Agrarische Biomasse für den klimagerechten Bau

Ein Überblick über Ressourcenpotenziale, Klimaschutzbeiträge, Anwendungen und Zielkonflikte

Der Holzbau für Hunderte Millionen Menschen soll im Zuge der globalen Klimaschutzpolitik eine zentrale Rolle als Kohlenstoffsenke spielen. Nachwachsende Rohstoffe aus landwirtschaftlicher Produktion werden in diesem Zusammenhang noch kaum diskutiert. Dabei gibt es Gründe dafür: Getreide oder Gräser wachsen je Hektar meist schneller auf als Waldbäume. Baustoffe aus ihnen weisen insgesamt oft bessere Treibhausgasbilanzen auf. Derzeit werden Gräser, Feldreststoffe oder Pappeln aus landwirtschaftlichen Kurzumtriebsplantagen (KUP) noch in hohem Maße energetisch verwertet. Dadurch wird der in der Biomasse gebundene Kohlenstoff wieder freigesetzt. Solche agrarische Biomasse könnte deutlich vermehrt im Bau genutzt werden, was den Lebenszyklus der nachwachsenden Rohstoffe über Jahrzehnte verlängern könnte und höhere Wertschöpfung für die landwirtschaftliche Erzeugung verspricht. Damit dies gelingen kann, bräuchte es aber einen Dialog darüber in der gesamten Wertschöpfungskette, vom Landwirtschaftsbetrieb bis zum Bauunternehmen und Bauherren/Endkunden, um historisch gewachsene Pfade und Verwertungsstrukturen infrage zu stellen und – mit allen wirtschaftlichen Risiken – aufzubrechen. Der Ausbau der Rohstoffbasis unterliegt jedoch agrarökologischen Einschränkungen und einem Vorrang der Nahrungsmittelerzeugung.

1 Vom Holzbau zu agrarischen Baustoffen

Das Bauwesen muss in der Europäischen Union laut den gesetzlichen Vorgaben bis Mitte des Jahrhunderts klimaneutral werden, in Deutschland bereits bis 2045 [1]. Zu den Treibhausgasemissionen, die dem Bauwesen angerechnet werden können, zählen im Fall von Wohn-, Büro- oder Lagergebäuden auch die Emissionen der Rohstoffgewinnung, Herstellung von Baustoffen, der Bauprozess, der Gebäudebetrieb und auch der Abriss der Gebäude. Zum Staatsziel der Netto-Null-Treibhausgasemissionen in diesem Segment der Volkswirtschaft können verschiedene Pfade führen. Zu nennen sind bspw. etwa eine Vermeidung von Betonen, eine ­Reduktion des Klinkeranteils im Zement und damit von CO2-Emissionen im chemischen Prozess, aber auch Vorfertigungen von modularen Gebäudeteilen aus Holz oder etwa viele weitere prozesstechnische Fortschritte – von CO2-Speicherungen in tiefen Bodenschichten (CCS) bis zur Elektrifizierung des Transport- und Baumaschinenwesens [2]. Auch positive Energiebilanzen eines Gebäudes durch Photovoltaikanlagen könnten diesem als Beitrag zur CO2-Reduktion angerechnet werden [3]. Der – wie auch immer politisch flankierte – Weg der Suffizienz hin zu kleinerem Wohnraum pro Kopf wäre ein weiterer Pfad, ein anderer der zunehmende Bau im Bestand [4]. Nicht zuletzt und seitens der Klimawissenschaft sehr stark propagiert ist der Holzbau.

Der Holzbau ist geeignet, einerseits Zement einzusparen und andererseits Kohlenstoff in der Gebäudesubstanz über Jahrzehnte zu speichern [5]. Nachwachsende Baustoffe weisen i. d. R. günstigere Klimabilanzen auf als mineralische [6]. Eine regionale Herkunft mit kurzen Transportwegen verbessert überdies die Lebenszyklus-Treibhausgasbilanzen des Bauens [7]. Die politische und wissenschaftliche Debatte konzentriert sich derzeit überwiegend auf den Holzbau. Klimawissenschaftliche Beiträge erklären den globalen Holzhausbau in den kommenden Jahrzehnten für eine wirksame Maßnahme zur Eingrenzung der Erderwärmung [5]. Holzbaustoffe wie Brettschichtholz oder auch für den Tragwerksbau höherer Bauten geeignetes Brettsperrholz (cross laminated timber, CLT) sollen dabei eine maßgebliche Rolle spielen.

