Lebenszyklusanalyse von Stahl: Treiber für nachhaltiges industrielles Wachstum

Lebenszyklusanalyse und Stahl-Nachhaltigkeit

Die Stahlindustrie ist nach der Öl- und Gasindustrie die zweitgrößte Industrie der Welt. Stahl findet in fast jedem Sektor Anwendung – von Bauwesen und Verpackung über Transport bis hin zu Energie und erneuerbaren Energien. In der heutigen Gesellschaft ist Stahl allgegenwärtig; es gibt praktisch keine Materialien oder Produkte, in denen Stahl nicht enthalten ist oder bei deren Herstellung er keine Rolle gespielt hat.

Die Roheisenproduktion hat sich in den letzten drei Jahrzehnten mehr als verdoppelt: 2020 belief sie sich auf 1.864 Millionen Tonnen, 2019 auf 1.869 Millionen Tonnen. Stahl bleibt das Rückgrat und der Ermöglicher gesellschaftlicher Evolution und Fortschritt. Er macht die Welt lebenswerter. Die Smart Cities der Zukunft werden auf Stahl gebaut. Da Stahl unendlich recycelbar und wiederverwendbar ist, verringert seine Nutzung die Belastung der Erdressourcen.

Das hohe Produktionsniveau macht den Stahlsektor umso verantwortungsvoller für seine Umweltauswirkungen. Daher ist es unerlässlich, die Prozesse der Stahlindustrie zu analysieren, um ein klares Bild der wichtigsten Umweltauswirkungen sowie möglicher Lösungen im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft zu erhalten.

Stahleigenschaften für die Designentscheidung

Stahl verfügt über eine Kombination von Eigenschaften, die bereits in der Designphase berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören: (i) chemische, metallurgische und mechanische Eigenschaften, (ii) Korrosionsbeständigkeit, (iii) Feuerbeständigkeit, (iv) Recyclingfähigkeit, (v) lange Lebensdauer, (vi) Wartungsanforderungen, (vii) hygienische Anforderungen, (viii) Ästhetik und (ix) Umwelteinfluss.

Stähle können ohne Qualitätsverlust recycelt werden. Da metallische Bindungen beim Erstarren wiederhergestellt werden, erlangen Stähle ihre ursprünglichen Leistungseigenschaften auch nach mehreren Recyclingkreisläufen vollständig zurück. Dies ermöglicht ihre wiederholte Verwendung für dieselbe Anwendung. Im Gegensatz dazu verschlechtern sich die Leistungseigenschaften der meisten nicht-metallischen Materialien nach dem Recycling.

Typischerweise haben Stahlerzeugnisse, die über den integrierten Weg hergestellt werden, einen Prozessschrotanteil von 10 % bis 20 %, während Stahlerzeugnisse am Ende ihrer Lebensdauer zu 85 % bis 95 % recycelt werden. Die „Recyclinganteil“-Methode berücksichtigt nur die heute realisierten Umweltvorteile, während die „End-of-Life“-Methode zusätzlich die zukünftigen Vorteile aus dem am Lebensende anfallenden Schrott einbezieht. Für die Stahlindustrie ist die „End-of-Life-Recyclingrate“ der geeignetste Indikator, da die verfügbaren Mengen an End-of-Life-Schrott nicht ausreichen, um die aktuelle Nachfrage zu decken. Abbildung 1 zeigt den Lebenszyklus von Stahl.

Abb. 1 Lebenszyklus von Stahl

Primärstahlproduktion und Umweltauswirkungen

Die Primärstahlproduktion (Neustahl) umfasst typischerweise Erzabbau und -aufbereitung, Schmelzen und Raffinieren, um Stahl der geforderten Chemie zu erhalten. In jeder Stufe werden Verunreinigungen und Nebenprodukte getrennt, und der Eisengehalt im Endprodukt steigt. Das Raffinieren auf ausreichende Reinheit erfordert häufig energieintensive, präzise kontrollierte Schmelzstufen, die normalerweise auf fossilen Brennstoffen basieren – direkt als Reduktionsmittel oder indirekt für Wärme und Strom. Die Eisen- und Stahlproduktion verursacht einen erheblichen Anteil der globalen industriellen CO₂-Emissionen.

Im Bergbau und der Aufbereitung werden Erze in flüssiger Lösung behandelt, um das Erz von Begleitmineralien zu trennen. Sehr hohe Temperaturen sind nicht immer nötig, doch die Behandlung unter hohem Druck erfordert Energie. Die Energieintensität wird voraussichtlich steigen, da Minen von hochwertigen zu niedrigwertigen Erzen und komplexeren Lagerstätten übergehen. Der Energieverbrauch kann durch höhere Prozesseffizienz verbessert werden.

