Kreislaufwirtschaft im Baubereich Steuerung zukünftiger Stoffströme am Beispiel von Gips
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Karlsruhe
Forschungszentrum Karlsruhe
2001
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Wissenschaftliche Berichte / Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt
6572 |
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1. EINLEITUNG 1
1.1 PROBLEMSTELLUNG 1
1.2 ZIELSETZUNG UND AUFBAU DER ARBEIT 5
2. ANSÄTZE ZUR STEUERUNG VON STOFFSTRÖMEN 8
2.1 GRUNDLAGEN DER STOFFSTROMSTEUERUNG 8
2.2 LEITBILDER DES STOFFSTROMMANAGEMENTS 11
2.2.1 Leitbild „Nachhaltige Entwicklung 13
2.2.2 Leitbild der Kreislaufwirtschaft aus Sicht des
Bio und Mineralzyklus 17
2.2.3 Das Faktor 10 Modell 18
2.2.4 Gestaltung der Stoffwirtschaft im Einklang mit
regionalen geogenen Verhältnissen 19
2.2.5 Leitbilder der Abfallwirtschaft 20
2.2.6 Reduktionswirtschaft. 22
2.3 BEDINGUNGSRAHMEN FÜR STOFFSTROMSTEUERUNG. 23
2.3.1 Physikalische Rahmenbedingungen 23
2.3.2 Technologische Rahmenbedingungen 26
2.3.3 Einzel und volkswirtschaftliche Rahmenbedingungen 29
2.3.4 Sozio kulturelle Rahmenbedingungen 30
2.4 INSTRUMENTE FÜR DIE STOFFSTROMGESTALTUNG 32
2.4.1 Ordnungsrechtliche Instrumente 32
2.4.2 Ökonomische Instrumente 34
2.4.3 Informatorische und freiwillige Instrumente 36
2.5 ZUSAMMENFASSUNG UND EXTRAKTION DER THEORETISCHEN
ANSÄTZE IM HINBLICK AUF DEN UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND.38
3. STOFFSTRÖME IM BAUBEREICH 40
3.1 GLIEDERUNG UND BEGRIFFE IM BAUBEREICH 41
3.2 DAS MENGENPROBLEM 43
3.3 DIE BAUWIRTSCHAFT IN DER ABFALLWIRTSCHAFT 44
3.4 DAS ZEITPROBLEM 51
3.5 DAS PROBLEM DER VERANTWORTLICHKEITEN 52
3.6 RECHTLICHE GRUNDLAGEN 53
3.7 ZUSAMMENFASSUNG 58
! ...«. .. . .. . . ,
i i
Inhaltsverzeichnis Seite ii
4. MODELL EINER QUALITATIV QUANTITATIVEN BESCHREIBUNG
VON STOFFSTRÖMEN UND STOFFLAGERN 59
4.1 DIE DISPERSION DES MATERIALS 60
4.1.1 Quantitative Ansätze zur Beschreibung der Dispersion 62
4.1.1.1 Die Entropie als Maß zur Beschreibung der Unordnung 61
4.1.1.2 Der Durchmischungsgrad nach Behrens 66
4.1.2 Beschreibungsraster für die Dispersion von Gips 68
4.1.2.1 Technologische Kriterien 70
4.1.2.1.1 Verbindungsstruktur 70
4.1.2.1.2 Monostruktur 72
4.1.2.1.3 Recyclingfähigkeit 74
4.1.2.2 Ökologische Kriterien 78
4.1.2.2.1 Deponierfähigkeit 79
4.1.2.2.2 Ressourcenschonung 80
4.1.2.2.3 Schadstoffgehalt 82
4.1.2.3 Ökonomische Kriterien 83
4.1.2.3.1 Separierungskosten 85
4.1.2.3.2 Logistikosten 87
4.1.2.3.3 Existierender Sekundärrohstoffmarkt 88
4.1.2.4 Individuell wahrnehmungsbezogene Kriterien 90
4.1.2.4.1 Akzeptanz 91
4.1.2.4.2 Förderung des Umweltbewusstseins 92
4.2 DIE VERWEILZEIT 93
4.2.1 Die Lebensdauer als Determinante für die Verweilzeit 94
4.2.1.1 Grundsätzliche Notationen von Lebensdauern 94
4.2.1.2 Lebensdauern im Baubereich 98
4.2.2 Die Darstellung der Verweilzeit als dynamischer Prozess 103
4.2.2.1 Überlegungen zur Entwicklung des Bedarfs 103