Prognosemodelle rechnen utopisch anmutende Großszenarien: Demnach sollen für bis zu 90 % der bis 2100 in den globalen Städten zusätzlich lebenden Menschen neue Wohngebäude aus Holz entstehen. So könnten zusätzlich 106 Gt CO2 in der Gebäudesubstanz gespeichert werden. Um den dafür nötigen zusätzlichen Materialbedarf zu decken, müsste sich die Anbaufläche für Holzplantagen bis 2100 jedoch etwa verdreifachen: von derzeit rd. 137 Mio. ha auf bis Ende des Jahrhunderts mehr als 400 Mio. ha [8]. Die globale jährliche Zunahme der Plantagenfläche müsste von 2 Mio. ha auf 3,6 Mio. ha ansteigen. Flächenkonkurrenzen gerade mit der Nahrungsmittelerzeugung sind zu befürchten. Denn zugleich wächst der Kalorienbedarf der zunehmenden Weltbevölkerung [9]. Der epochale Ausbau der Holzplantagen soll angeblich ohne gravierende landwirtschaftliche Ertragseinbußen möglich sein [8]. Das Flächenpotenzial für eine groß angelegte Aufforstung auf degradiertem und dünn besiedeltem Land ist Gegenstand von wissenschaftlichem Disput, wird aber als sehr groß eingeschätzt [10].

Holzressourcen müssten zu Großteilen aus hochproduktiven Plantagen kommen. Bambus – wenn dieser auch botanisch zu den Gräsern zählt – und die (wenig trockenresilienten) Fichten werden als Kulturen genannt. Aber auch im Bau aufgrund ihrer weichen Struktur eher nicht geeignete Plantagenhölzer werden zunehmend in den Blick genommen. Dazu zählt der Eukalyptus [11]. Bioverfahrenstechniken wie der thermische oder chemische Holzaufschluss und auch biobasierte Klebstoffe erweitern die Möglichkeiten der Werkstofftechnik. Diese Techniken vergrößern zugleich die Nutzungsmöglichkeiten agrarischer Biomasse [12].

Die Landwirtschaft wird in diesen bioökonomischen Entwürfen des Zukunftsbaus hingegen ausschließlich als Flächenkonkurrentin (also Nahrungsmittelerzeugerin) erwähnt, nicht aber selbst als Baurohstoffquelle. Dabei war sie das historisch eigentlich über Jahrtausende. Stroh von verschiedenen Getreidekulturen wurde in Verbindung mit Lehm in Ausfachungen verwendet, aber mit Sand auch als Dämmmaterial der Decken in Fachwerkhäusern (Bild 1). Auch diente es für Dachdeckungen oder Wetterschutzfassaden, wenn in letzterem Einsatzfeld gewiss auch mit relativ kurzen Lebensdauern.

Aber agrarische Baustoffe sind nicht nur ein Thema der vorindustriellen Vergangenheit des Bauwesens, also nicht nur der bäuerlichen Epoche oder – wenn man so sagen will – der historischen Bioökonomie. Sie haben auch eine innovative Geschichte. Der Strohballenhausbau (Bilder 4, 5) mit Strohballen als Tragwerk ist erst durch moderne Pressen ab Ende des 19. Jahrhunderts möglich geworden [13]. Das erste moderne Strohballenhaus Europas, das Maison Feuilette in Montargis südlich von Paris, wurde 1921 errichtet und steht dort, wenn auch gelegentlich saniert, bis heute. Moderne Strohballenhäuser werden derweil als Luxus-Ferienimmobilien zur Vermietung angeboten (Bild 2). Moderne Hanfbausteine, die unter dem Namen Hempcrete in der Forschungsliteratur behandelt werden, sind ein weiteres Beispiel für innovative Baumaterialien vom Feld [14]. Auch Wiesengras kann im Bau als Dämmstoff Anwendung finden.