Pyrometallurgie beinhaltet die Behandlung von Erzkonzentraten bei hohen Temperaturen, um Eisen von seinen Begleitmineralien zu trennen. Dies erfordert fossile Brennstoffe für Öfen oder Strom. Zudem produziert die Stahlindustrie verschiedene Stahlsorten, die im selben Werk und aus denselben Primärprozessen hergestellt werden können, aber unterschiedliche Weiterverarbeitungswege für Endverbraucher erfordern. Abbildung 2 zeigt die Prinzipien der Lebenszyklusanalyse (LCA).

Abb. 2 Prinzipien der Lebenszyklusanalyse

Nachhaltigkeit und Lebenszyklusdenken

Materialwissenschaftler und Produktentwickler verfügen über eine wachsende Anzahl von Werkzeugen, um Umweltauswirkungen ihrer Materialentscheidungen zu bewerten, doch diese Tools berücksichtigen oft nur wenige Umweltendpunkte, und viele Datenlücken bleiben. Angesichts der erwarteten Zunahme der globalen Stahlnachfrage und seiner Bedeutung für heutige Technologien ist es entscheidend, dass hochreproduzierbare Daten für lebenszyklusbasierte Umweltbelastungen der Stahlproduktion vorliegen und die Auswirkungen der Koppelproduktion mehrerer Stahlprodukte klar verstanden werden.

Menschliche Aktivitäten, die Material und Energie benötigen, haben irreversible Auswirkungen auf ökologische Systeme: Klimawandel, Ressourcenerschöpfung, Abfallerzeugung, Verschmutzung. Die meisten dieser Auswirkungen gefährden die menschliche Gesundheit und haben langfristige Folgen. Der Brundtland-Bericht (1987) definierte nachhaltige Entwicklung als „Entwicklung, die die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen“. Die Rolle der gebauten Umwelt ist ein zentraler Teilbereich nachhaltiger Entwicklung, der sich seit 25 bis 30 Jahren weltweit entwickelt.

Nachhaltigkeit betrifft den gesamten Produktlebenszyklus: von der Rohstoffgewinnung über Planung, Design, Konstruktion und Betrieb bis hin zu Nutzung und End-of-Life-Abfallmanagement. Dies ist eine große Herausforderung für die Stahlindustrie. Zahlreiche Anstrengungen wurden unternommen, den CO₂-Fußabdruck durch Erhöhung der Recyclingfähigkeit und Prozessverbesserungen zu reduzieren.

Drei Säulen der Stahl-Nachhaltigkeit

Stahl-Nachhaltigkeit besteht aus drei Komponenten: (i) ökologisch, (ii) sozial und (iii) ökonomisch. Die Stahlindustrie ist hocheffektiv, um soziale, wirtschaftliche und ökologisch nachhaltige Entwicklung zu verbessern, und entwickelt sich in Industrie- und Entwicklungsländern zu einem hochaktiven Sektor. Die Industrie benötigt natürliche Ressourcen für die Stahlproduktion, die für menschengemachte Strukturen (Gebäude, Brücken, Straßen) und Alltagsprodukte verwendet wird.

Die Lebenszyklusanalyse von Stahl dient der Ermittlung der Umweltauswirkungen. Drei Aspekte bestimmen diese: (i) Stahlproduktion, (ii) Stahlanwendung, (iii) Recycling des End-of-Life-Materials. Die Umweltauswirkungen werden beeinflusst durch: (i) Ressourcennutzung, (ii) Umweltmanagement, (iii) Vermeidung von Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung durch Abgase, Flüssigkeiten und Feststoffe.

Die Materialeffizienz von Stahlprodukten wird durch drei Kriterien bestimmt: (i) Reduzieren, (ii) Wiederverwenden, (iii) Recyceln. Die Rohstoffmengen für die Stahlproduktion sind durch verbesserte Prozesseffizienz zur CO₂-Reduktion zu verringern. Nach Ende der Produktlebensdauer kann ein Teil des Stahls ohne Verlust der Grundeigenschaften wiederverwendet werden, was die Wiederverwendung sehr wichtig macht. Stahl ist zu 100 % recycelbar. Der gesamte Stahlschrott wird zur Herstellung von Frischstahl verwendet. Zudem werden Nebenprodukte der Stahlproduktion von anderen Industrien genutzt, was dort den Rohstoffbedarf senkt und natürliche Ressourcen schont.

