Zeitschrift
TEC21 2010|24 2010|24
Recycling-Beton
Baustoffmanagement optimieren
Mithilfe eines Ressourcenmodells wurden die in Gebäuden und Infrastruktur der Stadt Zürich eingebauten Mengen an Baumaterial sowie die Materialflüsse abgeschätzt. In einem zweiten Schritt wurde ermittelt, mit welcher Strategie – verstärkte Sanierungs- oder Ersatzneubauraten – sich das «Bauwerk Stadt Zürich» zukünftig am effizientesten im Hinblick auf Material- und Energieverbrauch gestalten lässt
Das Amt für Hochbauten und das Tiefbauamt der Stadt Zürich streben im Rahmen des Legislaturschwerpunktes «Nachhaltige Stadt Zürich – auf dem Weg zur 2000-Watt-Gesellschaft » eine ressourceneffiziente Bewirtschaftung der mineralischen Baustoffflüsse und -lager an. Dabei wird auch der beabsichtigte energetische Umbau des Gebäudeparks in Richtung 2000-Watt-Gesellschaft berücksichtigt. Das entwickelte Ressourcenmodell zeigt, wie sich die Situation für das «Bauwerk Stadt Zürich» heute darstellt und wie die Entwicklung bis 2050 aussehen könnte.[1,2,3]
Erfassung des Ist-Zustandes
Zur Erfassung des Ausgangszustandes wurden zunächst der bestehende Gebäudepark und die bestehende Infrastruktur analysiert: Zu jedem der 55 000 Gebäude in der Stadt Zürich wurde ein Datensatz mit Angaben zu Gebäudevolumen, Gebäudegeometrie und Bauteildaten angelegt, unterteilt nach Nutzungs- und Altersklassen. Daraus konnten die in den Gebäuden gebundenen Materialmengen berechnet werden. Ein wichtiger Parameter ist dabei die Materialisierung der Gebäude in Abhängigkeit vom Gebäudealter, die eine Abnahme des Mauerwerkanteils zugunsten von Beton zeigt (Abb. 2). Entsprechend wird sich auch die Zusammensetzung des Rückbaumaterials hin zu einem höheren Anteil an Betonabbruch und einem abnehmenden Anteil an Mischabbruch verändern. Die Materialflüsse wurden für das Modell über die Neubau-, Ersatzneubau- und Sanierungsraten ermittelt. Für die Infrastrukturanlagen standen bereits detaillierte Angaben zu den Strassen- und Leitungslängen, zu den entsprechenden Querschnitten sowie zu den Sanierungs- und Erneuerungsraten zur Verfügung.
Die Untersuchung umfasst die mineralischen Baustoffe Beton, Mauerwerk, Kies/Sand, Belag und Restfraktion (Gips, Keramik, Glas). In Abb. 1 sind die Materiallager und -flüsse der Gesteinskörnungen im Beton dargestellt: Der Input in den Gebäudepark ist mit 780 000 t pro Jahr deutlich höher als im Tiefbau (104 000 t/a). Aus dem Gebäudepark fliessen jährlich 276 000 t Rückbaustoffe. Das Lager im Gebäudepark wächst somit jährlich um rund 500 000 t. In der Infrastruktur wird hingegen von einem Fliessgleichgewicht ausgegangen. Insgesamt fallen rund 380 000 t Rückbaumaterial an, wovon 300 000 t wieder als Recyclinggesteinskörnung eingesetzt werden. Allerdings fliessen aufgrund fehlender Einsatzmöglichkeiten nur zwei Drittel davon wieder in die Stadt Zürich zurück. Der Rest muss ausserhalb der Stadt verwertet werden.
Mithilfe des Ressourcenmodells lässt sich einfach ermitteln, wo und wie das System ressourceneffizienter gestaltet werden kann. Würde der Anteil des Recyclingbetons am Betoninput in die Gebäude von derzeit 20 auf 50 % erhöht, liessen sich die heute «exportierten » 95 000 t Betongranulate in der Stadt Zürich verwerten (Abb. 1). Es müssten gar 140 000 t Recyclingbaustoffe von ausserhalb importiert werden bzw. Mischabbruch alsweiterer Recyclingbaustoff eingesetzt werden. Der Bedarf an natürlicher Gesteinskörnung könnte somit um jährlich 234 000 t bzw. um rund 35 % reduziert werden. Um das zu erreichen, sind beispielsweise Fördermassnahmen zum vermehrten Einsatz von Recyclinggesteinskörnung im Konstruktionsbeton sinnvoll.
