Forschungs- und Innovationsprojekt
Möglichkeiten und Grenzen der Kreislaufwirtschaft und höherwertigen Verwendung von Reststoffen im Holzenergiesektor - "RestUse" (Projekt N 16)
Im Forschungsprojekt „Rest-Use“ sollen neue Wege identifiziert und bewertet werden, wie Reststoffe aus der Holzhackschnitzelaufbereitung (z.B. Feinanteile, Nadeln und Überlängen) höherwertig genutzt werden können und wie diese beispielsweise als Nährstoffrückführung in den Wald zur Abmilderung von holzerntebedingten Nährstoffentzügen dienen können.
Hintergrund
Die energetische Nutzung von Holz hat in den vergangenen 20 Jahren, nicht zuletzt durch den Anstieg von Schadholzmengen aus Käferkalamitäten und den Ausbau erneuerbarer Energien an Bedeutung gewonnen und steigerte somit auch die Produktion von Holzhackschnitzeln.
Wieso man Reststoffe aus der Hackschnitzelaufbereitung höherwertig nutzen sollte
Aktuell finden Reststoffe aus der Holzhackschnitzelaufbereitung meist nur einen geringwertigen Verwendungszweck wie z.B. Kompostierung, wodurch –bezogen auf die Menge– große Anteile der darin gespeicherten Nährstoffe für den Wald verloren gehen.
Abb. 1: Erfolg der technischen Siebung von Holzhackschnitzeln (© Kuptz, TFZ)
Schritte der Hackschnitzelaufbereitung für eine gute Brennstoffqualität- Trocknung und Siebung
Zoombild vorhanden
Abb. 2: Siebung als wichtiger Aufbereitungsschritt (© Schreiber, LWF)
Holzhackschnitzel werden zur Steigerung der Brennstoffqualität zunehmend durch Trocknung und Siebung aufbereitet. Die Holzhackschnitzel werden getrocknet, um einen für die Verbrennung in Kleinanlagen optimalen Wassergehalt von weniger als 20 m-% zu erreichen (siehe Abbildung 1).
Bei der Siebung entstehen Reststoffe vorrangig in Form von Feinanteilen, d. h. feine Holz- und Rindenpartikel sowie Nadeln. Diese Siebreste enthalten in Bezug auf ihr Volumen einen großen Anteil an Nährstoffen oder organischen Verbindungen. Sie wirken sich jedoch negativ auf die Verbrennung aus, weil sie z. B. zu höheren Emissionen und Aschegehalten sowie zu einer Verschlackung der Feuerungsanlage führen können (siehe Abbildung 2).
Bei der Siebung entstehen Reststoffe vorrangig in Form von Feinanteilen, d. h. feine Holz- und Rindenpartikel sowie Nadeln. Diese Siebreste enthalten in Bezug auf ihr Volumen einen großen Anteil an Nährstoffen oder organischen Verbindungen. Sie wirken sich jedoch negativ auf die Verbrennung aus, weil sie z. B. zu höheren Emissionen und Aschegehalten sowie zu einer Verschlackung der Feuerungsanlage führen können (siehe Abbildung 2).
Vorgehen im Projekt
Im Verlauf des Projekts „Rest-Use“ werden Untersuchungen zu etablierten Verwertungswegen durchgeführt. Dafür konnten bereits Praxispartner mit Hilfe einer Marktanalyse gewonnen werden.
In einem Feldversuch werden in unterschiedlichen Varianten die Ausbringung der Reststoffe im Wald und deren Einfluss auf den Ernährungszustand in zwei Waldbestände durch die Beprobung von Nadeln und des Bodens untersucht.
Auf Grundlage der Messdaten soll eine mögliche „Düngewirkung“ modelliert werden, auf Basis derer Handlungsempfehlungen abgeleitet werden sollen. In einem letzten Arbeitspaket werden innovative Verwertungswege getestet und deren Potenziale abgeschätzt.
In einem Feldversuch werden in unterschiedlichen Varianten die Ausbringung der Reststoffe im Wald und deren Einfluss auf den Ernährungszustand in zwei Waldbestände durch die Beprobung von Nadeln und des Bodens untersucht.