4.2.2.2 Die Kohortenanalyse 105
4.3 DIE GRÖßE DES BAUSTOFFLAGERS 109
4.3.1 Das Top Down Verfahren zur Quantifizierung von Stoffströmen
und lagern im Bauwesen 110
4.3.2 Das Bottom Up Verfahren zur Quantifizierung von Stoffströmen
und lagern im Bauwesen 113
4.3.3 Erweiterung der Mengenbetrachtungen um eine systemtechni¬
sche Analyse 116
4.4 ZUSAMMENFASSUNG DER MODELLBILDUNG 118
Inhaltsverzeichnis Seite iii
5. ANWENDUNG DES MODELLS AUF DEN STOFFSTROM GIPS. 120
5.1 DER BAUSTOFF GIPS 120
5.1.1 Vorkommen von Gips 120
5.1.1.1 Natürlicher Gips 120
5.1.1.2 Technischer Gips 123
5.1.2 Verwendung von Gips 125
5.1.3 Entsorgung von Gips 130
5.2 ENTWICKLUNG DER MODELLPARAMETER FÜR GIPS 134
5.2.1 Dispersionsgrade von Gipsprodukten 134
5.2.2 Verweilzeit von Gipsprodukten 143
5.2.3 Die kohortenanalytische Darstellung des Bestands an Gipspro¬
dukten 146
5.2.4 Die Größe des Gipslagers und der Gipsströme 150
5.2.5 Exkurs: Schwefelbilanz in Oberösterreich 157
5.3 DIE DARSTELLUNG DES GIPSLAGERS IM BAUWESEN NACH DEN
KRITERIEN DISPERSION UND VERWEILZEIT 167
5.4 ZUSAMMENFASSUNG 171
6. ERKENNTNISSE AUS DEM BESCHREIBUNGSMODELL FÜR DIE
GESTALTUNG DES STOFFSTROMS GIPS 173
6.1 QUANTITATIVE EINFLUSSFAKTOREN AUF DER INPUTSEITE 175
6.1.1 Veränderung des Primärrohstoffangebots 175
6.1.1.1 Veränderung im Angebot von REA Gips 176
6.1.1.2 Veränderung im Naturgipsangebot 180
6.1.2 Veränderung der Nachfrage 184
6.1.3 Verbringung auf Monodeponien 190
6.2 QUALITATIVE VERÄNDERUNG DURCH RECYCLINGGERECHTE KON¬
STRUKTION VON GIPSPRODUKTEN 194
6.3 EINFLUSSFAKTOREN AUF DER OUTPUTSEITE 198
6.3.1 Verwertung von Produktionsabfällen 199
6.3.2 Recycling von Gipsplatten 200
6.3.3 Recycling von Baugipsen 203
6.3.4 Neue Recyclingverfahren für Gipsprodukte 206
6.3.4.1 Das Müller Kühne Verfahren 206
6.3.4.2 Mikrowellen zum Abtrag von Beschichtungen
im Bauwesen 212
6.4 ZUSAMMENFASSUNG 213
7. THESENARTIGE ZUSAMMENFASSUNG 215
Inhaltsverzeichnis Seite iv
LITERATURVERZEICHNIS 219
GLOSSAR 242
ANHANG 246
A1 MAXIMAL ERLAUBTE SCHADSTOFFKONZENTRATIONEN
IM ELUAT GEMÄß GESETZLICHEN REGELUNGEN 247
A2 BERECHNUNG DER STOFFSTRÖME GIPS UND SCHWEFEL IN OBER¬
ÖSTERREICH 248
A3A SZENARIO 1: LINEARER BESTANDSZUWACHS AUF BASIS DER PRO¬
DUKTION 1997 255
A3B SZENARIO 2: SUBSTITUTION DURCH ANDERE BAUSTOFFE, LEICH¬
TERE BAUWEISE SOWIE UMSTIEG AUF GIPSPRODUKTE MIT GERIN¬
GEREN DISPERSIONSGRADEN 265
A3C SZENARIO 3: MENGENBESCHRÄNKUNG DER PRODUKTION VON
GIPSPRODUKTEN AB 2010 AUF 5,3 MIO. T/A (PRODUKTIONSVOLU¬
MEN VON 1991) 274
A4 MATHEMATISCHE FORMULIERUNG DES WAREHOUSE LOCATION
PROBLEMS 283
Inhaltsverzeichnis Seite v
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1.1: Aufbau der Arbeit 7
Abbildung 2.1: Zuordnung von Leitbildern des Stoffstrommanagements 23
Abbildung 2.2: Streckungsfaktor einer Ressource in Abhängigkeit des
Rezyklierfaktors a 26
Abbildung 2.3: Die Verteilung der Aufgaben im Stoffstrommanagement 29
Abbildung 3.1: Prognose der Nachfrage nach mineralischen Baustoffen in Deutschland
