Projekt 35658/01

Erarbeitung von Datengrundlagen und Muster-Umweltproduktdeklarationen für Lehmmauermörtel, Lehmsteine und Lehmplatten unter besonderer Berücksichtigung der Möglichkeiten des Recyclings

Projektdurchführung

Zielsetzung

Das Projekt knüpft an die Ergebnisse des vorangegangenen, ebenfalls von der DBU 2016 – 2018 geförderten Projektes (Az.: 32985) zum Aufbau von Strukturen und Regelwerken zur Erstellung und Verifizierung von Umweltproduktdeklarationen (UPD) für Lehmbaustoffe an. Es wurden die Datengrundlagen für Muster-UPD nach der aktualisierten DIN EN 15804: 2002-03 für weitere Produktkategorien auf Basis des zuvor entwickelten Regelwerkes gemäß DIN EN ISO 14025 erarbeitet, und zwar für Lehmmauermörtel (LMM), Lehmsteine (LS) und Lehmplatten (LP).
Mit der verpflichtenden Berücksichtigung der Module C (Entsorgung) und D (Gutschriften) im allgemeinen Schema der Ökobilanz nach DIN EN 15804:2022-03 erhalten die Rückgewinnungspotenziale einen größeren Stellenwert als bisher. In Kooperation mit der FH Potsdam wurden Modelle zur Quantifizierung der Rückgewinnungspotenziale der drei Lehmbauprodukte LMM, LS und LP entwickelt und verifiziert. Die-ser Projektabschnitt umfasste Untersuchungen zu Baustoff- bzw. Bauteileigenschaften, Rückgewinnungstechniken und Wiederverwendungs- bzw. Wiederverwertungsmöglichkeiten. Die Analyse zu generischen Ökobilanzdaten für Lehmbauprodukte im Rahmen des Vorgängerprojektes zeigte deutliche Defizite in der Abbildgenauigkeit der entsprechenden Daten in öffentlich zugänglichen Datenbanken auf, insbesondere in der Datenbank ÖKOBAUDAT des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumfor-schung (BBSR). In Kooperation mit der TH Ostwestfalen-Lippe sollten Wissenslücken und Defizite durch Übertragung der Projektergebnisse in das Format der ÖKOBAUDAT abgebaut werden.
Kern der Projektarbeit war die systematische Erarbeitung von Datengrundlagen für die Entwicklung von Muster-UPD für das gesamte Spektrum der DIN-basierten Lehmbauprodukte unter Einbeziehung neuer Daten zum Rückgewinnungspotenzial der Lehmbaustoffe. Die Daten beziehen sich auf die verschiede-nen, bekannten Verfahrenstechniken für die Herstellung von LMM, LS und LP.
Ein erstes Ziel der Analyse war die Erstellung einer Typ III UPD nach DIN EN ISO 14025 als Umweltin-formation für die Planung und Ausführung von Bauteilen / Konstruktionen mit Lehmprodukten. Ein weiteres Ziel bezog sich auf die Optimierung von Produktionsprozessen und Verfahrenstechniken durch das Aufzeigen ökologischer Schwachstellen, durch deren Beseitigung Umweltbelastungen reduziert werden konnten. Ein drittes Ziel war die Beantwortung der Frage, ob sich aus Gebäudeabbruch oder Demontage rückgewonnene Lehmbauprodukte mit „ökologischem Gewinn“ wiederverwenden bzw. wiederverwerten lassen.
In Kooperation mit der Fachhochschule Potsdam wurden Versuche zum Rückbau und zur Wiederver-wendung / Weiterverwertung von Lehmbauprodukten durchgeführt und Rückgewinnungsverfahren experimentell erprobt. Damit bilanzierte Lehmbauprodukte stärkere Berücksichtigung bei Gebäudeplanungen für nachhaltige Neubauten und Sanierungen finden können, wurden die Ergebnisse der Muster-UPD in Kooperation mit der TH Ostwestfalen-Lippe in einschlägige Datenbankformate transferiert.

