Michael Lutze
Buchenholz – Rohstoff für heute und morgen - LWF-aktuell 109
Die Buche ist der wichtigste Laubbaum Mitteleuropas und wird ihren festen Platz in den klimagewandelten Wäldern von morgen einnehmen. Und das ist gut so, denn ihre hervorragenden technischen Holzeigenschaften machen sie zu einem Allrounder für die moderne Welt und gleichzeitig helfen ihre ökologischen Vorzüge, unsere Waldbestände stabiler und ertragreicher zu machen. Die letzte Bundeswaldinventur zeigte noch bedeutende Nutzungspotenziale beim Buchenstammholz auf. Also genügend gute Gründe, sich näher mit dem Holz der Buche und ihren Verwendungsmöglichkeiten zu beschäftigen.
Sie ist schon fast ein »Alleskönner«. Mit über 250 Verwendungsarten deckt die Buche eine große Nachfragespanne ab, die bei traditionellen Holzprodukten beginnt, über die Verwendung als Baustoff mit tragenden Funktionen und als Grundstoff für die Holzwerkstoffindustrie weiterführt und da sicherlich noch nicht endet, wenn Buche als Basis für alternative Plattformchemikalien in der Bioökonomie eingesetzt wird.
Buchenholz und seine Eigenschaften
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Abbildung 1: Buchenholz spielt als Möbel traditionell eine große
Rolle, dennoch sind neue marktfähige Produkte sind erforderlich. Foto: M. Lutze
Das Buchenholz ist feinporig, homogen strukturiert und ohne auffällige Zeichnung, mit Ausnahme der Spiegel. Splint und Kern sind gleichfarbig blassgelblich bis rötlichweiß. Es kann auch einen Rotkern mit wolkiger Kernfärbung besitzen. Vor einigen Jahren noch ein Geheimtipp wird heute Kernholzbuche immer mehr nachgefragt. Aus ihr lassen sich dekorative und wertbeständige, da widerstandsfähige Möbel herstellen (Abbildung 1).
Buchenholz ist mittelschwer bis schwer, von großer Härte – härter als die Eiche – und mit seiner hohen Abriebfestigkeit gut gewappnet gegen hohe Beanspruchungen (vgl. Tabelle 1; Brinelhärte). Gedämpft lässt es sich ausgezeichnet biegen und wurde bereits vor über 150 Jahren zu den bekannten Kaffeehausstühlen verarbeitet (Abbildung 2).
Allerdings ist es nicht witterungsfest, jedoch leicht zu imprägnieren. Die chemischen Eigenschaften (Tabelle 1) spielen eine bedeutende Rolle bei der Nutzung von Buchenholz in der Zellstoffindustrie und in der Bioökonomie insgesamt.
Buchenholz ist mittelschwer bis schwer, von großer Härte – härter als die Eiche – und mit seiner hohen Abriebfestigkeit gut gewappnet gegen hohe Beanspruchungen (vgl. Tabelle 1; Brinelhärte). Gedämpft lässt es sich ausgezeichnet biegen und wurde bereits vor über 150 Jahren zu den bekannten Kaffeehausstühlen verarbeitet (Abbildung 2).
Allerdings ist es nicht witterungsfest, jedoch leicht zu imprägnieren. Die chemischen Eigenschaften (Tabelle 1) spielen eine bedeutende Rolle bei der Nutzung von Buchenholz in der Zellstoffindustrie und in der Bioökonomie insgesamt.
Konstruktionsholz aus Buche
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Abbildung 2: Buche lässt sich sehr gut verformen. In den 1850er Jahren wurden die ersten Wiener Kaffeehausstühle produziert. Foto: Thonet GmbH, C. Meyer
Der Einsatz der Buche im Baubereich kann zwei Problemfelder lösen. Dies sind die derzeit hohen ungenutzten Vorräte sägefähiger Qualitäten und die Nachfrage nach geringer dimensionierten Bauholzprodukten mit großer Tragfähigkeit und hohem Elastizitätsmodul, wofür sich die Buche besonders eignet.
Brettschichtholz (BSH) aus Buche oder Buchen-Hybridträger, beispielsweise kombiniert mit Fichte, sind marktreif und aus dem Erprobungsstadium herausgewachsen. Eine Referenz ist der Erweiterungsbau der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft in Freising, in dem Brettschichtholz aus Buche verbaut wurde (Abbildung 3).
Vorteil von BSH aus Buche: Bei gleicher Biegetragfähigkeit kann der Querschnitt der Balken deutlich kleiner sein als bei Fichtenholz. Nachteil: Die Ausbeute von BSH-Lamellen ist gegenüber Nadelholz sehr gering (Kuilen, van de und Torno 2014). Dementsprechend sind die Produktkosten verhältnismäßig hoch.
