Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien · 2012. 11. 5. · Deutscher Stahlbautag...

Nachhaltigkeit von Stahlstrukturen zur Gewinnung Erneuerbarer Energien Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner Jörn Berg M.Sc. Anna Gorbachov M.Sc. Institut für Metall- und Leichtbau, Universität Duisburg-Essen

Deutscher Stahlbautag 2012 18. Oktober 2012, Aachen

Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien

Deutscher Stahlbautag 2012 Prof. N. Stranghöner, J. Berg, A. Gorbachov


Inhalt 2

Projektvorstellung „NaStafEE“

Überblick und Bedarf Erneuerbare Energien

Biogasanlagen

Methoden zur Nachhaltigkeitsbewertung

Bewertungskriterien

Ökobilanzierung

Zusammenfassung / Ausblick



3

Vorstellung

Forschungsprojekt: Nachhaltige Stahlkonstruktionen für

Erneuerbare Energien (NaStafEE) Laufzeit: Mai 2010-Oktober 2012

Forschungsziel:

Methodenentwicklung und

Leitfadenerstellung für die Bewertung der

Nachhaltigkeit stählerner Konstruktionen

für Erneuerbare Energien



4

Projektförderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung „Otto von Guericke“ e.V. (AiF)

Deutscher Ausschuß für Stahlbau e.V. (DASt) Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA)



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Projektbeteiligte

Institut für Stahlbau Leibniz Universität Hannover Prof. Dr.-Ing. P. Schaumann Dipl.-Ing. Anne Bechtel

Institut für Metall- und Leichtbau Universität Duisburg-Essen Prof. Dr.-Ing. habil. N. Stranghöner Jörn Berg M.Sc. Anna Gorbachov M.Sc.

Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft Ruhr-Universität Bochum

Prof. Dr.-Ing. H.-J. Wagner Dipl.-Ing. Christoph Baack

Dipl.-Ing. Jessica Lohmann



6

Überblick Erneuerbare Energien

© Pelamis Wave Power

© Weltec

Erneuerbare Energien

Wasserkraft Windenergie Biomasse Geothermie Solarenergie

Wasser-/Strömungskraft

Geothermie

Windenergie Biomasse

Solarthermie



Stromerzeugung aus EE bis 2020 7

Quelle: FNR nach BMU, AGEE-Stat, BEE (März 2011)

20

37 34 11

∆



Stromerzeugung aus EE 2010 8

© BMELV



Politische Ziele, Gesetze und Rahmenbedingungen 9

Treibhausgas- Emissions-minderung (Bezugsjahr

1990)

Anteil der Erneuerbaren Energien am

Bruttoendenergie-verbrauch

Anteil der Stromerzeugung

aus Erneuerbaren Energien am Bruttostrom-

verbrauch

Primärener-gieverbrauch (Bezugsjahr

2008)

2020 -40 % 18 % 35 % -20 %

2030 -55 % 30 % 50 %

2040 -70 % 45 % 60 %

2050 -80 % bis -95 % 60 % 80 % -50 % Quelle: bio-energie.de

Weg zur weitgehenden Umstellung der Energieversorgung auf Erneuerbare Energien: Entwicklungspfade des Energiekonzepts



10

Bedarfsanalyse

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

Stahltonnage für Marktprognose 2010-2020 [Mio. t]

Photovoltaik - Freiflächen

Photovoltaik - Dachmontage

Biomasse Offshore-

Wind Onshore-Wind

Anteil an Treibhausgasminderung im Jahre 2009 [%]

60%

Biomasse

Wind

Wasser

0% 20% 40%

Biokraftstoffe

Photovoltaik

Solarthermie

Geothermie

Datenquelle: UBA, AGEE-Stat

© BMU Leitstudie 2010 Aktualisierte Prognose



11

Biogasanlagen

7.521 Biogasanlagen ⇒ 3.185 MWel

Neuanlagen in 2012: 306 (281 MWel)

Kapazität: 70 kWel bis 500 kWel

48.565 Arbeitsplätze © Weltec Biopower

Erneuerbare Energien

Wasserkraft Windenergie Biomasse

Biogasanlagen

Geothermie Solarenergie

Prognose für 2012 Entwicklung der Biogasanlagen in Deutschland

Quelle: Fachverband Biogas e.V.



