Forschungspaket PLANET: EP-2: Energetische und ökologische Bilanz der Aufbereitung von Niedertemperaturasphalten

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: VSS2010/542
• Projekttitel Englisch: Energy and ecological balance of low temperature bituminous mixtures for asphalt pavements

Schlüsselwörter (Deutsch)

Niedertemperaturasphalt; Ökobilanz; Energiebilanz; Emissionen in Luft und Wasser; Emissionsmessungen; Umweltwirkungen; Recycling von Ausbauasphalt

Schlüsselwörter (Englisch)

Low temperature bituminous mixtures; life cycle analysis LCA; energy balance; emissions into air and water; emission measurements; environmental impacts; recycling of asphalt

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Ziel dieses Einzelprojektes besteht in der Ausführung einer globalen energetischen und ökologischen Bilanz der Niedertemperaturtechnologien zur Produktion von Asphalt- Strassenbelägen aufgrund von Messungen sowie der kritischen Analyse der anwendbaren theoretischen Modelle. Dabei werden 7 neue Methoden für die Erstellung von Niedertemperaturasphalten untersucht und mit einem Referenzmaterial (herkömmlicher Heisstemperaturasphalt) verglichen. 

Kurzbeschreibung (Englisch)

The aim of this sub-project is the development of a life cycle analysis LCA concerning energy use and ecological impacts of the production of low temperature bituminous mixtures and the subsequent construction of asphalt pavements. The emissions will be measured and the work includes the critical analysis of the theoretical models. Seven new methods for the production of low temperature material will be examined and compared with a reference material (conventional high temperature bituminous mixture).

Projektbeschreibung (Deutsch)

In der Schweiz und Liechtenstein werden jährlich in rund 100 stationären Produktionsanlagen gegen fünf Millionen Tonnen Mischgut produziert und verarbeitet. Bituminöses Mischgut ist der am meisten verwendete Baustoff zur Herstellung von Tragschichten und Deckbelägen und nimmt im modernen Strassen- und Autobahnbau und bei den Massnahmen zur Erhaltung bestehender Strassen eine dominierende Stellung ein.

Der Bedarf an Walzasphalt wird auch in Zukunft vorhanden sein, weil Strassenbeläge von Zeit zu Zeit erneuert werden müssen, was insbesondere auch zu einem erheblichen Anfall von Recyclingmaterial führt. Andererseits werden die Walzasphalt-Produkte laufend weiter entwickelt (Haltbarkeit, Lärmdämmung, etc.), was zusätzlich zu Ersatzbedarf führt.

Die Aufbereitungsanlage ist daran interessiert, Produkte auf den Markt zu bringen, die weniger heiss ausgeliefert werden müssen: durch eine Temperaturabsenkung von z.B. 20 °C könnten dabei in der Produktion gut 5 kWh/t eingespart werden. Dies bezogen auf typische Werte von 80 kWh/t (thermisch) plus 8 kWh/t (elektrisch).

Das Ziel ist es, die Umweltbilanz dieser Niedertemperatur-Asphalte zu untersuchen, die entweder bei tieferen Temperaturen eingebaut werden können, oder die bei gleich hohen Temperaturen länger verarbeitbar sind. Dass dabei die Gebrauchseigenschaften dieser NT-Asphalte nicht schlechter sind, wird von den Bauherren vorausgesetzt.

 Verschiedene Fragen betreffend die Umweltwirkung der verschiedenen möglichen Produktionsweisen müssen dabei behandelt werden, wie z.B.

-          Abluftemissionen, die durch die verwendeten Einbauhilfen induziert werden

-          ‘Graue’ Umweltbelastung der verwendeten Einbauhilfen, z.B. Paraffine (Fischer-Tropscher Herstellungsprozess) 

-          Unterschiedliche Abluftemissionen in Funktion der nötigen Verarbeitungstemperaturen

-          Rolle der PAK-Emissionen bei Verwendung von Recyclingmaterial

-          etc.

