Gebäuderessourcenpässe mit dem Urban Mining Index erstellen und bewerten

Verfügbarkeit von Rohstoffen in der urbanen Mine langfristig sichern

Für die Umsetzung der Circular Economy nach den Zielen der Europäischen Union wird das Wissen um verbaute Materialien zukünftig eine große Rolle spielen. Gebäuderessourcenpässe bieten ein großes Potenzial, um urbane Ressourcen zu dokumentieren und zu kartieren. Um die Daten digital bereitzustellen und verlässlich bewerten zu können, braucht es auch neue Instrumente.

1 Politische Rahmenbedingungen

Die deutsche Bundesregierung hat sich im Koalitionsvertrag das Ziel gesetzt, einen Gebäudressorucenpass einzuführen. Wie dieser aussehen wird und wann er kommt, ist noch ungewiss. In der laufenden Legislaturperiode ist er zumindest verpflichtend nicht mehr zu erwarten – zu groß waren und sind die Herausforderungen der Energie- und Klimakrise. Mit den politischen Ereignissen, ausgelöst durch den Krieg in der Ukraine und die damit verbundenen Preissteigerungen, ist aber noch einmal das Bewusstsein für die Abhängigkeit von Rohstoffimporten gewachsen. Ein Gegensteuern ist dringend erforderlich. Die Circular Economy gilt als Schlüsselstrategie für eine nachhaltige Wirtschaftsweise, denn innerhalb der planetaren Grenzen kann eine immer noch wachsende Weltbevölkerung nur existieren, wenn die Naturkreisläufe der Erde geachtet und nicht durch den Menschen gestört werden.

2 Der DGNB-Gebäuderessourcenpass

Das Bauwesen trägt eine enorme Verantwortung sowohl am Ressourcenverbrauch als auch am Abfallaufkommen. Deshalb war das kreislaufgerechte Bauen von Anfang an fester Bestandteil der deutschen Zertifizierungssysteme für Gebäude. Seit 2018 ist die Circular Economy ein Kernthema der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB). Im März dieses Jahres hat die DGNB einen viel beachteten Vorschlag für einen Gebäuderessourcenpass veröffentlicht (Bild 1) [1] und macht diesen zum Bestandteil der Gebäudezertifizierung ab der Version 2023.

Der DGNB-Gebäuderessourcenpass wurde mithilfe des Ausschusses für Lebenszyklus und zirkuläres Bauen erarbeitet, in dem mehrere Experten aus Wissenschaft und Praxis mitwirkten. Ziel des Instruments ist es, eine fundierte Informationsgrundlage über die zirkulären Eigenschaften eines Gebäudes zu schaffen (Hildebrand, Tran berichteten in [2]). Doch zunächst ist der DGNB-Gebäuderessourcenpass nicht mehr und nicht weniger als ein digi­tales Formular, das mit wesentlichen Kerninformationen eines Gebäudes und Daten zu den verbauten Materialien gefüllt werden muss. Aber woher kommen die Daten?

3 Qualifizierte Daten

Für die Ökobilanzierung wurden in den letzten Jahren schon wichtige Datengrundlagen geschaffen. Die Bauindustrie stellt mittlerweile transparente Informationen bspw. in Form von geprüften Umweltproduktdeklarationen (EPD) zur Verfügung. Die deutsche ÖKOBAUDAT veröffentlicht diese zusammen mit generischen Daten von Verbänden oder wissenschaftlichen Instituten. Allerdings können die Circular-Economy-Aspekte mit der Ökobilanzierung bisher nur unzureichend abgebildet werden – vor allem was das Ende der Nutzungsdauer angeht. Denn die Nachnutzung von Baustoffen ist nicht allein von materiellen Aspekten abhängig, sondern entscheidet sich auf Gebäudeebene und nach Art der Konstruktionsweise. Dabei ist entscheidend, wie die Materialien und Bauteile gefügt wurden. In die Ökobilanz, welche die Umweltwirkungen über den Lebenszyklus berechnet, fließt das sog. End of Life (Ende der Nutzungsdauer) nur in Form statistischer Kennwerte ein. Die Einbausituation im Gebäude spielt keine Rolle. Dies soll beim GRP anders sein. Mit seiner Hilfe ist mittelfristig auch eine bessere Bewertung der Umweltwirkungen für die EoL-Phase möglich.

