Gutachten Dynapac CO2-Emissionen Bohlenbeheizung 120410 re…

proTerra Umweltschutz- und Managementberatung GmbH
Auftragsnummer: 82610A0187
Bestimmung der THG-Emissionen verschiedener Bohlenbeheizungssysteme
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung ....................................................................................................4
2 Grundlagen und Vorgehensweise .........................................................................4
3 Ermittlung der THG-Emissionen der Beheizungssysteme..................................7
3.1 Ermittlung der Treibhausgas-Emissionen der gasbeheizten Bohle ........7
3.2 Ermittlung der Treibhausgas-Emissionen der elektrisch beheizten
Bohle..............................................................................................................9
4 Bewertung der THG-Emissionen der beiden Beheizungssysteme...................10
5 Zusammenfassung ...............................................................................................12
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Bestimmung der THG-Emissionen verschiedener Bohlenbeheizungssysteme
1 Aufgabenstellung
Die Dynapac GmbH ist ein Hersteller von leichter und schwerer Verdichtungstechnik,
Straßenfertigern, Kaltfräsen und Betontechnik. Die hergestellten Maschinen werden im
Hoch-, Tief- und Straßenbau eingesetzt.
Im Werk Wardenburg werden Straßenfertiger und Bohlen hergestellt. Die Bohlen dienen
dem Aufbringen des Straßenbaumaterials und dessen Vorverdichtung. Sie werden
von der Dynapac GmbH standardmäßig mit Gasbeheizung (Propan) oder alternativ elektrisch
beheizt, angeboten.
Die beiden Beheizungssysteme sollen hinsichtlich ihrer direkten Emissionen an Treibhausgasen
(THG), im besonderen Kohlendioxid - CO2 – untersucht und bewertet werden.
Die proTerra Umweltschutz- und Managementberatung GmbH wurde von der Dynapac
GmbH beauftragt, eine gutachtliche Stellungnahme zu den THG-Emissionen beider
Beheizungssysteme zu erarbeiten.
2 Grundlagen und Vorgehensweise
Bei dem Straßenfertiger (oder kurz Fertiger) handelt es sich um eine im Straßenbau
eingesetzte Baumaschine. Mit dieser Maschine kann ohne Fuge eine Verkehrsfläche
aus Asphalt hergestellt werden. Beim Betrieb des Fertigers werden mehrere Arbeitsschritte
zeitgleich ausgeführt. Die Zufuhr des einzubauenden Materials geschieht entweder
indirekt über einen so genannten Beschicker oder vom LKW, wobei das Material
dann in einem Behälter auf dem Straßenfertiger zwischengespeichert wird.
Im Anschluss wird das Material über eine Förderkette zu einem Verteiler und dort über
Verteilschnecken, die quer eingebaut sind, über die einzubauende Breite auf der Fahrbahnfläche
gleichmäßig verteilt.
Im nächsten Schritt wird das einzubauende Material durch die sog. Bohle geglättet und
vorverdichtet.
Nachfolgende Abbildung 1 zeigt als Beispiel eine Variobohle der Firma Dynapac
GmbH.
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Abbildung 1: Variobohle VB5100TV(E) (Quelle: Dynapac GmbH)
Die Bohle muss im Falle der Verarbeitung von Straßenasphalt über eine Beheizung
verfügen, da ansonsten das einzubauende Material erkaltet. Die Einbautemperaturen
sind verschieden, dementsprechend muss die Temperatur der Bohle regelbar sein.
Die Dynapac GmbH bietet zwei grundsätzlich verschiedene Beheizungssysteme für die
Bohlen an:
1. Direkte Beheizung mittels Propangasverbrennung
Hierbei wird mittels Brenner und Flüssiggas (im Allgemeinen Propan) eine direkte Beheizung
der Bohle mit einer Flamme vorgenommen. Das Flüssiggas wird dabei über
handelsübliche Gasflaschen bereitgestellt.
Abbildung 2: Bohlenbeheizung mittels Flüssiggas (Quelle: Dynapac GmbH)
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2. Elektrische Beheizung
Die Bohle wird über elektrisch betriebene, integrierte Heizstäbe erwärmt. Die elektrische
Energie wird über einen Generator, der an das Dieselaggregat des Straßenfertigers
über einen Keilriemenantrieb gekoppelt ist, bereitgestellt.