Brettschichtholz (BSH) aus Buche oder Buchen-Hybridträger, beispielsweise kombiniert mit Fichte, sind marktreif und aus dem Erprobungsstadium herausgewachsen. Eine Referenz ist der Erweiterungsbau der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft in Freising, in dem Brettschichtholz aus Buche verbaut wurde (Abbildung 3).
Vorteil von BSH aus Buche: Bei gleicher Biegetragfähigkeit kann der Querschnitt der Balken deutlich kleiner sein als bei Fichtenholz. Nachteil: Die Ausbeute von BSH-Lamellen ist gegenüber Nadelholz sehr gering (Kuilen, van de und Torno 2014). Dementsprechend sind die Produktkosten verhältnismäßig hoch.
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Abbildung 3: Brettschichtholz aus Buche. Foto: M. Lutze
Baubuche auf Basis von Buchen-Furnierschichtholz vermarktet ein großer deutscher Buchenholzspezialist seit etwa zwei Jahren. Buchenfurniere haben eine lange Tradition, aber als Schichtholz für großdimensionierte Platten und Träger sind sie (noch) ein Novum im Segment der tragenden Holzbauprodukte. Fein und schlank in Form von Paneel hat die Buche Potenzial im Möbeldesign, kräftig und stark wirkt sie als »Bau-Buche Boden«.
Mit der Formholztechnologie lassen sich Buchenkanthölzer über Verdichtung und Erwärmung in einer Etagenpresse zu Platten und anschließend zu Rohren formen. Bis es jedoch zum Einsatz im Tragwerkbau kommen kann, bedarf es noch weiterer Entwicklungen (Haller 2016).
Mit der Formholztechnologie lassen sich Buchenkanthölzer über Verdichtung und Erwärmung in einer Etagenpresse zu Platten und anschließend zu Rohren formen. Bis es jedoch zum Einsatz im Tragwerkbau kommen kann, bedarf es noch weiterer Entwicklungen (Haller 2016).
Eigenschaften des Buchenholzes
| Eigenschaften | Werte |
|---|---|
| Rohdichte (kg/m3) | 540 bis 910 |
| Druck-Festigkeit (N/mm2) x 1000 | 41 bis 99 |
| Biege-Festigkeit (N/mm2) x 1000 | 74 bis 210 |
| Zug-Festigkeit (N/mm2) x 1000 | 57 bis 180 |
| Elastizitätsmodul (N/mm2) x 1000 | 10 bis 18 |
| Brinelhärte (N/mm2) | circa 72 |
| Zellulose (%) | 34 bis 49 |
| Hemizellulose* (%) | bis ca. 35 |
| *davon Pentosane (%) | 17 bis 26 |
| Lignin (%) | 12 bis 23 |
| Acetylgruppen (%) | 6 bis 7 |
| Methoxyl | 5 bis7 |
| Dauerhaftigkeit | Klasse 5 |
Sorgenkind Furnierindustrie
Aus Buchenstammholz guter Qualität produziert die Furnierindustrie seit Mitte des 19. Jahrhunderts Schälfurniere, insbesondere zur Herstellung von Sperrholz. Allerdings ist ihre Produktion in Deutschland seit Jahren rückläufig. Die Ursachen sind in erster Linie hohe Lohn- und Rohstoffkosten.
Die Furnierausbeute lässt sich aber durch technologische Innovationen erhöhen: Aus der Furnierbahn müssen Risse und verfaulte Schwarzäste durch sogenanntes Klippen herausgeschnitten werden. Durch ein neues Verfahren, mit Hilfe maschineller Erkennung und Sortierung, Ausklippen und erneutem Zusammenfügen, ließe sich in Kombination mit dem Presstrocknungsverfahren die Ausbeute steigern.
Allerdings wären hohe Investitionen in Trocknungsanlagen erforderlich. Das Verfahren steht aber leider noch nicht im industriellen Maßstab zur Verfügung (Richter und Buddenberg 2015).
Die Furnierausbeute lässt sich aber durch technologische Innovationen erhöhen: Aus der Furnierbahn müssen Risse und verfaulte Schwarzäste durch sogenanntes Klippen herausgeschnitten werden. Durch ein neues Verfahren, mit Hilfe maschineller Erkennung und Sortierung, Ausklippen und erneutem Zusammenfügen, ließe sich in Kombination mit dem Presstrocknungsverfahren die Ausbeute steigern.