Prinzipiell können die Basisdaten für Zirkularitätskennwerte zukünftig auch in EPDs veröffentlicht werden. Gerade weil das Nutzungsende von Gebäuden und Baustoffen so weit in der Zukunft liegt und deshalb mit Unsicherheiten behaftet ist, sind Überprüfungen durch unabhängige Dritte geboten. Hillebrandt und Seggewies [3] haben den sog. Material Cycle Status entwickelt und erstmals im Atlas Recycling veröffentlicht. Hierfür haben die Wissenschaftlerinnen verschiedene materialspezifische Daten zum Thema Zirkularität bei Herstellern und Verbänden erhoben sowie über Literaturrecherchen ermittelt. Zukünftig soll der Material Cycle Status im Rahmen der Kooperation Materialbibliothek Deutscher Hochschulen MDH, zu der aktuell bereits die Bergische Universität Wuppertal, das Karlsruher Institut für Technologie und die Münster School of Architecture gehören, digital zugänglich gemacht werden.

Qualifizierte Daten sind also vorhanden, aber es bedarf auch digitaler Werkzeuge zur Erstellung von Gebäuderessourcenpässen.

4 Instrumente

Bereits heute sind Instrumente, mit denen die zirkulären Eigenschaften von Gebäuden bewertet werden können, verfügbar. Die Methoden, mit denen die Zirkularität bewertet wird, sind jedoch alle etwas unterschiedlich. Eine Norm existiert bisher nicht. In der interdisziplinären Normungsroadmap Circular Economy [4] wurden für den Bereich Bauwerke und Kommunen zunächst Bedarfe für eine Änderung und Neuerung von Normen erarbeitet, die in den nächsten Jahren zur Umsetzung gebracht werden sollen. Da die Normungsarbeit i.d.R. recht langwierig ist, die EU sich aber das Ziel gesetzt hat, bis 2050 eine Circular Economy zu werden, müssen Normen und Instrumente parallel entwickelt werden.

Das aus den Niederlanden stammende Madaster, EPEA (Part of Drees & Sommer) und Concular haben Methoden und Tools entwickelt, die die Kreislauffähigkeit der Materialien sowie die Rückbaufähigkeit von Konstruktionen in Teilindizes bewerten. Der ­Urban Mining Index (UMI) [5] ist eine Methode, welche eine aggregierte Zirkularitätsrate unter Berücksichtigung von Materialität und Rückbauaufwand sowie des Werts der Materialien nach dem Rückbau ermittelt und in einer einzigen Zahl darstellt. Damit sind Bauteile und ganze Bauwerke eindeutig vergleichend bewertbar.

Der UMI wurde im Rahmen der Promotion von Anja Rosen an der Bergischen Universität Wuppertal mit Betreuung durch Prof. Annette Hillebrandt entwickelt. Das Ziel ist, die zirkulären Eigenschaften von Gebäuden objektiv messbar zu machen. Die Anwendung als Planungsinstrument steht dabei an erster Stelle, denn der Nachhaltigkeit ist mit immer mehr Dokumentation noch kein Dienst erwiesen. Erst wenn Planer in der Entwurfsphase die Kriterien des zirkulären Bauens berücksichtigen, ist die Chance groß, dass wirklich zirkuläre Bauwerke entstehen. Die Wieder- und Weiternutzung von Bestandsgebäuden und deren Umnutzung nach kreislaufgerechter Sanierung haben dabei oberste Priorität, weil der Bestandserhalt i.d.R. das größte Potenzial für den Klima- und Ressourcenschutz bietet. Aber auch ein Urban Mining – also die Nutzung der Städte und Siedlungen als urbane Rohstoffmine – bietet ein großes, bisher vernachlässigtes Potenzial für die Schonung des Naturraums vor Rohstoffabbau.

Das Wissen um die Wiederverwendung von Bauteilen und den Einsatz von Sekundärrohstoffen ist bislang wenig verbreitet. Ebenso ist das kreislaufgerechte Konstruieren für die Zukunft in der Architektur und Baubranche noch ein Feld mit großen Unbekannten. Deshalb soll der Urban Mining Index Planer in frühen Leistungsphasen mithilfe von Variantenvergleichen unterstützen. Zu diesem Zweck ist in dem Planungstool ein Bauteilkatalog hinterlegt, der neben dem oben beschriebenen Material Cycle Status auch den Rückbauaufwand für verschiedenste Konstruktionen und den Materialwert nach dem Rückbau beziffert. Die Grundlagen für den Bauteilkatalog wurden wissenschaftlich ermittelt und garantieren so eine größtmögliche Objektivität. Die Aufwände für den selektiven Rückbau typischer Konstruktionen wurden auf Rückbaustellen und in Versuchsständen ermittelt und wissenschaftlich dokumentiert. Basisdaten für Gebäuderessourcenpässe sind also verfügbar, aber wie funktioniert nun die Systematik zur Berechnung aggregierter Zirkularitätsraten?

