Ökologische Energiebilanz für Sandwichelemente

Die ökologische Bewertung von Produkten bedarf einer ganzheitlichen Bewertung, die sich über den gesamten Lebenszyklus erstreckt. Sie sollte beim Rohstoffeinsatz und der Produktherstellung beginnen und den Nutzen des Produktes sowie seine Umweltverträglichkeit über die gesamte Einsatzzeit erfassen. Ist die Nutzungsdauer des eigentlichen Bestimmungszwecks erfüllt, setzt sich der Lebenszyklus eines Produkts entweder über eine andere Verwertungsart oder durch Entsorgung fort. Damit sind in der Regel auch Fragen der Umweltverträglichkeit verknüpft.

Besondere Bewertungskriterien für Sandwichelemente

Die ökologischen Bewertungskriterien von Dämmstoffsystemen unterliegen aufgrund ihrer Fähigkeit Energie einzusparen besonderen Konditionen. Da Sandwichelemente über eine integrierte hochwertige Kerndämmung verfügen, gelten solche Besonderheiten auch für Sandwichelemente.

Sandwichelemente dienen durch ihre erzielbare Energieeinsparung über lange Zeit einer sehr wichtigen ökologischen und einer ökonomischen Aufgabe. Wie auch andere Dämmstoffe können Sandwichelemente daher nicht im Gleichklang mit beliebigen anderen Bauelementen bewertet werden. Sie bedürfen aufgrund ihrer überragenden Zusatzfunktion als Wärmedämmsystem hinsichtlich des ökologischen und ökonomischen Leistungsbeitrages auch einer besonderen Bewertung.
Energieeinsatz zur Herstellung von Sandwichelementen
Produktion ist mit Energieeinsatz verbunden und jede Art von Energieeinsatz hat aus prinzipiellen physikalischen Gründen ökologische Auswirkungen [1]:

• Minderung der Energieressourcen
• Veränderungen der Landschaft
• Immissionen in der Außenluft und im Niederschlag
• an die Atmosphäre bzw. Geosphäre und an den Wasserkreislauf abgegebene Emissionen

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Jede Art der Energieversorgung, des Energieeinsatzes und der Energienutzung belastet die Umwelt in einem bestimmten Maß. Der Zusammenhang zwischen Heizen und ökologischer Belastung ist heute unstreitig, ebenso der Zusammenhang zwischen Wärmeschutz, Energieeinsparung und Umweltschutz. So lautet die wesentliche Frage zur ökologischen Bewertung von Sandwichelementen mit integrierter Wärmedämmung:

Wie viel Energie wird zur Herstellung der Wärmedämmung benötigt und wie lange wird während der Nutzungsdauer des Gebäudes welche Energiemenge eingespart?

Die nachfolgende Tabelle zeigt die relative Verteilung der Herstellenergie für ein Sandwichelement mit 1 m2 Fläche, einer PUR-Hartschaum Kerndämmung von 60 mm und Aluminium-Deckschichten mit 0,05 mm Dicke.

Je länger Dämmstoffe ihre Funktion im Baukörper erfüllen und den Energiebedarf für das Heizen senken, desto stärker wirkt sich dieser Vorteil für die Umwelt aus beim:

• Einsparen von Energieressourcen
• Reduzieren von Emissionen

Aufgrund des optimalen Wärmedämmwertes von Polyurethan-Hartschaum und der wärmebrückenfreien Verbindungstechnik zählt die Sandwichbauweise auch hier zu den effektivsten Bausystemen.

Abb. 9.2.1 Aufteilung des Erdölverbrauches

Der zweifache Nutzen von Polyurethan-Hartschaum

Ein Großteil der Wärme- und Energieerzeugung dient der Beheizung von Gebäuden. Durch diesen unmittelbaren Zusammenhang zwischen Heizenergie und Emissionen, zwischen CO2 und dem Treibhauseffekt, der seinerseits zu schwerwiegenden Veränderungen des Weltklimas führen könnte, wurde Wärmeschutz in den 70er Jahren zu einer wichtigen Aufgabe. Durch die Kerndämmung aus PUR-Hartschaum bieten Sandwichelemente einen zweifachen Nutzen. In der ersten Nutzungsphase sparen sie jahrzehntelang (20-50 Jahre oder länger) Energie ein, die ein Vielfaches der Herstellenergie beträgt. In der zweiten Nutzungsphase liefert der hohe Heizwert von PUR-Hartschaum bei einer schadstoffarmen Verbrennung in Müllheizkraftwerken einen zusätzlichen Beitrag zur Energieerzeugung, der etwa ein Drittel der Herstellenergie wieder zurückbringt.

