Kohlenstoffbilanz von Sperrholz aus einem sozialen Wiederaufforstungsprogramm in Indonesien

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13552 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Soziale Wiederaufforstungsprogramme pflanzen Bäume auf degradierten, unbewirtschafteten Flächen in einkommensschwachen Regionen, um der lokalen Bevölkerung ein Einkommen aus dem Verkauf von Holzprodukten und – im Falle von Agroforstsystemen – dem Anbau von Nahrungsmitteln zu ermöglichen. Für die Mittelbeschaffung ist es von Interesse, nicht nur positive soziale, sondern auch ökologische Auswirkungen nachzuweisen. Der Nachweis negativer Treibhausgasemissionen würde es den Programmen ermöglichen, in den Markt für CO2-Kompensationsprojekte einzutreten und weitere Mittel freizusetzen. In einer Fallstudie wird ein soziales Wiederaufforstungsprogramm in Kalimantan, Indonesien, analysiert. Die Treibhausgasemissionen (gemäß ISO 14067, PAS 2050 und EU ILCD Handbook for LCA) des Hauptprodukts, laminiertes Furnierschnittholz, werden mit 622 und 21 kg CO2-e/m3 kurz- und langfristig (über 100) ermittelt Jahre) Sperrholzverbrauch. Durch die Umstellung auf ligninbasierte Harze und erneuerbaren Strom könnten die Emissionen bei langfristiger Nutzung auf bis zu − 363 kg CO2-e/m3 gesenkt werden. Das analysierte Agroforstsystem produziert heute nahezu CO2-neutrales Sperrholz und könnte mittelfristig klimapositiv sein.

Die Wälder stehen weltweit unter Druck. Die globale Waldfläche ist zwischen 1992 und 2018 um 45 Millionen Hektar zurückgegangen, insbesondere in tropischen Breiten1. Die Entwaldung hat unter anderem negative Auswirkungen auf das lokale und globale Klima, insbesondere durch die Freisetzung von Kohlenstoffvorräten in die Atmosphäre und Veränderungen des Wasserkreislaufs, auf die Artenvielfalt und die Bodenqualität, aber auch auf indigene Völker. Die Entwaldung ist ein komplexes Problem mit einer Vielzahl von Ursachen2, wobei die Ausweitung der Ackerflächen für die Produktion von Nahrungsmitteln, Futtermitteln und flüssigen Biokraftstoffen (z. B. WWF-Bericht3), aber auch die Brennholz- und Holzproduktion die wichtigsten sind. Die schnelle Verschlechterung tropischer landwirtschaftlicher Böden führt bei unsachgemäßer Bewirtschaftung zu Brandrodungen, um neue fruchtbare Böden zu schaffen. Weitere Treiber sind das Bevölkerungswachstum und die damit verbundene Armut, die durch den Klimawandel weiter verschärft wird und zu Ernteausfällen führt.

In vielen Entwicklungs- und Schwellenländern hat die Landbevölkerung oft kaum Möglichkeiten, Einkommen zu erzielen. Die meisten sind Bauern mit kleinen, bewirtschafteten Flächen. Durch die Abholzung der lokalen Urwälder kann zusätzlich zu den angebauten Nahrungsmitteln ein kleines Einkommen erwirtschaftet werden und es werden Anbauflächen geschaffen4.

Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht darin, degradiertes Land der Landbevölkerung für die Agroforstwirtschaft zur Verfügung zu stellen5. Agroforstsysteme können die Nahrungsmittelproduktivität und insgesamt die Nachhaltigkeit der Wälder steigern6. Agroforstwirtschaft hat das Potenzial, das Einkommen von Kleinbauern zu steigern, es bleiben jedoch noch viele Herausforderungen, wie die mangelnde Unterstützung durch Regierungen und der fehlende Zugang zu Finanzmitteln für Investitionen in Saatgut und andere benötigte Güter für Kleinbauern7. Im Allgemeinen tragen Agroforstsysteme zum Einkommen der Landwirte8 bei, auch in Regionen, in denen die Bepflanzung schwierig ist9. Darüber hinaus gehen Agroforstsysteme häufig mit einer Legalisierung der einzigen tolerierten Nutzung staatseigener Wälder durch Kleinbauern einher, indem die Nutzungsrechte offiziell an die lokale Gemeinschaft übertragen werden, was zu einem sozialen und wirtschaftlichen Nutzen für die Einheimischen führt10,11.

Neben den Vorteilen für die Ernährungssicherheit und das Einkommen der Landwirte ergeben sich auch Vorteile für die gesamte lokale Gemeinschaft. Viele lokale Projekte werden in Partnerschaft zwischen der lokalen Bevölkerung, gemeinnützigen Organisationen, der lokalen Regierung und nachgelagerten Industrien durchgeführt, wodurch das Risiko sozialer Konflikte minimiert und gleichzeitig zusätzliche Einnahmen für die lokale Regierung generiert werden12. Race und Sumirat sehen weitere potenzielle Verbesserungen durch die Erhöhung des Sozialkapitals, die sich auch auf andere Sektoren als die Forstwirtschaft erstrecken, wie z. B. Gesundheit, Bildung und Agrarindustrie13. Weitere Informationen zu Potenzialen und Hürden der Agroforstwirtschaft und sozialen Forstwirtschaft in Indonesien finden Sie in den Übersichtsartikeln von Gunawan et al.14 und Rakatama und Pandit15, auch im Hinblick auf soziale und Einkommensaspekte der lokalen Bevölkerung sowie Auswirkungen auf die lokale Gemeinschaft ausführlichen Überblick. Bei den oben beschriebenen Vorteilen für die lokale Bevölkerung handelt es sich in erster Linie um Potenziale, die auch durch eine gute Zusammenarbeit aller Beteiligten realisiert werden müssen.

