Kaskadennutzung Holz HOTEW - Holztechnik aus Eberswalde 02. April 2014 - holztechnik-service
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Kaskadennutzung Holz
HOTEW
Holztechnik aus Eberswalde
02. April 2014
Prof. Dr.-Ing. Volker Thole
Volker.Thole@hnee.de; Volker.Thole@wki.fraunhofer.de
Vortragsgliederung
1. Einleitung
Basisdaten, Rohstoffsituation, Rohstoffwettbewerb
2. Altholz
3. Altholztrennung
4. Kaskadennutzung
5. Beispiele effizienter Rohstoffnutzung
6. Zusammenfassung
Thole 2
Einleitung
Basisdaten, Rohstoffsituation,
Rohstoffwettbewerb
Thole 3
Basisdaten der Holzwirtschaft:
10 Mio. ha Wald in Deutschland
330 m³ Holz pro ha
80 Mio. m³ bis 90 Mio. m³ Zuwachs pro Jahr
70 Mio.m³ pro Jahr Holzeinschlag
Nach Frühwald 2010
Thole 4
Verwertung des eingeschlagenen Holzes
in Mio.m³/a
Stofflich Energetisch
Schnittholz 30 Direkt
(Hausbrand,
25
Platten 7 Industrie,
Verstromung)
Papier 8
Indirekt 30
Summe 45
Quelle: Mantau 2010
Nach Frühwald 2010
Thole 5
Nutzbare und genutzte Holzsortimente in
Deutschland (übliche Angaben)
Sortiment Mio. t/a Anmerkungen
Waldholz
(Einschlag) 20 Vollständige stoffliche Nutzung
Waldholz
(nicht 10 Einschlag möglich bei höheren Kosten
eingeschlagen)
Säge-Restholz Überwiegend stoffliche Nutzung,
4
zunehmende als Rohstoff für Pellets
Produktionsabfälle Verwertung beim Erzeuger (stofflich,
5
energetisch)
Altholz Wettbewerb zur stofflichen und
8
energetischen Verwertung
Rinde 1 Kompost, energetische Verwertung
Quelle: Mantau 2010
Thole 6
Holzbilanz 2002 in Mio. Fm
Inlandsaufkommen Inlandsverbrauch
Stammholz 30,2 Holzschliff und Zellstoff 7,2
Industrie- und Waldrestholz 21,3 Holzwerkstoffe 15,2
Sägeindustrie 29,8
Sägenebenprodukte 11,2
sonst. stoffliche Nutzung 1,5
Rinde 2,0
energetisch > 1 MW 7,9
andere Industriereststoffe 2,1
energetisch < 1 MW 4,8
Gebrauchtholz, Altholz 10,3
Hausbrand 12,5
Landschaftspflegematerial 2,2 sonst. energ. Verwertung 0,0
Bilanzausgleich - Bilanzausgleich 0,4
Insgesamt 79,3 Insgesamt 79,3
Quelle: Mantau 2010
Thole 7
Quelle: Maurer
Holzverwertung 1987 bis 2010 in Mio. FM
Jahr
Verwertung
1987 2002 2005 2010
Sägeindustrie 19,0 29,8 37,2 50,4
Holzwerkstoffe 9,1 15,2 17,4 19,1
Holzschliff u. Zellstoff 6,7 7,2 9,8 11,2
sonst. stoffliche Verwertung 1,3 1,5 1,9 2,3
energetisch > 1 MW 2,0 7,9 13,3 21,0
energetisch < 1 MW 1,7 4,8 6,6 11,6
Hausbrand 7,4 12,5 20,7 24,5
sonst. energ. Verwertung 0,0 0,0 0,0 0,1
nicht zuzuordnen - 0,4 - 1,3
Gesamt 47,2 79,3 107,0 141,5
Quelle: Mantau 2010
Thole 8
Prognose über den steigenden Holzbedarf in der EU,
Entwicklung der stofflichen Nutzung von Biomasse
(Kumulativ, Szenario A1)
Quelle: Mantau, Wood Resource Balance, EUwood – team 2010 (Mantau/Saal: Wood industry; based on UNECE/FAO
and Jonsson, R.: econometric modelling; others including veneer & plywood
Thole 9
2025
2016
Deckungslücke im Holzbereich in der EU; Unterschied
zwischen möglicher Nachfrage (Szenario A1) und drei
verschiedenen Mobilisierungsszenarien an Biomasse
