EU-CRAFT PROJECT

Hemp as building material for energy efficient wooden-houses

Lebenszyklus der Hanfmattenerzeugung in drei Modulen

TECHNISCHES BÜRO FÜR VERFAHRENSTECHNIK Dipl.-Ing. Dr. Christian Krotscheck Innovationszentrum Ländlicher Raum Auersbach 130, A-8330 FELDBACH Tel.: +43 (0) 3152/8575–330 Fax : +43 (0) 3152/8575-335 Email: [email protected]

Auersbach im Feber 2002

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Bewertung von Hanfdämmstoffen

1.

Basis der ökologischen Bewertung der Umweltrelevanz mit dem SPI

Der SPI (Sustainable Process Index, zu deutsch Ökologischer Fußabdruck) wurde seit 1991 an der TU Graz ab 1998 in der Privatwirtschaft konzeptiv und praktisch entwickelt. Der SPI ist eine hochaggregierte Maßzahl, die die ökologischen Auswirkungen (Stoff- und Energieströme) einer Anlage (eines Prozesses) auf der Basis von Fläche zusammenfasst. Durch diese Aggregation können Ressourceneinsatz (Rohstoffe, Energie) und Emissionen in Luft, Wasser und Boden in einem vergleichbaren Maß dargestellt werden. Seit 1998 ist der SPITM als Marke (Österreichisches Patentamt AM 3103/98; Reg.Nr. 180 270) von C. Krotscheck geschützt. Der SPI bewertet folgendermaßen: Der Ressourceneinsatz wird über Erneuerungsraten oder Erträge berechnet. Vom Menschen verursachte Emissionen werden mit natürlichen Flüssen verglichen. Das Umweltkompartiment Wasser, zum Beispiel, wird über den Niederschlag erneuert, der um die Transpiration verringert wird. Gleichzeitig werden über Grund- und Oberflächenwasser natürlich gelöste Stoffe abtransportiert. Niederschlag und Stofftransport sind in der Ökosphäre am einfachsten flächenbezogen darzustellen. Eine Emission einer Anlage in das Kompartiment Wasser wird im SPI-Konzept auf die natürliche Stromdichte referenziert, die durch den Wasserfluss pro m² in die Geosphäre, sowie durch die natürlichen Übergangsströme in das Kompartiment Wasser bestimmt wird. Die einem Massen- oder Energiestrom zugehörige Fläche (auch der Ökologische Fußabdruck genannt) einer Emission entspricht dem Areal, das die Ökosphäre zur Dissipation bzw. Degeneration eines Stromes gleicher Menge und Qualität benötigt. Die Fähigkeiten des SPI machen ihn aus folgenden Gründen für die integrierte Systembewertung besonders vorteilhaft: -

integrierte Bewertung von Ressourcen und Emissionen auf einer Basis (Flächenbedarf, Ökologischer Fußabdruck); Erstellung der Schwachstellenmatrix erfolgt damit gleichzeitig ressourcen- und medienübergreifend

-

einfache Adaption der Bewertungsbasis (Normalisierung der Daten über Erneuerungsraten und lokale, natürliche Konzentrationen) an lokale Gegebenheiten

Der SPI (bzw. der Ökologische Fußabdruck) wurde bereits in der Industrie (Papier-, Elektronik-, Grundstoff- und Baustoffindustrie, Energiesysteme, Abfallwirtschaft), in Landund Forstwirtschaft sowie bei der Evaluierung von Verkehrssystemen eingesetzt (siehe dazu auch http://vt.tu-graz.ac.at/spi/). Die Einsatzfähigkeit für Standort- und Regionsbewertung, Ecodesign (Produkt-, Prozess- und Nutzenbewertung) und zur Quantifizierung und Operationalisierung des Umweltmanagements (nach EMAS) wurde in Projekten dargestellt (z.B. Dielacher, 1997). Auch für diese Aufgabenstellung hat die Verwendung des SPI gegenüber anderen Bewertungsansätzen große Vorteile, da er die Relevanz der verschiedenen Schritte im Prozess, die vorgelagerten Ketten (Dieselgewinnung, Düngererzeugung, Ackerbau ..) und die nachgelagerten Schnittstellen (Transport, Entsorgung) des Projektes berücksichtigen kann (über den gesamten Lebenszyklus). Der dadurch entstehenden Überblick betrifft damit den Gesamtzyklus der Erzeugung und Entsorgung von Hanfdämmwolle und Hanftrittschallmatten.

