Dieser Artikel adressiert die vorhandene Problemstellung, indem sie fünf gängige Reparaturverfahren an zwei häufigen Schadensbildern mittels einer Lebenszyklusanalyse (LCA) vergleicht. Teil 1 stellt Hintergrund und Methodik der Studie vor, Teil 2 wird sich den Ergebnissen widmen.

Hintergrund

Sanierungsbedarf der Kanalisation

Das öffentliche Kanalisationsnetz ist eine ausgedehnte und kostspielige Infrastruktur. In Deutschland umfasst es 594.321 km Abwasserkanäle, die im Durchschnitt 36,5 Jahre alt sind, wobei die Altersspanne bis über 100 Jahre reicht (Berger et al., 2020). Aufgrund der Alterung der Kanäle steigt die Anfälligkeit für Defekte (Berger et al., 2020; Kim et al., 2012). Hochgerechnet weisen 18,7 % der Abwasserkanäle kurz- bis mittelfristig einen Sanierungsbedarf auf (Berger et al., 2020). Der Wiederbeschaffungswert des Kanalisations- und Regenwassersystems wird auf 600 - 800 Milliarden Euro geschätzt. Derzeit werden etwa 1,6 Mrd. Euro pro Jahr in die Sanierung investiert, der tatsächliche Sanierungsbedarf liegt jedoch zwischen 2 und 4 Mrd. Euro pro Jahr (Falk, 2020; Handelsblatt, 2019; IKT, 2017). Somit bedarf ein großer Teil der Kanalisation einer Sanierung, um die Dichtheit, Stand- und Betriebssicherheit zur gewährleisten.

Kanalreparaturverfahren

Gängige Reparaturmethoden zur Behebung punktueller Schäden sind (Berger et al., 2020; Pinnekamp et al., 2014):

Reparaturverfahren können zur Instandsetzung von Rohrsegmenten, Rohrverbindungen und Anschlüssen/Abzweigen eingesetzt werden. Vor Beginn der Reparaturarbeiten müssen die zu sanierenden Abschnitte vorbereitet werden. Dazu gehören u.a.:

Darüber hinaus ist eine Stromquelle für den Betrieb der verschiedenen Geräte und der speziellen Installationsausrüstung erforderlich. Bei der Edelstahlmanschette und dem Kurzliner handelt es sich dabei hauptsächlich um Packer, die mit Druckluft aufgespreizt werden. Bei Robotersystemen werden verschiedene Robotergeräte wie Fräs- und Spachtelroboter eingesetzt (IP BAU, 1993).

Die technische Umsetzbarkeit der verschiedenen Sanierungsverfahren ist somit bekannt und in den verschiedenen Regelwerken der Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) und dem Verband zertifizierter Sanierungs-Berater für Entwässerungssysteme (VSB) dokumentiert. Auch sind die Kosten der unterschiedlichen Maßnahmen geläufig und können somit bei der Erstellung von Sanierungskonzepten berücksichtigt werden. Hingegen sind die Umweltauswirkungen der verschiedenen Sanierungsverfahren bisher kaum erforscht und können somit aktuell noch nicht berücksichtigt werden.

Lebenszyklusanalyse zur Bewertung der Nachhaltigkeit

Bei der angesprochenen Vielzahl an notwendigen Sanierungen in den nächsten Jahrzehnten sollten die Umwelteinwirkungen der Reparaturverfahren miteinbezogen werden können (Akhtar et al., 2015). Auch die Kanalsanierung muss ihren Beitrag zu bspw. Deutschlands Treibhausgasneutralität leisten (Bundesregierung, 2021). Bisherige Studien, die die Umweltauswirkungen analysieren, beziehen sich hauptsächlich auf den Vergleich von grabenlosen und offenen Sanierungsverfahren oder auf die Wahl der Rohrmaterialien (Akhtar et al., 2015; Kaushal & Najafi, 2020; Morera et al. 2016; Risch et al., 2015).

Die Lebenszyklusanalyse (LCA) – auch Ökobilanz genannt – ist eine geeignete Methode zur Bewertung der Nachhaltigkeit und der Umweltauswirkungen von Produkten und Dienstleistungen. Sie hilft, Produkte, Prozesse oder Tätigkeiten mit gleicher Funktion zu vergleichen. Dabei zeigt die LCA, welche der verglichenen Optionen aus ökologischer Sicht zu bevorzugen sind, an welcher Stelle im Lebenszyklus Verbesserungspotenzial besteht oder wo die größten Umweltauswirkungen auftreten (Hauschild & Huijbregts, 2015). LCA werden bereits seit einigen Jahrzehnten zum Produktvergleich eingesetzt und haben beispielsweise bei der Aufklärung der Umweltauswirkungen von Verpackungsmaterialien, Stromerzeugung, oder Mobilitätsfragen geholfen. Im Bausektor wurden bislang verschiedene LCA zur Umweltbewertung von Gebäuden und der Bauindustrie durchgeführt (Hellweg & Milà Canals, 2014). Die Methode eignet sich ebenso für die Analyse von städtischer Wasserinfrastruktur und von Abwasserkanälen (Akhtar et al., 2015).