Abbildung 3: Elektrische Bohlenbeheizung (Quelle: Dynapac GmbH)
Im vorliegenden Gutachten soll nun untersucht werden, wie hoch die direkten Emissionen
von Treibhausgasen, insbesondere CO2, beim Einsatz des jeweiligen Beheizungssystems
sind. Hierzu werden insbesondere folgende Datengrundlagen verwendet:
1. Untersuchungen zu CO2-Emissionen und zur Wirtschaftlichkeit von E- und Gas-
Bohlen, Markus Utterodt, Dynapac GmbH, März-April 2010
2. Vergleichsanalyse von zwei Heizsystemen für Verdichtungsbohlen, Studie der
FH Köln vom 28.02.2008
3. Informationen der Dynapac GmbH zu den Fertigern, Bohlen und den unterschiedlichen
Heizsystemen
4. Als Quelle für die verwendeten brennstoffspezifischen Parameter:
o Zuteilungsverordnung – ZuV 2012
o Tabellarische Aufstellung der abgeleiteten Emissionsfaktoren für CO2 für
die deutsche Berichterstattung atmosphärischer Emissionen (1990-2008),
Umweltbundesamt, Januar 2010
o Fachhilfe für BUBE-online, Version 1.3, Stand 03.04.2009
Ermittelt werden ausschließlich die direkten Emissionen, die beim Einsatz der beiden
Primärenergieträger Diesel und Propan entstehen. Propan und Diesel werden bei der
Verarbeitung von Rohöl in Raffinerien gewonnen. Beide Produkte entstehen prinzipiell
durch Destillation, wobei keine direkten THG-Emissionen entstehen, sondern lediglich
indirekte durch die hierzu erforderliche Wärmeenergie für die Kolonnen. Die Herstellungs-
und Logistikprozesse der beiden Brennstoffe werden nicht berücksichtigt.
Die folgende Betrachtung beschränkt sich auf die direkten Emissionen von Treibhausgasen,
die im Kyotoprotokoll genannt sind und bei der Verbrennung der beiden Stoffe
entstehen. In nachfolgender Tabelle sind diese dargestellt.
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CO2- Emissionsfaktor
bei
der Verbrennung
von
Propan** in
kg/t
CO2- Emissionsfaktor
bei
der Verbrennung
von Diesel**
in Motoren
in kg/t
Treibhausgaspotential
(CO2-
Äquivalent) bez.
auf 100 Jahre*
Emissionen
von CO2-
Äquivalenten
bei der
Verbrennung
von Propan**
in kg/t
Emissionen
von CO2-
Äquivalenten
bei der
Verbrennung
von Diesel**
in kg/t
Kohlendioxid CO2 2.997,2 3.158,4 1 2.997,2 3.158,4
Methan CH4 - 2,6 21 - 54,6
Distickstoffoxid
N2O
0,0235 0,6482 310 7,285 200,9
Summe 3.004,5 3.413,9
* Climate Change 1995, The Science of Climate Change: Summary for Policymakers and Technical
Summary of the Working Group I Report, page 22.
** Fachhilfe zu BUBE-online und ZuV 2012
Tabelle 1: Relevante Treibhausgase nach Kyotoprotokoll
3 Ermittlung der THG-Emissionen der Beheizungssysteme
Die Basis für die durchgeführten Berechnungen bilden insbesondere 2 Dokumente.
Zum einen handelt es sich um eine Untersuchung der Dynapac GmbH, in der messtechnisch
die Verbräuche an Propan und Diesel für den Aufheizvorgang bestimmt wurden.
Zum anderen besteht eine Studie der FH Köln, die einen theoretischen Ansatz zur
Ermittlung der Emissionen verfolgt.
Die Dynapac-Untersuchung hat eine Bohle des Typs VB 5100 TV(E) zum Gegenstand.
Es wurden insgesamt 3 Messreihen durchgeführt wobei die Beheizungstemperatur
hierbei 121 °C (Elektro-Bohle) und 119 °C (Gas-Bohl e) betrug.
Bei den Messreihen wurde jeweils ein Aufheizvorgang elektrisch (Diesel) und mit Propan
durchgeführt. Während des Materialeinbaus stellt sich ein Temperaturgleichgewicht
zwischen dem, in der Regel heißeren, Material und der Bohle ein. Ein aktives
Nachheizen ist somit in der Regel nicht oder nur in geringem Maße erforderlich. Die
Bestimmung der spez. Emissionen für den evtl. notwendigen Nachheizvorgang lässt
sich im Prinzip nur mit einer aufwändigen messtechnischen Untersuchung feststellen.
3.1 Ermittlung der Treibhausgas-Emissionen der gasbeheizten Bohle
Der Verbrauch an Propan bei der Beheizung einer Bohle wurde mittels einer geeichten
Handelswaage der Genauigkeitsklasse 3 aus den o.g. Versuchen der Dynapac GmbH
ermittelt.
Insgesamt wurden 3 Versuche durchgeführt, deren Ergebnisse nachfolgend im Einzelnen
dargestellt sind.
