wird aus der EnEV-Berechnung übernommen. Hier ist auch ein Großteil der Regelaufbauten der Bauteile enthalten. Zu beachten ist, dass die DGNB eine Berechnung des Energiebedarfs in der Nutzungsphase nach DIN V 18599 verlangt.

Wirkungsabschätzung

In der Wirkungsabschätzung wird der Beitrag der Sachbilanzergebnisse zu bestimmten potentiellen Umweltwirkungen ermittelt. Zu diesem Zweck werden die Ergebnisse der Sachbilanz üblicherweise mit einer (oder mehreren) Wirkungskategorien verknüpft. Wirkungskategorien beschreiben jeweils eine bestimmte potentielle Umweltwirkung (z.B. Treibhauspotential) und werden mittels eines Stoffäquivalents (z.B. CO₂-Äquivalent) dargestellt. Alle Stoffströme der Sachbilanz mit einem Beitrag zu einer bestimmten Wirkungskategorie (z.B. dem Treibhauseffekt) werden mittels festgelegter Charakterisierungsfaktoren in das jeweilige Stoffäquivalent umgerechnet und zusammengefasst. Auf diese Weise werden hunderte Emissionen mit wenigen potentiellen Umweltwirkungen beschrieben. Es gibt keine genormten Vorgaben für die darzustellenden potentiellen Umweltwirkungen. Im Gebäudebereich werden üblicherweise die folgenden Wirkungskategorien betrachtet:

a. Treibhauspotential GWP [kg CO₂ – Äq.]

Der Treibhauseffekt beschreibt die Wechselwirkung zwischen Sonneneinstrahlung und Erdatmosphäre. Kurzwellige UV- und Lichtstrahlung von der Sonne dringt in die Atmosphäre und wird dort durch Absorption in langwellige Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) umgewandelt. Spurengase in der Erdatmosphäre (Wasserdampf, Kohlendioxid) verhindern, dass die Infrarotstrahlung ungehindert ins Weltall abgestrahlt wird. Durch diesen „natürlichen Treibhauseffekt“ wird die Temperatur auf der Erdoberfläche bei durchschnittlich 15°C gehalten, ansonsten läge sie bei -18°C.

Durch menschliche Aktivitäten (z.B. Verbrennungsprozesse) werden zusätzliche, so genannte anthropogene Treibhausgase wie z.B. Kohlendioxid, Methan oder FCKW freigesetzt. Diese Gase verstärken den natürlichen Treibhauseffekt und sorgen somit für eine zusätzliche Erwärmung der Atmosphäre. Das Treibhauspotential (Global Warming Potential) beschreibt den Beitrag eines Stoffs zum anthropogenen Treibhauseffekt und wird in kg Kohlendioxid - Äquivalent (CO₂–Äq.) angegeben. Alle Emissionen werden bezüglich ihres potentiellen Treibhauseffektes zu CO₂ ins Verhältnis gesetzt:

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b. Ozonabbaupotential ODP [kg R11-Äq.]

Das Ozon (O₃) in der Stratosphäre absorbiert einen Teil der UV-Strahlung der Sonne, die beim Menschen zu Schädigungen von Haut und Augen führen kann. Als Ozonabbau bezeichnet man die Verringerung dieser Ozonschicht vor allem über der Antarktis (Ozonloch). Verursacht wird die Zerstörung der Ozonschicht vor allem durch halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW). Halogenierte Kohlenwasserstoffe wurden als Treibmittel in Sprays, bei der Herstellung von Schaumstoffen, als Kälte- und Reinigungsmittel und in medizinischen Anwendungen eingesetzt. Durch internationale Abkommen ist die Verwendung von halogenierten Kohlenwasserstoffen inzwischen restriktiv geregelt. Das Ozonabbaupotential wird in kg R11 (Trichlorfluormethan) Äquivalent angegeben.

c. Photochemisches Oxidantienbildungspotential POCP [kg C₂H₄-Äq.]

Das Photochemische Oxidantienbildungspotential beschreibt die Entstehung von aggressiven Reaktionsprodukten aus flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), Kohlenmonoxid und Stickoxiden unter Einwirkung von Sonnenstrahlung. Die entstehenden Reaktionsprodukte, insbesondere Ozon, werden auch Sommersmog genannt. Bodennahes Ozon wirkt in höheren Konzentrationen toxisch auf den Menschen, Nutzpflanzen und ganze Ökosysteme. Die zur photochemischen Oxidantienbildung beitragenden Emissionen werden vor allem vom Autoverkehr (Stickoxide, Kohlenwasserstoffe) und von Industrieanlagen (Kohlenwasserstoffe) freigesetzt. Begünstigt wird die Bildung von Sommersmog durch starke Sonnenstrahlung und austauscharme Wetterlagen. Das Ozonbildungspotenzial wird auf die Wirkung von Ethen (C₂H₄) bezogen.

d. Versauerungspotenzial AP [kg SO₂-Äq.]

