Überblick
Der Bau, die Instandhaltung und die Sanierung des weltweiten Straßennetzes werden mit den derzeitigen Methoden zu erheblichen Treibhausgasemissionen führen.
In diesem Artikel werden wir das Potenzial aufzeigen, die Treibhausgasemissionen der Straßenbauindustrie durch den Wechsel zur In-situ-Stabilisierung / zum Kaltrecycling unter Verwendung kohlenstoffarmer Bindemittel und des Nanopolymerzusatzes Renolith 2.0 deutlich zu reduzieren.
Problem
Der Straßenbau verursacht einen großen CO2-Fußabdruck.
Straßen spielen eine Schlüsselrolle für den Güter- und Personenverkehr, ihre Herstellung erfordert jedoch große Mengen an Materialien, die Treibhausgase freisetzen. Wir schätzen den Bestand an Straßenbaumaterialien auf 254 Gigatonnen. Würden wir diese Straßen neu bauen, entstünden bei der Rohstoffgewinnung 8,4 Gigatonnen CO₂-Emissionen.2-eq.
Materialbestand und graue Treibhausgasemissionen von globalen und städtischen Straßenbelägen, Environmental Science & Technology 2022 56 (24), 18050-18059, DOI: 10.1021/acs.est.2c05255
Das Straßennetz wächst
…Man geht davon aus, dass weltweit fast 25 Millionen zusätzliche befestigte Straßenspuren benötigt werden.‐Kilometer (km) und 335.000 Gleiskilometer (Gleisstrecke)‐km), oder eine Steigerung der kombinierten Straßen- und Schienennetzlänge um 60% gegenüber 2010 bis 2050. Darüber hinaus wird erwartet, dass zwischen 45.000 Quadratkilometer (km²) und 77.000 km² neue Parkplätze geschaffen werden, um dem Wachstum des Pkw-Bestands gerecht zu werden.
Dulac, J., 2013. Anforderungen an die globale Landverkehrsinfrastruktur.Paris: Internationale Energieagentur, 20, S. 2014.
Straßen benötigen Instandhaltung und Sanierung.
Asiatische Länder verfolgen tendenziell eine Politik, die eine kurze Nutzungsdauer (etwa 10 Jahre) von Straßen und Autobahnen vorsieht, um Baukosten zu sparen und die Unsicherheit bei der Prognose langfristiger Verkehrsaufkommen zu berücksichtigen. Die anfänglichen Kosteneinsparungen dieser Strategie werden jedoch häufig durch die mittelfristigen und gesamten Lebenszykluskosten für Instandhaltung und Sanierung kompensiert, was zu erhöhten Treibhausgasemissionen führen kann. Obwohl Fahrzeugüberladung in Asien ein gravierendes Problem darstellt, wird sie in der Planungsphase selten berücksichtigt. Dies führt häufig zu einer vorzeitigen Abnutzung der Fahrbahnen. Überladene Fahrzeuge beeinträchtigen die Treibhausgasemissionen erheblich, nicht nur durch die verkürzte Nutzungsdauer der Straßen, sondern auch durch die daraus resultierenden höheren Instandhaltungs- und Betriebskosten sowie die Gefährdung der Verkehrssicherheit.
Verkehr – Minderung der Treibhausgasemissionen beim Straßenbau und der Straßensanierung: Ein Instrumentarium für Entwicklungsländer (Englisch). Washington, DC: Weltbankgruppe. S. 2012. (Im Folgenden: Instrumentarium zur Minderung von Treibhausgasemissionen)
Modell
Eine Lebenszyklusanalyse (LCA) ist eine Methode zur detaillierten Erfassung von Ressourcenflüssen und den damit verbundenen Umweltauswirkungen. LCA wird häufig eingesetzt, um die Klimawirkung eines Produkts oder einer Dienstleistung – von der Rohstoffgewinnung bis zur Entsorgung – zu bewerten, beispielsweise im Bereich der Verkehrsinfrastruktur. Verschiedene LCA-Softwaretools stehen zur Verfügung, um die Treibhausgasemissionen von Straßenbauprojekten zu schätzen. Für aussagekräftige Ergebnisse benötigt die LCA projektspezifische Daten. Generell streben wir jedoch zur Minimierung der gesamten Treibhausgasemissionen beim Straßenbau Folgendes an:
- Minimierung der Emissionen aus der Straßenbauphase,
- Die Häufigkeit von Straßenreparaturen/-sanierungen minimieren (alternativ die Lebensdauer des Straßenbelags maximieren).