Soziale Wiederaufforstungsprogramme unterstützen die lokale Bevölkerung bei diesem Prozess, z. B. Fairventure Worldwide (FVW), eine gemeinnützige Organisation mit Sitz in Deutschland, durch den Aufbau von Kapazitäten in der Agroforstwirtschaft unter Berücksichtigung des traditionellen Wissens der Landwirte, die Bereitstellung von Baumsetzlingen und den Aufbau von Lieferketten für höherwertige Holzprodukte und Einrichtung eines Monitorings16. Wälder verringern nicht nur den Druck auf Urwälder, sondern stellen auch eine bedeutende natürliche Kohlenstoffsenke dar17,18 und das Potenzial der Aufforstung und Wiederaufforstung zur Kohlenstoffbindung wird im Jahr 2050 auf 0,5 bis 7 Gt CO2 pro Jahr geschätzt19. Gemeindewälder in Sumatra und Kalimantan, Indonesien, haben nachweislich dazu beigetragen die Verhinderung der Entwaldung20, was sich positiv auf die Eindämmung des Klimawandels auswirkt. Gemeinschaftswälder in Indonesien sind eine Kohlenstoffsenke mit einem Speicherpotenzial von 331 Tonnen C/ha21. Für Organisationen wie FVW kann das Kohlenstoffbindungspotenzial ihrer Wiederaufforstungsprojekte von großer Bedeutung sein, nicht nur wegen der Eindämmung des Klimawandels, sondern auch, weil solche Organisationen auf Spenden angewiesen sind. Eine erwartete oder sogar nachgewiesene CO2-Sequestrierung und die daraus resultierenden positiven Klimaeffekte könnten nicht nur neue Spender anlocken, sondern auch die Teilnahme am Markt für CO2-Kompensationsprojekte mit entsprechenden Zahlungen an die Aufforstungsprogramme ermöglichen. Letzteres hat auch zu Wiederaufforstungs-/Aufforstungsprojekten geführt, die wegen ihrer negativen Auswirkungen auf die lokale Gemeinschaft17, z. B. durch Landraub, auf die Biodiversität, weil oft gebietsfremde Arten und Monokulturen angepflanzt werden, und wegen ihres hohen Anteils nur sehr geringe Sequestrierungspotenziale stark kritisiert werden der Baumsämlinge sterben ab. Darüber hinaus werden relevante Mengen an Kohlenstoff erst nach Jahrzehnten gebunden, wohingegen Zertifikatsinhaber jetzt Treibhausgase (THG) ausstoßen und der Verkauf von Ablässen verhindern könnte, dass Zertifikatsinhaber ihre Emissionen reduzieren.

Es wurden mehrere Standards zur CO2-Bilanzierung entwickelt, z. B.22,23,24. Obwohl sie das gemeinsame Ziel haben, das Treibhauspotenzial (GWP) eines Produkts zu bestimmen, unterscheiden sich die Methoden geringfügig, insbesondere hinsichtlich der Art und Weise, wie biogener Kohlenstoff berücksichtigt wird. Infolgedessen können sich die berechneten CO2-Fußabdrücke (CF) desselben Produkts erheblich unterscheiden (vgl. 64 für einen Vergleich zwischen DIN EN ISO 14067, PAS 2050 (British Standard Institute) und GHG Protocol (WRI/WBCSD)). Die Unterscheidung zwischen fossilem und biogenem Kohlenstoff erscheint trivial, hängt jedoch von mehreren Faktoren ab. Ein Faktor ist die Art des Waldes. ILCD (2010) fordert, Kohlenstoffemissionen aus Urwäldern und Landnutzungsänderungen (LUC) als fossile Kohlenstoffemissionen und Emissionen aus Plantagenwäldern als biogene Emissionen zu zählen66. Weitere Faktoren sind die Kohlenstoffspeicherzeit und die Unterscheidung zwischen direkt im Produkt gespeichertem Kohlenstoff und anderswo, beispielsweise im Boden. Es gibt Ansätze, die zwischen kurz- und langfristiger Speicherung von Kohlenstoff unterscheiden. In der Regel wird ein Bemessungszeitraum von 100 Jahren berücksichtigt. Das Sperrholz in dieser Studie könnte eine Lebensdauer von mehr als 100 Jahren erreichen, wenn es als Strukturelement in kleinen Wohnungen für die Anwohner verwendet würde. Darüber hinaus könnten Emissionen, die nach der Produktionsphase, aber noch im Bewertungszeitraum auftreten, als verzögerte Emissionen berechnet werden. Der Mehrwert einer Ökobilanz durch die Berücksichtigung, dass einige Emissionen später erfolgen, ist umstritten25. Weitere Faktoren sind eine Verlängerung der Zeit bis zur Oxidation des Holzes, z. B. durch Wiederverwendung, Recycling und Kaskadennutzungen, sowie die Substitution energieintensiver Materialien26.