12

Branchenzahlen / Branchenentwicklung

139 159 186 274 370 450 617 850

1050 1300

1600 1750

2050

2680

3500 3711

3891

4984

5905

7215 7521 7895

390 650

1100 1271

1377

1893

2291

2904 3185 3312

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Inst

allie

rte

elek

tris

che

Leis

tung

Anla

genz

ahl

Jahre

Anzahl Biogasanlagen

installierte elektrische Leistung [MW]

Quelle: Fachverband Biogas e.V.



13

Biogasanlage



14

Fermenterbauarten

© biogas-edelstahl © schmidt-bau

Fermenter

Stahl Anteil derzeit: 5 - 10%

Baustahl Anteil derzeit: 7 %

Nichtrostender Stahl Anteil derzeit: 3 %

Stahlbeton Anteil derzeit: 90 - 95%

© Kriegfischer



15

Leistungen der Biogasanlagen

Installierte Leistung/ Anlage

bis 75 kWel

bis 200 kWel

bis 500 kWel

bis 1MWel

Hauptanteil der Biogasanlagen

⇒ 70 kWel bis 500 kWel

© Stallkamp



16

Anlagengrößen (Baustahl)

Standarttypen Fermenter

Elektrische Leistung

Durch-messer Wanddicke Höhe

Tonnage Fermenter-

mantel

Tonnage Fermenter+

Dach+ Fundament (Stabstahl)

[m³] [kW] [m] [mm] [m] [t] [t]

800 ∼ 75 10 5 10 13

1000 ∼ 200 11 5 12 16 keine Angabe

2000 ∼ 400 14 5, 6 14 25 41

3000 ∼ 600 16 6, 8 16 41 72

4000 ∼ 800 17 6, 8, 10 18 48 keine Angabe

5000 ≥ 1 000 18 6, 8, 10, 12 20 65 keine Angabe Quelle: Schachtbau Nordhausen

Individuelle, kundenbezogene Planung einer Biogasanlage: variable Fermenteranzahl für eine Anlage mit gleicher elektrischer Leistung.



17

Anlagengrößen (Nichtrostender Stahl)

Durchmesser [m] Wanddicke Tonnage

[t]

Fermenter 20

Oberer Bereich:

1,5 – 2 mm

Unterer Bereich: bis 5 mm

9

22,5 10

31,5 18,5

Gärrestlager 26 15

29 19

34,5 25 (h=6,30m)

31 (h=7,55m)

Quelle: Weltec

Individuelle, kundenbezogene Planung einer Biogasanlage: variable Fermenteranzahl für eine Anlage mit gleicher elektrischer Leistung.



18

Baustahlbedarf bis 2020

5.905 Biogasanlagen ⇒ 2.291 MWel

Anlagengrößen von 75 kWel … 1 MWel

Mittlere Anlage: 400 kWel

Bestand Biogasanlagen 2010

Zuwachs: min. 2.300 MWel (bis 5.000 MWel)

Anlagengrößen: 75 kWel … 1 MWel

Mittlere Anlage: 500 kWel

Ungefährer Baustahlbedarf/Anlage: ∼120 t Stahl (2 Fermenter, 1 Güllevorlagebehälter, 1 Gärrestbehälter)

⇒ Baustahlbedarf bis 2020: min. 550.000 t (bis 1.200.000 t) ⇒ min. 55.000 t / a (bis 120.000 t / a)

(Annahme: 100 % Anlagen aus Baustahl)

Prognose bis 2020 Entwicklung der Biogasanlagen in Deutschland



Potential 19

Derzeit sind 5 – 10 % Biogasanlagen aus Stahl

⇒ ungefährer Baustahlbedarf: min. 5.500 t / a (bis 12.000 t / a)

© Schachtbau Nordhausen

Großes Potential bei Erhöhung des Stahlanteils bei Biogasanlagen



Biogasanlagen – Rolle bei EE 20

Wichtige Säule bei der künftigen Energieversorgung

Möglichkeit der bedarfsgerechten Stromerzeugung - Beitrag zur Netzentlastung - Glättung der Last und Erzeugungsspitzen - Verbesserung der fluktuierenden Stromerzeugung aus Wind und Fotovoltaik

Biogasenergie ⇒ speicherbar und grundlastfähig

Energetische Unabhängigkeit durch Eigenversorgung mit Bioenergie

Heute: ca. 3% am gesamtdeutschen Stromverbrauch Zukünftig: ?

