Ökobilanz (LCA)
Umweltzeichen, Zertifikate und vergleichende produktbezogene ökologische Bewertungen spielen eine immer wichtigere Rolle. Das gilt nicht nur beim Konsumverhalten der Verbraucher, sondern auch als Entscheidungsgrundlage bei öffentlichen Ausschreibungen und Planungen. Eine geeignete Methode zur Beurteilung und Bewertung von Umweltwirkungen des wirtschaftlichen Handelns ist die Erstellung produktbezogener Ökobilanzen (LCA – Life Cycle Assessment). Die Ökobilanz ist eine der vielen Methoden des Umweltmanagements. Mit Hilfe der in den vergangenen zwei Jahrzehnten entwickelten (und in zahlreichen Veröffentlichungen sowie den ISO-Normen 14040 und 14044 beschriebenen) Methodik der Ökobilanzierung ist es möglich, die Umweltwirkungen unterschiedlicher Produktionsverfahren und unterschiedlicher Produkte zu erfassen und nachfolgend auch zu bewerten. In produktbezogenen Ökobilanzen soll der gesamte Lebensweg von Produkten von der Rohstoffgewinnung über die Herstellung und die Nutzung bis hin zur Entsorgung oder Rückführung in Kreisläufe betrachtet werden.
Wie umweltfreundlich ist die Energie aus Waldhackschnitzeln? Wo liegen die ökologischen Optimierungspotentiale der Bereitstellungskette? Und wie viel der gespeicherten Sonnenenergie muss in Ernte, Aufarbeitung, Lagerung und Transport gesteckt werden? Diesen Fragen wurde im Rahmen eines Projektes nachgegangen. Die Ergebnisse fokussieren auf die unterschiedlichen Bereitstellungsketten, weshalb verschiedene typische Szenarien der Gewinnung von Waldhackschnitzeln betrachtet wurden. Typischerweise werden das Waldrestholz (Schlagabraum und Kronenmaterial) oder das anfallende Material bei Erstdurchforstungen zu Waldhackschnitzeln verarbeitet. Je nach Marktsituation können aber auch die Industrieholzsortimente IL oder IK energetisch verwendet werden.
Solare Energie und Kohlenstoffspeicher
Die biologische Produktion des Energieträgers Holz bildet die Grundlage für die Berechnung der CO2-Speicherpotentiale in den Ökobilanzen Holz. Die Elemente, die im Holz vorliegen, hat der Baum der Ökosphäre beim Aufbau der Holzsubstanz entzogen. Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff sind mengenmäßig die wichtigsten und ergeben zusammen durchschnittlich 99 Prozent der Holzmasse. Der Rest beinhaltet eine ganze Reihe anorganischer Bestandteile, die beispielsweise bei der Verbrennung von Holz wieder freigesetzt werden und sich als Emissionen negativ auf die Umwelt auswirken können.
Bei der Photosynthese wandelt der Baum Sonnenenergie in chemisch gebundene Energie um, die er im Holz speichert. Man geht davon aus, dass die erreichbare Energiemenge (ausgedrückt durch den unteren Heizwert Hu) auch der dabei verbrauchten Energie entspricht. Aus diesem theoretischen Ansatz ergeben sich die Werte in Tabelle 1.
Szenarien zur Gewinnung von Waldhackschnitzeln
Tab. 1: Volumina [Srm] und Kohlendioxidverbrauch [kg] bezogen auf jeweils einen Heizwert von einer Megawattstunde [MWh].
Es gibt eine Vielzahl an Möglichkeiten, Waldhackschnitzel zu gewinnen. Um dies etwas zu begrenzen wurden im Projekt typische Szenarien definiert.
Kleinprivatwald – Waldrestholz
In diesem Szenario wird motormanuell gefällt. Das Waldrestholz wird thermisch verwertet und dazu von Schleppern an die Forststraße vorgeliefert. Dort hacken es mobile Zapfwellenhacker, die die Waldhackschnitzel in einen landwirtschaftlichen Kipper blasen. Diese übernimmt den Transport direkt ins Heizwerk, das in dieser Annahme 30 Kilometer entfernt ist.
