LCAs in Aktion: Vergleich der Umweltbelastung von Duplex- und Kohlenstoffstahl in industrieller Infrastruktur

LCAs in Aktion: Vergleich der Umweltbelastung von Duplex- und Kohlenstoffstahl in industrieller Infrastruktur

Bei der Auswahl von Materialien für die industrielle Infrastruktur – von Chemieanlagen über Offshore-Plattformen bis hin zu Brücken – lag der Fokus traditionell auf den unmittelbaren Kosten und den mechanischen Eigenschaften. Allerdings haben die zunehmenden Umwelt-, Sozial- und Governance-Anforderungen (ESG) und das genuine Bestreben nach Nachhaltigkeit dazu geführt, dass die Fragestellung sich gewandelt hat: Welches Material bietet über seine gesamte Lebensdauer den geringeren gesamten ökologischen Fußabdruck?

Eine Ökobilanz (LCA) liefert das wissenschaftliche Gerüst, um diese Frage zu beantworten. Durch den Vergleich von Duplex-Edelstahl (z. B. 2205) mit Kohlenstoffstahl (z. B. A516 Gr. 70) können wir über erste Eindrücke hinaus Entscheidungen auf Grundlage von Daten treffen.

Was ist eine Ökobilanz (LCA)?

Eine Ökobilanz ist eine Analyse von der Wiege bis zur Bahre, die die Umweltwirkungen eines Produkts oder Systems über alle Stadien seines Lebens quantifiziert:

1. Beschaffung und Produktion der Rohmaterialien (Wiege): Bergbau, Schmelzen, Legieren und Formen des Metalls.

2. Fertigung und Verarbeitung (Tor): Schneiden, Schweißen und Konstruieren der Bauteile.

3. Nutzungsphase: Leistung über die gesamte Einsatzdauer der Struktur.

4. End-of-Life (Grave): Abbruch, Recycling und Entsorgung.

Für Konstruktionswerkstoffe ist die nutzungsphase häufig am bedeutendsten , sodass die Auswirkungen der Erzeugung in den Hintergrund treten.

Die Kandidaten: Ein Überblick

• Kohlenstoffstahl (A516 Gr. 70): Das Arbeitstier der Industrie. Geringe Anschaffungskosten, hohe Festigkeit, benötigt jedoch in aggressiven Umgebungen einen wirksamen Korrosionsschutz (Beschichtungen, kathodischer Schutz).

• Duplex-Edelstahl (2205): Ein Hochleistungswerkstoff. Höhere Anschaffungskosten, bietet jedoch außergewöhnliche Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, wodurch oft der Einsatz von Beschichtungen entfällt.

Vergleich der einzelnen LCA-Phasen

1. Produktionsphase (Cradle-to-Gate)

• Kohlenstoffstahl: Hat einen geringeren anfänglichen Carbon-Footprint. Die Produktion ist relativ effizient und benötigt weniger Energie als die von Edelstahl. Die Auswirkungen entstehen hauptsächlich durch den Bergbau von Eisenerz und die Verwendung von Kohle zur Reduktion im Hochofen-LD-Konverter-Verfahren (BF-BOF).

  • Typischer Embodied Carbon-Wert: ~1,8 - 2,2 kg CO₂e pro kg Stahl.

• Duplex-Edelstähle: Hat einen deutlich höheren anfänglichen Fußabdruck. Die energieintensive Produktion kritischer Legierungselemente wie Chrom, Nickel und Molybdän sowie der Elektrolichtbogenofen-Prozess (EAF) erhöhen die Umweltbelastung. Allerdings kann die Verwendung von Recycling-Schrott (was bei Edelstahl sehr gut funktioniert) diese Belastung reduzieren.

  • Typischer Embodied Carbon-Wert: ~4,5 - 6,5 kg CO₂e pro kg Stahl.

Urteil: Kohlenstoffstahl hat in der Produktionsphase einen klaren Vorteil mit etwa 60-70 % geringerem gebundenem Kohlenstoffgehalt pro Kilogramm.

2. Fertigungs- und Fertigungsphase

• Kohlenstoffstahl: Erfordert umfangreiche Oberflächenvorbereitung (abrasives Strahlen) und das Auftragen von Mehrschicht-Beschichtungssystemen (Grundierungen, Epoxidharze, Decklacke). Diese Beschichtungen enthalten VOCs (flüchtige organische Verbindungen) und verursachen eigene Umweltbelastungen bei der Herstellung und Anwendung.

• Duplex-Edelstähle: Benötigt typischerweise keine Beschichtung und spart dadurch enorme Mengen an Energie, Chemikalien und Arbeitsaufwand. Aufgrund der höheren Festigkeit ist es möglich, dünnere Querschnitte zu verwenden, wodurch das Gesamtgewicht des benötigten Materials reduziert wird. Obwohl das Schweißen mehr Expertise erfordert, entfallen dadurch Emissionen aus Beschichtungsprozessen.

