Opportunities, challenges and future development of life cycle sustainability assessment in the construction sector with focus on carbon reinforced concrete

Backes, Jana Gerta; Traverso, Marzia; Claßen, Martin; Finkbeiner, Matthias

doi:42774

Opportunities, challenges and future development of life cycle sustainability assessment in the construction sector with focus on carbon reinforced concrete

Backes, Jana Gerta^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jana Gerta Backes

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Traverso, Marzia (Thesis advisor)^RWTH* ; Finkbeiner, Matthias (Thesis advisor) ; Claßen, Martin (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11233
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974125/files/974125.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Nachhaltigkeit im Bauwesen (316710)

Projekte

DFG project 417002380 - TRR 280: Konstruktionsstrategien für materialminimierte Carbonbetonstrukturen – Grundlagen für eine neue Art zu bauen (417002380) (417002380)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
LCSA (frei) ; Nachhaltigkeitsbewertung (frei) ; life cycle assessment (frei) ; reinforced concrete (frei) ; sustainability assessment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Nachhaltigkeit ist und wird für heutige und künftige Generationen immer wichtiger und ist bereits ein wesentlicher Bestandteil von globalen Entscheidungen in allen Sektoren. Auf internationaler Ebene haben die Vereinten Nationen im Jahr 2012 ein zunächst auf zehn Jahre ausgelegtes Programm (10YFP) für nachhaltige Konsum- und Produktionsmuster (heutiges One Planet Network) verabschiedet. Einer der fünf Bereiche dieses Programms befasst sich mit nachhaltigen Gebäuden und Baukonzepten, worin beispielsweise die Bedeutung von nachhaltigem sozialem Wohnungsbau und Energie- und Ressourceneffizienz in der gesamten Lieferkette erwähnt wird. Ende 2019 führte die Europäische Kommission den Europäischen Green Deal (politische Selbstverpflichtung) ein, mit dem Ziel den Kontinent bis 2050 klimaneutral zu machen. Diese Selbstverpflichtung empfiehlt für energieintensive Industrien (wie die Bauindustrie) die Nutzung von ganzheitlichen Nachhaltigkeitsbewertungen – Lebenszyklusanalysen (Life Cycle Sustainability Assessment, LCSA) – zur Messung der Emissionen von Produkten und Materialien. Die Nachhaltigkeitsbewertung über den gesamten Lebenszyklus (LCSA) ist eine Bewertung von Produkten und Dienstleistungen, welche die drei Säulen der Nachhaltigkeit umfasst: Umwelt (Life Cycle Assessment, LCA), Soziales (Social Life Cycle Assessment, S-LCA) und Wirtschaft (Life Cycle Costing, LCC). Die Ergebnisse des LCSA können zur Produkt- oder Serviceoptimierung beitragen, zum Vergleich verschiedener Produkte verwendet werden oder zu einer nachhaltigen Entscheidungsfindung verhelfen. Gebäude werden häufig als wichtiger und integrierter Bestandteil der nachhaltigen Entwicklung betrachtet, da sie eine entscheidende Rolle für die Gesellschaft, die Wirtschaft und die Umwelt spielen. Behält der Bausektor weltweit die aktuellen Umsetzungen bei, so wird sich der Rohstoffabbau bis 2050 verdoppeln. Bereits heute ist die Zementproduktion für etwa 8% der globalen anthropogenen CO2-Emissionen verantwortlich. Den Entscheidungsträgern in diesem Sektor kommt daher eine große Verantwortung hinsichtlich Ressourcen- und Emissionsreduktion zu: Eine wirksame nachhaltige Produktentwicklung beginnt bereits in einem frühen Stadium des Lebenszyklus, wobei die Nachhaltigkeitsbewertung über den gesamten Lebenszyklus unterstützend sein kann. So auch im Bausektor bei der Weiterentwicklung eines innovativen Verbundbaustoffs, dem Carbonbeton. Carbonbeton wird aus den Komponenten Beton und Kohlenstofffasern (Carbonfasern) hergestellt. Aufgrund der geringen Dichte und der guten mechanischen Eigenschaften von Carbonfasern, sowie ihrer Verarbeitbarkeit stellen Carbonfasern eine geschätzte Verstärkung im Faserverbundbau dar. Die konventionelle Variante des bewehrten Betons, Stahlbeton, wird durch gitter- und stabförmigen Stahl unterstützt und benötigt durch die Gefahr der Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Wasser eine ausreichende Ummantelung von Beton als Schutz. Ein großer Vorteil der Kohlenstofffasern ist, dass diese im Gegensatz zu Stahl nicht rosten. Der nicht notwendige Korrosionsschutz (Betonummantelung) ermöglicht leichtere, dünnere und – hinsichtlich Beton – ressourcenschonende Bauteile. Carbonfaser-bewehrter Beton verbindet folglich den Vorteil von Stahlbeton mit der hohen Tragfähigkeit der Carbonfasern. Ziel dieser Dissertation ist es, die Methodik und Anwendung der ganzheitlichen Nachhaltigkeitsbewertung (LCSA) im Bausektor zu analysieren und weiterzuentwickeln, explizit am Beispiel von Carbonbeton. Drei zentrale Schwerpunkte stellen den Rahmen der Dissertation dar: 1.LCSA im Bausektor:Findet das Life Cycle Sustainability Assessment im Bausektor Anwendung, in welcher Form und in welchem Umfang; wo liegen die möglichen Chancen und Herausforderungen; was kann in Zukunft mit welcher Gewichtung und für welche Zielgruppe neu- oder weiterentwickelt werden?2.LCSA Methodik und Anwendung:Wie bewährt sich das 2008/2010 entwickelte LCSA-Rahmenwerk allgemein; ist die Anwendung möglich und praktikabel; besteht Optimierungs- und Weiterentwicklungsbedarf des Rahmenwerks; inwieweit sind die Sustainable Development Goals (SDGs) mit dem Rahmenwerk verknüpft und welche Einzelaspekte des Rahmenwerks sollten zukünftig besonders berücksichtigt werden?3.Nachhaltigkeitsleistung von Carbonbeton:Wie wird das LCSA auf Carbonbeton bereits angewendet; welche Herausforderungen gibt es bei der Anwendung und Umsetzung der einzelnen drei Säulen des LCSA hinsichtlich Carbonbeton; lässt sich aus den Fallstudien eine Verallgemeinerung bezüglich der Auswahl von Indikatoren oder der Visualisierung für den Bausektor ableiten?Im Rahmen der Dissertation werden zunächst durch ein Literaturreview und eine Umfrage aktuelle Herausforderungen und Chancen der Nachhaltigkeitsbewertung im Bausektor identifiziert. Diese legen die Grundlage für die nachfolgenden Themenschwerpunkte, welche sich insbesondere eine Vereinheitlichung und ein optimiertes Verständnis des LCSA zum Ziel machen. Es wird ein besonderer Fokus auf die Kombination aus LCSA und den weltweit bekannten SDGs gelegt, sowie auf die Herausforderung der Wahl einer geeigneten Funktionellen Einheit im Bausektor eingegangen. Abschließend werden Ansätze von Vereinheitlichung und Visualisierung dargestellt, um diese in Zukunft sektorübergreifend zu nutzen und weiterzuentwickeln.