Auf Grundlage der Messdaten soll eine mögliche „Düngewirkung“ modelliert werden, auf Basis derer Handlungsempfehlungen abgeleitet werden sollen. In einem letzten Arbeitspaket werden innovative Verwertungswege getestet und deren Potenziale abgeschätzt.
Abb. 3: Übersicht der Arbeitspakete im Projekt "RestUse"
Arbeitspaket: „Marktanalyse“
Zu Beginn des Projekts „RestUse“ wurde eine bundesweite Marktanalyse durchgeführt, um einen Überblick zum Status-Quo der Nutzungs- und Aufbereitungspraxis von Reststoffen aus der Holzhackschnitzelaufbereitung bei Forstbetrieben, Biomasseaufbereitern und -Bereitstellern sowie Heizwerken zu erlangen.
Etwa ein Drittel der 143 Befragten gaben an, ihre Hackschnitzel-Sortimente zu sieben. Dieser Aufbereitungsschritt erfolgt in 68 % der Fälle in Kombination mit einer technischen Trocknung. Als Siebtechnik nutzen fast die Hälfte aller Befragten ein Trommelsieb, rund ein Viertel verwendet ein Plansieb und 17 % ein Sternsieb. Sonstige Siebe kamen kaum zum Einsatz.
Die Betriebe wurden auch zum Ausgangsmaterial für ihren jeweiligen Aufbereitungsprozess befragt. Dabei gab es deutliche Unterschiede der verwendeten Sortimente für Teilnehmer innerhalb und außerhalb Bayerns. In Bayern sind Waldrestholzhackschnitzel aus Nadelholz mit 55 % das meistgenutzte Sortiment für die Siebung. Außerhalb Bayerns werden vor allem Waldrestholzhackschnitzel aus Laubholzsortimenten und Energierundholzhackschnitzel aus Nadelholz als Ausgangsmaterial für die Aufbereitung eingesetzt. Demnach werden außerhalb Bayerns eher qualitativ hochwertigere Ausgangsmaterialien gesiebt.
Etwa ein Drittel der 143 Befragten gaben an, ihre Hackschnitzel-Sortimente zu sieben. Dieser Aufbereitungsschritt erfolgt in 68 % der Fälle in Kombination mit einer technischen Trocknung. Als Siebtechnik nutzen fast die Hälfte aller Befragten ein Trommelsieb, rund ein Viertel verwendet ein Plansieb und 17 % ein Sternsieb. Sonstige Siebe kamen kaum zum Einsatz.
Die Betriebe wurden auch zum Ausgangsmaterial für ihren jeweiligen Aufbereitungsprozess befragt. Dabei gab es deutliche Unterschiede der verwendeten Sortimente für Teilnehmer innerhalb und außerhalb Bayerns. In Bayern sind Waldrestholzhackschnitzel aus Nadelholz mit 55 % das meistgenutzte Sortiment für die Siebung. Außerhalb Bayerns werden vor allem Waldrestholzhackschnitzel aus Laubholzsortimenten und Energierundholzhackschnitzel aus Nadelholz als Ausgangsmaterial für die Aufbereitung eingesetzt. Demnach werden außerhalb Bayerns eher qualitativ hochwertigere Ausgangsmaterialien gesiebt.
Bei der Siebung entstehen i.d.R. drei Fraktionen:
- Hauptfraktion
- Feinfraktion/ Reststoffe
- Überlänge (wird je nach Aufbereitungsprozess noch einmal nachzerkleinert)
Bei der Frage zur Verwendung der Hauptfraktion gaben rund 60 % eine energetische Nutzung an. Nur etwa ein Viertel der Befragten vermarktet diese in stofflicher Form (z.B. für den Spanplattenbau, als Fallschutz-Hackschnitzel auf Spielplätzen).
