Konkrete, projektbezogene Ökobilanzen als ­Planungs- und Entscheidungsinstrument

Spezifische, auf das konkrete Bauprojekt bezogene Ökobilanzen von Bauprodukten ermöglichen zukünftig über IBU-EPDs die Optimierung der Gebäude-Ökobilanz in der Planungsphase. Die Erstellung von digitalen projektbezogenen Ökobilanzen für Betonbauteile von Holcim ist ein Meilenstein in der integralen Planung von nachhaltigen Gebäuden gemäß EU-Taxonomie.

1 Die Bedeutung von Gebäude-Ökobilanzen

Die europäischen und deutschen Klimaschutzziele sehen bis 2050 bzw. 2045 die Klimaneutralität vor. Der Gebäudesektor ist einer der großen Treibhausgasemittenten (THG) und daher im Fokus der Politik bei den Bemühungen zur CO₂eq-Minderung. Dementsprechend weisen die Vorgaben des Green Deal der EU und des Klimaschutzgesetzes in Deutschland dem Gebäudesektor eine entscheidende Rolle zu. Mit dem Qualitätssiegel Nachhaltiges Bauen (QNG) wird erstmals die Gebäudeförderung an Treibhausgas-Höchstgrenzen gebunden. Für öffentliche Gebäude bestehen über das Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB) des Bundes schon seit Längerem Vorgaben in Bezug auf die THG. Immer deutlicher wird, dass über die EU-Taxonomie und die damit verbundenen Vorgaben für die Immobilienwirtschaft die Vorgaben der freiwilligen Gebäude-Bewertungssysteme zum Standard werden.

Gebäudekonzeption und -entwurf werden damit die wesentlichen Faktoren zur Optimierung der Umweltrelevanz. Ökobilanzen werden somit von statistischen, retrospektiv eingesetzten Elementen zum aktiven Planungselement. Entscheidungen wie

• Neubau oder alternativ Abriss/Neubau vs. Ertüchtigung/Umbau,
• Wahl des Gebäudetragwerks wie Mauerwerk, Holz, Stahl­beton, Holz-Hybrid etc.,
• Wahl von Konstruktionselementen wie Fassade, Dach, Deckensysteme etc.

sind primär für die ökologische Gebäudebewertung maßgebend.

2 Spezifische Daten werden zukünftige Ökobilanzen prägen

Dabei wird sich der Fokus von Gebäude-Ökobilanzen zunehmend auf die Baukonstruktion verschieben. Durch die stetige Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden und den zunehmenden Einsatz erneuerbarer Energien ist der Pfad für die THG-Minimierung des Gebäudebetriebs vorgegeben. Weit weniger geläufig sind die Optionen für die Minderung der sog. grauen Gebäude­emissionen, insbesondere durch Herstellung, Wartung/Reparatur/Pflege und Abbruch/Wiederverwendung der Bausubstanz (Bild 1).

Das fehlende Wissen liegt zum einen an der mangelnden Erfahrung – die energetische Optimierung von Gebäuden hat gegenüber der (CO₂-)Materialoptimierung einen Wissensvorsprung von über 40 Jahren (Anm.: Die Erste Wärmeschutzverordnung wurde am 11. August 1977 erlassen). Zum anderen ist die Materie wegen der Vielzahl unterschiedlicher Bauprodukte höchst komplex, die Datenbasis lückenhaft und letztendlich fehlt auch die Erfahrung im Umgang mit diesen Daten.

In der frühen Entwurfsphase kann die Komplexität reduziert werden, indem zunächst nur die Konstruktionselemente und Materialgruppen betrachtet werden, die eine Gebäude-Ökobilanz dominieren (Bild 2). Je nach Gebäudetyp sind das

• Untergeschoss,
• aufgehende Tragstrukturen,
• Fassade und Dach sowie
• vier bis fünf Materialgruppen:
  • Beton & mineralische Baustoffe,
  • Stahl,
  • Holz (bei Holzkonstruktionen),
  • Wärmedämmung,
  • Aluminium (bei Fassade).

Die wesentlichen Optimierungsmöglichkeiten für Materialien sind:

• weniger bauen und Flächenbedarf reduzieren, um Baumaterialien einzusparen,
• anders bauen, z. B. durch den Einsatz von CO₂-sparenden Bauweisen, insbesondere in der Gebäudestruktur,
• Materialien optimieren – CO₂-Optimierung innerhalb der Materialgruppen.