Allerdings wären hohe Investitionen in Trocknungsanlagen erforderlich. Das Verfahren steht aber leider noch nicht im industriellen Maßstab zur Verfügung (Richter und Buddenberg 2015).
Buchenholz als (neuer) Werkstoff
Holz wird seit langem in technisch etablierten Prozessschritten zu Werkstoffen modifiziert, die in ausgewählten Eigenschaften leistungsstärker sind als ihr Ausgangsmaterial und eine hohe stoffliche Ressourcenausnutzung ermöglichen. Buchenholz ist wegen seiner besonderen Eigenschaften für spezielle Funktionen geradezu prädestiniert.
Ein Beispiel sind die »mitteldichten Faserplatten« (MDF). Hier liefert der Einsatz von Buchenholzfaserstoff aufgrund seiner kürzeren und glatteren Fasern im Vergleich zum Nadelholz eine besondere Tieffräsqualität. Bei der nächsten Generation von Holzwerkstoffen wird in die Zellstruktur der Holzzellwände eingegriffen, dabei durch Wärme, chemische Reaktionen oder Austausch von Strukturpolymeren modifiziert.
Ein Beispiel sind die »mitteldichten Faserplatten« (MDF). Hier liefert der Einsatz von Buchenholzfaserstoff aufgrund seiner kürzeren und glatteren Fasern im Vergleich zum Nadelholz eine besondere Tieffräsqualität. Bei der nächsten Generation von Holzwerkstoffen wird in die Zellstruktur der Holzzellwände eingegriffen, dabei durch Wärme, chemische Reaktionen oder Austausch von Strukturpolymeren modifiziert.
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Zu diesen sehr modernen Verfahren gehört die »Belmadur-Technologie«, die das Buchenholz in die Klasse 5 bei der Dauerhaftigkeit auf eine Stufe mit Teakholz hebt. Das Buchenholz wird dabei modifiziert, indem ein Mittel aus der Textilindustrie, DMDHEU (Dimethyldihydroxyethylenurea), mit den OH-Gruppen benachbarter Cellulosefibrillen chemische Bindungen eingeht und auf diese Weise einen quasi-gequollenen Zustand der Zellwand bewirkt. Dadurch wird eine Sorptionsvergütung bewirkt, da sich keine Wassermoleküle an die nun besetzten OH-Gruppen binden können (Richter und Buddenberg 2015).
Bioraffinerie und Buchenholz
Die Grundidee einer Bioraffinerie ist es, fossile Rohstoffe – sei es aufgrund von Verknappung, Verteuerung oder aus Klimaschutzgründen – durch nachhaltig angebaute biologische Ausgangsstoffe zu ersetzen. Eine Lignocellulose-Bioraffinerie erzeugt aus Buchenholz Plattformchemikalien, aus denen durch weiter verarbeitende Industrien biobasierte Produkte entstehen.
Die gleichwertige Nutzung aller Hauptkomponenten des Ausgangsmaterials (Cellulosen, Hemicellulosen und Lignin) ist damit möglich. Aus den gewonnenen Fraktionen lassen sich chemische und biotechnologische Zwischenprodukte sowie Bindemittel und Füllstoffe für Holzwerkstoffe und Kunststoffe gewinnen (nach Michels 2013).
Die gleichwertige Nutzung aller Hauptkomponenten des Ausgangsmaterials (Cellulosen, Hemicellulosen und Lignin) ist damit möglich. Aus den gewonnenen Fraktionen lassen sich chemische und biotechnologische Zwischenprodukte sowie Bindemittel und Füllstoffe für Holzwerkstoffe und Kunststoffe gewinnen (nach Michels 2013).
Holzfaserstoffe erfolgreich in der Bioökonomie
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Abbildung 4: Viskosefasern aus Buchenholz. Foto: Lenzing AG, M. Renner
Aus Zellstoff lassen sich nicht nur hochwertige Papiere herstellen, inzwischen dienen industriell isolierte nanoskalige Cellulosefibrillen oder -micellen als Grundstoff für transparente Bildschirmdisplays oder Biokunststoffe. Darüber hinaus ist Cellulose aber auch Rohstoff für Viskosefasern der Textilindustrie (Abbildung 4). Wir tragen also praktisch Holzbausteine auf der Haut.
Das Verfahren zur Viskosegewinnung aus Cellulose stammt bereits aus dem 19. Jahrhundert. Seine Weiterentwicklung erlaubt heute eine umweltfreundliche Erzeugung von Viskosefasern aus Regeneratcellulose. Sie entsteht, wenn während des Spinnverfahrens die chemische Veränderung rückgängig gemacht wird, so dass die produzierte Endlosfaser aus chemisch unveränderter Cellulose besteht (Bariska et al. 2001).
