Nachhaltigkeit von Stahlstrukturen zur Gewinnung Erneuerbarer Energien Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner Jörn Berg M.Sc. Anna Gorbachov M.Sc. Institut für Metall- und Leichtbau, Universität Duisburg-Essen Deutscher Stahlbautag 2012 18. Oktober 2012, Aachen Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien · 2012. 11. 5. · Deutscher Stahlbautag 2012 Prof. N. Stranghöner, J. Berg, A. Gorbachov Nachhaltige Stahlkonstruktionen
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Nachhaltigkeit von Stahlstrukturen zur Gewinnung Erneuerbarer Energien Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner Jörn Berg M.Sc. Anna Gorbachov M.Sc. Institut für Metall- und Leichtbau, Universität Duisburg-Essen
Deutscher Stahlbautag 2012 18. Oktober 2012, Aachen
Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Deutscher Stahlbautag 2012 Prof. N. Stranghöner, J. Berg, A. Gorbachov
Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Inhalt 2
Projektvorstellung „NaStafEE“
Überblick und Bedarf Erneuerbare Energien
Biogasanlagen
Methoden zur Nachhaltigkeitsbewertung
Bewertungskriterien
Ökobilanzierung
Zusammenfassung / Ausblick
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Vorstellung
Forschungsprojekt: Nachhaltige Stahlkonstruktionen für
Erneuerbare Energien (NaStafEE) Laufzeit: Mai 2010-Oktober 2012
Forschungsziel:
Methodenentwicklung und
Leitfadenerstellung für die Bewertung der
Nachhaltigkeit stählerner Konstruktionen
für Erneuerbare Energien
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Projektförderung
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung „Otto von Guericke“ e.V. (AiF)
Deutscher Ausschuß für Stahlbau e.V. (DASt) Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA)
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Projektbeteiligte
Institut für Stahlbau Leibniz Universität Hannover Prof. Dr.-Ing. P. Schaumann Dipl.-Ing. Anne Bechtel
Institut für Metall- und Leichtbau Universität Duisburg-Essen Prof. Dr.-Ing. habil. N. Stranghöner Jörn Berg M.Sc. Anna Gorbachov M.Sc.
Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft Ruhr-Universität Bochum
Prof. Dr.-Ing. H.-J. Wagner Dipl.-Ing. Christoph Baack
Dipl.-Ing. Jessica Lohmann
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Großes Potential bei Erhöhung des Stahlanteils bei Biogasanlagen
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Biogasanlagen – Rolle bei EE 20
Wichtige Säule bei der künftigen Energieversorgung
Möglichkeit der bedarfsgerechten Stromerzeugung - Beitrag zur Netzentlastung - Glättung der Last und Erzeugungsspitzen - Verbesserung der fluktuierenden Stromerzeugung aus Wind und Fotovoltaik
Biogasenergie ⇒ speicherbar und grundlastfähig
Energetische Unabhängigkeit durch Eigenversorgung mit Bioenergie
Heute: ca. 3% am gesamtdeutschen Stromverbrauch Zukünftig: ?
