Prof. Dr.-Ing. Volker [email protected]; [email protected]
Kaskadennutzung Holz
HOTEW
Holztechnik aus Eberswalde
02. April 2014
Thole 2
Vortragsgliederung
1. Einleitung
� Basisdaten, Rohstoffsituation, Rohstoffwettbewerb
2. Altholz
3. Altholztrennung
4. Kaskadennutzung
5. Beispiele effizienter Rohstoffnutzung
6. Zusammenfassung
Thole 3
EinleitungBasisdaten, Rohstoffsituation,
Rohstoffwettbewerb
Thole 4
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 5
Verwertung des eingeschlagenen Holzes in Mio.m³/a
Stofflich Energetisch
Schnittholz 30 Direkt(Hausbrand, Industrie, Verstromung)
25Platten 7
Papier 8Indirekt 30
Summe 45
Nach Frühwald 2010Quelle: Mantau 2010
Thole 6
Nutzbare und genutzte Holzsortimente in Deutschland (übliche Angaben)Sortiment Mio. t/a Anmerkungen
Waldholz(Einschlag) 20 Vollständige stoffliche Nutzung
Waldholz (nicht eingeschlagen)
10 Einschlag möglich bei höheren Kosten
Säge-Restholz 4Überwiegend stoffliche Nutzung, zunehmende als Rohstoff für Pellets
Produktionsabfälle 5Verwertung beim Erzeuger (stofflich, energetisch)
Altholz 8Wettbewerb zur stofflichen und energetischen Verwertung
Rinde 1 Kompost, energetische Verwertung
Quelle: Mantau 2010
Thole 7
Stammholz 30,2
Industrie- und Waldrestholz 21,3
Sägenebenprodukte 11,2
Rinde 2,0
andere Industriereststoffe 2,1
Gebrauchtholz, Altholz 10,3
Landschaftspflegematerial 2,2
Bilanzausgleich -
Insgesamt 79,3
Holzschliff und Zellstoff 7,2
Holzwerkstoffe 15,2
Sägeindustrie 29,8
sonst. stoffliche Nutzung 1,5
energetisch > 1 MW 7,9
energetisch < 1 MW 4,8
Hausbrand 12,5
sonst. energ. Verwertung 0,0
Bilanzausgleich 0,4
Insgesamt 79,3
Inlandsverbrauch
Quelle: Maurer
Holzbilanz 2002 in Mio. FmInlandsaufkommen
Quelle: Mantau 2010
Thole 8
Holzverwertung 1987 bis 2010 in Mio. FM
VerwertungJahr
1987 2002 2005 2010Sägeindustrie 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 9
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/FA O and Jonsson, R.: econometric modelling; others incl uding veneer & plywood
Thole 10
Deckungslücke im Holzbereich in der EU; Unterschiedzwischen möglicher Nachfrage (Szenario A1) und dreiverschiedenen Mobilisierungsszenarien an Biomasse
Quelle: Mantau 2010
2016
2025
Thole 11
Quelle: In Anlehnung an EPF Annual Report 2011-2012
Recyclingholz für Spanplatten in Europa -Ein Vergleich-
LandHolzbedarf in
x 1000 tRundholzanteil
in %
Recycling-holzanteil
%
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
Thole 12
Mantau 2006
Brennholzeinsatz in Deutschland (Verdoppelung 2000 bis 2005)
0,23
0,20
0,57
1,64
0,68
0,73
1,72
14,30Scheitholz (Wald)
Scheitholz (Industrie)
Landschaftspflege
Schnittholzreste(Frischholz)
Schnittholz (Altholz)
Holzbriketts
Pellets
Hackschnitzel
Gesamt 20,1 Mio. m³/a
Thole 13
44000
70000
27000
1900013000
80003000
800
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Zahl der Pelletheizungen in Deutschland 1999 bis 200 6CEPV 2006
Thole 14
Folgen 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 15
Altholz
Thole 16
Rechtliche 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 / 20 03)