Das Verfahren zur Viskosegewinnung aus Cellulose stammt bereits aus dem 19. Jahrhundert. Seine Weiterentwicklung erlaubt heute eine umweltfreundliche Erzeugung von Viskosefasern aus Regeneratcellulose. Sie entsteht, wenn während des Spinnverfahrens die chemische Veränderung rückgängig gemacht wird, so dass die produzierte Endlosfaser aus chemisch unveränderter Cellulose besteht (Bariska et al. 2001).
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Modal, eine in der Textilindustrie eingesetzte Spezialfaser aus Viskose und der neue Regeneratcellulosetyp Lyocell – unter dem Markennamen Tencel vermarktet – verdeutlichen das Potenzial, das in den Holzfaserstoffen speziell aus Buchenholz steckt.
Insbesondere die hohe Wertschöpfung etwa im Vergleich zur Brennholznutzung überzeugt – liegt sie doch bei 10:1. Insgesamt ist der Anteil von Viskosefasern auf Cellulosebasis mit 6% am Weltmarkt für Fasern aber gering. Marktbeherrschend sind Baumwollfasern und Kunstfasern (Isopp 2012). Dennoch beläuft sich die Produktion allein in Deutschland und Österreich auf mehrere hunderttausend Tonnen jährlich, Tendenz steigend.
Insbesondere die hohe Wertschöpfung etwa im Vergleich zur Brennholznutzung überzeugt – liegt sie doch bei 10:1. Insgesamt ist der Anteil von Viskosefasern auf Cellulosebasis mit 6% am Weltmarkt für Fasern aber gering. Marktbeherrschend sind Baumwollfasern und Kunstfasern (Isopp 2012). Dennoch beläuft sich die Produktion allein in Deutschland und Österreich auf mehrere hunderttausend Tonnen jährlich, Tendenz steigend.
Buchenholz ist ein »Smartes Material«
Smarte Materialien sind solche, die ihre Umwelt »wahrnehmen« und auf externe Reize reagieren. Von ihnen wird erwartet, dass sie im 21. Jahrhundert zu einer neuen Klasse multifunktioneller Materialien aufsteigen. Was heute noch Forschung ist, kann morgen schon zu neuen Produkten führen.
Anschaulich ist dies bei Buchenholz, es ändert mit Wechsel des Feuchtigkeitsgehaltes seine Form: Ein Stab aus Fichten- und Buchenholz verbiegt sich bei Änderung desWassergehalts, wobei sich das Buchenholz mehr ausdehnt als das Fichtenholz. Der Vorgang ist reversibel und das Buchenholz wirkt als »aktive Lage« (Laborie 2016).Man darf gespannt sein, mit welchen Überraschungen und Innovationen die Forschung und Entwicklung im 21. Jahrhundert noch aufwartet!
Anschaulich ist dies bei Buchenholz, es ändert mit Wechsel des Feuchtigkeitsgehaltes seine Form: Ein Stab aus Fichten- und Buchenholz verbiegt sich bei Änderung desWassergehalts, wobei sich das Buchenholz mehr ausdehnt als das Fichtenholz. Der Vorgang ist reversibel und das Buchenholz wirkt als »aktive Lage« (Laborie 2016).Man darf gespannt sein, mit welchen Überraschungen und Innovationen die Forschung und Entwicklung im 21. Jahrhundert noch aufwartet!
In Zeiten des Klimawandels – Ja zur Buche!
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Abbildung 5: Möbel aus Kernbuche finden immer mehr Gefallen. Foto: M. Lutze
Ihre beschriebenen hervorragenden Holzeigenschaften sowie die vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten machen die Buche zu einem Baum der Zukunft – nicht zuletzt wegen ihrer ökologischen und ökonomischen Vorzüge. Denn in weniger wüchsigen und mit Risiken behafteten reinen Fichtenbeständen ist eine Beteiligung der Buche nicht nur ein vorausschauendes Risikomanagement, sondern lässt auch höhere Erträge erwarten (Pretzsch et al. 2010).
Bestände von Kiefer und Buche in Mischung zeichnen sich offensichtlich generell durch eine höhere Produktivität aus, als ihre jeweiligen Reinbestände (Preztsch 2015). Es gibt also einen Dreiklang der Buche aus gutem Holz, Ökologie und Ökonomie und somit ausreichend Gründe, sie beim Umbau reiner Fichten- und Kiefernbestände zu beteiligen.