Quelle: Mantau 2010
Thole 10Recyclingholz für Spanplatten in Europa -Ein Vergleich-
Recycling-
Holzbedarf in Rundholzanteil
Land holzanteil
x 1000 t in %
%
Deutschland 3738 19 33
Frankreich 2597 32 28
Italien 1934 6 89
Polen 1859 42 10
Spanien 1041 28 26
Östereich 1214 22 38
UK 1505 16 55
Quelle: In Anlehnung an EPF Annual Report 2011-2012
Thole 11Hackschnitzel 0,23
Pellets 0,20
Holzbriketts 0,57
Schnittholz (Altholz) 1,64
Gesamt 20,1 Mio. m³/a
Schnittholzreste
(Frischholz)
0,68
Landschaftspflege 0,73
Scheitholz (Industrie) 1,72
Scheitholz (Wald) 14,30
Brennholzeinsatz in Deutschland (Verdoppelung 2000 bis 2005)
Mantau 2006
Thole 1270000
44000
27000
19000
13000
8000
3000
800
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Zahl der Pelletheizungen in Deutschland 1999 bis 2006
CEPV 2006
Thole 13Folgen der starken energetischen Nutzung der
Holzsortimente
in 2011 werden mehr als 2 Mio. t/a Holzpellets aus
Sägenebenprodukten hergestellt
die stoffliche Verwendung ist bisher stärker gestiegen als die
energetische
der Waldumbau in Richtung stabilere Bestände liefert mehr
Holzmassen (kürzere Umtriebszeiten)
mehr Holz aus Privatwäldern mobilisieren
verstärkte energetische Nutzung von gebrauchen Holzsortimenten
Preise für Sägenebenprodukte steigen beträchtlich (2002 = 8 €/t,
2010 = 80 €/t)
Preise für Rundholz steigen beträchtlich
Thole 14Altholz
Thole 15Rechtliche Rahmenbedingungen zur Altholznutzung
TA Siedlungsabfall (TASi / 1993)
Suche nach neuen Entsorgungskonzepten
Kreislaufwirtschaft- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG / 1996)
Vorrang der Vermeidung und Wiederverwendung vor Deponierung
Verordnung über Deponien und Langzeitlager (DepV / 2003)
Verbot der Lagerung von organischen Stoffen auf Deponien, -Inkrafttreten
2009, letzte Novellierung 2012-
Altholzverordnung (AltholzV / 2003)
Rechtsquelle für Begriffsbestimmungen und Handhabungs-vorschriften. Eine
stoffliche Verwertung zu Holzhackschnitzeln und Holzspänen ist nur für die
Kategorien A I bis A III zulässig; -Verordnung setzt das KrWG um-
Thole 16Altholzkategorie AI
Altholz- Definition laut §2 AltholzV
kategorie
Naturbelassenes oder lediglich mechanisch bearbeitetes Altholz, das
AI bei seiner Verwendung nicht mehr als unerheblich mit holzfremden
Stoffen verunreinigt wurde,
Quelle: Altholzverordnung 2002
Thole 17Altholz A I
Sägespäne Paletten / Verpackungen
Sägerestholz
Quelle: FhG WKI: Meinlschmidt
Thole 18Altholzkategorie AII
Altholz- Definition laut §2 AltholzV
kategorie
AI
A II Verleimtes, gestrichenes, beschichtetes, lackiertes oder anderweitig
behandeltes Altholz ohne halogen-organische Verbindungen* in der
Beschichtung und ohne Holzschutzmittel,
*Als halogenorganische Verbindungen werden chemische Verbindungen aus Brom, Jod, Fluor und Chlor
bezeichnet. In Verbindung mit Kohlenwasserstoffen bilden Halogene sehr wirksame Lösungsmittel.
Bekannteste Vertreter sind DDT, PCP und PCB.