Profi – Waldrestholz
Die Fällung erfolgt motormanuell oder maschinell, Kronen und Schlagabraum werden von einem Forwarder an die Forststraße geliefert. Ein mobiler Großhacker hackt das Waldrestholz und bläst es in einen Container-LKW, der die Hackschnitzel direkt in ein ebenfalls 30 Kilometer entferntes Heizwerk transportiert.
Profi mit Zwischenlager im Wald
Ähnelt dem Szenario Profi – Waldrestholz, allerdings wird das Hackgut im Wald zwischengelagert. Kleinere Mengen werden gesammelt um den Transport zu optimieren oder um mangelnden Lagerplatz am Heizwerk abzupuffern. Die Verluste, die von der Lagerdauer abhängen, sind in dem Szenario nicht berücksichtigt.
Profi mit Holzlogistik-Zentrum
Es werden Durchforstungs- und Waldrestholz thermisch verwertet. Fällung und Aufarbeitung übernimmt der Harvester, Schlepper mit Rückewagen übernehmen die Rückung und den Transport ans Holzlogistik-Zentrum (zehn Kilometer). Dort hackt ein mobiler Großhacker das Holz und bläst es in den Container eines LKW, der die Hackschnitzel zum Heizwerk transportiert (30 Kilometer).
Feller-Buncher – Vollbaumnutzung
Bei Erstdurchforstungen erntet ein Harvester die Bäume und konzentriert sie an der Rückegasse vor. Von dort werden die Bäume von einem Schlepper an die Waldstraße transportiert, wo ein mobiler Großhacker direkt in den Container eines LKW hackt. Die Transportentfernung zum Heizwerk beträgt ebenfalls 30 Kilometer.
Einsatz von Primärenergie
Tab. 2: Primärenergieeinsatz in den einzelnen Szenarien der im jeweiligen Hackschnitzelsortiment enthaltenen nutzbaren Energie (Heizwert Hu).
Abb. 1: Eingesetzte Primärenerige für das gemischte Waldhackschnitzel-Sortiment (Wassergehalt 30 %) in den einzelnen Szenarien in kWh pro MWh (Hackschnitzel), dargestellt für die wesentlichen Prozesse.
In Tab. 2 ist der Verbrauch an Primärenergie für alle Szenarien und für vier Sortimente Waldhackschnitzel zusammengefasst dargestellt. "LH – 30 Prozent" beinhaltet reines Laubholz mit einem Wassergehalt der Waldhackschnitzel von 30 Prozent; die MIX-Sortimente enthalten Laub- und Nadelholz zu gleichen Teilen. Sowohl der Wassergehalt als auch die Holzartenzusammensetzung beeinflussen den Heizwert und damit alle Transport- und Aufarbeitungsprozesse.
"LH – 30 Prozent" stellt immer das günstigste Sortiment dar. Realistisch sind die beiden gemischten Sortimente. Das schlechteste Sortiment ist aufgrund der geringen Dichte und des hohen Wassergehaltes "NH – 50 Prozent".
Die Produktivitätssteigerung der stärker mechanisierten Verfahren wirkt sich positiv aus. Daher entfallen bei dem Szenario mit Holzlogistik-Zentrum nur noch 1,4 bis 2,1 Prozent der im Hackschnitzel enthaltenen Energie für Aufarbeitung und Transport. Die Variante "Feller-Buncher" erscheint etwas schlechter. Allerdings sind hier die sehr kleinen Stammdurchmesser zu berücksichtigen. Vor diesem Hintergrund und unter dem Aspekt der Mobilisierung zusätzlicher Sortimente ist dieser Energieeinsatz sehr positiv zu bewerten.
Für Harvester und Hacker zusammen werden zwischen 0,8 und 1,3 Prozent des Energiegehaltes errechnet (Abb. 1). In allen Varianten, in denen ausschließlich Kronenrestholz verwendet wird, könnte man die Fällung unberücksichtigt lassen, da dieser Energieeinsatz dem Stammholz zuzurechnen wäre. Aufgrund der unklaren mengenmäßigen Aufteilung wurde bewusst darauf verzichtet und der "ungünstigste Fall" angenommen.