Für unser Modell verwenden wir eine einfache Methode, um die Treibhausgasemissionen für einen ungebundenen granularen Straßenbelag im Vergleich zu einem gebundenen Straßenbelag mit Renolith-Zusatz zu schätzen.
Bauphase
Vereinfachter Ansatz
Ein vereinfachter Ansatz zur Schätzung der Treibhausgasemissionen während der Bauphase wird mithilfe des Modells und der Daten aus dem [Referenzmaterial] geschätzt. Instrumentarium zur Minderung von Treibhausgasemissionen. Es werden nur Material- und Transportemissionen berücksichtigt.
Bei Schnellstraßen und Bundesstraßen sind die Treibhausgasemissionen aus der Herstellung und Gewinnung von Baumaterialien mit rund 90 Prozent der Gesamtemissionen der Hauptfaktor; bei Provinz- und Landstraßen spielen sie mit rund 80 Prozent eine geringere Rolle.
Der Materialtransport verursacht etwa 30 Prozent der Treibhausgasemissionen eines Straßenbauprojekts. Davon entfallen rund 50 Prozent auf den Nahverkehr (unter 25 km).
Rohstoffgewinnung und Materialtransport sind daher die wichtigsten Aktivitäten, die berücksichtigt werden müssen, um die Treibhausgaswirkung eines Straßenbauprojekts deutlich zu verbessern.
Ungebundener Schotterbelag
Für den Bau eines Kilometers zweispuriger Autobahn werden etwa 14.000 Tonnen (oder 400 LKW-Ladungen) Bauzuschlagstoffe benötigt.
Für eine typische zweispurige Bitumenstraße mit einer Schottertragschicht können bis zu 25.000 Tonnen Material pro Kilometer benötigt werden.
SBEnrc, “Verringerung der Umweltauswirkungen des Straßenbaus,” Sustainable Built Environment National Research Centre (SBEnrc), Perth WA, 2013
Für unser Modell gehen wir von einem Bedarf von 7000 Tonnen Zuschlagstoffen pro Fahrstreifenkilometer (ohne Asphaltschicht) und einer Emissionsintensität von 8 kg CO₂-Äquivalenten pro Tonne aus. Der Transport der Zuschlagstoffe verursacht 30 Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen.
Gebundener Straßenbelag mit Zement und Renolith
Im Brenner Autobahn-Sanierungsprojekt, Für den Zementbinder wurde eine Menge von 25 kg/m² (88 Tonnen pro Fahrstreifenkilometer) aufgebracht – das entspricht etwa 41 t/3 Tonnen Fahrbahngewicht in 30 cm Tiefe. Im Projekt wurde Zement der Güteklasse CEM 32.5 verwendet, der dem Standardzement nach AS 3972 entspricht und eine geschätzte Emissionsintensität von 670 kg CO₂e/Tonne aufweist. Der Transport erfolgte per Lkw (Diesel) mit einer Emissionsintensität von 1,58 kg CO₂e/Fahrzeugkilometer.
Gebundener Straßenbelag mit zementgebundenem Bindemittel und Renolith
Zement hat einen hohen Energieaufwand bei der Herstellung und eine hohe CO₂-Bilanz. Daher besteht großes Interesse daran, Zement durch kohlenstoffärmere Bindemittel zu ersetzen. Austroads AGPR4L-09, Leitfaden zur Straßenbautechnologie Teil 4L: Stabilisierungsbindemittel, Tabelle 5.2 (Ed1.1) listet die typischen handelsüblichen Zementbindemittel-Pozzolan-Mischungen für den Straßenbau in Australien auf. Diese Mischungen enthalten recycelte Zusatzstoffe (Schlacke und/oder Flugasche) und weisen daher eine entsprechend geringere Emissionsintensität auf. Renolith ist mit allen in Austroads AGPR4L-09 aufgeführten Mischungen kompatibel. Daher wird ein dritter Entwurfsansatz verfolgt, der dieselben Parameter wie die Brenner-Fallstudie verwendet, jedoch Zement durch ein emissionsärmeres Bindemittel ersetzt. Für die Bindemittelmischung wird eine Emissionsintensität von 335 kg CO₂-Äquivalenten pro Tonne angenommen, was der Hälfte derjenigen von Portlandzement (OPC) entspricht. Austroads AGPR4L-09 führt Dutzende von Mischungen mit einem Anteil an recycelten Zusatzstoffen von 101 TP3T bis 801 TP3T auf. Generell gilt: Je höher der Anteil an recycelten Zusatzstoffen, desto geringer die Emissionen der Mischung. Allerdings kann die Leistung von Mischungen mit einem sehr hohen SCM-Gehalt von der Leistung von Mischungen mit niedrigem bis mittlerem Gehalt abweichen.
