Die Ökobilanzierung als Maßstab für nachhaltiges Planen und Bauen
Seit mindestens 15 Jahren gibt es in Deutschland praktische Erfahrungen mit einer Ökobilanzierung im Bauwesen. Aufgrund des steigenden Interesses an einer nachhaltigen Entwicklung nimmt die Bedeutung zu. Nur was messbar ist, kann gemanagt werden: Mit der Ökobilanzierung werden Wirkungen auf die Umwelt durch Produkte über deren Lebenszyklus festgestellt. Das ist dann zum Beispiel Grundlage für den Nachweis der Begrenzung der nicht erneuerbaren Primärenergie und des Treibhauspotenzials für das "Qualitätssiegel Nachhaltiges Gebäude" (QNG) als Fördervoraussetzung. Die Einführung von Grenzwerten ins Ordnungsrecht wird diskutiert.
Jeder kennt das: Mehrwegflaschen für Getränke gelten als umweltfreundlich und Einwegverpackungen nicht. Wie robust ist jedoch diese pauschale Aussage? Schließlich müssen die Mehrwegflaschen viele Male transportiert und gereinigt werden. Andererseits sind schadstoffarm kompostierbare Einwegverpackungen denkbar. Wie kann hier eine konkrete Aussage zur Umweltfreundlichkeit getroffen werden?
Was hilft, ist ein ökobilanzieller Vergleich beider Verpackungssysteme, der den Beitrag beider Produkte über den Lebenszyklus zu Umweltthemen wie Treibhauseffekt oder den Ressourcenverbrauch gegenüberstellt. Damit sind Aussagen zu relativen Umweltwirkungen von Produkten über deren Lebenszyklus möglich, die belastbarer sind als das Bauchgefühl.
Ökobilanzierung
Die Ökobilanzierung (Life Cycle Assessment, LCA) ist eine systematische Analyse des Lebenszyklus eines Produktes und betrachtet alle Prozesse wie Rohstoffgewinnung, Aufbereitung, Herstellung, Nutzung und das Recycling sowie die Entsorgung. Ein Produkt ist hierbei jede Ware oder Dienstleistung. Die methodischen Grundlagen der Ökobilanzierung werden in der DIN EN ISO 14040:2021-02 und der DIN EN ISO 14044:2021-02 beschrieben, die ökobilanzielle Bewertung von Gebäuden in der DIN EN 15978:2012-10.
Der Ablauf einer Ökobilanzierung ist in vier Phasen unterteilt: In Phase 1 werden Ziel und Untersuchungsrahmen bestimmt und die Systemgrenzen, die zu betrachtenden Lebenszyklusphasen sowie die berücksichtigten Umweltprobleme festgelegt. Wichtige Indikatoren zur Abschätzung von Umweltwirkungen sind das Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP), um den relativen Beitrag zum Treibhauseffekt der Erdatmosphäre zu quantifizieren, oder zur Abschätzung des Ressourcenverbrauchs der Bedarf an totaler nicht-erneuerbarer Primärenergie (PENRT).
In Phase 2, der Sachbilanz, werden alle ein- und ausgehenden Stoff- und Energieströme zusammengestellt, inklusive aller (Neben-)Produkte, Abfälle und Emissionen in Luft, Wasser und Boden. In Phase 3, der Wirkungsabschätzung, werden die potenziellen Umweltwirkungen der Stoff- und Energieströme ermittelt, welche über den Lebenszyklus des Produktes zu erwarten sind. In Phase 4 erfolgt die Interpretation der Ergebnisse. Dies beinhaltet eine kritische Überprüfung auf Konsistenz, Vollständigkeit und Unsicherheiten sowie eine Sensitivitätsanalyse.
Ökobilanzen auf Produktebene
Mit Umwelt-Produktdeklarationen (Environmental Product Declaration, EPD) können die potenziellen Umweltwirkungen von Produkten transparent dargestellt und veröffentlicht werden. Basis jeder EPD sind die in einer zugehörigen Ökobilanz ermittelten Ergebnisse.