Im Rahmen dieses Teilprojektes sollen also verschiedene neue Methoden zur Herstellung von Niedertemperaturasphalten auf ihren Energieverbrauch und ihre Umweltwirkung hin untersucht werden. Dabei werden folgende Prozesse berücksichtigt: die Aufbereitung der Rohstoffe und die Produktion von Mischgut in der Anlage, der Heiss-Transport zur Baustelle sowie die Verdichtung und der Einbau der Strassenbeläge.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Die tieferen Verarbeitungstemperaturen in der Produktionsanlage des Mischgutes und auf der Baustelle sollten sich positiv auf die Energiebilanz und die Umweltbilanz auswirken (Reduktion des Verbrauchs fossiler Brennstoffe).

Wir erwarten eine Quantifizierung dieser Verbesserungen bei der Verwendung von Niedertemperatur-Asphalten, sowie eine Identifikation und Quantifizierung allfälliger gegenläufiger Effekte, die bei Produktion und Einbau von Niedertemperaturasphalten auftreten könnten.

Nutzniesser der Resultate sind einerseits die Strassenbauunternehmer und Asphaltmischwerke, denen Entscheidungs- und Kommunikationsgrundlagen geliefert werden, um die Umweltauswirkungen des Strassenbaus zu steuern und zu kommunizieren. Andererseits gehört die gesamte Gesellschaft zu den Nutzniessern, da durch die Verwendung der angestrebten Forschungsresultate die Energieverbräuche und die negativen Umweltwirkungen des Strassenbaus – insbesondere die Emission von Treibhausgasen und toxischen Substanzen – vermindert werden können..

Methoden (Deutsch)

Diese Ökobilanz soll nach gültigen internationalen Normen und in Einklang mit den ISO-Standards erstellt werden. Die Ökobilanz wird gemäss ISO 14044 in vier Schritten ausgeführt:

 

[1] Definition von Zielen und Systemgrenzen

[2] Erstellen der Sachbilanz (engl. life cycle inventory, LCI)

[3] Wirkungsabschätzung (engl. life cycle impact assessment, LCIA)

[4] Interpretation der Umweltgefährdung (Dominanz- und Sensitivitätsanalysen)

Das Ziel ergibt sich aus der Zielsetzung des gesamten Forschungsprojekts: Potenzial und Analyse der Niedertemperatur-Asphalte. Es soll aufgezeigt werden, welches die Ökobilanz-Unterschiede bei der Produktion und Verwendung verschiedener Strassenbeläge sind. Bezugsgrösse für die Ökobilanz ist daher die Tonne korrekt eingebauter Strassenbelag. Die Systemgrenze umfasst das Mischwerk, den Transport zur Strassenbaustelle und den Einbau in die Strasse (Skizze). Die Energiebilanz wird separat ausgewiesen, ist aber ihrerseits auch ein Teil der Ökobilanz.

 

(siehe Zeichnung link unten)

Für das Erstellen der Sachbilanz werden zahlreiche Messungen und Analysen am Mischgut und an den Produktions- und Einbauprozessen benötigt. Es gilt das Prinzip, dass alle Ressourcenverbräuche und Emissionen innerhalb des Systemperimeters zu messen sind, welche einen relevanten Beitrag zur Ökobilanz leisten könnten. Mittels einer Relevanzanalyse wird herausgefunden, welche dies sind. Wir gehen zur Zeit davon aus, dass folgende Messgrössen zu bestimmen sind:

- Die Energieverbräuche der Produktion im Mischwerk und des Einbaus in die Strasse
- Die damit verbundenen CO2-Emissionen
- Die Abluftemissionen des Mischwerks (inklusive Organika nach bestimmten Stoffen)
- Die Abluftemissionen beim Verschicken, Transport und Einbau des Mischguts, inklusive
  die Abluftemissionen der dabei verwendeten Baumaschinen