Auch bei der Verwendung bzw. Vermarktung der Feinfraktion/Reststoffe dominiert mit etwa 40 % die energetische Nutzung. Die zweithäufigste Verwendungsart der Reststoffe ist mit 23 % die Einstreu im Stall, gefolgt von einer stofflichen Nutzung mit 20 % (z.B. als Mulchmaterial). Ein geringer Teil mit 13 % führt die Feinfraktion der Kompostierung zu oder nutzt sie in anderen Bereichen wie z.B. im Gala Bau oder zur Verkohlung (siehe Abbildung 4).
Auch bei der Verwendung bzw. Vermarktung der Feinfraktion/Reststoffe dominiert mit etwa 40 % die energetische Nutzung. Die zweithäufigste Verwendungsart der Reststoffe ist mit 23 % die Einstreu im Stall, gefolgt von einer stofflichen Nutzung mit 20 % (z.B. als Mulchmaterial). Ein geringer Teil mit 13 % führt die Feinfraktion der Kompostierung zu oder nutzt sie in anderen Bereichen wie z.B. im Gala Bau oder zur Verkohlung (siehe Abbildung 4).
Abb. 4: Nutzungsarten der Reststoffe
Arbeitspaket „Untersuchung der etablierten Verwertungspraxis und -wege
Aus der vorangegangenen Marktanalyse konnten 11 Betriebe in Bayern zur Durchführung einer Praxisstudie gewonnen werden. Dabei sollen Siebreste und die zugehörigen Ausgangsmaterialien (N=30) unterschiedlichen Aufbereitungsverfahren (Sortimente, Siebweiten) umfassend hinsichtlich ihrer Nährstoffelementzusammensetzung untersucht werden.
Dafür wurde ein eigenes Verfahren zur Analyse des Siebrests entwickelt. Nach der Trocknung des Feinanteils wird die Probe in einem Rüttelsieb in die folgenden Partikelgröße fraktioniert:
- 45 mm
- 31,5 mm
- 16 mm
- 8 mm
- 3,15 mm
- 1 mm
- < 1 mm
Abb. 5: Darstellung der einzelnen Siebfraktionen (© Riebler, Wendel)
Alle Siebfraktionen wurden separat gemahlen und werden aktuell in der Laboranalyse auf ihre chemische Elementzusammensetzung untersucht.
Die getrennte Analyse der verschiedenen Fraktionen ermöglicht voraussichtlich eine Ableitung der- bezogen auf Nährstoffvorkommen und -verfügbarkeit- „idealen“ Siebgröße aus Sicht einer Nährstoffrückführung.
Die getrennte Analyse der verschiedenen Fraktionen ermöglicht voraussichtlich eine Ableitung der- bezogen auf Nährstoffvorkommen und -verfügbarkeit- „idealen“ Siebgröße aus Sicht einer Nährstoffrückführung.
Arbeitspaket „Feldversuch“
Hintergrund
Eine Region in Bayern mit einem limitierten Nährstoffangebot ist der Frankenwald im nördlichen Oberfranken. Deshalb gilt es dort, bei der Waldbewirtschaftung besonders auf den Nährstoffhaushalt zu achten. Durch Erntemaßnahmen werden dem Wald Biomasse und damit auch die darin enthaltenen Nährstoffe entzogen (Abbildung 6). Übersteigen diese Entzüge die Nachlieferung von Nährstoffen durch die Gesteinsverwitterung und Deposition, droht die Bodenfruchtbarkeit nachzulassen. Eine Rückführung von Nährstoffen kann diese Defizite ausgleichen, weshalb vor allem in nährstoffarmen Regionen eine Anpassung der Erntemaßnahmen oder eine Rückführung von Nährstoffen im Projekt „RestUse“ untersucht werden soll.
Abb. 6: Schematische Darstellung der Nährstoffflüsse im bewirtschaften Wald (Weis et al. 2016)
Methodik
Das Untersuchungsgebiet „Lauenstein“ im Frankenwald (Lkr. Kronach) zählt zu den sehr basenarmen Standorten in Bayern. Aus diesem Grund ist die Analyse der Ausbringungsarten von Holzhackschnitzel-Reststoffen gerade in solch einem nährstoffarmen Gebiet von Bedeutung. Es wurden zwei unterschiedliche Probeflächen ausgewählt: ein 75-jähriger Fichtenaltbestand (siehe Abbildung 7) und ein rund 40-jähriger Fichtendurchforstungsbestand (siehe Abbildung 8). Dadurch kann nicht nur eine Aussage über den Effekt der Ausbringungsarten, sondern auch über den Einfluss des Alters getroffen werden.
