Treibhausgasemissionen im Brückenbau – Einsparpotenziale durch schnelles Bauen mit Fertigteilen

Zur Modernisierung der Infrastruktur wurde in Deutschland ein Sondervermögen von 500 Mrd. Euro eingerichtet. Hiervon soll ein großer Anteil in die Sanierung der maroden Straßenverkehrswege sowie der zugehörigen Ingenieurbauwerke investiert werden. Es ist jedoch zu beachten, dass jede Bautätigkeit mit erheblichen Treibhausgas(THG)-Emissionen verbunden ist, die es im Sinne der Nachhaltigkeit drastisch und unverzüglich zu reduzieren gilt. Nach [1] sind fast 50 % der THG-Emissionen in Deutschland Bauwerken und baulichen Anlagen bzw. der damit verbundenen Bautätigkeit zuzurechnen. Hiervon entfallen nach [1] ca. ein Drittel auf Infrastrukturprojekte.

Um in diesem Bereich Ansätze zur Reduzierung der THG-Emissionen zu erarbeiten, wurden am Institut für Bauwesen der HAW Kiel THG-Bilanzierungen an mehreren tausend realen und parametrisierten Infrastrukturmaßnahmen durchgeführt, um

Erfahrungswerte der je Maßnahme zu erwartenden THG-Emissionen zu generieren,

die Haupttreiber der THG-Emissionen zu identifizieren und

Optimierungsvorschläge zu erarbeiten.

Hierbei wurde festgestellt, dass gerade bei Brückenbauwerken, die im Zuge hochfrequentierter Bundesfernstraßen erstellt werden, aus der bauzeitlichen Verkehrsbeeinträchtigung ein hoher Anteil an THG-Emissionen entsteht, der die „grauen“ Emissionen des Brückenbauwerks deutlich übersteigen kann. In diesen Fällen ist es sinnvoll, durch einen hohen Vorfertigungsgrad den Eingriff auf den Verkehrsfluss zu minimieren.

THG-Emissionen von Brückenbauwerken

Zur Beurteilung der „grauen“ THG-Emissionen von Brückenbauwerken wurden am Institut für Bauwesen der HAW Kiel Bilanzierungen an 22 realen und 480 parametrisierten Brücken durchgeführt und zusätzlich 34 in der Literatur dokumentierte Berechnungen in die Auswertung einbezogen. Die Bilanzierungen erfolgten im Rahmen der Sachbilanzphase der Ökobilanzierung gemäß DIN EN ISO 14040 [2] und DIN EN ISO 14044 [3] mit Fokus auf der Quantifizierung des Treibhauspotenzials (GWP), das in Kilogramm CO₂-Äquivalenten (kg CO₂e) angegeben wird.

Die GWP-Werte der einzelnen Baukomponenten, wie Baustoffe und Bauprodukte, wurden modulbezogen gemäß DIN EN 15978-1 [4] über alle Lebenszyklusphasen berechnet und ausgewiesen. Sie ergeben sich aus der Multiplikation der jeweiligen Massen mit den GWP-Einheitswerten aus den zugehörigen Umweltproduktdeklarationen, die angeben, wie viel kg CO₂e pro deklarierter Einheit eines Baustoffs anfallen. Die Gesamtemissionen des Bauwerks werden durch die Aggregation der Emissionen aller Bauteile bestimmt.

Die wesentlichen Ergebnisse der durchgeführten THG-Berechnungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Bei den Brückenbauwerken stellt die Herstellung der Baustoffe (Module A1-A3) mit ca. 80-85 % den zentralen THG-Treiber dar (siehe Abb. 1). Hiervon entfallen fast 80 % der gesamten THG-Emissionen auf die Baustoffe Beton und Stahl (siehe Abb. 2). Im Hinblick auf eine Minimierung der THG-Bilanz kommt daher der Optimierung der Baustoffe eine zentrale Rolle zu. Hierbei sind beim Beton vor allem die Reduzierung des Portlandzementklinkers und beim Stahl die Verarbeitung von Stahlschrott im Elektrolichtbogenofen unter Einsatz regenerativer Energieträger zu nennen. Unter Berücksichtigung des Einbaus auf der Baustelle fallen in der vollständigen Herstellungsphase A (A1-A5) der THG-Bilanz etwa 90 % der gesamten über die Lebensdauer des Bauwerks anfallenden Emissionen an.