Als Versauerung wird die Verringerung des pH-Werts von Niederschlag durch die Umwandlung von Luftschadstoffen in Säuren (saurer Regen) bezeichnet. Dies führt zu Waldschäden (Waldsterben) und der Versauerung von Böden. An Gebäuden können durch die Korrosion von Metallen und die Zersetzung von Naturstein Schäden entstehen. Zur Versauerung tragen hauptsächlich die Emissionen aus der Verbrennung schwefelhaltiger fossiler Brennstoffe wie Kohle und Öl bei, sowie Stickoxide die ebenfalls bei Verbrennungsprozessen freigesetzt werden. Das Versauerungspotential wird in kg Schwefeldioxid (SO₂)-Äquivalent angegeben.

e. Eutrophierungspotential EP [kg PO₄^3--Äquivalent]

Unter Überdüngung bzw. Eutrophierung versteht man die lokale Anreicherung von Nährstoffen in einem Ökosystem. In überdüngten Gewässern kann es zu vermehrtem Algenwachstum und Fischsterben bis zum biologischen Tod („Umkippen“) des Gewässers kommen. Überdüngte Pflanzen weisen eine Schwächung des Gewebes und eine geringere Resistenz gegen Umwelteinflüsse auf. Ein hoher Nährstoffeintrag führt außerdem zur Nitratanreicherung im Grund- und Trinkwasser, wo es zu für Menschen giftigem Nitrit reagieren kann. Zur Überdüngung tragen Phosphor und Stickstoff, zum Beispiel aus Düngemitteln oder Haushalts- und Industrieabwässern, bei. Das Überdüngungspotenzial wird in PO₄^3--Äquivalent angegeben.

f. Primärenergieinhalt PEI [MJ]

Der Primärenergieinhalt eines Baustoffs beschreibt den zur Herstellung, Nutzung und Entsorgung des Materials notwendigen Aufwand an Energieträgern (Ressourcen). Dabei wird zwischen nicht erneuerbarer (z.B. Erdöl, Erdgas, Kohle, Uran) und erneuerbarer Primärenergie (z.B. Strom aus Windkraft) unterschieden. Es handelt sich im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Umweltwirkungen um eine Input-bezogene Wirkungskategorie, die den Verbrauch von begrenzt vorhandenen Ressourcen beschreibt. Der Primärenergieverbrauch wird in Megajoule (MJ) Primärenergie angegeben.

Auswertung

Auf Basis der Ergebnisse der Sachbilanz und der Wirkungsabschätzung erfolgt die Auswertung. Die Auswertung interpretiert entsprechend dem gewählten Ziel und Untersuchungsrahmen die Ergebnisse der Ökobilanz. Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen und Empfehlungen für die Optimierung der Planung abgeleitet, diese werden in einem Bericht dargestellt.

Bei der Ökobilanz handelt es sich grundsätzlich um eine wertfreie Beschreibung der Umweltwirkungen eines Produkts. Dementsprechend gibt es auch keine pauschale Aussage über „gute“ oder „schlechte“ Produkte und Bauweisen von Gebäuden. Vielmehr bietet eine Ökobilanz dem Nutzer die Möglichkeit, auf Basis eigener Bewertungen Entscheidungen zu treffen.

Dies ist zum einen der Tatsache geschuldet, dass die Umweltwirkungen eines Produkts stark abhängig sind von der Art und Dauer der Nutzung und den gegebenenfalls zur Verfügung stehenden Alternativen. Zum Beispiel haben Fliesen einen hohen Energieaufwand in der Herstellung, sind aber auch langlebig. In einem Gebäude mit einer langen Nutzungsdauer sind sie also ein guter Bodenbelag. In einer Konstruktion mit einer kurzen Nutzungsdauer (z.B. ein Messestand) spielt Dauerhaftigkeit keine Rolle, andere Bodenbeläge sind also eventuell ökologisch günstiger. In Räumen mit bestimmten hygienischen Anforderungen wiederum gibt es eventuell aber keine Alternative zu einem Fliesenbelag oder nur einen mit größeren Umweltwirkungen (z.B. eine Epoxidharzbeschichtung für den Estrich). Die Produktwahl unterscheidet sich auch unter ökologischen Gesichtspunkten in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen.