Quelle: Altholzverordnung 2002
Thole 19Altholz A II
Möbel aus Holz und
Holzwerkstoffen
Quelle: FhG WKI: Meinlschmidt
Thole 20Altholzkategorie AIII
Altholz- Definition laut §2 AltholzV
kategorie
AI
A II
A III Altholz mit halogen-organischen Verbindungen in der Beschichtung
ohne Holzschutzmittel,
Quelle: Altholzverordnung 2002
Thole 21Altholz A III
Holz und Holzwerkstoffe mit
PVC Anhaftungen
Quelle: BAV
Thole 22Altholzkategorie AIV
Altholz- Definition laut §2 AltholzV
kategorie
AI
A II
A III
A IV Mit Holzschutzmitteln behandeltes Altholz, wie Bahnschwellen,
Leitungsmasten, Hopfenstangen, Rebpfähle, sowie sonstiges Altholz,
das aufgrund seiner Schadstoffbelastung nicht den Altholzkategorien A
I, A II oder A III zugeordnet werden kann, ausgenommen PCB-Altholz;
Quelle: Altholzverordnung 2002
Thole 23Altholz A IV
Eisenbahnschwellen Zaunpfähle /
Hopfenstangen
Altfenster aus
Abbruchholz
Quelle: FhG WKI: Meinlschmidt
Thole 24Altholzkategorien
Altholz- Definition laut §2 AltholzV
kategorie
PCB-Altholz Altholz, das PCB im Sinne der PCB/PCT-Abfallverordnung ist und nach
deren Vorschriften zu entsorgen ist, insbesondere Dämm- und
Schallschutzplatten, die mit Mitteln behandelt wurden, die
polychlorierte Biphenyle enthalten
Schallschutzplatte mit
polychlorierten
Biphenylen (PCB)
Quelle: Altholzverordnung 2002
Thole 25Altholzsortierunng
Thole 26Aktueller Stand der Technik
Sortierung beim Abkippen Sortierung am Band
Quelle: BAV
Thole 27Sortierung in Betrieben der Spanplattenindustrie
Quelle: Maier Zerkleinerungstechnik und FhG WKI, Meinlschmidt
Thole 28Klassische Sortierung
Metall
Glas und Steine
Quelle: FhG WKI, Meinlschmidt
Kunststoffe
Thole 29Mögliche Verfahren zur Erkennung von Störstoffen
Röntgenfluores-
NIR-Spektroskopie zenzanalyse (RFA)
Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie (IMS)
Quelle: FhG WKI
Thole 30Ortsauflösende NIR-Spektroskopie
NIR-Spektroskopie
Wellenlängen 1000 nm –
2200 nm
Online-Messungen möglich
Signalaufbereitung
erforderlich
durch Normierung, Glättung,
Differentiation,
Hauptkomponentenanalyse
Quelle: FhG WKI M. Lingnau
Thole 31Ortsauflösende NIR-Spektroskopie und Klassifikation
Messung ergibt je Pixel ein Spektrum, Intensität über Wellenlänge,
Auswertung mit „klassischer“ Hauptkomponenten-zerlegung, z. B.
Unterscheidung verschiedener Klebstofftypen möglich
Thole 32Ortsauflösende NIR-Spektroskopie und Klassifikation
Erkennung von Störstoffen im Holz
Probe:
Spanplatte,
Massivholz,
HPL, PE
Hauptkomponenten nach Klassifiziertes Hyperspektralbild:
Normierung, 2. Ableitung, Glättung Rot – Holzoberfläche, grün –
HPL, blau – PE
Quelle: FhG WKI B. Plinke
Thole 33Ortsauflösende NIR-Spektroskopie und Klassifikation
Erkennung verschiedener Störstoffe
Probe: Altfenster
Kiefernholz (1 und 3)
Glas (2)
Farbe (4)
Fensterkitt (5)
Nägel (6)
Kunststoffe (7 und 8)
Hauptkomponenten nach Klassifiziertes
Normierung, 2. Ableitung, Hyperspektralbild
Glättung
Quelle: FhG WKI D. Mauruschat & B. Plinke
Thole 34Ortsauflösende NIR-Spektroskopie und Sortierung
Sortierversuch:
Abscheidung
von Partikeln mit
Lackanteil
(PVC / HPL)
Quelle: RTT Steinert,
PTS, Pigorsch und
FhG WKI, Meinlschmidt
Thole 35Verbesserte Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie (FAIMS)
Prinzip der "High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility
Spectrometry" (FAIMS) bei Feldstärken von >10.000 V/cm
Weitere Verbesserung der Auflösung
durch Kopplung mit einem
Gaschromatographen (GC-FAIMS)
Quelle: Schumann Analytics
Thole 36“FAIMS Fingerprint”
Bereich A ist reserviert für kleine
Molkülmassen von 10 – 60 u
Bereich B repräsentiert große
Molekülmassen zwischen 60 – 200 u
Bereich C ist besetzt mit sehr großen
Molekülmassen die von 200 - 250 u
reichen
DF = Dispersion Field
Quelle: Schumann Analytics , FhG WKI Meinlschmidt CV = Compensation Voltage
Thole 37Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie (IMS)
Positiver Modus
Negativer Modus
Probe: Kontaminierte Eisenbahnschwelle
Schnellerkennung vieler organischer Verbindungen, insb.
Holzschutzmittel wie z.B.
