To use or not to use: Environmental effects of - ETH E

Research Collection
Doctoral Thesis
To use or not to use: Environmental effects of wood utilization in
Switzerland
Author(s):
Suter, Florian
Publication Date:
2016
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010742422
Rights / License:
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ETH Library
DISS. ETH NO. 23753
To use or not to use:
Environmental effects of wood utilization in Switzerland
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
FLORIAN SUTER
M.Sc. Environmental Sciences, ETH Zurich
born on 10.04.1984
citizen of Zurich (ZH) and Unterehrendingen (AG)
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Stefanie Hellweg, examiner
Prof. Dr. Bernhard Steubing, co-examiner
Prof. Dr. Klaus Richter, co-examiner
2016
Summary
The increased use of renewable resources for the provision of materials and energy is one important
pathway to face future environmental challenges. An important renewable resource in Switzerland is
wood. Its use is manifold and connected to various environmental impacts and benefits. A resilient
utilization requires knowledge of environmental effects from wood harvesting, use and disposal. The
goal of this thesis is the provision of decision support for an effective wood resource management in
Switzerland by increasing this knowledge. The guiding question was: How does the use of the resource wood affect the environment and what are measures to best exploit its environmental benefits
from a systems perspective in the case of Switzerland? To provide a comprehensive view on the environmental effects of wood use, an environmental assessment of the wood value chain was conducted, including all major wood products produced or consumed in Switzerland. In particular, the thesis
environmentally assessed the individual parts of the wood value chain, the potential benefits of
wood use when substituting other products, and key sensitivities for the environmental performance
of wood use on the national level of Switzerland.
The first part of the thesis analyses environmental effects of the current wood use in Switzerland. A
material flow analysis (MFA) of this current use was combined with life cycle assessment (LCA) based
environmental indicators to evaluate environmental impacts related to the material flows. Results of
this first part show that the current wood use contributes to the mitigation of environmental impacts, especially through a reduction in greenhouse gas emissions and fossil energy demand. In terms
of CO2 emissions the results show an average reduction of about 2.2 million tonnes of CO2-eq per
year from current wood use (approx. 0.42 tonnes of CO2-eq per m3 solid wood). The main reason for
these savings is the substitution of other, more energy intensive, materials and fuels. In particular,
this includes savings from the replacement of primary metals like steel (approx. 0.79 tonnes of CO2eq per m3 of solid wood) and fossil based energy carriers like fuel oil (approx. 0.55 tonnes of CO2-eq
per m3 of solid wood). On a national scale, CO2 savings are currently highest from energy based wood
uses. At the same time, results also show that wood use can increase environmental impacts such as
particulate matter emissions or biodiversity impacts. It is essential to be aware of these environmental strengths and weaknesses. Attention should be paid in particular to the following points:
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The combustion of wood leads to potentially high particulate matter emissions. Such environmental hotspots in wood use need to be addressed. In case of particulate emission the
use of particle filters and automated combustion systems is one mitigation method.
Biodiversity effects from wood imported to Switzerland can be significant. To minimize such
impacts wood should be sourced from forests with selection silvicultural systems and regions
that do not contain many endemic species.
A cascading of wood can help to use the resource more efficiently. Environmental effects,
however, depend strongly on the products substituted during the cascade and on how efficiently wood can be used for energy production in the end. Additionally, it is more important
to increase the use of primary wood than to cascade as much wood as possible, given the
current underuse of the resource in Switzerland.
A systems perspective on wood allows for a resource based optimization of its use rather
than optimizing only individual applications. The weighting of impacts from different use options against one another enables a prioritisation of available measures to reduce system
wide environmental impacts based on overall aims and constraints.
The second part of the thesis identifies key parameters for the overall environmental performance of
wood use. Each parameter was evaluated with a sensitivity analysis to contribute to a better understanding of its influence on environmental effects from wood use. Sensitivities were assessed with
regard to different efficiencies and allocations in waste wood treatment, future energy use of wood
under scenarios of changing energy mixes, changes in the current wood use pattern, consideration of
biogenic carbon as well as different origins of the used wood. Overall, results show a still unexploited
potential of environmental benefits from wood use. These benefits are particularly high in the following areas:
Wood use pattern: The sustainably available wood in Switzerland should be exploited. The wood
should be used in applications where it has the highest substitution effects. These effects can be high
both in material applications like construction, furniture or packaging and in energy applications,
depending on the materials replaced. To prevent high impacts on climate change from biogenic CO2
emissions, it is advisable to use additionally mobilised wood in long-term applications like buildings
instead of for immediate combustion, whenever the wood quality allows for it.