Abb. 7 (© Riebler, Wendel)
Abb. 8 (© Riebler, Wendel)
Bevor die Holzhackschnitzel-Reststoffe und andere Varianten des Feldversuchs ausgebracht werden können, muss der Ausgangszustand des Waldbestands und des Bodens erfasst werden. Dies geschieht durch die Beprobung der Nadeln und der verschiedenen Bodenhorizonte.
Nadelbeprobung
Im November 2021 wurde begonnen Nadelproben von den ausgewählten Probebäumen zu gewinnen. Dafür wurden im Jungbestand die nötigen Äste mit Hilfe eines Steckleitersystems (sog. „Distelleiter“) und einer Schneidgriffe aus der grünen Krone (je drei Äste aus Lichtkrone, drei Äste aus Schattenkrone pro Baum) entnommen (Abbildung 9). Im Fichtenaltbestand wurden Baumkletterer eingesetzt, um die Äste zu gewinnen (Abbildung 10). In beiden Fällen wurden die Zweige der Äste noch vor Ort in den 1. und 2. Nadeljahrgang getrennt. Der erste Nadeljahrgang umfasst Nadeln, die in der aktuellen (bzw. kürzlich abgeschlossenen) Vegetationsperiode gebildet wurden, der zweite Nadeljahrgang umfasst die Nadeln, welche während der vorherigen Vegetationsperiode angelegt wurden (min. 1 Jahr alt).
Abb. 9: Gewinnung 1) & 2) und Abtrennung 3) & 4) der Nadeljahrgänge für den Jungbestand. (© Riebler, Wendel)
Abb. 10: Nadelbeprobung des Fichtenaltbestands (© Riebler, Wendel)
Nach dem Transport zur LWF wurden alle Proben getrocknet und die Spindeln und Nadeln getrennt (siehe Abbildung 11). Von allen Nadelproben wurde als einfacher Vitalitätsparameter das sog. „100-Nadelgewicht“ bestimmt. Dabei handelt es sich um die durchschnittliche Masse [g] von 100 Nadeln aus drei Stichproben je Probebaum. Anschließend wurden die Proben mit einer Ultrazentrifugalmühle fein vermahlen. Aktuell werden die Nadelproben im Labor mit Hilfe eines Benchtop-RFA-Geräts hinsichtlich ihrer Elementgehalte analysiert.
Insgesamt wurden drei Beprobungskampagnen zur Gewinnung der Nadelproben durchgeführt:
- Beprobung – Aufnahme des Ist-Zustands: Winter 2021/22
- Beprobung – 8 Monate nach dem Ausbringungsversuch: Winter 2022/23
- Beprobung – 20 Monate nach dem Ausbringungsversuch: Winter 2023/24*
*nur Beprobung im Jungbestand: Altbestand musste im Frühsommer 2023 wegen massiven Borkenkäferbefalls nahezu komplett eingeschlagen werden.
Abb. 11: Aufbereitung der Nadelproben im Labor. 1) Einwaage der frischen Probe. 2) Trocknung bei 60°C. 3) Unterschied zwischen frischer und getrockneter Probe. 4) Trennung der Kompartimente. (© Riebler, Wendel)
Bodenbeprobung
Die Beprobung des Bodens erfolgt im Frühjahr 2022 an den Versuchsflächen des Altbestands und wurde im Frühjahr 2023 wiederholt. Die Wiederholungsbeprobung erfolgte ohne Rammkernsonde, es wurden nur Humus- und obere Mineralbodenhorizonte erneut beprobt.