Diese Studie analysiert ein Agroforstprojekt der Organisation Fairventure Worldwide (FVW) in Kalimantan, Indonesien, vgl.27, hinsichtlich seines Kohlenstoffsequestrierungspotenzials. Im Rahmen des Projekts werden schnell wachsende Sengonbaumsetzlinge (Paraserianthes falcataria (L.), auch Albizia genannt, vgl.28) gepflanzt und von den Bauern geerntet. Sengon-Bäume sind an tropisches Klima angepasst, kommen mit nährstoffarmen Böden zurecht und eignen sich für die Agroforstwirtschaft. Sie wachsen schnell und werden typischerweise im Alter von 5–7 Jahren geerntet. Es ist eine wichtige Holzart in der verarbeitenden Industrie Indonesiens und wird häufig in Mischkulturen mit landwirtschaftlichen Nutzpflanzen angebaut29. Sengon-Leichtholz hat eine mittlere Dichte von 317 kg/m3 30 und kann für den Möbel- und Wohnungsbau verwendet werden (vgl. Ziele des Social Reforestation Program27,31). Das Holz weist eine Reihe gesuchter Eigenschaften wie eine hohe E-Modul-Scherfestigkeit und Bruchfestigkeit sowie eine hohe Druckfestigkeit auf, die für Wandelemente im Holzbau wichtig sind32. Derselbe Autor berichtet auch, dass die Bruch- und Zugfestigkeiten im Verhältnis zur Materialdichte überproportional hoch sind und dass das Holz termitenbeständig ist und eine gute Feuerbeständigkeit aufweist. Das Holz wird an örtliche Sägewerke verkauft, wo es zu Sperrholz verarbeitet wird, einem Holzwerkstoffprodukt, das aus mehreren dünnen Holzschichten besteht, die mit Klebstoffen zusammengeklebt werden. Dieses Sperrholz kann von den Einheimischen zum Bau erschwinglicher und nachhaltiger Häuser verwendet werden, kann aber auch auf nationalen und internationalen Märkten verkauft werden. Aktuelle Studien unterstreichen die guten mechanischen Eigenschaften von Furnierschichtholz (LVL) aus Sengon33,34 (LVL ähnelt Sperrholz, mit der Ausnahme, dass bei LVL-Furnieren alle in die gleiche Richtung gestapelt sind, während bei Sperrholz die Furniere ihre Richtung wechseln)35. Obwohl die Klebstoffe wie Phenol-Formaldehyd-Harz nur etwa zwei Massenprozent des Produkts ausmachen, sind sie für einen großen Teil des GWP36 verantwortlich. In einer systematischen Literaturrecherche haben Eisen et al. fanden heraus, dass in den meisten Studien Klebstoffe mit Anteilen an nachwachsenden Rohstoffen in ökologischer Hinsicht genauso gut abschneiden wie solche auf Basis fossiler Brennstoffe oder sogar besser78. Eine erneuerbare Alternative ist Lignin. Es macht etwa 30 % der Lignozellulose-Biomasse37 aus und ist ein Nebenprodukt bei der Papierherstellung und von Lignozellulose-Bioraffinerien. Die chemische Struktur von Lignin, einem Polyphenolpolymer mit Aldehyd-, Alkohol-, Hydroxyl- und phenolischen Hydroxylgruppen, macht es besonders geeignet für die Herstellung eines erneuerbaren Phenolharzes38. Lignin kann Phenol in Phenol-Formaldehyd-Harzen ersetzen (z. B. 39), aber es gibt auch neuartige Klebstoffsysteme aus Lignin (z. B. 40). Mehrere Studien zeigten eine geeignete Leistung von Harzen auf Ligninbasis nach verschiedenen Standards41,42. Zusammenfassend, Sengon Bäume scheinen für die Agroforstwirtschaft auf degradiertem tropischem Land geeignet zu sein, und Sengon-Holz weist eine Reihe gesuchter Eigenschaften auf. Eine offene Frage ist jedoch, ob Wiederaufforstung und Agroforstwirtschaft mit Sengon-Bäumen mit anschließender Produktion von Sperrholz auch klimapositiv sind. Die Hauptforschungsfrage lautet daher: Wie viel Kohlenstoff pro m3 Produkt wird gebunden, wenn Holz aus dem untersuchten sozialen Aufforstungsprogramm in Indonesien in Sperrholz verwendet wird?

mit Unterfragen (Q1–Q3):

F1: Wie groß sind die Treibhausgasemissionen, die bei der Wiederaufforstung und der Produktion von Sperrholz entstehen?

F2: Wie wirkt sich die Verwendung unterschiedlicher Kohlenstoffbilanzierungsstandards und Nutzungsphasenszenarien auf die Bewertung der biogenen Kohlenstoffbindung aus?

F3: Welches Potenzial besteht darin, Klebstoffe auf fossiler Basis durch Klebstoffe auf Ligninbasis zur Kohlenstoffbindung zu ersetzen?

Eine Ökobilanz (LCA) von der Wiege bis zum Werkstor gemäß ISO 1404043 und 1404444 wird anhand primärer FVW-Daten der Wiederaufforstung und Sperrholzproduktion in Kalimantan durchgeführt (Abb. 1). Diese Ökobilanz von der Wiege bis zum Werkstor wird durch vorübergehend gespeicherten Kohlenstoff in den Sperrholzprodukten unter Verwendung der Kohlenstoffbilanzierungsstandards ISO 14067 und PAS 2050/ILCD ergänzt. Analysiert werden sowohl die Kurz- als auch die Langzeitlagerung in Möbeln bzw. Holzrahmen im Hausbau. Abschließend werden die Auswirkungen des Ersatzes aktueller Harze auf fossiler Basis durch Harze auf Ligninbasis anhand von Literaturdaten analysiert.

Struktur der Analyse mit Forschungsfragen Q1 bis Q3.