1995 2040 44
Abbildung 3.2: Güterfluss im Bauwesen Österreichs, Angaben in Kilogramm pro Einwohner
und Jahr 46
Abbildung 3.3: Typische Lebensdauern von Produkten 51
Abbildung 4.1: Einflussfaktoren auf Zu und Abfluss im Stofflager Bauwesen 94
Abbildung 4.2: Verlauf der kumulierten Ausfallwahrscheinlichkeit für mehrere
Weibull Verteilungen und eine Normalverteilung mit Mittelwert 30 98
Abbildung 4.3: Ansätze zur Bestimmung von Stoffströmen und Stofflagern
im Bauwesen 110
Abbildung 4.4: Einbettung von Baurestmassen in die Anthroposphäre und
Verknüpfung mit der Umwelt 117
Abbildung 5.1: Produktstammbaum Gipsprodukte 127
Abbildung 5.2: Mengenstruktur der Gipsherkunft und Verwendung in Deutschland 1991 .129
Abbildung 5.3: Stoffstrom Gips in und aus dem Bausubstanz Puffer 133
Abbildung 5.4: Mögliche zukünftige Entwicklung von Gipsangebot und Gipsnachfrage 134
Abbildung 5.5: Verteilung der Gipsprodukte im Stofflager 1997 bezogen auf durchschnittli¬
che Lebensdauer und Dispersionsgrad 145
Abbildung 5.6: Gipsfluss im Bauwesen Oberösterreichs 155
Abbildung 5.7: Schwefelbilanz im Bauwesen Oberösterreichs 161
Abbildung 5.8: Schwefelfluss in den Baurestmassen im Vergleich zum Schwefelfluss
in der sonstigen Abfallwirtschaft (nur feste Abfälle) 163
Abbildung 5.9: Schwefelfluss in den Baurestmassen im Vergleich zum Schwefelfluss
in der Bauwirtschaft 164
Abbildung 5.10: Schwefelfluss in den Baurestmassen im Vergleich zum Schwefelfluss
in Oberösterreich 166
Abbildung 5.11: In Verkehr gebrachte Gipsmengen in Deutschland zwischen
1950 und 1997, aufgeteilt nach Dispersionsgrad 169
Abbildung 5.12: Prognostizierte jährliche Abfallströme an Gipsprodukten 1970 2034 171
Abbildung 6.1: Einfluss und Gestaltungsmöglichkeiten im Stoffstrom Bauwesen 174
Abbildung 6.2: Prognose des REA Gips Anfalls in Deutschland bis 2030 178
Inhaltsverzeichnis Seite a
Abbildung 6.3: Veränderung der Zusammensetzung des Abfallstroms bei
recyclinggerechter Produktgestaltung 196
Abbildung 6.4: Prinzip des Müller Kühne Verfahrens 207
Abbildung 6.5: Mögliche Anlagenstandorte für das Müller Kühne Verfahren 211
Inhaltsverzeichnis Seite vii
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2.1: Bedingungen für ein effektives Stoffstrommanagement 11
Tabelle 2.2: Übersicht über Leitbilder des Stoffstrommanagements 12
Tabelle 2.3: Vor und Nachteile ordnungsrechtlicher Instrumente 33
Tabelle 2.4: Vor und Nachteile ökonomischer Instrumente 36
Tabelle 2.5: Vor und Nachteile informatorischer Instrumente 38
Tabelle 3.1: Gliederung des Bauwesens nach Bausparten 41
Tabelle 3.2: Gliederung des Baugewerbes 42
Tabelle 3.3: Aus Zielen der Abfallwirtschaft abgeleitete Kriterien zur Beurteilung
von Maßnahmen der Gestaltung von Bauabfallströmen 50
Tabelle 4.1: Einteilung der Stoffe 61
Tabelle 4.2: Ausprägung der Verbindungsstruktur im Hinblick auf den Dispersionsgrad....72
Tabelle 4.3: Ausprägung der MonoStruktur im Hinblick auf den Dispersionsgrad 74