Ausgehend von der Vielzahl der durchgeführten THG-Berechnungen wurden Erfahrungswerte abgeleitet, anhand derer die THG-Emissionen in frühen Planungsphasen der Investitionsentscheidung (LPh. 0) oder der Vorplanung (LPh. 2) abgeschätzt werden können. Hiernach werden für eine Straßenbrücke in der Herstellungsphase etwa 1,1 bis 1,3 t CO₂e je m² Brückenfläche aufgewendet. Da vor allem die massiven Betonwiderlager für hohe THG-Emissionen verantwortlich sind, nimmt der THG-Ausstoß je m² Brückenfläche mit abnehmender Bauwerkslänge zu. Die Werte sind vergleichsweise unabhängig von der Bauweise (Stahlbeton bzw. Spannbeton, Stahl oder Stahl-Beton-Verbund). Bei Fuß- und Radwegbrücken ergeben sich in der Herstellungsphase etwa 0,63 bis 1,35 t CO₂e je m² Brückenfläche, wobei die Streuungen wegen der größeren Anzahl an Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Konstruktion höher sind. Für (dauerhaft konstruierte) Fuß- und Radwegbrücken in Holzbauweise oder auch massenmäßig optimierte Stahlbrücken lassen sich auch geringere Werte erzielen. Ergänzend zu den Untersuchungen an Brückenbauwerken wurden auch andere Bauwerke wie Stützwände betrachtet. Hier lassen sich für Höhen bis ca. 3,50 m Werte von ca. 165 kg CO₂e/m² und ab 4,0 m ca. 235 kg CO₂e/m² Ansichtsflächen angeben. Zwischenwerte können interpoliert werden.
Die zusammenfassenden Ergebnisse der Berechnungen sind in der Tabelle 1 zusammengestellt, die vollständigen Untersuchungsergebnisse können [5], [6] entnommen werden.

THG-Emissionen aus bauzeitlicher Verkehrsbeeinträchtigung

Da in vorangegangenen Untersuchungen in [7, 8] bereits aufgezeigt wurde, dass bei Infrastrukturmaßnahmen der THG-Anteil aus bauzeitlichen Verkehrsbeeinträchtigungen nicht vernachlässigbar ist und dieser den THG-Anteil aus der Bauwerksherstellung sogar übersteigen kann, wurden verschiedene Neubau- bzw. Instandsetzungsszenarien simuliert, auf die jeweils unterschiedliche Verkehrsführungen angewendet wurden.

Bei der Berechnung wurde jeweils die stündliche Verkehrsnachfrage anhand geeigneter Tagesganglinien der Richtlinie für Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen an Straßen (RWS) mit der zur Verfügung stehenden Streckenkapazität gemäß RWS [9] unter Berücksichtigung des Schwerverkehrsanteils (SV-Anteil) abgeglichen, wobei bauzeitliche Kapazitätseinschränkungen sowie Geschwindigkeitsreduzierungen berücksichtigt wurden. Im Falle von Überlastungen wurde die Anzahl der im Stau befindlichen Fahrzeuge mithilfe eines deterministischen Warteschlangenmodells ermittelt. Hiermit ist jedem Fahrzeug (sowohl im fließenden als auch im stockenden Verkehr) eine Geschwindigkeit zugeordnet, sodass dann mithilfe des Handbuchs für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs (HBEFA) [10] für jede Fahrzeuggruppe bzw. in Summe die THG-Emissionen ermittelt werden können. Durch Abgleich bzw. Differenzbildung mit der Regelsituation wurden die THG-Emissionen infolge der bauzeitlichen Verkehrsbeeinträchtigung bestimmt.

Die Ergebnisse der Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die THG-Emissionen aus bauzeitlicher Verkehrsbeeinträchtigung sind im Allgemeinen nicht vernachlässigbar. Besonders bei stark frequentierten Bundesfernstraßen mit einem durchschnittlichen Tagesverkehr (DTV) von ca. 70.000 Kfz/24 h (für beide Fahrtrichtungen) oder mehr können diese die Emissionen aus der eigentlichen Bauwerkserstellung in einzelnen Fällen deutlich überschreiten. Abb. 3 links zeigt dieses am Beispiel des Ersatzneubaus einer Straßenbrücke mit dem Regelquerschnitt RQ 36 mit je drei Fahrstreifen pro Fahrrichtung. Hierbei wurden vergleichend ein 30 m langes und ein 100 m langes Bauwerk betrachtet. Für das kurze Bauwerk werden für die Herstellung ca. 1.300 t CO₂e an „grauen“ Emissionen benötigt, für das lange ca. 4.100 t CO₂e. Die verkehrsbedingten Mehremissionen hängen vor allem von der bauzeitlichen Verkehrsführung und der Dauer der Maßnahme ab. Im Rahmen der Berechnung wurde von einer wechselweisen 4+0-Verkehrsführung über eine Baustellenlänge von 1 km ausgegangen, wobei für das 30 m lange Brückenbauwerk eine Bauzeit von 54 Wochen und für das 100 m lange Bauwerk eine Dauer von 117 Wochen angesetzt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass Verkehrsbelastungen bis zu etwa 70.000 Kfz/24 h durch die 4+0-Verkehrsführung noch leistungsfähig abgewickelt werden können. Bei höheren Verkehrsstärken treten jedoch mehrstündige Stauereignisse auf (siehe Abb. 3 rechts). Die daraus resultierenden THG-Mehremissionen überschreiten die „grauen“ Emissionen aus der Bauwerkserstellung bereits nach kurzer Zeit signifikant. Das dargestellte Beispiel ist auf andere Situationen übertragbar.