Quelle: BMELV 2012



Verstromung direkt am Anlagenstandort mittels BHKW

21

Vermeidung von Methanemissionen aus offener Güllelagerung

⇒ geringere CO2-Vermeidungskosten

Derzeitige Energiekonzepte generieren Arbeitsplätze und Erhöhung der

Wertschöpfung in ländlichen Regionen

Quelle: BMELV 2012

EEG 2012 Sondervergütungsklasse für

75kW Anlagen (Gülle)

Biogas-anlagen

Aufbereitung des Biogases zur Biomethan

⇒ Einspeisung ins Erdgasnetz

Großes Wärmepotential ⇒ noch nicht erschöpft

Biogasanlagen – Rolle bei EE

Motor für Klein- und Mittelstand

im ländlichen Raum



22

Ausführungsdetails des Fermenters

© DIN 11622-4

Nichtrostender Stahl



23


2500 mm

1250

mm

© Stallkamp




24


© Lüthe

© Börger

Abdichtendes Fugenmaterial

Edelstahlschrauben M8 bis M12




25



Baustahl Festdachkonstruktion



26


Geschweißte Konstruktion Rippenfrei

Baustahl




27

Dachkonstruktion

© 2009 VDI Wissensforum GmbH

Membrandach Festdach




28

Verbindungsmittel

Bauweise

Geschraubt Geschweißt Geklebt



Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung

LEED (USA), BREEAM (GB), DGNB, BNB (DEU),

GRI (Berichterstattung), NEEDS (Erneuerbare Energien)

29



Lebenszyklusbetrachtung nach DIN EN 15978

Lebenszyklus der Anlage

Herstellung Vormaterial (Phase A1-A3)

Errichtung / Fertigung

(Phase A4-A7)

Ende des Lebenszyklus

(Phase C)

Nutzung / Instandhaltung

(Phase B)

Transport

Fertigung

Rohstoffe

Transport

Herstellung

Ersatz

Erneuerung

Reparatur

Instandhaltung

Nutzung Rückbau

Transport

Recycling

Entsorgung Wiege

zum Tor

Wiege zur Bahre

Transport

Errichtung

30

Gutschriften / Belastungen

(Phase D)

Wieder- verwertung

Rück- gewinnung

Recycling



Nachhaltigkeitskriterien 31

(Treibhauspotential) (kumulierter Energieaufwand)



Nachhaltigkeitskriterien für EE

Soziokultur (7)

Prozess (6)

Technik (5)

Ökonomie (3)

Ökologie (14)

Erfassung und Bewertung von ca. 200 möglichen Nachhaltigkeitskriterien ⇒ Auswahl von 35 Kriterien

32



Nachhaltigkeitskriterien – Ökologie

Nr. Kriterium Relevante Lebenszyklusphasen

Ökologie U1 Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf Herstellung Errichtung Nutzung Ende

U2 Gesamtprimärenergiebedarf und Anteil erneuerbarer Primärenergie

Herstellung Errichtung Nutzung Ende

U3 Abiotischer Ressourcenbedarf sowie Herkunft und Versorgungssicherheit von Rohstoffen


U4 Wasserbedarf Herstellung Errichtung Nutzung Ende U5 Treibhauspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U6 Ozonschichtabbaupotential Herstellung Errichtung

U7 Photochemisches Oxidantienbildungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende

U8 Versauerungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U9 Eutrophierungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U10 Feinstäube Herstellung Errichtung Ende

U11 Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt


U12 Lärmbelästigung Herstellung Errichtung Ende U13 Recyclingpotential von Stahl Herstellung Ende U14 Abfallaufkommen Herstellung Errichtung Nutzung Ende