5 Die Systematik des Urban Mining Index

Grundsätzlich stellt der Urban Mining Index den prozentualen Anteil der zirkulären Materialien in einem Bauteil oder Bauwerk dar. Das Ziel ist, möglichst geschlossene Stoffkreisläufe (closed loops) zu generieren. Dabei spielt die Qualität der eingesetzten und der zurückzugewinnenden Stoffe eine entscheidende Rolle. Deshalb werden über den gesamten Lebenszyklus des Bauwerks alle eingehenden Materialien und alle bei einem späteren Rückbau entstehenden Wert- und Abfallstoffe berechnet und hinsichtlich der Qualität ihrer Nachnutzung bewertet.

Die Berechnung basiert auf zwei wesentlichen Messgrößen aus dem Material Cycle Status: dem Material Recycling Content, also dem Anteil sekundärer oder erneuerbarer Rohstoffe, die bereits bei der Herstellung des Bauwerks (pre-use) eingesetzt werden, und dem zukünftigen, für die Rückbauphase (post-use) maßgeblichen Material-Loop-Potenzial. Dabei werden verschiedene Qualitätsstufen der zirkulären Materialnutzung unterschieden (Bild 2).

Auf konstruktiver Ebene werden die Demontierbarkeit von Bauteilen sowie die Möglichkeit der sortenreinen Trennung von Wertstoffen als Grundvoraussetzung für die Kreislauffähigkeit der Materialien beurteilt. Die Wirtschaftlichkeit des selektiven Rückbaus, gemessen am Restwert der Materialien und dem Arbeitsaufwand für deren sortenreine Rückgewinnung am Ende der Nutzungsdauer, bestimmt die Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein Material in hoch- oder minderwertiger Form nachnutzen lässt. Der Materialwert der zurückzugewinnenden Stoffe basiert auf empirischen ­Erhebungen von Preisen für Bau- und Abbruchabfälle (Bild 3). Der Personen- und Maschinenaufwand wird in Form der physika­lischen Größe Arbeit in der Einheit Megajoule (MJ) gemessen. Aus den Ergebnissen der empirischen Erhebungen und Analysen ­wurden Benchmarks abgeleitet, anhand derer sich der Rückbauaufwand und der Materialrestwert eines Baustoffs auf Skalen einordnen lassen. Mithilfe dieser Skalen wurden Faktoren für die Parameter Arbeit und Wert festgelegt (s. Beispiel Bild 4), die als Koeffizienten in eine Formel zur Berechnung des Closed-Loop- und des Loop-Potenzials eingehen.

Auf Gebäudeebene werden die so ermittelten Kreislaufpotenziale schließlich gewichtet: Materialien, die sich durch Wiederverwendung und Recycling auf gleichbleibendem Qualitätsniveau in geschlossenen Kreisläufen führen lassen, fließen in das Closed-Loop-Potenzial ein und werden voll gewichtet. Dagegen fließen Materialien, die nur unter Qualitätsverlust in offenen Kreisläufen geführt werden können (Downcycling), in das Loop-Potenzial ein und werden nur zur Hälfte in der Gesamtbewertung angerechnet. Die Pre-use- und die Post-use-Phase werden jeweils zu gleichen Teilen gewichtet. Das Gesamtergebnis ist der Urban Mining Indicator – die aggregierte Zirkularitätsrate des Bauwerks (Bild 5).