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 17
�Quelle: Altholzverordnung 2002
Altholz-kategorie
Definition laut §2 AltholzV
A INaturbelassenes oder lediglich mechanisch bearbeitetes Altholz, dasbei seiner Verwendung nicht mehr als unerheblich mit holzfremdenStoffen verunreinigt wurde,
Altholzkategorie AI
Thole 18
Altholz A I
Quelle: FhG WKI: Meinlschmidt
Sägespäne Paletten / Verpackungen
Sägerestholz
Thole 19
�Quelle: Altholzverordnung 2002
Altholz-kategorie
Definition laut §2 AltholzV
A I
A II Verleimtes, gestrichenes, beschichtetes, lackiertes oder anderweitigbehandeltes Altholz ohne halogen-organische Verbindungen* in derBeschichtung und ohne Holzschutzmittel,
�*Als halogenorganische Verbindungen werden chemisch e Verbindungen aus Brom, Jod, Fluor und Chlor bezeichnet. In Verbindung mit Kohlenwasserstoffen bi lden Halogene sehr wirksame Lösungsmittel. Bekannteste Vertreter sind DDT, PCP und PCB.
Altholzkategorie AII
Thole 20
Altholz A II
�Quelle: FhG WKI: Meinlschmidt
Möbel aus Holz und Holzwerkstoffen
Thole 21
Quelle: Altholzverordnung 2002
Altholz-kategorie
Definition laut §2 AltholzV
A I
A II
A III Altholz mit halogen-organischen Verbindungen in der Beschichtungohne Holzschutzmittel,
Altholzkategorie AIII
Thole 22
Altholz A III
Quelle: BAV
Holz und Holzwerkstoffe mit PVC Anhaftungen
Thole 23
�Quelle: Altholzverordnung 2002
Altholz-kategorie
Definition laut §2 AltholzV
A I
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 AI, A II oder A III zugeordnet werden kann, ausgenommen PCB-Altholz;
Altholzkategorie AIV
Thole 24
Altholz A IV
�Quelle: FhG WKI: Meinlschmidt
Eisenbahnschwellen Zaunpfähle / Hopfenstangen
Altfenster aus Abbruchholz
Thole 25
�Quelle: Altholzverordnung 2002
Altholz-kategorie
Definition laut §2 AltholzV
PCB-Altholz Altholz, das PCB im Sinne der PCB/PCT-Abfallverordnung ist und nachderen Vorschriften zu entsorgen ist, insbesondere Dämm- undSchallschutzplatten, die mit Mitteln behandelt wurden, diepolychlorierte Biphenyle enthalten
Altholzkategorien
Schallschutzplatte mit polychlorierten Biphenylen (PCB)
Thole 26
Altholzsortierunng
Thole 27
Quelle: BAV
Aktueller Stand der Technik
Sortierung beim Abkippen Sortierung am Band
Thole 28
Sortierung in Betrieben der Spanplattenindustrie
�Quelle: Maier Zerkleinerungstechnik und FhG WKI, Mei nlschmidt
Thole 29
Klassische Sortierung
Quelle: FhG WKI, Meinlschmidt
Metall
Glas und Steine
Kunststoffe
Thole 30
Quelle: FhG WKI
Mögliche Verfahren zur Erkennung von Störstoffen
NIR-Spektroskopie
Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie (IMS)
Röntgenfluores-zenzanalyse (RFA)
Thole 31
Ortsauflösende NIR -Spektroskopie
�Quelle: FhG WKI M. Lingnau
NIR-Spektroskopie
Wellenlängen 1000 nm –2200 nm
Online-Messungen möglich
Signalaufbereitung erforderlichdurch Normierung, Glättung, Differentiation, Hauptkomponentenanalyse
Thole 32
Ortsauflösende 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 33
Ortsauflösende NIR -Spektroskopie und Klassifikation
Quelle: FhG WKI B. Plinke