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Gas-Bohle Versuch 1 am
19.02.2010
Versuch 2 am
24.02.2010
Versuch 3 am
26.02.2010
Umgebungstemperatur 18 °C 2 °C 8 °C
Bohlentemperatur am Versuchsbeginn
Bohlentemperatur am Versuchsende
18 °C 2 °C 8 °C
119 °C 119 °C 119 °C
Heizdauer 20 min 27 min 22 min
Verbrauch Propan 1,15 kg 1,55 kg 1,25 kg
Tabelle 2: Versuchsreihen mit der gasbeheizten Bohle
Der durchschnittliche Verbrauch lag bei 1,42 kg Propan je Aufheizvorgang. Die mittlere
Beheizungsdauer betrug hierbei 25 min. Die Versuche zeigen, dass die Heizdauer und
damit auch der Propanverbrauch von der Temperatur der Bohle zu Heizbeginn bzw.
von der Umgebungstemperatur abhängig ist.
Die Messungen wurden nicht unter Laborbedingungen durchgeführt, daher sind verschiedene
Unsicherheiten, wie die Ungenauigkeit der Waage, Temperatureffekte, Witterungseinflüsse,
technische Toleranzen bei der untersuchten Maschine, usw. zu berücksichtigen.
Im Sinne einer konservativen Beurteilung dieser Ungenauigkeiten wird
von einer Unsicherheit bei der Ermittlung der THG-Emissionen von 10 % ausgegangen.
Unter diesen Randbedingungen ergeben sich folgende Emissionen:
THG-Emissionen in kg/Beheizungsvorgang:
1,42 kg Propan * 3,0045 kgCO2Äqu/kg = 4,27 kg CO2Äqu
CO2-Emissionen in kg/Beheizungsvorgang:
Plausibilität:
1,42 kg Propan * 2,9972 kgCO2/kg = 4,26 kg CO2
Nach Angaben der Dynapac GmbH verfügt die beprobte Bohle über insgesamt 4 Brenner-Düsen
mit einem Durchmesser von 0,8 mm und einer Leistung von 1,12 kg Propan
je Stunde und Düse. Daraus lässt sich ein Propan-Verbrauch von 1,87 kg (4 * 1,12 kg/h
* 25/60 h) für den Aufheizvorgang errechnen.
In der Studie der FH Köln wird davon ausgegangen, dass 8,5 kg/h an Propan für den
Beheizungsvorgang benötigt werden, der 0,25 h dauert. Mit diesen Werten gelangt man
zu einer Emission von 8,18 kg CO2Äqu bzw. 8,04 kg CO2. Hierbei ist allerdings das Starten
des Dieselmotors und das Positionieren berücksichtigt.
Wenn man diesen Aufschlag (Dauer: 5 min, Verbrauch von 0,86 kg Diesel) auch bei
den Messwerten der Dynapac GmbH berücksichtigt, ergibt sich eine Mehremission von
2,93 kg CO2Äqu bzw. 2,71 kg CO2.
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THG-Emissionen in kg/Beheizungsvorgang inkl. Dieselmotor:
4,27 kg CO2Äqu + 2,93 kg CO2Äqu = 7,20 CO2Äqu
CO2-Emissionen in kg/Beheizungsvorgang:
4,26 kg CO2 + 2,71 kg CO2 = 6,97 CO2
3.2 Ermittlung der Treibhausgas-Emissionen der elektrisch beheizten Bohle
Der Verbrauch an Diesel für den Betrieb des Generators bei der Beheizung einer Bohle
wurde mittels eines Durchflussmessers aus den o.g. Versuchen ermittelt.
Insgesamt wurden 3 Versuche durchgeführt, deren Ergebnisse nachfolgend im Einzelnen
dargestellt sind.
E-Bohle Versuch 1 am
19.02.2010
Versuch 2 am
24.02.2010
Versuch 3 am
26.02.2010
Umgebungstemperatur 18 °C 2 °C 8 °C
Bohlentemperatur am Versuchsbeginn
Bohlentemperatur am Versuchsende
18 °C 2 °C 8 °C
121 °C 121 °C 121 °C
Heizdauer 29 min 48 min 37 min
Verbrauch Diesel 6,0 l bzw. 5,16 kg 7,5 l bzw. 5,68 kg 6,6 l bzw. 6,45 kg
Tabelle 2: Versuchsreihen mit der elektrisch beheizten Bohle
Der durchschnittliche Verbrauch lag bei 6,70 l bzw. 5,76 kg Diesel je Aufheizvorgang
(unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnung des Diesels). Die mittlere Beheizungsdauer
betrug hierbei 40 min.
Die Versuche zeigen, dass die Heizdauer und damit auch der Dieselverbrauch von der
Temperatur der Bohle zu Heizbeginn bzw. von der Umgebungstemperatur abhängig ist.