C. Krotscheck, TB VT

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Bewertung von Hanfdämmstoffen

2.

SPI Bewertung in 3 Modulen

Der SPI hat die Grundeinheit [m²a]: dies bedeutet, dass ein Vorgang (ein Produkt, etc.) einen Quadratmeter (Erdoberfläche) exklusiv für ein Jahr in Anspruch nimmt. Im Sinne der Flächenkonkurrenz aller Vorgänge auf der Erde bedeutet das wiederum, dass Nachhaltigkeit insbesondere dann gegeben ist, je kleiner der Flächenbedarf ist. Vorgänge (Produkte, Prozesse) mit kleinem “Ökologischem Fußabdruck” sind für die nachhaltige Entwicklung besser geeignet als solche mit großem Fußabdruck. Die SPI Bewertung wurde in 3 Module gegliedert: Modul 1 umfasst den Anbau und die Ernte der Faserpflanze Hanf in der Landwirtschaft. Hier verursachen der Maschineneinsatz und der Betrieb mittels fossile Energieträger den Löwenanteil des ökologischen Druckes (vgl. Tabelle 2.1). An zweiter Stelle kommt der Einsatz von Düngemittel und deren Verluste am Feld in Luft (z.B. NOx, NH3) und Wasser (z.B. Nitrit, Nitrat). Das gesamte Modul 1 wurde auf einen Hektar Anbaufläche bezogen. Die Annahmen spiegeln den typischen konventionellen Hanfanbau in Europa wieder (Düngemengen, Traktorleistung, Arbeitsstunden, etc.) und münden in einen durchschnittlichen Hanfstroh-Ertrag von 8.000 Kilogramm. Modul 1: Hanfanbau

Bezugsbasis: m²a/ha Traktor und Maschinen (Anbau und Ernte) 122.409 Dünger und Pflanzenschutz 21.798 Anbaufläche 10.000 Düngeremissionen: Leitfläche N 18.300 Transport zur Fasergewinnungsanlage 2.888 Summe 175.395 Ertrag Hanfstroh 8.000 Modul 2: Fasergewinnung Bezugsbasis: m²a/t Hanfstroh 21.924 elektrischer Strom 20.423 Maschinen und Anlagen 1.449 Kompostierung der Verluste 780 Summe 44.576 Fasermaterial 220 Schäben 650 Modul 3: Hanfmattenproduktion Bezugsbasis: m²a/t Anlieferung im Lkw 51.882 Fasermaterial 51.237 elektrischer Strom 14.366 Maschinen und Anlagen 985 Kompostierung der Verluste (Staub) 180 PE Verpackung 8.070 Summe 126.720 Matten Produkte 970

Abb. 2.1:

1 ha Anbaufläche mit Hanf Anbaufläche wesentliche Einflüsse der Vorkette 70% Einsatz fossilen Diesels 12% Energiebedarf Stickstoffdünger 6% 10%

N-Emissionen in die Luft

2%

kg/ha 1000 kg Strohverarbeitung (1h Produktion) Stroh wesentliche Einflüsse der Vorkette 49% 46% 3% 2%

Atomstrom und Kohlekraftwerke (Radioaktivität, CO2 Emission) Erzverarbeitung (fossiler Energieeinsatz) 130 kg

kg/h kg/h 1000 kg Fasereinsatz (1,39 h Produktion) Faser wesentliche Einflüsse der Vorkette 41% CO2 und Nox Emissionen des Lkw 40% 11% 1% 0% 6%

Atomstrom und Kohlekraftwerke (Radioaktivität, CO2 Emission) Erzverarbeitung (fossiler Energieeinsatz) 30 kg fossiler Rohstoff, CO2 aus Energieeinsatz

kg/t

Ökologischer Fußabdruck der 3 Module: Hanfanbau, Fasergewinnung und Hanfmattenproduktion unter konventionellen typischen Rahmenbedingungen in Europa

