Die ökologische Performance von Geokunststoffen – Chancen und Herausforderungen in der Offshore-Anwendung

Einleitung

Die Bauwirtschaft ist global von großer Bedeutung, um die Ziele einer nachhaltigen Entwicklung zu erreichen. Sie trägt global zu rd. 50 Prozent der genutzten Ressourcen, 30-40 Prozent des Energiebedarfs, 20-40 Prozent der Treibhausgasemissionen sowie rd. 17 Prozent des Verbrauchs an Frischwasser bei. Auf der anderen Seite tragen alle Akteure in der Wertschöpfungskette der Bauwirtschaft dazu bei, dass bis zu 10 Prozent des Bruttoinlandsprodukts dort generiert wird sowie 7 Prozent aller Beschäftigten diesem Sektor zugeordnet werden können.

Es ist offensichtlich, dass unsere heutige Art des Produzierens und Konsumierens nicht den Anforderungen an eine nachhaltige Entwicklung entspricht, wie sie unter anderem in den 17 Nachhaltigkeitszielen der Vereinten Nationen definiert werden (siehe Abbildung 1).

Abb. 1: Die 17 Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen

Insbesondere trifft dies zu, wenn wir den weiterhin steigenden Trend des Bevölkerungswachstums sowie den Bedarf einer nachholenden ökonomischen Entwicklung der sich entwickelnden – und heute noch armen/ärmeren Länder – sowie die Bedürfnisse der zukünftigen Generationen dabei berücksichtigen.

Auch wenn diese Einsicht erst sehr langsam Fuß fasst und die gesetzlichen, ökonomischen und soziokulturellen Rahmenbedingungen herausfordernd sind, so sind doch zahlreiche Beschlüsse auf allen politischen Ebenen getroffen worden, um einem „Weiter so wie bisher“ entgegenzuarbeiten. In den letzten Jahrzehnten hat dabei auch eine Entwicklung vom sogenannten nachsorgenden Umweltschutz, wie beispielsweise bei der Nutzung von Filtern zur Rauchgasentschwefelung, hin zu einem nachhaltigen Umweltschutz stattgefunden, der an den Ursachen ansetzt und unter anderem stärker auf Vermeidungsstrategien setzt. Die Neufassung der Bauproduktenverordnung ist in diesem Kontext ein gutes Beispiel für diese Entwicklung, da in der heutigen gültigen Fassung auch der Energieaufwand, die Umweltwirkungen sowie die Nutzung der natürlichen Ressourcen über den gesamten Lebenszyklus betrachtet werden müssen.

In den letzten Jahren ist auch verstärkt an Instrumenten gearbeitet worden, die es den verschiedenen Akteuren erlauben sollen, besser informiert nachhaltigere Entscheidungen zu treffen bzw. die Aufsichtsorgane in die Lage versetzen, ihren Kontrollaufgaben nachzukommen. In diesem Kontext ist auch die Weiterentwicklung der sogenannten Lebenszyklusanalyse nach DIN/ISO 14040/14044 zu sehen, die teilweise als ergänzendes Steuerungsinstrument in der Wirtschaft genutzt wird, aber vor allem zunehmend auch seitens der öffentlichen Hand, wie beispielsweise im öffentlichen Vergabeverfahren und Beschaffungswesen, eingesetzt wird. Um die Ökobilanzierung vergleichbar zu machen, wurden mit den Standards EN 15804 und EN 15978 „Sustainability of Construction Works“ Module über den gesamten Lebenszyklus definiert. Im Einklang mit dieser Entwicklung hat sich unter anderem auch die Firma NAUE entschieden, die „Ökobilanzierung“ im Rahmen ihrer Produktentwicklung einzusetzen und anhand konkreter Anwendungsfelder die

Performanz geosynthetischer Materialien zu bewerten. Dabei konnte auf Erfahrungen zurückgegriffen werden, die im Rahmen einer ausführlichen Arbeit zur Ökobilanzierung von geosynthetischen Materialien in vier Anwendungsfeldern im Auftrag der European Association of Geosynthetic product Manufacturers (EAGM) im Jahr 2013 gemacht wurden.

Da im Zuge der Umstellung des Energiesektors von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energien die Windenergie als eine maßgebliche Säule betrachtet wird und dabei neben der landgestützten Energieerzeugung mit Windkraftwerken auch die sogenannte „Offshore-Energieerzeugung“ an Bedeutung gewinnt, wurde eine Studie zur ökologischen Bewertung von zwei Kolkschutzvarianten von NAUE in Auftrag gegeben. Die Vorgehensweise sowie die erzielten Ergebnisse werden nachfolgend kurz dargelegt. Eine ausführlichere wissenschaftliche Veröffentlichung in englischer Sprache steht ergänzend zur Verfügung (Hoyme et al. 2019).