Um das gesamte Bodenprofil zu abzubilden, wurden unterschiedliche Beprobungsmethoden gewählt:
1. Humusbeprobung mit Stechrahmen (siehe Abbildung 12)
Die Humusauflage besteht aus weitgehend nicht-zersetzter, frischer Streu (z.B. Nadeln, Laub, tote Moose etc. = L/Of) und einem organischen Auflagehorizont (Oh). Diese beiden Horizonte werden innerhalb des 20 x 20 cm Stechrahmens vorsichtig mit einem Spachtel abgetragen. Lebende Wurzeln müssen dabei mit einer Schere herausgeschnitten werden und massenmäßig abgeschätzt werden.
2. Beprobung des mineralischen Oberbodens durch Wurzelbohrer (siehe Abbildung 13)
In das Loch der Humusbeprobung wird im zweiten Schritt der Wurzelbohrer angesetzt und das ca. 10 cm Tiefe Profil herausgedreht. Anschließend werden die verschiedenen Horizonte identifiziert und dokumentiert (Übergänge sind erkennbar durch Farb- und Dichteänderungen).
3. Beprobung des mineralischen Ober- bis Unterbodens durch Rammkernsonde (siehe Abbildung 14)
Um auch in die untersten Bereiche des Bodens zu gelangen, wurde im letzten Schritt eine Rammkernsonde mit einem Schlaghammer in den Boden gebohrt (Tiefe ca. 100 cm). Das Profil wird, wie zuvor in der 2. Beprobung, herausgehoben und die einzelnen Horizonte identifiziert und getrennt verpackt.
Abb. 12: Humusbeprobung mit Stechrahmen (© Riebler, Wendel)
Abb. 13: Beprobung des Oberbodens mit Murach’schem Wurzelbohrer (© Riebler, Wendel)
Abb. 14: Bodenbeprobung mit Rammkernsonde (© Riebler, Wendel)
Alle Proben wurden im frischen Zustand zur LWF transportiert, gekühlt und getrocknet. Nach der Trocknung werden die Bodenproben zuerst auf 2 mm gesiebt und anschließend gemahlen, um die Elementgehalte zu analysieren.
Durchführung des Ausbringungsversuch
Nach der Aufnahme des Ausgangszustands wurde der Ausbringungsversuch im Mai bis Juni 2022 gestartet. Dabei wurden insgesamt vier Varianten plus eine Kontrollfläche auf jeder Untersuchungsfläche in fünf randomisierten Wiederholungen ausgebracht (siehe Abbildung 15):
- Holzhackschnitzel- Feinanteil mit einer Siebgröße von 8 mm,
- Holzhackschnitzel- Feinanteil mit einer Siebgröße von 16 mm,
-> Der Feinanteil (8 & 16 mm) wurde durch ein Trommelsieb aus praxis-üblichen Waldrestholzhackschnitzeln hergestellt
- Modifizierter Feinanteil (8 mm + Mykorrhiza-Impfstoff)
-> Der Mykorrhiza-„Impfstoff“ soll den Austausch von Nährstoffen mit dem Baum unterstützen und wurde speziell für Fichten (Ektomykorrhiza) gewählt
- Kalkdünger mit 30 %-Holzascheanteil
-> Als Kalkdünger wurde ein handelsübliches Naturkalkprodukt für die Forstwirtschaft aus angefeuchtetem Dolomit-Mischkalk mit 30% Holzaschebeimengung verwendet
- Kontrollfläche
Die Mengen des Feinanteils orientieren sich an den empfohlenen Mengen für den Kalkdünger (3 t/ha). Angelehnt daran wurde für eine nutzerfreundliche und praxistaugliche Anwendung sowie eine realistische Verfügbarkeit der Ausbringungsmengen die doppelte Menge an Feinanteilen je Hektar gewählt. Dabei lag ein besonderes Augenmerk darauf, die Varianten zum einen gleichmäßig zu verteilen und zum anderen, die Mengen so zu wählen, dass es den Boden nicht zu stark bedeckt und so die natürliche Zersetzung der Bodenflora und -fauna gestört wird.
Der Dosis des Mykorrhiza-Impfstoffes orientiert sich an dem Stammdurchmesser (SDM) des zu behandelten Baumes, weshalb dafür der Mittelwert der gemessen Brusthöhendurchmesser aller Probebäume jeweils für den Alt- und Jungbestand herangezogen wurden.
