Ökologischer Fußabdruck von Bitumen

Abstract

Die globale Erderwärmung infolge des Klimawandels zählt zu den größten Herausforderungen der heutigen Zeit und erfordert gezielte Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen (THG). Eine geeignete Methodik zur Erfassung und Bewertung solcher Emissionen ist die Erstellung einer Lebenszyklusanalyse (Life cycle assessment) (LCA), auch genannt Ökobilanz, mit welcher die Umweltauswirkungen von Produkten, Dienstleistungen und Prozessen entlang ihres gesamten Lebenszyklus analysiert werden können. Vor allem der Bausektor, insbesondere der Straßenbau, ist aufgrund seines hohen THG-Ausstoßes gefordert, nachhaltigere Lösungen zu entwickeln. Ein wichtiges Material in diesem Zusammenhang im Straßenbau ist Bitumen, ein erdölbasiertes Produkt, das hauptsächlich als Bindemittel in Asphaltmischgut eingesetzt wird. Trotz seines geringen Massenanteils von rund 5 % in diesem trägt es jedoch maßgeblich zum ökologischen Fußabdruck bei und ist, wie diverse Studien belegen, für 92–95 % des Erderwärmungspotenzial (Global warming potential) (GWP) bei der Rohstoffbereitstellung von Asphaltmischgütern verantwortlich. Bereits vorhandene LCAs zur Bewertung von Bitumen zeigen in ihren Ergebnissen jedoch deutliche Schwankungen auf. Die Bandbreite der Ergebnisse reicht von 136 bis 1395 Kilogramm (kg) CO2-Äquivalente (CO2eq.)/ Tonne (t) Bitumen und variiert somit um das 10-Fache. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Abweichungen zu analysieren und jene Parameter zu identifizieren, die maßgeblich für die Abweichungen der Ergebnisse verantwortlich sind. Da es keine verpflichtenden Vorgaben zur Erstellung einer Ökobilanz gibt, können sich LCAs hinsichtlich Aufbau und Methodik erheblich voneinander unterscheiden, was die Vergleichbarkeit erschwert. Demnach wurden bei der durchgeführten Parameterstudie in dieser Arbeit ebenso die Vergleichbarkeit und Nachvollziehbarkeit untersucht. Die ausgewählten Parameter wurden für jede der 13 untersuchten Studien ausgewertet, und die Anzahl der angegebenen Werte und Quellen wurde gegenübergestellt. Mit Hilfe einer Clusteranalyse wurden Zusammenhänge zwischen Studienmerkmalen und Emissionswerten untersucht. Ergänzend wurde eine Sensitivitätsanalyse auf Basis eines eigens entwickelten Modells durchgeführt, mit dem die Auswirkungen unterschiedlicher Parameterannahmen auf die berechneten Kohlenstoffdioxid-Emissionen (CO2) quantifiziert werden konnten. Aufgrund der verfügbaren Datengrundlagen der analysierten Studien war es lediglich möglich, die CO2-Emissionen zu betrachten – eine Auswertung der GWP-Ergebnisse konnte nicht erfolgen. Ein direkter Vergleich zwischen CO2- und GWP-Werten ist nicht zulässig, da im GWP weitere Treibhausgase berücksichtigt werden. Das entwickelte Modell basiert auf der Eurobitume-Studie aus dem Jahr 2022 (EB22), da diese die geeignetste Datenbasis bot und in den vergangenen Jahren als Referenzstudie für Bitumen in Europa galt. Darüber hinaus ermöglicht die Modellanwendung eine Bewertung, wie die EB22 im Vergleich zu anderen Studien abschneidet, sowie eine Analyse der Aussagekraft und Gültigkeit ihrer Ergebnisse. Die Ergebnisse zeigen, dass fehlende Standardisierung, unterschiedliche methodische Ansätze sowie stark variierende Parameterannahmen – insbesondere im Hinblick auf den Energieverbrauch in den diversen Herstellungsphasen – wesentliche Ursachen für die großen Abweichungen darstellen. Die größten Differenzen ergeben sich durch abweichende Energieverbrauchsannahmen in der Förderungsphase, die zwischen 408 und 1779 Megajoule (MJ)/t Erdöl liegen und eine Spannweite der CO2-Emissionen von rund 83 kg CO2/t Bitumen verursachen (inklusive Ausreißern). An zweiter Stelle folgt die Raffinationsphase, in der die Energieverbrauchswerte zwischen 315 und 1608 MJ/t Bitumen variieren, was zu einer Emissionsdifferenz von etwa 78 kg CO2/t Bitumen führt. Drittgrößter Einflussfaktor ist der Energieverbrauch beim Transport mit Öltankern, der zwischen 0,039 und 0,16 MJ/Tonnen-Kilometer (tkm) Erdöl schwankt und eine Differenz von rund 43 kg CO2/t Erdöl bewirkt. Auf Basis des EB22-Modells zeigt sich zudem, dass diese Studie die drittniedrigsten GWP-Emissionen aller analysierten Arbeiten aufweist. Es ist anzunehmen, dass insbesondere die Annahmen in der Förderungs- und Raffinationsphase zu niedrig angesetzt wurden.