Zum anderen können die in einer Ökobilanz dargestellten Umweltwirkungen nicht direkt miteinander verglichen werden. Die Entscheidung, ob eine Wirkung auf die Erderwärmung (Treibhauspotential) oder das Ozonloch (Ozonabbaupotential) schwerer zu gewichten ist, ist nicht ohne weiteres möglich. Dementsprechend kann auch keine Umrechnung auf einen einzigen Indikator (z.B. CO₂) durchgeführt werden. Ein Beispiel ist die Verwendung von Holzpellets zur Beheizung von Gebäuden. Da es sich um einen nachwachsenden Rohstoff handelt, ist das Treibhauspotential einer Holzpelletheizung geringer, als das einer Gas- oder Ölheizung. Da die Verbrennung von Holzpellets aber unsauberer und unvollständiger abläuft als die Verbrennung von Erdgas oder Erdöl, haben Holzpelletheizungen ein hohes Versauerungspotential. Eine singuläre Betrachtung oder Darstellung einzelner Wirkungskategorien gibt also keinesfalls Auskunft über die tatsächlichen Umweltwirkungen eines Produkts. Zwar gibt es eine Reihe von Versuchen, Umweltwirkungen auf einen Indikator zu reduzieren, allerdings führt die notwendige Gewichtung der Umweltwirkungen gegeneinander dabei immer zu einer gewissen Unschärfe, die im schlimmsten Fall zu falschen Entscheidungen führen kann. In diesem Zusammenhang ist außerdem zu beachten, dass es eine Reihe von Wirkungskategorien gibt, die aus methodischen Gründen noch nicht oder nur unvollständig in Ökobilanzen abgebildet werden können. Dazu gehören zum Beispiel die Toxizität eines Produkts, der Land- und Wasserverbrauch, der Verbrauch abiotischer Ressourcen (z.B. seltener Metalle) und die Auswirkungen auf die Biodiversität. Da diese Umweltwirkungen aber zweifelsfrei vorhanden sind, sollten sie ebenfalls in die Entscheidungsfindung einbezogen werden, auch wenn sie (noch) nicht quantifizierbar sind.

Die Komplexität der Umweltwirkungen und der daraus resultierende Wunsch nach Vereinfachung der Aussagen führt in der Praxis häufig zu einer Reduktion auf die Themen Primärenergie und CO₂. Dabei kommt es häufig zu verkürzten oder falschen Aussagen wie z.B. der, dass ein Produkt CO₂-neutral sei. Grundsätzlich hat jede menschliche Aktivität Emissionen zur Folge, die auf die eine oder andere Art auf die Umwelt wirken. Eine negative CO₂-Bilanz z.B. von Holzprodukten resultiert aus der Annahme, dass das Holz am Ende des Lebenszyklus verbrannt wird und die freiwerdende Energie genutzt wird. Diese Energie ersetzt dann Energie, die ansonsten aus anderen, zum Teil nicht regenerativen Ressourcen, gewonnen werden müsste. Diese vermiedene Produktion von Energie aus anderen Energieträgern kann dem Holz positiv angerechnet werden und sorgt dann für eine negative CO₂-Bilanz. Dieses Vorgehen ist methodisch richtig, allerdings sollte immer berücksichtigt werden, dass die negative CO₂-Bilanz von Holzprodukten keine Eigenschaft des Holzes ist, sondern sich aus einer rechnerischen Einsparung von Emissionen an anderer Stelle ergibt.

 Ähnliche rechnerische Gutschriften gibt es innerhalb der Ökobilanzmethodik auch für andere Baustoffe und –produkte z.B. das Recyclingpotential von Metallen oder die Gutschrift von regenerativ in einem Gebäude erzeugten Strom. Grundsätzlich hat die Herstellung einer Photovoltaikanlage natürlich verschiedene Umweltwirkungen in Form von Emissionen. Durch die Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie werden aber in der Nutzungsphase die Erzeugung von Strom aus anderen Energiequellen reduziert und so CO₂-Emissionen vermieden, und zwar deutlich mehr als zuvor bei der Herstellung der Anlage emittiert wurden. Dieses methodisch korrekte Vorgehen wird gelegentlich als „Schönrechnen“ von bestimmten Produkten bezeichnet. Diese Kritik ignoriert aber den globalen Ansatz einer Ökobilanz, da die errechneten Einsparungen ja tatsächlich auftreten, wenn auch teilweise außerhalb des untersuchten Produktsystems.

Stand: 30.6.2011

Über den Autor: Dipl.-Ing. Joost Hartwig studierte Architektur an der Technischen Universität Darmstadt. Seit 2007 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen bei Prof. Manfred Hegger an der Technischen Universität Darmstadt. Seine Forschungsschwerpunkte sind Ökobilanzierung und Nachhaltigkeitsbewertung von Gebäuden. Außerdem ist er freier Mitarbeiter bei der HHS Planer + Architekten AG, Kassel. Seit 2008 ist er Auditor für das Nachhaltigkeitszertifizierungssystem der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB). Bei der DGNB ist er außerdem Mitglied der Expertengruppe "Ökobilanzierung" und in der Auditorenausbildung tätig. Im Wintersemester 09/10 hatte er einen Lehrauftrag an der Fachhochschule Erfurt und leitet seit 2010 eine Lehrveranstaltung an der Umea school of architecture, Schweden. Seit 2011 ist er Geschäftsführer der ina Planungsgesellschaft mbH.