Öko

bila

nzie

rung

33



Nachhaltigkeitskriterien – Ökonomie/Soziologie


Ökonomie Ö1 Lebenszykluskosten Planung Herstellung Errichtung Nutzung Ende

Ö2 Aufwendungen für Forschung und Entwicklung

Herstellung Errichtung

Ö3 Beschäftigungseffekte Herstellung Errichtung

Soziologie / Gesellschaft S1 Arbeitssicherheit / Unfallhäufigkeit Errichtung

S2 Anteil an Auszubildenden Errichtung

S3 Qualifikationsindex Errichtung

S4 Weiterbildungsmaßnahmen Errichtung

S5 Mitarbeiterfluktuation Errichtung

S6 Familienfreundlichkeit Errichtung

S7 Soziales Engagement Errichtung Unt

erne

hmen

sbez

ogen

34



Nachhaltigkeitskriterien – Technik/Prozess


Technik T1 Korrosionsschutzmaßnahmen Planung Herstellung Errichtung Nutzung

T2 Nutzungsdauer Planung Errichtung

T3 Wartungs- und Instandsetzungsfreundlichkeit Planung Errichtung

T4 Nutzungsvielfalt und Mehrfachnutzung Planung

T5 Rückbau, Recyclingfreundlichkeit und Wiederverwendbarkeit

Planung Ende

Prozess P1 Maßnahmen zur Qualitätssicherung Planung Herstellung Errichtung

P2 Material- und Ressourceneffizienz Planung Herstellung Errichtung

P3 Implementierung von Managementsystemen (Zertifizierung)

Errichtung

P4 Baustelle / Bauprozess Errichtung

P5 Projektrealisierungszeit Planung Errichtung

P6 Transportaufkommen und Verkehrsträgeranteile


35



Steckbriefe für Nachhaltigkeitskriterien

U1 – Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf

Allgemeine Angaben:

Kurzbeschreibung Erfassung von nicht erneuerbaren energetischen Ressourcen

Nachhaltigkeitsaspekt Ökologie

Sekundärer Nachhaltigkeitsaspekt Ökonomie

Nennung des Kriteriums in der Literatur sowie Kriterien mit inhaltlicher Nähe

Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf [DGNB2011]

Primärenergiebedarf nicht erneuerbar

[BNB2011] [Hau2009]

Kumulierter Energieaufwand [VDI1997] [Pet2006] [IER2002]

Energy intensity [WS2011] Energieverbrauch [BMU2009a] Energy resources [Hir2007]

Gesamtenergieverbrauch [EMAS2010] Ressourcen [Wal2001] Energy use [Vel2001]

Primary energy consumption [Var2009] Eingesetzte Energiemenge [DIN2000]

Im DGNB/BNB-Katalog enthalten ja

Produktbezogen ja

Unternehmensbezogen ja

Einheit MJ Primärenergie-Äquivalent

Kurzbeschreibung und Methodik: Erfasst werden unter diesem Kriterium fossile (endliche) Energieträger, die während des Lebenszyklus des betrachteten Produktsystems eingesetzt werden. Darunter fallen insbesondere die Energieträger Steinkohle, Braunkohle, (Erd-)Gas, Rohölerzeugnisse und Uran. Werden Endenergieträger wie z. B. Strom bilanziert, werden diese primärenergetisch bewertet, indem der Energieaufwand entlang ihrer gesamten Bereitstellungskette berücksichtigt wird. So können alle Beiträge abschließend zu MJ Primärenergieäquivalenten zusammengefasst und der Gesamtbedarf an fossilen energetischen Ressourcen erfasst werden. Anwendung des Kriteriums:

Das Kriterium ist in der Regel obligatorischer Bestandteil von Ökobilanzen, Nachhaltigkeitsbewertungssystemen im Gebäudebereich (z. B. DGNB, BNB) sowie in Nachhaltigkeitsberichterstattungen. Nachhaltigkeitsrelevanz des Kriteriums in Bezug auf:

