Bewertung energe-und umwelttechnischer Systeme 2018 … · Bei der Ökobilanz von Produkten ist das Ziel meist ein Vergleich zwischen verschiedenen Alternati-ven. Bei der Systemgrenze

Bewertung von umwelttechnischen Systemen

1 Grundbegriffe für die Bewertung umwelttechnisch er Systeme

1.1 Nachhaltigkeit

Nachhaltig ist eine Entwicklung, „die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohnedie Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigenund ihren Lebensstil zu wählen.“ (Brundtland)

1.2 Treibhausgase (THG, greenhouse gases)

sind strahlungsbeeinflussende gasförmige Stoffe in der Luft, die zum Treibhauseffekt beitragen. ImKyoto-Protokoll reglementiert: Kohlendioxid (CO2, dient als Referenzwert), Methan (CH4), Distick-stoffoxid (Lachgas, N2O), teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW/HFC), perfluorierteKohlenwasserstoffe (FKW/PFC), Schwefelhexafluorid (SF6), Stickstofftrifluorid (NF3). Dazu: fluo-rierte Treibhausgase (F-Gase), die wegen der hohen Verweildauer ein hohes Treibhauspotenzialbesitzen. Das (relative) Treibhauspotential (Global warming potential, greenhouse warming potenti-al GWP, CO2-Äquivalent) ist eine Maßzahl, die angibt, wie viel das Treibhausgas im Vergleich zurMenge CO2 zur globalen Erwärmung beiträgt.

1.3 Primärenergie

ist in der Energiewirtschaft die Energie, die mit den ursprünglich vorkommenden Energieformenoder Energiequellen zur Verfügung steht, etwa als Brennstoff (z. B. Kohle oder Erdgas), aber auchals Energieträger wie Sonne, Wind oder Kernbrennstoffe.

1.4 Sekundärenergie

ist Energie in Energieträgern, die nicht direkt der Natur entnommen, sondern künstlich hergestelltoder wesentlich verändert wurden. Beispiele: Aus der Primärenergie Wasserkraft wird elektrischeEnergie als Sekundärenergie erzeugt. Aus der Primärenergiequelle Erdöl werden Sekundärener-gieträger wie Benzin und Heizöl hergestellt.

1.5 Endenergie

ist die Energieform, die beim Endverbraucher ankommt. Sie kann entweder als Primär- oder Se-kundärenergie vorliegen.

1.6 Energieamortisation (Energierücklaufzeit, En ergy Payback)

wird angegeben bei der regenerativen Energieerzeugung. Innerhalb der energetischen Amortisati-onszeit erzeugt die Anlage soviel Energie, wie für die Herstellung der Anlage benötigt wurde. Dabeiwird auch der für eine spätere Entsorgung benötigte Energieaufwand berücksichtigt.

1.7 Ökologischer Fußabdruck (Ecological Footprin t)

ist die Fläche auf der Erde, die notwendig ist, um den Lebensstil und Lebensstandard eines Men-schen dauerhaft zu ermöglichen. Das schließt Flächen ein, die zur Produktion oder zur Bereitstel-lung von Energie benötigt werden, aber auch zur Entsorgung von Müll oder zum Binden des durchmenschliche Aktivitäten freigesetzten Kohlenstoffdioxids. Die Werte werden in Globalen Hektar proPerson und Jahr angegeben.

1.8 Ökobilanz, Lebenszyklusanalyse (Life Cycle A ssessment LCA)

Bei der Erstellung von Ökobilanzen sind vor allem zwei Grundsätze zu befolgen:

Medienübergreifende Betrachtung: Alle relevanten potenziellen Schadwirkungen auf die Umwelt-medien Boden, Luft, Wasser sind zu berücksichtigen.

Bewertung_energe-und_umwelttechnischer_Systeme_2018_Loesung.odt Seite 1Otto Bubbers

Technisches GymnasiumProfil Umwelttechnik


Stoffstromintegrierte Betrachtung: Alle Stoffströme, die mit dem betrachteten System verbundensind (Rohstoffeinsätze und Emissionen aus Vor- und Entsorgungsprozessen, aus der Energieer-zeugung, aus Transporten und anderen Prozessen) sind zu berücksichtigen.

Die Ökobilanz umfasst die Bereiche Rohstoffgewinnung, Herstellung, Verarbeitung, Transport, Ge-brauch, Nachnutzung, Abfall (kommunale Abfallbeseitigung), Abwässerreinigung, Entsorgung.

1.9 Untersuchungsrahmen und Systemgrenzen

Es muss zuerst festgelegt werden, wofür die Ökobilanz verwendet werden soll. Die Systemgrenzelegt fest, welche Prozesse in die Untersuchungen einbezogen bzw. welche davon ausgeschlossensind.

Bsp. CO2-Bilanz einer Tasse Kaffee: Welche Arten der Kaffeeherstellung werden verglichen? Wer-den neben der Erzeugung der Kaffeebohnen auch die Herstellung der Kaffeemaschine und die Ar-beitsbedingungen bei der Herstellung berücksichtigt?

1.10 Lebenszyklen

Cradle to Grave (von der Wiege bis zur Bahre)

Cradle to Cradle (C2C, von der Wiege bis zur Wiege)

Ein ökoeffektives Produkt, das entweder als biologischer Nährstoff in biologische Kreisläufe zu-rückgeführt werden kann oder als „technischer Nährstoff“ kontinuierlich in technischen Kreisläufengehalten wird, erfüllt die C2C-Anforderung.

Well to wheel (WTW, wörtlich: „vom Bohrloch bis zum Rad“) ist die gesamte Wirkkette für die Fort-bewegung von der Gewinnung und Bereitstellung der Antriebsenergie bis zur Umwandlung in kine-tische Energie. Teilbereiche Well-to-Tank (Energiebereitstellung) und Tank-to-Wheel (Fahrzeugwir-kungsgrad).




2 Ökobilanz, Lebenszyklusanalyse ( Life Cycle Assessment LCA )

2.1 Was ist eine Ökobilanz?

• Die Ökobilanz ist ein Werkzeug zur Abschätzung der mit einem Produkt verbundenen Umwelt-einwirkungen.

• Die Ökobilanz berücksichtigt den ganzen Lebenszyklus eines Produkts von der Wiege bis zurBahre (from Cradle to Grave). Sie heißt deshalb auch Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Analysis,LCA).

• Die Ökobilanz vergleicht die Produkte anhand ihres erbrachten Nutzens (z. B. nicht 1 kg Verpa-ckung, sondern 1 Stück Verpackung mit bestimmtem Fassungsvolumen)

• Beim Treffen von Entscheidungen müssen jedoch immer auch wirtschaftliche, soziale und tech-nische Gesichtspunkte berücksichtigt werden.

• Ökobilanzen liefern keine Entscheide, aber Entscheidungsgrundlagen.

• Die Ökobilanz ist eine standardisierte Methode und liefert quantitative Ergebnisse.

2.2 Zieldefinition und Systemgrenze

Bei der Ökobilanz von Produkten ist das Ziel meist ein Vergleich zwischen verschiedenen Alternati-ven. Bei der Systemgrenze ist es wichtig, dass der ganze Lebenszyklus des Produkts berücksich-tigt wird (from Cradle to Grave = von der Wiege bis zur Bahre). Sie wird deshalb auch Lebenszy-klus-Analyse (LCA = Life Cycle Analysis) genannt. Zur Übersicht hilft ein Prozessbaum:



Transport

Zwischen allen Phasen. Kann je nach Distanz eine wichtige Rolle spielen. Wird manchmal vernachlässigt.

Rohstoffbereitstellung

Die Extraktion, Förderung und Bereitstellung von Rohstoffen ist oft energieaufwändig.

Metallminen verursachen oft schwere Gewässerverschmutzung.

Beispiele: Aluminium, Erze. Erdöl

Fabrikation

Der Produktionsprozess erfolgt oft

in mehreren Verarbeitungsstufen. Am Schluss folgt meist ein Verpackungsprozess. Diese verschiedenen Stufen müssen alle

berücksichtigt werden.

Benützung

Diese Phase dominiert oft bei

Produkten, die bei der Benützung Energie verbrauchen.

Beispiele: Elektrogeräte, Heizung, Autos, Lifte, Beleuchtung

Entsorgung

Die Entsorgung gehört auch zum

Lebenszyklus. Die Recyclingquote und die Emissionen bei der Verbrennung haben oft einen

grossen Einfluss auf die Umweltbelastung.

INPUTS Benötigte Energie und andere Hilfsprodukte

OUTPUTSEmissionen, Abgase Nebenprodukte

Abb 2.1: Prozessbaum, Quelle: Adrian Lüthi: Ökobilanz, ETH Zürich, www.ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/dual/educeth-dam/documents/Unterrichtsmaterialien/geographie/Umweltlehre/Oekobilanz-vortrag-und-lektion/1-lektion-oekobilanz-mit-deckblatt.pdf

Transport

Zwischen allen Phasen. Kann je nach Distanz eine wichtige Rolle spielen. Wird manchmal vernachlässigt.