Tabelle 4.4: Ausprägung der Recyclingeignung von Bauprodukten 77
Tabelle 4.5: Herleitung von Bewertungskriterien aus Leitbildern des
Stoffstrommanagements 78
Tabelle 4.6: Ausprägung der Deponierfähigkeit im Hinblick auf den Dispersionsgrad 80
Tabelle 4.7: Ausprägung der Ressourcenschonung im Hinblick
auf den Dispersionsgrad 81
Tabelle 4.8: Ausprägung des Schadstoffgehalts im Hinblick auf den Dispersionsgrad 83
Tabelle 4.9: Ausprägung der Separierungskosten im Hinblick auf den Dispersionsgrad....86
Tabelle 4.10: Ausprägung der Logistikkosten im Hinblick auf den Dispersionsgrad 88
Tabelle 4.11: Ausprägung des existierenden Sekundärrohstoffmarktes
im Hinblick auf den Dispersionsgrad 89
Tabelle 4.12: Ausprägung der Akzeptanz im Hinblick auf den Dispersionsgrad 92
Tabelle 4.13: Lebensdauer ausgewählter Bauteile 102
Tabelle 4.14: Kohortentabelle mit Darstellung von Zeilen und Spaltenmitteln 107
Tabelle 4.15: Typisierungsmerkmale des Gebäudebestands 114
Tabelle 5.1: Zusammensetzung des Trinkwassers im Raum Franken und im Ruhrgebiet
(Angaben in mg/kg Wasser) 122
Tabelle 5.2: Typische Spurenelementkonzentrationen von Naturgips und REA Gips 124
Tabelle 5.3: Phasen des Systems CaSO4 / H2O 126
Tabelle 5.4: Charakteristika von wichtigen Gipsprodukten 136
Tabelle 5.5: Übersicht über die Ausprägungsgrade von Gipsprodukten und daraus resultie¬
rende produktspezifische Dispersionsgrade 141
Tabelle 5.6: Mittlere Verweilzeiten T und Ausfallverhalten a für Gipsprodukte 144
Inhaltsverzeichnis Seite viii
Tabelle 5.7: Kohortenanalytische Darstellung des Bestands an Gipskartonplatten 1970
2035; Weibull Verteilung T=40, a = 2 linearer Bestandszuwachs auf Basis
1997 = 1,56 Mio. t/a 148
Tabelle 5.8: Schwefelgehalte in Bauprodukten in mg/kg 158
Tabelle 5.9: Parameter für die Darstellung der Stoffströme und Stofflager von Gips 168
Tabelle 6.1: Angebot und Verbrauch von Gips in Deutschland, Angaben in 10001 175
Tabelle 6.2: Reichweite der deutschen Naturgipsvorkommen in Jahren in Abhängigkeit von
Abbaugrad und konstanter jährlicher Gewinnungsmenge;
Basis Gipsreserven = 160 Mio. t 181
Tabelle 6.3: Reichweite der deutschen Naturgipsvorkommen in Jahren in Abhängigkeit von
Abbaugrad und prozentualer jährlicher Gewinnungsmenge 181
Tabelle 6.4: Angebots A/erbrauchsstruktur bei jährlicher Fördermenge
von 3 Mio. Naturgips 182
Tabelle 6.5: Angebots A/erbrauchsstruktur bei jährlicher Fördermenge von 1,5 %
der vorhandenen Naturgipsreserven 183
Tabelle 6.6: Prognose des Gipsbedarfs 2000 2050 nach rechnerischen Kennwerten 187
Tabelle 6.7: Prognose des Gipsbedarfs 2000 2050 bei Substitution
durch andere Stoffe 189
Tabelle 6.8: Verlauf von Angebot und Nachfrage nach Gipsprodukten bei einer
freiwilligen Selbstbeschränkung auf 5,3 Mio. t ab 2010 (Angaben in t) 193
Tabelle 6.9: Vergleich von Aufbereitungskosten für Gipsplatten 201
Tabelle 6.10: Vergleich von Aufbereitungskosten für Baugipse 205
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