Autos als Kohlenstoffsenken

Eine Druckversion des Artikels kann unter diesem Link heruntergeladen werden.

Kohlenstoff erhaltende Waldholznutzung

Der europäische Wald ist insbesondere durch den Klimawandel stark gefährdet. Allein in den beiden Jahren 2018 und 2019 gingen in Deutschland über 150 Millionen Kubikmeter Holz durch Borkenkäfer- und Sturmschäden verloren. Die beim Verrotten des Holzes freigesetzte Menge an biologisch gebundenen Kohlenstoff entspricht etwa 10% der jährlichen CO₂-Emissionen Deutschlands. Um die Schäden zu kompensieren, müssen Millionen neue Bäume gepflanzt werden. Doch neben der zweifellos wichtigen Aufgabe, neue Wälder anzulegen und Lücken zu schließen, wird es zur immer wichtigeren nationalen Aufgabe, die vorhandenen Wälder zu schützen und Kohlenstoff erhaltende Holznutzungen zu entwickeln.

Fällt man einen Baum und nutzt das gesamte Holz des Baumes, um daraus ein Material zu gewinnen, in dem der vom Baum aufgenommene Kohlenstoff langfristig gespeichert bleibt  (z.B. einen Dachbalken, einen Schiffscontainer aus komprimiertem Holz oder Pflanzenkohle), und wächst während dieser Zeit der Holznutzung an der gleichen Stelle im Wald ein Baum nach, so hat man schließlich die doppelte Menge CO₂ aus der Atmosphäre entzogen (der Kohlenstoff im neu herangewachsenen Baum plus der Kohlenstoff im Baumaterial, das aus dem gefällten Baum gewonnen wurde). Wird das Baumholz jedoch nicht als Industriematerial genutzt, sondern verbrannt oder man lässt es im Wald verrotten, so ist die Kohlenstoff-Bilanz im günstigsten Fall neutral. Dies aber erst nach ungefähr 70 Jahren, wenn der gefällte, gehäckselte und verbrannte Baum wieder nachgewachsen ist.

Nur wenn der Kohlenstoff, den der Wald durch die Bäume der Atmosphäre entzogen hat, dauerhaft in Materialien oder als Pflanzenkohle im Boden gespeichert wird, kann der Wald das Potential seiner Klimadienstleistung (C-Senkenleistung) voll ausschöpfen. Daher müssen dringend und rasch neue Holznutzungsformen entwickelt und industriell skaliert werden. Um das derzeitige und künftig zu erwartende Schadholz in einer Weise zu nutzen, die verhindert, dass es zu massiven Quellen neuer Treibhausgasemissionen wird, muss es dem Wald entzogen und in dauerhafte Industrieprodukte transformiert werden.

Auch wenn das Verbrennen von Biomasse zur Gewinnung von Strom und Wärme staatlich gefördert wird, weil es als erneuerbare Energie eingestuft wird, so zerstört doch jede Verbrennung einen natürlichen Kohlenstoffspeicher. Für das Klima ist das Verbrennen von Baum- und Strauchholz grundsätzlich erst einmal ebenso schädlich wie das Verbrennen fossiler Bodenschätze (Searchinger et al., 2018). Zur Rettung des Klimas sollte nicht nur das Verbrennen fossilen Kohlenstoffs, sondern ebenso das Verbrennen von Biomasse (ohne CCS) unterbunden werden, um die Biomasse stattdessen für den Aufbau von Kohlenstoffsenken in Form von Materialien zu verwenden.

Holz ist nicht nur ein Kohlenstoffspeicher, sondern eines der nobelsten und vielfältig nutzbarsten Rohstoffe der Erde. Im Grunde lässt sich aus Holz quasi alles herstellen, was bisher der Petrochemie (Erdöl basierte Chemie) vorbehalten war, sei es Plastik, Pharmaka, Kautschuk oder Batterien. Mit der neuen Technologie der Holzkomprimierung können Holzmaterialien nun auch Stahl, Beton, Kohlefaserverbundstoffe und sogar Glas ersetzen.