Die Erstellung einer EPD ist bis dato eine freiwillige Leistung der Hersteller und ihrer Verbände, die unabhängig verifiziert wird. Die DIN EN 15804:2022-03 legt den grundsätzlichen Aufbau von EPDs fest und definiert, welche Umweltwirkungen und Lebenszyklusphasen deklariert werden müssen. Produktkategorieregeln (Product Category Rules, PCR) der EPD-Programmhalter geben für Produktkategorien wie Beton, Stahl oder Holz weitere Richtlinien vor.
Im Gegensatz zu Umweltzeichen wie dem "Blauen Engel" sind EPDs keine Zertifikate. Sie beschreiben die Produkte hinsichtlich ihrer Umweltwirkungen, bewerten sie aber nicht. Eine EPD enthält demnach keine Aussagen, ob das betrachtete Produkt aus ökologischer Sicht gut oder schlecht bzw. besser oder schlechter als vergleichbare Produkte ist. Solche Bewertungen auf Basis ökobilanzieller Vergleiche sind auf Produktebene zwar möglich, Aussagen zur Nachhaltigkeit sollten aber erst auf Bauwerksebene oder zumindest für eine funktionale Einheit getroffen werden. Schließlich zeigt sich der Nutzen der Produkte und deren ökologisches Potenzial erst bei der Anwendung im Gebäude.
Unterschiede zwischen verschiedenen Ökobilanzen
Ökobilanzen und damit auch die deklarierten Umweltindikatoren der EPDs weisen oftmals Unterschiede zwischen vergleichbaren Produkten oder über Ländergrenzen hinweg auf. Von besonderer Relevanz sind Unterschiede in den Prozessen, welche die Umweltwirkungen deutlich beeinflussen können. So gibt es zum Beispiel beim Industriestrom erhebliche Unterschiede, wenn der nationale Energiemix in Frankreich durch Atomstrom dominiert wird, in Polen von Kohlekraftwerken oder in Norwegen durch Wasserkraft.
Bei den Anlagen der Baustoffindustrie gibt es dazu trotz vergleichbarer Produktqualität technologisch oft erhebliche Unterschiede. In Zementwerken beispielsweise kann der technische Standard der Abgasanlagen und der Drehrohröfen entscheidend die Emissionsmengen beeinflussen. Doch selbst wenn die Technologien nahezu identisch sind, kann es durch variierende Gegebenheiten und Wege innerhalb der Werke zu merklichen Abweichungen in der Ökobilanz kommen.
Ökobilanzen auf Gebäudeebene
Der Lebenszyklus eines Gebäudes wird in der DIN EN 15643:2021-12 in fünf Phasen unterteilt, die ihrerseits aus einzelnen Modulen bestehen (Tabelle 1). Die Herstellungsphase beschreibt den für die Herstellung der Bauprodukte erforderlichen Abbau der Rohstoffe (Modul A1), deren Transport zum Herstellwerk (Modul A2) sowie die eigentliche Produktion (Modul A3).
Die Errichtungsphase beinhaltet den Transport der Produkte zur Baustelle (Modul A4) sowie die Errichtung des Gebäudes (Modul A5). In der Nutzungsphase des Gebäudes werden die Aufwendungen für Nutzung, Instandhaltung, Instandsetzung, Austausch und Modernisierung (Module B1–B5) sowie die Verbräuche von Energie (Modul B6) und Wasser (Modul B7) betrachtet. Die Entsorgungsphase beschreibt den Rückbau (Modul C1) sowie die Entsorgung und Aufbereitung (Module C2–C4).