Im Modul 2 findet die Fasergewinnung statt. Die Anlage verarbeitet 1.000 kg pro Stunde, wobei 130 kg der Rohware Hanfstroh als Verlust zurück aufs Feld gehen. Die Fasergewinnung benötigt keine anderen Roh- und Hilfsstoffe und wird allein durch maschinellen Einsatz und Strom bewerkstelligt. Als Basis des Ökologischen Fußabdruckes des Einsatzes elektrischer Energie wurde der Europäische Energiemix verwendet. In diesem sind große Mengen atomaren und fossilen Ursprungs enthalten. Die Verwendung dieser Primärenergieträger beeinflusst die Umwelt in hohem Ausmaß. Das ist der Grund, warum der Einsatz elektrischer Energie nahezu 50% zum Ökologischen Fußabdruck beiträgt. Die Produkte des Moduls 2 sind einerseits Fasern (220 kg/h) und andererseits Schäben (650 kg/h), die als hochwertiges Produkt in der Tierzucht und der Bauindustrie Verwendung finden. Es C. Krotscheck, TB VT

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Bewertung von Hanfdämmstoffen

wurde angenommen, dass Fasern und Schäben der Fußabdruck der vorangegangenen Module äquivalent angelastet wird. Das Fasermaterial ist bereits ein einsatzfertiger Dämmstoff, der unter der Bezeichnung Hanf Dämmwolle (HDW) vertrieben wird. Verarbeitet man das Fasermaterial weiter, so kann man Trittschallmatten erzeugen. Modul 3 bewertet diesen Sachverhalt. Die Hanfmattenproduktion ist 1160km von der Faserproduktion entfernt. Dieser Transport mittels Lkw verursacht 41% des Ökologischen Fußabdruckes in diesem Modul. Die Aufbereitung und Vernadelung verbraucht viel weniger Strom als Modul 2. Die 3% Verlust werden kompostiert und das fertige geschnittene Mattenprodukt auf Paletten gelagert und mit einer Transportverpackung aus PE versehen. Die Anlage kann in ca. 1,4 Stunden 1.000 Kilogramm Fasermaterial verarbeiten. Das Produkt Hanf Trittschallmatten (HTM) wird in 2 unterschiedlichen Dichten hergestellt und eingesetzt. 2.1

Ökologische Optimierungspotenziale

Aus der ökologischen Bewertung mit dem SPI ergibt sich folgende Verbesserungsstrategie (gereiht nach Prioritäten): 1. Stromversorgung aus regenerativen Energiequellen 2. Verkürzung der Transportwege (regionale Produktion und Anwendung) 3. Umstellung auf kontrolliert-biologischen Landbau und Verwendung von Pflanzenöl als Treibstoff in der Landwirtschaft 4. Verpackung des Produktes in Papierwerkstoffen Modul 1: Hanfanbau Traktor und Maschinen (Anbau und Ernte) Dünger und Pflanzenschutz Anbaufläche Düngeremissionen: Leitfläche N Transport zur Fasergewinnungsanlage Summe Ertrag Hanfstroh Modul 2: Fasergewinnung Hanfstroh elektrischer Strom Maschinen und Anlagen Kompostierung der Verluste Summe Fasermaterial Schäben Modul 3: Hanfmattenproduktion Anlieferung im Lkw Fasermaterial elektrischer Strom Maschinen und Anlagen Kompostierung der Verluste (Staub) PE Verpackung Summe Matten Produkte

Abb. 2.2:

Bezugsbasis: m²a/ha 122.409 21.798 10.000 18.300 2.888 175.395 8.000 Bezugsbasis: m²a/t 21.924 2.904 1.449 780 27.057 220 650 Bezugsbasis: m²a/t 8.945 31.100 2.043 985 180 8.070 51.324 970

1 ha Anbaufläche mit Hanf Anbaufläche wesentliche Einflüsse der Vorkette 70% Einsatz fossilen Diesels 12% Energiebedarf Stickstoffdünger 6% 10%

N-Emissionen in die Luft

2%

kg/ha 1000 kg Strohverarbeitung (1h Produktion) Stroh wesentliche Einflüsse der Vorkette 81% 11% 5% 3%

Kohlekraftwerke (CO2 Emission) Erzverarbeitung (fossiler Energieeinsatz) 130 kg

kg/h kg/h 1000 kg Fasereinsatz (1,39 h Produktion) Faser wesentliche Einflüsse der Vorkette 17% CO2 und Nox Emissionen des Lkw 61% 4% 2% 0% 16%

Kohlekraftwerke (CO2 Emission) Erzverarbeitung (fossiler Energieeinsatz) 30 kg fossiler Rohstoff, CO2 aus Energieeinsatz

kg/t

Ökologischer Fußabdruck der 3 Module: Hanfanbau, Fasergewinnung und Hanfmattenproduktion unter österreichischen Rahmenbedingungen und 200km Transportwegen