Rohstoffbereitstellung

Die Extraktion, Förderung und

Bereitstellung von Rohstoffen ist oft energieaufwändig. Metallminen verursachen oft

schwere Gewässerverschmutzung.

Beispiele: Aluminium, Erze. Erdöl

Fabrikation

Der Produktionsprozess erfolgt oft in mehreren Verarbeitungsstufen. Am Schluss folgt meist ein Verpackungsprozess. Diese verschiedenen Stufen müssen alle berücksichtigt werden.

Benützung

Diese Phase dominiert oft bei

Produkten, die bei der Benützung Energie verbrauchen.

Beispiele: Elektrogeräte, Heizung, Autos, Lifte, Beleuchtung

Entsorgung

Die Entsorgung gehört auch zum Lebenszyklus. Die Recyclingquote und die Emissionen bei der Verbrennung haben oft einen

grossen Einfluss auf die Umweltbelastung.

INPUTS Benötigte Energie und andere Hilfsprodukte

OUTPUTSEmissionen, Abgase Nebenprodukte


2.3 Sachbilanz

Die Emissionen an Luft, Wasser und Boden sowie die Ressourcenverbräuche des Produktswerden in der Sachbilanz zusammengefasst. Dort ist zum Beispiel der gesamte CO2-Austoss andie Luft aufgelistet oder die Nitratemissionen ins Wasser. Zur Ermittlung dieser Daten kann eineZusammenarbeit mit anderen Betriebsteilen (Buchhaltung, Einkauf) nützlich sein!

2.4 Wirkungsabschätzung

Die Emissionen und Ressourcenverbräuche der Sachbilanz liefern Berge von Zahlen. Welchekonkreten Auswirkungen auf die Umwelt bewirken diese? Zunächst werden die Emissionen ei-nem Umweltproblem zugeordnet (z. B. Ozonloch). Anschliessend wird zusammengefasst, welcheSchutzgüter davon betroffen sind (z. B. menschliche Gesundheit). Zuletzt können diese Daten fa-kultativ noch zu einer einzigen Zahl (Umweltbelastungspunkte UBP) zusammengefasst werden.

2.5 Interpretation

Die Resultate von Ökobilanzen müssen kritisch hinterfragt werden. Ist die Datenqualität ausrei-chend? Welche Prozesse sind umweltrelevant? Wo liegt das größte Verbesserungspotential? Wel-che weiteren Abklärungen sind nötig? Ökobilanzen liefern oft überraschende Ergebnisse!



2. Sachbilanz 3. Wirkungsanalyse und Bewertung

CO2

NOX

FCKW

Russ

Erdöl

…

…

Atemwege

Krebs

Ozonloch

Ionisierende Strahlung

Energieverbrauch

Toxizität

Landverbrauch

Saurer Regen

Überdüngung

Treibhauseffekt

MineralienverbrauchRessourcen

Klima

Natürliche Ökosysteme

Menschliche Gesundheit

Sachbilanz Wirkungsabschätzung

Abb. 2.2: Sachbilanz und Wirkungsabschätzung, Quelle: Adrian Lüthi: Ökobilanz, ETH Zürich, www.ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/dual/educeth-dam/documents/Unterrichtsmaterialien/geographie/Um-weltlehre/Oekobilanz-vortrag-und-lektion/1-lektion-oekobilanz-mit-deckblatt.pdf

ß


2.6 Eine mögliche Ökobilanz ist die CO 2-Bilanz

Vom Anbau bis zur Zubereitung: Die Treibhausgas-Bil anz einer Tasse Kaffee

Für eine Tasse Kaffee werden Treibhausgase von 18,9 g CO2-Äquivalenten emittiert – dies ent-spricht in etwa einer 100 m langen Autofahrt. Übers Jahr gerechnet ergeben sich bei 149 L Kaffee22,5 kg CO2-Äq. oder eine Fahrstrecke von circa 130 km. Bei der Zubereitung einer starken TasseKaffee steigt der Beitrag zur Treibhausgasbilanz um fast 20 Prozent. Wenn der starke Kaffee auchwarmgehalten wird, nimmt der Treibhausgasausstoß sogar um weitere 48 Prozent zu, auf einenGesamtwert von 27,93 g CO2-Äq. Die Benutzung einer Thermoskanne ist also überaus sinnvoll.Der Austausch der Kaffeemaschine nach drei statt fünf Jahren führt hingegen nur zu einem zusätz-lichen Beitrag von etwa 1 Prozent auf die Treibhausgasbilanz

* Die wichtigen Treibhausgas-Emissionen sind Kohlestoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas(N2O). Ihre unterschiedlichen Treibhauspotentiale werden regelmäßig vom Intergovernmental Pa-nel of Climate Change überprüft und gemäß international vereinbarter Faktoren in CO2-Äquivalen-ten angegeben. (Derzeit: 1 kg CO2 = 1 kg CO2-Äq., 1 kg CH4 = 28 kg CO2-Äq., 1 kg N2O = 265 kg CO2-Äq).



Anbau der Kaffee-pflanzen, Ernte der Kaffeekirschen und Aufbereitung zu Bohnen

10.000 km Schiffstransport der Kaffeebohnen Kaffeerösterei Kaffeepulver

Zubereitung7 g Kaffeepulver pro Tasse

Portion Kaffee

TREIBHAUSGASEMISSIONEN DES LEBENSWEGES

EINER TASSE KAFFEE UND VERSCHIEDENER VARIANTEN

LEBENSWEG EINER TASSE KAFFEE

Trei

bhau

sgas

emis

sion

en

[g C

O2-

Äq.]

Strom(Erzeugungs-mix 2010 in Deutschland)

EntsorgungKaffeesatz

EntsorgungElektroschrott

Ohne Berücksichtigung von Filter und Wasser und weiterer vor- oder nachgelagerter Prozesse

Herstellung und Transport der Kaffeemaschine(5 J. Lebensdauer)

25

20

15

10

5

0Tasse Kaffee

(7 g Kaffeepulver)Starker Kaffee

(10 g Kaffeepulver)Warmgehaltener Kaffee(8 min , 100 Wh elek.)

Tasse Kaffee aus Kaffee-maschine mit 3 J. Lebensdauer

18,84 g CO2-Äq.

22,6 g CO2-Äq.

24,17 g CO2-Äq.

19,11 g CO2-Äq.

100 m Fahrtmit 1,4 l VW Golf VI

Abb. 2.3: Treibhausgasbilanz einer Tasse KaffeeQuelle: Buchgeister, Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse, Karlsruher Institut für Technologie


2.7 Ökobilanz eines T-Shirts (CO 2 und virtuelles Wasser)

Abb. 2.4: Quelle: TextilWirtschaft Das Jahr Perspektiven 2008/Unterrichtseinheit zur Transportbilanz:www.bmvit.gv.at/verkehr/elektromobilitaet/ausbildung/unterrichtsmaterial/innovativ/i5.pdf




Aufgaben

• Beschreiben Sie kurz die Rahmenbedingungen der Ökobilanz des T-Shirts.

• Stellen Sie die genannten Zahlenwerte für CO2-Emissionen und Wasserverbrauch anschaulichdar.

• Bewerten Sie die Ergebnisse, auch im Hinblick auf Produktion bzw. Nutzung des T-Shirts.

• Nennen Sie mögliche Maßnahmen zur Senkung der Umweltbelastung.

• Recherchieren Sie den Herstellungsverlauf vom Feld bis zum Shop.

• Recherchieren Sie soziale und wirtschaftliche Vorteile des Anbaus von Bio-Baumwolle.

Begriffsdefinitionen (Brundtland)

• Effizienz : richtet sich auf eine ergiebigere Nutzung von Materie und Energie, also auf Ressour-cenproduktivität.

• Konsistenz : richtet sich auf naturverträgliche Technologien, welche die Stoffe und die Leistun-gen der Ökosysteme nutzen ohne sie zu zerstören.

• Suffizienz : richtet sich auf einen geringeren Ressourcenverbrauch durch eine Verringerung derNachfrage nach Gütern.

Aufgaben

• Erläutern Sie das Schaubild „Dimensionen und Strategien der Nachhaltigkeit“ am Beispiel desAnbaus von Bio-Baumwolle.

• Erklären Sie die Begriffe Effizienz, Konsistenz und Suffizienz am Beispiel der T-Shirt-Herstel-lung.