Ziel der Cradle-to-Gate-Ökobilanz ist es, Prozesse mit den höchsten Auswirkungen auf Treibhausgasemissionen zu identifizieren, Verbesserungspotenziale zu identifizieren und Daten für die anschließende Kohlenstoffspeicheranalyse bereitzustellen. Berücksichtigt werden lediglich die Phasen Aufforstung und Holzeinschlag, Transport von Holzstämmen und Sperrholzherstellung (Abb. 2). Als deklarierte Einheit wird 1 m3 verpacktes Sperrholz verwendet (anstelle einer Funktionseinheit gemäß ISO 14040/44 wird eine deklarierte Einheit gemäß ISO 14067 verwendet. Dies ermöglicht direkte Vergleiche mit anderen THG-Studien zu Sperrholz.) Der betrachtete Zeitraum ist die Pflanzsaison 2019/2020.

Systemgrenze des Cradle-to-Gate-Ökobilanzmodells.

Für die Aufforstungs- und Abholzungsphase wurden Primärdaten aus dem fairventures-Projekt verwendet, die von der FVW als persönliche Mitteilung zur Verfügung gestellt wurden. Die Daten zum Transport von Rundholz und zur Sperrholzherstellung stammen von drei Sperrholzherstellern (Sägewerken) in Zentral-Java, die auch Sengon-Stämme aus dem Fairventures-Projekt verarbeiten. Die Ökobilanz wurde mit Umberto LCA +45 unter Verwendung der ecoinvent 3.5-Datenbank46 modelliert.

Sengon-Setzlinge werden in Polyethylen-Polybeuteln in einem Medium aus Mutterboden, Kompost, Kokosnuss, Reishülsen und Ton in einer Baumschule in Kalimantan gezüchtet. Als Dünger werden NPK-16-16-16, herbagreen® Z20 (vgl. 47) und herbagreen® Protect F, beides Blattdünger (vgl. 48), verwendet. Die herabagreen®-Produkte wurden abgeschnitten. Maschinen zum Mischen der Wachstumsmedien und Wasserpumpen werden mit Diesel betrieben. Nach 9 Wochen Wachstum werden die Setzlinge mit einem Pickup zur Plantage transportiert, wobei der Dieselverbrauch im LCI-Modell (Lifecycle Inventory) berücksichtigt wird. Vor der Pflanzung wird das Land mit Motorsensen gerodet und mit einer Erdbohrmaschine Pflanzlöcher vorbereitet. Die gepflanzten Bäume werden mit NPK, Dolomit, Pflanzenkohle, Kompost und Hühnermist gedüngt. Für ein besseres Wachstum wird der Boden mehrfach mit Motorsensen gejätet. Vor der endgültigen Ernte werden die Sengon-Bäume zweimal mit Motorsägen ausgedünnt, wobei der Benzin- und Schmierölverbrauch modelliert wird. Die Ernte wird von Traktoren mit Seilwinde unterstützt, die Diesel verbrauchen. Die Stämme werden von Kalimantan zu drei Sperrholzsägewerken in Zentral-Java transportiert. Die durchschnittliche Entfernung von den Plantagen zu diesen Mühlen beträgt 591 km.

Da in den drei Sägewerken auch andere Holzprodukte hergestellt werden, wurden Strom, Brenngas und andere Materialien physisch der Sengon-Sperrholzproduktion zugeordnet. Für die Ökobilanz wurde das arithmetische Mittel aller drei Sägewerke verwendet. Einen detaillierten Überblick über die typischen Produktionsschritte bietet Hughes35. Alle drei Sägewerke verwenden Harnstoff-Formaldehyd- (UF) und Melamin-Formaldehyd-Harze (MF). Die Härter wurden abgeschnitten. Das Sengon-Sperrholz ist mit Papier, Pappe, Plastikfolie, Plastikschnüren und Ecken verpackt, wofür Literaturdaten von Rüter und Diedrichs49 verwendet wurden.

Der gespeicherte Kohlenstoff wird nach Gl. berechnet. (1):

Gleichung (1): Mögliche Kohlendioxidemissionen durch Oxidation von gespeichertem biogenem Kohlenstoff in Holzprodukten gemäß DIN EN 1644950.

PCO2 sind potenzielle Kohlendioxidemissionen eines Holzprodukts aufgrund von Oxidation, cf ist der Kohlenstoffgehalt in der trockenen Biomasse (ein Standardwert von 0,5 wurde verwendet), ω die verbleibende Feuchtigkeit im Produkt (8–12 Prozent für Sengon-Holz51), ρω die Rohdichte von Holz (350 kg/m3 ± 10 % für Sengon-Holz51), Vω Produktvolumina bei Feuchtigkeit ω, angepasst an die Funktionseinheit 1 m3. Die veröffentlichten Werte für Feuchtigkeit und Rohdichte von Sengon-Holz variieren erheblich (Tabelle 1). Die entsprechenden Werte für PCO2 berechnet nach Gl. (1) reichen von 421,94 bis 916,81 kg CO2/m3 mit einem arithmetischen Mittel von 669,38 kg CO2/m3. Für Sperrholz verwenden die drei Sengon-Sperrholzfabriken durchschnittlich 10,13 Prozent Harz pro m3 Sperrholz. Dies führt zu einer Kohlendioxidaufnahme von 602 kg CO2 pro m3 Sengon-Sperrholz.