Die Messungen wurden nicht unter Laborbedingungen durchgeführt, daher sind verschiedene
Unsicherheiten wie die Ungenauigkeit der Durchflussmessung, Temperatureffekte,
Witterungseinflüsse, technische Toleranzen bei der untersuchten Maschine,
usw. zu berücksichtigen. Im Sinne einer konservativen Beurteilung dieser Ungenauigkeiten
wird von einer Unsicherheit bei der Ermittlung der THG-Emissionen von 10 %
ausgegangen.
Unter diesen Randbedingungen ergeben sich folgende Emissionen:
THG-Emissionen in kg/Beheizungsvorgang (Dichte 0,86 kg/l):
5,76 kg Diesel * 3,4139 kgCO2Äqu/kg = 19,66 kg CO2Äqu
CO2-Emissionen in kg/Beheizungsvorgang:
5,76 kg Diesel * 3,1584 kgCO2/kg = 18,19 kg CO2
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In der Studie der FH Köln wird davon ausgegangen, dass 19 kW Heizleistung für den
Beheizungsvorgang installiert sind, der 0,50 h dauert. Mit diesen Werten gelangt die
Studie zu einer Emission von 13,06 kg CO2Äqu bzw. 12,09 kg CO2.
4 Bewertung der THG-Emissionen der beiden Beheizungssysteme
Die Ergebnisse der Messungen und Berechnungen werden nachfolgend zusammenfassend
dargestellt:
Emissionen in CO2- Äquivalenten
Emissionen von CO2
Werte in Klammern: Studie FH Köln
Einheit Gasbeheizung der
Bohle
kg/Beheizungs-
vorgang
kg/Beheizungs-
vorgang
Tabelle 2: Zusammenfassung der Ergebnisse
Elektrische Beheizung
der Bohle
7,20 (8,18) 19,66 (13,06)
6,97 (8,04) 18,19 (12,09)
Aufgrund der Tatsache, dass die Heizdauer und damit der Brennstoffverbrauch abhängig
von der Bohlen- bzw. Umgebungstemperatur ist, kann die CO2- bzw. THG-Emission
auch spezifisch für das jeweilige Heizsystem in Abhängigkeit von dem zu überwindenden
Temperaturunterschied angegeben werden.
Umgebungs-/ Bohlentemperatur
zu Versuchsbeginn
Verbrauch kg Diesel je Kelvin
Temperaturunterschied
Verbrauch kg Propan je Kelvin
Temperaturunterschied
Erzeugte CO2-Emission je Kelvin
Temperaturunterschied bei
Dieselbeheizung
Erzeugte CO2-Emission je Kelvin
Temperaturunterschied bei
Propanbeheizung
Einheit Versuch 1 am
19.02.2010
Versuch 2 am
24.02.2010
Versuch 3 am
26.02.2010
°C 18 2 8
kg/K 0,0501 0,0542 0,0503
kg/K 0,0114 0,0132 0,0113
kg/K 0,1710 0,1850 0,1716
kg/K 0,0342 0,0398 0,0338
Nachfolgende Grafik verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Umgebungstemperatur
bzw. Ausgangstemperatur der Bohle vor dem Heizen und dem Brennstoffverbrauch
nochmals:
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Verbrauch in kg
7
6
5
4
3
2
1
0
Verbrauch in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
bzw. der Bohlentemperatur vor der Beheizung
0 5 10 15 20
Umgebungstemperatur in °C
Verbrauch Diesel
Verbrauch Propan
Abbildung 4: Zusammenhang zwischen Umgebungstemperatur und Brennstoffverbrauch
Die ermittelten Ergebnisse zeigen deutlich, dass für einen einzelnen Beheizungsvorgang
bei der hier untersuchten Bohle VB 5100 TV(E), das Beheizungssystem mittels
Propangas hinsichtlich der Emission von Treibhausgasen deutliche Vorteile besitzt.
Dies gilt sowohl für die Messungen der Dynapac GmbH als auch für die Berechnungen
der FH Köln. Die deutlich höheren Emissionen der elektrischen Beheizung ergeben sich
dabei insbesondere aus der Verstromung von Diesel über den Generator und dem damit
einhergehenden Wirkungsgradverlust.
Berücksichtigt man eine Messunsicherheit von 10 % zu ungunsten des Gas- Beheizungssystems
und zugunsten der elektrischen Beheizung, ergibt sich je Beheizungsvorgang
bei der elektrischen Beheizung eine ungefähr doppelt so hohe Emission an
Treibhausgasen wie bei der Gasbeheizung. Nach der Studie der FH Köln liegt dieser
Faktor bei 1,5.
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