Erkennung von Störstoffen im Holz
Klassifiziertes Hyperspektralbild:Rot – Holzoberfläche, grün –HPL, blau – PE
Probe: Spanplatte, Massivholz, HPL, PE
Hauptkomponenten nach Normierung, 2. Ableitung, Glättung
Thole 34
Ortsauflösende NIR -Spektroskopie und Klassifikation
Quelle: FhG WKI D. Mauruschat & B. Plinke
Erkennung verschiedener Störstoffe
Klassifiziertes Hyperspektralbild
Probe: AltfensterKiefernholz (1 und 3)Glas (2)Farbe (4)Fensterkitt (5)Nägel (6)Kunststoffe (7 und 8)
Hauptkomponenten nach Normierung, 2. Ableitung, Glättung
Thole 35
Ortsauflösende NIR -Spektroskopie und Sortierung
Quelle: RTT Steinert, PTS, Pigorsch und FhG WKI, Meinlschmidt
Sortierversuch: Abscheidung von Partikeln mit Lackanteil(PVC / HPL)
Thole 36
Quelle: Schumann Analytics
Verbesserte Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie (FAIMS)
Prinzip der "High-Field Asymmetric Waveform Ion Mob ility Spectrometry" (FAIMS) bei Feldstärken von >10.000 V/ cm
Weitere Verbesserung der Auflösung durch Kopplung mit einem Gaschromatographen (GC-FAIMS)
Thole 37
Quelle: Schumann Analytics , FhG WKI Meinlschmidt
“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 FieldCV = Compensation Voltage
Thole 38
Probe: Kontaminierte Eisenbahnschwelle
Positiver Modus
Schnellerkennung vieler organischer Verbindungen, insb. Holzschutzmittel wie z.B.
-Pentachlorphenol (PCP), -γ-hexachlorcyclohexan (Lindan), -Permethrin
Unterscheidung von A I-III und A IV möglichQuelle: Schumann Analytics
Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie (IMS)
Negativer Modus
Thole 39
Ausblick 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 40
Kaskadennutzung
Thole 41
Kaskadennutzung
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 42
Versuch 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 43
Die Kaskadennutzung kann erfolgen durch:
� Multiple PMS-Nutzung
� PMS-Recycling
� Materialup- und downcycling
� Stoffup- und downcycling
� PMS-Mehrfachnutzung
� Produktionsintegrierte Koppelproduktnutzung
Thole 44
Bereitstellungder Rohstoffe
Verarbeiten der Rohstoffe
Bearbeiten oder Verarbeiten
von Material oder Stoffen
Produkt 1 bis n
Energetische Verwertung
Rohstoff(Asche, Schlacke)
Produkt A bis X
P-recycling
MS-recycling
Up-oder
DownceyclingP-recycling
Upceycling
MS-recycling
Thole 45
Rundholz Sägeprodukteherstellen
Sägeprodukte nutzen
OSB
Rohstoff(Asche, Schlacke)
Energetische Verwertung
Spanplatten
PM-recycling
Down-ceycling
PM-recycling
Upceycling
MS-recycling
MDF
P-recycling
PM-recycling
Upceycling
Zement
S-recyclingS-recycling
Thole 46
Beispiele effizienter Rohstoffnutzung
Thole 47
Beispiel: 1Effiziente Altholzzerkleinerung
Thole 48
Aufbereitung 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 49
Durch eine hydrothermale Vorbehandlung steigt die Feuchte und der E-Modul wird geringer.
Summenhäufigkeit der Spanfraktion mit und ohne hydrothermale Hackschnitzelvor-behandlung.
� Die nach einer hydrothermale Vorbehandlung zerspanten Hackschnitzel ergeben Spanfraktionen mit deutlich geringeren Feinanteilen.