Die Ökobilanzierung von Kolkschutzverfahren im Bereich von Offshore-Windenergieanlagen

Überblick zur Studie

Offshore-Windparks sind im vergangenen Jahrzehnt von rund 1 GW installierter Kapazität im Jahr 2006 auf 11 GW im Jahr 2015 (EWEA 2015) deutlich gestiegen. Mit der Ratifizierung des Pariser Klimaabkommens wird die Rolle von OffshoreWindparks im europäischen Stromnetz weiter ansteigen. Bei den verschiedenen Herausforderungen, denen sich die Offshore-Windparks stellen müssen, besteht ein technisches Risiko in der Sicherstellung des Kolkschutzes. Aufgrund der Strömungen am Meeresboden muss der den Windkraftturm (Monopile) umgebende Sand gegen Ausschwemmungen gesichert werden (Kolkschutz). Ohne den Kolkschutz könnte sich ansonsten im Laufe der Zeit die Eigenfrequenz mit der geänderten Einbettungslänge des Monopile ändern und dazu führen, dass die Windenergieanlage abgeschaltet werden muss, da die Frequenz außerhalb der Betriebsgrenze liegt. Um diesem Phänomen zu begegnen, wurden verschiedene Sicherungsmethoden entwickelt, u.a. ein Verfahren unter Einsatz eines geosynthetischen Materials.

In diesem Beitrag werden Kolkschutzvarianten für einen Offshore-Windpark untersucht. Dabei wird eine Lösung mit den geokunststoffartigen Materialien gegenüber der herkömmlichen Lösung unter Verwendung von Gesteinen bewertet.

Funktionale Einheit

Die Funktion des Kolkschutzes für einen Offshore-Windpark besteht darin, die Kolkung um den Turm einer Windenergieanlage zu vermeiden. Daher wurde die funktionelle Einheit als eine Lösung definiert, um den Turm mit einem Durchmesser von 6 m vor der Kolkung zu schützen.

Systemgrenzen

Die in dieser Studie durchgeführte Ökobilanzierung folgt einem Cradle-to-Grave-Ansatz, der den Modulen A bis C in der

EN 15804 entspricht. Berücksichtigt wurde die Gewinnung der Rohstoffe, die Verarbeitung zu Baustoffen, die

Installations-, Betriebs- sowie die Lebensendphase. Es wurde davon ausgegangen, dass für die Betriebs- und Lebensendphase – außer für die Landinanspruchnahme – keine weiteren Aufwendungen berücksichtigt werden müssen. Die Lebensdauer der Windanlage mit Kolkschutz wurde mit 25 Jahren angesetzt. Transportprozesse und Infrastruktur werden entsprechend berücksichtigt. Herstellungs- und Installationsprozesse repräsentieren standortspezifische Bedingungen, während für alle anderen Prozesse durchschnittliche europäische Bedingungen angesetzt wurden.

Abschneidekriterium

Die Studie umfasst alle relevanten Inputs. Die Ausrüstung für die Herstellung von Geokunststoffen ist wegen ihrer geringen Bedeutung ausgeschlossen.

Berücksichtigte Wirkungskategorien

Die Umweltleistung dieser Studie wird anhand der folgenden Wirkungsindikatoren bewertet:

• Kumulativer Energiebedarf (Primärenergieverbrauch, aufgeschlüsselt in nicht erneuerbare und erneuerbare

Anteile),

• Abiotisches Abbaupotential,
• Treibhausgasemissionen (GWP100),
• USEtox,
• Photochemische Ozonbildung,• Versauerung und
• Eutrophierung.

Grenzen der Studie

Die in der Studie behandelten Ökobilanzen des Kolkschutzes repräsentieren 4 bestehende Fälle von Offshore-Windparks; einen mit Sand gefüllten geosynthetischen Behälter und drei Lösungen auf Gesteinsbasis. Dies begrenzt die Verallgemeinerung der Studienergebnisse, da die Konstruktionsmethoden je nach Region variieren können. Dennoch können die Fälle als beste repräsentative Varianten betrachtet werden, gemäss den Aussagen der für diese Studie herangezogenen und erfahrenen Industriepartner (NAUE und Sellhorn Ingenieurgesellschaft).

Aufgrund der Begrenzung der Ökobilanzierung durch die zur Verfügung stehenden Wirkungsindikatoren erlauben die Ergebnisse der Ökobilanzierung nicht die vollständige Beantwortung der Frage, ob Konstruktionen auf Basis von Geokunststoffen generell die umweltfreundlichere Variante sind. Standortspezifische Informationen, die bspw. von der Umweltverträglichkeitsprüfung oder anderen Arten der Umweltprüfungen erfasst werden können, sind im Allgemeinen nicht Teil von Ökobilanzstudien. Zusätzliche Informationen und die Anwendung verschiedener Methoden können erforderlich sein, um die Umweltverträglichkeit bestimmter Arten von Baulösungen für den Kolkschutz vollständig abschließen zu können. Eine dieser Studien zur Ergänzung der Ökobilanzierungsergebnisse kann die Umweltverträglichkeitsprüfung von (E.ON Climate and Renewables 2012) darstellen.