Alle drei Optimierungsszenarien ergänzen sich gegenseitig und können miteinander kombiniert werden. Damit müssen Planer:innen bereits in der frühen Entwurfsphase wissen, mit welchen Bandbreiten von CO₂-Werten sie je Optimierungsszenario rechnen können, und zwar für Bauweisen und Baumaterialien. Aber die CO₂-Optimierungspotenziale durch die Bauweise (Gebäudestruktur) sowie durch die Materialoptimierung innerhalb einer Materialgruppe (z.B. Beton) können sich derart überlagern und gegenseitig beeinflussen, dass eine schrittweise Optimierung – erst Bauweise, dann Baumaterial – nicht möglich ist. Diese Komplexität lässt sich auch in der frühen Entwurfsphase nicht auflösen, und damit bekommt die dem konkreten Bauprodukt zugrunde liegende Datenqualität und -aktualität eine zentrale Bedeutung.

3 EPDs sind die Datengrundlage für Gebäude-Ökobilanzen

Mit der zunehmenden Bedeutung von konkreten, auf das indi­viduelle Gebäude bezogenen, ökologischen Daten rückt die ­Datengrundlage in den Fokus, denn bisher sind für Produkte/­Produktgruppen vorwiegend generische Daten, Branchendurchschnittsdaten oder Herstellerdurchschnittsdaten verfügbar. Dementsprechend sind die Ergebnisse der Ökobilanzen unscharf. Im Grunde reicht die Datengrundlage nur zur Abschätzung verschiedener Tragwerksoptionen, weil insbesondere die Optimierungen innerhalb der Materialgruppen/Bauelemente auf Grundlage generischer bzw. Durchschnittsdaten kaum möglich sind.

Damit fehlt Planer:innen eine wesentliche Entscheidungsgrundlage für die Gebäudeoptimierung: Welchen Hebel hat ein CO₂-optimiertes Produkt bzw. Material in der Gesamt-Ökobilanz? Teilweise sind die Einsparmöglichkeiten so signifikant, dass sie Entscheidungen über das Gebäudetragwerk beeinflussen können.

Es ist absehbar, dass in Zukunft produktspezifische Daten für die Optimierung der Ökobilanz auf Gebäudeebene erforderlich sind.

3.1 Beispiel Beton

Besonders wichtig ist diese Differenzierung innerhalb der Materialgruppe Zement und Beton. Beton hat in der Ökobilanz eines typischen Hochbaus einen Anteil von 30 % bis 40 % der grauen Emissionen, v.a. durch die Anwendung in der Tragstruktur und in Untergeschossen. Die erheblichen Potenziale von CO₂-optimiertem Beton können nur über produktgenaue CO₂-Berechnungen dargestellt werden.

Dazu werden Betonrezepturen dynamisch an die spezifischen Projektanforderungen, Kundenwünsche und auch an die verfügbaren Rohstoffe angepasst: Es gibt nicht den einen Zement, sondern sehr unterschiedliche Zementsorten, die sich in ihrem Klinkerfaktor und damit dem CO₂-Fußabdruck massiv unterscheiden. Genauso wenig gibt es einen Beton einer bestimmten Druckfestigkeit. Vielmehr können die verfügbaren Betonrezepturen individuell innerhalb der normativen Vorgaben angepasst werden, ebenfalls mit entsprechend dynamischen Auswirkungen auf deren CO₂-Fußabdruck.

Schließlich gibt es Unterschiede bei den einzelnen Betonwerken: Beton wird lokal und aus lokal verfügbaren Rohstoffen hergestellt. Die verschiedenen Rohstoffe und auch die spezifischen Transportdistanzen führen dazu, dass der CO₂-Fußabdruck von Betonen derselben Eigenschaften von Werk zu Werk variieren kann.

Insgesamt bilden die in führenden Datenbanken wie IBU-Data oder ÖKOBAUDAT verfügbaren generischen oder durchschnittlichen Datensätze die erhebliche Bandbreite der CO₂-Fußabdrücke verschiedener Betonsorten nicht ab, sodass eine Gebäude-Ökobilanz auf Grundlage dieser Daten nur zu stark vereinfachten Ergebnissen kommen kann.