Die Klimaziele sind eine neue, zentrale Bewertungsgrundlage für das Für und Wider der Nutzung von Acker und Weide als Rohstoffquellen. Das Bauwesen steht am Beginn einer epochalen Wende. Zum maßgeblichen Faktor werden die Klimabilanzen des Baus. Stroh als Baustoff weist im Vergleich mit Brettschichtholz (BSH, engl.: Glulam) die besseren klimabezogenen Ökobilanzdaten auf [6], wobei dieser Vergleich eher illustrativ ist, da beide Baustoffe völlig unterschiedliche Eigenschaften aufweisen – das BSH mit hoher Biegezugfestigkeit ist etwa als horizontales und aussteifendes Bauteil geeignet. Für die Glulam-Herstellung wiederum geeignet könnten Pappeln oder Weiden aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) sein, was in ersten Vorstudien des Instituts für Holzbau der Hochschule Biberach erprobt wurde, aber noch nicht in der Anwendung ist [15]. Durch prozesstechnische Innovationen weitet sich auch im Holzbau der Rohstoffradius auf Agrarhölzer wie die Pappel aus. Für sie sprechen die im Vergleich mit Fichten, Kiefern oder Waldlaubhölzern deutlich kürzeren Umtriebszeiten von nur etwa 4–20 Jahren bis zur Ernte. Glulam oder CLT werden meist aus weicherem Nadelholz gefertigt, aber die Verwendung von Laubholz wird seit einigen Jahren zunehmend möglich und praxisrelevant durch prozesstechnische Innovationen seit den 2000er- und 2010er-Jahren. Hersteller werben mit dem Einsatz als Tragwerk auch im Hochhausbau, mehrere Praxisprojekte sind gegenwärtig im Bau [16].

Mancher historische Pfad der Rohstoffnutzung sollte angesichts dieser Entwicklungen – der klimapolitischen, der technischen – überdacht werden. Die schnell wachsende Pappel, die rechtlich als Agrarrohstoff gilt, da sie auf Ackerflächen angebaut werden kann, etwa wird in Deutschland – aufgrund des historischen Verwertungskontexts der Energiewende – einseitig als ein Energieholz gesehen [17]. Im Zusammenhang mit baustofflicher Nutzung wird sie noch nicht diskutiert [18, 19]. Das ist, gerade angesichts der klimapolitischen Ambitionen, historisch zwar nachvollziehbar, aber sachlich dringend revisionsbedürftig.

Die Verwendung agrarischer Biomasse zu Bauzwecken unterliegt andererseits dem Vorbehalt der Nachhaltigkeit [20]. Die Wirtschaftlichkeit und die Umweltverträglichkeit der neuen Baustoffe sind danach gleichermaßen bedeutsam [21]. Reduktion von Mineraldünger und Pestiziden wie auch eine Diversifizierung der Fruchtfolgen und innovative symbiotische Agraransätze wie Agro­forst sind ökologisch geboten wie agrarpolitisch gewollt [22]. Auch Pappel- oder Weideholz von Feldrandflächen – entweder von den europarechtlich geforderten Ökologisierungsflächen (Greening) oder der zunehmenden Umstellung auf Agroforstsysteme – könnten verstärkt auf ihre baustoffliche Eignung hin untersucht werden. Auch diese wären aus dem Blick der holzbasierten Bioökonomie als Zellstofflieferanten zu betrachten und sind als solche vielseitig für Dämm- oder andere Bauzwecke einsetzbar [23].