Effizienz Konsistenz

Suffizienz

Nachhaltigkeit

Ökologische ZieleErhaltung der Naturfunktionen,

Kreislaufgerechtigkeit

Ökonomische ZieleSicherung angemessener

Bedürfnisbefriedigung, Beschäftigung

Soziale Zieleintra- und intergenerative

Gerechtigkeit

Dimensionen und Strategien der Nachhaltigkeit

Nach Bernd Siebenhüner, Homo sustinens, Marburg 2001, S.78

Abb. 2.5: Nachhaltigkeit


2.8 Recyclebare T-Shirts: Diskussion zweier Mein ungen

Im Folgenden werden Auszüge aus Vermarktungsstrategien der Firmen Trigema und C&A der Ein-schätzung des BUND (Bund für Umwelt- und Naturschutz Deutschland) gegenüber gestellt.

Cradle to Cradle (C2C): Ökologische Kleidung von TR IGEMA

(Quelle: TRIGEMA Burladingen: www.trigema.de/nachhaltigkeit/cradle-to-cradle/, 16.11.2017,11:47h)

TRIGEMA Change® ist Teil einer neuen Strategie hin zur gesunden und umweltfreundlichen Be-kleidung: Ökologische Kleidung aus 100 Prozent BIO-Baumwolle optimiert nach Cradle to Cradle®– von der Wiege zur Wiege. Alle Cradle to Cradle® zertifizierte TRIGEMA Change Kleidung wur-den in Zusammenarbeit mit dem internationalen Umweltinstitut EPEA für den biologischen Kreis-lauf optimiert.

Das Cradle to Cradle® Prinzip

(Quelle: www.trigema.de/nachhaltigkeit/cradle-to-cradle/)

Das Cradle to Cradle-Konzept ist angelehnt an das System der Natur. Es basiert auf geschlosse-nen Kreisläufen, die keine Abfälle erzeugen und wertvolle Rohstoffe für uns und zukünftige Gene-rationen erhalten.Das bedeutet wir haben Kleidung entwickelt die:

• kreislauffähig ist

• Ressourcen nicht ver- sondern gebrauchen

• zu 100 Prozent aus förderlichen, unkritischen Substanzen bestehen

• von besonders hoher Qualität sind

• nie zu Abfall werden

• auch in der Herstellung keine unverwertbaren oder giftigen Substanzen erzeugen

• deren Inhaltsstoffe für Hautkontakt konzipiert sind

• deren Materialien ökologisch erzeugt werden

• deren eingesetzte Ressourcen sich am Lebensende des Produkts wieder in einen Nährstoff-kreislauf einfügen

Cradle to Cradle Certified™*

(Quelle: C&A Mode GmbH & Co. KG Düsseldorf www.c-and-a.com/de/de/corporate/company/nachhaltigkeit/c2c/ , 16.11.2017, 11:50h)

Designed to be recycled. Biologisch. Verantwortungsvoll. Umweltbewusst.

Die C2C-zertifizierten Produkte von C&A werden im Einklang mit der Natur gefertigt. Sie sind her-gestellt aus natürlichen, biologischen Stoffen und dazu bestimmt, wiederverwendet, zu neuen Pro-dukten recycelt oder sicher kompostiert zu werden. Dieser Ansatz beim Produktdesign bedeutet auch, dass Bio-Baumwollbauern ihre Pflanzen ohnegefährliche, die Umwelt belastende Düngemittel und Pestizide anbauen können und die am Pro-duktionsprozess beteiligten Menschen keinen bedenklichen Chemikalien ausgesetzt sind. Durchdie Verwendung erneuerbarer Energien, den Ausgleich des CO2-Ausstoßes und die Reinigung undWiederverwendung des im Herstellungsprozess genutzten Wassers unterstützen Produkte mitC2C-Zertifizierung darüber hinaus die Gesundheit der Ökosysteme und Gemeinden an ihrem Her-stellungsort sowie die Gesundheit unserer Umwelt, in der wir Menschen leben.




Was ist das Cradle to Cradle Certified™-Programm?

(Quelle: www.c-and-a.com/de/de/corporate/company/nachhaltigkeit/c2c/)

Der Produktstandard Cradle to Cradle Certified™ ist ein Qualitätssiegel, das von der Non-Profit-Organisation Cradle to Cradle Products Innovation Institute koordiniert wird und Produkte auf wis-senschaftlicher Basis hinsichtlich mehrerer Herstellungsebenen und -eigenschaften bewertet. DasC2C Certified™-Programm bewertet Produkte in fünf separaten Kategorien: Materialauswahl, Wie-derverwertung, erneuerbare Energien und Kohlenstoffmanagement, verantwortungsvoller Umgangmit Wasser und soziale Gerechtigkeit.

Im Rahmen des C2C Certified™-Programms können fünf Zertifizierungsstufen erreicht werden:BASIC, BRONZE, SILVER, GOLD, PLATINUM.

Artikel: Kleider für den Kompost?

(Quelle: BUNDmagazin [4-17], S. 8. www.bund.net/fileadmin/user_upload_bund/publikationen/bund/bundmagazin/bund_bundmagazin_4_2017.pdf)

C&A hat ein kompostierbares T-Shirt auf den Markt gebracht. Für gerade einmal sieben Euro ver-spricht das Unternehmen das „nachhaltigste T-Shirt der Welt“ – was mehr als fragwürdig ist. Dennein kompostierbares T-Shirt führt an den Notwendigkeiten für nachhaltig und sozial verträglich pro-duzierte Textilien komplett vorbei. Kleidungsstücke sollten grundsätzlich haltbar und langlebig sein.Kompostierbare Kleider aber verleiten dazu, aufwendig hergestelltes Rohmaterial nur kurz zu nut-zen. Was alles andere als nachhaltig ist. Der BUND hinterfragt auch das Prädikat „Cradle to Crad-le“, mit der C&A seine Kollektion schmückt: Demnach verbleiben die Textilien vollständig im Stoff-kreislauf. Doch ist ein Produkt darum automatisch nachhaltig? Nein. Für den BUND ist die wich-tigste Eigenschaft eines nachhaltigen Produkts, dass es lange genutzt werden kann. Nur so lassensich effektiv Ressourcen sparen. Ein T-Shirt, das vielleicht schon nach einem Monat in der(Bio-)Tonne landet, ist keinesfalls ein gutes Produkt. Verwerten statt kompostieren. Im Übrigenkönnen auch ganz normale T-Shirts zu neuen Textilien verarbeitet werden. Sinnvoller also, als Klei-der auf den Kompost zu werfen, ist es, sie gezielt zu sammeln oder zurückzunehmen. Auch des-halb, weil kompostierbare und nicht kompostierbare Kleider im Bioabfall bislang gar nicht getrenntwerden können. Ob es gelingt, angeblich kompostierbare T-Shirts auf dem eigenen Kompost um-zusetzen, ist durchaus fraglich. Unser Fazit: Kompostmode ist gänzlich ungeeignet, um uns einemverantwortungsbewussten und ressourcenschonenden Konsum näherzubringen.

Aufgaben

• Stellen Sie wesentlichen Aussagen der Hersteller und des BUND einander gegenüber.

• Entwerfen Sie Kriterien zur Bewertung und führen Sie eine Bewertung durch.




2.9 Ökobilanz eines Stuhls

Die österreichische Firma Wiesner-Hager veröffentlich auf ihrer Internetseite die Ökobilanzen ihrerProdukte im Abschnitt Umwelt-Produktdeklarationen (EPD):www.wiesner-hager.com/de/ueber-wiesner-hager/downloads/.

Dort wird auch auf den Untersuchungsrahmen und die Systemgrenzen eingegangen.

Aufgabenstellungen

Mehrere Gruppen entscheiden sich für je ein Produkt, z. B. eine Gruppe Holzstuhl, eine GruppeMetallstuhl, eine Gruppe Bürostuhl, eine Gruppe Sessel und untersuchen dieses Produkt mit fol-genden Leitfragen:

• Beschreiben Sie kurz den Untersuchungsrahmen und entscheiden Sie, ob es sich um eineganzheitliche Ökobilanz handelt.

• Erklären Sie die verwendeten Begriffe Sachbilanzindikatoren und Wirkungsindikatoren .

• Analysieren Sie die dargestellte Dominanzanalyse . Erklären Sie, in welchen Fällen sich positiveund negative Zahlen ergeben und diese positiv oder negativ zu werten sind.

• Auf der Internetseite der Firma wird von nachhaltigem Produktdesign und dem österreichischenUmweltzeichen gesprochen. Setzten Sie sich kritisch mit den dort gemachten Angaben und demBegriff Nachhaltigkeit auseinander. Überlegen Sie, was die an dem relativ einfachen „SystemStuhl“ aufgestellten Forderungen für die Übertragung auf solch komplexen Systeme wie z. B.„System Auto“ bedeuten würden.