End of life treatment: Today, the incineration of waste wood is less energy efficient than the direct
incineration of forest wood in dedicated facilities. An important reason is the rather low energy efficiency of municipal solid waste incinerators in Switzerland, which should be augmented in the longterm. Furthermore, the allocation of waste wood to the different waste wood incineration technologies could be improved using environmental criteria. For example, co-combustion in highly efficient
clinker kilns from cement production can lead to high environmental benefits, if fuels such as coal are
substituted.
Wood trade: Currently, small volumes of imported raw wood (like from forests in Madagascar and
Cameroon) can dominate biodiversity impacts from overall raw wood imports. For the import of
semi-finished or finished wood products, this effect is supposed to be even higher. Even more of the
underlying raw wood in such products may come from regions with high potential biodiversity loss.
By avoiding wood imports (either as raw wood or wood based products) from non-certified forests,
particularly from regions with high endemic richness (e.g. tropical countries), biodiversity effects can
be significantly reduced. Wood imports are also connected to transport activities. Although not the
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most important contributor to overall impacts, transport could still be reduced by sourcing more
local wood. In terms of waste wood, high amounts are currently exported from Switzerland. By enhancing the domestic utilization, more of the substitution benefits occurring from its incineration
would stay in Switzerland.
Wood use for energy: It is expected that the Swiss energy mix shifts towards a more renewable energy production in the future. This may lead to a decrease of substitution benefits for wood used in
energy provisioning. Thus, from an overall environmental perspective the material based use of
wood may become more important in the future.
The third part of the thesis ventures into the future and discusses measures to improve the environmental performance in wood use. Based on the assessments in the first and second part of the thesis, this greatly supports the attempts of the current Swiss wood resource policy. These attempts
include actions to mobilize more wood and to increase the use of wood products in the economy.
Overall, a further exploitation of environmental benefits from wood is especially effective when mobilising the sustainably available amount of wood in Switzerland and when using it in applications
with high substitution potentials, including the replacement of energy intensive building materials or
fossil fuels. Thereby, it is important to take appropriate measures to minimize negative effects like
particulate matter emissions from combustion. A systems perspective, covering all major wood uses,
is necessary to maximise the entire environmental benefits from the utilization of the resource. At
the same time, potential changes in external factors like climate change should be considered since
they may drastically alter determining factors like forest productivity in the future.
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Zusammenfassung
Der verstärkte Einsatz von erneuerbaren Ressourcen in der Bereitstellung von Materialien und Energie ist eine vielversprechende Massnahme, um zukünftig den ökologischen Fussabdruck unserer Gesellschaft zu reduzieren. In der Schweiz ist Holz ein wichtiger nachwachsender Rohstoff. Seine Verwendung ist vielfältig und verbunden mit verschiedenen Vor- und Nachteilen für die Umwelt. Eine
effiziente und vorausschauende Verwendung erfordert Wissen über die Umweltwirkungen der Ernte,
Verwendung und Entsorgung von Holz. Diese Arbeit hat zum Ziel, dieses Wissen zu erweitern und
dadurch Entscheidungshilfen für ein effektives Holzressourcenmanagement in der Schweiz zu geben.
Die Leitfrage war wie folgt: Wie wirkt sich die Verwendung der Ressource Holz auf die Umwelt aus
und mit welchen Massnahmen können die Umweltvorteile aus Gesamtsystemsicht im Falle der
Schweiz am effektivsten genutzt werden? Um einen umfassenden Überblick über die Umweltwirkungen der Holzverwendung zu erhalten, wurde eine Umweltbewertung (Ökobilanzierung) der Wertschöpfungskette Holz durchgeführt, einschliesslich aller wichtigen Holzprodukte die in der Schweiz
hergestellt oder konsumiert werden. Diese Umweltbewertung umfasste insbesondere die einzelnen
Teile der Wertschöpfungskette, die potentiellen Vorteile aus der Holzverwendung wenn dabei andere Produkte ersetzt werden sowie die wichtigen Sensitivitäten für die Umweltleistung der Holzverwendung auf nationaler Ebene der Schweiz.