Auch hier sind produktspezifische Daten die naheliegende Lösung. Letztendlich sind produktspezifische Umweltproduktdeklarationen (engl. Environmental Product Declaration, EPD) für Beton erforderlich, um auch in den frühen Entwurfsphasen eine valide CO₂-Optimierung auf Gebäudeebene abschätzen zu können.

Eine Umweltproduktdeklaration (EPD) ist ein standardisiertes Dokument, das transparente und vergleichbare Informationen über die Umweltleistung eines Produkts liefert. Im Fall von Beton werden EPDs auf Grundlage der Europäischen Norm EN 15804+A2 und der spezifischen Richtlinien der Product Category Rule (PCR) des jeweiligen EPD-Programmbetreibers erstellt. EPDs liefern verlässliche und bei Beachtung der funktionalen Einheit vergleichbare Informationen über die Umweltauswirkungen von Betonprodukten über ihren gesamten Lebenszyklus.

3.2 Herausforderung dynamische Produktoptimierung

Für Beton ist die oben beschriebene dynamische Rezepturoptimierung eine Herausforderung für die Erstellung von EPDs. Die herkömmliche Vorgehensweise, mit einer einmal ermittelten Datengrundlage und starren Rechenmodellen Produkt-Ökobilanzen zu erstellen und verifizieren zu lassen, stößt hier an ihre Grenzen. Die mögliche Vielzahl von Betonrezepturen erfordert einen automatisierten und integrierten Prozess von den Datengrundlagen über die Ökobilanzierung bis zur Verifizierung und Übermittlung an den EPD-Programmbetreiber.

4 Ablauf am Beispiel produkt- und projektspezifische EPDs für Zement und Beton

In einem Pilotprojekt hat Holcim die automatisierte EPD-Generierung in enger Zusammenarbeit mit dem IBU Institut für Bauen und Umwelt e.V. und Climate Earth Inc. aufgebaut.

Das Projekt bestand aus zwei sehr ähnlichen Blöcken jeweils für Zement und Beton. Dabei bildeten die Zement-EPDs die Grundlage für die nachfolgenden Beton-EPDs.

Jeder Block gliederte sich in die nachfolgend dargestellten Arbeitsschritte.

4.1 Definition des Geltungsbereichs

Der Geltungsbereich von Zement- und Beton-EPDs wird in der IBU PCR genau definiert. Zudem konnten bereits vorhandene Durchschnitts-EPDs für einen einheitlichen Scope herangezogen werden. Damit waren Produktdefinition und die abzubildenden Lebenszyklusphasen vorgegeben (Bild 3).

4.2 Entwurf des LCA-Modells

Gemeinsam mit Climate Earth und dem IBU wurde ein erster Prototyp der Ökobilanz entworfen. Auf dieser Grundlage wurden die erforderlichen Daten (z.B. Rohstoffe, Energiebedarfe, Transportdistanzen), die jeweiligen Funktionseinheiten (z.B. Volumen, Gewicht, Festigkeiten) und auch erste Rechenregeln für die Datenerfassung und -verarbeitung festgelegt. Dazu mussten die Datenschnittstellen zwischen den Holcim-Zement- und Betondaten und dem von Climate Earth zu entwickelnden Rechentool definiert werden.

4.3 Datenerfassung

Die Datenerfassung wurde für sämtliche Produktionsschritte dezidiert durchgeführt. Dabei wurde das Hauptaugenmerk auf eine standardisierte Erfassung gelegt. Ziel war eine einheitliche Datenerfassung, die bei regelmäßigen Updates oder z.B. für neu zu erfassende Werke gleichermaßen anwendbar ist.

Der Prozess der Datenerfassung wurde iterativ durchgeführt und der Daten-Upload regelmäßig auch über die folgenden Projektphasen – insbesondere während der Ökobilanzierung und Tool-Entwicklung – immer wieder getestet.

4.4 Ökobilanzierung (LCA)

Vor der eigentlichen Tool-Entwicklung wurden jeweils für Zement und Beton die LCA-Rohmodelle entwickelt. Diese wurden eng mit dem vom IBU bestellten Independent Verifier abgestimmt. Neben der eigentlichen Modellierung der Ökobilanz wurden bereits in diesem Stadium die Verlässlichkeit der Daten und die Dateneingabe durch die Nutzer des EPD-Generators geklärt und festgelegt.