Soziale und ökonomische Aspekte

Die soziale Wirkung von Stahl ist erheblich. Sie wird beeinflusst durch: (i) Lebensstandard, (ii) Bildung, (iii) Gemeinschaft, (iv) Chancengleichheit. Ein nachhaltiges Material schadet weder den Menschen, die es herstellen, noch denen, die es während Nutzung, Recycling und Entsorgung handhaben. Stahl ist weder bei der Produktion noch bei der Anwendung schädlich. Arbeitssicherheit (verletzungsfreier, gesunder Arbeitsplatz) ist oberste Priorität der Stahlindustrie. Stahl verbessert die Lebensqualität durch technologischen Fortschritt – heute ist Leben ohne Stahl nicht vorstellbar.

Die ökonomische Komponente ist entscheidend. Beeinflussende Faktoren: (i) Produktionskosten, (ii) Gewinn, (iii) Kosteneinsparungen, (iv) Wirtschaftswachstum, (v) Erlöse für F&E-Investitionen. Lebenszykluskosten (LCC) sind ein wichtiges Kriterium. LCC sind die Kosten eines Assets über seinen Lebenszyklus bei Erfüllung der Leistungsanforderungen (ISO 15686-5) – Summe aller Kosten in den Phasen Konzeption, Produktion/Fertigung, Nutzung/Betrieb und End-of-Life. LCC ist ein mathematisches Verfahren für Investitionsentscheidungen und Vergleich von Optionen. Stahl ist nicht teuer, wenn der Lebenszyklus betrachtet wird: Kosten anderer Materialien steigen über die Zeit erheblich, während Stahlkosten weitgehend konstant bleiben.

Überschneidende Bereiche und ganzheitlicher Ansatz

Neben den drei Hauptaspekten gibt es drei Überschneidungsbereiche: (i) ökologisch-sozial, (ii) sozial-ökonomisch, (iii) ökonomisch-ökologisch. Der ökologisch-soziale Bereich umfasst Umweltschutz und Ressourcenerhalt mit lokalen und globalen Auswirkungen. Der sozial-ökonomische Bereich betrifft Ethik, Fairness, Mitarbeitergesundheit, -sicherheit und -wohl. Der ökonomisch-ökologische Bereich umfasst betriebliche Effizienz, Energieeffizienz und erneuerbare Ressourcen. Abbildung 3 zeigt alle Komponenten der Stahl-Nachhaltigkeit.

Abb. 3 Komponenten der Stahl-Nachhaltigkeit

Lebenszyklusanalyse (LCA) als Schlüsselinstrument

Der Schlüssel zur Stahl-Nachhaltigkeit ist die Erkenntnis, dass ein vollständiger Lebenszyklusansatz der beste Weg ist, die Umweltauswirkungen eines Produkts zu bewerten – und damit der beste Weg, der Gesellschaft fundierte Entscheidungen über Materialnutzung und wirtschaftliche Bedeutung zu ermöglichen. Die Fokussierung auf nur einen Lebenszyklusaspekt (z. B. Materialproduktion) verzerrt das Bild, da erhöhte Auswirkungen in anderen Phasen (z. B. Nutzungsphase) ignoriert werden.

Die Materialauswahl hängt von technischen und ökonomischen Faktoren ab: Funktionalität, Haltbarkeit, Kosten. Ein zunehmend wichtiger Faktor für Materialentscheider in einer Welt, in der nachhaltige Entwicklung zentral ist, ist die umweltbezogene Leistung von Materialanwendungen aus Herstellungs- und Produktleistungsperspektive.

Die Quantifizierung der Umweltbelastungen pro Lebenszyklusphase und die Vernetzung der Stahlproduktionssysteme sind nötig, um globale Veränderungen in Technologie, Materialsubstitution und Produktkritikalität (Lieferkettenverletzlichkeit, Versorgungsrisiko) zu modellieren. Ein umfassendes Verständnis ermöglicht besseres Management der Auswirkungen und Vorteile von Stahlprodukten und informierte nachhaltige Ressourcennutzung.

