Nachhaltigkeit von Stahlstrukturen zur Gewinnung Erneuerbarer Energien Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner Jörn Berg M.Sc. Anna Gorbachov M.Sc. Institut für Metall- und Leichtbau, Universität Duisburg-Essen
Deutscher Stahlbautag 2012 18. Oktober 2012, Aachen
Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Inhalt 2
Projektvorstellung „NaStafEE“
Überblick und Bedarf Erneuerbare Energien
Biogasanlagen
Methoden zur Nachhaltigkeitsbewertung
Bewertungskriterien
Ökobilanzierung
Zusammenfassung / Ausblick
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
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Vorstellung
Forschungsprojekt: Nachhaltige Stahlkonstruktionen für
Erneuerbare Energien (NaStafEE) Laufzeit: Mai 2010-Oktober 2012
Forschungsziel:
Methodenentwicklung und
Leitfadenerstellung für die Bewertung der
Nachhaltigkeit stählerner Konstruktionen
für Erneuerbare Energien
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
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Projektförderung
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigung „Otto von Guericke“ e.V. (AiF)
Deutscher Ausschuß für Stahlbau e.V. (DASt) Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA)
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Projektbeteiligte
Institut für Stahlbau Leibniz Universität Hannover Prof. Dr.-Ing. P. Schaumann Dipl.-Ing. Anne Bechtel
Institut für Metall- und Leichtbau Universität Duisburg-Essen Prof. Dr.-Ing. habil. N. Stranghöner Jörn Berg M.Sc. Anna Gorbachov M.Sc.
Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft Ruhr-Universität Bochum
Prof. Dr.-Ing. H.-J. Wagner Dipl.-Ing. Christoph Baack
Dipl.-Ing. Jessica Lohmann
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Überblick Erneuerbare Energien
© Pelamis Wave Power
© Weltec
Erneuerbare Energien
Wasserkraft Windenergie Biomasse Geothermie Solarenergie
Wasser-/Strömungskraft
Geothermie
Windenergie Biomasse
Solarthermie
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Stromerzeugung aus EE bis 2020 7
Quelle: FNR nach BMU, AGEE-Stat, BEE (März 2011)
20
37 34 11
∆
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Stromerzeugung aus EE 2010 8
© BMELV
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Politische Ziele, Gesetze und Rahmenbedingungen 9
Treibhausgas- Emissions-minderung (Bezugsjahr
1990)
Anteil der Erneuerbaren Energien am
Bruttoendenergie-verbrauch
Anteil der Stromerzeugung
aus Erneuerbaren Energien am Bruttostrom-
verbrauch
Primärener-gieverbrauch (Bezugsjahr
2008)
2020 -40 % 18 % 35 % -20 %
2030 -55 % 30 % 50 %
2040 -70 % 45 % 60 %
2050 -80 % bis -95 % 60 % 80 % -50 % Quelle: bio-energie.de
Weg zur weitgehenden Umstellung der Energieversorgung auf Erneuerbare Energien: Entwicklungspfade des Energiekonzepts
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Bedarfsanalyse
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00
Stahltonnage für Marktprognose 2010-2020 [Mio. t]
Photovoltaik - Freiflächen
Photovoltaik - Dachmontage
Biomasse Offshore-
Wind Onshore-Wind
Anteil an Treibhausgasminderung im Jahre 2009 [%]
60%
Biomasse
Wind
Wasser
0% 20% 40%
Biokraftstoffe
Photovoltaik
Solarthermie
Geothermie
Datenquelle: UBA, AGEE-Stat
© BMU Leitstudie 2010 Aktualisierte Prognose
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Biogasanlagen
7.521 Biogasanlagen ⇒ 3.185 MWel
Neuanlagen in 2012: 306 (281 MWel)
Kapazität: 70 kWel bis 500 kWel
48.565 Arbeitsplätze © Weltec Biopower
Erneuerbare Energien
Wasserkraft Windenergie Biomasse
Biogasanlagen
Geothermie Solarenergie
Prognose für 2012 Entwicklung der Biogasanlagen in Deutschland
Quelle: Fachverband Biogas e.V.