Komprimiertes Holz ist fester und stabiler als Stahl

Eine neue technische Methode erlaubt es, Holz so zu verdichten, dass sich beliebig formbare Bauteile herstellen lassen, welche eine höhere Druck- und Biegefestigkeit aufweisen als Titanstahl und Kohlefaserverbundstoffe (Song et al., 2018). Bei dem Prozess werden Holzbretter zunächst in einer alkalischen Lösung (z.B. NaOH – Na₂SO₃) gekocht, wobei über die Hälfte der Hemizellulose und des Lignins aus dem Holz herausgelöst werden. Übrig bleiben Zellulose-Nanofasern, die sich sodann komprimieren lassen. Durch das Verdichten der Zellulosefasern entstehen zwischen den Molekülketten der Zellulose Wasserstoffbindungen, wodurch die Zellulosefasern einen extrem festen Verbund untereinander eingehen. Nachdem das Holz also in der ungiftigen Lösung gekocht wurde, wird es in eine entsprechende Bauteilform gelegt und unter Dampfeinfluss bei 100°C mit etwa 5 MPa (50 Atmosphären) komprimiert. Das Volumen des Holzes schrumpft dabei um das etwa Fünffache.

Das komprimierte Holz ist ein extrem dichtes, stabiles, kratzfestes, wasserabweisendes Material. Bei geeigneter Lackierung nimmt das komprimierte Holz kein Wasser auf, so dass es auch zu keiner mechanischen Verformung kommt. Das komprimierte Holz ist korrosionsbeständig  und  ein guter Wärmeisolator.   Das Material hat neben der deutlich höheren Festigkeit und des weitaus geringeren spezifischen Gewichts weitere wesentliche Vorteile gegenüber den üblicherweise verwendeten Metallblechen im Karosseriebau.

Die Materialeigenschaften und Festigkeiten des komprimierten Holzes würden es ermöglichen, dass sowohl  Karosseriebleche von Autos und deren Innenverkleidung als auch das Fahrgestell und sogar  die Felgen aus diesem biologischen Material hergestellt werden könnten.

Als Ausgangsmaterial für komprimiertes Holz kann Buche ebenso wie Fichte, Pappel oder jedes andere Stammholz des globalen Waldes verwendet werden (Song et al., 2018).

Nutzung der Holzabfälle

Borke, Sägespäne und Verschnittholz, die bei der Verarbeitung der Bäume für die zu komprimierenden Holzplatten anfallen, können pyrolysiert werden. Bei diesem Prozess entsteht Pflanzenkohle und Pyrolyseöl (Schmidt et al., 2018). Die Pflanzenkohle könnte feingemahlen als 2-5%iger Zusatz in die Textilien der Innenausstattung von Autos eingewebt werden,  was ein angenehmes Innenklima begünstigt. Pflanzenkohle und Pyrolyseöl könnten aber ebenso auch im Straßenbau als Asphaltzusatz verwendet werden, wobei der Kohlenstoff, der ursprünglich vom Baum aus der Atmosphäre entzogen worden war, viele Jahrhunderte stabil im terrestrischen System gebunden bliebe.

Die ausgekochte Hemizellulose könnte zur Herstellung von Nylon oder Treibstoffen, und das Lignin z.B. zur Kunststoffherstellung verwendet werden.

Das Auto als fahrende Kohlenstoffsenke

Um das enorme Potential von Holz abzurufen, braucht es industrielle Vorreiter, die die Chance holzbasierter (Kohlenstoff speichernder) Materialien erkennen und als Marktvorteil nutzen. Ein Autohersteller zum Beispiel, der bereit ist mit den Konventionen von Stahl und Plastik zu brechen, könnte mehr noch als mit dem simplen Wechsel von Benziner auf Stromer die Fahrzeugkultur der Zukunft gestalten und zugleich ein enormes Marketingpotential aufbauen.