Beispiel der Ökobilanz eines Holzstuhls (Datenquell e: Wiesner-Hager)

Untersuchungsrahmen

Die Ökobilanz des deklarierten Produkts umfasst den gesamten Lebensweg von der Rohstoffge-winnung bis zur Entsorgung einschließlich aller anfallenden Transporte. Die Nutzungsphase desErzeugnisses wird mit 15 Jahren angesetzt. In diesem Zeitraum sind aufgrund der soliden Ausfüh-rung und Produktqualität bei bestimmungsgemäßer Nutzung keine Reparaturen zu erwarten. Dereigentliche Gebrauch des Produkts bleibt bei der Wirkungsabschätzung aufgrund der unerhebli-chen Umwelteinflüsse unberücksichtigt (Abschneidekriterium). Bei der Entsorgung wird eine Abfall-trennung nach Wertstoffen und Restmüll unterstellt. Die Wertstoffe werden einem stofflichen Recy-clingprozess zugeführt, Restmüll wird in einem Müllheizkraftwerk energetisch verwertet. Bei denVerwertungs- und Entsorgungsprozessen werden europäische Standards angenommen. Die zu-grunde liegenden Transportstrecken entsprechen den tatsächlichen Entfernungen zu den Vorliefe-ranten und Lohnbearbeitern. Die Distanz vom Hersteller zum Endverwender beträgt 1000 km, fürdie durchschnittliche Entfernung vom Endverwender zum nächstgelegenen Entsorgungsunterneh-men werden 50 km angesetzt.

Produktbezeichnung und Ausstattung

S12 Stuhl, Sitz und Rücken Sperrholz, Holzfarbe B02 Buche natur lackiert; Fußausstattung Kunst-stoffgleiter




Sachbilanz-Indikatoren

Wirkungsindikatoren

Dominanzanalyse



Dominanzanalyse

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

GWP 100 ODP POCP AP NP ADP

Rohmaterialherstellung Externe Produktion Interne Produktion

Transporte Entsorgung, Recycling

Abb. 2.8: Dominanzanalyse, Datenquelle: Wiesner-Hager

Ursache (MJ) (MJ) (m 3) (kg) (kg) (kg)5,530,07

361,67

341,37

45,05

164,850,72

14,220,16

16,830,06

0,0019,54

0,000,02

10,21-64,17

156,660,00

610,24

0,000,000,00

0,010,000,010,000,00

Output

-11,73

Primärenergiebedarf Wasser-Sachbilanz-IndikatorenInput

0,07273,35

0,41-4,96

0,04-4,85

Abraum Siedlungs- Sonder-nicht reg. regenerativ nutzung abfälle abfälle

0,00362,46

0,00 0,000,00

0,000,00

RohmaterialherstellungExterne ProduktionInterne ProduktionTransporteRecyclingpotentialEntsorgungSummeAbb. 2.6: Datenquelle: Wiesner-Hager

Ursache

0,000,18

-22,40

Output

0,70-0,14

smog gungOzonabbauerwärmungKlima-

10,56-4,95

Sb eq.(g)

POCPC2H4 eq.

(g)

AP

1,16-0,04

NPPO4

-3 eq.(g)

Stratosphär. Sommer- Versaue- Überdün-

0,00-0,02

21,850,37

58,776,36

-0,70

5,770,01

SO2 eq.(g)

rung

10,122,01

-0,32

GWPCO2 eq.

(kg)

ODPCCl3F eq.

(mg)0,030,010,17

0,046,28

0,4335,72

74,850,29

15,484,89

-3,920,00

91,58

2,680,17

31,32

AbiotischeRessourcen

ADP

Input

0,0017,60

0,0186,68

Wirkungsindikatoren

RohmaterialherstellungExterne ProduktionInterne ProduktionTransporteRecyclingpotentialEntsorgungSummeAbb. 2.7: Datenquelle: Wiesner-Hager


Lack- und Klebstoffeinsatz

Stoffliche Zusammensetzung

Verwertung

Energetisch: 98 %

Stofflich: 1 %

Deponie: 1 %

Die bei der Verbrennung entstehende Asche und Schlacke wird auf eine Deponie verbracht.



Lack-und Klebstoffeinsatz

Anwendung VOC2

0,2%

-

-

-

-

1,7%

-

-

Das Produkt ist frei von halogenierten Kunststoffen (PVC).

0,111 kg

-

-

Chemische CharakterisierungWasserlöslicher Dispersionsleim (PVAC)

-

-

-

-

Wasserlöslicher Acryllack

-

-

-

-

-

-

Menge1

0,106 kgHolzleime

Schmelzkleber

Textilkleber

Montagekleber

Beizen

Wasserlacke

Pulverlacke

Lösemittellacke

Abb. 2.9: Datenquelle: Wiesner-Hager


3 Bewertung von umwelttechnischen Systemen der El ektromobilität

3.1 Vergleichstabelle CO 2-Ausstoß und Primärenergiebedarf bei unterschiedlic hen Antrie-

ben des gleichen Fahrzeugtyps (aus Handreichung)

Der Hersteller gibt die angegeben Werte an für 3 verschiedene Antriebe eines vergleichbarenFahrzeugs. Beim Elektroantrieb wird unterschieden zwischen der Ladung mit Strom, der auch mit-hilfe von Braun- und Steinkohlekraftwerken erzeugt wird (deutscher Strommix) und Ladung mitausschließlich regenerativ erzeugtem Strom.

3.2 Grafische Darstellung des CO 2-Ausstoßes

3.3 Umrechnungswerte

CO2-Ausstoß Deutscher Strommix 2017: 489 g/kWh

1L Benzin verbrennt zu 2,33 kg CO2,1L Diesel verbrennt zu 2,64 kg CO2,1L Erdgas verbrennt zu 2,79 kg CO2,

Dichte Benzin 0,74 kg/L Diesel 0,83 Kg/L



Golf 1,2 Benzin Golf 1,6 Diesel E-Golf Strommix E-Golf regenerativ0

5

10

15

20

25

30

4,54 4,828,92 8,6

3,7 2,1

0,0 0,0

16,9

14,3 8,9

0,4

25,2

21,4

18,4

9,3

CO2-Emissionen mit Zuordnung der Entstehungsphase

VerwertungFahremissionKraftstoffbereitstel-lungHerstellungSummenwerte

CO

2 i

n t

Hers

tellu

ng

Kra

ftst

off

ber

eitste

llung

Verw

ert

ung

Sum

menw

ert

e

Hers

tellu

ng

Kra

ftsto

ffbe

reits

tellu

ng

Ver

wer

tung

Sum

menw

erte

CO

2

CO

2

CO

2

CO

2

CO

2

t t t t t GJ GJ GJ GJ GJGolf 1,2 Benzin 4,54 3,65 16,88 0,126 25,2 84,038 289 0 0 373,5Golf 1,6 Diesel 4,82 2,14 14,34 0,107 21,4 82,977 242 0 0 325,4E-Golf Strommix 8,92 0 8,92 0,552 18,4 139,82 0 189,8 3,33 332,9E-Golf regenerativ 8,60 0 0,42 0,279 9,3 142,91 0 85,3 2,31 230,5

Str

om

bere

itste

llung/

Fahre

mis

sion

Str

om

ber

eitste

llung

/F

ahr

em

issio

n

Prim

är-

Ener

gie

Prim

är-

Energ

ie

Prim

är-

Energ

ie

Prim

är-

Energ

ie

Prim

är-

Energ

ie


3.4 Aufgaben

Zunächst sollen die angegebenen Werte auf Plausibilität überprüft werden.

3.4.1 Berechnen Sie für den „Benziner“ und den E-Golf Strommix, von welcher Gesamtfahrleis-tung in km der Hersteller ausgeht. Gehen Sie vom angegebenen Benzinverbrauch von6 L / 100 km und einem elektr. Energiebedarf von 15 kWh / 100 km aus.

3.4.2 Ermitteln Sie die zugrunde gelegte „Fahrzeug-Lebensdauer“ bei einer durchschnittlichenFahrleistung von 12.000 km / Jahr.

Auf der Grundlage der angegeben Werte werden Diagramme erstellt, die den Vergleich und die In-terpretation der Werte erleichtern.

3.4.3 Skizzieren Sie ein Diagramm, in dem die Summenwerte des CO2-Ausstoßes in Abhängig-keit von der Nutzungsdauer als Geraden eingezeichnet sind. Y-Achse: CO2-Ausstoß X-Achse: Nutzungsdauer 0 bis 10 Jahre

Zeichnen Sie für jedes Fahrzeug eine Gerade ein.

3.4.4 Interpretieren Sie das gezeichnete Diagramm aus 3.4.3. Gehen Sie dabei besonders aufdie Schnittpunkte der Geraden sowie deren Steigung ein.

3.4.5 Erläutern Sie, warum CO2-Ausstoß und der Primärenergiebedarf bei der Herstellung derElektrofahrzeuge deutlich höher sind als bei den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.

3.4.6 Führen Sie Gründe an für die Unterschiede beim Primärenergiebedarf und beim CO2-Aus-stoß bei den Elektroantrieb-Varianten.