Biogener Kohlenstoff und Emissionen, die entstehen, wenn ein Produkt nach seiner Nutzungsphase oxidiert wird (sogenannte verzögerte Emissionen), werden in den Kohlenstoffbilanzierungs- und LCA-Standards ISO 14067, PAS 2050 und ILCD unterschiedlich berücksichtigt. ISO 14067 verlangt, den im Produkt gespeicherten Kohlenstoff separat zu melden und alle biogenen Treibhausgasemissionen einzubeziehen22. Folglich müssen auch die Treibhausgasemissionen einbezogen werden, die bei der Holzverbrennung während der Produktion entstehen. Da es sich bei dem betrachteten System jedoch um ein Wiederaufforstungsprojekt auf degradiertem Land handelt, d. h. Holzkohlenstoff erst wenige Jahre vor seiner Freisetzung fixiert wurde und keine zusätzlichen Treibhausgasemissionen aufgrund von Landnutzungsänderungen zu erwarten sind, würden die Treibhausgasemissionen verzerrt sein. Gemäß PAS 2050 können Kohlenstoffspeicherung und verzögerte Emissionen in der CF-Berechnung berücksichtigt werden (vgl. 23 Anhang E). PAS 2050 und ILCD sind hier deckungsgleich. Wenn Kohlenstoff mindestens 100 Jahre lang gespeichert wird, gilt er als nicht freigesetzt. Daher werden in dieser Studie zwei Szenarien betrachtet: i) Sperrholz wird für Möbel oder als nichttragendes Baumaterial mit einer relativ kurzen Lebensdauer (definitiv weniger als 100 Jahre) verwendet und ii) Sperrholz wird als tragendes Baumaterial verwendet und bleibt nicht oxidiert seit mehr als 100 Jahren. Im ersten Fall wird davon ausgegangen, dass die Materialien thermisch verwertet werden, sodass der im Holz gebundene Kohlenstoff in den 100 Jahren wieder abgegeben wird. Gemäß den oben genannten Standards wird diese Emission direkt verbucht und es wird keine Gutschrift für verzögerte Emissionen gewährt. In der Realität würde man eine Mischung aus langfristiger und kurzfristiger Sperrholznutzung und einen CF erwarten, der zwischen den beiden Extremen liegt.

Während die Treibhausgasemissionen der fossilbasierten MF- und UF-Klebstoffe mithilfe von Primärdaten der örtlichen Sägewerke über die verwendeten Mischungen und Ecoinvent-Daten für deren Herstellung modelliert wurden, wurden für Lignin-basierte Klebstoffe LCA-Daten von Perederic et al.55, Arias et al. 41 und Lettner et al.54 wurden verwendet. Die LCA-Ergebnisse wurden auf 101,3 kg Harz als Referenzfluss umgerechnet, die Masse, die für einen m3 Sperrholz benötigt wird. Abbildung 3 zeigt die großen Bandbreiten und Unterschiede (92,2 kg CO2-e/m3 in 54, 1574,2 kg CO2-e/m3 in41) in den Studien. Diese ergeben sich aus verschiedenen bewerteten Ligninarten (Kraft-Lignin und Organosolv-Lignin), Unterschieden in Harzmischungen und Systemgrenzen. In den jeweiligen Studien wurden arithmetische Mittelwerte über alle Harzmischungen berechnet. Während alle Harzsysteme in Perederic et al.55 etwas besser abschneiden als die fossile Basismischung, zeigen die Mischungen in Arias et al.41 und Lettner et al.54 größere Bereiche und die in Arias et al.41 deutlich höhere GWP-Werte .

Berechnetes GWP von Harz auf fossiler Basis (Basismischung) im Vergleich zu GWP-Werten von Harzen auf Ligninbasis in der Literatur (alle Daten für 1 m3 Sperrholz).

Die oben genannten Harze unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihres GWP, sondern auch in ihren technischen Eigenschaften. Das glyoxalierte Lignin aus41 wurde in Kombination mit Tannin und Hexamin in dreischichtigem Sperrholz getestet. Sperrholzplatten aus Kiefer und Eiche sowie aus Buche erfüllen die Standardanforderungen für den Innenbereich40. Lettner et al. Verweisen Sie nicht auf Veröffentlichungen, in denen die Verwendung der beiden aus modifizierten Ligninen hergestellten Klebstoffe für Sperrholz beschrieben wird. Die dreischichtigen Sperrholzplatten in Kouisni et al.56 bestehen jedoch ebenfalls aus Klebstoffen, bei denen Phenol durch Kraftlignin ersetzt wurde. Tests nach kanadischen Standards ergaben, dass nicht mehr als 30 Prozent des Phenols durch Lignin ersetzt werden sollten56. Perederic et al.55 untersuchten Organosolv-Ligninharze mit einem Gewichtsanteil von Lignin zu Phenol von 0:1 für Phenolformaldehyd (PF), 2:3 für ligninbasiertes Phenolformaldehyd (LPF) und 1:0 für Ligninformaldehyd (LF). ) Harz in einer Cradle-to-Gate-Studie. Es wurden keine mechanischen Tests zur Stabilität und Normkonformität der Harze durchgeführt. Allerdings sind die Klebstoffe mit denen von Tachon et al.42 vergleichbar, die nach Aussage dieser Autoren die Anforderungen für die Verwendung in Innenräumen gemäß der Norm NF EN 314–1 erfüllen.

Somit lässt sich für die Lignin-basierten Klebstoffe zusammenfassen, dass mit diesen Klebstoffen hergestelltes Sperrholz zumindest für die Verwendung in Innenräumen, z. B. für Gebäudestrukturen, geeignet ist, obwohl die Wasserbeständigkeit biobasierter Klebstoffe weiterhin eine Herausforderung darstellt57.

Die THG-Emissionen von Sperrholz bis zum Werkstor belaufen sich auf 622 kg CO2-e/m3. Die Treibhausgasemissionen der Wiederaufforstung sind im Vergleich zu denen des Holztransports und der Sperrholzproduktion vernachlässigbar (Abb. 4). Während 18 % der gesamten Treibhausgasemissionen auf die Stromerzeugung bei der Sperrholzproduktion und 21 % auf den Transport von Rundholz zurückzuführen sind, sind 59 % auf die Herstellung und Anwendung von Harzen zurückzuführen.