Für die Herstellung eines Autos  werden je nach Größe, Bauart und Schönrechnung zwischen 5 und 10 t CO₂ emittiert. Würde man das Auto vom Fahrgestell über die Karosserie bis zur Innenausstattung mit biogenen Materialien bauen, könnte bei einem Leergewicht von 1.5 t und unter Abzug der nicht biogenen Materialien (Motoren) sowie des Aufwandes zur Materialbereitstellung eine Kohlenstoffsenke von über 1 t CO₂eq entstehen. Das Auto würde also über seine Lebensdauer den Kohlenstoff speichern, der ursprünglich von einem Baum aus der Atmosphäre entzogen worden war.

Das (nicht rostende) Auto würde somit zu einer mobilen Kohlenstoffsenke. Alles komprimierte Holz, das im Auto verbaute wurde, kann am Ende des Lebenszyklus des Autos unter geringem Energieaufwand gehäckselt und dann pyrolysiert werden, wobei der größte Teil des Kohlenstoffs ebenso wie bei der Pyrolyse der Holzabfälle langfristig erhalten bleibt. Die dabei entstehende Pflanzenkohle  ist ein wertvolles Bodenhilfsmittel in der Garten- und Landwirtschaft, oder kann zur Verbesserung der Isolation in Baumaterialien verwendet werden. Der Kohlenstoff, der in den Holz basierten Materialien des Autos gespeichert war, bliebe also noch für weitere Jahrhunderte im Boden oder weiteren Produkten gespeichert. Er würde nicht wieder als CO₂ in die Atmosphäre gelangen. Die C-Senke des Autos könnte also zu einem großen Anteil langfristig erhalten bleiben.

Würde mit dieser biobasierten Technologie der derzeitige Fuhrpark von 1.25 Milliarden Autos ersetzt werden, könnten damit rund 1 Gt CO₂eq sequestriert werden, was  ca. 3% der weltweiten CO₂eq-Emissionen entspricht.

Stand der Entwicklung

Der Prozess zur beschriebenen Komprimierung von Holz ist seit über 15 Jahren bekannt. Allerdings wurden erst in den letzten knapp fünf Jahren die wissenschaftlichen Grundlagen für einen industriellen Einsatz geschaffen. Hier sind insbesondere die Forschungen an der University of Maryland, der KTH Stockholm und der ETH Zürich zu nennen (Li et al., 2016; Frey et al., 2018; Song et al., 2018). Es gibt bereits eine Reihe von Patenten, die die Technologie schützen. Industrielle Anwendungen sind unseres Wissens bisher noch nicht realisiert. Grundsätzlich sind die technischen Hürden für die Umsetzung und Skalierung dieser Technologie überschaubar. Für ein Pilotprojekt zur Konstruktion eines rezyklierbaren C-Senken-Autos sollten bei entsprechender Kapazität für Forschung und Entwicklung die Grundlagen der Technologie weit genug entwickelt sein.

Frachtcontainer und weitere C-Senken-Produkte aus komprimiertem Holz

Als Pilotprojekt wäre der Herstellung eines Autos aus komprimiertem Holz ein weltumspannendes Medienecho sicher. Wie einst bei Tesla würde es nicht nur das Potential der neuen Technologie vor Augen führen, sondern als Vorreiter den Weg dafür weisen, dass die moderne Konsumgesellschaft nur dann ihren Lebensstandard halten kann, wenn quasi alle Industrieprodukte zu Kohlenstoff-Senken oder komplett rezyklierbar werden. Auf dem Weg zur C-Senken-Industrie liegen freilich eine ganze Reihe einfachere Industrieprodukte als Autos, die schneller und mit geringeren Entwicklungskosten zu verwirklichen wären. Die Konstruktion und die Herstellung von Frachtcontainern soll im Folgenden als Beispiel dienen.

