Wie nachhaltig ist die Liner-Herstellung?

Vor Ort härtende Schlauchliner

Umweltauswirkungen mittels LCA untersucht

M.Phil. Fizza Tahir

19.09.2023, 07:19 Uhr

ST. WENDEL

Umweltbelange führen zu einer stärkeren Betonung einer nachhaltigen Produktion. Die Industrie sucht nach umweltfreundlichen Wegen, um ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern und gleichzeitig die Einnahmen zu erhalten. In der folgenden Studie wird die Herstellung von CIPP-Rohren anhand einer strengen Lebenszyklusanalyse (LCA) untersucht.

Wie ökologisch nachhaltig ist die Herstellung von GFK-Schlauchlinern? Eine Studie gibt Aufschluss. | Foto: AdobeStock

Verbundwerkstoffe werden für ihre mechanischen Eigenschaften gelobt, aber ihre Herstellung wirft Umweltfragen auf. Auf der Suche nach nachhaltigeren Verfahren erscheint das Cured-In-Place-Pipe(CIPP)-Verfahren (Schlauchlining, vor Ort härtend) als praktikable Option, um die Effizienz zu verbessern, den Energieverbrauch zu minimieren und Abfall zu vermeiden. In dieser Studie wird die Herstellung von CIPP-Rohren anhand einer strengen Lebenszyklusanalyse (LCA) untersucht, wobei der Schwerpunkt auf dem Klimawandel (10.8 kg CO₂), der Ökotoxizität (0.0126 kg 1,4-DB eq.), der Versauerung (0.035 kg SO₂ eq.) und dem Wasserverbrauch (1.3 m³ Wasser) liegt. Die Auswirkungen von CIPP werden mit denen von Pultrusion verglichen.

1. Einführung

Die "Cured-In-Place-Pipe"-Technologie verwandelt Verbundwerkstoffe, indem sie innerhalb der Struktur aushärtet, um Qualität und Langlebigkeit zu gewährleisten. Die hohe Energieintensität und der hohe Zeitaufwand der traditionellen Aushärtung erhöhen die Kosten und geben Anlass zur Sorge um die Umwelt. Diese Methode optimiert den Materialverbrauch und minimiert den Abfall. Dabei wird ein Liner in die Rohre eingebracht und ausgehärtet, um ein stabiles Rohr zu erhalten. Dies kommt sowohl der Wasserversorgung als auch den Regenwassersystemen zugute (Henning et al. 2021). CIPP ist anpassungsfähig und kostengünstig, was es für Unternehmen interessant macht (Mindermann et al. 2022; Ennis et al. 2019).

Abb. 2: Für die CIPP-Herstellungstechnologie gewählte Systemgrenze | Foto: SBKS

Trotz der vielversprechenden Aussichten gibt es in der Literatur kein umfassendes Wissen über die Umweltauswirkungen dieses Materials. Die Ökobilanz ist eine wichtige Methode zur Bewertung der Umweltleistung eines Produkts während seines gesamten Lebenszyklus. Diese Studie schließt eine Lücke in der Literatur, indem sie die Umweltauswirkungen von "Cured-In-Place-Pipe" mittels LCA untersucht. Die Betonung der Umweltverträglichkeit in der Ökobilanz wird immer größer. Ramesh et al. (2022) entdeckten, dass Bioverbundwerkstoffe aus Pflanzenfasern weniger Energie verbrauchen und weniger Schadstoffe ausstoßen als herkömmliche Materialien, wobei sie die Probleme des Wasser- und Chemikalienverbrauchs hervorhoben. Laut Tapper et al. (2020) verbessert LCA-gestütztes Recycling Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe, wirft aber Energie- und Qualitätsprobleme auf. Berglund et al. (2018) favorisieren Cured-In-Place-Pipe gegenüber dem Austausch von Rohren für Abwassersysteme, wobei sie Material- und Energieprobleme berücksichtigen. Serajiantehrani et al. (2021) nutzten die Ökobilanz, um die Emissionen von CIPP-Linern zu bewerten, und betonten deren Bedeutung für die langfristige Regenwasserbewirtschaftung. Auf der Grundlage der Literaturübersicht wurden mehrere Studien zur Ökobilanz von Verbundwerkstoffen durchgeführt. Diese Forschungsarbeit soll die Lücke in den bestehenden Studien zur Ökobilanz von Verbundwerkstoffen schließen, indem sie Einblicke in die Herstellungsphase von CIPP-Dichtungsbahnen gewährt und so die Literatur bereichert. Die ganzheitliche Analyse stützt sich auf die folgenden Ziele:

Ökobilanzierung von CIPP-Auskleidungen unter Verwendung der Systemgrenze von Tor zu Tor (Herstellungsphase) und unter Verwendung der funktionalen Einheit "1 kg des fertigen Produkts.
Untersuchung der Umweltverträglichkeit in Bezug auf Klimawandel, terrestrische Ökotoxizität, Versauerung und Wasserverbrauch wurden bewertet.