Vergleich
Die nachstehende Grafik zeigt die geschätzten Emissionen aus den Material- und Transportkomponenten der drei Bauweisen. Durch die Verwendung eines Zement-/SCM-Mischbindemittels mittlerer Emissionen in Kombination mit Renolith lässt sich eine signifikante Reduzierung der Treibhausgasemissionen erzielen. Potenziell (vorbehaltlich weiterer Tests) könnten die Emissionen durch den Einsatz eines emissionsarmen Zementbindemittels, wie beispielsweise eines Hochleistungszements mit reduziertem Klinkeranteil, noch weiter gesenkt werden.
Betrachtungen des gesamten Lebens
Die in der folgenden Tabelle kursiv dargestellten Überlegungen basieren auf der Instrumentarium zur Minderung von Treibhausgasemissionen Die damit verbundenen Vorteile eines Renolith-Pflasters werden aufgelistet.
Die Kaltrecycling-Methode mit zementgebundenem Bindemittel und Renolith erzeugt eine steife, gebundene Fahrbahndecke zu deutlich geringeren Kosten als herkömmliche ungebundene Schüttgutbauverfahren. Die verbesserte Wirtschaftlichkeit des Bauvorhabens kann den Druck verringern, es auf eine kurze Nutzungsdauer auszulegen.
Die Dauerfestigkeit zementgebundener Schichten reagiert sehr empfindlich auf die Schichtdicke und die Schichtsteifigkeit. Näherungsweise kann eine Reduzierung der Schichtdicke oder -steifigkeit um 101 µT zu einer Verringerung der Dauerfestigkeit um etwa 90 µT führen.
AustStab TN05, “AustStab Technische Notiz Nr. 5, Zementstabilisierungspraxis,” AustStab, Sydney, 2012.
Betrachten wir die Umkehrung dieser Heuristik: Eine Erhöhung der Dicke um 11% kann bei zusätzlichen Baukosten von weniger als 11% eine massive Erhöhung der Ermüdungslebensdauer um 900% bewirken.
Die Emissionsvorteile von Renolith-Fahrbahnen über den gesamten Lebenszyklus sind eindeutig beträchtlich, aber schwer zu quantifizieren. Fallstudie Brennerautobahn Dies deutet darauf hin, dass trotz schwieriger Umweltbedingungen (seitlicher Wassereinbruch, Frost) und hoher Verkehrsbelastung (über 2.000.000 schwere Nutzfahrzeuge pro Jahr) eine lange Lebensdauer von Straßenbelägen erreicht werden kann. Im Gegensatz dazu verdeutlichten die Überschwemmungen in Australien im Jahr 2022 die Anfälligkeit konventioneller Straßenbeläge für Wasserschäden, die Schäden in Höhe von 1.400.380 Milliarden US-Dollar verursachten. Da Häufigkeit und Intensität extremer Wetterereignisse zunehmen, müssen wassergeschädigte Straßen repariert und saniert werden, was mit entsprechenden Treibhausgasemissionen verbunden ist. Dieses anhaltende Problem könnte … erheblich gemildert durch Renolith, da das gebundene Komposit im Wesentlichen undurchlässig ist.
Abschluss
Durch die Umstellung auf In-situ-Stabilisierung/Kaltrecycling unter Verwendung kohlenstoffarmer Bindemittel besteht das Potenzial, die Treibhausgasemissionen der Straßenbauindustrie deutlich zu reduzieren. Renolith 2.0 Nanopolymer-Zusatzstoff als primäre Straßenbaumethode. Dieses Potenzial ergibt sich aus attraktiven wirtschaftlichen Aspekten, einer geringen CO2-Bilanz beim Bau sowie einer hohen Lebensdauer und Haltbarkeit des Straßenbelags.
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