Fazit: Duplex-Edelstahl ist in dieser Phase oft überlegen, da er die Umweltkosten von Beschichtungssystemen vermeidet und ein leichtbaufreundliches Design ermöglicht.

3. Nutzungsphase: Der entscheidende Faktor

Hier dreht sich die Ökobilanz-Geschichte. Die Nutzungsphase kann über 90% bis zu 90 % der gesamten Umweltbelastung eines Bauwerks ausmachen.

• Kohlenstoffstahl: Erfordert kontinuierliche Wartung. Beschichtungen verschleißen und müssen alle 5–15 Jahre repariert oder neu aufgetragen werden. Dies umfasst:

  • Herstellung neuer Beschichtungen.

  • Energieintensive Oberflächenvorbereitung (häufig mit der Notwendigkeit verbunden, gefährlichen Abraum einzudämmen).

  • Transport von Mannschaften und Ausrüstung.

  • Produktionsausfallzeiten während der Wartung, wodurch Einnahmen entgehen und andere Teile der Anlage ineffizienter arbeiten müssen.

  • Ausfallrisiko: Falls die Beschichtung vorzeitig versagt, kann katastrophaler Korrosion Lecks, Verschüttungen und ungeplante Reparaturen verursachen, mit erheblichen Umwelt- und Kostenfolgen.

• Duplex-Edelstähle: Seine passive Schicht bietet jahrzehntelang wartungsfreien Korrosionsschutz. Es entstehen keine wiederkehrenden emissions durch Beschichtungen, kein Wartungsstillstand und ein erheblich reduziertes Ausfallrisiko. Eine Duplexstruktur kann 40+ Jahre halten, ohne Eingriffe.

Fazit: Duplex-Edelstahl gewinnt in der Nutzungsphase deutlich. Die Vermeidung wiederholter Wartungszyklen und der damit verbundenen Emissionen ist sein größter ökologischer Vorteil.

4. End-of-Life-Phase

• Beide Materialien: Sind zu 100 % recycelbar, ohne dass Eigenschaften verloren gehen. Edelstahl hat aufgrund seines Legierungsgehalts einen höheren Recyclingwert, wodurch ein starkes wirtschaftliches Anreiz besteht, ihn zu recyclen. Am Ende der Lebensdauer werden beide Materialien normalerweise zu neuem Stahl recycelt, wodurch der nächste Produktzyklus effektiv finanziert und der Bedarf an neuem Erz reduziert wird.

Urteil: Unentschieden. Beide Materialien überzeugen in der Kreislaufwirtschaft.

Das LCA-Fazit: Es kommt auf den Kontext an

Das „bessere“ Material ist nicht universell; es hängt von der korrosivität der Umgebung und der designlebensdauer des Objekts ab.

Ein praktisches Beispiel: Offshore-Belag

• Variante A (Kohlenstoffstahl): 100 Tonnen A516-Stahl. Erfordert alle 10 Jahre eine Neuverkleidung. Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren sind dies zwei umfangreiche Wartungskampagnen, bei denen jeweils erhebliche eingebettete CO2-Emissionen durch Verkleidungen, Strahlen, Schiffskraftstoffe und Produktionsausfallzeiten entstehen.

• Variante B (Duplex 2205): 70 Tonnen Duplex (aufgrund der höheren Festigkeit werden dünnere Abschnitte benötigt). Erfordert 30+ Jahre lang keinerlei Wartung.

LCA-Ergebnis: Während die Herstellung von 70 Tonnen Duplex zunächst höhere CO₂-Kosten verursacht als 100 Tonnen Kohlenstoffstahl, gleicht die Option B durch die vermiedenen Wartungsemissionen eine nachhaltigere Wahl über den gesamten Lebenszyklus aus.

Die Quintessenz für Ingenieure

Treffen Sie keine Materialentscheidungen mehr allein auf Grundlage der Anfangskosten oder des gebundenen Kohlenstoffausstoßes. Um wirklich nachhaltig zu bauen:

1. Führen Sie eine vereinfachte Ökobilanz durch: Modellieren Sie die prognostizierten Wartungsintervalle für Kohlenstoffstahl. Berücksichtigen Sie den gebundenen Kohlenstoff der Beschichtungen, des Transports und die Kosten von Stillständen.

2. Legen Sie Priorität auf Langlebigkeit: In korrosiven Umgebungen ist das nachhaltigste Material jenes, das bei geringster Wartung am längsten hält. Langlebigkeit ist die ultimative Form der Abfallreduktion.

3. Festlegen für Widerstandsfähigkeit: Die Wahl eines Materials wie Duplex-Edelstahl ist eine Investition in reduzierte Betriebsstörungen, niedrigere Emissionen über die Lebensdauer und überlegene Umweltverträglichkeit. Es verwandelt einen Kostenfaktor in ein Wertversprechen, das auf Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit basiert.