Tanja Kessel, Janos Pasderski, Constantin Falter, Michael P. Wistuba, Stephan Büchler, Thomas Pohl

• Der voranschreitende Klimawandel, der insbesondere durch die Freisetzung von Treibhausgasemissionen bedingt ist, sowie die Verknappung von Rohstoffen aus Primärquellen und Energie aus fossilen Energieträgern erzwingen ein Umdenken in jeglichen Wirtschaftssektoren. Der Infrastruktur- und Tiefbau zeichnet sich, im Vergleich zu anderen Industriezweigen, durch einen besonders hohen Verbrauch der global verfügbaren Ressourcen aus. Im gesellschaftlichen Diskurs werden Einsparmaßnahmen zur Reduzierung der Umweltwirkungen aus der Straßeninfrastruktur primär in Bezug auf die verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen thematisiert. Umweltwirkungen werden jedoch auch zur Bereitstellung der Infrastrukturen, während Bau- und Erhaltungsmaßnahmen bzw. während des Rückbaus, freigesetzt. Die ausreichend detaillierte Berücksichtigung von Umweltwirkungen ist aktuell mangels geeigneter Datengrundlagen und systematischer Datenhaltung kaum möglich. Folglich gilt es, die aktuelle Situation des mangelhaften Informationsstands zu den Umweltwirkungen entlang des Lebenszyklus eines Straßenoberbaus aufzubauen und zu systematisieren. Dabei sind sowohl jegliche Baumaterialien, als auch vor- und nachgelagerte Bauprozesse zu erfassen und ökologisch zu bilanzieren. Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Grundlagen zur systematischen Erfassung der ökologischen Umweltwirkungen entlang des Lebenszyklus einer Straße zu entwickeln sowie Potentiale zur Einsparung von Ressourcen und zur Reduzierung von Umweltwirkungen zu qualifizieren und diese im Anschluss zu quantifizieren. Zur systematischen Analyse ökologischer Potentiale entlang des Lebenszyklus ist eine nachvollziehbare und verlässliche Datenhaltung sowie ein modulares Datenmanagement unerlässlich. Die Qualität einer Ökobilanz hängt sehr stark von zwei Datentypen ab. Zum einen sind die generischen Hintergrunddaten aus Ökoinventaren zu nennen. Zum anderen sind es technische Vordergrunddaten. Ersteres basiert in diesem Forschungsprojekt auf der Ökoinventardatenbank ecoinvent. In diesem Forschungsprojekt erfolgt eine Ökobilanzierung gemäß der Norm DIN EN ISO 14040:2006 bzw. DIN EN ISO 14044:2021. Zur Quantifizierung und transparenten Darstellung sowie Datenhaltung wurde eine excelbasierte Berechnungsgrundlage entwickelt. Der Untersuchungsgegenstand wurde vorab seitens der BASt auf einen exemplarischen Autobahnabschnitt (5km, Regelquerschnitt 31, Belastungsklasse 100, Oberbaustärke 85 cm) sowie auf die zu untersuchenden Asphalt- und Betonbauweisen eingegrenzt. Das Forschungsvorhaben fokussiert sich auf die Umweltwirkungen Treibhausemissionen, Energiebedarf und Ressourcenschonung. Die Untersuchung der Umweltwirkungen basiert dabei auf der Betrachtung eines vollständigen Lebenszyklus (Cradle-to-Grave) für verschiedene Asphalt- und Betonbauweisen. Der Cradle-to-Grave Ansatz bezieht den zeitlichen Aspekt mit ein, indem ein Betrachtungszeitraum bzw. eine (Referenz)-Nutzungsdauer je Schicht vorgesehen wird. Die Lebenszyklusbetrachtung umfasst einen Zeitraum von 50 Jahren. Die Quantifizierung von ökologischen Potentialen ist abhängig von Strukturierung und Aufbau der Lebenszyklusbetrachtung. Gemäß der Norm DIN EN 15643 ist unter einem Informationsmodul eine Bündelung von lebenszyklusrelevanten Daten, wie beispielsweise die Angaben zu den Energie- und Stoffströmen sowie zu den Umweltwirkungen zu verstehen. Die spezifische Anpassung und Definition der Informationsmodule an die Rahmenbedingungen einer Straße wurden in diesem Projekt aufgearbeitet. Zur Quantifizierung der Nachhaltigkeitspotentiale im Straßenbau wurden im Rahmen dieses Forschungsprojekts unterschiedliche Szenarien entwickelt. Jedes Szenario stellt unter der Veränderung eines Eingangsparameters die daraus resultierenden Umweltwirkungen im Vergleich zum Basisszenario dar. Ziel ist es, die Wirksamkeit der Veränderung eines Eingangsparameters auf das Gesamtergebnis der Umweltwirkungen im Allgemeinen und die Auswirkungen auf die konkret betroffenen Lebenszyklusphasen im Speziellen zu ermitteln. Unter Berücksichtigung der definierten Rahmenbedingungen scheinen die Nachhaltigkeitspotentiale für die Asphaltbauweise primär in den Bereichen der materialspezifischen Anpassung von Rezepturen, der Verlängerung von Nutzungsdauern, der Materialherstellung, der Zusammensetzung des Strommix und der Reduzierung von Transportdistanzen zu liegen. Bezogen auf die drei Umweltwirkungskategorien ist in unterschiedlicher Höhe ein Einsparpotential bezifferbar. Für die Betonbauweise liegen unter Berücksichtigung der Systemgrenzen die Nachhaltigkeitspotentiale in den Bereichen der materialspezifischen Anpassung von Rezepturen, der Verlängerung von Nutzungsdauern, der Zusammensetzung des Strommix und der Reduzierung von Transportdistanzen. Lediglich die höheren Recyclingquoten wirken sich bei der Betonbauweise kaum auf die Ökobilanzierung aus. Hier gilt es die Quantifizierung auf einer anderen Datenbasis zu überprüfen. In der Substitution von Energieträgern bei der Beschickung der Materialmischanlage wird der Betonbauweise auch kein wesentliches Potential beigemessen. Bezogen auf die drei Umweltkategorien ist in unterschiedlicher Höhe ein Einsparpotential bezifferbar.