Die wesentlichen Emissionstreiber sind demzufolge Stausituationen sowie zusätzliche Fahrwege infolge von Umleitungen. Demgegenüber ergeben sich die geringsten THG-Mehremissionen, wenn während der Bauzeit die Anzahl der Fahrstreifen weitestgehend aufrechterhalten bleibt. Abb. 4 zeigt dieses am Beispiel einer Autobahnbrücke mit dem Regelquerschnitt RQ 36, was im Regelbetrieb einer 3+3-Verkehrsführung entspricht. Als bauzeitliche Verkehrsbeeinträchtigung wurden (jeweils bezogen auf eine Woche) folgende Szenarien untersucht:

eine 4+0- bzw. 5+0 (a)-Verkehrsführung (vier bzw. fünf Behelfsfahrstreifen auf einer Richtungsfahrbahn mit Überleitung von zwei Fahrstreifen),

eine 5+0 (b)-Verkehrsführung (fünf Behelfsfahrstreifen auf einer Richtungsfahrbahn mit Überleitung von drei Fahrstreifen) sowie

eine 5+1-Verkehrsführung (fünf Behelfsfahrstreifen auf einer Richtungsfahrbahn, ein Behelfsfahrstreifen auf eingeschränkter Fahrbahn).

Die Ergebnisse in Abb. 4 zeigen, dass die 4+0-Verkehrsführung aufgrund der massiven Kapazitätseinschränkung, die mehrstündige Staus verursacht, bei den verkehrsbedingten CO₂-Emissionen dominiert. Im Gegensatz dazu verläuft die Kurve bei der 5+1-Verkehrsführung ziemlich flach und steigt erkennbar erst ab einem DTV von 100.000 Kfz/24 h an. Zusammenfassend lässt sich festhalten: Je weniger Fahrstreifen während der Bauzeit zur Verfügung stehen, desto höher fallen die verkehrsbedingten THG-Mehremissionen aus.

Ist die zur Verfügung stehende Nutzbreite zu gering, können hier Zusatzmaßnahmen wie eine Behelfsbrücke oder – bei kleineren Straßenquerschnitten bzw. geringeren Verkehrsstärken z. B. im Zuge von Landstraßen – eine Lichtsignalanlage zielführend sein. Neue Streckenabschnitte sollten bereits im Hinblick auf die THG-Emissionen mit einer ausreichenden Fahrbahnbreite geplant werden, sodass bei Baumaßnahmen die Fahrbahn halbseitig gesperrt und alle Fahrstreifen über die nutzbare Hälfte geführt oder auf die Gegenfahrbahn übergeleitet werden können.

Um die THG-Emissionen zu reduzieren, ist es daher sinnvoll, den Eingriff auf den Verkehrsfluss auf ein Minimum zu reduzieren. Hierbei bietet es sich z. B. an, Bauweisen, die üblicherweise bei Bahnbrücken angewendet werden, auf Straßenbrücken zu übertragen. Idealerweise werden die Widerlager so weit von der Straße abgerückt, dass hier maximal ein Fahrstreifen gesperrt werden muss. Für den Überbau bietet sich das Einheben vorgefertigter Bauteile an (siehe Abb. 5) und den Verkehr für eine kurze nächtliche Sperrzeit von ca. 2-3 h entsprechend umzuleiten. Hingewiesen sei auch auf die innovativen Ideen zum Brückenschnellbau von Echterhoff [8]; hier wurde ein modulares Bausystem entwickelt mit der Zielsetzung, die Bauzeit und die damit einhergehende bauzeitliche Verkehrsbeeinträchtigung zu minimieren. Der Brückenüberbau wird hierbei oft neben der eigentlichen Position vorgefertigt und anschließend in die Endlage verschoben.