Arbeitsschritte

Im Projektverlauf entstand eine Arbeitsteilung zwischen den Kooperationspartnern, die sich auf drei Schwerpunktthemen erstreckte:
1) Erstellen der Muster-UPD nach systematischer Auswertung von Produktdatenblätter und Hersteller-befragung unter Einbeziehung generischer Hintergrunddaten.
2) Experimente und Baustoffprüfungen zur Rückgewinnung der drei untersuchten Lehmproduktkatego-rien (FH Potsdam).
3) Verifizierung der Muster-UPD und Übertragung der Bilanzergebnisse in Datenbankformate (TH Ostwestfalen-Lippe).
Die Bewertung der End-of-Life Phase von Lehmbaustoffen erforderte die Entwicklung methodischer An-sätze für die Schaffung von Grundlagen für zukünftige UPD nach DIN EN 15804:2022-03. Für das Informationsmodul A1 „Rohstoffbereitstellung“ wurde der Begriff Baulehm unter Einbeziehung von Rück-gewinnungspotenzialen in vier Kategorien klassifiziert:
Grubenlehm ist erdfeucht dem geologisch „gewachsenen“ Boden entnommener natürlicher Primärrohstoff .
Primärgrubenlehm wird zielgerichtet für die Herstellung von Lehmbauprodukten abgebaut. Durch Ge-winnungstechnik verursachter Aufwand wird dem Modul A1 zugerechnet („Verursacherprinzip“).
Sekundärgrubenlehm fällt bei Tiefbauarbeiten als Bodenaushub an, kann als Sekundärrohstoff weiterverwertet werden und reduziert das Aufkommen an Bauabfällen. Er verliert damit seine Abfalleigen-schaft, tritt in ein neues Produktsystem über und erfährt dort eine Aufwertung (Up-Cycling).
Trockenlehm ist getrockneter, ggf. gemahlener Grubenlehm. Tonmehl ist natürlicher, getrockneter, ggf. gemahlener Ton. Beide Produkte können zur Erhöhung der Bindekraft von mageren Baulehmen als Zusatzstoff verwendet werden. Tonmehl und Trockenlehm sind Vorprodukte die auf Basis originärer Herstellerangaben und nicht nach generischen Datensätzen (z.B. Ökobaudat) im Projekt bilanziert wurden.
Presslehm ist ein bei der Kiesgewinnung anfallendes Abfallprodukt, das beim „Aufsuchen, Ausbeuten und Gewinnen sowie bei der chemischen / physikalischen Behandlung von Bodenschätzen“ anfällt. Er wird als Kies-Wasch-Schlamm in Silos oder Becken aufgefangen und enthält die für die Betonindustrie nicht nutzbaren Feinkörnungen Ton, Schluff und Feinsand. Der nach Entwässerung zurückbleibende Filterkuchen besitzt noch einen hohen Wassergehalt, der mittels Kammer- / Membranfilterpressen auf eine Restfeuchte von 15 – 20 % erheblich reduziert wird.
Recyclinglehm ist aus Abbruchbauteilen trocken zerkleinerter, rückgewonnener Lehmbaustoff. Er liegt i. d. R. als Bestandteil von Baumischabfall vor und muss durch geeignete Trennverfahren für eine Wieder- bzw. Weiterverwertung separiert werden. Wie Sekundärgrubenlehm den Verbrauch natürlich gewachsener Primärrohstoffe verringert, reduziert Recyclinglehm das Aufkommen an Bauabfällen. Bei der Berechnung der Ökobilanz wird die Verwendung von Recyclinglehm dem Einsatz von Primärgrubenlehm gegenübergestellt und im Modul D der „ökologische Gewinn“ nach Aufbereitung als Rückge-winnungspotenzial ausgewiesen.
Recycling ist allgemein definiert als „erneute Verwendung oder Verwertung von Produkten sowie Werkstoffen in Form von Kreisläufen“. Im Bauwesen unterscheidet man in Produkt- und Materialrecycling, in Abhängigkeit von der Beibehaltung der ursprünglichen Produktgestalt.
Produktrecycling bedeutet die Wieder- / Weiterverwendung von Baustoffen / Bauteilen in ihrer ur-sprünglichen Gestalt und i. d. R. für die ursprüngliche Verwendung. Dazu erforderlich ist ein selektiver Rückbau, um sortenreine / unbeschädigte Produkte / Bauteile zu erhalten, gefolgt von den Teilprozes-sen Zwischenlagerung, Säuberung und ggf. Reparatur.
Materialrecycling ist die Wieder- / Weiterverwertung von Baustoffen / Bauteilen nach Auflösung ihrer ursprünglichen Gestalt. Die Verwertung kann anschließend im ursprünglichen Produktsystem (Primärrecyclinglehm) oder in einem anderen Produktsystem erfolgen (Sekundärrecyclinglehm).
Primärrecyclinglehm wird zielgerichtet als Baulehm wiederverwertet.
Sekundärrecyclinglehm wird für einen Produktionsprozess außerhalb des Lehmbaus weiterverwertet, z. B. die Separierung von Kies- und Sandfraktionen im rückgebauten Lehmprodukt für eine mögliche Betonproduktion („urban mining“). Unterschieden werden vier Recyclingformen bei denen von der Wieder-verwendung bis Weiterverwertung ein stufenweiser Wertverlust im Vergleich zum Ausgangsprodukt / -stoff eintritt (Downcycling):
Wiederverwendung ist die direkteste Recyclingform mit geringstem Aufwand und größtem Werterhalt.
Weiterverwendung ist eine Verwendung in ursprünglicher Produktkategorie, aber niedrig wertiger Anwendung.
Die Wiederverwertung als Primärrecyclinglehm für neue Lehmbauprodukte ersetzt den Ausgangsstoff „Grubenlehm“ in ursprünglicher oder anderer Produktkategorie der Lehmbaustoffe.
Die Wiederverwertung als Sekundärrecyclinglehm ersetzt Ausgangsstoffe in Produktsystemen außerhalb des Lehmbaus, die aus dem Recyclinglehm extrahiert werden.