Sustainability is and will be increasingly important for present and future generations and is already an essential part of global decision-making in all sectors. At the international level, in 2012 the United Nations adopted an initial ten-year program (10YFP) for sustainable consumption and production patterns (today’s One Planet Network). One of the five areas of this program deals with sustainable buildings and construction concepts, mentioning for example the importance of sustainable social housing and energy and resource efficiency throughout the supply chain. At the end of 2019, the European Commission introduced the European Green Deal (political commitment), with the aim of making the continent climate-neutral by 2050. This commitment recommends that energy-intensive industries (such as construction) use holistic sustainability assessments – called Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) – to measure emissions from products and materials. The LCSA is an assessment of products and services that encompasses the three pillars of sustainability: environmental (Life Cycle Assessment, LCA), social (Social Life Cycle Assessment, S-LCA), and economic (Life Cycle Costing, LCC). LCSA results can contribute to product or service optimization, be used to compare different products, or help inform sustainable decision-making. Buildings are often considered an important and integrated part of sustainable development, as they play a crucial role in society, the economy and the environment. If the Construction Sector worldwide maintains current implementations, resource depletion will double by 2050. Already today, cement production is responsible for about 8% of global anthropogenic CO2 emissions. Decision makers in this sector therefore have a major responsibility with regard to resource and emission reduction: Effective sustainable product development starts early in the life cycle, and sustainability assessment throughout the life cycle can be supportive. This is also the case in the Construction Sector with the further development of an innovative composite building material, Carbon Reinforced Concrete. Carbon Reinforced Concrete is made from the components concrete and carbon fibers (carbon fibers). Due to the low density and good mechanical properties of carbon fibers, as well as their workability, carbon fibers represent a valued reinforcement in fiber composite construction. The conventional version of reinforced concrete is reinforced by lattice- and bar-shaped steel and requires adequate encasement of concrete for protection due to the risk of oxidation. A major advantage of carbon fibers is that, unlike steel, they do not rust. The absence of the need for corrosion protection (concrete sheathing) allows for lighter, thinner, and – in terms of concrete – more resource-efficient components. Carbon Reinforced Concrete consequently combines the advantages of reinforced concrete with the high load-bearing capacity of carbon fibers. This dissertation aims to analyze and further develop the methodology and application of LCSA in the Construction Sector, explicitly using Carbon Reinforced Concrete as example. Three central focal points provide the framework of the dissertation: 1. LCSA in construction:Does the LCSA find application in the Construction Sector, in what form, and to what extent; where are the possible opportunities and challenges; what is to be addressed in the future, and with which weighting and for which target group? 2. LCSA methodology and application:How does the LCSA framework developed in 2008/2010 perform in general (non-sector-specific); is it possible and practicable to apply; is there a need for optimization and further development of the framework; to what extent are the Sustainable Development Goals (SDGs) linked to the framework and which individual aspects of the framework should be given particular importance? 3. Sustainability performance of Carbon Reinforced Concrete: How is LCSA applied to Carbon Reinforced Concrete; what are the challenges in the application and implementation of the three individual pillars; is generalization concerning the selection of indicators or visualization for the Construction Sector possible? In the context of the dissertation, current challenges and opportunities of sustainability assessment in the Construction Sector are first identified through a literature review and a survey. These lay the foundation for the following main topics, which aim in particular at standardizing and optimizing the understanding of the LCSA. A special focus is placed on the combination of LCSA and the globally known SDGs, as well as on the challenge of choosing a suitable Functional Unit in the Construction Sector. Finally, approaches of unification and visualization will be presented in order to use and further develop them across sectors in the future.

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