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Branchenzahlen / Branchenentwicklung
139 159 186 274 370 450 617 850
1050 1300
1600 1750
2050
2680
3500 3711
3891
4984
5905
7215 7521 7895
390 650
1100 1271
1377
1893
2291
2904 3185 3312
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Inst
allie
rte
elek
tris
che
Leis
tung
Anla
genz
ahl
Jahre
Anzahl Biogasanlagen
installierte elektrische Leistung [MW]
Quelle: Fachverband Biogas e.V.
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Biogasanlage
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Fermenterbauarten
© biogas-edelstahl © schmidt-bau
Fermenter
Stahl Anteil derzeit: 5 - 10%
Baustahl Anteil derzeit: 7 %
Nichtrostender Stahl Anteil derzeit: 3 %
Stahlbeton Anteil derzeit: 90 - 95%
© Kriegfischer
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Leistungen der Biogasanlagen
Installierte Leistung/ Anlage
bis 75 kWel
bis 200 kWel
bis 500 kWel
bis 1MWel
Hauptanteil der Biogasanlagen
⇒ 70 kWel bis 500 kWel
© Stallkamp
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Anlagengrößen (Baustahl)
Standarttypen Fermenter
Elektrische Leistung
Durch-messer Wanddicke Höhe
Tonnage Fermenter-
mantel
Tonnage Fermenter+
Dach+ Fundament (Stabstahl)
[m³] [kW] [m] [mm] [m] [t] [t]
800 ∼ 75 10 5 10 13
1000 ∼ 200 11 5 12 16 keine Angabe
2000 ∼ 400 14 5, 6 14 25 41
3000 ∼ 600 16 6, 8 16 41 72
4000 ∼ 800 17 6, 8, 10 18 48 keine Angabe
5000 ≥ 1 000 18 6, 8, 10, 12 20 65 keine Angabe Quelle: Schachtbau Nordhausen
Individuelle, kundenbezogene Planung einer Biogasanlage: variable Fermenteranzahl für eine Anlage mit gleicher elektrischer Leistung.
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Anlagengrößen (Nichtrostender Stahl)
Durchmesser [m] Wanddicke Tonnage
[t]
Fermenter 20
Oberer Bereich:
1,5 – 2 mm
Unterer Bereich: bis 5 mm
9
22,5 10
31,5 18,5
Gärrestlager 26 15
29 19
34,5 25 (h=6,30m)
31 (h=7,55m)
Quelle: Weltec
Individuelle, kundenbezogene Planung einer Biogasanlage: variable Fermenteranzahl für eine Anlage mit gleicher elektrischer Leistung.
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Baustahlbedarf bis 2020
5.905 Biogasanlagen ⇒ 2.291 MWel
Anlagengrößen von 75 kWel … 1 MWel
Mittlere Anlage: 400 kWel
Bestand Biogasanlagen 2010
Zuwachs: min. 2.300 MWel (bis 5.000 MWel)
Anlagengrößen: 75 kWel … 1 MWel
Mittlere Anlage: 500 kWel
Ungefährer Baustahlbedarf/Anlage: ∼120 t Stahl (2 Fermenter, 1 Güllevorlagebehälter, 1 Gärrestbehälter)
⇒ Baustahlbedarf bis 2020: min. 550.000 t (bis 1.200.000 t) ⇒ min. 55.000 t / a (bis 120.000 t / a)
(Annahme: 100 % Anlagen aus Baustahl)
Prognose bis 2020 Entwicklung der Biogasanlagen in Deutschland
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Potential 19
Derzeit sind 5 – 10 % Biogasanlagen aus Stahl
⇒ ungefährer Baustahlbedarf: min. 5.500 t / a (bis 12.000 t / a)
© Schachtbau Nordhausen
Großes Potential bei Erhöhung des Stahlanteils bei Biogasanlagen
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Biogasanlagen – Rolle bei EE 20
Wichtige Säule bei der künftigen Energieversorgung
Möglichkeit der bedarfsgerechten Stromerzeugung - Beitrag zur Netzentlastung - Glättung der Last und Erzeugungsspitzen - Verbesserung der fluktuierenden Stromerzeugung aus Wind und Fotovoltaik
Biogasenergie ⇒ speicherbar und grundlastfähig
Energetische Unabhängigkeit durch Eigenversorgung mit Bioenergie
Heute: ca. 3% am gesamtdeutschen Stromverbrauch Zukünftig: ?