2. Methodik

2.1 CIPP-Herstellungstechnologie

Für die erfolgreiche Sanierung von CIPP-Linern (Cured-In-Place-Pipe) ist eine sorgfältig ausgewählte Materialkombination entscheidend. Das strukturelle Gerüst besteht aus einem flexiblen textilen Liner, der häufig aus Glasfasern gewebt ist. In diesen Liner ist ein flüssiges, duroplastisches Harz eingegossen, das unter geregelten Bedingungen aushärtet und ein robustes und widerstandsfähiges Innenrohr in der bereits bestehenden Infrastruktur bildet.

Abb. 3: Bewertung der potenziellen Auswirkungen des Klimawandels für die in CIPP verwendeten Rohstoffe | Foto: SBKS

2.2 Analyse der ökologischen Nachhaltigkeit

Die ökologische Nachhaltigkeit von CIPP-Rohren wurde mit Hilfe der Ökobilanztechnik untersucht, die vier mittlere Kategorien berücksichtigt. Gabi (Version 9.2) wird verwendet, um die ökologischen Hotspots des Produktsystems zu modellieren und die Ergebnisse zu berechnen (Rasheed et al. 2020).

2.2.1 Zielsetzung und Umfang
Das Ziel und der Umfang der Studie werden zu Beginn festgelegt und beschreiben die Breite und Tiefe des zu bewertenden Produktsystems, d.h. die Analyse von Anfang bis Ende. So liegt der Schwerpunkt der aktuellen Studie auf der Quantifizierung der relativen Umweltbelastungen, die durch die CIPP-Herstellungstechnologie verursacht werden.

2.2.2 Funktionelle Einheit
Die Wahl einer illustrativen und perspektivischen funktionellen Einheit ist entscheidend und spielt eine wesentliche Rolle für die Glaubwürdigkeit der Ergebnisse der Ökobilanz. Die für die vorliegende Studie gewählte funktionelle Einheit ist 1 kg Fertigprodukt, d. h., das mit der CIPP-Herstellungstechnologie produziert wird.

2.2.3 Systemgrenze
Die Systemgrenze entscheidet, welche Einheitsprozesse auf der Grundlage des einheitlichen ausgewählten funkionellen Einheit untersucht werden sollen. Die ISO empfiehlt die Verwendung einer Systemerweiterungsstrategie, um Probleme bei der Zuordnung verschiedener Ströme zu einem einzigen funkionellen Einheit in den nachfolgenden Ökobilanzen zu vermeiden. Für diese Studie besteht die Systemgrenze aus der Phase von “gate to gate“ (Herstellungsphase). Wie oben in Abb. 2 dargestellt, umfasst die gewählte Systemgrenze die Rohstoffbeschaffung, die Tränkung und den Herstellungsprozess der Verbundwerkstoffe.

Abb. 4: Terrestrisches Ökotoxizitätspotenzial für die in CIPP verwendeten Rohstoffe | Foto: SBKS

2.3 Lebenszyklusinventur

Bei der Lebenszyklusinventur (LCI) werden die Inputs und Outputs innerhalb der geschlossenen Systemgrenzen eines Produkts oder Prozesses verfolgt, um Verbesserungsmöglichkeiten im Hinblick auf die Ressourceneffizienz und die Reduzierung der Umweltverschmutzung zu ermitteln. Die Ströme werden auf Basis des FU quantifiziert, d. h. 1 kg des Endprodukts, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Ökobilanz für CIPP-Herstellungstechnologie auf der Grundlage von 1 kg FU

Materialien	Einheit	Menge
Füllstoff	kg	0.035
Initiator	kg	0.51
Glasfaser	kg	0.28
Harz	kg	0.12
Energie
Elektrizität	kWh	12.63
Hilfskräfte
Hydraulisches Öl	kg	0.005
Wasser	kg	0.565
Ausgänge
i) Luftemissionen
VOCs	kg	0.0003
CO₂	kg	0.1
Partikel	kg	0.000245
ii) Wasseremissionen
Schwebende Feststoffe	kg	0.000195
Kohlenwasserstoffe	kg	0.0000975
Polymer-Abfälle	%	15
COD	kg	0.0004385