� Der Breitenschlankheitsgrad (Verhältnis von Partikelbreite zu Partikeldicke) der nach einer hydrothermalen Vorbehandlung hergestellten Partikel ist größer.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,10
0 < x1 < 0,60 0,60 ≤ x2 < 1,25 1,25 ≤ x3 < 3,15 3,15 ≤ x4 < 5,00 x5 ≥ 5,0
rela
tive
Sum
men
häuf
igke
it q3
(i)
Spanfrakt ionen x 1 bis x 5 in mm
ohn e Vorb ehand lu ng
mi t Vo rbehan dlung
Thole 50
Mit abnehmenden Feinanteilen wird die gesamte Partikeloberfläche geringer, der flächenbezogene Klebstoffanteil steigt.
Querzugfestigkeit von Spanplatten aus Spänen mit und ohne hydrothermale Hackschnitzelvorbehandlung
� Die Querzugfestigkeit von Spanplatten mit Spänen aus vorbehandelten Hackschnitzeln ist höher.
� Bei üblichen MS-Fraktionen, ist die Differenz der Querzugfestigkeit noch ausgeprägter.
� Werden Späne aus vorbehandelten Hackschnitzel verwendet, kann der Klebstoffanteil vermindert werden.
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
mit Fraktion x < 1,25 mm ohne Fraktion x < 1,25 mm
Qu
erzu
gfe
stig
keit
in N
/mm
²
ohne Vorbehandlung
mit Vorbehandlung
Plattentyp: einschichtige SpanplattenKlebstoff : 8 % K 350
Thole 51
Beispiel: 2Spanplatten aus alten Fensterrahmen
Thole 52
Quelle: FhG WKI, Briesemeister
Herstellung von Spanplatten aus alten Fensterrahmen
Spanplatten aus alten Meranti Fensterrahmen A 2 (entfernter TiO 2Lack)
Thole 53
Quelle: FhG WKI, Briesemeister
Spanplatten aus alten Meranti Fensterrahmen A2 (entfernter TiO2Lack)
Herstellung von Spanplatten aus alten Fensterrahmen
Thole 54
Quelle: FhG WKI, Briesemeister
Spanplatten aus alten Meranti Fensterrahmen #2 (entfernter TiO2 Lack)
Herstellung von Spanplatten aus alten Fensterrahmen
Thole 55
�55
Beispiel 3:Lamellierung durch Druckzerkleinerung
(Scrimberherstellung)
Thole 56
�56
Ausgangssituation
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 57
Lamellierungstechnikendurch
Kräfte am Schneidkeil Druckkräfte
Spalten Zerspanen
Sägen, Fräsen Zerspaner Furniermaschinen
Wellen-,Messerring-,Scheiben-zerspaner
Schindeln,Lamellen,
Fäden
Schäl-,Messer-
maschine
StrandsFlakes
SägegatterProfilzerspan.
Kreissäge, usw
Bretter, Leisten,Furniere,Lamellen
Furniere,Lamellen,Streifen
Pressen Walzen
Biege-furniere
Faden-vliese
Lamellierungstechniken
Thole 58
�58
Technikumsversuche
Fensterkanteln (beschichtungsfrei)
Rippenwalze
Thole 59
�59
Technikumsversuche
Druckdesintegrierten Altholz
Thole 60
�60
Scrimberbalken
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 61
Zusammenfassung
Die Akteure der verschiedenen stofflichen Holzverwe rtungs-linien stehen vor erheblichen Herausforderungen. Di e Holzwerkstoffindustrie gehört mittlerweile fast zu den „Altindustrien“. Häufig wird dieser Industrie daher ein großes Beharrungsvermögen nachgesagt. Über einen längeren Zeitraum betrachtet, sind die I nnovationen aber beträchtlich. Zur Sicherung der Holzwerkstoffs tandorte ist aber nicht nur die Holzwerkstoffindustrie gefragt. Auch die durch politische Entscheidungen beeinflussbaren Rah men-bedingungen müssen stimmen. Dies gilt insbesondere für die aktuellen stofflichen Herausforderungen.
Thole 62