6 Einordnung der Ergebnisse

Durch die einfache Prozentangabe kann das Ergebnis des Urban Mining Indicators auch von Nichtexperten intuitiv beurteilt werden. Eine Zirkularitätsrate von 100 % ist prinzipiell das Ziel, wenn die Ziele der EU, bis 2050 eine Circular Economy zu werden, ernst genommen werden. Derzeit sind solch hohe Quoten kaum möglich, da die Bauindustrie noch nicht darauf eingestellt ist. Der in Bild 5 dargestelle Urban Mining Indicator ist das Ergebnis für das Rathaus Korbach, einem innovativen Modellprojekt in Massivbauweise [6]. Der Einsatz von ressourcenschonendem Beton (R-Beton) aus dem zurückgebauten und verwerteten Vorgängerbau sowie die kreislaufgerechte Neubaukonstruktion für die Zukunft konnten die Zirkularitätsrate immerhin um rd. 10 % steigern. Ein UMI von 50 % wäre möglich gewesen, wenn der Vorgängerbau bessere Voraussetzungen für einen sortenreinen Rückbau mitgebracht hätte. Für höhere Quoten sind Weiterentwicklungen der Stahlbetonbauweise nötig, bspw. zur Wiederverwendbarkeit von standardisierten Betonbauteilen. Derzeit sind hohe Zirkularitätsraten von 60 % bis 80 % nur bei Holzbauwerken oder Gebäuden in Stahlbauweise erzielbar – Letztere jedoch nur mit hohem Klimafußabdruck in der Herstellung.

Ein Umdenken in einem Projekt mit Forschungsansatz zeigt, was möglich ist: Der Demonstrator des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) für den Solar Decathlon 2021/22 erzielte einen UMI von mehr als 98 % (Bild 6). In dem Projekt wurden konsequent gebrauchte Bauteile, z.B. Holz für das Tragwerk und die Fassade, sowie Neuprodukte aus erneuerbaren Rohstoffen eingesetzt.

7 Nutzen und Ausblick

Das Potenzial von digtalen Gebäuderessourcenpässen und Zirkularitätsbewertungen kann sich erst durch eine breite Anwendung entfalten. Hierfür werden möglichst einfach handhabbare Tools benötigt. Wünschenswert sind All-in-one-Softwarelösungen, die mit einer einzigen digitalen Gebäudeerfassung oder einem BIM-Modell vielerlei Auswertungen, wie den Energiebedarf nach GEG, die Ökobilanz und die Zirkularitätsbewertung, ermöglichen. Idealerweise wird der Gebäuderessourcenpass automatisiert erstellt und vielleicht in naher Zukunft digital an ein zentrales Kataster übertragen, sodass daraus nach und nach eine Kartierung des anthropogenen Lagers entstehen kann.

Der Urban Mining Index wurde im Solar Decathlon Europe 21/22 einer Testphase unterzogen und wird derzeit in eine professionelle Software überführt. Zusammen mit dem Softwarehersteller Hottgenroth entsteht eine Anwendung, die auf einem digitalen Gebäudemodell basiert und die gewünschten Auswertungen all in one ermöglichen soll. In einer ersten Version kann damit der Gebäuderessourcenpass der DGNB erstellt werden. Anpassungen an zukünftige Entwicklungen, wie einen bundesweit einheitlichen Pass, werden vorgesehen.

Die Bewertung des zirkulären Bauens wird auch von der DGNB stetig weiterentwickelt. In der Systemversion 2023 werden Lösungen gefördert, die es erlauben, bereits geschaffene Werte möglichst ohne Einbußen wiederverwendbar zu machen. Bestimmt von dem Vorsatz, nahezu keine Primärressourcen für Bau und Unterhalt von Gebäuden zu benötigen, macht sich die DGNB stark für eine Strategie zur Steigerung der aktuellen Material­effektivität: für eine so gut wie verlustfreie Kreislaufführung von Stoffen – im Verbund mit einer wesentlichen Reduktion der eingesetzten Materialien [7]. Zur Unterstützung dieser Strategie wurde unter enger Beteiligung des Ausschusses für Lebenszyklus und zirkuläres Bauen ein DGNB-Zirkularitätsindex entwickelt. Dieser soll – solange keine normativen Regelungen vorliegen – eine gemeinsame Basis und Sprache schaffen sowie eine vergleichbare Bewertung von aggregierten Zirkularitätsraten im Rahmen der Zertifizierung ermöglichen. Hierfür wurden die in Tab. 1 dargestellten Teilindikatoren definiert, die für unterschiedliche Anwendungsfälle (Neubau, Bestand, Sanierung) entsprechend ihrer jeweiligen Relevanz unterschiedlich gewichtet werden.