Entwicklung und Methodik der LCA

Stahl ist ein hochhaltbares Material in vielen qualifizierten Anwendungen. Wie alle Materialien beeinflussen seine Produktion und Nutzung die Umwelt auf vielfältige Weise. Die Bewertung der Gesamtumweltauswirkungen erfordert einen integrierten Ansatz, der das Produkt über seinen gesamten Lebenszyklus betrachtet – bekannt als „Lebenszyklusanalyse (LCA)“.
Die Bewertung der Nachhaltigkeit von Projekten kann mit verschiedenen, in den letzten Jahren entwickelten Tools durchgeführt werden. Eine der vollständigsten und detailliertesten Methoden basiert auf dem Lebenszykluskonzept: die LCA. Sie betrachtet den gesamten Lebenszyklus eines Produkts oder Systems – von der Rohstoffgewinnung über Materialproduktion und Energiebedarf bis zu Nutzung und End-of-Life-Behandlung. Durch diesen systematischen Überblick werden Umweltbelastungen identifiziert und vermieden. LCA kann Chancen zur Verbesserung der Umweltleistung an verschiedenen Punkten im Lebenszyklus aufzeigen. Ziel ist ein vollständiges Umweltprofil des Produkts über den gesamten Lebenszyklus, dargestellt durch Umweltindikatoren verständlich gemacht.

Erste Studien zum Lebenszykluskonzept stammen aus den späten 1960ern und frühen 1970ern. Das Konzept wurde in den USA im Bereich öffentlicher Beschaffung entwickelt. Die erste Erwähnung von „Lebenszyklus“ unter diesem Namen fand sich in einem Bericht über Lebenszykluskostenanalyse von Novick für die RAND Corporation (1959). Damals wurde „Lebenszyklusanalyse“ (noch nicht „Assessment“) für Kosten von Waffensystemen (Beschaffung, Nutzung, End-of-Life) und zur Verbesserung des Budgetmanagements durch Regierungen genutzt.

1972 berechnete Ian Boustead den Gesamtenergieverbrauch bei der Herstellung verschiedener Getränkebehälter (Glas, Kunststoff, Stahl, Aluminium). 1979 machte er seine Methodik auf verschiedene Materialien anwendbar. Das öffentliche Interesse wuchs, und verschiedene Lebenszyklusstudien wurden durchgeführt. 1992 veranstaltete die Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC) LCA-Workshops, darunter zu Wirkungsabschätzung und Datenqualität.

1993 wurden Richtlinien für „Life-cycle Assessment: A Code of Practice“ (auch „LCA-Bibel“ genannt) veröffentlicht. In den 1990ern folgten diverse Leitlinien: niederländische LCA-Richtlinien, nordische Leitlinien (schwedisch, finnisch, dänisch, norwegisch). Das UN-Umweltprogramm veröffentlichte „Life-cycle Assessment: What Is and How to Do it“, die Europäische Umweltagentur „Life-cycle Assessment: A Guide to Approaches, Experiences and Information Sources“. In LCA-Studien werden Produkte als Güter oder Dienstleistungen definiert. LCA wird auch „Lebenszyklusansatz“, „Cradle-to-Grave-Analyse“ oder „Lebenszyklusanalyse“ genannt. Eine vollständige Cradle-to-Grave-Studie betrachtet die Produktion vom Rohstoff (Wiege) über die Nutzungsphase bis zum End-of-Life (Grab).

Im November 1993 begann die LCA-Standardisierung bei ISO (International Organization for Standardization) mit dem Technischen Komitee (TC 207) Unterkomitee SC 5 in Paris. Der Standard basierte auf dem Code of Practice von SETAC. Heute hat ISO die 14040-Serie und Technische Berichte für LCA herausgegeben. Diese Standards umreißen den Ansatz und die Strenge, der die LCA folgen muss, einschließlich der Notwendigkeit unabhängiger Dritter zur kritischen Prüfung.

ISO-Standards und LCA-Phasen

Die ISO-14000-Serie umfasst ISO 14001 (Umweltmanagementsysteme). Die ISO-14040-Serie umfasst: ISO 14040 „Grundsätze und Rahmen“, ISO 14041 „Ziel- und Anwendungsbereichsdefinition und Sachbilanz“, ISO 14042 „Wirkungsabschätzung“, ISO 14043 „Auswertung“, ISO 14044 „Anforderungen und Leitlinien“, ISO 14047 „Beispiele zur Anwendung von ISO 14042“, ISO 14048 „Datendokumentationsformat“, ISO 14049 „Beispiele zur Anwendung von ISO 14041“. Laut ISO 14040 dient LCA der Produktentwicklung und -verbesserung, strategischen Planung, Politikgestaltung, Marketing und anderen Zwecken.