Ein 40 Fuß-Frachtcontainer aus Stahl wiegt ca. 4 t und emittiert bei dessen Herstellung durchschnittlich 8 t CO₂eq. Aufgrund der insbesondere vom Seewasser beschleunigten Korrosion beträgt die Lebensdauer der Container nur 15 Jahre (Buchanan et al., 2018). Für das Einschmelzen und Rezyklieren des Stahls fallen dann weitere 1.2 t CO₂eq an (Obrecht & Knez, 2017). Würden die Container anstatt aus Stahl aus komprimiertem Holz hergestellt und würde dabei das Gewicht um 25% reduziert, so würde das Holz jedes Containers 1.5 t Kohlenstoff (5.5 t CO₂eq) als C-Senke enthalten. Durch die Gewichtsersparnis könnten zudem rund 20% der für den Frachttransport benötigten Treibstoffe eingespart werden, was über 15 Jahre bei heutigem Treibstoffverbrauch pro 40 Fuß-Container ca. 30 t CO₂eq entsprechen würde (Buchanan et al., 2018). Insgesamt würde also die Verwendung von komprimiertem Holz für den Bau von Frachtcontainern rund 45 t CO₂eq pro 40-Fuß-Container einsparen. Bei den weltweit derzeit 18,6 Millionen Frachtcontainern (10, 20 und 40 Fuß- Container) ergäbe dies ein Einsparungspotential von ca. 650 Millionen t CO₂eq, dies sind immerhin gut 1,7 % der derzeitigen globalen Treibhausgas-Emissionen.

Die Frachtcontainer aus komprimiertem Holz wären aber nicht nur robuster und zugleich leichter, sondern hätten zudem noch weitere Vorteile: Während die Stahlcontainer mit toxischen Rostschutzmitteln auf Basis von Chrom, Phosphor und Blei bestrichen sind, benötigt das komprimierte Holz, das durch seine extreme Verdichtung ohnehin max. 3% Wasser aufnimmt, lediglich pflanzliches Öl zur Imprägnierung. Da das Holz nicht rostet, lässt sich auch mit deutlich längeren Lebenszyklen als jene 15 Jahre der Stahlcontainer rechnen. Am Ende des Lebenszyklus kann das komprimierte Holz wie im Fall der Autos zu Pflanzenkohle und Bioöl verarbeitet werden, womit die C-Senke des Materials erhalten bliebe.

Ein weiterer Vorteil der Container aus komprimiertem Holz wäre die viel bessere Wärmeisolation, womit erhebliche Mengen Energie für die Kühlung, insbesondere bei Lebensmitteltransporten, eingespart werden könnte. Forscher der Universität Maryland haben ein komprimiertes Holz entwickelt, welches Sonnenlicht in einer Art und Weise reflektiert, dass dabei sogar das Oberflächenmaterial aktiv gekühlt wird (Li et al., 2019). Umgebungsstrahlung wird dabei von dem komprimierten Holz in mittelwellige Infrarotstrahlung umgewandelt, wodurch die Oberfläche Wärme abgibt. Während die Stahlcontainer sich in der Sonne schnell aufheizen, würden die Holzcontainer gerade auf den durch den tropischen Gürtel verlaufenden Frachtlinien über 50% Energie für Kühlung sparen (Li et al., 2019).

Schiffscontainer sind ein hervorragendes Bespiel dafür, wie die Transformation der (Schwer-)Industrie hin zu biogenen Materialen, die zugleich C-Senken sind, in der Regel mit zahlreichen weiteren Vorteilen einhergeht. Von Computergehäusen, den Rahmen für Solarpanels und von Windräder bis zu korrosionsbeständigen Armierungen von Brücken und Hochhäusern aus Beton, komprimiertes Holz könnte zum Motor der biobasierten Wirtschaft werden, wobei jedes neue Produkt zur dauerhaften C-Senke würde. Nur so kann es gelingen, die Kohlenstoffbilanz des Planeten wieder auszugleichen.

Das Motto des nächsten Jahrzehnts muss also lauten: Transformation von Industrieprodukten zu biogenen C-Senken.