Der erste Teil der Arbeit analysiert die Umweltwirkungen der aktuellen Holzverwendung in der
Schweiz. Eine Materialflussanalyse (MFA) der aktuellen Holzflüsse wurde mit den Umweltindikatoren
einer Ökobilanz (LCA) kombiniert, um damit die Auswirkungen der einzelnen Materialflüsse auf die
Umwelt zu bewerten. Die Ergebnisse dieses ersten Teils zeigen, dass die aktuelle Holzverwendung zur
Minderung von Umweltwirkungen beiträgt, insbesondere durch eine Reduktion der Treibhausgasemissionen und des fossilen Energiebedarfs. Im Hinblick auf CO2-Emissionen zeigen die Ergebnisse
eine durchschnittliche Reduktion von rund 2.2 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente pro Jahr aus der
laufenden Holzverwendung (ca. 0.42 Tonnen CO2-Äquivalente pro m3 Festholz). Der Hauptgrund für
diese Einsparung ist die Substitution von anderen energieintensiveren Materialien und Brennstoffen.
Grosse Einsparungen erzielen insbesondere der Ersatz von Primärmetallen wie Stahl (ca. 0.79 Tonnen
CO2-Äquivalente pro m3 Festholz) und fossilen Energieträgern wie Heizöl (ca. 0.55 Tonnen CO2Äquivalente pro m3 Festholz). Auf nationaler Ebene erzielt die energetische Verwendung von Holz
zurzeit die höchsten CO2-Einsparungen. Zugleich zeigen die Ergebnisse aber auch, dass durch die
Holzverwendung negative Umweltwirkungen vergrössert werden können, beispielsweise im Fall von
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Feinstaubemissionen oder Auswirkungen auf die Biodiversität. Es ist deshalb wichtig, sich dieser umweltbezogenen Vor- und Nachteile bewusst zu sein. Dabei sollte insbesondere auf die folgende Punkte geachtet werden:
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Die Verbrennung von Holz führt zu potenziell hohen Feinstaubemissionen. Solche negativen
Umweltwirkungen in der Holzverwendung müssen mit entsprechenden Massnahmen angegangen werden. Im Falle von Partikelemissionen sind die Verwendung von Partikelfiltern und
automatischen Feuerungen mögliche Massnahmen zur Minderung.
Holz, welches in die Schweiz importiert wird, kann bedeutende Auswirkungen auf die Biodiversität mit sich bringen. Um diese Auswirkungen zu minimieren, sollte Holz aus Wäldern
mit selektiven Waldbausystemen und Regionen mit einer geringen Anzahl endemischer Arten bezogen werden.
Eine Kaskadennutzung von Holz kann dabei helfen, die Ressource effizienter zu nutzen. Auswirkungen auf die Umwelt hängen jedoch stark davon ab, welche Produkte während der
Kaskade ersetzt werden und wie effizient Holz am Ende des Lebenszyklus energetisch genutzt
werden kann. Auf Grund der heutigen Unternutzung der Ressource Holz in der Schweiz ist es
jedoch wichtiger, die Verwendung von Primärholz zu erhöhen und damit andere Materialien
oder Brennstoffe zu ersetzen, als vermehrt Holz einer Kaskadennutzung zuzuführen.
Eine Systemperspektive auf die Holzverwendung ermöglicht eine ressourcenbasierte Optimierung der Nutzung und nicht nur eine Optimierung einzelner Anwendungen. Der Vergleich
zwischen den Umweltwirkungen verschiedener Verwendungsoptionen ermöglicht zudem eine Priorisierung der verfügbaren Maßnahmen zur Reduktion der systemweiten Umweltwirkungen.
Der zweite Teil der Arbeit identifiziert wichtige Parameter für die gesamthafte Umweltleistung der
Holzverwendung. Jeder Parameter wurde mit einer Sensitivitätsanalyse untersucht, um ein besseres
Verständnis für die Umwelteinflüsse aus der Holzverwendung zu bekommen. Sensitivitäten wurden
im Hinblick auf folgende Parameter bewertet: unterschiedliche Effizienzen und Nutzungspfade in der
Altholzverwertung, zukünftige Energieholzverwendung unter Berücksichtigung von Szenarien eines
sich verändernden Energiemixes, Änderungen in der aktuellen Holzverwendung, sowie die Berücksichtigung von biogenem Kohlenstoff als auch der unterschiedlichen Herkunft des verwendeten Holzes. Insgesamt zeigen die Ergebnisse ein noch ungenutztes Umweltpotential aus der Holzverwendung. Dieses Potential ist in den folgenden Bereichen besonders hoch:
Holzverwendung: Das nachhaltig verfügbare Holz in der Schweiz sollte genutzt werden, vor allem in
Anwendungen mit den höchstmöglichen Substitutionseffekten. Abhängig von den ersetzten Materialien können diese Effekte sowohl in materiellen Anwendungen der Bau-, Möbel- oder Verpackungsindustrie als auch in energetischen Verwendungen hoch sein. Um dabei hohe Auswirkungen auf den
Klimawandel durch die Emission von biogenem CO2 zu vermeiden, sollte das zusätzlich mobilisierte
Holz prioritär in Langzeitanwendungen wie Gebäuden verwendet werden und nicht für die sofortige
Verbrennung, sofern dies die Holzqualität erlaubt.