LCA ist ein Werkzeug zur Bewertung der Umweltaspekte von Produkten in allen Lebenszyklusphasen. ISO 14040 definiert LCA als „Zusammenstellung und Bewertung der Inputs, Outputs und potenziellen Umweltauswirkungen eines Produktsystems über seinen Lebenszyklus“. Der Lebenszyklus umfasst alle Prozesse von der Rohstoffgewinnung über Materialproduktion und Fertigung bis zu Nutzung und endgültiger Entsorgung einschließlich Rückgewinnungsoptionen. Transport in diesen Phasen ist ebenfalls zu berücksichtigen.

LCA umfasst alle Phasen einschließlich Transport in Produktion und Betriebsphase von Gütern und Dienstleistungen. In einer vergleichenden LCA-Studie werden nicht nur die Produkte selbst, sondern auch deren Funktionen verglichen. LCA hat einen ganzheitlichen Ansatz, der Umweltauswirkungen in einem konsistenten Rahmen erfasst, wo und wann immer sie auftreten.

LCA ist derzeit eine der am weitesten anerkannten und genutzten Nachhaltigkeitsbewertungsmethoden. Sie basiert auf der Sammlung und Verwaltung von Umweltdaten, meist aus „Lebenszyklusinventar (LCI)-Datenbanken“. LCA-Methodik und LCI-Daten helfen der Industrie: (i) Kunden und deren Kunden zu informieren, (ii) den Beitrag von Stahl zur Umweltleistung von Produktsystemen in verschiedenen Anwendungen zu verstehen, (iii) Technologiebewertung zu unterstützen (Benchmarking, Ermittlung und Priorisierung von Umweltverbesserungsprogrammen), (iv) Wirkungsabschätzungen durchzuführen, um eigene Prozesse zu verbessern und mit Kunden zusammenzuarbeiten, um die Gesamtauswirkungen der Stahlnutzung über den vollständigen Lebenszyklus zu verstehen, (v) das öffentliche Wissen über die lebenszyklusbasierten Umweltvorteile von Stahlanwendungen zu erhöhen. LCA spielt auch eine wichtige Rolle bei organisatorischen Umwelt- und Treibhausgasberichten, Marketing, Vertrieb und Einhaltung von Vorschriften und freiwilligen Initiativen wie Umweltproduktdeklarationen (EPD).

LCA in der Praxis

Weltweit erkennt man zunehmend, dass Produktdesign und Verbraucherverhalten die Gesamtumweltleistung und -effizienz eines Produkts beeinflussen. Hersteller achten stärker auf Fertigung, Nutzung und End-of-Life – ein zunehmend wichtiger Faktor für Materialentscheider. LCA ist „ein ganzheitlicher Ansatz auf robuster Methodikbasis, um Wissenschaft in Erkenntnisse umzusetzen durch quantitative Bewertung der Umweltauswirkungen von Produkten über ihren Lebenszyklus“.

Unter den Tools zur Bewertung der ökologischen, sozialen und ökonomischen Leistung von Materialien und Konsumgütern (einschließlich Auswirkungen auf Klimawandel und natürliche Ressourcen) bietet LCA einen umfassenden Ansatz, der potenzielle Auswirkungen aller Phasen der Herstellung, Produktnutzung und End-of-Life (Wiederverwendung, Recycling, Entsorgung) berücksichtigt. Sie basiert auf solider Methodik und transparenter Berichterstattung und ist somit ein wichtiges Instrument zur Unterstützung der Politikgestaltung.

Der erste Schritt zum „Schließen des Kreislaufs“ von Produktlebenszyklen durch mehr Recycling und Wiederverwendung ist die effektive und systematische Analyse solcher Produktsysteme in Umweltbegriffen durch LCA.

LCA unterstützt die Quantifizierung und Bewertung von Umweltbelastungen und -auswirkungen, die mit Produktsystemen und Aktivitäten von der Rohstoffgewinnung bis zur End-of-Life-Entsorgung verbunden sind. Das Tool wird zunehmend von Industrie, Regierungen und Umweltgruppen für Entscheidungen zu umweltbezogenen Strategien und Materialauswahl genutzt.