Weitere Informationen

Das Ithaka Institut hat ein Interview mit einem der Pioniere dieser Holztechnologie, Nikolaus Foidl, aufgenommen, welches unter folgendem Link angehört werden kann: http://ithaka-institut.org/ithaka/media/doc/wood.mp3

Ein sehr gut zusammenfassender Artikel auf Englisch erschien kürzlich in Scientific American und lässt sich unter folgendem Link lesen: https://www.scientificamerican.com/article/stronger-than-steel-able-to-stop-a-speeding-bullet-mdash-it-rsquo-s-super-wood/

Eine Druckversion des Artikels kann unter diesem Link heruntergeladen werden.

Literatur

Buchanan CA, Charara M, Sullivan JL, Lewis GM, Keoleian GA. 2018. Lightweighting shipping containers: Life cycle impacts on multimodal freight transportation. Transportation Research Part D: Transport and Environment 62:418–432. DOI: 10.1016/J.TRD.2018.03.011.

Fang, C.-H., Mariotti, N., Cloutier, A., Koubaa, A. & Blanchet, P. Densification of wood veneers by compression combined with heat and steam. Eur. J. Wood Wood Prod. 70, 155–163 (2012).

Frey M, Widner D, Segmehl JS, Casdorff K, Keplinger T, Burgert I. 2018. Delignified and Densified Cellulose Bulk Materials with Excellent Tensile Properties for Sustainable Engineering. ACS Applied Materials & Interfaces 10:5030–5037. DOI: 10.1021/acsami.7b18646.

Hill, C. A. et al. The water vapour sorption properties of thermally modified and densified wood. J. Mater. Sci. 47, 3191–3197 (2012).

Kutnar, A. & Kamke, F. A. Compression of wood under saturated steam, superheated steam, and transient conditions at 150 °C, 160 °C, and 170 °C. Wood Sci. Technol. 46, 73–88 (2012).

Laine, K. et al. Measuring the thickness swelling and set-recovery of densified and thermally modified Scots pine solid wood. J. Mater. Sci. 48, 8530–8538 (2013).

Laine, K., Segerholm, K., Wålinder, M., Rautkari, L. & Hughes, M. Wood densification and thermal modification: hardness, set-recovery and micromorphology. Wood Sci. Technol. 50, 883–894 (2016).

Li Y, Fu Q, Yu S, Yan M, Berglund L. 2016. Optically Transparent Wood from a Nanoporous Cellulosic Template: Combining Functional and Structural Performance. Biomacromolecules 17:1358–1364. DOI: 10.1021/acs.biomac.6b00145.

Li T, Zhai Y, He S, Gan W, Wei Z, Heidarinejad M, Dalgo D, Mi R, Zhao X, Song J, Dai J, Chen C, Aili A, Vellore A, Martini A, Yang R, Srebric J, Yin X, Hu L. 2019. A radiative cooling structural material. Science (New York, N.Y.) 364:760–763. DOI: 10.1126/science.aau9101.

Navi, P. & Heger, F. Combined densification and thermo-hydro-mechanical processing of wood. MRS Bull. 29, 332–336 (2004).

Obrecht M, Knez M. 2017. Carbon and resource savings of different cargo container designs. Journal of Cleaner Production 155:151–156. DOI: 10.1016/J.JCLEPRO.2016.11.076.

Schmidt H-P, Anca-Couce A, Hagemann N, Werner C, Gerten D, Lucht W, Kammann C. 2018. Pyrogenic carbon capture and storage. GCB Bioenergy. DOI: 10.1111/gcbb.12553.

Searchinger TD, Beringer T, Holtsmark B, Kammen DM, Lambin EF, Lucht W, Raven P, van Ypersele J-P. 2018. Europe’s renewable energy directive poised to harm global forests. Nature Communications 9:3741. DOI: 10.1038/s41467-018-06175-4.

Song J, Chen C, Zhu S, Zhu M, Dai J, Ray U, Li Y, Kuang Y, Li Y, Quispe N, Yao Y, Gong A, Leiste UH, Bruck HA, Zhu JY, Vellore A, Li H, Minus ML, Jia Z, Martini A, Li T, Hu L. 2018. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature 554:224–228. DOI: 10.1038/nature25476.