Quelle: BMELV 2012
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Verstromung direkt am Anlagenstandort mittels BHKW
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Vermeidung von Methanemissionen aus offener Güllelagerung
⇒ geringere CO2-Vermeidungskosten
Derzeitige Energiekonzepte generieren Arbeitsplätze und Erhöhung der
Wertschöpfung in ländlichen Regionen
Quelle: BMELV 2012
EEG 2012 Sondervergütungsklasse für
75kW Anlagen (Gülle)
Biogas-anlagen
Aufbereitung des Biogases zur Biomethan
⇒ Einspeisung ins Erdgasnetz
Großes Wärmepotential ⇒ noch nicht erschöpft
Biogasanlagen – Rolle bei EE
Motor für Klein- und Mittelstand
im ländlichen Raum
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Ausführungsdetails des Fermenters
© DIN 11622-4
Nichtrostender Stahl
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Ausführungsdetails des Fermenters
2500 mm
1250
mm
© Stallkamp
Nichtrostender Stahl
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Ausführungsdetails des Fermenters
© Lüthe
© Börger
Abdichtendes Fugenmaterial
Edelstahlschrauben M8 bis M12
Nichtrostender Stahl
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Ausführungsdetails des Fermenters
© Schachtbau Nordhausen
Baustahl Festdachkonstruktion
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Ausführungsdetails des Fermenters
Geschweißte Konstruktion Rippenfrei
Baustahl
© Schachtbau Nordhausen
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Dachkonstruktion
© 2009 VDI Wissensforum GmbH
Membrandach Festdach
© Schachtbau Nordhausen
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Verbindungsmittel
Bauweise
Geschraubt Geschweißt Geklebt
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Systeme zur Nachhaltigkeitsbewertung
LEED (USA), BREEAM (GB), DGNB, BNB (DEU),
GRI (Berichterstattung), NEEDS (Erneuerbare Energien)
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Lebenszyklusbetrachtung nach DIN EN 15978
Lebenszyklus der Anlage
Herstellung Vormaterial (Phase A1-A3)
Errichtung / Fertigung
(Phase A4-A7)
Ende des Lebenszyklus
(Phase C)
Nutzung / Instandhaltung
(Phase B)
Transport
Fertigung
Rohstoffe
Transport
Herstellung
Ersatz
Erneuerung
Reparatur
Instandhaltung
Nutzung Rückbau
Transport
Recycling
Entsorgung Wiege
zum Tor
Wiege zur Bahre
Transport
Errichtung
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Gutschriften / Belastungen
(Phase D)
Wieder- verwertung
Rück- gewinnung
Recycling
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Nachhaltigkeitskriterien 31
(Treibhauspotential) (kumulierter Energieaufwand)
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Nachhaltigkeitskriterien für EE
Soziokultur (7)
Prozess (6)
Technik (5)
Ökonomie (3)
Ökologie (14)
Erfassung und Bewertung von ca. 200 möglichen Nachhaltigkeitskriterien ⇒ Auswahl von 35 Kriterien
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Nachhaltigkeitskriterien – Ökologie
Nr. Kriterium Relevante Lebenszyklusphasen
Ökologie U1 Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U2 Gesamtprimärenergiebedarf und Anteil erneuerbarer Primärenergie
Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U3 Abiotischer Ressourcenbedarf sowie Herkunft und Versorgungssicherheit von Rohstoffen
Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U4 Wasserbedarf Herstellung Errichtung Nutzung Ende U5 Treibhauspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U6 Ozonschichtabbaupotential Herstellung Errichtung