Die nicht zum Gebäude-Lebenszyklus gehörenden Vorteile und Belastungen aufgrund von Wiederverwendung, Recycling und Energierückgewinnung werden in Modul D1 "Recyclingpotenzial" und in Modul D2 "Exportierte erneuerbare Energie" (insbesondere Photovoltaik) beschrieben. Da die eingesparten Belastungen aus Modul D1 in der Regel weit in der Zukunft liegen, wird dieses meist separat ausgewiesen, ist aber gerade für Kreislaufthemen von zunehmender Bedeutung.
Die wichtigsten Baustoffe: Beton, Stahl, Holz
Wichtigster Ausgangsstoff für Beton ist Zement. Beim Brennen der Zementklinker wird nicht erneuerbare Primärenergie eingesetzt, was mit entsprechenden Treibhausgasemissionen verbunden ist und circa ein Drittel der Emissionen verursacht. Der größere Anteil beruht jedoch auf dem chemischen Prozess, wenn aus Kalkstein Kalziumoxid und Kohlendioxid wird.
Die Reduzierung des Klinkeranteils im Zement durch alternative hydraulische Bindemittel wie Hüttensand, Flugasche oder Kalksteinmehl ist hier ein Lösungsweg. Eine weitere Möglichkeit ist Carbon Capture and Storage (CCS, Abscheidung und Speicherung von CO2), wofür es erste Anlagen gibt. Die Nutzung von Abbruchmaterial für R-Beton schont primäre Zuschlagstoffe wie Kies, wirkt sich aber ökobilanziell kaum positiv aus. Maßgebend für Beton ist die Herstellungsphase (Module A1–A3).
Bei Stahl wird zwischen der Primärroute und der Sekundärroute unterschieden. Erstere nutzt im Hochofen Eisenerz und verarbeitet das resultierende Roheisen mit bis zu einem Drittel Kühlschrott zu Stahl. Letztere nutzt im Elektroofen ausschließlich Sekundärmaterial, also Stahlschrott. Bis heute werden Grob- und Feinbleche aus technologischen Gründen in der Regel über die Primärroute hergestellt, während Profilstahl und Bewehrungsstahl in Westeuropa fast ausschließlich über die Sekundärroute produziert werden.
Primärstahl hat in den Modulen A1–A3 deutlich höhere Emissionen, allerdings gibt es bei hohen Sammelraten in Modul D1 wieder entsprechende Gutschriften. Sekundärstahl hat in den Modulen A1–A3 wesentlich geringere Emissionen, in Modul C4 kommen geringe Aufwendungen für die Aufbereitung des Stahlschrotts als Sekundärmaterial dazu. Ein Recyclingpotenzial kann es daher hierbei nicht geben, aber wenn die Rückbau-Sammelrate nicht 100 Prozent beträgt, kommen zusätzliche Belastungen in Modul D1 hinzu.
Holz speichert während des Wachstums biogenen Kohlenstoff und bindet diesen bis zur Verrottung oder energetischen Verwertung. Dies wird in der Herstellungsphase (Module A1–A3) im Indikator GWP als negative CO2-Emissionen berücksichtigt. Darauf beruht die Idee, für den Klimaschutz möglichst viel Holz zu verbauen. Dem steht entgegen, dass nachhaltiges Holz ebenfalls eine begrenzte Ressource ist.
Mit der Abfallbehandlung (Modul C3) wird der biogene Kohlenstoff durch Verrottung oder energetische Verwertung des Holzes wieder freigegeben. Bei Betrachtung des gesamten Lebenszyklus‘ (Module A–C) von Holz ergeben sich somit deutlich geringere ökobilanzielle Vorteile. Die energetische Verwertung oder stoffliche Weiterverwendung von Holz kann aber nachfolgend über das Recyclingpotenzial (Modul D1) wieder erfasst werden.
Ökobilanz und Nachhaltigkeitszertifizierung
Bisher waren sowohl die Ökobilanzierung als auch die Zertifizierung von Gebäuden die Ausnahme und wurden eher als Auszeichnung für Prestigeprojekte wahrgenommen. Mit dem QNG-Siegel als Voraussetzung für die Bundesförderung Effiziente Gebäude (BEG) ändert sich dies. Damit wird auch die Ökobilanzierung allmählich Tagesgeschäft.