3.4.7 Welcher Primärenergiebedarf entsteht bei der Nutzung des Elektrofahrzeugs mit regenera-tiv erzeugtem Strom?

3.4.8 Berechnen Sie die Masse eine Li-Ionen-Akkus, der elektrische Energie für eine Fahrstreckevon 500 km speichert. (Energieverbrauch: 14,1 kWh / 100 km, Energiedichte: 0,5 MJ / kg.)

3.4.9 Erstellen Sie eine Tabelle mit Vor- / Nachteilen und zu lösenden Problemen bei der Gegen-überstellung von Antrieben mit Verbrennungsmotoren und Elektroantrieben.



Golf 1,2 BenzinGolf 1,6 Diesel

E-Golf StrommixE-Golf regenerativ

0

50

100

150

200

250

300

350

400

84,0 83,0139,8 142,9

289,5242,4

0,0 0,0

0,0

0,0

189,8

85,3

373,5

325,4 332,9

230,5

Primärenergiebedarf in GJ

Verwertung

Fahremission

Kraftstoffbereitstellung

Herstellung

Summenwerte

W i

n G

J


3.5 Lösungsvorschläge zu 3.4

zu 3.4.1 Benziner Ausstoß:16,9 t CO2 = 16.900 kg CO2

wird verursacht durch16.900 kg CO2

2,33 kg CO2 / L Benzin= 7253 L Benzin

entspricht einer Fahrleistung von7253 L

6 L / 100 km= 120.000 km

Elektrofahrzeug Ladung mit Strommix verursacht 8.900 kG CO2

entsteht beim Verbrauch von8.900 kg CO2

0,489 kg / kWh= 18.200 kWh elektr .Energie

entspricht einer Fahrleistung von 18.200 kWh15 kWh / 100 km

= 121.300 km

Der Hersteller geht bei beiden Fahrzeugen von der gleichen Fahrleistung aus. Zugleich haben wirüberprüft, dass Benzinverbrauch und elektr. Energiebedarf vergleichbar und realistisch sind.

zu 3.4.2 Fahrzeuglebensdauer =120.000 km

12.000 km / Jahr= 10 Jahre

zu 3.4.3

zu 3.4.4

Die Elektrofahrzeuge haben bei der Herstellung einen höheren CO2-Ausstoß als die Fahr-zeuge mit Verbrennungsmotor. Während des Betriebs stößt der Benziner am meisten CO2

aus, daher ist die Steigung der Geraden am steilsten. Nach 4 Jahren hat der Benzinergleichviel ausgestoßen wie das Strommix-betankte Fahrzeug, danach ist die CO2-Summebeim Benziner größer. Entsprechendes gilt beim Vergleich Diesel-Strommix nach 5,7 Jah-ren

Das regenerativ geladene Fahrzeug stößt bereits nach 2,1 bzw. 2,5 Jahren insgesamt weni-ger CO2 aus wie Benziner und Diesel und hat nach 10 Jahren nur die Hälfte im Vergleichzum Strommix-Fahrzeug und nur 1/3 im Vergleich zum Benziner an CO2 ausgestoßen.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5

10

15

20

25

CO2-Ausstoß während der Lebensdauer

Benziner

Diesel

Strommix

Regenerativ

Jahre

CO2 in Tonnen


zu 3.4.5

Die Herstellung des Akkus ist sehr energieintensiv. Dabei wird eine große Menge CO2 aus-gestoßen.

zu 3.4.6

Wahrscheinlich wurde der Bau von Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen in die Be-wertung mit aufgenommen. Dies schlägt beim regenerativ betankten Fahrzeug zu Buche.

zu 3.4.7

Wahrscheinlich wurde der Bau von Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen in die Be-wertung mit aufgenommen.

zu 3.4.8

5⋅14,1 kWh⋅1 kg

0,5 MJ= 5⋅14,1⋅103 W⋅3600 s⋅

1 kg0,5 106Ws

= 508kg

Mittlerweile soll es Li-Ionen-Akkus geben mit einer Energiedichte von 0,65 MJ / kg. Dannsinkt das Akkugewicht auf 390 kg!

zu 3.4.9




3.6 Vergleich Antriebe Verbrennungsmotoren, Hybr id (HEV), Batterieelektrisch (BEV),

Brennstoffzelle (FCEV) (aus Handreichung)

• HEV (Hybrid-Electric-Vehicles) Hybridfahrzeuge, Kombination Elektroantrieb mit Verbrennungsmotor,• PHEV (Plug-In-Hybrid-Electric-Vehicles) Hybridfahrzeuge mit Auflademöglichkeit über dasStromnetz,• BEV (Battery-Electric-Vehicles) rein elektrisch betriebene Fahrzeuge mit Batterie,• FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles) Wasserstofffahrzeuge mit Brennstoffzellen.Die in der Studie herangezogenen Primärenergiequellen sind:• Erdgas: Strom aus Erdgas via GuD vs. H2 via Dampfreformierung von Methan• Fossile/regenerative/gemischte Energie: direkte regenerative Stromerzeugung vs. H2 viaElektrolyse.Die gesamte Energiekette von der Quelle bis zum Rad (Well-to-Wheel, WTW) wird herangezogenund unter den Kriterien CO2-Emissionen, Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz bewertet



Abbildung 3: Treibhausgasemissionen „Well-to-Wheel“ (Kleinwagen)

0

20

40

60

80

100

120

140

Ben

zin

Roh

öl IC

E

Die

sel R

ohöl

ICE

CG

H2

Erd

gas

(ons

ite)

FC

EV

CG

H2

Str

omm

ix(o

nsite

) F

CE

V

Str

om (

0,4

kV)

Win

d B

EV

Str

omm

ix (

0,4

kV)

BE

V

Ben

zin

Roh

öl H

EV

Die

sel R

ohöl

ICE

CG

H2

Bk

über

LH2

CC

S F

CE

V

CG

H2

Bk

CC

SF

CE

V

CG

H2

Str

omm

ix(o

nsite

) F

CE

V

CG

H2

Win

d üb

erLH

2 F

CE

V

CG

H2

Win

d F

CE

V

Str

om (

0,4

kV)

Win

d B

EV

Str

omm

ix (

0,4

kV)

BE

V

2015 2030

TH

G [g

CO

2-Ä

quiv

alen

t/km

]

Fahrzeug

Tankstelle

H2-Verteilung

H2-Verflüssigung

H2 compression (central storage)

H2-Produktion

Stromtransport und -Verteilung

Stromerzeugung

Braunkohlebereitstellung

Erdölraffinerie

Erdgasverteilung

Erdgas- bzw. Rohöltransport

Erdgas- bzw. Rohölproduktion

Quelle: Smart

HEV und FCEV abgeleitet aus CONCAWE/EUCAR/JRC, 2007(über Verhältnis der Verbrauchswerte)

Abbildung 4: Energieeinsatz „Well-to-Wheel“ (Kleinwagen)

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

Ben

zin

Roh

öl IC

E

Die

sel R

ohöl

ICE

CG

H2

Erd

gas

(ons

ite)

FC

EV

CG

H2

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ix(o

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) F

CE

V

Str

om (

0,4

kV)

Win

d B

EV

Str

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ix (

0,4

kV)

BE

V

Ben

zin

Roh

öl H

EV

Die

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ohöl

ICE

CG

H2

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über

LH2

CC

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H2

Bk

CC

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CE

V

CG

H2

Str

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CE

V

CG

H2

Win

d üb

erLH

2 F

CE

V

CG

H2

Win

d F

CE

V

Str

om (

0,4

kV)

Win

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EV

Str

omm

ix (

0,4

kV)

BE

V

2015 2030

Ene

rgie

eins

atz

[kW

h/km

]

Erneuerbar

Nuklear

Fossil


3.7 Aufgaben zu den Abbildungen 3.6

Neben den in 3.1 bis 3.4 besprochenen Antriebsarten werden nun auch Brennstoffzellen-Fahrzeu-ge betrachtet (FCEV), wobei unterschiedliche Erzeugungsarten des Wasserstoffs berücksichtigtwerden.

3.7.1 Skizzieren Sie ein energetisches Blockschaltbild von der regenerativen Stromerzeugung(z.B. Windkraft) bis zur mechanischen Energieabgabe im Brennstoffzellenfahrzeug.

3.7.2 Markieren Sie, an welcher Stelle in Ihrem Blockschaltbild die H2-Speicherung stattfindet underläutern Sie eine Möglichkeit, wie dieser Speichervorgang außerhalb und innerhalb desFahrzeugs technisch umgesetzt wird.

3.7.3 Oft wird unter Power-to-Gas nicht nur die Wasserstofferzeugung, sondern zusätzlich dieMethanisierung verstanden. Erläutern Sie kurz, welche Vorteile sich daraus ausgeben undwie diese in der Mobilität genutzt werden könnte.

