Vergleich der Lebenszyklusanalyse (LCA): Super Duplex vs. Kohlenstoffstahl mit Ersatzmaßnahmen

Vergleich der Lebenszyklusanalyse (LCA): Super Duplex vs. Kohlenstoffstahl mit Ersatzmaßnahmen

Bei der Spezifikation von Rohrleitungen, Behältermaterialien oder strukturellen Komponenten für aggressive Umgebungen steht häufig die Anschaffungskosten im Vordergrund der Diskussion. Doch für Ingenieure und Anlagenmanager, die sich auf die Gesamtbetriebskosten (TCO) und Nachhaltigkeit konzentrieren, entfaltet sich die eigentliche Geschichte über Jahrzehnte hinweg.

Eine Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA) bietet einen Rahmen, um die gesamte Umweltbelastung eines Materials von der Wiege bis zur Bahre zu quantifizieren. In dieser Analyse vergleichen wir eine Hochleistungslegierung – Superduplex-Edelstahl (UNS S32750) – mit dem branchenüblichen Standardwerkstoff, Kohlenstoffstahl (A106 Gr. B). Wir zeigen auf, warum die alleinige Betrachtung der Anfangsphase ein kostspieliger und kurzsichtiger Fehler ist.

Definition des Vergleichs: Materialprofile

• Kohlenstoffstahl (CS): Der Standardwerkstoff. Geringe Anschaffungskosten, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, jedoch korrosionsanfällig ohne zusätzlichen Schutz. Bei Einsatz in Meerwasser, Brackwasser oder leicht korrosiven Chemikalien erfordert er innere Auskleidungen, äußere Beschichtungen und/oder Kathodenschutz. Seine Lebensdauer in solchen Umgebungen ist begrenzt.

• Superduplex-Edelstahl (SDSS): Eine hochfeste Legierung mit außergewöhnlicher Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber Chloriden (Loch- und Spaltkorrosion). Sie enthält etwa 25 % Chrom, 7 % Nickel und 4 % Molybdän. Ihre Anschaffungskosten liegen 3–5-mal höher als die von Kohlenstoffstahl, doch sie erfordert oft keinen zusätzlichen Korrosionsschutz.

Das Ökobilanz-Szenario: Modellieren wir eine 100 Meter lange Rohrleitung für die Förderung von Rohseewasser über eine Projektlebensdauer von 30 Jahren.

Phase 1: Materialherstellung und Fertigung („Cradle-to-Gate“)

Diese Phase umfasst den Abbau der Rohstoffe, das Schmelzen, die Legierungsherstellung sowie die Fertigung zu Rohren.

• Kohlenstoffstahl: Der Gewinner in dieser Phase: Die Herstellung einer Tonne Kohlenstoffstahl verursacht im Vergleich dazu einen relativ geringeren ökologischen Fußabdruck hinsichtlich des Energieverbrauchs (GJ/Tonne) und der CO₂-Emissionen. Der Prozess ist weniger komplex und erfordert weniger seltene Legierungselemente.

• Superduplex-Edelstahl: Der „Verlierer“ hier. Der Abbau von Chrom, Nickel und Molybdän ist energieintensiv. Der präzise Legierungs- und Fertigungsprozess erfordert erhebliche Energiemengen und führt zu einer höheren anfänglichen Kohlenstoffbilanz sowie zu einem stärkeren Einfluss auf die Ressourcenerschöpfung.

Erstes LCA-Urteil:  Kohlenstoffstahl weist eine geringere Umweltbelastung auf.

Doch hier endet eine vereinfachte Ökobilanz (LCA), und eine realitätsnahe Ökobilanz beginnt. Die Nutzungsphase erzählt eine völlig andere Geschichte.

Phase 2: Nutzungsphase und Wartung (Die entscheidende Schlacht)

Dies ist die Phase, die die Realität einer Anlage dominiert. Hier müssen wir modellieren ersetzungen .

• Szenario mit Kohlenstoffstahl:

  • Annahme: Selbst bei einer Schutzbeschichtung und Kathodenschutz muss die Kohlenstoffstahlleitung möglicherweise alle 7–10 Jahre aufgrund von Unter-Depot-Korrosion, Beschichtungsschäden oder Systemausfällen.

  • LCA-Wirkung: Dies bedeutet über einen Zeitraum von mehr als 30 Jahren 3 oder 4 vollständige Rohrleitungsersetzungen .