In diesem Aufsatz soll aus einem klimapolitisch erweiterten Blick die Eignung wesentlicher agrarischer Rohstoffe als Baumaterialien betrachtet und Bedingungen für die zunehmende Nutzung genannt werden. So entsteht ein erster – und gewiss nicht vollständiger – Überblick, der mögliche Pfade für künftige Nutzungs- und Forschungsschwerpunkte andeuten soll. Damit wird die landwirtschaftliche Ressourcenbasis erstmals vor dem Hintergrund aktueller klimawissenschaftlich formulierter Ansprüche wie auch der politischen Emissionsminderungsziele mit der Baubranche als nachhaltiger Verwenderin in Verbindung gebracht.

1.1 Klimabilanzen agrarischer Biomasse

In einem Bauprojekt werden i. d. R. mineralische und nachwachsende Stoffe kombiniert verwendet, maßgeblich für die Umweltbewertung ist die Ökobilanz des gesamten Gebäudes über seinen Lebenszyklus [24, 25]. In die Gebäudeökobilanz fließen Umweltproduktdeklarationen (EPD) von Baustoffen ein, die wiederum auf Ökobilanzen basieren. Bäume, Gräser, Getreide oder Sträucher entnehmen der Atmosphäre während ihres Wachstums Kohlenstoffdioxid und binden es. Durch eine möglichst langfristige baustoffliche Verwendung der holzigen Biomasse lässt sich Kohlenstoff der Erdatmosphäre während der Nutzungsphase bis zur Kompostierung oder Verbrennung für mehrere Jahrzehnte entnehmen. Die Kohlenstoffbilanz eines biogenen Baustoffs wird zu einem maßgeblichen Entscheidungskriterium für die Wahl. Das gilt insbesondere auch deshalb, weil das Interesse von Investoren wie der Baubranche selbst an den Treibhausgasbilanzen durch den veränderten Finanzmarktrahmen der EU stark ansteigt [26].

Die Kohlenstoffbilanz eines nachwachsenden Baustoffs hängt von vielen Faktoren ab, wie der Schnelligkeit des Biomasseaufwuchses [27], dem Aufwand an mineralischen Düngemitteln für die Erzeugung, den Landnutzungsänderungen durch zusätzliche Nachfrage nach dem Rohstoff, der Nutzung chemischer Pestizide, dem Treibstoffaufwand der Ernte, der für den Transport aufwendigen Energie oder auch den Emissionen, die für die Baustoffverarbeitung anfallen. Hierzu zählt etwa die Energie für thermische Press- oder Klebverfahren, Trennverfahren, Reinigung, aber auch verwendete Kleb- oder Fügungsstoffe. Mit Blick auf die spezifischen Transportwege ist jedes Bauprojekt gesondert zu betrachten. In Vergleichsstudien ist das Stroh herausragend [6, 28]. Das liegt einerseits an seinem schnellen Biomasseaufwuchs, andererseits am geringen Energieaufwand der Verarbeitung. In der Netto-Treibhausgasbilanz schneiden Bauholz und Bambus-Brettschichtholz etwas schlechter ab als Stroh, jedoch noch besser als Hempcrete (dt.: Hanfkalk oder Hanfbeton), ein Verbundwerkstoff aus Hanf und Kalk (Bild 3). In der Ökobilanzierung kommt dem Stroh auch zugute, dass es ein Nebenprodukt der Getreide- oder Futtermittelproduktion ist. Hier entfallen bei einer rechnerischen Allokation der Energieaufwände des Anbaus und der Ernte nach ökonomischem Wert der Produkte des Landwirts nur relativ geringe Teile auf das Stroh. Hanf wird oft zum Hanfbeton oder mit Kalk zum Hanfkalk gemischt, da er meist in dieser Form baustofflich betrachtet wird, etwa als Hanfkalkstein; für die Verarbeitung zum Dämmstoff oder zur Bauplatte braucht es diese Beimischung nicht. Der Beton mit Portlandzement (OPC) hat im Saldo eine negative CO2-Bilanz. Die geringen Ausmaße der Balken in Bild 3 erklären sich hier durch die Skalierung je kg Baustoffmasse.