Resultate

In Abbildung 2 sind Umweltwirkungsergebnisse über den gesamten Lebenszyklus der Kolkschutzvarianten dargelegt. Die Ergebnisse sind basierend auf den Umweltwirkungen der Kolkschutzlösung mit Gesteinen der Amrumbank West auf 100 % normiert. Das Ergebnis zeigen deutliche Umweltwettbewerbsvorteile des GSC-Kolkschutzes für alle untersuchten Wirkungskategorien. Der Unterschied zwischen den drei untersuchten Fällen bei der Lösung für den Steinwaschschutz liegt zwischen -35 % und +32 %, abhängig von der Umweltwirkungskategorie.

Abb. 2: Umweltwirkungen der 4 untersuchten Kolkschutzvarianten (normiert auf 100 % der Lösung mit Gesteinen der Amrumbank West)

Sensitivitätsbetrachtung

In einer Sensitivitätsbetrachtung wurden zwei Aspekte detaillierter untersucht. Der erste Aspekt betrifft die End-ofLife(EoL)-Behandlung der GSC-Kolkschutzslösung. Die zweite betrifft die „Zuteilungsregel“ der Ökobilanzierung unter Verwendung des Recycled-Content-Ansatzes, der in Ecoinvent v3 (Weidema et al. 2013) verfügbar ist. Eine genaue Darlegung ist aus Platzgründen hier nicht möglich, es sei aber auf die Veröffentlichung von Hoyme, Su, Kono & Wallbaum 2019 verwiesen.

Die Ergebnisse in Bild 3 verdeutlichen den marginalen Einfluss der End-of-Life(EoL)-Betrachtung der GSC-Lösung hinsichtlich des Wettbewerbsvorteils gegenüber den herkömmlichen Lösungen. Die aufgetretenen Unterschiede zwischen den GSC-Referenzannahmen und den drei Sensitivitätsanalysen lagen zwischen -2,6 % und 26 % der GSC-Referenzfälle (-0,5 % bis 3,8 % unter Verwendung der Gesteinslösung der Amrumbank West als Referenz). Darüber hinaus wurde der Einfluss der Allokationsmethode beim herkömmlichen Kolkschutz stärker beobachtet als bei der GSC-Lösung. Das Ergebnis der Sensitivitätsanalyse bestätigte den klaren Vorteil der GSC-Lösung mit dem betrachteten Sensitivitätsumfang.

Abb. 3: Ergebnisse der Sensitivitätsbetrachtung unter Berücksichtigung unterschiedlicher End-of-Life-Annahmen sowie Allokationsverfahren

Diskussion und Einordnung der Ergebnisse

Die Untersuchung der Umweltauswirkungen der beiden Kolkschutzvarianten, des Einsatzes von GSC-Containern und konventionellen Gesteins, bei Offshore-Windparks führte zu einem klaren Vorteil der GSC-Lösung für die betrachteten Wirkungskategorien. Die ökologische Vorteilhaftigkeit der GSC-Lösung zeigte sich im Vergleich zu drei verschiedenen Offshore-Windpark-Standorten, die jeweils unterschiedliche Gesteinsmengen verwendet haben. Die Sensitivitätsanalyse der Einbeziehung der Reststoffbehandlung (End of Life) für die GSC-Lösung und die Anwendung verschiedener LCAAllokationsverfahren wurde durchgeführt. Auch diese Betrachtung führte zu keiner anderen Schlussfolgerung.

Eine detaillierte Untersuchung der Umweltwirkungen des GSC-Kolkschutzes ergab, dass die Gewinnung und Befüllung der Container mit Sand für einen großen Teil der Umweltwirkungen verantwortlich sind. Eine Möglichkeit, die Umweltleistung der GSC-Container weiter zu verbessern, ist die Gewichtsreduzierung bei gleichbleibender technischer Leistung.

Trotz der notwendigen Vereinfachungen und Annahmen können die Ergebnisse dieser Analyse als signifikant und zuverlässig angesehen werden. Einschränkend muss erwähnt werden, dass eine Ökobilanzierung keine Methode darstellt, um jegliche Umweltfolgen abzubilden. Andere Risikoanalysen, z. B. Biodiversität, und Umweltverträglichkeitsprüfungen sind deshalb unverzichtbar.

Referenzen

E.ON Climate and Renewables (2012): Rampion Offshore Wind Farm Environmental Statement.

Frischknecht, R., S. Büsser-Knöpfel, R. Itten, M. Stucki och H. Wallbaum, „Comparative Life Cycle Assessment of Geosynthetics versus Conventional filter layer“ (Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering), 2013.

Frischknecht, R., S. Büsser-Knöpfel, R. Itten, M. Stucki och H. Wallbaum, „Comparative Life Cycle Assessment of Geosynthetics versus Concrete Retaining Wall“ (Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering), 2013.

Hoyme, H., Su, J. H., Kono, J. & Wallbaum, H. (2019): Nonwoven geotextile scour protection at offshore wind parks, application and life cycle assessment, Proceedings and Monographs in Engineering, Water and Earth Sciences, p. 315-321.

Weidema BP, Bauer C, Hischier R, et al (2013): The ecoinvent database: Overview and methodology, Data quality guideline for the ecoinvent database version 3.