  • Multiplikator-Effekt: Jede Ersatzmaßnahme vervielfacht die Auswirkungen aus Phase 1. Tatsächlich entsteht so der ursprüngliche Herstellungs-Fußabdruck 3- oder 4-mal. Darüber hinaus müssen die Auswirkungen folgender Aktivitäten hinzugefügt werden:

    • Herstellung und Aufbringen von Schutzbeschichtungen (VOCs, Energie).

    • Fertigung und Einbau der neuen Rohrabschnitte.

    • Transport aller neuen Materialien zur Baustelle.

• Super-Duplex-Szenario:

  • Annahme: SDSS wurde speziell aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit gegenüber chloridreichem Meerwasser ausgewählt. Seine voraussichtliche Nutzungsdauer beträgt in diesem Einsatz über 30 Jahre ohne Austausch .

  • LCA-Wirkung: Der ursprüngliche Produktionsfußabdruck entspricht dem gesamt fußabdruck für die Nutzungsphase. Es treten keine durch Ersatzteile verursachten Umweltauswirkungen auf.

LCA-Urteil zur Zwischenlebensphase:  Superduplex-Edelstahl ist eindeutiger Gewinner. Die kumulierten Umweltauswirkungen mehrfacher Austausche von Kohlenstoffstahl übertreffen rasch den einmalig höheren Umweltimpact der SDSS-Installation.

Phase 3: Entsorgung und Recycling (die Entscheidung)

Am Ende seiner Nutzungsdauer stellt das Material keinen Abfall, sondern eine Ressource dar.

• Kohlenstoffstahl: Hochgradig recycelbar. Aufgrund seines geringen Legierungsgehalts weist es jedoch einen niedrigeren Schrottwert auf. Häufig wird es in Stahlprodukte niedrigerer Güte „downgecycelt“.

• Superduplex-Edelstahl: Ein Vorreiter der Recyclingfähigkeit. Sein hoher Gehalt an wertvollem Nickel, Chrom und Molybdän macht ihn zu einem begehrten Schrottmaterial. Er wird nahezu immer wieder in hochwertigen Edelstahl recycelt, wodurch sich ein echter geschlossener Kreislauf ergibt. Der bedeutende recycelte Inhaltsstoffe anteil an neuem Edelstahl (oft über 60 %) reduziert seinen gesamten Cradle-to-Gate-Impact langfristig weiter.

Fazit zur Entsorgung am Ende der Lebensdauer:  Super-Duplex-Edelstahl bietet einen deutlichen Vorteil aufgrund seines hohen wirtschaftlichen Werts und seiner Effizienz beim Recycling im geschlossenen Kreislauf.

Zusammenfassende Ökobilanz: Eine Geschichte zweier Zeithorizonte

Das Fazit für Ihr Projekt

Die Betrachtung der Ökobilanz (LCA) unter dem Aspekt von Lebensdauer und Austausch verändert die Wertproposition grundsätzlich.

• Für Nachhaltigkeitsbeauftragte: Die langfristige ökologische Begründung für Hochleistungsliegierungen ist überzeugend. Sie verlagert die Umweltbelastung von einer wiederkehrenden, betrieblichen Belastung (Ersatzteile, Wartung) zu einer einmaligen, vorab getätigten Investition.

• Für Projektingenieure: Die Ökobilanz-(LCA-)Argumentation spiegelt unmittelbar die Gesamtbetriebskosten (TCO) wider. Die höhere Anschaffungsausgabe (CAPEX) für Super-Duplex-Stahl rechtfertigt sich durch die Eliminierung wiederkehrender Betriebsausgaben (OPEX) für Ersatz, Ausfallzeiten und Wartung – sämtliche mit verbundenem CO₂-Ausstoß und Kosten.

Das nächste Mal, wenn Sie vor dieser Materialentscheidung stehen, fragen Sie nicht nur nach dem Preis pro Meter Rohr. Stellen Sie stattdessen die entscheidendere Frage: "Was sind die lebenszyklusbezogenen ökologischen und finanziellen Gesamtkosten dieses Systems, einschließlich aller erwarteten Ersatzmaßnahmen?" Die Antwort wird Sie zwangsläufig zu der langlebigeren und letztlich nachhaltigeren Wahl lenken.