Beitrag zum Klimaschutz – die Kohlenstoffbilanz
In der Wirkungskategorie Treibhauspotential (GWP100 – Global Warming Potential, vgl. Kasten) werden die Emissionen zusammengefasst, die zur Klimaerwärmung beitragen. Bei der Bereitstellung von Waldhackschnitzeln dominiert derzeit der Einsatz fossiler Treibstoffe für Motorsägen, Harvester, Hacker und Transportmittel. Die wichtigsten Emissionen sind daher CO2, CH4 und N2O.
Abb. 2 zeigt die Beiträge der einzelnen Prozessschritte zum GWP100 für das Szenario Kleinprivatwald. Der grüne Balken zu Beginn zeigt die Menge an CO2, die in den Hackschnitzeln mit einem Wassergehalt von 50 Prozent festgelegt wurde. Der geringe Beitrag der einzelnen Prozessschritte wurde im Balken "Summe GWP100" aufaddiert. Bei der Verbrennung der Hackschnitzel wird der gebundene Kohlenstoff oxidiert und als CO2 freigesetzt.
Die Umstellung von fossilen auf regenerative Energieträger bewirkt allerdings einen Substitutionseffekt. Der Einsatz von Waldhackschnitzeln erspart der Umwelt die Emissionen aus fossilen Energieträgern. Es wird also eine Gutschrift geben. Als Ergebnis (Saldo GWP) ergibt sich ein negatives GWP100. Das ist aus Sicht des Klimaschutzes positiv zu bewerten. Holz als Energieträger ist aber keineswegs CO2-neutral, da die Substitutionseffekte berücksichtigt werden müssen. Derzeit werden sie nicht beachtet.
Fazit der ökologischen Bewertung
Abb. 2: Treibhauspotential (GWP100) für das Szenario "Kleinprivatwald - Waldrestholz/Mix-50 %"
GWP100 (Global Warming Potential)
Für die häufigsten treibhauswirksamen Substanzen ist ein Parameter in der Form des Treibhauspotentials GWP (Global Warming Potential) definiert. Das Treibhauspotential beschreibt den Beitrag eines Spurengases zum Treibhauseffekt, jedoch nicht als Absolutgröße, sondern relativ zu Kohlendioxid.
Für jede treibhauswirksame Substanz wird damit eine Äquivalenzmenge Kohlendioxid in Kilogrammerrechnet. Damit kann der direkte Einfluss auf den Treibhauseffekt zu einer einzigen Wirkungskennzahl zusammengefasst werden, in dem das Treibhauspotential der emittierten Substanz (GWP) mit der Masse der Substanz in Kilogramm multipliziert wird.
- Die Bereitstellung von Waldhackschnitzeln verfügt bereits heute über eine sehr hohe Energieeffizienz. Eine Erhöhung der Produktivität führt zu einer weiteren Verbesserung der Energiebilanz.
- Transporte verschlechtern die Energiebilanzen. Je größer die Entfernung, desto höher der Energieverbrauch (bei gleichem Transportmittel).
- Heizkraftwerke im oberen Leistungsbereich (> 20 MW) sollten über einen Gleisanschluss verfügen. Eine leistungsfähige Bahnlogistik ist derzeit in Entwicklung. Sie verbessert die Energiebilanzen.
- Brennstoffqualität und Wassergehalt beeinflussen die Ökobilanz erheblich. Ihr Einfluss ist sehr viel größer als der der Bereitstellungslogistik.
- Unsachgemäße Lagerung der Waldhackschnitzel führt sehr schnell zu hohen Verlusten und zu deutlich schlechteren Energiebilanzen.
- Wärmegeführte Heiz(kraft)werke erreichen eine bessere Ökobilanz als stromgeführte. Der Wirkungsgrad der Feuerungsanlage beeinflusst die Ökobilanz sehr viel stärker als die Bereitstellungskette.
- Die Nährstoffverluste im Wald sind auf jeden Fall zu senken. Die Ausbringung von Asche wird derzeit diskutiert. Hinsichtlich der Ökobilanz besteht hier noch Forschungsbedarf.
- Die Bewertung des Nutzungskonfliktes aufgrund einer künftigen Intensivierung ist derzeit mit der Methode der Ökobilanzierung nicht befriedigend zu lösen.
- Die Effekte der Energiesubstitution auf die Kohlenstoffbilanzen sind nach wie vor nicht berücksichtigt.