3.7.4 In der Abbildung 4 werden zwei Verfahren zur Wasserstoffgewinnung für die Brennstoffzel-len aus regenerativ erzeugtem Strom der regenerativen Stromgewinnung für Akkus gegen-übergestellt. In beiden Fällen ist für FCEV ein deutlich höherer Energieeinsatz notwendigals für BEV, wobei der CO2-Ausstoß in allen Fällen nahe null ist (Abb. 3).Beschreiben Sie Ursachen für diese Tatsache.

3.7.5 Erläutern Sie den Begriff Well-to-Weel anhand der CO2-Bilanz und der Energiebilanz einesFahrzeugs mit Brennstoffzellen-Antrieb FCEV. Verwenden Sie dabei auch die Begriffe Sys-temgrenzen und Lebenszyklusanalyse.




4 Ökobilanzierung einer Windkraftanlage

4.1 Vorbereitung: Energiepolitik

Zur Vorbereitung auf das Thema „Ökobilanzierung einer Windkraftanlage“ recherchieren wir zu-nächst die Ziele der Energiepolitik der Bundesregierung und wie realistisch das Erreichen dieserZielvereinbarungen ist. Diese Einführungsphase findet als Internetrecherche der Stammgruppenstatt.

Bei der Energiewende geht es darum, die Energieversorgung in den nächsten Jahrzehnten kom-plett umzubauen. Der Ausbau der erneuerbaren Energien und die Verbesserung der Energieeffizi-enz sind dabei wesentliche Aspekte. Es ist also zu klären, was die Kernpunkte der Energiepolitikder Bundesregierung sind und ob die formulierten Ziele bisher eingehalten wurden.

4.1.1 Aufgaben:

• Ermitteln Sie, wie groß der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung im Jahre 2020bzw. im Jahre 2050 sein soll.

2020: 35 % 2050: 80 %

• Ermitteln Sie den aktuellen Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch.

2016: 31,7 %

• Um wie viel Prozent soll der Stromverbrauch im Jahr 2020 bzw. im Jahr 2050 gegenüber 2008sinken?

2020: 10 % 2050: 25 %

• Um wie viel Prozent soll der Primärenergieverbrauch im Jahr 2020 bzw. im Jahr 2050 gegen-über 2008 zurückgehen?

2020: 20 % 2050: 50 %

• Um wie viel Prozent sollen die Treibhausgas-Emissionen im Jahr 2020 bzw. im Jahr 2050 sinkenim Vergleich zum Jahr 1990?

2020: 40 % 2050: 80 %

• Diskutieren Sie, ob es möglich ist, die von der Bundesregierung vorgegebenen Ziele einzuhaltenund wie der aktuelle Stand bei der Umsetzung dieser Ziele ist.

Hinweise / Stichwörter: Erster Monitoring-Bericht zur Energiewende 2012bis Sechster Monitoring-Bericht zur Energiewende 2018

https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/384/bilder/dateien/01-klima_klim-01_emission-treibhausgase_abbildung.pdf

https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/384/bilder/dateien/01-klima_klim-01_emission-treibhausgase_abbildung.pdf




4.2 Phase 2: Gruppenpuzzle Ressourceneffizienz e iner WKA

4.2.1 Aufgabe Produktlebensweg einer WKA

Die Ziele der Bundesregierung können unter anderem nur durch den Ausbau von Windkraftan-lagen erreicht werden. Soll der Ausbau der Windenergie möglichst ressourceneffizient erfolgen, giltes natürliche Ressourcen in allen Phasen des Produktlebensweges einzusparen. Kosten könnengesenkt werden, wenn die Prozesse und die Produkte beim Bau von Windkraftanlagen effizientergestaltet werden.

Erarbeiten Sie eine Übersicht der Prozesse, die den Produktlebensweg einer Windkraftanlage be-schreiben, um bei der Entwicklung eines Windparkprojektes auf die Ressourceneffizienz Einflussnehmen zu können.

4.2.2 Arbeitsauftrag der Expertengruppen

Beschreiben Sie Möglichkeiten um natürliche Ressourcen in den unterschiedlichen Lebensphaseneines Windparkprojekts einzusparen.

Erarbeiten Sie auf einem Plakat (DIN A3) eine Übersicht der Ressourceneffizienz Ihrer Experten-gruppe. Informieren Sie sich mit Hilfe der zur Verfügung stehenden VDI ZRE Publikation: Kurzana-lyse Nr. 9 „Ressourceneffizienz von Windenergieanlagen“ vom August 2014.

www.ressource-deutschland.de/publikationen/kurzanalysen/?L=0

Folgende Punkte sollen bei der Plakaterstellung anschaulich beschrieben werden:

• Die Möglichkeiten der Ressourceneffizienz in den jeweiligen Lebensphasen

• Vor- und Nachteile

• Zu erwartende Probleme bei der Umsetzung

4.2.3 Themen der Expertengruppen

Gruppe 1: Planung und Projektierung eines Windparks / Logistik (Seite 10 - 17)

Gruppe 2: Herstellung (Seite 18 - 27)

Gruppe 3: Nutzung und Wartung / Entsorgung (Seite 28 - 33)

Gruppe 4: Recycling (Seite 34 – 43)




4.3 Fragebogen zu: Bewertung der Ressourceneffiz ienz von Windenergieanlagen

Hilfsmittel: Kapitel 9 und 10 der VDI Kurzanalysewww.ressource-deutschland.de/publikationen/kurzanalysen/?L=0

• In welcher Lebensphase sind WKA umweltfreundlicher als fossile Kraftwerke?

Betriebsphase

• In welchen Lebensphasen ist der Ressourceneinsatz von WKA besonders hoch?

Herstellung, Montage, Abbau (Entsorgung, Recycling)

• Erklären Sie die Abkürzung KEA?

Kumulierter Energieaufwand

• Thema Systemgrenze: Unter welcher Voraussetzung muss die Bewertung der Ressourceneffizi-enz erfolgen?

Der Einsatz aller natürlichen Ressourcen muss quantifiziert werden (PE-Äquivalent) und kumu-liert werden (KEA).

• Vergleichen Sie die Anteile der Lebensphasen (Nutzung, Herstellung, Entsorgung) des Wind-parks „alpha ventus“ am KEA mit den Treibhausgas-Emissionen (CO2-Äq.).

Die Treibhausgas-Emissionen sind größtenteils energiebedingt, so dass die prozentuale Vertei-lung auf die Lebenszyklusphasen nahezu identisch ist.

• Nennen Sie die sechs Bereiche, die bei der Erstellung der Ökobilanz des Offshore-Windparks„alpha ventus“ betrachtet wurden. Welcher Bereich hat in der Herstellungsphase den größtenEnergieaufwand?

Windenergieanlage, Gründungsstruktur (Tripod, Jacket), Verkabelung innerhalb des Windparks,Offshore-Umspannwerk (30 kV – 110 kV), Seekabel, Umspannwerk an Land (Netzanbindung)

• Erklären Sie den Begriff: Energetische Amortisationszeit (EAZ). Vergleichen Sie die Energetische Amortisationszeit mit der Betriebsdauer einer WKA.

Die Zeit, die die Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie benötigt, um soviel Pri-märenergie zu ersetzen, wie für die einzelnen Lebensphasen der WKA (Herstellung, Nutzung,Entsorgung) aufgewendet wurde

Beim Windpark „alpha ventus“ liegt die Energetische Amortisationszeit unter einem Jahr, die Be-triebsdauer beträgt 20 Jahre.

• In den nächsten Jahren ist mit einem erhöhten Abbau von WKA zu rechnen. In welcher Lebens-phase steckt das größte Potential zur Steigerung der Ressourceneffizienz. Erläutern Sie diedazu notwendigen Maßnahmen.

Das größte Potential steckt in der Entsorgungs- und Recyclingphase. Bisher fehlt ein systemati-scher Ansatz zur Entsorgung, für den Abbau der WKA sind die Eigentümer eigenverantwortlichzuständig. Beim Recycling stecken die Verfahren für die Verbundwerkstoffe und Seltenerdmetal-len noch in der Entwicklungsphase. Hier könnte man von den Erfahrungen im Rahmen der Elek-tromobilität profitieren.

• Geben Sie weitere Maßnahmen an, mit denen sich die Ressourceneffizienz von WKA verbes-sern lassen.

Durch Verbesserungen des Rotordesigns können höhere Energieerträge erzielt werden. Die Le-bensdauer von WKA könnte durch Condition Monitoring Systeme verbessert werden.