Lebenszyklusinventar (LCI) und Branchenanwendung

LCI ist eine strukturierte, umfassende und international standardisierte Methode. Sie quantifiziert alle relevanten Emissionen und Ressourcenverbräuche sowie die damit verbundenen Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen und Ressourcenerschöpfungsfragen über den gesamten Produktlebenszyklus. LCI ist eine Phase der LCA. LCI-Daten quantifizieren Material, Energie und Emissionen eines funktionalen Systems (z. B. Herstellung von 1 kg Warmband). Diese Daten bilden die Basis für vollständige LCAs einschließlich LCIA über breitere Systemgrenzen und komplette Produktlebenszyklen. Zusätzlich können sie für Einzelthemen wie Carbon Footprinting genutzt werden.

Umfassende Studiendaten zum lebenszyklusweiten Energieverbrauch und weiteren Umweltauswirkungen von Stählen sind in verschiedenen LCI-Datenbanken verfügbar. Stahl ist Hauptbestandteil vieler Marktsegmente und Produkte (Automobil, Bau, Verpackung). Die Stahlindustrie erkannte früh die Notwendigkeit, eine fundierte Methodik zur weltweiten LCI-Datenerhebung zu entwickeln, um Märkte und Kunden zu unterstützen. Die LCI-Daten der Stahlindustrie (World Steel Association) quantifizieren „Cradle-to-Gate“-Inputs (Ressourcennutzung, Energie) und Outputs (Umweltemissionen) der Stahlproduktion von: (i) Ressourcengewinnung und Recyclingmaterialeinsatz, (ii) Stahlproduktion bis zum Werktor, (iii) End-of-Life-Rückgewinnung und Recycling.

Das ULCOS-Konsortium (Ultra-Low Carbon Dioxide Steelmaking), bestehend aus europäischen Stahlherstellern, Energie- und Engineering-Partnern, Forschungsinstituten und Universitäten, entwickelt Technologien zur Reduktion von CO₂-Emissionen in der Stahlproduktion und nutzt LCA als wichtiges Umweltbewertungsinstrument. Bisher wurden über 80 Technologien zur CO₂-Reduktion untersucht, eine Vorauswahl getroffen und deren Umweltmerkmale über das Lebenszyklusparadigma bewertet. Konkret wurde eine LCI des klassischen integrierten Stahlproduktionswegs mit Prozesssimulationssoftware kombiniert, um CO₂-Emissionen potenziell nachhaltigerer Prozesse mit neuen Technologien, Reduktionsmitteln und CO₂-Abscheidung und -Speicherung zu modellieren.

LCA-Rahmenwerk und Anwendung

LCA ermöglicht die Umweltbewertung eines Produktsystems durch ganzheitliche Betrachtung aller Lebenszyklusphasen – von der Rohstoffgewinnung bis zur endgültigen Entsorgung. Es wird üblicherweise als Werkzeug zur Quantifizierung systemweiter (Cradle-to-Gate oder Cradle-to-Grave) Umweltbelastungen von Produkten, Dienstleistungen und Technologien eingesetzt. Solche Tools wurden bereits zur Bewertung der Umweltleistung von Stahlproduktsystemen verwendet.

LCA-Treiber werden durch „nationale freiwillige Leitlinien-Prinzipien“ unterstützt, da sie: (i) Güter und Dienstleistungen bereitstellen, die über ihren Lebenszyklus zur Nachhaltigkeit beitragen, (ii) optimale Ressourcennutzung über den Lebenszyklus vom Design bis zur Entsorgung sicherstellen, (iii) sicherstellen, dass alle – Designer, Hersteller, Wertschöpfungskettenmitglieder, Kunden und Recycler – vernetzt sind und nachhaltigen Konsum fördern. LCA unterstützt auch die „Unternehmerische Verantwortungsberichterstattung“, da sie über Produkte oder Dienstleistungen berichtet, deren Design soziale oder ökologische Belange, Risiken und/oder Chancen berücksichtigt, und Details zur Reduktion bei Beschaffung/Produktion/Vertrieb und Nutzung durch Verbraucher bezüglich Ressourcenverbrauch (Energie, Wasser, Rohstoffe) pro Produkteinheit liefert.

Eine typische LCA-Studie beginnt mit der Ziel- und Anwendungsbereichsdefinition (Phase 1), geht zur Sachbilanz (Phase 2), dann zur Wirkungsabschätzung (Phase 3) und endet mit der Auswertung (Phase 4). LCA ist ein computergestützter (mathematischer) Prozess, bei dem Praktiker zu früheren Phasen zurückkehren können. Das Verhältnis der Phasen zeigt Abbildung 4 (LCA-Rahmenwerk nach ISO 14040).