2.4 Bewertung der Auswirkungen auf den Lebenszyklus

Bei der Ökobilanzierung (Life Cycle Impact Assessment, LCIA) werden die Zu- und Abflüsse des Inventars unter Berücksichtigung von Materialien, Energie, Emissionen und Abfällen in Wirkungskennzahlen umgerechnet. ReCiPe 2016 wurde aufgrund seiner Effektivität, seiner globalen Anwendung und seiner umfassenden ökologischen Wirkungsanalyse ausgewählt (Ibrahim et al. 2020). Die Methode bietet Kategorien für die Mittel- und Endpunktebene, wobei die Mittelpunktebene aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit die am häufigsten veröffentlichte und bevorzugte ist. Die für diese Studie ausgewählten Mittelwertkategorien sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Für die Untersuchung der CIPP-Herstellungstechnologie ausgewählte Wirkungskategorien

Kategorien	Einheit	Beschreibung
Potenzial für den Klimawandel	kg CO₂ eq	Die Messung der durch menschliche Systeme verursachten Emissionen, die die Temperatur der Erde erhöhen, wird als Klimawandelpotenzial (CCP) bezeichnet.
Terrestrisches Ökotoxizitätspotenzial	kg. 1,4-DB eq	Diese Wirkungskategorie bezieht sich auf die giftigen und gefährlichen Stoffe, die mit dem untersuchten Produktlebenszyklus-System auf die Gesundheit des Ökosystems verbunden sind.
Versäuerungspotenzial	mole H+eq	Es erfasst die Menge an Säure, die in die Luft freigesetzt wird, die Menge, die sich im Boden oder im Wasser ablagert, usw.
Wasserverarmungspotenzial	m³ Wasser	Das Wasserverbrauchspotenzial (Water Depletion Potential, WDP) schätzt die von einem Prozess oder Produkt verbrauchte Wassermenge und wird in Kubikmetern (m³) ausgedrückt.

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Ökologische Lebenszyklusanalyse

Die vergleichenden Umweltauswirkungen für die ausgewählten Kategorien werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

3.1.1 Potenzial für den Klimawandel
Die CIPP-Herstellungstechnologie weist je nach Verfahren, einen Wert von 10.8 kg auf, wie in Tabelle 3 auf der Grundlage von 1 kg FU gezeigt wird, was auf CO₂ Emissionen während des Prozesses hinweist. Die wahrscheinliche Ursache ist der Einsatz von fossiler Energieversorgung. Die CCP-Werte sind auf den Prozess des schwer zu verarbeitenden Harzes zurückzuführen. Die Werte liegen bei 1.92 kg, 8.55 kg und 2.90 kg für Glasfaser, duroplastisches Harz und Füllstoff, wie in Abb. 3 dargestellt. Das Harz hat aufgrund seines energieintensiven Herstellungsverfahrens die höchste Auswirkungszahl. Sobald es ausgehärtet ist, wird es strukturell tragend und umweltbeständig.

3.1.2 Terrestrisches Ökotoxizitätspotenzial
Die CIPP-Herstellungstechnologie hat eine Auswirkung von 0.0126 kg 1,4-DB eq. wie in Tabelle 3 dargestellt. Die Glasfaser hat mit 0.653 kg 1,4 DB eq. die höchste Auswirkung während der CIPP-Herstellung, wie in Abb. 4 dargestellt. Das Harz und der Füllstoff weisen Werte von 0.00025 bzw. 0.000104 kg 1,4-DB eq, auf. Die CIPP-Herstellungstechnologie weist aufgrund des Einsatzes von Hydrauliköl etwas höhere emissionen auf, und die Rohstoffe bei der GFK-Herstellung verursachen Ökotoxizität (Ramesh et al. 2022).