Ergebnisse

Es werden die Rückgewinnungspotenziale und ökologischen Kerngrößen für LMM (DIN 18946), LS (DIN 18945) und LP (DIN 18948) erörtert. Das Projekt befasste sich mit der Quantifizierung des Gebäudeabrisses (Modul C1), der Abfallaufbereitung (Modul C3) und der Rückgewinnungspotenziale (Modul D). Ausgehend von den erarbeiteten methodischen Grundlagen zum Recycling entstand eine Systematik des Rückgewinnungsmoduls D für alle Muster-UPD mit drei definierten Verwertungswegen D1 – D3:
- Modul D1 bewertet die direkte Wiederverwendung von sortenrein zurückgewonnen, unbeschädigten Lehmprodukten,
- Modul D2 bewertet die Wiederverwertung von aufbereitetem Lehmsteinbruch als Ausgangsstoff für die Herstellung neuer Lehmprodukte der gleichen Kategorie,
- Modul D3 bewertet die Wiederverwertung von aufbereitetem Lehmsteinbruch für andere Lehmbaustoffe, die mit Trockenlehm hergestellt werden.
In Tab.1 und Tab.2 werden die Rückgewinnungspotenziale (PEI; GWP) für Lehmsteine und Lehmplatten dargestellt. Deren Wiederverwertung hat die FH Potsdam (Prof. Dr. Pistol) experimentell in Großversuchen nachvollzogen. Die Rezyklate wurden im Baustofflabor nach Prüfnorm mit den werkseitig hergestellten Primärprodukten verglichen. Die geprüften bauphysikalischen Eigenschaften der Rezyklate entsprachen den werkseitigen Primärprodukten. Die Ökobilanzdaten wurden von der TH Ostwestfalen-Lippe (Prof. Schulz) verifiziert und mittels open-Source Software in Datenbank kompatible Formate transferiert.
Der Primärenergieeinsatz (PEI) für den Herstellprozess von erdfeuchten, ungetrockneten LMM 1 beträgt 0,0091 MJ/kg LMM 1. Das sind 40 % des gesamten PEI vom Ausgangsstoff zum Werkstor (IM A1 –A3) in Höhe von 0,023 MJ/kg LMM 1. Der Anteil regenerativer Energieträger, Wasserkraft aus Flusskraftwerken, beträgt 26 %. Die Treibhausgaspotenziale (GWP) summieren sich auf 0,01 kg CO2 equiv. / kg LMM 1. Die technisch getrockneten LMM 2 bestehen aus Sekundärgrubenlehm (70 M.- %), Sand (20 M.-%) und Holzspänen (10 M.-%). Auf die Trocknung mit Flüssiggas in einem Trommeltrockner entfallen 0,62 MJ/kg LMM 2 oder rund 60 % des gesamten PEI in Höhe von 1,038 MJ/kg LMM 2. Insgesamt ergibt sich eine negative Bilanz des GWP mit -0,067 kg CO2equiv./ kg LMM 2. Die Rezeptur enthält 10 M.