           - Das Leaching bzw. Ausgasen  von Organika aus dem eingebauten Mischgut

Unter den verschiedenen Teilprojekten gibt es Synergien, was die Erhebung von Messdaten betrifft. Wir gehen zur Zeit – in Einklang mit dem „Projet Initial“, Kap. 8.3 - davon aus, dass die Abluftmessungen am fertigen Mischgut im Mischwerk, das Leaching aus dem Mischgut, die Bestimmung der Energieverbräuche bei der Produktion und beim Einbau (Labor) sowie eine Eichmessung der tatsächlichen Energieverbräuche auf der Teststrecke durch das EP2 auszuführen sind, dass wir hingegen die Energieverbräuche und Abluftdaten des Mischwerks vom EP1 und die Abluftemissionsdaten des Mischguts auf der Strassenbaustelle vom EP7 zur Verfügung gestellt bekommen. Die Produktion des nötigen Mischguts selber geht zu Lasten des EP3. Es wird ein Koordinationsaufwand nötig sein, um sicherzustellen, dass die Daten in einer durch uns weiterverarbeitbaren Weise erhoben werden. Auch ist der Zeitplan so abzustimmen, dass die teilbereichsübergreifenden Messdaten termingerecht ausgeführt werden können. Natürlich müssen alle Sachbilanzmessungen je separat für die verschiedenen ‚Familien‘ von Warmasphalten und für den Vergleichs-Asphalt (=Referenz) vorgenommen werden.

 

Für das Erstellen der Wirkungsabschätzung aus der Sachbilanz stehen verschiedene gebräuchliche Ökobilanz-Methodiken zur Verfügung. Wir schlagen vor, die in Europa bekannte und vielfach angewendete CML-Methodik anzuwenden, welche verschiedene Wirkungsindikatoren separat aus der Sachbilanz rechnet und ausweist [cml]. Diese Wirkungsindikatoren können als unterschiedliche „Währungen der Umweltwirkung“ versinnbildlicht werden, so dass verschiedene Arten von Schäden auf die Umwelt berechnet werden können. Für die geplante Arbeit werden unter anderem die folgenden Wirkungsindikatoren berücksichtigt werden: GWP - global warming potential, AP – acidification potential, EP – eutrophication potential, HTP - human toxicity, POF – photochemical oxidation, summer smog.

 

Die CML-Methodik weist zwei grosse Vorteile auf:
- Dadurch, dass sie die verschiedenen Umwelteinwirkungen separat ausweist, erfüllt sie die  
  Forderungen von ISO 14044 (im Gegensatz zB. zur Methode der ökologischen
  Knappheit des Schweizerischen BAFU)

             - Die Wirkungsdsaten für CML für die verschiedensten Sachbilanz-Effekte sind in der
  „EcoInvent“-Datenbank publiziert und können dort relativ problemlos beschafft werden

 

Ein Nachteil der CML-Methodik ist, dass das ISO-konforme, separate Ausweisen der verschiedenen Wirkungen zu schwer verständlichen mehrdimensionalen „Resultaten“ führt und dass eine Gewichtung und Aggregation der Wirkungen auf eine einfache Variable (zB. „Umweltbelastungspunkte“) fehlt. Wir schlagen deshalb vor, nachgeschaltet zur Wirkungsanalyse nach CML eine Aggregation der Wirkungen nach der sog. „Shadow Price“ Methodik [harm] durchzuführen.

 

Eine ausführliche Dominanz- und Sensitivitätsanalyse wird aufzeigen, wo die hauptsächlichen Umweltbelastungen bei Produktion und Einbau von Belagsmischgut herstammen und welche hauptsächlichen Unterschiede bei der Verwendung der verschiedenen Warmasphalte entstehen. Zudem wird sorgfältig überprüft, welche Parameter einen besonders sensitiven Einfluss auf das Resultat haben, und wie stabil diese sind. Diese Analyse soll damit letztlich auch ermöglichen, Aussagen darüber zu machen, wie spezifische Verbesserungen der Umweltbilanz in Produktion und Einbau von Strassenbelag am effizientesten erreichbar sind. 

Zugehörige Dokumente

• Zeichnung.pdf [PDF] 122 kB

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Prüfgeräte für Abluftmessungen in der Anlage und im Labor inkl. chemisch analytische Untersuchungen.

Vollständige Einrichtungen eines modernen Institutes für Materialprüfungen

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Der allgemeine Forschungsstand von Niedertemperaturasphalt wurde im Bericht des Initialprojektes eingehend dokumentiert [buec p. 37].

Erste Publikationen über Niedertemperaturasphalte wurden im Rahmen des Kongresses Eurasphalt & Eurobitume 2000 in Barcelona veröffentlicht. Es existieren zum heutigen Zeitpunkt mehrere Forschungsarbeiten über Emissionsmessungen und Energiebetrachtungen der Niedertemperaturasphalte sowie erste Langzeitbeobachtungen über das Verhalten und die Alterunsprozesse der erschiedenen Mischungen. Niedertemperaturasphalte sind noch nicht weiträumig im Einsatz, aber insbesondere in Frankreich und Deutschland wird der Einsatz unterstützt. In den USA sind mehrere Organisationen (NCAT, FHWA und NAPA) intensiv an Forschungsarbeiten beteiligt.