Ökobilanz von der Wiege bis zum Werkstor: GWP-Ergebnisse (100 Jahre) für Sperrholz aus dem FVW-Programm zur sozialen Wiederaufforstung (MF für Melamin-Formaldehyd und UF für Harnstoff-Formaldehyd-Harze).

Die Verwendung von Sperrholz für Möbel oder als nichttragendes Baumaterial mit einer kürzeren Lebensdauer als 100 Jahre (Szenario eins) führt gemäß den Normen ISO 14067, PAS 2050 und ILCD zu Treibhausgasemissionen von 622 kg CO2-e/m3. Bei langfristiger Kohlenstoffspeicherung in strukturellen Baumaterialien (Szenario zwei) wird das GWP – wenn PAS 2050 oder ILCD befolgt werden – um den über 100 Jahre gespeicherten Kohlenstoff reduziert, was zu einem CF von nur 21 kg CO2-e/m3 führt . Beachten Sie, dass diese Reduzierung nicht gewährt worden wäre, wenn das Sperrholz aus einem Urwald stammte. Abhängig vom Anteil zwischen Sperrholzverwendung in Produkten mit kurzer und langer (über 100 Jahre) Lebensdauer variiert der CF zwischen 622 kg CO2-e/m3a (nur Verwendung in Produkten mit kurzer Lebensdauer) und 22 kg CO2-e/m3 (nur). Verwendung in Produkten mit > 100 Jahren Lebensdauer).

Die Auswirkung, die eine Substitution des fossilbasierten Klebstoffs durch andere Lignin-basierte Klebstoffe auf das GWP hätte, ist in Abb. 5 für das Szenario mit Langzeitlagerung (> 100 Jahre) in Produkten dargestellt. Um die Streuung darzustellen, werden nur Ligninharze mit dem niedrigsten und höchsten GWP dargestellt. Die letzten beiden Balken rechts zeigen, dass eine Umstellung des aktuellen Strommixes in Indonesien auf einen auf erneuerbaren Energien basierenden Strommix das GWP um 110 kg CO2-e/m3 reduzieren könnte.

GWP von Sperrholzsystemen (nur Systeme mit Produktlebensdauer > 100 Jahre) mit Klebstoffen auf fossiler Basis (aktuelles System/Basislinie) und Substitution durch Klebstoffe auf Ligninbasis gemäß den Standards ISO 14067 und PAS 2050/ILCD, alle Systeme mit indonesischem Strommix, mit Ausnahme der Anlage rechts, für die erneuerbarer Strom angenommen wurde.

Die Ergebnisse der Cradle-to-Gate-Ökobilanz zeigen, dass unabhängig von den angewandten CO2-Bilanzierungsstandards geringe positive Netto-THG-Emissionen entstehen, wenn Holz aus dem FVW-Programm zur sozialen Aufforstung in Indonesien in Sperrholz mit einer Lebensdauer von über 100 Jahren verwendet wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der Unsicherheiten einige Kohlenstoffsenken, wie z. B. der Aufbau organischer Bodensubstanz in der Agroforstwirtschaft, nicht berücksichtigt werden. Shi et al.58 zeigen in ihrer Metaanalyse, dass in Agroforstsystemen deutlich mehr Kohlenstoff in Böden gespeichert wird als in gewöhnlichen Ackerflächen. Agroforstwirtschaft kann sich auch positiv auf die Bodenqualität degradierter Flächen auswirken5,58. Eine zusätzliche manuelle Berücksichtigung von Landnutzungsänderungen ist nicht trivial und könnte aufgrund von LCI-Datensätzen, in denen LUC bereits enthalten ist, zu Doppelzählungen führen59. Darüber hinaus wurden in der Ökobilanz materielle Substitutionseffekte vernachlässigt. Das zusätzliche Angebot an Sperrholz wird andere Materialien zumindest teilweise ersetzen. Ein Teil des Angebots könnte auch eine zusätzliche Nachfrage auslösen. Insbesondere im Bausektor können durch den Einsatz biobasierter Materialien anstelle emissionsintensiver Materialien wie Zement große Mengen an Treibhausgasen60 eingespart werden. Darüber hinaus wurden Nebenprodukte der Furnier- und Sperrholzproduktion wie Sägemehl und Holzschnitt zur Wärme- und Stromerzeugung verbrannt. Wenn Wärme und Strom die Verbrennung fossiler Brennstoffe außerhalb der LCA-Systemgrenze ersetzen, könnte hierfür eine Anrechnung erfolgen25. In der Fallstudie wurde jedoch ein konservativer Ansatz gewählt und es wurden keine Credits vergeben. Insgesamt ist das berechnete GWP für Sengon-Sperrholz mit 622 CO2-e/m3 ähnlich groß wie das von Meranti-Sperrholz mit einer Spanne von 329 bis 592 kg CO2-e/m3 aus indonesischer und malaysischer Produktion mit einem arithmetischen Mittel von 446 kg CO2 -e/m3 36. Im Vergleich zur Herstellung von Sperrholz mit UF-Harz in Deutschland, die laut Rüter und Diedrichs49 für die Produktions- und Transportphase nur Emissionen von 266 kg CO2-e/m3 aufweist, sind die Emissionen sehr hoch. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass der deutsche Strommix einen deutlich höheren Anteil erneuerbarer Energien enthält (~ 40 %)61 im Vergleich zu Indonesien (~ 6 %)62. Zur Berechnung des im Holz gespeicherten Kohlenstoffs werden Literaturdaten zur Dichte von Sengon-Holz herangezogen. Die Dichten liegen zwischen 230 und 500 kg/m3. Einen besonderen Einfluss hat die Dichte auf die Berechnung der THG-Emissionen in Abb. 5 (siehe Fehlerbalken), da hier in die nach PAS 2050/ILCD berechneten Emissionen auch biogene Emissionen und die Speicherung im Produkt einfließen.