Zahlreiche regionale Ökobilanzen nachwachsender agrarischer Rohstoffe liegen vor. Ein Beispiel: Im spanischen Valencia werden rd. 7500 t Reisstroh jährlich nach der Ernte verbrannt. Eine stärker in Wert setzende Verarbeitung und Verwendung des Reisstrohs als Baustoff verringerte – bei verbesserten Dämmwerten der Gebäude – die Klimabilanz über den Lebenszyklus um 78 %. Verglichen wurden tragende Holzrahmen-Wandelemente mit eingepresstem Reisstroh mit in dieser Region üblichen zweischichtigen Ziegelfassaden [29]. Ähnlich vorteilhaft wird der Massivbau mit Strohballen bewertet [30]. Für Strohballenhäuser wurde eine um 61 % verringerte Treibhausgasbilanz über einen 60-jährigen Gebäudelebenszyklus berechnet, im Vergleich mit einem auf übliche Weise massiv errichteten Haus [28]. Ob im Sinne der Klimagerechtigkeit Stroh oder etwa besser Sägespäne als Zuschlagstoff für Lehmziegel verwendet werden sollten, hängt entscheidend von den konkreten Transportwegen ab [31]. In der Gesamtschau aus Ökobilanzen, Rohstoffverfügbarkeit und baulichen Kriterien sind Hanfstein, aber v. a. Stroh besonders vielversprechend. „Straw bale constructions are considered as a promising solution towards the goal of decarbonisation of building sector”, resümieren etwa Koh et al. [30]. Aber gilt das auch für die Folgen einer vermehrten Nutzung von Getreidestroh für die Agrarökosysteme? Um diese wichtige Randbedingung einer vermehrten Rohstoffnutzung zu klären, ist der Weitblick auf die Agrarökologie notwendig.

1.2 Agrarökologischer Rahmen

Eine Diversifizierung von Fruchtfolgen ist im Ackerbau ausdrücklicher Wille der agrarökologisch orientierten Politik der EU und Deutschlands [22]. Neue Marktzugänge für die Landwirtschaft gelten dafür als notwendig – auch innovative Bauprodukte können diese bieten. Das kann Konsequenzen für die Anbausysteme haben. Eine Koppelnutzung kann Pfade der Reinkulturen und der Effizienzzüchtung infrage stellen. Alte Getreidesorten weisen z. B. deutlich längere Halme und weniger große Samenstände auf. Womöglich wären sie vor dem Hintergrund der baustofflichen Nutzungsmöglichkeiten wiederzuentdecken. Dann würden sich Landwirte weniger einseitig als Ernährer sehen und orientieren müssen, sondern als Produzenten einer Vielzahl an Neben- und Koppelprodukten für die Weiterverarbeitung in mehreren Branchen vor dem Hintergrund der nachhaltigen Entwicklung. Die Versorgung auch des Baustoffmarkts stellt für Agrarwirte gewissermaßen also auch eine kulturelle, kommunikative Herausforderung dar [32]. Zugleich wird die Landwirtschaft vermehrt als Carbon-Farming-Sektor betrachtet. Eine Humus aufbauende Landwirtschaftsweise ist gewollt und zunehmend lukrativ: Der Emissionszertifikatshandel eröffnet neue Geschäftsmodelle [33]. Insbesondere hier zeichnet sich ein gravierender Nutzungskonflikt ab: Um Humus aufzubauen, müssen Ernterelikte wie Getreidestroh auf dem Feld möglichst zurückgelassen werden, damit sie von den Bodenorganismen wie Würmern und Bakterien zu organischer Bodenmasse verstoffwechselt werden können. Hier ist eine offene Forschungsfrage, ob und in welchem Maße eine nachhaltige Landwirtschaft auch drei Nutzungen erlaubt: etwa Weizenanbau für die Zwecke der Ernährung, des Strohballenbaus und zusätzlich des Carbon Farmings. Stroh schlicht als Abfall der Landwirtschaft zu bezeichnen, den man in jedem Fall möglichst weitgehend nutzen müsse und solle, greift unter Nachhaltigkeitsaspekten zu kurz [13].