Langzeitbetrachtung durch Simulationen
Nach der Erfassung des Ist-Zustandes wurde in einem zweiten Schritt ein dynamisches Modell aufgebaut, mit dessen Hilfe sich die Entwicklung bis 2050 abschätzen lässt. Neben den mineralischen Baustofffl üssen wurde in diesem Modell auch die zeitliche Entwicklung der Endenergie (Heizen und Warmwasser) sowie der grauen Energie simuliert (Abb. 3). Dies ermöglicht eine umfassende Beurteilung des Ressourcenbedarfs für den Bau und den Betrieb des Gebäudeparks in der Stadt Zürich. Grundsätzlich kann der Umbau in einen energieeffi zienten Gebäudepark über die Sanierung, den Ersatzneubau oder über die Kombination dieser Szenarien realisiert werden. Ein Ersatzneubau lässt aus energetischer Sicht effi zientere Lösungen zu, ist allerdings deutlich ressourcenintensiver als eine Sanierung.
Auch die Umbaugeschwindigkeit ist von Bedeutung. Das dynamische Modell sollte zeigen, ob sich die energetischen Ziele der Stadt Zürich über den Weg von Sanierung oder Ersatzneubau im betrachteten Zeitraum von 40 Jahren überhaupt erreichen lassen und welche Materialfl üsse damit verbunden sind.auswirkung verschiedener erneuerungsstrategien Kern des dynamischen Modells ist die Beschreibung der Veränderung des Gebäudebestandes von 1995 bis 2050. Das totale Gebäudevolumen wird durch die prognostizierte Entwicklung exogener Faktoren bestimmt: Wohnbevölkerung, Arbeitsplätze und deren spezifischer Flächenbedarf. Daraus lässt sich die jährliche Nachfrage nach Gebäudevolumen ableiten, die durch Neubauten oder Ersatzneubauten gedeckt werden muss. Der Gebäudebestand wächst in der Stadt Zürich bis 2050 in allen Szenarien um rund 40 Mio. m3 auf über 200 Mio. m3.
Um die Auswirkungen unterschiedlicher Erneuerungsstrategien abzubilden, wurden vier Szenarien untersucht. Im Referenzszenario «konstant» werden die Sanierungs- und Rückbauraten über den betrachteten Zeitraum konstant auf dem Ausgangswert (Durchschnitt 2000–2005) belassen. Beim Szenario «sanieren» werden die Sanierungsraten jeweils bis ins Jahr 2050 um die Faktoren 1.5 (Nichtwohnen) bzw. 3 (Wohnen) linear erhöht und für das Szenario «ersetzen» die Rückbauraten, die um etwa eine Grössenordnung tiefer liegen als die Sanierungsraten, um den Faktor 3 (Nichtwohnen) bzw. 4 (Wohnen) linear entwickelt. Im Szenario «kombiniert» steigen sowohl die Sanierungs- als auch die Rückbauraten um die jeweiligen Faktoren. Um die Entwicklung des Energiebedarfs des Gebäudeparks berechnen zu können, wurden ausserdem Annahmen für die Entwicklung des nach einem baulichen Eingriff erreichten Energiestandards getroffen: Die Anteile von Minergie- und Minergie-PGebäuden nehmen mit jedem Jahr zu.
Die Resultate der verschiedenen Szenarien zeigen, dass beim Szenario «ersetzen» die Materialintensität deutlich höher ist als beim Szenario «konstant» (Abb. 3). Während der Rückbaumaterialfluss im Szenario «konstant» beinahe unverändert bleibt, steigt dieser beim Szenario «sanieren» bis 2050 von 0.8 auf 1.1 Mio. Tonnen an. Massiver sind die Auswirkungen bei den Szenarien «ersetzen» und «kombiniert»: Hier ist mit einer annähernden Verdoppelung der Rückbauflüsse auf 1.4 bzw. 1.6 Mio. Tonnen pro Jahr zu rechnen.