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Bewertung von Hanfdämmstoffen

Die Abbildung 2.2 zeigt die wesentliche Änderung des Ökologischen Fußabdruckes nach Modulen unter österreichischen Rahmenbedingungen: der Strom-Mix ist von Wasserkraft dominiert und die Transportwege sind kurz (200km). Allein die Änderung dieser beiden Rahmenbedingungen reduziert die ökologische Belastung des Mattenproduktes um ca. 60%. Die Abbildung 2.3 zeigt die Möglichkeiten der ökologischen Verbesserungen schrittweise: konventioneller Anbau und europäische Rahmenbedingungen (konventionell, EU); biologischer Anbau und europäische Rahmenbedingungen (biologisch, EU); konventioneller Anbau und österreichische Rahmenbedingungen (konventionell, AUT); biologischer Anbau und optimierte Rahmenbedingungen (optimiert), wie regionale Verarbeitung, umweltschonender Transport, grüner Strom und Papierverpackung.

m²a/kg

0

20

40

60

80

100

120

140

EU, konventionell

EU, biologisch

AUT, konventionell Hanfstroh

optimiert

Hanf Dämmwolle Hanf Trittschallmatte

Abb. 2.3:

Ökologischer Fußabdruck der 3 Module: Hanfanbau, Dämmwolleerzeugung und Hanfmattenproduktion unter verschiedenen Rahmenbedingungen

Man erkennt, dass der größte Anteil des Optimierungspotenzials in der weitergehenden Verarbeitung liegt. Das bedeutet, dass es direkt der Produzent in der Hand hat, entsprechende Rahmenbedingungen zu setzen und Utilityentscheidungen zu treffen.

C. Krotscheck, TB VT

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Bewertung von Hanfdämmstoffen

2.2

Vergleich der Bewertung mit anderen Faserdämmstoffen

Vergleicht man die Ergebnisse mit anderen Faserdämmstoffen (vgl. Abbildung 2.4) so fällt folgendes auf: die Dämmwolle liegt ökologisch ca. 60% besser als der vergleichbare einblasbare Zellulosedämmstoff.

m²a/kg

Hanf Dämmwolle

0

50

100

150

200

250

300

350

51

Zellulosedämmstoff

Hanf Trittschallmatte

131

Kokosfasermatten

Steinwolle

Abb. 2.4:

Ökologischer Fußabdruck verschiedener Faserdämmstoffe im Vergleich

Die Hanf Trittschallmatte liegt im Bereich von Kokosfasermatten und deutlich unter Dämmstoffen, basierend auf Steinwolle. Die HTW verursacht einen um 60% geringeren SPI über den Lebenszyklus als Trittschallplatten aus Steinwolle.

2.3

Vergleichende Bewertung mit gängigen Dämmstoffen

Dehnt man den Vergleich auf geschäumte und zementgebundene Dämmstoffe aus, so erhält man Abbildung 2.5. Durch die fossilen Grundstoffe und die energieintensive Polymerherstellung schneiden insbesondere Polystyrole und Polyurethane ökologisch schlecht ab (über 17-facher Ökologischer Fußabdruck gegenüber Hanfprodukten). Dazwischen liegt Steinwolle, angeführt von Dämmstoffen, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. Hanf als hochqualitativer Werkstoff besitzt daher reiches Potenzial für eine nachhaltige Zukunft.

C. Krotscheck, TB VT

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Bewertung von Hanfdämmstoffen m²a/kg

0

500

1.000

Hanf Dämmwolle Hanf Trittschallmatte

1.500

2.000

2.500

EU, konventionell AUT, konventionell

Zellulosedämmstoff Korkplatten Kokosfasermatten zementgeb. Holzspäne Steinwolle Polystyrol Polyurethan Abb. 2.5:

Ökologischer Fußabdruck von Dämmstoffen unter europäischen und österreichischen Rahmenbedingungen bei der Herstellung

Unter nachhaltigeren Rahmenbedingungen verschärft sich der Abstand der naturstoffbasierten zunehmend. So ist in Österreich produzierter Hanf gegenüber Polyurethanplatten um den Faktor 39 und gegenüber Steinwolle um den Faktor 6,5 ökologisch besser.

3.