Fragebogen zum BWK Artikel: Alpha ventus: Kumuliert er Energieaufwand und weitere Um-

weltindikatoren des Offshore-Windparks

www.mb.uni- siegen.de/iftsm/lehre/alpha_ventus_kumulierter_energieaufwand.pdf

• Nennen Sie Vor- und Nachteile eines Offshore-Windparks gegenüber WKA an Land

Vorteil:Höhere Auslastung der WKA wegen den besseren Windverhältnissen auf dem Meer

Nachteile:Aufwändige, materialintensive Gründung der Anlagen auf SeeAufwändigere Wartung und Instandhaltung wegen schwieriger Zugänglichkeit

• Erklären Sie die Abkürzungen KEA und GWP?

KEA:Kumulierter Energieaufwand, beschreibt den in PE-Äquivalenten (Primärenergie-Äquivalenten)bewerteten Energieaufwand, der im Zusammenhang eines kompletten Lebenszykluses einesProdukts entsteht.

GWP:Global-Warming-Potential, fasst die Treibhausgas-Emissionen zusammen, die sich in den Le-benszyklusphasen Herstellung, Nutzung und Entsorgung der WKA ergeben.

• Beschreiben Sie die Methodik, nach der die Ökobilanzierung durchgeführt wurde.

Zunächst wurde ein Stoffgerüst erstellt, das alle einer WKA zugehörigen Werkstoffe und Materia-lien umfasst. Aus einer bestehenden Datenbank wurde dann den Werkstoffen spezifische Datendes KEA und der Emissionen zugeordnet und quantifiziert. In das Bilanzierungsmodell wurdenebenfalls die Fertigungsprozesse und Transporte eingerechnet. Außerdem wurden Aufwendun-gen in der Nutzungs- und Entsorgungsphase berücksichtigt.

• Informieren Sie sich über die Bedeutung der Gründungsarten Jacket bzw. Tripod.

Jacket: vierbeinige Stahlkonstruktion, die besonders bei großen Wassertiefen geeignet ist

Tripod: dreibeinige Gründungsstruktur mit einem zentralen Gründungsrohr, die besonders beiebenen Meeresböden geeignet ist

• Nennen Sie die Komponenten, die im Bilanzsystem des Windparks Alpha ventus berücksichtigtwurden.

12 WKA mit ihren Gründungen, Innerparkkabel, Offshore-Umspannwerk, Seekabel, On-shore-Umspannwerk

• Geben Sie die Lebenszyklusphase mit dem größten KEA an.

Die Fertigung und Errichtung der Anlagen haben mit 80 % in der Herstellungsphase den wesent-lichen Anteil am KEA.

• Nennen Sie Maßnahmen, die in den KEA-Anteil während der Nutzungsphase einfließen.

Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen

• Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen dem KEA und den Treibhausgas-Emissionenwährend den Lebenszyklusphasen?

Die prozentuale Verteilung ist nahezu identisch, da die Treibhausgas-Emissionen größtenteilsenergiebedingt sind.




• Nennen Sie die Komponente, die bei der Netzanbindung hauptsächlich für den KEA verantwort-lich ist.

Zwei Drittel des KEA bei der Netzanbindung entfällt auf des Seekabel (12 % am gesamten KEAeiner WKA).

• Vergleichen Sie den KEA der eigentlichen WKA (Rotor, Gondel, Turm) mit dem Energieaufwandfür die Gründungen.

Der Energieaufwand für die Gründungen ist höher als der Energieaufwand für die eigentlicheAnlage.

• Vergleichen Sie den KEA der Netzanbindung mit dem KEA aller 12 WKA inklusive Gründungen.

Die Netzanbindung inklusive Onshore-Umspannwerk umfasst einen Anteil von knapp 18 % amgesamten KEA des Windparks.

• Beschreiben Sie den Begriff: Energetische Amortisationszeit

Die Zeit, die benötigt wird, um die primärenergetisch bewerteten Aufwendungen während desLebenszyklus eines Windparks durch die Einspeisung von elektrischer Energie ins Stromnetzauszugleichen

• Geben Sie die energetische Amortisationszeit (EAZ) des Windparks Alpha ventus an.

Energetische Amortisationszeit: 8,8 Monate

• In der Tabelle 2 sind mehrere Szenarien mit dem Referenzfall des bestehenden Windparks Al-pha ventus dargestellt. Beschreiben Sie, welche Maßnahme zur größten Senkung des KEA füh-ren würde.

Die Verdopplung der Lebensdauer einer WKA würde zu einer Senkung von 25 % des KEA füh-ren.

• Bewerten Sie die Aussage: In Zukunft wird die energetische Amortisationszeit wohl noch weiterverringert werden.

Da die Ressourceneffizienz zukünftig weiter verbessert werden kann, wird der KEA einer WKAsinken. Außerdem wird sich der zukünftige Strommix in Deutschland weiter zu Gunsten der er-neuerbaren Energien verändern (Ziel im Jahr 2050: 80 %), sodass der Primärenergieeinsatz anfossilen Energien beim Bau einer WKA auch verkleinert wird.




5 Übungsaufgaben

5.1 Grundbegriffe

5.1.1 Grenzen Sie die Begriffe Global Warming Potential GWP, Treibhausgasemissionen undCO2-Emissionen gegeneinander ab.

5.1.2 Erläutern Sie den Begriff KEA.

5.1.3 Geben Sie an, in welcher Lebenszyklusphase der KEA jeweils am größten ist beia) einer Windkraftanlage, b) einem PKW mit Verbrennungsmotor, c) einem Elektro-PKW,der regenerativ „betankt“ wird.

5.1.4 Beschreiben Sie eine Methodik, nach der eine Ökobilanz durchgeführt wird.

5.1.5 Erläutern Sie den Begriff Systemgrenzen und geben Sie diese an bei einer Well-to-Wheel-Ökobilanz.

5.2 Klimaziele

Abbildung 1 stellt die jährlichen Treibhausgasemmissionen in Deutschland mit der Aufteilung aufverschiedene Bereiche dar. Die politisch gewünschten Klimaziele ab 2020 spiegelt die Kurve„Summe THG“ wieder.

5.2.1 Stellen Sie mögliche Entwicklungen der Reduktionen durch die Bereiche Verkehr und Ener-giewirtschaft grafisch dar (einzeichnen in das Diagramm), um die Klimaziele zu erreichen.Erklären Sie die dadurch notwendigen Veränderungen und bewerten Sie die Umsetzbarkeit.

5.2.2 Stellen Sie kurz notwendige Veränderungen dar in den Bereichen Industrie und Haushalte.

Abbildung 2 stellt die jährliche Bruttostromerzeugung in Deutschland dar. Die Definition und Ein-flussfaktoren beim Primärenergieverbrauch sind im Anhang auf der nächsten Seite erklärt.

5.2.3 Erklären Sie, wie die angestrebte Senkung des Primärenergieverbrauchs um 50 % von2008 bis 2050 erreicht werden kann am Beispiel der Stromerzeugung, ohne die tatsächlichverbrauchte elektrische Energiemenge zu senken. (Erklären Sie z.B. anhand des Ersatzeseines Kohlekraftwerks durch einen Windpark gleicher Leistung)

5.2.4 Zeigen Sie an einem Beispiel, wie die Abbildung 3 aus der Abbildung 2 abgeleitet wird.

5.3 Ökobilanz Elektromobilität

Abbildung 4 vergleicht den CO2-Ausstoß von 3 PKW-Antrieben und der Nutzung des ÖPNV wäh-rend der Fahrzeuglebensdauer. Die zugrunde liegenden Zahlen- und Verbrauchswerte stehen ne-ben der Abbildung.

5.3.1 Skalieren Sie die 3 Jahresachsen durch Zahlenangaben für Fahrleistungen von18.000 km/a (Vielfahrer), 12.000 km/a (Durchschnittsfahrer) und 6.000 km/a (Wenigfahrer).Hinweis: Jahreszahlen 0, 5, 10, 20 einzeichnen.

5.3.2 Erläutern Sie die Kurvenverläufe bezogen auf einen Durchschnittsfahrer und gehen Sie aufdie Bedeutung der Y-Achsenabschnitte, die Steigungen und Schnittpunkte ein.

5.3.3 Wie ändern sich wesentliche Aussagen, wenn man die Kilometerleistungen von Vielfahrernoder Wenigfahrern zugrunde legt? Geben Sie 2 Beispiele.




5.3.4 Geben Sie die gegenüber einem Benziner ungefähr eingesparte Menge an CO2 an, wennSie ihr regenerativ betanktes E-Fahrzeug 150.000 km fahren und nach 100.000 km eineneue Batterie notwendig ist. Erklären Sie Ihre Rechnung z. B. Anhand einer CO2- Kurve.