Ein materialintensiver Umbau des Gebäudeparks lässt sich somit nur rechtfertigen, wenn dies gleichzeitig zu einer deutlichen Reduktion des Energiebedarfs führt. Dies ist auch tatsächlich der Fall: Im Szenario «kombiniert» kann beispielsweise der Endenergiebedarf pro Person für Raumwärme und Warmwasser auf 40 % des heutigen Bedarfs reduziert werden. Allerdings führt die zusätzliche Reduktion der Endenergie bei den Szenarien «ersetzen» und «kombiniert»zu einer deutlichen Zunahme der grauen Energie. In dieser Hinsicht schneidet das Szenario «sanieren» besser ab.
Die Resultate aus den Modellierungen zeigen, dass wir im Bereich des Baustoffmanagements vor grossen Herausforderungen stehen. Es müssen nicht nur Recyclingkapazitäten und Absatzmöglichkeiten für die ansteigenden Rückbaumaterialflüsse ausgebaut werden, sondern auch neue Lösungen für die Aushubentsorgung gefunden werden (s. Kasten S. 20). Auf diese Entwicklungen müssen wir frühzeitig reagieren und Strategien zu deren Bewirtschaftung entwickeln.
Anmerkungen:
[01] Gugerli, H., Rubli, St.: Ressourcenstrategie Bauwerk Stadt Zürich, Materialflüsse und Energiebedarf bis 2050. Amt für Hochbauten und Tiefbauamt der Stadt Zürich, Zürich, Oktober 2009.
[02] Schneider, M., Rubli, St.: Baustoffmanagement: Entwicklung eines Ressourcenmodells für mineralische Baustoffe für die Stadt Zürich. Umwelt Perspektiven, Illnau, Dezember 2007.
[03] Schneider, M., Rubli, St.: Ressourcenmodell der mineralischen Baustoffe auf der Ebene Stadt Zürich: Dynamische Modellierung 1995–2050. Amt für Hochbauten und Tiefbauamt der Stadt Zürich, 2009.
[04] Schneider M., Rubli St.: Rohstoff- und Aushubflüsse im Kanton Zürich - Ein dynamisches Modell der Materialflüsse für die Jahre 1995–2025. Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kantons Zürich, AWEL, Zürich, 2009.
Weitere Informationen zum Thema Ressourcen sind verfügbar unter www.stadt-zuerich.ch/nachhaltiges-bauen > 2000-Watt-Gesellschaft > Ressourcen
[Stefan Rubli, Dr. sc. techn., dipl. Umweltnaturwissenschafter ETH, Energie- und Ressourcen- Management GmbH, Schlieren
Heinrich Gugerli, Dr. Ing., dipl. Ing. ETH/SIA, Leiter Fachstelle Nachhaltiges Bauen, Amt für Hochbauten der Stadt Zürich
Rolf Wagner, Ressourcenwirtschafter NDS, Amt für Abfall, Energie, Wasser und Luft (AWEL) des Kantons Zürich, Zürich]
Erfassung des Ist-Zustandes
Zur Erfassung des Ausgangszustandes wurden zunächst der bestehende Gebäudepark und die bestehende Infrastruktur analysiert: Zu jedem der 55 000 Gebäude in der Stadt Zürich wurde ein Datensatz mit Angaben zu Gebäudevolumen, Gebäudegeometrie und Bauteildaten angelegt, unterteilt nach Nutzungs- und Altersklassen. Daraus konnten die in den Gebäuden gebundenen Materialmengen berechnet werden. Ein wichtiger Parameter ist dabei die Materialisierung der Gebäude in Abhängigkeit vom Gebäudealter, die eine Abnahme des Mauerwerkanteils zugunsten von Beton zeigt (Abb. 2). Entsprechend wird sich auch die Zusammensetzung des Rückbaumaterials hin zu einem höheren Anteil an Betonabbruch und einem abnehmenden Anteil an Mischabbruch verändern. Die Materialflüsse wurden für das Modell über die Neubau-, Ersatzneubau- und Sanierungsraten ermittelt. Für die Infrastrukturanlagen standen bereits detaillierte Angaben zu den Strassen- und Leitungslängen, zu den entsprechenden Querschnitten sowie zu den Sanierungs- und Erneuerungsraten zur Verfügung.