Abb. 5: Bewertung des Versauerungspotenzials für die in CIPP verwendeten Rohstoffe | Foto: SBKS

3.1.3 Versauerungspotenzial
Ammoniakemissionen tragen zur Versauerung bei, gemessen in kg SO₂-eq., während Stickstoff, ein leicht flüchtiger Stoff, ebenfalls zur Versauerung beiträgt. Die CIPP-Herstellungstechnologie hat einen Wert von 0.035 kg (SO₂eq.). Die einzelnen Werte für Glasfaser, Harz, Sand und Hydrauliköl lauten: 0.00996, 0.0271, 0.00138 und 0.00 kg (SO₂eq.). Abb. 5 zeigt, dass die höchste Produktion durch das Harz verursacht wird. Dies ist auf die Produktion von Restabfällen zurückzuführen, die einen hohen Säuregehalt aufweisen. Die Produktions- und die End-of-Life-Phase sind potenzielle Versauerungsphasen, da die Emissionen die Umwelt erheblich belasten.

3.1.4 Wasserverarmungspotenzial
Die Auswirkungen der CIPP-Herstellungstechnologie in Bezug auf den Wasserverlust betragen 1.32 m³, basierend auf 1 kg FU, das für die Studie ausgewählt wurde (siehe Tabelle 3). Dieser Wert ist positiv, was bedeutet, dass der Wasserverbrauch während des Prozesses deutlich messbar ist. Die Herstellungsphase hat den höchsten Einfluss auf die CIPP-Fertigungstechnologie, gefolgt vom Harz mit 0.45 m³, wie in Abb. 6 gezeigt. Es gab bereits Ökobilanzstudien zu Verbundwerkstoffen (Ibrahim et al. 2020; Stoiber et al. 2021), aber deren unterschiedlicher Umfang und Fokus verhindern einen direkten Vergleich mit den jüngsten Ergebnissen.

Abb. 6: Bewertung des Wasserverbrauchspotenzials für die Rohstoffe in CIPP | Foto: SBKS

4. Analyse der kumulierten Ergebnisse

Tabelle 3 zeigt die kumulativen LCIA-Bewertungen für die CIPP-Herstellung und die Pultrusionstechnologien, mit einer funktionalen Einheit von 1 kg Fertigprodukt. Die Umweltleistung der Technologien wird in vier mittleren Lebenszykluswirkungskategorien dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die CIPP-Herstellungstechnologie ein höheres ökologisches Nettoauswirkungspotenzial in Bezug auf den Klimawandel und die terrestrische Ökotoxizität aufweist, aber in allen anderen Kategorien niedriger ist als die Pultrusionstechnologie. Die Ergebnisse sind signifikant, lassen sich aber nur schwer mit anderen Studien zu verschiedenen Verbundwerkstoffen vergleichen. Mackin (2021) stellte fest, dass die Pultrusionsfertigungsstufe von GFK das geringste Klimawandelpotenzial von -0.3 kg CO₂ eq. aufweist, während Kočí und Picková (2019) eine Ökobilanz für Epoxidharz-GFK-Verbundwerkstoffe auf der Grundlage der funktionalen Einheit von 5 kg durchführten und eine höhere Gesamtklimawirkung von 48.8 kg CO₂ eq. ermittelten.

Tabelle 3: LCIA-Bewertungen für bestimmte Belastungskategorien (CIPP vs. Pultrusion GFK-Technologie)

Kategorie der Auswirkungen	CIPP	Einheit	Pultrusion
Potenzial für den Klimawandel	10.8	kg CO₂ eq	5.0
Terrestrisches Ökotoxizitätspotenzial	0.0126	kg. 1,4-DB eq	0.0095
Versäuerungspotenzial	0.035	kg SO₂ eq	0.013
Wasserverarmungspotenzial	1.3	m³ Wasser	2.4

5. Schlussfolgerung und weiteres Vorgehen

Um die ökologische Nachhaltigkeit der CIPP-Herstellungstechnologie GFK zu bewerten, wird in dieser Studie die Methode der Ökobilanzierung angewandt. Die Herstellungsphase des CIPP-Prozesses wird in dieser Studie anhand eines umfassenden Ökobilanzansatzes untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Quantifizierung der Umweltauswirkungen in Bezug auf den Klimawandel (10.8 kg CO₂), die terrestrische Ökotoxizität (0.0126 kg 1,4-DB eq.), die Versauerung (0.035 kg SO₂ eq.) und die potenzielle Wasserverarmung (1.3 m³ Wasser). Auch der Vergleich mit der Pultrusionstechnologie wurde bewertet, wobei sich zeigte, dass diese deutlich geringere Auswirkungen in Bezug auf das Klimawandelpotenzial hat. Die Ergebnisse dieser Analyse leisten einen Beitrag zur Frage der umweltverträglichen Herstellung im Allgemeinen sowie zur Schließung von Wissenslücken.

