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Forschungsprojekt zur Entwicklung neuartiger, innovativer Stahlpalettensysteme für den industriellen Herstellungsprozess von Betonfertigteilen zur erheblichen Reduktion des Energie- und Ressourcenverbrauchs

Forschungsprojekt zur Entwicklung neuartiger, innovativer Stahlpalettensysteme für den industriellen Herstellungsprozess von Betonfertigteilen zur erheblichen Reduktion des Energie- und Ressourcenverbrauchs
Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Tim Zinke, Dr.-Ing. Thomas Reinke

Projektgruppe:

Life-Cycle Engineering

Förderung:

Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Partner:

Beton Kemmler

Prilhofer Consulting

Rothmund Maschinenbau GmbH

Laufzeit:

2011 - 2013

Stahlleichtbaupalette

Kurzbeschreibung

Großindustrielle Produktionsprozesse, wie die Herstellung von Betonfertigteilen, zeichnen sich durch hohe Energie- und Ressourcenverbräuche aus. Der stetige Anstieg der Energiekosten und die Verknappung der Ressourcen gewinnen daher zunehmend an Bedeutung für den Wettbewerb zwischen den Herstellern. Die energieintensiven Produktionsverfahren bieten jedoch auch ein großes Potenzial für die Einsparung von Energie und Ressourcen wodurch ein deutlicher Beitrag zur Reduzierung von Umweltbelastungen geleistet werden kann.


Die präsentierten Inhalte sind Ergebnisse eines Forschungsprojekts der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, welches die Reduktion der CO2-Emissionen in der Betonfertigteilherstellung und damit einhergehende Energieeinsparungen zum Ziel hat. Betonfertigteile werden standardmäßig auf Stahlpaletten gefertigt, die aus der Schälfläche und einem Trägerrost als tragende Unterkonstruktion bestehen. Die Grundfläche einer Stahlpalette beträgt i.d.R. 11,50 m x 3,50 m bei einem Leergewicht von ca. 6 to. Betonfertigteile werden zur Beschleunigung des Hydratationsprozesses des Betons in Heizkammern einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierbei wird die Palette mit dem Frischbeton auf ca. 50°C erwärmt. Nach ca. 8 Stunden ist eine ausreichende Betonfestigkeit erreicht und die Palette wird aus der Heizkammer herausbefördert. Danach kühlt die gesamte Palettenkonstruktion auf die Umgebungstemperatur der Fertigungshalle ab und die zuvor zugeführte Wärmeenergie geht ungenutzt verloren.


Um diesen Energieverlust zu minimieren, werden verschiedene Varianten einer Leichtbaupalette mit reduziertem Gewicht entwickelt (Variante 1: Leichtbaupalette, Variante 2: Leichtbaupalette mit Hohlprofilen, Variante 3: Trennblechlösung). Bei der statischen Bemessung zeigt sich, dass deutliche Gewichtseinsparungen gegenüber der Bestandspalette möglich sind und die hohen Anforderungen an die zulässigen Verformungen maßgebend für die Auslegung der Leichtbaupalette werden.


Zusätzlich zur Strukturoptimierung der Stahlpalette wird auch der Einfluss der veränderten Konstruktion auf das Erwärmungsverhalten des Betonfertigteils überprüft. Die Ergebnisse einer Simulation der Wärmeentwicklung im Beton auf Grundlage des Verfahrens von Binder-Schmidt zeigen, dass die Temperaturverläufe im Betonfertigteil sowohl bei der herkömmlichen Palettenkonstruktion als auch bei der Leichtbaupalette nahezu identisch sind.


Weiterhin werden die Energieeinsparpotentiale der verschiedenen Konstruktionsvarianten ermittelt. Bei diesen Betrachtungen werden mögliche Spannbreiten und Unsicherheiten der Eingangswerte berücksichtigt (wie z.B. Energiepreise, Jahresnutzungsgrade und Paletten-Ausgangstemperatur). Im Fall der Konstruktionsvariante Leichtbaupalette sind deutliche  Einsparungen an thermischer Energie möglich. Diese betragen jährlich ca. 12,5 % der gesamten eingesetzten Endenergie der untersuchten Produktion. Die Einsparungen bei den Konstruktionsvarianten Leichtbaupalette mit Hohlprofilen und Trennblechlösung können noch höher sein.


Bei einer Amortisationszeit von 10 Jahren ergibt sich daraus in den untersuchten Fallbeispielen ein maximaler Palettenpreis von ca. 9000 €. Dieser Maximalpreis sinkt, wenn eine moderate bzw. niedrige Energiepreissteigerung zu Grunde gelegt wird. Aufgrund der höheren Herstell- und Materialkosten der Leichtbauweise im Vergleich zur Standardbauweise ist dieser Palettenpreis derzeit bei kleinen Serien jedoch noch nicht erreichbar.


Die abschließende Ökobilanzierung bildet die Energieeinsparungen im Herstellungsprozess in Wirkungskategorien einer Ökobilanz ab. Die Verbesserungspotentiale beziehen sich dabei auf die Eigen-Umweltproduktdeklaration der Firma Beton Kemmler. In der Wirkungskategorie Treibhauspotential ist in der Herstellungsphase eine Verbesserung von 10-15% erreichbar, für den nicht-regenerativen Primärenergiebedarf liegen die Potentiale in der gleichen Größenordnung. In allen weiteren Wirkungskategorien sind die Einsparungspotentiale geringer. Da die Herstellungsphase in Bezug auf den gesamten Erstellungsprozess des Betonfertigteils nur ca. 13% ausmachen, fallen die ökobilanziellen Verbesserungen durch den Einsatz der Leichtbaupalette entsprechend gering aus. Nur die Trennblechlösung ermöglicht eine Verbesserung der Ökobilanz von bis zu 5%.