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Energieeinsparung im Vergleich zur Herstellenergie

Zur Herstellung von Polyurethan-Hartschaum benötigt man etwa 834 kWh/m3 [3]. In [4] wird dieser Kubikmeter Dämmstoff auf ein 10 m langes Sandwichelement mit Baubreite 1,0 m und einer Dämmdicke von 100 mm umgelegt und der Heizenergieverbrauch für dieses Sandwichelement mit einem k-Wert von 0,25 W/m2K näherungsweise nach folgender Faustformel ermitteln:

k-Wert x 10 = Liter Heizöl
(je m2 Außenwand- bzw. Dachfläche)

Der Heizölverbrauch beträgt demnach ca. 2,5 Liter je m2. Für das 10 m2 große Sandwichelement nach vg. Beispiel sind ca. 25 Liter Heizöl für eine Heizperiode zu veranschlagen. Eine stufenweise Erhöhung um je 5 mm Dämmstoffdicke führt zu einer Exponentialfunktion, wobei die Einsparung um so größer wird, je kleiner die beiden zu vergleichenden Dämmstoffdicken sind (vgl. Abb. 9.2.2).

Für das gewählte Beispiel eines Sandwichelements mit 100 mm Dicke und einer Fläche von 10 m2 ergibt sich demnach eine mittlere durchschnittliche Einsparung von etwa 100 Liter Heizöl je Heizperiode. Die Lebensdauer eines Sandwichelementes lässt sich je nach Produkt und Einsatzart zwischen 20 und 50 Jahren veranschlagen. Geht man auch hier von einem Mittelwert mit 35 Jahren (etwa eine Generation) aus, so liefert ein Kubikmeter PUR-Hartschaum während dieser Nutzungsdauer bei diesem Mittelwert eine gesamte Energieeinsparung von ca. 3.500 Liter Heizöl.

Der Heizwert Hu von Heizöl EL beträgt 42.700 kJ/kg (bei einer Dichte von 0,82 bis 0,86 kg/dm3 im Temperaturbereich von +20°C). Hier ist anzumerken, dass zur Förderung von Erdöl, zum Transport, zur Destillation und zur Lagerung erhebliche Energieeinsätze erforderlich sind. Bei einem Mittelwert von 0,84 kg/dm3 beträgt der Heizwert auf einen Liter Heizöl EL bezogen, 36.000 kJ/Liter (bzw. 36 MJ/Liter).

Pro Heizperiode kann 1 m3 PUR-Hartschaum demnach eine mittlere Energiemenge von 3,6 GJ und im gesamten Nutzungszeitraum von 35 Jahren 126 GJ einsparen.

Eine andere Vergleichsstudie [2] führt sogar zu jährlichen Energieeinsparungen bis zu 8 GJ/a. Bezogen auf einen Kubikmeter PUR-Hartschaum ermittelt diese Studie eine mögliche Gesamteinsparung in 50 Jahren von ca. 400 GJ. Auf die hier verwendete Nutzungsdauer umgerechnet sind das 280 GJ in 35 Jahren, also mehr als das Doppelte der hier berechneten Einsparung. Dies zeigt, dass man mit den hier verwendeten Ausgangskriterien und Zahlen auf der "sicheren Seite" befindet.

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Abb. 9.2.2 Diagramm, Einsparung an Heizöl bei Zunahme der PUR-Hartschaumdicke von je 10 mm

Energierückgewinnung nach der Nutzungszeit

Zur Vervollständigung dieser Energiebilanz ist auch das energetische Potential des Dämmstoffes nach der Nutzungszeit als Kerndämmung zu quantifizieren. Von den drei Recyclingverfahren, die prinzipiell für PUR-Hartschaum eine wirtschaftliche Rolle spielen, bietet die energetische Verwertung mit Energierückgewinnung (Thermisches Recycling) eine aussagekräftige Zahl für die Energiebilanz.