TEILINDIKATORENH = Heute / Z = Zukunft
1.HMaterialherkunft
2.HBau- und Abbruchabfälle
3.HSchad-/Risikostoffe (Bestand)
3.ZSchad-/Risikostoffe (Neubau)
4.ZMaterialverwertung
5.ZDemontagefähigkeit
6.ZTrennbarkeitQuelle: DGNB
Tab. 1 DGNB-Zirkulariätsindex

Um Anreize für eine sofortige Umsetzung des kreislaufgerechten Bauens zu setzen, also jetzt Ressourcen zu schonen und die Verantwortung nicht in die Zukunft zu schieben, wird dem heutigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft (H = Heute/pre-use) Priorität eingeräumt und die Gewichtung gegenüber dem zukünftigen Beitrag für die Kreislaufwirtschaft (Z = Zukunft/post-use) erhöht.

Welchen Mehrwert haben nun die entwickelten Instrumente für Bauherren und Nutzer oder auch für die Wirtschaft? Bauherren können bereits in der Herstellungsphase Kosten durch den Einsatz gebrauchter Bauteile sparen. Digitale Plattformen für zirkuläre Bauteile wie Concular erleben derzeit einen wahren Boom und haben mit ihrer Initiative für die neue DIN-SPEC 19484 (2023) Grundlagen für Bewertungen des Anschlussnutzungspotenzials (Pre-Demolition-Audit) geschaffen [8]. Positive Effekte für die Nutzer sind in der Betriebsphase zu erwarten, da Instandhaltungsmaßnahmen sowie Umbau- und Modernisierungsarbeiten mit geringeren Kosten für den Rückbau und die Entsorgung einhergehen bzw. sogar Verwertungserlöse ermöglicht werden. Die Dokumentation über die verbauten Materialien erlaubt es schließlich, Gebäude als Rohstoffdepot und Bauteillager zu verstehen, die eine lukrative Wertanlage für die Zukunft darstellen.


Literatur

  1. DGNB e.V. (2023) Der Gebäuderessourcenpass der DGNB [online]. Stuttgart: DGNB. https://www.dgnb.de/de/nachhaltiges-bauen/zirkulaeres-bauen/gebaeuderessourcenpass [Zugriff am: 26. August 2023]
  2. Tran, K. H.; Hildebrand, L. (2023) Gebäuderessourcenpässe: Potenzial zu sinnvoller Ressourcenplanung. nbau – Nachhaltig Bauen 2, H. 3, S. 19–22. www.nbau.org/2023/06/27/gebaeuderessourcenpaesse-potenzial-zu-sinnvoller-ressourcenplanung
  3. Hillebrandt, A.; Seggewies, J.-K. (2018) Recyclingpotenziale von Baustoffen in: Hillebrandt, A. et al. [Hrsg.] Atlas Recycling – Gebäude als Materialressource. München: Edition Detail, S. 58–101.
  4. DIN; DKE; VDI [Hrsg.] (2023) Deutsche Normungsroadmap Circular Economy. Abschnitt 7 – Bauwerke und Kommunen. Berlin: DIN. https://www.din.de/resource/blob/892606/06b0b608640aaddd63e5dae105ca77d8/normungsroadmap-circular-economy-data.pdf
  5. Rosen, A. (2021) Urban Mining Index – Entwicklung einer Systematik zur quantitativen Bewertung der Kreislaufkonsistenz von Baukonstruktionen in der Neubauplanung. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag.
  6. Rosen, A. (2022) Gutachten „Ressourcenschonendes Bauen“ am Beispiel Rathaus Korbach. Für ARGE agn heimspiel architekten, im Auftrag des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Klimaschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (HMUKLV). https://umwelt.hessen.de/sites/umwelt.hessen.de/files/2022-08/rhk_gutachten_ressourcenschonendes_bauen.pdf
  7. DGNB (2023) DGNB-System – Kriterienkatalog Gebäude Neubau Version 2023. Kriterium TEC1.6 – Zirkuläres Bauen. Stuttgart: Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen, S. 497.
  8. DIN SPEC 91484:2023-09 (2023) Verfahren zur Erfassung von Bauprodukten als Grundlage für Bewertungen des Anschluss­nutzungspotentials vor Abbruch- und Renovierungsarbeiten (Pre-­Demolition-Audit). Berlin: Beuth. Ausgabe September 2023.

Autor:in

Prof. Dr.-Ing. Anja Rosen, rosen@cfuenf.de
C5 GmbH/Münster School of Architecture

www.urban-mining-index.de

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