Diese Studie adressiert die vorhandene Problemstellung, dass Umweltauswirkungen der Reparaturverfahren noch nicht berücksichtigt werden können, indem sie fünf gängige Reparaturverfahren an zwei häufigen Schadensbildern mittels einer Lebenszyklusanalyse (LCA) vergleicht.

In diesem ersten Teil erörtern wir zunächst die Methodik der LCA.

Methodik der Studie

Im Rahmen dieser Studie wurde eine LCA für verschiedene punktuelle Reparaturverfahren mit dem Ziel der Wiederherstellung der Dichtheit eines Kanals für 15 Jahre (funktionelle Einheit) durchgeführt. Die Auswirkungen auf die Umwelt wurden verglichen. Dabei sollen die Erkenntnisse als Entscheidungshilfen für eine nachhaltige Instandsetzung des Kanalsystems dienen. Die Forschungsfrage, die sich aus dieser Zielsetzung ableiten lässt, lautet:

"Welche Reparaturmethode ist aus Umweltsicht am besten geeignet, um die Dichtheit eines Abwasserkanals bei lokalen Schäden in Deutschland wiederherzustellen und die Dichtheit für die nächsten 15 Jahre zu gewährleisten?"

Für eine praxisnahe Modellierung der Reparaturverfahren und Randbedingungen wurden Interviews mit Produktherstellern, Sanierungsunternehmen, Kanalnetzbetreibern und Ingenieurbüros geführt. Darauf aufbauend wurde eine fiktive Baustelle in Aachen modelliert. Gleichzeitig wurden aktuelle Normen zur Durchführung der Reparaturverfahren sowie die Hauptanwendungsbereiche (häufigste Kanalgröße, Schadensart und meist genutzte Reparaturverfahren) berücksichtigt. Darauf basierend wurde eine LCA für die fiktive Baustelle durchgeführt. Sie betrachtet einen Kanal DN 300 mit Schadensbild (i) = undichte Rohrverbindung/Riss am Rohrumfang, wobei die Reparaturmethode mindestens einen Bereich bis 500 mm abdecken muss, und Schadensbild (ii) = beschädigter Anschlussstutzen (DN 150). Die folgenden Reparaturmethoden wurden analysiert:

Schadensbild (i):

Schadensbild (ii):

Systemgrenzen und Annahmen

Die Reparaturverfahren werden von der Produktion der Rohstoffe, der Herstellung der Produkte, dem Transport zur Baustelle, über die eigentliche Reparatur bis hin zur Entsorgung modelliert, sodass der gesamte Lebenszyklus in die Berechnungen einfließt. Beispielhaft sind die Systemgrenzen für eine Edelstahlmanschette in Abbildung 4 dargestellt.

Damit die Verfahren verglichen werden können, müssen die gleichen Bedingungen (wie bspw. Kanaldurchmesser, Temperatur und Strommix) herrschen. Tabelle 1 zeigt die maßgeblichen Rahmenbedingungen, die den Berechnungen zu Grunde liegen.

Tab. 1: Bedingungen und Annahmen für den Vergleich der Verfahren, Quelle: Interviews

Einige Aspekte der Reparaturverfahren wurden bei der Betrachtung nicht berücksichtigt, weil die entsprechende Maßnahme oder das Material entweder mehreren Reparaturmaßnahmen zugeordnet werden müsste, einen als unbedeutend eingestuften Anteil am Reparaturprozess hat oder keine Datengrundlage vorlag. Die folgenden Aspekte, aufgeführt in Tabelle 2, sind nicht Teil der Betrachtung.

Tab. 2: Ausgeschlossene Komponenten bei der LCA

Energiebereitstellung

Standardmäßig wird die notwendige Energie für ein Reparaturverfahren über ein Dieselaggregat vor Ort bereitgestellt. Mittlerweile bieten einige Hersteller auch Sanierungsfahrzeuge mit Batterien als Energiequelle anstelle eines Generators an. Im Rahmen der LCA wurde vergleichend ein Dieselaggregat und eine Batterie, die mit Solarstrom aufgeladen wird, zugrunde gelegt.

Ökobilanz-Modelle

Für die Analyse des Inventars wurden für das Vordergrundsystem (Materialien, Transport und Einbau) eigene Daten erfasst. Als Hintergrunddatenbank wurde ecoinvent 3.6 verwendet. Um die Umweltauswirkungen von verschiedenen Verfahren in einer LCA vergleichen zu können, wurden diverse Bewertungsmodelle entwickelt. Die folgenden Methoden wurden ausgewählt:

- Die ReCiPe-Endpoint-Methode vergleicht Schadenskategorien auf der Basis von Schadenspunkten. Diese Kategorien zeigen auf, wie sich Emissionen auf die menschliche Gesundheit, Ökosysteme und Ressourcen auswirken und erlaubt einen Vergleich aller Umweltwirkungen.

- Die USEtox 2-Methode ermöglicht einen detaillierten Vergleich der Reparaturverfahren im Hinblick auf die Auswirkungen von Toxizität (die Giftigkeit eines Stoffes).