PUR-Hartschaum hat nach DIN 18230 einen Heizwert zwischen 24 und 27 MJ/kg, der hier mit einem durchschnittlichen Heizwert von 25,5 MJ/kg angesetzt wird. Die Verbrennung von einem Kubikmeter PUR-Hartschaum der Rohdichte 40 kg/m3 liefert rund 1.020 MJ bzw. 1,02 GJ Energie. Ein Vergleich mit dem Heizwert von Heizöl EL (36 MJ/Liter) führt zu einer äquivalenten Heizölmenge von 28,3 Liter. Bei einem durchschnittlichen Energiepreis von 0,25 € / Liter Heizöl, lassen sich je Kubikmeter PUR-Hartschaum rund 7,- € aus der energetischen Verwertung zurückgewinnen.

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Amortisation von Sandwichelementen

Die Erfahrung lässt den Schluss zu, dass Gebäude, die sich aus ökologischen Gründen im Herstellpreis verdoppeln, relativ geringe Marktchancen haben. Der Markt diktiert über die Finanzierbarkeit ökologischer Maßnahmen auch die Grenzen. Eine positive ökologische Energiebilanz, wie sie der Gesetzgeber z.B. durch das Energieeinspargesetz und durch die Wärmeschutzverordnung unterstützt, wird dann besonders wirkungsvoll greifen, wenn mit ökologischen Vorteilen keine gravierenden ökonomischen Nachteile verbunden sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn mit ökologischen Vorteilen auch ökonomische Vorteile einhergehen. Dies ist beim Wärmeschutz immer dann der Fall, wenn die eingesparten Heizenergiekosten, verbunden mit einer langen Nutzungsdauer, mindestens die Investitionskosten der Dämm-Maßnahmen einbringen oder gar übertreffen. Auch bei diesem Zusammenwirken zwischen ökologischen und ökonomischen Vorteilen zeichnet sich die Sandwichbauweise durch ihre niedrigen k-Werte und ihre lange Lebensdauer in besonderer Weise aus.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Sandwichelemente als tragende Bauteile eine Reihe bauphysikalischer, statischer und optischer Funktionen in sich vereinen. Mit der Montage eines Sandwichelementes werden gleichzeitig in einem Arbeitsgang neben optimalem Wärmeschutz mehrere wichtige Funktionen für die Außenhülle eines Baukörpers installiert. Dies ist bei den folgenden Investitionskosten unbedingt zu berücksichtigen.

Material- und Montagekosten von Dachflächen in Sandwichbauweise, inkl. der Kosten für Anschlüsse, kann man aktuell mit einem durchschnittlichen Wert von 52,80 €/m2 veranschlagen. Für Material- und Montagekosten, inkl. der Kosten für Anschlüsse von Wandflächen in Sandwichbauweise, beträgt die Investition derzeit etwa 43,50 € Investition je m2 Wandfläche (Mittelwert).

Die Mittelung dieser Zahlen führt bei der derzeitigen Flächenverteilung von etwa zwei Drittel für Wand- und einem Drittel für Dachflächen zu einer durchschnittlichen Investition von 46,60 €/m2 Sandwichfläche.

Für die Rohstoffkosten von einem Kubikmeter PUR-Hartschaum der Rohdichte 40 bis 45 kg/m3 sind aktuell etwa 75 €/m3 anzusetzen. Nach dem hier gewählten Beispiel (Sandwichbeispiel mit 10 m2 Fläche und 100 mm Dicke) sind unter Berücksichtigung der vg. Mittelwerte etwa 466,-- € für Material, Einbau und Anschlüsse zu veranschlagen.

Abb. 9.2.3 Ökologische Energiebilanz zur Kerndämmung PUR-Hartschaum in Sandwichelementen für eine Nutzungsdauer von 35 Jahren; Quelle: [6]

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Der Rohstoffanteil von PUR-Hartschaum an diesen Kosten beträgt ca. ein Sechstel. Bei anteiliger Berücksichtigung der Montagekosten (inkl. Anschlüsse) kommt man über eine vorsichtige Schätzung zu etwa einem Viertel dieser Investitionskosten, also zu 11,60 €/m2, die sich auf den Anteil der Wärmedämmschicht im Sandwichelement umsetzen lassen.