-Pentachlorphenol (PCP),
-γ-hexachlorcyclohexan (Lindan),
-Permethrin
Unterscheidung von A I-III und A IV möglich
Quelle: Schumann Analytics
Thole 38Ausblick Trenntechniken
Altholz der Kategorie A I lässt sich im Prinzip von dem der Kategorie A II
unterscheiden, wichtiger ist aber A III von A IV zu separieren
Die vermehrte Nutzung von Recyclingholz in Deutschland ist durch die
schwierige technische Umsetzung der Altholzverordnung eingeschränkt.
Um das Problem der Zuordnung zu den A I – A IV Kategorien zu
Überwinden, ist der Einsatz effizienter Erkennungstechniken notwendig.
Erste Tests mit NIR-Spektroskopie, IMS und Röntgenfluoreszenzanalyse
zeigen, dass in Zukunft Unterscheidung und Sortierung möglich sein
werden.
Bei weiter steigenden Rohstoffpreisen wird sich der Einsatz dieser
Techniken vermutlich in wenigen Jahren rentieren.
Thole 39Kaskadennutzung
Thole 40Kaskadennutzung
Unter Kaskadennutzung werden unterschiedliche Wege einer
effizienten Rohstoffnutzung verstanden.
Begrifflich und inhaltlich verbunden mit der Kaskadennutzung sind die
multiple Nutzung, die Kreislaufnutzung, die Mehrfachnutzung, die
Wiederverwertung, die Koppelprodukt-nutzung und das Recycling.
Die hinter den Begriffen stehenden Konzepte können Bestandteil der
Kaskadennutzung sein, erfüllen aber für sich allein nicht die
Anforderungen an eine Kaskadennutzung.
Thole 41Versuch einer Definition: Kaskadennutzung
Kaskadennutzung ist die Realisierung eines Konzeptes zur
effizienten Rohstoffnutzung, bei dem weder durch
Rohverarbeitung, Materialbearbeitung und Stoffnutzung noch nach
dem Nutzungszeitende von Produkten (P), Materialien (M) und
Stoffen (S) Abfälle entstehen sowie eine mehrfache PMS-Nutzung
Vorrang vor der energetischen Nutzung hat.
Thole 42Die Kaskadennutzung kann erfolgen durch:
Multiple PMS-Nutzung
PMS-Recycling
Materialup- und downcycling
Stoffup- und downcycling
PMS-Mehrfachnutzung
Produktionsintegrierte Koppelproduktnutzung
Thole 43Bearbeiten
Bereitstellung Verarbeiten oder Verarbeiten
der Rohstoffe der Rohstoffe von Material
oder Stoffen
MS-recycling
MS-recycling
Up-
P-recycling oder
Downceycling
Produkt A bis X Produkt 1 bis n
Upceycling
P-recycling
Rohstoff Energetische
(Asche, Schlacke) Verwertung
Thole 44Sägeprodukte Sägeprodukte
Rundholz
herstellen nutzen
S-recycling S-recycling
P-recycling
PM-recycling
PM-recycling
Down-
Upceycling
ceycling
MDF Spanplatten OSB
MS-recycling PM-recycling
Upceycling
Energetische Rohstoff Zement
Verwertung (Asche, Schlacke)
Thole 45Beispiele effizienter Rohstoffnutzung
Thole 46Beispiel: 1
Effiziente Altholzzerkleinerung
Thole 47Aufbereitung von Altholz für Spanplatten
Altholzsortimente enthalten Störstoffe
und haben in der Regel eine geringere
Feuchte. Die Geometrie und die
Größen-verteilung von zerspanten
Holzpartikeln sind ab-hängige von der
Feuchte. Mit abnehmender
Rohstofffeuchte vermindern sich die
Partikelabmessungen, der Feinanteil
steigt.
Eine zweckmäßige Aufbereitung
erfordert eine Trennung und eine
angepasste Zerkleinerung zu Partikeln.
Thole 48Durch eine hydrothermale Vorbehandlung steigt die
Feuchte und der E-Modul wird geringer.
1,10
Die nach einer hydrothermale 1,00
relative Summenhäufigkeit q3(i)
Vorbehandlung zerspanten 0,90
0,80
Hackschnitzel ergeben 0,70
Spanfraktionen mit deutlich 0,60
0,50
geringeren Feinanteilen. 0,40
0,30
Der Breitenschlankheitsgrad 0,20
0,10
ohn e V orb ehand lu ng
(Verhältnis von Partikelbreite zu 0,00
0 < x 1 < 0,60
mi t Vo rbehan dl ung
0,60 ≤ x2 < 1,25 1,25 ≤ x3 < 3,15 3,15 ≤ x4 < 5,00 x5 ≥ 5,0
Partikeldicke) der nach einer
hydrothermalen Vorbehandlung Spanfrakt ionen x1 bis x5 in mm
hergestellten Partikel ist größer. Summenhäufigkeit der Spanfraktion mit und
ohne hydrothermale Hackschnitzelvor-
behandlung.