Bestände von Kiefer und Buche in Mischung zeichnen sich offensichtlich generell durch eine höhere Produktivität aus, als ihre jeweiligen Reinbestände (Preztsch 2015). Es gibt also einen Dreiklang der Buche aus gutem Holz, Ökologie und Ökonomie und somit ausreichend Gründe, sie beim Umbau reiner Fichten- und Kiefernbestände zu beteiligen.
Ein Blick ins 22. Jahrhundert
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Abbildung 6: Stabile Buchen und Buchenmischbestände stehen für
den Dreiklang aus gutem Holz, Ökologie und Ökonomie. Foto: J. Böhm
Wagen wir einen Blick ins nächste Jahrhundert und einige Gedanken zu Märkten und Preisen: Buchenholzbasierte Produkte aus der Bioökonomie-Pipeline müssen sich wie alle Produkte dem Wettbewerb stellen. Konkurrieren sie mit Gütern aus fossilen Rohstoffen, haben sie es bei den aktuell sehr niedrigen Rohölpreisen besonders schwer am Markt. Daraus lässt sich aber nicht auf zukünftige Entwicklungen schließen.
Bei den langen Produktionszeiträumen jenseits von hundert Jahren wären Prognosen zu Holzpreisen und Angebots-/Nachfrageszenarien für das 22. Jahrhundert nicht seriös. Technische Entwicklungen lassen sich über einen so langen Zeitraum nicht treffend vorhersagen.
Kurz- und mittelfristige Preisschwankungen wie beim Rohöl – 2008 lag der Preis bei 150 US-$ pro Barrel, aktuell liegt er bei circa 40 US-$ – rufen Marktstörungen hervor, aber sie kippen nicht die langfristigen Trends zu nachhaltig produzierten Materialien und Energieformen.
Bei den langen Produktionszeiträumen jenseits von hundert Jahren wären Prognosen zu Holzpreisen und Angebots-/Nachfrageszenarien für das 22. Jahrhundert nicht seriös. Technische Entwicklungen lassen sich über einen so langen Zeitraum nicht treffend vorhersagen.
Kurz- und mittelfristige Preisschwankungen wie beim Rohöl – 2008 lag der Preis bei 150 US-$ pro Barrel, aktuell liegt er bei circa 40 US-$ – rufen Marktstörungen hervor, aber sie kippen nicht die langfristigen Trends zu nachhaltig produzierten Materialien und Energieformen.
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Das Laubstammholz mittlerer und guter Qualitäten entspricht preislich nicht den Erwartungen der Anbieter. Eine Zukunftsfrage der Forst- und Holzwirtschaft ist es, ob neue Technologien durch eine erhöhte Wertschöpfung langfristig die Wettbewerbsfähigkeit des Sektors erhalten oder erhöhen können.
Die Antwort wird wohl erst im letzten Drittel dieses Jahrhunderts oder im nächsten für heute juvenile Bestände möglich sein. Eine Absage an waldbauliche Verfahren zur Erziehung qualitativ hoher sowie stärkerer Dimensionen scheint heute zu risikoreich. Es sollte das Ziel eines jeden Waldbesitzer und Försters sein, in den Beständen einen möglichst hohen Anteil bester Stämme zu erziehen.
Neue Verfahren mit Holzmodifikationen oder Nanotechnologie bedeuten nicht zugleich einen Mehrwert für den Waldbesitz. Die forstliche Koppelproduktion generiert genügend nichtsägefähige Sortimente und Nebenprodukte bzw. Reststoffe, die als Grundstoffe für neue Werkstoffkompositionen eingesetzt werden können. Wertholz aber hat schon immer gute Preise erzielt!
Die Antwort wird wohl erst im letzten Drittel dieses Jahrhunderts oder im nächsten für heute juvenile Bestände möglich sein. Eine Absage an waldbauliche Verfahren zur Erziehung qualitativ hoher sowie stärkerer Dimensionen scheint heute zu risikoreich. Es sollte das Ziel eines jeden Waldbesitzer und Försters sein, in den Beständen einen möglichst hohen Anteil bester Stämme zu erziehen.
Neue Verfahren mit Holzmodifikationen oder Nanotechnologie bedeuten nicht zugleich einen Mehrwert für den Waldbesitz. Die forstliche Koppelproduktion generiert genügend nichtsägefähige Sortimente und Nebenprodukte bzw. Reststoffe, die als Grundstoffe für neue Werkstoffkompositionen eingesetzt werden können. Wertholz aber hat schon immer gute Preise erzielt!
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Autoren
- Dr. Michael Lutze