Abb. 15: Die ausgebrachten Stoffe für den Feldversuch: 1) 8 mm Hackschnitzel- Feinanteil, 2) 16 mm Hackschnitzel- Feinanteil, 3) Mykorrhiza-Mischung, 4) handelsüblicher Kalkdünger (30 % Holzasche-Anteil)
Ausbringung der Feldversuchs-Varianten:
Die Ausbringungsmengen aller Varianten des Feldversuchs wurden zu den Probeflächen im Frankenwald transportiert je Plot und Variante vor Ort eingewogen (siehe Abbildung 16, Bild 1-3). Das Material wurde vor der Ausbringung in einem Fass homogenisiert (Bild 4), an die jeweiligen Versuchsflächen gebracht (Bild 5) und dann händisch ausgebracht (Bild 6).
Abb. 16: Ausbringung der Feldversuchs-Varianten (© Riebler, Wendel)
Ergebnisse
Aktuell werden alle gesammelten Proben nach dem finalen Schritt des Mahlens direkt auf ihren Elementgehalt analysiert. Da dies ein laufender Prozess ist, werden hier nur erste Auswertungen aus der ersten und zweiten Nadelbeprobung gegeben. Die finale Auswertung aller Ergebnisse wird im Sommer 2024 vorliegen.
Ergebnisse des 100-Nadelgewichts der 1. und 2. Beprobung (BP1 und BP2)
Für das 100- Nadelgewicht werden von jeder Nadelprobe 3 x 100 Nadeln abgezählt und ein Mittelwert gebildet. Dieser Wert gilt als einfacher Vitalitätsparameter, der zusammen mit der Elementanalyse Korrelationen zur Mengenverfügbarkeit der kritischen Pflanzennährstoffe anzeigen kann.
Abbildung 17: Varianz im Nadelgewicht der 2. Beprobung zwischen den Varianten des Ausbringungsversuchs
- Höheres Nadelgewicht bei Lichtkrone (vs. Schattenkrone) sowie Altbestand (vs. Jungbestand)
- Keine signifikanten Unterschiede zwischen den Varianten erkennbar
* N von BP 1 und BP 2; ** 1 Probebaum wurde wg. Borkenkäferbefall vor BP 2 entnommen
- Abnahme bei allen Varianten (inkl. Kontrollfläche)
- Abnahme v.a. im neugebildeten Nadeljahrgang der 2. Beprobung signifikant
- Anzeichen auf Stresseinwirkung durch mehrjährige Trockenheit und Borkenkäferdruck
Ausblick
Im finalen Projektjahr werden die letzten Proben (hauptsächlich Bodenproben) fertig aufbereitet und alle gemahlenen Proben auf ihre Elementgehalte hin analysiert und anschließend ausgewertet. Dies beinhaltet die Untersuchung der Elementverteilung zwischen Licht- und Schattenkrone sowie des Fichtenaltbestands und der Jungdurchforstung im Frankenwald. Zudem sollen die Hackschnitzel- und Siebrestproben des Praxisversuchs Aufschluss über die Verteilung von Nährstoffen in den jeweiligen Siebfraktionen geben. Sämtliche Methoden und Ergebnisse des Forschungs- und Entwicklungsprojekts werden zudem umfassend in einem Projektbericht dokumentiert.
Kontakt
Wenn Sie Fragen oder Anregungen zur Nutzung von Reststoffen aus der Aufbereitung von Holzhackschnitzeln haben, treten Sie jederzeit gerne mit uns in Kontakt:
Projektinformationen
| Kurztitel | RestUse |
| Langtitel | Möglichkeiten und Grenzen der Kreislaufwirtschaft und höherwertigen Verwendung von Reststoffen im Holzenergiesektor |
| Status | laufend |
| Projektleitung | Markus Riebler |
| Stv. Projektleitung | Dr. Herbert Borchert |
| Projektbearbeitung | Katharina Wendel |
| Laufzeit | 01.01.2021 – 31.10.2024 |
| Finanzierung | Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten |
| Förderkennzeichen | G2/N/20/11 |