Ziel der Nachhaltigkeitsbewertung ist es, Gebäude anhand von Kriterien und Indikatoren hinsichtlich ihrer ökologischen, sozialen und ökonomischen Qualität zu bewerten. Die Ökobilanzierung ist die essenzielle Grundlage zur Bewertung der ökologischen Qualität. Je nach Bewertungssystem müssen entweder Grenzwerte eingehalten werden (QNG) oder es gibt Punkte für das Unterschreiten von Werten (DGNB).
Das QNG ist kein eigenes Gebäudezertifikat, sondern enthält vom Bund festgelegte Kriterien, die ein Gebäude erfüllen muss. Bei der Prüfung und Umsetzung verweist das QNG auf anerkannte Gebäudezertifikate. Beim DGNB 2023 Neubau hat die Ökobilanzierung einen Bewertungsanteil von zehn Prozent mit Indikatoren wie GWP, PENRT und weiteren. Das Recyclingpotenzial (Modul D1) wird separat ausgewiesen. Das Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB) ist grundsätzlich vergleichbar.
Entwurf, Architekturwettbewerb, Variantenvergleich
EPDs oder Datenbanken wie die ÖKOBAUDAT dienen bisher meist der Feststellung des ökobilanziellen Planungsstandes von Gebäuden zur Nachhaltigkeitszertifizierung. Aber Ökobilanzierung muss heute ein integraler Bestandteil von Konzeption, Entwurf und Planung sein. Früh im Projekt sind Kosten wie Umweltindikatoren bekanntermaßen "am nachhaltigsten" zu beeinflussen.
Bei Architekturwettbewerben, also wenn mehr Konzepte denn konkrete Massen vorliegen, sollten die Idee selbst sowie ihr nachhaltiges Gesamtpotenzial ausschlaggebend sein. Eventuell geringe Unterschiede zwischen einzelnen Indikatoren von noch vergleichsweise unsicheren Ökobilanzen, die sind trotzdem wichtig. So sollte gegebenenfalls die Weiternutzung des Bestandes nicht nur architektonisch und ökonomisch, sondern auch ökobilanziell mit Variantenvergleichen geprüft werden.
Der ökologischste Ersatzneubau erzeugt häufig höhere Umweltwirkungen als Ertüchtigung und Modernisierung. Auch hier gilt das Eingangsbeispiel von Mehrwegflasche und Einwegverpackung: Robuste Aussagen zu konkreten Umweltwirkungen sind nicht pauschal möglich.
Bei der Nachhaltigkeitszertifizierung müssen nahezu alle Bauwerksmassen berücksichtigt werden. Dominant ist aber ob seiner schieren Masse oft das Tragwerk. Es ist also zielführend, den Blick in frühen Projektphasen für Variantenvergleiche primär auf dieses zu fokussieren.
Wenn noch kein Geometriemodell vorliegt, können für wichtige Teilstrukturen, wie zum Beispiel Deckensysteme, durch die Verknüpfung von Vordimensionierung und Ökobilanzierung zahlreiche Varianten untersucht werden, zum Beispiel mit dem Structural Web Tool oder Cardinal LCA. Auch KI-basierte Lösungen werden hier bald möglich sein. Später kann das Gebäudemodell genutzt werden.
So können in Rhinoceros 3D Geometriedaten mit einem Rhino Plug-in von One Click LCA direkt mit LCA-Daten verbunden und analysiert werden; über ein Grasshopper Plug-in ist eine parametrische LCA-Optimierung des Tragwerks möglich.