U7 Photochemisches Oxidantienbildungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U8 Versauerungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U9 Eutrophierungspotential Herstellung Errichtung Nutzung Ende U10 Feinstäube Herstellung Errichtung Ende
U11 Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt
Herstellung Errichtung Nutzung Ende
U12 Lärmbelästigung Herstellung Errichtung Ende U13 Recyclingpotential von Stahl Herstellung Ende U14 Abfallaufkommen Herstellung Errichtung Nutzung Ende
Öko
bila
nzie
rung
33
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Nachhaltigkeitskriterien – Ökonomie/Soziologie
Nr. Kriterium Relevante Lebenszyklusphasen
Ökonomie Ö1 Lebenszykluskosten Planung Herstellung Errichtung Nutzung Ende
Ö2 Aufwendungen für Forschung und Entwicklung
Herstellung Errichtung
Ö3 Beschäftigungseffekte Herstellung Errichtung
Soziologie / Gesellschaft S1 Arbeitssicherheit / Unfallhäufigkeit Errichtung
S2 Anteil an Auszubildenden Errichtung
S3 Qualifikationsindex Errichtung
S4 Weiterbildungsmaßnahmen Errichtung
S5 Mitarbeiterfluktuation Errichtung
S6 Familienfreundlichkeit Errichtung
S7 Soziales Engagement Errichtung Unt
erne
hmen
sbez
ogen
34
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Nachhaltigkeitskriterien – Technik/Prozess
Nr. Kriterium Relevante Lebenszyklusphasen
Technik T1 Korrosionsschutzmaßnahmen Planung Herstellung Errichtung Nutzung
T2 Nutzungsdauer Planung Errichtung
T3 Wartungs- und Instandsetzungsfreundlichkeit Planung Errichtung
T4 Nutzungsvielfalt und Mehrfachnutzung Planung
T5 Rückbau, Recyclingfreundlichkeit und Wiederverwendbarkeit
Planung Ende
Prozess P1 Maßnahmen zur Qualitätssicherung Planung Herstellung Errichtung
P2 Material- und Ressourceneffizienz Planung Herstellung Errichtung
P3 Implementierung von Managementsystemen (Zertifizierung)
Errichtung
P4 Baustelle / Bauprozess Errichtung
P5 Projektrealisierungszeit Planung Errichtung
P6 Transportaufkommen und Verkehrsträgeranteile
Herstellung Errichtung Nutzung Ende
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Steckbriefe für Nachhaltigkeitskriterien
U1 – Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf
Allgemeine Angaben:
Kurzbeschreibung Erfassung von nicht erneuerbaren energetischen Ressourcen
Nachhaltigkeitsaspekt Ökologie
Sekundärer Nachhaltigkeitsaspekt Ökonomie
Nennung des Kriteriums in der Literatur sowie Kriterien mit inhaltlicher Nähe
Nicht erneuerbarer Primärenergiebedarf [DGNB2011]
Primärenergiebedarf nicht erneuerbar
[BNB2011] [Hau2009]
Kumulierter Energieaufwand [VDI1997] [Pet2006] [IER2002]
Energy intensity [WS2011] Energieverbrauch [BMU2009a] Energy resources [Hir2007]
Gesamtenergieverbrauch [EMAS2010] Ressourcen [Wal2001] Energy use [Vel2001]
Primary energy consumption [Var2009] Eingesetzte Energiemenge [DIN2000]
Im DGNB/BNB-Katalog enthalten ja
Produktbezogen ja
Unternehmensbezogen ja
Einheit MJ Primärenergie-Äquivalent
Kurzbeschreibung und Methodik: Erfasst werden unter diesem Kriterium fossile (endliche) Energieträger, die während des Lebenszyklus des betrachteten Produktsystems eingesetzt werden. Darunter fallen insbesondere die Energieträger Steinkohle, Braunkohle, (Erd-)Gas, Rohölerzeugnisse und Uran. Werden Endenergieträger wie z. B. Strom bilanziert, werden diese primärenergetisch bewertet, indem der Energieaufwand entlang ihrer gesamten Bereitstellungskette berücksichtigt wird. So können alle Beiträge abschließend zu MJ Primärenergieäquivalenten zusammengefasst und der Gesamtbedarf an fossilen energetischen Ressourcen erfasst werden. Anwendung des Kriteriums:
Das Kriterium ist in der Regel obligatorischer Bestandteil von Ökobilanzen, Nachhaltigkeitsbewertungssystemen im Gebäudebereich (z. B. DGNB, BNB) sowie in Nachhaltigkeitsberichterstattungen. Nachhaltigkeitsrelevanz des Kriteriums in Bezug auf:
Stahl allgemein +++
Erneuerbare Energien ++
Stählerne Konstruktionen für EE +++
Im DGNB/BNB-Katalog enthalten ja
Produktbezogen ja
Unternehmensbezogen ja
Einheit MJ Primärenergie-Äquivalent
Kurzbeschreibung und Methodik: Erfasst werden unter diesem Kriterium fossile (endliche) Energieträger, die während des Lebenszyklus des betrachteten Produktsystems eingesetzt werden. Darunter fallen insbesondere die Energieträger Steinkohle, Braunkohle, (Erd-)Gas, Rohölerzeugnisse und Uran. Werden Endenergieträger wie z. B. Strom bilanziert, werden diese primärenergetisch bewertet, indem der Energieaufwand entlang ihrer gesamten Bereitstellungskette berücksichtigt wird. So können alle Beiträge abschließend zu MJ Primärenergieäquivalenten zusammengefasst und der Gesamtbedarf an fossilen energetischen Ressourcen erfasst werden. Anwendung des Kriteriums:
Das Kriterium ist in der Regel obligatorischer Bestandteil von Ökobilanzen, Nachhaltigkeitsbewertungssystemen im Gebäudebereich (z. B. DGNB, BNB) sowie in Nachhaltigkeitsberichterstattungen. Nachhaltigkeitsrelevanz des Kriteriums in Bezug auf:
Stahl allgemein +++
Erneuerbare Energien ++
Stählerne Konstruktionen für EE +++
Ein Steckbrief pro Kriterium
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Bewertungsmethodik 37
Anwendungstool auf Excel-Basis
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Ökobilanzierung – Baustahlfermenter 38
Systemparameter Werkstoff: S235 und S355J2+N Durchmesser: 13,9 m Höhe: 14,0 m Volumen: ~ 2000 m3
Wandstärke: 5 bis 6 mm Stahlmasse: ~ 35 t Baustahl Lebensdauer: 20 Jahre Korrosionsschutzsystem: Beschichtung auf EP Basis
Schachtbau Nordhausen
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
Phase A1 – A3 Phase A4-A7 Phase B Phase C Phase D
PE n.erneuerbarPE erneuerbar
PE Gesamt
ADP
GWP
AP
EP
ODP
POCP
WB
AE
200%
220%
Ökobilanzierung – Ergebnisse 39
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
0
0
0
1
1
1
Baustahl -Ökobau.dat
Baustahl - EPDBauforum Stahl
U1 PEn. erneuerbar
[MJ] U2a PEGesamt
[MJ]
U2b PEerneuerbar
[MJ]
U4 WB[kg]
U3 ADP
[kg SB-Äq]
U14AE
[kg]
U13b SV[%]
U13a PSA[%]
U11 RGU[kg]
U9 EP
[kg PO4-Äq]
U8AP
[kg SO2-Äq]U7POCP
[kg C2H4-Äq]
U5 GWP
[kg CO2-Äq]
U6ODP
[kg R11-Äq]
Ökobilanzierung – Ergebnisse 40
Einfluss verschiedener Datenbanken
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Zusammenfassung / Ausblick
Zunahme des Anteils Erneuerbarer Energien an der Gesamtenergieversorgung
Ausbaupotential für Biogasanlagen in Deutschland vorhanden
Bedarf an Stahlbehältern für Biogasanlagen
Bewertungsmethode für die Nachhaltigkeit von Stahlstrukturen für EE
Herstellungsphase entscheidend für die ökologische Bilanz
Entscheidungshilfe im Planungsprozess unter Einbeziehung von Nachhaltigkeitsaspekten
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Nachhaltige Stahlkonstruktionen für Erneuerbare Energien
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!