• The advancing climate change, which is caused in particular by the release of greenhouse gas emissions, as well as the scarcity of raw materials from primary sources and energy from fossil sources are forcing a change of mind in all sectors of the economy. Compared to other industries, infrastructure and the build environment in general is characterized by a particular high consumption of globally available resources. In social discourse, savings measures to reduce the environmental impact of road infrastructure are primarily discussed in relation to traffic-related greenhouse gas emissions. However, environmental impacts are also caused during the provision of infrastructure, during construction and maintenance measures and during dismantling i.e. the end of life phase. Sufficiently detailed consideration of environmental impacts is currently hardly possible due to a lack of suitable data bases and systematic data management. Consequently, the current situation of inadequate information on the environmental impacts along the life cycle of a road superstructure needs to be developed and systematized. All construction materials as well as upstream and downstream construction processes must be recorded and ecologically balanced. The aim of the research project is to develop the basis for the systematic recording of ecological environmental impacts along the life cycle of a road and to qualify and subsequently quantify potentials for saving resources and reducing environmental impacts. Comprehensible and reliable data storage and modular data management are essential for the systematic analysis of ecological potentials along the life cycle. The quality of a life cycle assessment depends heavily on two types of data. On the one hand, there is the generic background data from life cycle inventories. The second is technical foreground data. In this research project, the former is based on the eco-inventory database ecoinvent. The project is carried out in accordance with the DIN EN ISO 14040:2006 and DIN EN ISO 14044:2021 standards. An excel-based calculation basis was particularly developed for quantification, transparent presentation and data management. The research provider, BASt (Federal Highway Research Institute, Germany), limited the scope of the study in advance to an exemplary section of a highway (5 km, standard cross-section 31, load class 100, superstructure thickness 85 cm) and to the asphalt and concrete construction methods to be investigated. The research project focuses on the environmental impacts of greenhouse gas emissions, energy requirements and resource conservation. The investigation of the environmental impacts is based on the consideration of a complete life cycle (cradle-to-grave) for various asphalt and concrete construction methods. The cradle-to-grave approach includes the temporal aspect by specifying an observation period or a (reference) service life for each layer. The life cycle assessment covers a period of 50 years. The quantification of ecological potential depends on the structure and design of the life cycle assessment. According to the DIN EN 15643 standard, an information module is a bundling of life cycle-relevant data, such as information on energy and material flows and environmental impacts. The specific adaptation and definition of the information modules to the framework conditions of a road were developed in this project. Different scenarios were developed as part of this research project to quantify the sustainability potential in road construction. Each scenario presents the resulting environmental impacts in comparison to the base scenario by changing one input parameter. The aim is to determine the effectiveness of the change in an input parameter on the overall result of the environmental impacts in general and the effects on the specifically affected life cycle phases in particular. Taking into account the defined framework conditions, the sustainability potential for asphalt construction appears to lie primarily in the areas of material-specific adaptation of material recipe, the extension of service life, material production, the specific electricity mix and the reduction of transport distances. In relation to the three environmental categories, savings potential can be quantified to varying degrees. Taking into account the system limits, the sustainability potential for concrete construction exists in the areas of material-specific adaptation of recipes, the extension of service life, the composition of the electricity mix and the reduction of transport distances. Only the higher recycling rates have little effect on the life cycle assessment for concrete construction. Here, the quantification needs to be checked on a different database. The substitution of energy sources when feeding the material mixing plant is also not considered to have any significant potential for concrete construction. In relation to the three environmental categories, savings potential can be quantified to varying degrees.