Verwertung am Ende des Produktlebenszyklus: Heute ist die Verbrennung von Altholz weniger
energieeffizient als die direkte Verbrennung von Waldholz in entsprechenden Anlagen. Ein wichtiger
Grund ist die relativ geringe Energieeffizienz von Kehrichtverbrennungsanlagen in der Schweiz. Diese
sollte längerfristig angehoben werden. Zudem könnte die Zuteilung von Altholz auf die verschiedenen Altholzverbrennungstechnologien verbessert werden, indem diese nach Umweltkriterien vorgeVIII
nommen wird. Beispielsweise kann die Mitverbrennung von Altholz in hocheffiziente Klinkeröfen aus
der Zementproduktion zu hohen Umweltnutzen führen, wenn dabei Brennstoffe wie Kohle ersetzt
werden.
Holzhandel: Derzeit können kleine Mengen an importiertem Rohholz (beispielsweise aus Wäldern in
Madagaskar und Kamerun) die Biodiversitätseffekte des gesamten Rohholzimportes dominieren. Es
wird vermutet, dass dieser Effekt bei importierten Halbfertig- oder Fertigfabrikaten noch ausgeprägter ist, da in solchen Produkten noch grössere Mengen des zugrundeliegenden Rohholzes aus Regionen mit potentiell hohen Biodiversitätsverlusten stammen. Durch die Vermeidung von Holzimporten
(entweder als Rohholz oder als Holzprodukt) aus nicht zertifizierten Wäldern, vor allem aus Regionen
mit einem hohen Anteil an endemischen Arten (beispielsweise tropische Länder), können entsprechende Auswirkungen auf die Biodiversität signifikant reduziert werden. Holzimporte sind zudem mit
Transportaktivitäten verbunden. Obwohl diese nicht den grössten Beitrag zu den gesamten Umweltwirkungen leisten, könnte der Transport trotzdem mit der Beschaffung von lokalem Holz reduziert
werden. In Bezug auf Altholz werden derzeit grosse Mengen aus der Schweiz exportiert. Bei einer
verstärkten inländischen energetischen Nutzung könnte ein grösserer Teil der positiven Substitutionseffekte in der Schweiz realisiert werden.
Holz für die Energienutzung: Es wird erwartet, dass sich der Schweizer Energiemix in Zukunft mehr in
Richtung erneuerbarer Energien verschiebt. Dadurch kann die Substitutionswirkung von Holz, welches energetisch verwendet wird, vermindert werden. Dies kann dazu führen, dass die Rolle der materiellen Holznutzung aus Gesamtumweltsicht in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnt.
Der dritte Teil der Arbeit wagt einen Blick in die Zukunft und diskutiert Massnahmen zur weiteren
Verbesserung der Umweltleistung aus der Holzverwendung. Die Ergebnisse aus dem ersten und
zweiten Teil unterstützen dabei die aktuellen Bestrebungen der Schweizer Ressourcenpolitik Holz in
hohem Ausmass. Zu diesen Bestrebungen gehört die stärkere Mobilisierung von Holz und die Förderung einer vermehrten Verwendung von Holzprodukten auf dem Markt.
Insgesamt bringt eine verstärkte Nutzung von Holz insbesondere dann Umweltvorteile, wenn
dadurch die nachhaltig verfügbare Holzmenge in Schweizer Wäldern mobilisiert wird und wenn das
Holz in Anwendungen mit hohem Substitutionspotential, beispielsweise durch das Ersetzen von
energieintensiven Baustoffen oder fossilen Brennstoffen, genutzt wird. Zur Minimierung negativer
Effekte, zum Beispiel von Feinstaubemissionen in der Verbrennung, müssen flankierende Massnahmen ergriffen werden. Um die ökologischen Vorteile aus der Holzverwendung gesamthaft zu maximieren, ist eine Systemperspektive nötig, welche alle wichtigen Holzanwendungen umfasst. Dabei
sollten aber auch mögliche Veränderungen von externen Faktoren, zum Beispiel dem Klimawandel,
berücksichtigt werden. Diese Veränderungen können starke Auswirkungen auf wichtige Einflussgrössen, wie beispielsweise die Produktivität des Waldes, haben.
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