Thole 49Mit abnehmenden Feinanteilen wird die gesamte
Partikeloberfläche geringer, der flächenbezogene
Klebstoffanteil steigt.
Die Querzugfestigkeit von 1,00
Plattentyp: einschichtige Spanplatten
0,90 Klebstoff: 8 % K 350
Spanplatten mit Spänen aus
Querzugfestigkeit in N/mm²
0,80 ohne Vorbe handlung
vorbehandelten Hackschnitzeln 0,70 mit V orbeha ndlung
ist höher. 0,60
0,50
0,40
Bei üblichen MS-Fraktionen, ist 0,30
die Differenz der 0,20
Querzugfestigkeit noch 0,10
0,00
ausgeprägter. mit Fra ktion x < 1,25 mm ohne Frak tion x < 1,25 m m
Werden Späne aus Querzugfestigkeit von Spanplatten aus
vorbehandelten Hackschnitzel Spänen mit und ohne hydrothermale
Hackschnitzelvorbehandlung
verwendet, kann der
Klebstoffanteil vermindert werden.
Thole 50Beispiel: 2
Spanplatten aus alten Fensterrahmen
Thole 51Herstellung von Spanplatten aus alten Fensterrahmen
Spanplatten aus alten Meranti
Fensterrahmen A 2 (entfernter TiO2
Lack)
Quelle: FhG WKI, Briesemeister
Thole 52Herstellung von Spanplatten aus alten Fensterrahmen
Spanplatten aus
alten Meranti
Fensterrahmen A2
(entfernter TiO2
Lack)
Quelle: FhG WKI, Briesemeister
Thole 53Herstellung von Spanplatten aus alten Fensterrahmen
Spanplatten aus
alten Meranti
Fensterrahmen
#2 (entfernter
TiO2 Lack)
Quelle: FhG WKI, Briesemeister
Thole 54Beispiel 3:
Lamellierung durch
Druckzerkleinerung
(Scrimberherstellung)
Thole 55
5
5Ausgangssituation
Bei der Lamellierung von Holz erfolgt eine Zerkleinerung unter
Beibehaltung der Holzstrukturen. Werden die "Lamellen" durch
Kleben gefügt, ergeben sich ausgesprochen feste Bauteile und
Werkstoffe. Typische Werkstoffe auf Basis von der Lamellie-
rungstechnik sind Sperrholz, mehrlagige Massivhölzer und OSB.
Durch das Lamellieren werden unerwünschte Holzmerkmale
kompensiert
Thole 56
5
6Lamellierungstechniken
Lamellierungstechniken
durch
Kräfte am Schneidkeil Druckkräfte
Spalten Zerspanen
Sägen, Fräsen Zerspaner Furniermaschinen Pressen Walzen
Sägegatter Wellen-,
Schäl-,
Profilzerspan. Messerring-,
Messer-
Kreissäge, Scheiben-
maschine
usw zerspaner
Bretter,
Schindeln, Furniere,
Leisten, Strands Biege- Faden-
Lamellen, Lamellen,
Furniere, Flakes furniere vliese
Fäden Streifen
Lamellen
Thole 57Technikumsversuche
Fensterkanteln Rippenwalze
(beschichtungsfrei)
Thole 58
5
8Technikumsversuche
Druckdesintegrierten Altholz
Thole 59
5
9Scrimberbalken
Klebstoff: Phenolformaldehyd
Rohdichte: 700 kg/m³ bis 900 kg/m³
Biegefestigkeit: 70 N/mm² bis 150 N/mm²
Biege-E-Modul: 11 kN/mm² bis 15 kN/mm²
Querzugfestigkeit: 0,9 N/mm² - 1,8 N/mm²
Thole 60
6
0Zusammenfassung
Die Akteure der verschiedenen stofflichen Holzverwertungs-
linien stehen vor erheblichen Herausforderungen. Die
Holzwerkstoffindustrie gehört mittlerweile fast zu den
„Altindustrien“. Häufig wird dieser Industrie daher ein großes
Beharrungsvermögen nachgesagt.
Über einen längeren Zeitraum betrachtet, sind die Innovationen
aber beträchtlich. Zur Sicherung der Holzwerkstoffstandorte ist
aber nicht nur die Holzwerkstoffindustrie gefragt. Auch die
durch politische Entscheidungen beeinflussbaren Rahmen-
bedingungen müssen stimmen. Dies gilt insbesondere für die
aktuellen stofflichen Herausforderungen.
Thole 61Thole 62
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