Quelle: BMELV 2012
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Verstromung direkt am Anlagenstandort mittels BHKW
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Vermeidung von Methanemissionen aus offener Güllelagerung
⇒ geringere CO2-Vermeidungskosten
Derzeitige Energiekonzepte generieren Arbeitsplätze und Erhöhung der
Wertschöpfung in ländlichen Regionen
Quelle: BMELV 2012
EEG 2012 Sondervergütungsklasse für
75kW Anlagen (Gülle)
Biogas-anlagen
Aufbereitung des Biogases zur Biomethan
⇒ Einspeisung ins Erdgasnetz
Großes Wärmepotential ⇒ noch nicht erschöpft
Biogasanlagen – Rolle bei EE
Motor für Klein- und Mittelstand
im ländlichen Raum
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Lebenszyklusbetrachtung nach DIN EN 15978
Lebenszyklus der Anlage
Herstellung Vormaterial (Phase A1-A3)
Errichtung / Fertigung
(Phase A4-A7)
Ende des Lebenszyklus
(Phase C)
Nutzung / Instandhaltung
(Phase B)
Transport
Fertigung
Rohstoffe
Transport
Herstellung
Ersatz
Erneuerung
Reparatur
Instandhaltung
Nutzung Rückbau
Transport
Recycling
Entsorgung Wiege
zum Tor
Wiege zur Bahre
Transport
Errichtung
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Gutschriften / Belastungen
(Phase D)
Wieder- verwertung
Rück- gewinnung
Recycling
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Nachhaltigkeitskriterien 31
(Treibhauspotential) (kumulierter Energieaufwand)
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Nachhaltigkeitskriterien für EE
Soziokultur (7)
Prozess (6)
Technik (5)
Ökonomie (3)
Ökologie (14)
Erfassung und Bewertung von ca. 200 möglichen Nachhaltigkeitskriterien ⇒ Auswahl von 35 Kriterien
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Nachhaltigkeitskriterien – Ökologie
Nr. Kriterium Relevante Lebenszyklusphasen
Ökologie U1 Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U2 Gesamtprimärenergiebedarf und Anteil erneuerbarer Primärenergie
Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U3 Abiotischer Ressourcenbedarf sowie Herkunft und Versorgungssicherheit von Rohstoffen
Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U4 Wasserbedarf Herstellung Errichtung Nutzung Ende U5 Treibhauspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U6 Ozonschichtabbaupotential Herstellung Errichtung
U7 Photochemisches Oxidantienbildungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U8 Versauerungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U9 Eutrophierungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U10 Feinstäube Herstellung Errichtung Ende
U11 Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt
Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U12 Lärmbelästigung Herstellung Errichtung Ende U13 Recyclingpotential von Stahl Herstellung Ende U14 Abfallaufkommen Herstellung Errichtung Nutzung Ende
Öko
bila
nzie
rung
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Nachhaltigkeitskriterien – Ökonomie/Soziologie
Nr. Kriterium Relevante Lebenszyklusphasen
Ökonomie Ö1 Lebenszykluskosten Planung Herstellung Errichtung Nutzung Ende
Ö2 Aufwendungen für Forschung und Entwicklung
Herstellung Errichtung
Ö3 Beschäftigungseffekte Herstellung Errichtung
Soziologie / Gesellschaft S1 Arbeitssicherheit / Unfallhäufigkeit Errichtung
S2 Anteil an Auszubildenden Errichtung
S3 Qualifikationsindex Errichtung
S4 Weiterbildungsmaßnahmen Errichtung
S5 Mitarbeiterfluktuation Errichtung
S6 Familienfreundlichkeit Errichtung
S7 Soziales Engagement Errichtung Unt
erne
hmen
sbez
ogen
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Energy intensity [WS2011] Energieverbrauch [BMU2009a] Energy resources [Hir2007]
Gesamtenergieverbrauch [EMAS2010] Ressourcen [Wal2001] Energy use [Vel2001]
Primary energy consumption [Var2009] Eingesetzte Energiemenge [DIN2000]
Im DGNB/BNB-Katalog enthalten ja
Produktbezogen ja
Unternehmensbezogen ja
Einheit MJ Primärenergie-Äquivalent
Kurzbeschreibung und Methodik: Erfasst werden unter diesem Kriterium fossile (endliche) Energieträger, die während des Lebenszyklus des betrachteten Produktsystems eingesetzt werden. Darunter fallen insbesondere die Energieträger Steinkohle, Braunkohle, (Erd-)Gas, Rohölerzeugnisse und Uran. Werden Endenergieträger wie z. B. Strom bilanziert, werden diese primärenergetisch bewertet, indem der Energieaufwand entlang ihrer gesamten Bereitstellungskette berücksichtigt wird. So können alle Beiträge abschließend zu MJ Primärenergieäquivalenten zusammengefasst und der Gesamtbedarf an fossilen energetischen Ressourcen erfasst werden. Anwendung des Kriteriums:
Das Kriterium ist in der Regel obligatorischer Bestandteil von Ökobilanzen, Nachhaltigkeitsbewertungssystemen im Gebäudebereich (z. B. DGNB, BNB) sowie in Nachhaltigkeitsberichterstattungen. Nachhaltigkeitsrelevanz des Kriteriums in Bezug auf:
Stahl allgemein +++
Erneuerbare Energien ++
Stählerne Konstruktionen für EE +++
Im DGNB/BNB-Katalog enthalten ja
Produktbezogen ja
Unternehmensbezogen ja
Einheit MJ Primärenergie-Äquivalent
Kurzbeschreibung und Methodik: Erfasst werden unter diesem Kriterium fossile (endliche) Energieträger, die während des Lebenszyklus des betrachteten Produktsystems eingesetzt werden. Darunter fallen insbesondere die Energieträger Steinkohle, Braunkohle, (Erd-)Gas, Rohölerzeugnisse und Uran. Werden Endenergieträger wie z. B. Strom bilanziert, werden diese primärenergetisch bewertet, indem der Energieaufwand entlang ihrer gesamten Bereitstellungskette berücksichtigt wird. So können alle Beiträge abschließend zu MJ Primärenergieäquivalenten zusammengefasst und der Gesamtbedarf an fossilen energetischen Ressourcen erfasst werden. Anwendung des Kriteriums:
Das Kriterium ist in der Regel obligatorischer Bestandteil von Ökobilanzen, Nachhaltigkeitsbewertungssystemen im Gebäudebereich (z. B. DGNB, BNB) sowie in Nachhaltigkeitsberichterstattungen. Nachhaltigkeitsrelevanz des Kriteriums in Bezug auf:
Stahl allgemein +++
Erneuerbare Energien ++
Stählerne Konstruktionen für EE +++
Ein Steckbrief pro Kriterium
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Bewertungsmethodik 37
Anwendungstool auf Excel-Basis
Vorführender
Präsentationsnotizen
Bewertungsmethodik: - bei qualitativen Kriterien wird eine Vergleichspunktzahl (max. 10 Checklistenpunkte) ermittelt, - bei quantitativen Kriterien wird ein absoluter Wert nur informativ ermittelt und im Vergleich mit anderen Konstruktionsweisen dargestellt -> mit dem Bewertungskatalog ist ein Vergleich von verschiedenen Konstruktionen (Variantenvergleich) möglich -> soll als Entscheidungsgrundlage /-hilfe dienen -> kein finaler Wert der Nachhaltigkeit wie z. B. bei DGNB -> keine Wichtung von Kriterien oder Kategorien, weil wir keine Referenzwerte zur Verfügung haben und diese auch nicht im Rahmen des Projekts ermitteln können -> Bauwerke (DGNB) haben EnEV
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Ökobilanzierung – Baustahlfermenter 38
Systemparameter Werkstoff: S235 und S355J2+N Durchmesser: 13,9 m Höhe: 14,0 m Volumen: ~ 2000 m3
Wandstärke: 5 bis 6 mm Stahlmasse: ~ 35 t Baustahl Lebensdauer: 20 Jahre Korrosionsschutzsystem: Beschichtung auf EP Basis
Schachtbau Nordhausen
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-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
Phase A1 – A3 Phase A4-A7 Phase B Phase C Phase D
PE n.erneuerbarPE erneuerbar
PE Gesamt
ADP
GWP
AP
EP
ODP
POCP
WB
AE
200%
220%
Ökobilanzierung – Ergebnisse 39
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0
0
0
1
1
1
Baustahl -Ökobau.dat
Baustahl - EPDBauforum Stahl
U1 PEn. erneuerbar
[MJ] U2a PEGesamt
[MJ]
U2b PEerneuerbar
[MJ]
U4 WB[kg]
U3 ADP
[kg SB-Äq]
U14AE
[kg]
U13b SV[%]
U13a PSA[%]
U11 RGU[kg]
U9 EP
[kg PO4-Äq]
U8AP
[kg SO2-Äq]U7POCP
[kg C2H4-Äq]
U5 GWP
[kg CO2-Äq]
U6ODP
[kg R11-Äq]
Ökobilanzierung – Ergebnisse 40
Einfluss verschiedener Datenbanken
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Zusammenfassung / Ausblick
Zunahme des Anteils Erneuerbarer Energien an der Gesamtenergieversorgung
Ausbaupotential für Biogasanlagen in Deutschland vorhanden
Bedarf an Stahlbehältern für Biogasanlagen
Bewertungsmethode für die Nachhaltigkeit von Stahlstrukturen für EE
Herstellungsphase entscheidend für die ökologische Bilanz
Entscheidungshilfe im Planungsprozess unter Einbeziehung von Nachhaltigkeitsaspekten
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Vorführender
Präsentationsnotizen
Alle Folgenden Folien sind für Rückfragen in der Diskussion.