Die LCA-Ergebnisse legen strategische Fortschritte bei der Produktion von CIPP-Linern und fundierte Entscheidungen nahe. Die Untersuchung von Aushärtungsmethoden kann die Emissionen von Kohlendioxid und Ozon verringern. Eine Verbesserung des Umweltprofils von Schlauchlinern kann durch die Verwendung nachhaltiger Materialien erreicht werden. Die Zusammenarbeit zwischen Interessenvertretern der Industrie, Forschern und Aufsichtsbehörden ist entscheidend für die Optimierung des Energieverbrauchs und die Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks. Kontinuierliche LCA-Bewertungen werden den Herstellungsprozess für eine nachhaltige Zukunft rationalisieren.

Dieser Beitrag erschien auch in der B_I umweltbau-Sonderausgabe zum Deutschen Schlauchlinertag 2023 und war bei der diesjährigen Veranstaltung in Düsseldorf Vortragsthema. Referentin war Fizza Tahir, SBKS GmbH & Co. KG.

:
1. Berglund, D., Kharazmi, P., Miliutenko, S., Björk, F., & Malmqvist, T. (2018). Vergleichende Lebenszyklusbewertung für Sanierungsmethoden von Abwasserkanalisationen für Mehrfamilienhäuser. Journal of Building Engineering, 19, 98-108.

2. Ramesh, M., Deepa, C., Kumar, L. R., Sanjay, M. R., & Siengchin, S. (2022). Lebenszyklus- und Umweltverträglichkeitsprüfungen bei der Verarbeitung von Pflanzenfasern und ihren Bio-Verbundstoffen: A critical review. Zeitschrift für industrielle Textilien, 51(4_suppl), 5518S-5542S.

3. Serajiantehrani, R., Najafi, M., Kaushal, V., & Malek Mohammadi, M. Life-Cycle Assessment of Trenchless Cured-in-Place Pipe (CIPP) Renewal Method in Large Diameter Stormwater Drainage Conduits. In World Environmental and Water Resources Congress 2021 (S. 472-485).

4. Tapper, R. J., Longana, M. L., Norton, A., Potter, K. D., & Hamerton, I. (2020). Eine Bewertung der Ökobilanz und ihre Anwendung auf die Kreislaufwirtschaft von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren. Composites Part B: Engineering, 184, 107665.

5. Ennis, B. L., Kelley, C. L., Naughton, B. T., Norris, R. E., Das, S., Lee, D., & Miller, D. (2019). Optimized carbon fiber composites in wind turbine blade design (No. SAND-2019-14173). Sandia National Lab.(SNL-NM), Albuquerque, NM (Vereinigte Staaten); Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (Vereinigte Staaten).

6. Mindermann, P., Witt, M. U., & Gresser, G. T. (2022). Pultrusions-Wickeln: Ein neuartiges Herstellungsverfahren für kernlos gewickelte faserverstärkte duroplastische Verbundwerkstoffe mit ausgeprägtem Querschnitt. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 154, 106763.

7. Mackin CD (2021) Pultrusion manufacturing, materials testing, and lifecycle assessment of thermoplastic GFRP composites (Dissertation, University of New Brunswick.

8. Henning, L. M., Abdullayev, A., Vakifahmetoglu, C., Simon, U., Bensalah, H., Gurlo, A., & Bekheet, M. F. (2021). Review on polymeric, inorganic, and composite materials for air filters: from processing to properties. Advanced Energy and Sustainability Research, 2(5), 2100005.

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9. Ibrahim, M., Ebead, U., & Al-Ansari, M. (2020). Life Cycle Assessment for Fiber-Reinforced Polymer (FRP) nComposites Used in Concrete Beams: A State-of-the-Art Review.

10. Kočí V, Picková E (2019) Life cycle perspective of liquid epoxy resinuse in the automotive industry. Pol J Environ Stud 29:653-667

11. Rasheed, R., Rizwan, A., Javed, H., Sharif, F., Yasar, A., Tabinda, A. B., ... & Su, Y. (2022). Analyse der ökologischen Nachhaltigkeit von Elektroschrott in Entwicklungsländern - eine Fallstudie aus Pakistan. Environmental Science and Pollution Research, 29(24), 36721-3673.

12. Stoiber N, Hammerl M, Kromoser B (2021) Cradle-to-gate life cycle assessment of CFRP reinforcement for concrete structures: calculation basis and exemplary application. J Clean Prod280:124300. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124300

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