Stahl allgemein +++

Erneuerbare Energien ++

Stählerne Konstruktionen für EE +++

Im DGNB/BNB-Katalog enthalten ja

Produktbezogen ja

Unternehmensbezogen ja

Einheit MJ Primärenergie-Äquivalent

Kurzbeschreibung und Methodik: Erfasst werden unter diesem Kriterium fossile (endliche) Energieträger, die während des Lebenszyklus des betrachteten Produktsystems eingesetzt werden. Darunter fallen insbesondere die Energieträger Steinkohle, Braunkohle, (Erd-)Gas, Rohölerzeugnisse und Uran. Werden Endenergieträger wie z. B. Strom bilanziert, werden diese primärenergetisch bewertet, indem der Energieaufwand entlang ihrer gesamten Bereitstellungskette berücksichtigt wird. So können alle Beiträge abschließend zu MJ Primärenergieäquivalenten zusammengefasst und der Gesamtbedarf an fossilen energetischen Ressourcen erfasst werden. Anwendung des Kriteriums:

Das Kriterium ist in der Regel obligatorischer Bestandteil von Ökobilanzen, Nachhaltigkeitsbewertungssystemen im Gebäudebereich (z. B. DGNB, BNB) sowie in Nachhaltigkeitsberichterstattungen. Nachhaltigkeitsrelevanz des Kriteriums in Bezug auf:

Stahl allgemein +++

Erneuerbare Energien ++

Stählerne Konstruktionen für EE +++

Ein Steckbrief pro Kriterium

36



Bewertungsmethodik 37

Anwendungstool auf Excel-Basis

Vorführender

Präsentationsnotizen

Bewertungsmethodik: - bei qualitativen Kriterien wird eine Vergleichspunktzahl (max. 10 Checklistenpunkte) ermittelt, - bei quantitativen Kriterien wird ein absoluter Wert nur informativ ermittelt und im Vergleich mit anderen Konstruktionsweisen dargestellt -> mit dem Bewertungskatalog ist ein Vergleich von verschiedenen Konstruktionen (Variantenvergleich) möglich -> soll als Entscheidungsgrundlage /-hilfe dienen -> kein finaler Wert der Nachhaltigkeit wie z. B. bei DGNB -> keine Wichtung von Kriterien oder Kategorien, weil wir keine Referenzwerte zur Verfügung haben und diese auch nicht im Rahmen des Projekts ermitteln können -> Bauwerke (DGNB) haben EnEV



Ökobilanzierung – Baustahlfermenter 38

Systemparameter Werkstoff: S235 und S355J2+N Durchmesser: 13,9 m Höhe: 14,0 m Volumen: ~ 2000 m3

Wandstärke: 5 bis 6 mm Stahlmasse: ~ 35 t Baustahl Lebensdauer: 20 Jahre Korrosionsschutzsystem: Beschichtung auf EP Basis

Schachtbau Nordhausen



-40%

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

Phase A1 – A3 Phase A4-A7 Phase B Phase C Phase D

PE n.erneuerbarPE erneuerbar

PE Gesamt

ADP

GWP

AP

EP

ODP

POCP

WB

AE

200%

220%

Ökobilanzierung – Ergebnisse 39



0

0

0

1

1

1

Baustahl -Ökobau.dat

Baustahl - EPDBauforum Stahl

U1 PEn. erneuerbar

[MJ] U2a PEGesamt

[MJ]

U2b PEerneuerbar

[MJ]

U4 WB[kg]

U3 ADP

[kg SB-Äq]

U14AE

[kg]

U13b SV[%]

U13a PSA[%]

U11 RGU[kg]

U9 EP

[kg PO4-Äq]

U8AP

[kg SO2-Äq]U7POCP

[kg C2H4-Äq]

U5 GWP

[kg CO2-Äq]

U6ODP

[kg R11-Äq]

Ökobilanzierung – Ergebnisse 40

Einfluss verschiedener Datenbanken



Zusammenfassung / Ausblick

Zunahme des Anteils Erneuerbarer Energien an der Gesamtenergieversorgung

Ausbaupotential für Biogasanlagen in Deutschland vorhanden

Bedarf an Stahlbehältern für Biogasanlagen

Bewertungsmethode für die Nachhaltigkeit von Stahlstrukturen für EE

Herstellungsphase entscheidend für die ökologische Bilanz

Entscheidungshilfe im Planungsprozess unter Einbeziehung von Nachhaltigkeitsaspekten

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Vorführender

Präsentationsnotizen

Alle Folgenden Folien sind für Rückfragen in der Diskussion.

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