Development and dynamics of material stocks of an Urban transport system: a case study from Vienna

Abstract

Ein maßgeblicher Anteil des anthropogenen Ressourcenverbrauches und des Materiallagers geht auf die Verkehrsinfrastrukturen zurück. Aktuell stehen städtische Verkehrssysteme vor einer Transformationsphase, um zukünftigen gesellschaftlichen Anforderungen gerecht zu werden. Die zunehmende Urbanisierung und damit verbundene Aus- und Umbauten der Netzwerke erhöht die Relevanz für den Ressourcenverbrauch dieses Sektors zusätzlich. Das Wissen über die Materialzusammensetzungen von Verkehrsinfrastrukturen und die Dynamiken von städtischen Verkehrssystemen sind wesentliche Vorrausetzungen, um effektive Maßnahmen im Ressourcenmanagement zu setzen. In der gegenständlichen Dissertation wurde hierzu als Fallstudie das Verkehrssystem der Stadt Wien je nach Fragestellung von unterschiedlichen Betrachtungsebenen untersucht, vom Materialumsatz des Gesamtsystems bis hin zu konkreten Baumaßnahmen.Zunächst wurde das aktuell vorherrschende Verkehrssystems und dessen Entwicklung seit 1990 untergliedert nach Verkehrsträgern analysiert. Untersucht wurden dabei die Materialumsätze (Materialeinsatz und Abfallaufkommen) und Materiallagerveränderungen, welche mit der Infrastruktur (Neubau, Umbau, Wartung, Rückbau) sowie der Entwicklung der Fahrzeugflotte (Neufahrzeuge, Altfahrzeuge) in Verbindung stehen. Als Methode kam eine bottom-up Materialflussanalyse (MFA) zur Anwendung. Das Gesamtmateriallager des Wiener Verkehrssystems stieg im Zeitraum von 1990-2015 um 26% auf insgesamt rund 100 Millionen Tonnen an. Die Ergebnisse zeigen, dass es im Betrachtungszeitraum zum deutlichen Ausbau von Infrastrukturen des Umweltverbundes (Öffentlicher Verkehr und Aktive Mobilität) gekommen ist. Pro Kopf liegt das Materiallager des motorisierten Individualverkehrs konstant bei rund 34 t/EW, hingegen hat das pro Kopf Materiallager des Öffentlichen Verkehrs im selben Zeitraum um 8% auf 20 t/EW und jenes der Aktiven Mobilität (Gehen und Radfahren) um rund 10% auf 4 t/EW zugenommen. Der überwiegende Anteil des Materialumsatzes steht in Zusammenhang mit Wartungs- und Sanierungstätigkeiten der Infrastruktur (65%). Dieser Anteil nimmt mit zunehmenden Ausbaugrad der jeweiligen Netzwerke zu.Um die zukünftige Entwicklung des städtischen Verkehrssystems und dessen Auswirkungen auf den Ressourcenverbrauch sowie das Abfallaufkommen abschätzen zu können, wurde anhand von unterschiedlichen Szenarien die Entwicklung bis 2050 modelliert. Dafür wurde das retrospektive MFA Modell entsprechend adaptiert und erweitert. Neben einem Vergleichsszenario welches den Status-quo fortschreibt wurden folgende Szenarien unterschieden: (i) der Anteil des motorisierten Individualverkehres am Modal Split verbleibt am heutigen Niveau (25%) und die Fahrzeugflotte wird auf alternative Antriebssysteme umgestellt, (ii) der Anteil des Öffentlichen Verkehrs steigt deutlich auf über 55%, oder (iii) die Bedeutung der Aktiven Mobilität nimmt deutlich zu (45%). Die notwendigen Aus-, Um-, und Rückbauten der jeweiligen Netzwerke, um die entsprechende Transportleistung erbringen zu können sowie die Entwicklung der jeweiligen Fahrzeugflotten wurden hinsichtlich deren Auswirkungen auf den Materialumsatz quantifiziert. Die Auswertung zeigt, dass wenn der Anteil des motorisierten Individualverkehrs am Modal Split am heutigen Niveau verbleibt, sind zukünftig Erweiterungen des städtischen Straßenverkehrsnetzes erforderlich und der jährliche Ressourcenverbrauch steigt weiter an. Sinkt hingegen der Anteil des motorisierten Individualverkehrs auf unter 10%, so kommt es bis 2050 zu einem Rückgang des Materiallagers pro Kopf von ca. 58 t auf etwa 47 t/EW. Dies geht einher mit einer sinkenden privaten Fahrzeugflotte, wodurch ein deutlicher Rückbau von Straßenverkehrsflächen und Flächenumnutzungen (z.B.: in Radwege) möglich werden.Im dritten Teil der Arbeit werden einzelne Subbereiche des Wiener Verkehrssystems im Detail untersucht. Zunächst wurde mithilfe einer bottom-up MFA der Materialeinsatz und das Abfallaufkommen eines konkreten Sanierungsprojektes eines Teilabschnittes der Wiener U-Bahn untersucht. Dabei stand insbesondere der Anteil von sekundären Baumaterialien in der Praxis im Fokus. Die Untersuchung ergab, dass im Tiefbau (v.a. im Unterbau) die Anwendung von recycelten Baumaterialien bereits Stand der Technik ist. So wurden in der Fallstudie rund 55% Recyclingbaumaterial, 40% Primärmaterial, und 5% wiederverwendete Bauteile (v.a. Schweller und Schienen) eingesetzt. Abschließend wurde in einer weiteren Fallstudie eine lebenszyklusbasierte ökologische Bewertung von unterschiedlichen Verkehrsträgern durchgeführt, dazu wurde der größte öffentliche Verkehrsanbieter Wiens, die Wiener Linien, als Untersuchungsobjekt herangezogen. Für das gesamte Unternehmen wurde der direkte und globale Flächenverbrauch untergliedert nach den jeweiligen Verkehrsträgern (U-Bahn, Straßenbahn, Bus) mithilfe eines erweiterten Ökologischen Fußabdruck Ansatzes bestimmt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die inkorporierte Energie in Baustoffen der Infrastruktur (20%), sowie der Energieverbrauch im Betrieb (v.a. Strom und Treibstoffe) (75%), den größten Anteil zum gesamten Ökologischen Fußabdruck des Betreibers beitragen.Die Arbeit zeigt die Bedeutung des vorherrschenden urbanen Verkehrssystems für den gesamten Baumaterialumsatz einer Stadt auf. Deutlich wird ferner, dass eine Transformation in Richtung eines kohlenstofffreien urbanen Verkehrssystems nur bei entsprechender Reduzierung des Anteils des privaten Individualverkehres auch zu einer langfristigen Reduktion des Materialumsatzes führt.