Abb. 4 Lebenszyklusanalyse-Rahmenwerk

Produktsystemmodellierung und Zieldefinition

Der Lebenszyklus eines Produkts wird als Produktsystem modelliert, das eine oder mehrere definierte Funktionen erfüllt. Ein Produktsystem wird durch seine Funktion definiert und in eine Menge von Unit-Prozessen unterteilt, die durch Flüsse verbunden sind. Unit-Prozesse umfassen Inputs und Outputs des Produktsystems und erzeugen Outputs für andere Prozesse. Ein Produktsystem kann auch andere Produktsysteme über Produktflüsse verknüpfen.

Das Ziel einer LCA-Studie umfasst: (i) beabsichtigte Anwendung und Zielgruppe, (ii) Gründe für die Studie, (iii) ob Ergebnisse für vergleichende Behauptungen und öffentliche Offenlegung gedacht sind. Der Anwendungsbereich umfasst: (i) Definition des Produktsystems, (ii) Funktionen und funktionale Aspekte, (iii) Systemgrenzen, (iv) Allokationsverfahren, (v) Wirkungskategorien, (vi) Datenanforderungen, (vii) Annahmen, (viii) Limitationen, (ix) initiale Datenqualitätsanforderungen, (x) Art der kritischen Prüfung, (xi) Art und Format des Berichts. Der Anwendungsbereich muss in Breite, Tiefe und Detail für die Studie ausreichend sein. Die Systemgrenze definiert die einzuschließenden Unit-Prozesse gemäß Ziel- und Anwendungsbereichsdefinition.

Der primäre Zweck der Funktionseinheit ist die Bereitstellung eines messbaren Referenzsystems. Für Vergleichbarkeit der LCA-Ergebnisse ist ein Referenzfluss zu bestimmen – die Produktmenge, die zur Erfüllung der Funktion nötig ist. Beispiel: Beim Vergleich zweier Farben ist ein Funktionsumfang von einem Liter Farbe nicht sinnvoll, da sie unterschiedliche Leistung erbringen. Angemessen ist: „ein Quadratmeter gestrichene Fläche mit bestimmter Beschichtung und 10 Jahren Lebensdauer“ als Funktionseinheit.

Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Auswertung

Die Sachbilanzphase umfasst Sammlung und Berechnung relevanter Input- und Outputdaten des Produktsystems. Es ist ein computergestützter Prozess. Während der Datensammlung können neue Datenanforderungen oder Limitationen auftreten; manchmal ist eine Überarbeitung von Ziel oder Anwendungsbereich nötig. Zu sammelnde Datentypen: Rohstoffe, Energieinputs, Emissionen in Luft und Wasser, Outputs. Bei Systemen mit Produktpalette und Recycling sind Allokationsverfahren zu beachten. Inputs und Outputs können nach Allokationsverfahren verschiedenen Produkten zugeordnet werden. Diese Phase ist eine der zeit- und kostenintensivsten in einer LCA-Studie.

Die Wirkungsabschätzungsphase ist ein relativer Ansatz basierend auf einer sorgfältig geplanten Funktionseinheit zur Umsetzung von Ziel und Anwendungsbereich. Ziel ist die Bewertung potenzieller Umweltauswirkungen des Produkts oder der Dienstleistung gemäß Sachbilanzergebnissen. Die Phase umfasst zwei Elemente: (i) obligatorisch: Auswahl von Wirkungskategorien, Kategorieindikatoren und Charakterisierungsmodellen sowie Klassifizierung und Charakterisierung; (ii) optional: Normalisierung, Gruppierung, Gewichtung, Datenqualitätsanalyse.

Es gibt zwei Hauptmethoden für die Wirkungsabschätzung: problemorientierte Methode (Midpoints) und schadensorientierte Methode (Endpoints). Die Midpoint-Methode umfasst Umweltauswirkungen wie Klimawandel, Versauerung, Eutrophierung, photochemisches Ozonbildungspotenzial, Humanökotoxizität. Die Endpoint-Methode klassifiziert Flüsse in Umweltschadensgruppen wie Menschen und Ressourcen. Die gängigen Wirkungskategorien und Definitionen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 Gängige Wirkungskategorien in einer LCA
Wirkungskategorie	Definition
Globale Erwärmung	Anstieg der durchschnittlichen Erdtemperatur
Erschöpfung von Mineralien und fossilen Brennstoffen	Verbrauch nicht-erneuerbarer Energie- oder Materialressourcen
Photochemische Oxidation (Smog)	Emission von Stoffen (VOCs, Stickoxide) in die Luft
Humanökotoxizität	Menschliche Exposition gegenüber erhöhter Konzentration giftiger Stoffe in der Umwelt
Ozonabbau	Zunahme des stratosphärischen Ozonabbaus
Eutrophierung	Erhöhte Konzentration chemischer Nährstoffe in Wasser und auf Land
Wasserverbrauch	Verbrauch von Wasser
Flächenverbrauch	Veränderung von Land für verschiedene Nutzungen
Versauerung	Emission versauernder Stoffe in Luft und Wasser
Ökotoxizität	Emission organischer Stoffe und Chemikalien in Luft, Wasser und Boden
Hinweis: LCA – Lebenszyklusanalyse, VOCs – flüchtige organische Verbindungen