Vergleichende Bewertung mit dem PEI

Nachdem die ökologische Bewertung mittels SPI leider noch nicht weit verbreitet ist, sei hier noch ein kleiner Exkurs mit dem Index PEI (Primär Energie Inhalt) durchgeführt. Der PEI stellt den kumulierten Energieeinsatz über den Lebenszyklus dar und ist ähnlich dem heute oft angeführten KEA (Kumulierter Energie Aufwand). Der PEI hat die Grundeinheit [kWh] (oder MJ) und berücksichtig daher nur energetische Einflüsse (im Gegensatz zum SPI, der Flächen, Emissionen und Anlagen berücksichtigt). In der Abbildung 3.1 erkennt man, dass der PEI den gleichen Trend wie der SPI verdeutlicht. Am wenigsten Energie verbrauchen nachwachsende Rohstoffe, gefolgt von mineralischen Faserdämmstoffen und schlussendlich von Schaumstoffen auf fossiler Polymerbasis.

C. Krotscheck, TB VT

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Bewertung von Hanfdämmstoffen

Polyurethan

15,8

Polystyrol Steinwolle

6,7

zementgeb. Holzspäne Kokosfasermatten Korkplatten Zellulosedämmstoff Hanf Trittschallmatte

1,6 PEI [kWh/kg]

Hanf Dämmwolle 0 Abb. 3.1:

4

Primär Energie Inhalt Rahmenbedingungen

(PEI)

8 von

12

Dämmstoffen,

hergestellt

16 unter

20 europäischen

Der PEI des Modul 1 ist 0,41 kWh/kg Endprodukt HTM. Modul 2 trägt mit 0,45 kWh und Modul 3 mit 0,71 kWh zum gesamten PEI pro kg HTM bei. Gegenüber dem SPI wertet der PEI den Anbauaufwand stärker.

zum Vergleich Hanf Dämmwolle Hanf-Trittschallmatte Zellulosedämmstoff Kork Kokosfaser zementgeb. Holzspäne Steinwolle Styropor (EPS) Polyurethan Tab. 3.1:

SPI m²a/kg 51 131 85 123 175 92 325 1.922 2.392

PEI kWh/kg 0,86 1,57 1,7 1,9 3,4 1,8 6,7 14,4 15,8

SPI/PEI Relation 60 83 51 64 51 50 49 133 151

SPI und PEI von Dämmstoffen hergestellt unter europäischen Rahmenbedingungen im Vergleich

Vergleicht man als Abschluss in Tabelle 3.1 den SPI und den PEI von verschiedenen Dämmstoffen auf Kilobasis, so ergibt sich ein durchgängiges Bild. Im Bereich der regenerativen Rohstoffbasis werten PEI und SPI sehr ähnlich. Der SPI ist jedoch zusätzlich auf die Rohstoffbasis (z.B. fossiles Materialien), Emissionen bei der Produktion und beim Transport (z.B. NOx, CSB, Styrol), sowie auf anlagenintensive Produktionen sensibel. Dies zeigt sich z.B. an der Relation HDW/PU, wo der SPI das Verhältnis 1:47, der EPI nur 1:19 aufweist.

C. Krotscheck, TB VT

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Bewertung von Hanfdämmstoffen

4.

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Schlussaussagen zum Hanfprojekt

Der Einsatz von Hanf zur Wärme- und Trittschalldämmung kann aus ökologischen Gesichtspunkten nur begrüßt werden. Man kann schließend festhalten: 1. Hanf liegt heute im typischen ökologischen Ranking von regenerativen Dämmstoffen 2. Hanf kann durch geeignete Produktionsbedingungen gegenüber anderen Dämmstoffen im ökologischen Bereich noch deutlich verbessert werden 3. Hanf hat das Potenzial, ein günstiger und nachgefragter Dämmstoff unter nachhaltigen Rahmenbedingungen zu sein 4. der Ökologische Fußabdruck und der Primär Energie Inhalt zeigen eindeutig in die gleiche Richtung; HDW und HTM sind ökologisch äußerst interessante Produkte 5. die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen (landwirtschaftliche Anbauart, Stromversorgung, Transportwege und Verpackungsart) haben massiven Einfluss auf die ökologische Belastung über den Lebenszyklus Daher ist bei der Produktion darauf zu achten, dass die elektrische Energie zur Verarbeitung des Hanfstrohs aus regenerativen Quellen stammt und die Transportwege möglichst gering gehalten werden (vgl. die Berechnungen unter österreichischen Rahmenbedingungen Abbildung 2.2; hier liegt der Ökologische Fußabdruck der Hanf Trittschallmatte um 59% niedriger).

C. Krotscheck, TB VT

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