Ein Problem mit biogenen Kohlenstoffemissionen in der Ökobilanz und Kohlenstoffbilanzierung besteht darin, dass es keinen wissenschaftlichen Konsens darüber gibt, wie damit umgegangen werden soll63. Dies gilt insbesondere für temporär gespeicherten biogenen Kohlenstoff64. Hoxha et al.65 empfehlen eine dynamische biogene Kohlenstoffbilanzierung, die dem ILCD-Handbuch66 entspricht. Der Nachteil der dynamischen Rechnungslegung ist die erhöhte Komplexität und eingeschränkte Anwendbarkeit dieser Studie. Da sich das untersuchte Projekt noch in einem frühen Stadium befindet, fehlen Informationen über die Zukunft des produzierten Sperrholzes. Folglich wurden zwei Szenarien für die Nutzungsphase des Sperrholzes entwickelt: i) Verwendung von Sperrholz in Möbeln und ii) Verwendung für strukturelle Wohnelemente. Darüber hinaus ist eine Kaskadennutzung von Holz möglich und würde die Ökobilanzergebnisse beeinflussen (z. B. 67). Allerdings ist das Recycling von Sperrholz aufgrund der UF-Harze68 immer noch anspruchsvoll, und noch mehr, wenn das Holz mit Baumaterialien und Holzschutzmitteln verunreinigt ist69.

Die Mischung aus UF- und MF-Harzen auf fossiler Basis ist für einen großen Teil der Treibhausgasemissionen des Sperrholzes verantwortlich. Bushi et al.70 führten eine Ökobilanz für nordamerikanische Harze für die Holzverarbeitung durch und stellten fest, dass die Gewinnung der Rohstoffe und die vorgelagerten Prozesse den mit Abstand größten Anteil der Treibhausgasemissionen verursachen, 91 % für UF und 92 % für MUF. Aber ligninbasierte Klebstoffe werden bereits industriell eingesetzt, beispielsweise vom Sperrholzhersteller Latvijas Finieris. Laut Sperrholzhandbuch71 stellt das Unternehmen verschiedene Birkensperrholzplatten her, von denen eine, eine beidseitig geschliffene Birkensperrholzplatte, bei Verleimung mit ligninbasiertem Kleber auch die Anforderungen an die Verklebungsqualität der EN 314-272 erfüllt und im Innen- und Außenbereich eingesetzt werden kann im Freien, zum Beispiel für Transport, Verpackung und Kinderspielzeug73. Die Harzsubstitution durch ligninbasierte Harze ist im Projektgebiet in Indonesien noch nicht umgesetzt und wird daher anhand von Literaturdaten modelliert. Um die Wertschöpfungskette möglichst lokal umzusetzen und Emissionen durch lange Transportwege zu vermeiden, sollte Lignin auch regional produziert werden. Für die Ligninproduktion in Südostasien wird heute von einem Technology Readiness Level (TRL) von 4 ausgegangen74. Eine weitere Einschränkung bei der Verwendung von Harzen auf Ligninbasis sind ihre höheren Kosten im Vergleich zu Harzen auf fossiler Basis. Sowohl Kosten als auch Leistung korrelieren stark positiv mit der Anzahl der Modifikationen und der Funktionalisierung von Lignin75. Gleichzeitig sind unmodifizierte Lignine nicht für den Einsatz in Holzklebstoffen geeignet76. Es handelt sich also um einen typischen Kompromiss zwischen Eigenschaften und Kosten. Es ist jedoch davon auszugehen, dass aufgrund steigender Preise für Treibhausgasemissionen sowie Förderprogrammen für den Einsatz nachwachsender Rohstoffe und des allgemeinen technischen Fortschritts im Bereich biobasierter Chemikalien die Kosten für Lignin-basierte Klebstoffe steigen können mittel- bis langfristig mit fossilen Klebstoffen Schritt halten.

Ein soziales Wiederaufforstungsprogramm in Kalimantan, Indonesien, hilft ländlichen Landwirten dabei, auf degradierten, unbewirtschafteten Böden ein Agroforstsystem aufzubauen, damit sich die lokale Bevölkerung mit Nahrungsmitteln und Einkommen aus dem Verkauf von Holz versorgen kann. Sechs Jahre nach der Pflanzung werden die Bäume geerntet und an Sägewerke in Kalimantan und Java verkauft. Das Hauptprodukt dieser Sengon-Stämme ist Sperrholz.

Um zu bewerten, ob Kohlenstoff auf diese Weise gebunden werden kann, wurde das GWP der Holzproduktion anhand von Primärdaten aus den Wiederaufforstungs- und Abholzungsprozessen sowie der Sperrholzproduktion bestimmt. Dabei wurden Daten verwendet, die im Rahmen einer Umfrage bei drei Sägewerken gesammelt wurden, die Sengon-Stämme zu Sperrholz verarbeiten. Die gesamten Treibhausgasemissionen belaufen sich auf 622 kg CO2-e/m3 Sperrholz, wovon 59 % auf die Herstellung und Anwendung von Harzen zurückzuführen sind. In einer Szenarioanalyse wurden die Auswirkungen der biogenen Kohlenstoffspeicherung in Sperrholzprodukten auf das GWP bewertet. Nach den CO2-Bilanzierungsnormen ISO 14067, PAS 2050 und ILCD ändert sich das GWP von 622 kg CO2-e/ nicht durch eine Lagerzeit unter 100 Jahren, für die beispielsweise die Nutzung von Möbeln oder nichttragenden Gebäudeteilen dienen könnte. m3. Wenn Sperrholz jedoch länger als 100 Jahre nicht oxidiert bleibt, was der Fall sein könnte, wenn Sperrholz als Strukturelement im Bauwesen verwendet wird, verringert sich der GWP auf 21 kg CO2-e/m3. Das eine oder andere GWP muss je nach Anwendungsfall mit dem GWP anderer Materialien verglichen werden, die durch das Sperrholz ersetzt würden, wie z. B. Kunststoffe, Beton oder Stahl.