Gleichzeitig wurden die Hintergrundberichte zu den EPDs entwickelt und zwischen allen Projektbeteiligten als Vorlage für die spätere Implementierung in den EPD-Generator abgestimmt.

4.5 Entwicklung des EPD-Generators

Der EPD-Generator wurde zunächst für Zement entwickelt als Grundlage für die darauf aufbauenden EPDs für Beton. Während die spätere Entwicklung des Beton-EPD-Generators auf Erfahrungen mit EPDs in den USA zurückgreifen konnte (www.buildingtransparency.org), war der Zement-EPD-Generator auch für Climate Earth Neuland. Das Zementdatenmodell wurde von Grund auf neu in der Climate-Earth-Software aufgebaut und die einzelnen Schritte der Zementherstellung modelliert (Bild 4). Grundlage bildeten neben den ISO-Standards die EN 15804 sowie die PCR Zement des IBU. Vereinzelt wurden Vorprodukte mit der GaBi-Software von Sphera Solutions GmbH berechnet und in das Modell integriert.

Auch der Beton-EPD-Generator war in weiten Teilen eine Neuentwicklung trotz der umfangreichen Vorarbeiten in den USA (Bild 5). Grund dafür waren die sehr unterschiedlichen europäischen Betonklassifizierungen und -normen, teilweise abweichende Herstellungsprozesse und auch nicht kompatible Hintergrunddaten, sodass die direkte Übertragung der LCA-Modelle nicht möglich war.

Der Beton-EPD-Generator ist in der Lage, sowohl produktspezifische EPDs als auch projektspezifische EPDs zu produzieren.

Produktspezifische EPDs sind EPDs für typische Betonsorten bestimmter Eigenschaften, die exemplarisch auf Grundlage von produkt- und werkspezifischen Daten berechnet werden.

Projektspezifische EPDs werden für Bauprojekte individuell angelegt. Ziel ist hier, gemeinsam mit Kunden Betonrezepturen in Bezug auf Performance und CO₂-Fußabdruck zu optimieren. Die dazugehörigen EPDs werden für das konkrete Projekt unter Berücksichtigung der individuellen Transportdistanz erstellt und zur Verfügung gestellt.

4.6 Verifizierung der EPD-Generatoren

Die Verifizierung der EPD-Generatoren durch den vom IBU bestellten Independent Verifier fand fortlaufend und iterativ statt. Der Verifizierer Matthias Schulz von Schulz Sustainability Consult­ing wurde bereits in die ersten Entwürfe für den EPD-Generator eingebunden. Zunächst wurden auf Grundlage der abgestimmten Hintergrunddaten und Rechenmodelle manuell erstellte EPDs verifiziert, die dann Grundlage für die Programmierung der EPD-Generatoren waren.

Die EPD-Generatoren und ihre Funktionsweisen von der Dateneingabe bis zur Erstellung der EPDs wurden dem Verifizierer vollständig offengelegt.

4.7 IBU-Schnittstelle

Für die nahtlose automatische Erstellung von Zement- und Beton-EPDs wurden verschiedene Schnittstellen zum Climate-Earth-EPD-Generator programmiert. Die Schnittstellen koordinierten die Informationsflüsse upstream zu den Holcim-Materialmanagementsystemen und downstream zum EPD-Programme-Operator IBU.

Dabei musste die IBU-Schnittstelle sowohl den Transfer der EPD-Dokumente (pdf-Files) als auch der digitalen EPD-Files im ILCD+EPD-Format leisten. Beide Dokumenttypen werden im EPD-Generator automatisch erstellt und über die sog. API an das IBU und IBU-Data übertragen.

Der Prozess bedient zwei öffentlich verfügbare Datenbanken: die klassische IBU-Data für die produktspezifischen EPDs sowie ein neuer Bereich derselben Datenbank für projektspezifische EPDs. Diese Aufteilung wurde gewählt, um in der Produktdatenbank eine gewisse Übersichtlichkeit zu gewährleisten und um zu vermeiden, dass produkt- und projektspezifische EPDs versehentlich verwechselt werden.