Die Untersuchung umfasst die mineralischen Baustoffe Beton, Mauerwerk, Kies/Sand, Belag und Restfraktion (Gips, Keramik, Glas). In Abb. 1 sind die Materiallager und -flüsse der Gesteinskörnungen im Beton dargestellt: Der Input in den Gebäudepark ist mit 780 000 t pro Jahr deutlich höher als im Tiefbau (104 000 t/a). Aus dem Gebäudepark fliessen jährlich 276 000 t Rückbaustoffe. Das Lager im Gebäudepark wächst somit jährlich um rund 500 000 t. In der Infrastruktur wird hingegen von einem Fliessgleichgewicht ausgegangen. Insgesamt fallen rund 380 000 t Rückbaumaterial an, wovon 300 000 t wieder als Recyclinggesteinskörnung eingesetzt werden. Allerdings fliessen aufgrund fehlender Einsatzmöglichkeiten nur zwei Drittel davon wieder in die Stadt Zürich zurück. Der Rest muss ausserhalb der Stadt verwertet werden.
Mithilfe des Ressourcenmodells lässt sich einfach ermitteln, wo und wie das System ressourceneffizienter gestaltet werden kann. Würde der Anteil des Recyclingbetons am Betoninput in die Gebäude von derzeit 20 auf 50 % erhöht, liessen sich die heute «exportierten » 95 000 t Betongranulate in der Stadt Zürich verwerten (Abb. 1). Es müssten gar 140 000 t Recyclingbaustoffe von ausserhalb importiert werden bzw. Mischabbruch alsweiterer Recyclingbaustoff eingesetzt werden. Der Bedarf an natürlicher Gesteinskörnung könnte somit um jährlich 234 000 t bzw. um rund 35 % reduziert werden. Um das zu erreichen, sind beispielsweise Fördermassnahmen zum vermehrten Einsatz von Recyclinggesteinskörnung im Konstruktionsbeton sinnvoll.
Langzeitbetrachtung durch Simulationen
Nach der Erfassung des Ist-Zustandes wurde in einem zweiten Schritt ein dynamisches Modell aufgebaut, mit dessen Hilfe sich die Entwicklung bis 2050 abschätzen lässt. Neben den mineralischen Baustofffl üssen wurde in diesem Modell auch die zeitliche Entwicklung der Endenergie (Heizen und Warmwasser) sowie der grauen Energie simuliert (Abb. 3). Dies ermöglicht eine umfassende Beurteilung des Ressourcenbedarfs für den Bau und den Betrieb des Gebäudeparks in der Stadt Zürich. Grundsätzlich kann der Umbau in einen energieeffi zienten Gebäudepark über die Sanierung, den Ersatzneubau oder über die Kombination dieser Szenarien realisiert werden. Ein Ersatzneubau lässt aus energetischer Sicht effi zientere Lösungen zu, ist allerdings deutlich ressourcenintensiver als eine Sanierung.
Auch die Umbaugeschwindigkeit ist von Bedeutung. Das dynamische Modell sollte zeigen, ob sich die energetischen Ziele der Stadt Zürich über den Weg von Sanierung oder Ersatzneubau im betrachteten Zeitraum von 40 Jahren überhaupt erreichen lassen und welche Materialfl üsse damit verbunden sind.auswirkung verschiedener erneuerungsstrategien Kern des dynamischen Modells ist die Beschreibung der Veränderung des Gebäudebestandes von 1995 bis 2050. Das totale Gebäudevolumen wird durch die prognostizierte Entwicklung exogener Faktoren bestimmt: Wohnbevölkerung, Arbeitsplätze und deren spezifischer Flächenbedarf. Daraus lässt sich die jährliche Nachfrage nach Gebäudevolumen ableiten, die durch Neubauten oder Ersatzneubauten gedeckt werden muss. Der Gebäudebestand wächst in der Stadt Zürich bis 2050 in allen Szenarien um rund 40 Mio. m3 auf über 200 Mio. m3.
Um die Auswirkungen unterschiedlicher Erneuerungsstrategien abzubilden, wurden vier Szenarien untersucht. Im Referenzszenario «konstant» werden die Sanierungs- und Rückbauraten über den betrachteten Zeitraum konstant auf dem Ausgangswert (Durchschnitt 2000–2005) belassen. Beim Szenario «sanieren» werden die Sanierungsraten jeweils bis ins Jahr 2050 um die Faktoren 1.5 (Nichtwohnen) bzw. 3 (Wohnen) linear erhöht und für das Szenario «ersetzen» die Rückbauraten, die um etwa eine Grössenordnung tiefer liegen als die Sanierungsraten, um den Faktor 3 (Nichtwohnen) bzw. 4 (Wohnen) linear entwickelt. Im Szenario «kombiniert» steigen sowohl die Sanierungs- als auch die Rückbauraten um die jeweiligen Faktoren. Um die Entwicklung des Energiebedarfs des Gebäudeparks berechnen zu können, wurden ausserdem Annahmen für die Entwicklung des nach einem baulichen Eingriff erreichten Energiestandards getroffen: Die Anteile von Minergie- und Minergie-PGebäuden nehmen mit jedem Jahr zu.