-% Holzspäne. Der darin gebundene Kohlenstoff reduziert das GWP um 0,109 kg CO2equiv./kg LMM 2. Das gesamte GWP ohne Gutschrift für gebundene Kohlenstoffe würde sich auf +0,043 kg CO2 equiv./kg LMM 2 erhöhen. Die Daten zu Lehmsteinen beziehen sich auf zwei Verfahrenstechniken, die Freilufttrocknung (LS 1) und die technische Trocknung durch Wärmezufuhr(LS 2). LS 1 (Freilufttrocknung): Der größte Anteil am gesamten PEI entfällt mit 0,377 MJ / kg LS1 oder 92 % auf die beiden Ausgangsstoffe Primärgrubenlehm (90 M.-%) und Holzspäne (10 M.-%). Dabei trägt die Bereitstellung des Primärgrubenlehms nur mit 0,042 MJ / kg LS1 oder 11 % zum PEI bei. Der Hauptanteil (89 %) ergibt sich aus der Bewertung der Holzspäne nach massebezogener Allokation aus der Schnittholzproduktion. Vom Ausgangsstoff bis zum Werkstor (A1 – A3) haben LS 1 ein negatives Treibhausgaspotential von -0,11 kg CO2 equiv. / kg LS. Ursächlich dafür ist der in den Holzspänen (10 M.-%) gespeicherte Kohlenstoff mit 0,12 kg CO2 equiv./ kg Holzspäne. Ohne die CO2-Gutschrift für Holzspäne würde das Treibhausgaspotenzial (IM A1 –A3) 1,12E-02 kg CO2equiv. / kg LS 1 ansteigen. Die technische Trocknung von LS 2 erfordert einen Energieeintrag in Höhe von 0,945 MJ / kg LS 2. Als theoretische Berechnungsgrundlage wurde die Verdampfungsenthalpie herangezogen. Die spezifische Verdampfungsenthalpie von 2.038 kJ/kg Wasser bei 20 M.-% Wassergehalt in der Mischung (Restfeuchtegehalt nach Trocknung von 5 M.-%) ergeben den physikalisch hergeleiteten Wärmebedarf zur Trocknung von 0,79 MJ/kg LS2. Die technische Trocknung führt rechnerisch zu Treibhausgasemissionen von insgesamt 0,052 kg CO2 equiv. / kg LS2. Anders als LS 1 bestehen LS 2 aus 100% Baulehm, somit gibt es keine CO2-Gutschriften. Knapp 95 % der Treibhausgaspotenziale entfallen auf den Trocknungsprozess, theoretisch als worst-case Szenario abgeleitet und Erdgas als Energieträger unterstellt. Der Primärenergiebedarf für die Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) zur Trocknung von Lehmplatten (LP) bewegt sich in einer Bandbreite von 3.018 – 4.822 MJ/m³. Damit entfällt bis zu 86 % des durchschnittlichen Gesamtenergieeinsatzes von 5.600 MJ/m³ LP auf die KWK. Dem steht die exportierte elektrische Energie aus der KWK in Höhe von durchschnittlich 2.060 MJ/m³ LP gegenüber. Das gesamte GWP 100 für die IM A1 – A3 summiert sich auf 137 kg CO2 equiv. / m³ LP. Die für LP verwendeten pflanzlichen Rohstoffe mit bis zu 12M.-% enthalten gebundenes CO2, das mit durchschnittlich -176 kg CO2 equiv. / m³ LP in die Berechnung einbezogen wurde. Am Ende des Lebenszyklus werden LP, LS und LMM wiederverwendet oder wiederverwertet. Deshalb verbleibt dieses gebundene CO2 im Stoffkreislauf und wird nicht wieder freigesetzt.