- Die IPCC 13 GWP 100a-Methode konzentriert sich auf Treibhausgase und veranschaulicht somit die Auswirkungen auf den Klimawandel.

Die Auswahl der Methoden ermöglicht daher einen Vergleich von Reparaturverfahren in verschiedenen Wirkungskategorien (z.B. Klimawandel, Humantoxizität oder Ressourcen) (Hauschild & Huijbregts, 2015). Durch die Nutzung der unterschiedlichen Methoden konnte somit ein weites Spektrum von Umweltauswirkungen erfasst und verglichen werden.

Im zweiten Artikel am 2. August werden wir auf die Ergebnisse der LCA eingehen und die aus der Studie resultierenden Erkenntnisse vorstellen.

Literatur:
Akhtar, S.; Reza, B.; Hewage, K.; Shahriar, A.; Zargar, A.; Sadiq, R. (2015): Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA) for Selection of Sewer Pipe Materials. In: Clean Technologies and Environmental Policy, 17, pp. 973–992. URL:https://doi.org/10.1007/s10098-014-0849-x

Berger, C.; Falk, C.; Hetzel, F.; Pinnekamp, J.; Ruppelt, J.; Schleiffer, P.; Schmitt, J. (2020): Zustand der Kanalisation in Deutschland. Ergebnisse der DWA-Umfrage 2020. In: Sonderdruck Aus KA Korrespondenz Abwasser, Abfall. Vol. 67, No. 12, pp. 939–953. URL:https://doi.org/10.3242/kae2020.12.001

Bundesregierung (2021): EU soll bis 2050 klimaneutral sein, URL: https://www.bundesregierung.de/breg-de/schwerpunkte/klimaschutz/mehr-klimaschutz-in-der-eu-1790042

Falk, C. (2020): Kanalsanierung 2020 und danach -Strategie in angespannter Marktsituation durch Personalnotstand, überhitzte Baukonjunktur und Zunahme der Aufgaben und Maßnahmen. URL: https://ta-hannover.de/veranstaltungen/2020/09_20/falk.pdf

Handelsblatt (2019):Mammutaufgabe Kanalsanierung: Kommunen müssen Milliarden aufbringen. URL:https://www.handelsblatt.com/politik/deutschland/infrastruktur-mammutaufgabe-kanalsanierung-kommunen-muessen-milliarden-aufbringen/24276540.html

Hauschild, M. Z.; Huijbregts, M. A. J. (2015): Life Cycle Impact Assessment. In series: LCA Compendium - The Complete World of Life Cycle Assessment. Springer, Dordrecht. URL:https://doi.org/10.1007/978-94-017-9744-3

Hellweg, S.; Milà Canals, L. (2014): Emerging approaches, challenges and opportunities in life cycle assessment. In: Science, 344 (6188), pp. 1109–1113. URL:http://science.sciencemag.org/content/344/6188/1109

IKT (2017): Vergrabene Schätze: Unterirdische Infrastruktur in Deutschland und Europa. URL:https://www.ikt.de/blog/vergrabene-schaetze-unterirdische-infrastruktur-in-deutschland-und-europa/

IP BAU (1993): Erhaltung nichtbegehbarer Kanalisationen. Theorie und Praxis. URL:https://pubdb.bfe.admin.ch/de/publication/download/4141

Kim, D.; Yi, S.; Lee, W. (2012): Life Cycle Assessment of Sewer System: Comparison of Pipe Materials. Abstract from 2012 World Congress on Advances in Civil, Environmental, and Materials Research (ACEM'12), Seoul

Kaushal, V.; Najafi, M. (2020): Comparative Assessment of Environmental Impacts from Open-Cut Pipeline Replacement and Trenchless Cured-in-Place Pipe Renewal Method for Sanitary Sewers. In: Infrastructures, 5. Vol. 48, Issue 6. URL:https://doi.org/10.3390/infrastructures5060048

Morera, S.; Remy, C.; Comas, J.; Corominas, L. (2016): Life cycle assessment of construction and renovation of sewer systems using a detailed inventory tool. The International Journal of Life Cycle Assessment. 21. URL: https://doi.org/10.1007/s11367-016-1078-9

Pinnekamp, J.; Roder, S.; Genzowsky, K.; Siekmann, M.; Böttcher, B.; Rokotyanskaya, I.; Beyert, J.; Vosen, G.; Gnädinger, J.; Diederich, F. (2014): Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Qualitätssicherung der Sanierungsverfahren insbesondere in der Grundstücksentwässerung“, gerichtet an das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MKULNV), AZ IV-7-042 600 004D, Vergabenummer 08-058/4

Risch, E.; Gutierrez, O.; Roux, P.; Boutin, C.; Corominas, L. (2015): Life cycle assessment of urban wastewater systems: Quantifying the relative contribution of sewer systems. In: Water Research, 77, pp. 35–48. URL:https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.03.006

Autoren:
Laura Golembowski (M.A. Stadtplanung, B.Sc. Umweltingenieur)
Prof. Dr. Stephan Pfister (ETH Zürich, Dozent am Departement Bau, Umwelt und Geomatik)

Christian Koch (M.Sc. Umweltingenieur, Co-Founder von Pallon)