Die EPDs (Bild 6) werden nach der Veröffentlichung in den IBU-Datenbanken an die ÖKOBAUDAT weitergeleitet. Nach einer zusätzlichen Konformitätsprüfung werden die EPD-Datensätze – sofern sie die ÖKOBAUDAT-Kriterien erfüllen – dort ebenfalls in digitaler Form veröffentlicht. Dies gilt zunächst für die produktspezifischen EPDs.

5 Digitalisierung

Entscheidend für die Umsetzung im Planungsprozess ist die Verfügbarkeit bzw. Verknüpfung der aktuellen ökobilanziellen Daten mit den Entwurfs- bzw. Konstruktionselementen. Eine ökobilanzielle Gebäudeoptimierung ist nur über eine integrale Planung mit digitalen Datensätzen möglich. Die Bereitstellung der projektspezifischen EPDs erfolgt daher konsequenterweise im neuen EPD-Fomat ILCD+EPD des IBU. Damit können über entsprechende Schnittstellen die ökologischen Daten in externe Planungs- und Berechnungssoftware entsprechend der BIM-Philosophie übertragen werden. Voraussetzung waren ein europaweit einheitliches Datenformat, einheitliche Schnittstellen und ein identisches Übertragungsprotokoll. Dazu wurde von den in Europa etablierten EPD-Programmen die sog. InData-Gruppe gebildet, deren Sekretariat beim BBSR, dem Herausgeber der ÖKOBAUDAT, liegt (Bild 7).

6 Resümee

Planer:innen haben für ein wesentliches Material in einer Gebäude-Ökobilanz – nämlich Beton – die Möglichkeit, über Realtime-EPDs die CO₂-Optimierungsoptionen eines Gebäudeentwurfs und der konstruktiven Planung durch individuelle Maßnahmen zu testen und fortlaufend zu verbessern. Damit wird erstmals eine integrale Entwurfsoptimierung möglich, die sowohl die CO₂-Bilanz der grundsätzlichen Bauweisen, wie z. B. Beton, Holz, Stahl, als auch die Optimierungspotenziale innerhalb von Materialgruppen einbezieht. Eine fundierte Entscheidung zur Gebäudekon­struktion muss diese beiden Optimierungsansätze bereits in den ersten Planungsphasen berücksichtigen (Bild 8).

Auch bei der DGNB-Zertifizierung und den Ökobilanzierungen in anderen führenden Green Building Labels sind die produktspezifischen EPDs unmittelbar einsetzbar und verhelfen dort über die eigentliche CO₂-Optimierung hinaus zu verbesserten Zertifizierungsergebnissen.

Dabei soll die Möglichkeit von projektspezifischen EPDs eine neue – im wahrsten Sinne des Wortes – konstruktive Zusammenarbeit aller Projektpartner fördern und fordern, vom Bauherren über Planer:innen und die Bauausführung bis zu Materialherstellern, und damit ein erneutes Ringen um die besten CO₂-optimierten Lösungen.

Die Automatisierung der EPD-Herstellung für Zement und Beton ist eine Grundvoraussetzung für diesen dynamischen Optimierungsprozess. Nur wenn Unternehmen wie der Zement- und Betonhersteller Holcim für jedes Produkt und jeden Produktionsstandort spezifische Daten liefern, können Gebäude-Ökobilanzen dynamisch verbessert werden.

Das Pilotprojekt zur Automatisierung von Zement- und Beton-EPDs war ein erster Schritt. Es erforderte eine enge Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten über einen langen Zeitraum: Hersteller, EPD-Programme-Operator, EPD-Verifizierer sowie IT- und LCA-Experten.

In Zukunft müssen viele neue Lösungen zur CO₂-Optimierung gefunden und weiterentwickelt werden, sei es im Entwurf, in der Gebäudestruktur oder in innovativen Materialien und Materialkombinationen. In jedem Fall ist die Material- und Produkttransparenz, wie sie EPDs bieten, eine unabdingbare Voraussetzung für alle nächsten Schritte auf dem Weg zur Dekarbonisierung des Gebäudesektors.

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Autor:innen

Hans Peters, peters@ibu-epd.com
Institut Bauen und Umwelt e. V., Berlin
www.ibu-epd.com

Michael Scharpf, michael.scharpf@holcim.com
Holcim Deutschland, Mainz
www.holcim.com