Ökobilanzierung als Entscheidungsgrundlage
Wenn bereits in der Ausschreibung eine Bepreisung für Umweltwirkungen stattfindet, wird sich der Wettbewerb daran orientieren und die besten Lösungen suchen. Bei großen und Prestigeprojekten kommt es dann zuerst zur Unterschreitung der aktuell recht großzügigen Grenzwerte. Damit wird CO2 endlich zur zweiten Währung am Bau.
Das QNG gibt für PLUS bzw. PREMIUM Grenzwerte vor, die für das Bauwerk die Module A1–A3, B4, C3 und C4 sowie für Betrieb und Nutzung das Modul B6 umfassen und durchaus einhaltbar sind. DGNB 2023 Neubau gibt für Bauwerk, Betrieb und Nutzung Werte (Referenz, Ziel, oberes Ziel) zur Erreichung von Punkten vor. Extra Punkte gibt es beispielsweise für die Herstellung mit wenig fossilem GWP (Bild 1).
In der Schweiz enthält die prSIA 390/1:2023-06 Klimapfad – Treibhausgas- und Energiebilanz von Gebäuden bereits getrennte Grenzwerte für Wohnbauten (und weitere Gebäudetypen) für die Erstellung im Neubau bzw. für den Umbau (Bauwerk) sowie für den Betrieb des Neubaus bzw. des Umbaus. Bei Wohnbauten mit Belegungsvorschrift (Sozialer Wohnungsbau) sind die Grenzwerte für den Betrieb großzügiger (Bild 2). Insgesamt liegen die zulässigen Werte deutlich unter dem deutschen QNG-Niveau. In Dänemark wiederum gibt es zwar auch nur Gesamtwerte für Erstellung (Bauwerk) und Betrieb von Neubauten, doch gibt es dort einen klar kommunizierten Absenkungspfad, sodass Planung und Ausführung sich langfristig darauf einstellen können (Bild 3).
Was wir am Ende brauchen, ist eine Mischung aus all dem: verbindliche Grenzwerte im Ordnungsrecht für Neu- und Bestandsbau für verschiedene Bauwerkstypen, eine flexible Differenzierung des Gesamtwertes in Bauwerk und Betrieb einschließlich sozialer Aspekte sowie einen klaren Absenkungspfad. Dann können Ingenieur:innen das tun, was sie am besten können: kreative Lösungen suchen. Die ökobilanzielle Optimierung von Tragwerken wird damit neben der Tragsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit zu einer weiteren Kernaufgabe der Tragwerksplanung.
Ausblick
Nachhaltigkeitszertifizierung, zirkuläres Bauen oder Klimaschutz – alle haben gemeinsam, dass die Ökobilanzierung, und insbesondere das Treibhauspotenzial, ein Leitindikator ist. Auch wenn Ökobilanzen von Umweltwissenschaft und LCA-Expert:innen erstellt werden, hängt am Ende alles konkret mit der nachhaltigen Planung und Ausführung zusammen.
So müssen Ingenieur:innen und Architekt:innen, aber auch Hersteller, Zulieferer und Bauunternehmen die Umweltindikatoren nicht nur anwenden können, sondern deren Bestimmung, Unsicherheiten und Grenzen auch im Grundsatz verstehen. Die Ermittlung und transparente Kommunikation der Ökobilanzierung entlang der gesamten Wertschöpfungskette ist daher eines der wichtigsten Themen auf dem Weg zum nachhaltigen Bauen.
Vor mehr als einem Centennium war die Festigkeitslehre die Grundlage, auf der die empirische Erfahrung der Baumeister durch wissenschaftliche Bemessungsmethoden abgelöst wurde. Dazu kommt nun die Ökobilanzierung als wissenschaftlicher Maßstab für Klimaschutz und Nachhaltigkeit.
Dieser Beitrag ist in gedruckter Form im Jahrbuch INGENIEURBAUKUNST 2024 erschienen. Die Langfassung wurde in der Fachzeitschrift Bautechnik (Ausgabe 1/2024) veröffentlicht.