Climate change as a consequence of global warming is among the greatest challenges of our time and requires targeted measures to reduce greenhouse gas (GHG) emissions. A suitable methodology for assessing such emissions is the preparation of a Life Cycle Assessment (LCA), which can be used to analyze the environmental impacts of products, services, and processes throughout their entire life cycle. The construction sector is particularly called upon to develop more sustainable solutions due to its high level of GHG emissions. One important material in this context in road engineering is bitumen, a petroleum-based product primarily used as a binder in asphalt mixtures. Despite its relatively low mass share of around 5 % in asphalt, it significantly contributes to the ecological footprint and, as various studies have shown, is responsible for 92-95 % of the global warming potential (GWP) associated with raw material provision for asphalt mixtures. However, existing LCAs evaluating bitumen show significant variability intheir results. The range spans from 136 to 1395 kilograms (kg) of CO2-equivalents (CO2eq.) per ton (t) of bitumen, representing a tenfold difference. The aim of this thesis is to analyze these deviations and to identify those parameters that are primarily responsible for the discrepancies in the results. Since there are no mandatory guidelines for conducting a life cycle assessment (LCA), LCAs can differ significantly in terms of structure and methodology, which complicates comparability. Accordingly, this study also examined the comparability and traceability in the parameter study conducted. The selected parameters were evaluated for each of the 13 studies examined, and the number of specified values and sources was compared. Using a cluster analysis, correlations between study characteristics and emission values were investigated. Additionally, a sensitivity analysis was carried out based on a self-developed model that quantified the effects of different parameter assumptions on the calculated CO2. The model is based on the Eurobitume study from 2022 (EB22), as it provided the most suitable data basis and has been considered the reference study for bitumenin Europe in recent years. Furthermore, the model application enables an assessment of how EB22 compares to other studies, as well as an analysis of the significance and validity of its results. The results show that a lack of standardization, different methodological approaches, and highly variable parameter assumption - particularly regarding energy consumption in the various production phase - are key causes of the large deviations. The greatest differences arise from divergent energy consumption assumptions in the extraction phase, which range from 408 to 1779 MJ/t of crude oil and cause a spread in CO2 emissions of around 83 kg CO2/t of bitumen (including outliers). This is followed by the refining phase, in which energy consumption values range from 315 to 1608 MJ/t of bitumen, resulting in an emission difference of about 78 kg CO2/t of bitumen. The third most significant influencing factor is the energy consumption in the transport phase using oil tankers, which fluctuates between 0,039 and 0,16 MJ/ton-kilometers (tkm) of crude oil and results in a difference of around 43 kg CO2/t of crude oil. Based on theEB22 model, it also becomes evident that this study reports the third-lowest GWP emissions of all analyzed works. It is assumed that, in particular, the assumptions made in the extraction and refining phases were set too low.