Öffentlichkeitsarbeit

Während der Projektlaufzeit wurden drei Maßnahmen zur Verbreitung und Präsentation der Projekter-gebnisse durchgeführt oder eingeleitet:
- Die FH Potsdam organisierte zusammen mit allen Kooperationspartnern ein interdisziplinäres Symposium unter dem Titel „Baustoffrecycling & Lehmbaustoffe – Perspektiven für eine Kreis-laufwirtschaft im Bauwesen“.
- Der Dachverband Lehm veranstaltete gemeinsam mit allen Kooperationspartnern ein Hersteller-seminar zur Präsentation und Diskussion der Ergebnisse. Alle Teilnehmer erhielten die drei Muster-UPD zur kritischen Kommentierung.
- Die TH Ostwestfalen Lippe beantragte die Aufnahme der Muster UPD in die ÖKOBAUDAT nach Übertragung in ein mit Datenbanken kompatibles Format mit openLCA Software.
- Die Projektergebnisse zum Recycling von Lehmprodukten finden Eingang in dern Normungsprozess für Lehmsteinmauerwerk (DIN 18940) und alle Produktnormen.
Im Nachgang zum Projekt folgen weitere, während des Projektes begonnene oder vereinbarte Veröffentlichungen:
- Zwei Gradierungsarbeiten zu den Ergebnissen der durchgeführten Rückbauversuche.
- Eine Buchveröffentlichung über das interdisziplinäre Symposium zu Baustoffrecycling & Lehm-baustoffe.
- Veröffentlichung der verifizierten drei neuen Muster-UPD auf der Interseite des Dachverbandes Lehm e.V.
- Eine Buchveröffentlichung über beide, aufeinander aufbauende Förderprojekte „UPD Lehm 1/ 2“ der DBU von 2016 – 2022.

Fazit

Gegenüber DIN EN 15804/A1:2018 enthalten die drei in diesem Projekt entwickelten Muster-UPD eine ausführliche Bewertung der End-of-Life Phase gemäß der überarbeiteten DIN EN 15804:2022-03. Mit dem Kooperationspartner Fachhochschule Potsdam FHP (Prof. Dr. Klaus Pistol) fanden erstmals sys-tematisch untersuchte Abbruch- und Rückgewinnungsversuche mit Lehmsteinmauerwerk und Lehmplatten statt.
Methodisch wird ein neuer Ansatz zur Bewertung von Rückgewinnungspotenzialen aus den Versuchen abgeleitet und in den drei Ökobilanzen quantifiziert. Unterschieden wird zwischen a) Wiederverwendung in ursprünglicher Produktgestalt und gleicher Produktkategorie (Lehmsteine, Lehmplatten), b) Wieder-verwertung nach Auflösung der ursprünglichen Produktgestalt (Lehmputzmörtel, Lehmmauermörtel) und c) Aufbereitung zu Lehm-Rezyklat für Anwendungen im Lehmbau sowie Weiterverwertung von Komponenten des Abbruchmaterials für andere Baustoffe außerhalb des Lehmbaus (Abtrennung von Sand für Beton).
Im Verlauf des Projektes stellte sich die Kommunikation der ermittelten Daten der drei Muster-UPD im Rahmen der Gebäudezertifizierung als größere Herausforderung dar, als bei Antrag-stellung angenommen. Mit dem Kooperationspartner TH Ostwestfalen-Lippe (Prof. Jens-Uwe Schulz, Maximillian Rentz) konnten einschlägige Datenbanken und Software eingebunden werden, die zunächst der Verifizierung der errechneten Daten der Muster-UPD dienten. In einem weiteren Arbeitsschritt transferierte die TH OWL die verifizierten Daten in kompatible Datenformate als zwingende Voraussetzung für den Eintrag in Umweltdatenbanken. Nach dieser Grundlagenarbeit wurde die Eintragung der umformatierten Daten in die ÖKOBAUDAT beantragt und seitens der verantwortlichen Stellen in einem Gutachterverfahren positiv beurteilt aber zum Zeitpunkt dieser Berichterstattung noch nicht entschieden..
Das Projekt schließt die Wissenslücken bei der ökologischen Bewertung von Lehmbaustoffen, erstellt eine systematische Bewertung der Rückgewinnungspotenziale, schafft Anreize für Hersteller nach den Muster-UPD eigene produktspezifische UPD zu erstellen und eröffnet den Zugang zu Datenbanken für die Gebäudezertifizierung.