Referenzliste:

Co-Autor des Berichtes VSS 2008/502 „Initialprojekt – Asphalt-Mischgut mit geringer energetischer und ökologischer Belastung.

Projektziele (Deutsch)

-          Globale energetische und ökologische Bilanz der Niedertemperaturtechnologien zur Produktion von Asphaltbelägen im Strassenbau

-          Vergleich der Ergebnisse mit Referenztechnologie (konventionelle Asphaltbeläge)

Kritische Analyse der anwendbaren theoretischen Modelle zur Bilanzierung

Projektziele (Englisch)

-          Life cycle analysis LCA concerning energy use and ecological impacts of the production of low temperature bituminous mixtures and the subsequent construction of asphalt pavements

-          Comparison of the results with a reference material (conventional high temperature bituminous mixture)

Critical analysis of the theoretical models for LCA

Forschungsplan (Deutsch)

Forschungsplan siehe link unten

Zugehörige Dokumente

• Forschungsplan.pdf [PDF] 131 kB

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Eine der Hauptvorteile der Niedertemperaturasphalte liegt im energetischen und ökologischen Gewinn des Produktes bei der Herstellung und bei der Verarbeitung. Dies kann die Produktionskosten reduzieren

Berichtsnummer (Deutsch)

1586

Berichtsnummer (Englisch)

1586

Literatur (Deutsch)

[buec]  N. Bueche, A.-G. Dumont, Ch. Angst, Initialprojekt – Asphalt-Mischgut mit geringer energetischer      und ökologischer Belastung, VSS 2008/502, 2009

[bitu] Gesprächskreis Bitumen, Temperaturabgesenkte Asphalte, 2009, www.gisbau.de

[cml] Guinée, Jeroen et al., New Dutch LCA guide, 2001 http://cml.leiden.edu/research/industrialecology/researchprojects/finished/new-dutch-lca-guide.html

[eapa1] Low Temperature Asphalt, EAPA, 2005

[eapa2] Environmental Guidelines on Best Available Technologies (BAT) for the Production of Asphalt Paving Mixes, EAPA, 2007

[eapa3] The Use of Warm Mix Asphalt, Position Paper, EAPA, 2010

[gasc] A. Gaschen, Zug um Zug zur Ökobilanz, Umweltperspektiven 3 - 2010 p. 39

[gaud] V. Gaudefroy et al., Laboratory investigations on the Total Organic Compounds emissions of half-warm mix asphalt technology versus traditional hot mix asphalt, ISAP 2008, Zürich, p. 245 – 254

[harm] Harmelen, A.K. van, Ligthart, T.N., Leeuwen, S.M.H. van, Korenromp, R.H.J., Gijlswijk, R.N. van, 2004, Toxicity has ist price. Shadow prices for eco and other toxicity and exhaustion of abiotic raw materials within DuboCalc.

[herz] M. Herzog, H. Schindlbauer, Abschätzung der Immissionsbelastung im Nahbereich stationärer Heissmischanlagen, Bitumen 4/94 p. 146-150

[holl] C. Holldorb, Th. Mayer, Ökoprofil für Asphalt und Betonbauweisen von Fahrbahnen, Hochschule Biberach, im Auftrag des DAV, 2009

 [napa] The Asphalt Paving Industry – A Global Perspective: Production, Use, Properties, and Occupational Exposure Reduction Technologies and Trends; NAPA & EAPA, 2009

 [rade] M. Radenberg, Temperaturabsenkung bei Asphalt – Grundlagen und Erfahrungen, Tiefbau 5/2007, p.310

[rueh] R. Rühl, Nur noch mit abgesenkter Temperatur, Gussasphalt zwischen Gefahrstoff- und REACH-Verordnung, asphalt 4/2008

[stol] J. Stolz, Umwelt-Materialien Nr. 126: Luftschadstoff-Emissionen von Strassenbaustellen, Teil 1: PAH und VOC, BUWAL 2001