Die Resultate der verschiedenen Szenarien zeigen, dass beim Szenario «ersetzen» die Materialintensität deutlich höher ist als beim Szenario «konstant» (Abb. 3). Während der Rückbaumaterialfluss im Szenario «konstant» beinahe unverändert bleibt, steigt dieser beim Szenario «sanieren» bis 2050 von 0.8 auf 1.1 Mio. Tonnen an. Massiver sind die Auswirkungen bei den Szenarien «ersetzen» und «kombiniert»: Hier ist mit einer annähernden Verdoppelung der Rückbauflüsse auf 1.4 bzw. 1.6 Mio. Tonnen pro Jahr zu rechnen.
Ein materialintensiver Umbau des Gebäudeparks lässt sich somit nur rechtfertigen, wenn dies gleichzeitig zu einer deutlichen Reduktion des Energiebedarfs führt. Dies ist auch tatsächlich der Fall: Im Szenario «kombiniert» kann beispielsweise der Endenergiebedarf pro Person für Raumwärme und Warmwasser auf 40 % des heutigen Bedarfs reduziert werden. Allerdings führt die zusätzliche Reduktion der Endenergie bei den Szenarien «ersetzen» und «kombiniert»zu einer deutlichen Zunahme der grauen Energie. In dieser Hinsicht schneidet das Szenario «sanieren» besser ab.
Die Resultate aus den Modellierungen zeigen, dass wir im Bereich des Baustoffmanagements vor grossen Herausforderungen stehen. Es müssen nicht nur Recyclingkapazitäten und Absatzmöglichkeiten für die ansteigenden Rückbaumaterialflüsse ausgebaut werden, sondern auch neue Lösungen für die Aushubentsorgung gefunden werden (s. Kasten S. 20). Auf diese Entwicklungen müssen wir frühzeitig reagieren und Strategien zu deren Bewirtschaftung entwickeln.
Anmerkungen:
[01] Gugerli, H., Rubli, St.: Ressourcenstrategie Bauwerk Stadt Zürich, Materialflüsse und Energiebedarf bis 2050. Amt für Hochbauten und Tiefbauamt der Stadt Zürich, Zürich, Oktober 2009.
[02] Schneider, M., Rubli, St.: Baustoffmanagement: Entwicklung eines Ressourcenmodells für mineralische Baustoffe für die Stadt Zürich. Umwelt Perspektiven, Illnau, Dezember 2007.
[03] Schneider, M., Rubli, St.: Ressourcenmodell der mineralischen Baustoffe auf der Ebene Stadt Zürich: Dynamische Modellierung 1995–2050. Amt für Hochbauten und Tiefbauamt der Stadt Zürich, 2009.
[04] Schneider M., Rubli St.: Rohstoff- und Aushubflüsse im Kanton Zürich - Ein dynamisches Modell der Materialflüsse für die Jahre 1995–2025. Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kantons Zürich, AWEL, Zürich, 2009.
Weitere Informationen zum Thema Ressourcen sind verfügbar unter www.stadt-zuerich.ch/nachhaltiges-bauen > 2000-Watt-Gesellschaft > Ressourcen
[Stefan Rubli, Dr. sc. techn., dipl. Umweltnaturwissenschafter ETH, Energie- und Ressourcen- Management GmbH, Schlieren
Heinrich Gugerli, Dr. Ing., dipl. Ing. ETH/SIA, Leiter Fachstelle Nachhaltiges Bauen, Amt für Hochbauten der Stadt Zürich
Rolf Wagner, Ressourcenwirtschafter NDS, Amt für Abfall, Energie, Wasser und Luft (AWEL) des Kantons Zürich, Zürich]
Für den Beitrag verantwortlich: TEC21
Ansprechpartner:in für diese Seite: Judit Solt