5.3.5 Im letzten ADAC-Test von 2018 wurde der deutsche Strommix aus 2013 zugrunde gelegt.Zeichnen Sie eine neue Kurve „Strommix2013“ in Abb 4 ein, wenn Sie die Strommixwerteaus 2013 statt der in Abb 4 verwendeten Strommixwerte von 2017 zugrunde legen. (Anleitung: Verwenden Sie Stromerzeugungswerte aus Abb 2 oder Abb 3)

5.4 Anhang Erklärungen

5.4.1 Klimaziele Deutschland

u.a.: Senkung Treibhausgasemissionen um 80 bis 95% von 1990 bis 2050Senkung Primärenergieverbrauch um 50% von 2008 bis 2050Anteil Erneuerbare Energien 80% vom Bruttostromverbrauch in 2050

5.4.2 Definition und Einflussfaktoren beim Pimär energieverbrauch

Der Primärenergieverbrauch (PEV) bezeichnet den Energiegehalt aller im Inland eingesetztenEnergieträger. Der Begriff umfasst sogenannte Primärenergieträger, wie zum Beispiel Braun- undSteinkohlen, Mineralöl oder Erdgas, die entweder direkt genutzt, oder in sogenannte Sekundär-energieträger wie zum Beispiel Kohlebriketts, Kraftstoffe, Strom oder Fernwärme umgewandeltwerden. Berechnet wird er als Summe aller im Inland gewonnenen Energieträger.

Statistisch wird er über das Wirkungsgradprinzip ermittelt. Dabei werden die Einsatzmengen der inFeuerungsanlagen verbrannten Energieträger (auch biogen) mit ihrem Heizwert multipliziert. WirdStrom aus Wind, Wasserkraft oder Photovoltaik erzeugt, so ist der Wirkungsgrad vereinbarungsge-mäß 100 Prozent (%), bei der Geothermie beträgt er 10 % und bei der Kernenergie 33 %.

Quelle: https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/primaerenergieverbrauch#textpart-1

5.4.3 Brutto- und Nettostromverbrauch

Der Bruttostromverbrauch bezeichnet die gesamte Strommenge, die hierzulande verbraucht wird.„Brutto“ ist deshalb wichtig, weil es auch die Strommengen enthält, die gar nicht an der Steckdosebeim Endverbraucher ankommen, sondern unter anderem beim Transport verloren gehen. Strom-verluste in den Leitungen – sogenannte „Netzverluste“ – entstehen beispielsweise deswegen, weilder durchfließende Strom die Leitungen erwärmt und dabei Energie auf der Strecke bleibt. Zu-gleich geht auch dann Strom verloren, wenn Kraftwerke diesen selbst verbrauchen oderPumpspeicher ihn zum Wasserpumpen einsetzen. Zieht man die Stromverluste beim Transportund den Kraftwerkseigenverbrauch vom Bruttostromverbrauch ab, spricht man vom „Nettostrom-verbrauch“ oder „Endenergieverbrauch“. Der elektrische Eigenbedarf liegt bei Kohlekraftwerkenzwischen 4 % und 10 %.



Bewertung_energe-und_umwelttechnischer_Systeme_2018_Loesung.odt Seite 26

Abbildung 1: Treibhausgasemissionen und Klimaziele

1990

2000

2010

2016

2020

2030

2040

2050

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

Treibhausgasemissionen 1990 bis 2017 und Klimaziele

Sonstige Emissionen*Abfall und AbwasserLandwirtschaftIndustrie*HaushalteGewerbe, Handel, Dienst-leistungVerkehrEnergiewirtschaftSumme THG

Jahre

Summe Treibhausgase in Mio Tonnen





6 Lösungsvorschläge Aufgaben

6.1 Grundbegriffe

6.1.1 GWP = Treibhauspotenziel = CO2-Äquivalent gibt an, wieviel mal schädlicher ein Gas sichauf den Treibhausgaseffekt auswirkt wie CO2.Treibhausgasemmissionen sind die Summe aller Treibhausgase und werden in TonnenCO2-equ angegeben.CO2-Emmissionen sind nur die reinen CO2-Ausstöße, die z.B. bei der Verbrennung vonkraftstoff entstehen

6.1.2 KEA = Kumulierter Energieaufwand: Summe aller Primärenergieeinsätze, die während derbetrachteten Lebenszyklen eines Produkts aufgewendet werden müssen.

a) Herstellung, b) Betriebsphase, c) Herstellung (insbes. Akku)

Alle Stoffströme aufstellen, die bei der Herstellung, dem Gebrauch und dem Recycling eines Ob-jekts anfallen inkl. aller Vorstufen und Vorprodukte. Der dabei aufgewendete Energeiaufwand , dieEmmissionen und sonstige Umweltwirkungen werden bzgl. der Umweltschädlichkeit analysiert, ad-diert und bewertet.

Systemgrenzen: Bohrloch und Rad: Alle Aufwendungen von der Energiegewinnung (Bohrloch) biszur kinetischen Fortbewegungsenergie werden berücksichtigt, darin sind u.a. enthalten die Kon-struktion des Fahrzeugs inkl. aller Vorprodukte, die Kraftstoffherstellung und Bereitstellung, dieVerbrennung und der Gebrauch des Fahrzeugs.

6.2 Klimaziele

6.2.1 Wenn alle Sektoren gleichmäßig zur Treibhausgasreduktion beitragen, müssen alle Braun-kohle- und Steinkohlekraftwerke bis 2050 stillgelegt werden. Der gesamte Verkehr musssauf regenerative Antriebe umgestellt werden. Wenn man mit einer PKW-Lebensdauer von15 Jahren und einer Kratwerkslebensdauer von 30 Jahren rechnet, sind die Ziele realistischerreichbar. Zu Lösen bleibt das Problem der Energiespeicherung, da regenerative Energienicht fortwährend gleichmäßig zur Verfügung stehen.

6.2.2 Haushalte können durch Dämmmaßnahmen, Wärmepumpen und große umweltfreundlicheEnergiespeicher das Ziel erreichen, Probleme wir es bei energieintensiven Industriebetie-ben geben.

6.2.3 Ersetzt man ein Kohlekraftwerk, das z.B. einen Wirkungsgrad von 40 % besitzt durch einenWindpark, dessen Wirkungsgrad mit 100 % gerechnet wird, so sinkt der rechnerische Pri-märenergieeinsatz um 60 %. Daher lässt sich die Senkung des Primärenergieeinsatzesdurch die Verwendung von regenerativen Energien erreichen.

6.2.4 Beispiel Jahr 2017:

regenerative EnergiemengeGesamtenergiemenge

=217654

⋅100 %= 33,2 %




6.3 Ökobilanz Elektromobilität

6.3.1 Durchschnittsfahrer:120.000 km12.000 km/a

= 10 a 10 Jahre bei 120.000 km, 5 Jahre bei60.000 km

Wenigfahrer: halbe jährliche Fahrleistung → 10 Jahre bei 60.000 km, 20 Jahre bei120.000 km

Vielfahrer: 90.000 km

15.000 km /a= 5 a 5 Jahre bei 90.000 km

6.3.2 Y-Achsenabschnitte: Die bei der Herstellung entstehenden CO2-Mengensind bei E-Autos höher wg. des enormen Energieaufwands und damit CO2-Aussoßes beider Herstellung der BatterieSteigungen werden durch den CO2-Ausstoß während der Gebrauchsphase bestimmt.Strommix steigt langsamer wie Verbrenner, da nur CO2-Ausstoß beim Betrieb konventionel-ler Kraftwerke, bei Verbrennern entsteht CO2 bei der Kraftstoffverbrennung. Der Wirkungs-grad der Motoren ist geringer als der von Kraftwerken. Regenerativ erzeugter Strom hat kei-nen CO2-AusstoßSchnittpunkte: nach ca. 70.000 km (ca. 6 Jahren) ist der CO2-Ausstoß des mit Stommix be-triebenen E-Autos geringer als eine Dieselantrieb. Nach 23.000 bis 28.000 km (ca. 2 Jahre)haben die Verbrenner den CO2-Ausstoß überschritten, der durch die Batterieherstellungverursacht wurde.

6.3.3 Vielfahrer: Die Schnittpunkte (siehe Erklärung oben) werden in kürzerer Zeit erreicht, z.B.Regenerativ bereits nach 1,5 Jahren besser als Verbrenner.Wenigfahrer: Die Schnittpunkte werden im Vergleich zum Durchschnittsfahrer erst nach derdoppelten Zeit erreicht, z.B. Strommix besser als Diesel erst nach ca. 12 Jahren.

6.3.4 Siehe Diagramm: abgelesen bei 150.000 km: 30 t – 14 t = 16 t CO2

6.3.5 Bei 120.000 km abgelesene CO2-Menge 18,5 t minus Herstellung 9 t = 9,5 t Fahrbetrieb, davon 33,2 % durch Erneuerbare. 2013 nur 23,7 % Erneuerbare

→ 9,5 t⋅(1+0,332)

(1 + 0,237)= 10,23 t → nach 120.000 km: 10,23 t + 9 t = 19,24 t einzeichnen

→ Gerade mit größerer Steigung

→ Strommix = Diesel wird ungefähr ein Jahr später erreicht.




1 Jahr später wg. Strommix2013

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