A significant share of material demand and material stocks within urban societies are related to the transport sector. Urbanisation, network expansions, and the transformation towards a more sustainable transport system have increased the sectors material demand and waste generation. Due to its relevance not only for the greenhouse gas emissions and but also for the overall material turnover, the sector is being addressed in various resource management strategies. In the frame of the present thesis, the transport system of the city of Vienna was investigated as a case study. The system was analysed from different levels of consideration, ranging from the material turnover and stock of the overall system to specific construction actions.First, the currently prevailing transport system and its development since 1990 was analysed, subdivided according to various transport modes. The material turnover and material stock development associated with the transport infrastructure (new construction, maintenance, deconstruction) as well as the development of the vehicle fleet (new vehicles, end of life vehicles) was investigated. Thereto a bottom-up material flow analysis (MFA) was performed. In the investigated period from 1990 to 2015, the total material stock of the transport system in Vienna increased by 26% to a total of about 100 million tons. The results show a significant expansion of transport infrastructures within the period investigated, in particular for the transport modes public transport and active mobility (walking and cycling). The material stock per capita of the transport mode motorized individual transport remained constant (34 t/capita). In the same period, the material stock of public transport has increased by 8% to 20 t/capita and that of active mobility by around 10% to 4 t/capita. The majority of material turnover is related to maintenance and rehabilitation activities (65%), whereby this share increases accordingly with the increasing degree of development of the respective network.Second, to estimate the future development of the urban transport system and its impact on resource demand and waste generation, the development until 2050 was modelled using different scenarios. For this purpose, the retrospective MFA model was adapted and extended accordingly. In addition to a scenario, which prolongs the status quo into the future, the following scenarios were distinguished: (i) the share of motorized individual transport in the modal split remains at current level (25%), but to meet emission reduction targets the vehicle fleet will be converted to alternative propulsion technologies; (ii) the share of public transport increases significantly from currently 38% to over 55%; or (iii) the importance of active mobility increases significantly (from 37% to 45%). For each scenario the changes needed to provide the required transport performance per transport mode were quantified and the according development of the vehicle fleets was modelled. The results show that without any change in the choice of transport mode, the road transport network will have to be expanded further and the annual resource demand will continue to rise. In contrast, if the share of motorized individual transport decreases to below 10%, the per capita material stock of the transport sector will decrease from currently 58 t/capita by 19% to about 47 t/capita by 2050. This will be accompanied by a decreasing private vehicle fleet. The overall reduction of the private vehicle fleet will enable a significant reduction of land used as road area and will allow to use the scarce resources land within the city for other purposes (e.g., for bicycle paths or green areas).In the third part, subsections of the urban transport system in Vienna are examined in detail. First, the material demand and waste generation associated with a refurbishment project of a section of the Vienna subway was investigated using a bottom-up MFA approach. Special attention was given to the proportion of secondary construction materials being used in practice. The investigation revealed that the use of recycled construction materials is already state of the art in civil engineering (especially in the track substruction). Thus, in the case study, around 55% recycled construction material, 40% primary material, and 5% reused components (mainly railway sleeper and rails) were built in. Finally, in another case study, a life cycle based ecological assessment of different transport modes was carried out. The object of investigation was Vienna's largest public transport provider Wiener Linien. The direct and global land use was determined using an extended ecological footprint approach, subdivided into the respective modes of transport (subway, tram, bus). The results highlight that the incorporated energy in construction materials built-in the transport infrastructure (20%) as well as the energy consumption associated with the operation (mainly electrical power and fuels) (75%) contribute the most to the overall ecological footprint of the transport provider.The presented work illustrates the importance of the prevailing urban transport system for the total construction material turnover within urban areas. It further shows that a transformation towards carbon-free urban transport will only lead to a long-term reduction in material turnover if it is also associated with a reduction of the share of private motorized individual transport.