Der starke Einfluss der fossilbasierten Harze auf das gesamte GWP war Ausgangspunkt für eine Literaturrecherche, um geeignete Alternativen zu identifizieren. Da Lignin das zweithäufigste Biopolymer in der Natur ist und aus den Holzresten der Sengon-Holzproduktion gewonnen werden könnte und gleichzeitig aufgrund seiner chemischen Struktur als Polyphenolpolymer dem weit verbreiteten Phenolharz ähnelt, gelten aktuelle Ökobilanzen von Ligninharz Produktion wurden ausgewertet. Die ligninbasierten Klebstoffe unterscheiden sich nicht nur in ihren technischen Eigenschaften, sondern auch in ihrem GWP. Tatsächlich ergeben sich große Unterschiede durch unterschiedliche Klebstoffzusammensetzungen und Herstellungsverfahren. Wenn der höchste gemeldete Wert für ligninbasierte Klebstoffe41 herangezogen würde, würde sich das GWP von 622 kg CO2-e/m3 auf 1831 kg CO2/m3 fast verdreifachen, während sich das GWP für den niedrigsten gemeldeten Wert54 auf 349 kg CO2-e fast halbieren würde /m3. Würde das Sperrholz länger als 100 Jahre nicht oxidiert bleiben und PAS 2050 als CO2-Bilanzierungsstandard angewendet werden, würde das GWP mit − 252 kg CO2/m3 sogar stark negativ ausfallen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das derzeit im Rahmen des Wiederaufforstungsprogramms produzierte Sperrholz wahrscheinlich keinen Sequestrierungseffekt hat, es sei denn, daraus werden langlebige Produkte mit einer Lebensdauer von mehr als 100 Jahren hergestellt. Beachten Sie, dass der Aufbau organischer Bodensubstanz und die damit verbundene Kohlenstoffbindung hier aufgrund fehlender Daten vernachlässigt wurden. Verbesserungspotenzial besteht bei der Umstellung auf Strom aus erneuerbaren Energien in der Sperrholzproduktion. Dies allein könnte das GWP von Sperrholz um etwa 110 kg CO2/m3 senken, also um ein Sechstel im Fall von Klebstoffen auf fossiler Basis und ein Drittel im Fall des Klebstoffs auf Ligninbasis mit dem niedrigsten GWP. Bei der Betrachtung der reinen GWP-Werte sollte man zudem bedenken, dass bereits die Lagerung über einige Jahrzehnte einen Beitrag zum Klimaschutz leistet, auch wenn sie nach den Standards der CO2-Bilanzierung nicht anrechenbar ist. Darüber hinaus verringert die Produktion von Sperrholz und Nahrungsmitteln auf bisher unbewirtschaftetem Land den Druck auf Urwälder und damit auch die Entwaldung. Die Entwaldung kann einen starken Einfluss auf das GWP eines Produkts haben, wie Nguyen et al77 zeigen, die berichten, dass das GWP von Rindfleisch aus Brasilien um den Faktor 3,1 bis 3,9 höher ist, wenn Landnutzungsänderungen berücksichtigt und über 20 Jahre abgeschrieben werden. Methodisch würde eine solche Analyse eine konsequente Ökobilanz erfordern und ist ein Thema für weitere Forschung.

Zukünftige Forschungen sollten auch die technische und ökologische Leistung von Sengon-Sperrholz mit Lignin-basierten Klebstoffen und seine Anwendungsbereiche untersuchen. Darüber hinaus müssen die Auswirkungen auf die Emissionen anderer Treibhausgasemissionen als CO2, z. B. N2O oder CH4 aus unbebautem Land im Vergleich zu Land mit Agroforstwirtschaft, bewertet werden. Schließlich müssen die langfristigen Auswirkungen der Agroforstwirtschaft mit Sengon-Plantagen sowie die Stabilität des Systems bewertet werden. Insgesamt wird erwartet, dass das Programm zur sozialen Wiederaufforstung eine Reihe von Vorteilen für die lokale Gemeinschaft mit sich bringt und mittelfristig zusätzlich zur Eindämmung des Klimawandels beitragen kann.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich, sofern keine Urheberrechte verletzt werden.

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Fachbereich Wirtschaftschemie, Universität Ulm, Helmholtzstr. 18, 89081, Ulm, Deutschland

Daniel Philipp Müller & Michael Hiete

Studiengang Nachhaltige Unternehmensführung, Universität Ulm, Helmholtzstr. 18, 89081, Ulm, Deutschland

Nadine Szemkus

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DPM: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Visualisierung, formale Analyse, Schreiben – Originalentwurf. NS: Übersicht über Sägewerke in Indonesien. MH: Aufsicht, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Daniel Philipp Müller.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Müller, DP, Szemkus, N. & Hiete, M. Kohlenstoffbilanz von Sperrholz aus einem sozialen Wiederaufforstungsprogramm in Indonesien. Sci Rep 13, 13552 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40580-0

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Eingegangen: 29. März 2023

Angenommen: 13. August 2023

Veröffentlicht: 20. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40580-0

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