Die Lebenszyklusauswertung ist die finale Phase der LCA, in der die Studienergebnisse zusammengefasst und diskutiert werden. Hier werden Sachbilanz- und Wirkungsabschätzungsergebnisse gemeinsam bewertet. Die Auswertung liefert Schlussfolgerungen, die mit dem definierten Ziel und Anwendungsbereich konsistent sind, und bietet Empfehlungen.

Bedeutung und Verbreitung der LCA

Unter den Tools zur Bewertung der Umweltleistung bietet LCA einen ganzheitlichen Ansatz durch Betrachtung potenzieller Auswirkungen aller Phasen der Herstellung, Produktnutzung und End-of-Life – der Cradle-to-Grave-Ansatz. LCA ist als solides Umweltbewertungsinstrument etabliert, einfach zu implementieren, kosteneffektiv und liefert erschwingliche, vorteilhafte Lösungen für Materialentscheidungen und Produktdesign.

Die Nutzung von LCA nimmt zu, da sie Umweltauswirkungen der Herstellungsprozesse, Rohstoffgewinnung, Nutzung und Wartung durch den Verbraucher, End-of-Life (Wiederverwendung, Recycling, Entsorgung) sowie Transportmethoden zwischen allen Gliedern der Kette berücksichtigt. Mittlerweile gibt es zunehmend nationale oder regionale Datenbanken für wichtige Industriesektoren. Viele Hersteller haben LCA-Abteilungen, und es gibt immer mehr LCA-Softwarepakete. LCA wird auch an Universitäten gelehrt.

In Europa ist eine Umweltproduktdeklaration (EPD) ein standardisierter Weg, die Umweltauswirkungen eines Produkts oder Systems nach Lebenszyklusanalyse zu quantifizieren. Für einen Stahlhersteller ist es strategisch wichtig, diesen Lebenszyklusansatz (gegenüber Regierungen und Politiken) zu demonstrieren, damit die lange Lebensdauer, Wiederverwendung und Mehrfachrecycling-Eigenschaften von Stahl angemessen gewürdigt und gemessen werden.

LCA-Daten können auch für andere Zwecke genutzt werden: (i) Ökodesign/Design für Recycling, (ii) Benchmarking spezifischer Produkte, (iii) Beschaffungs- und Lieferkettenentscheidungen, (iv) Aufnahme in „Typ I Umweltzeichen“-Kriterien, (v) Aufnahme in lebenszyklusbasierte „Typ III Umweltproduktdeklarationen“ für spezifische Produkte, (vi) Analyse spezifischer Indikatoren wie Carbon Footprint oder Primärenergieverbrauch.

Vorteile des Lebenszyklusdenkens

Lebenszyklusdenken hat einen wichtigen Vorteil: Mit LCA kann die gesamte Lebensdauer eines Produkts bewertet werden – Produktion, Nutzung und Entsorgung am Lebensende. Umweltauswirkungen treten entlang der gesamten Lieferkette auf: am Produktionsstandort selbst, bei der Rohstoffgewinnung und deren Transport, in Kraftwerken, die die Produktionsenergie liefern. Die Erfassung sowohl direkter als auch indirekter Auswirkungen hilft, die Verlagerung von Umweltbelastungen von einer Lebenszyklusphase auf eine andere zu vermeiden. Umweltvorschriften, die nur eine Phase (Nutzung) regeln, können unbeabsichtigte Folgen haben, z. B. erhöhte CO₂-Emissionen. Die korrekte Modellierung des Recyclingpotenzials von Stahlprodukten in der End-of-Life-Phase ist entscheidend für unseren Sektor, um mit anderen Materialien zu konkurrieren und die Leistung von Stahllösungen zu demonstrieren, die die Nachfrage nach „Best-in-Class“-nachhaltigen Anwendungen erfüllen.