Nach diesen Werten ermöglicht die Sandwichbauweise etwa eine jährliche Energieeinsparung von 25 €/m3 PUR-Hartschaum. Für eine Lebensdauer von 35 Jahren ergibt sich eine Gesamteinsparung an Heizkosten von 875 € (hierbei sind noch keine Energieteuerungen und mögliche Einsparungen aufgrund einer wirtschaftlicheren Dimensionierung der Heizungsanlage berücksichtigt). Auf einen Quadratmeter Sandwichfläche umgerechnet, ergibt sich für dieses Beispiel eine gesamte Energiekosteneinsparung von 87,5 €/m2 und eine jährliche Einsparung von 2,5 €/m2.

Abb. 9.2.4 Amortisation von Sandwichelementen während einer Nutzungsdauer von 35 Jahren; Quelle: [6]

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Nach vorsichtiger Schätzung amortisiert sich der Investitionsanteil des Wärmeschutzes eines Sandwichelementes zwischen dem 4. und 5. Jahr der Nutzung. Die gesamte Investition des Sandwichelementes inklusive der Montage, also alle Funktionen der Sandwichbauweise amortisieren sich etwa nach 18 Jahren. Demnach amortisiert sich die Sandwichbauweise zur Halbzeit der angesetzten Nutzungsdauer ausschließlich über die Einsparung von Heizenergie.

In der zweiten Halbzeit der 35jährigen Nutzungsdauer addiert sich die Gesamteinsparung an Heizenergiekosten bei jährlich 2,5 €/m² auf insgesamt 42,5 € je m2 Sandwichfläche (bei konstantem Energiepreis von 0,25 E je Liter Heizöl). Geht man von der letzten Energieteuerung aus, die Preise bis zu 0,50 €/Liter Heizöl zur Folge hatte, so dürfte eine Einsparung von etwa 80 €/m² realistischer sein. Mit anderen Worten: die eingesparten Energiekosten sind mindestens doppelt, mittel- und langfristig sogar drei bis vier mal so hoch wie die Investitionskosten der Sandwichelemente. Entsprechend verkürzt sich auch die Amortisationszeit.*)

Bei vorsichtiger Einschätzung des Energieeinsparungspotentials, dem Ausklammern möglicher Einsparungen durch kleinere Dimensionen der Heizungsanlagen und Nichtberücksichtigung der zusätzlichen Funktionen des Sandwichelementes wird über die Nutzungsdauer einer Generation mindestens das 40fache zur eingesetzten Herstellenergie der Kerndämmung PUR-Hartschaum an Heizenergie und mindestens das Doppelte der Investitionskosten für die Sandwichbauweise eingespart. Mit dieser Einsparung an Ressourcen und Kapital geht gleichzeitig auch eine entsprechende hohe Reduktion der Emissionen einher, wie sie durch die Verbrennung von Heizöl oder anderen organischen Brennstoffen entstehen.

Autor: Rolf Koschade

*) Für diese Berechnung wurden Einsparungswerte als Relativierung innerhalb praxisnaher k-Werte von PUR-Hartschaum angesetzt. Es wurde konstanter Energiepreis angenommen. Auch Einsparungen für kleinere Heizungsanlagen sind nicht enthalten. Eine Berechnung der Gesamtheizkosten, die neben Energiekosten und Teuerungsraten auch Investitions-- und Festkosten beinhaltet, ergäbe kürzere Amortisationszeiten

Literaturquellen
Gertis, K. A: Wärmeschutz Energieeinsparung Umweltschutz; Universität Stuttgart Lehrstuhl Konstruktive Bauphysik 1986

BING: The environmental contribution of polyurethanes thermal insulation products - eco-profile; BING - Federation of European Rigid Polyurethane Foam Associations, Stuttgart, Nov. 1998

Isopa: Fact Sheet Recycling Polyurethanes - Polyurethanes in Perspective; Isopa - European Isocyanate Producers Association, Belgien, Brüssel, April 1997

IVPU: Eigenschaften von PUR-Hartschaum-Wärmedämmstoffen; 11. Völlig überarbeitete Auflage, Juni 1998, IVPU, Stuttgart

IVPU-Nachrichten 54: Verwertung (Recycling) und Entsorgung von PUR-Hartschaum-Abfällen; IVPU, Stuttgart 1996

Koschade, R.: Die Sandwichbauweise; Ernst & Sohn, Berlin, 2.000; S. 312, 313

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