1.3 Ökonomischer Rahmen

Was wären die ökonomischen Voraussetzungen dafür, dass es tatsächlich zu einem verstärkten agrarischen Baurohstoffanbau kommt? Im Zuge der zunehmenden Veröffentlichungspflichten für Unternehmen von sog. nicht finanziellen Kennzahlen zu Umwelt-, Sozial- und Gleichstellungsaspekten (ESG) muss ein stetig wachsender Kreis von Unternehmen solche Kennziffern erheben und bei Lieferanten einholen [34]. Dasselbe gilt für Bauunternehmen, die sich am Kapitalmarkt finanzieren. Weiter spielt die Ökobilanzierung von Gebäuden eine gewichtige Rolle in der Nachhaltigkeitszertifizierung, etwa durch die Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB), wie auch für die umweltbezogenen Produktdatenblätter von Baustoffherstellern (EPD). Jenseits des Finanzmarktrahmens bedürfte es kommunikativer Innovationen in der gesamten Wertschöpfungskette. Das Beispiel der Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit Pappeln oder Weiden in Deutschland zeigt die unerträgliche Trägheit [35] der Veränderung: Hier waren schon vor gut zehn Jahren deutlich größere Zuwächse der Anbauflächen erwartet worden [36–38] als tatsächlich erfolgten [18]. Ökonomische Perspektiven scheinen dennoch gegeben [39]. Akteure handeln noch nicht koordiniert auf gemeinsame Nachhaltigkeitsziele. Landwirtschaftsbetriebe richten ihr Handeln an erwarteten Umsätzen, aber auch entlang gewohnter Pfade aus. Für die Getreidemärkte gibt es ausgereifte Modelle der Preisprognosen und Absicherungen für Preisschwankungen, aber auch agronomisches Wissen. Weil jährlich neu gesät wird, ist im Ackerbau die Flexibilität größer als im Falle der mehrjährig wachsenden Pappeln und Weiden aus KUP. Eine künftige Nachfrage nach Bau-Rohstoffen vom Feld ist überhaupt schwer vorhersehbar. Konservatismus und eine Pfadabhängigkeit der Landwirtschaft als Nahrungsmittel- und Bioenergielieferantin sind ebenfalls zu berücksichtigen, wenn mögliche Transformationsmüdigkeiten des Systems analysiert werden. Was müsste also geschehen, damit mehr Landwirte nachwachsende Baustoffe anbauen? Aufgrund der Systemträgheit erscheinen innovative Beteiligungs- und Kommunikationsformate hilfreich. Im Grunde müssten sich alle relevanten Akteursgruppen frühzeitig an einen Verhandlungstisch setzen und nach tragfähigen Lösungen suchen: Bauunternehmen, Baustoffhersteller, Händler, Landwirte (Value-Chain-Innovation) [40]. Der Anbau von Baupflanzen verlangt von Landwirten, gewohnte Pfade zu verlassen, was diese aber nur langsam tun. Deshalb hat das Stroh einen weiteren Vorteil: es entsteht einfach als Nebenprodukt des Getreidebaus in großen Mengen. Denn es ist keine Pflanzenart, sondern fällt als Koppel- oder Nebenprodukt des Getreideanbaus an.

2 Ressourcenpotenziale und Nutzungskonflikte

Die steigenden Lebensmittelpreise [41] geben einen Anreiz, mehr Nahrungsmittel auf der Fläche anzubauen. Der Markt für Stroh als Nebenprodukt folgt dem Markt für Brotgetreide. Allerdings liegt das Hauptgeschäft des globalen Agribusiness im Bereich der Tierhaltung. Die Hälfte des global bebaubaren Landes ist Acker- oder Weideland, darauf wächst zu 77 % Futter für die Tierhaltung. Mais als Tierfutter wird i. d. R. komplett verfüttert, während Soja Neben- und Koppelprodukte bringt, auch potenziell baulich nutzbares Sojastroh. Weidelgras, auch potenzieller Dämmstoff, wird komplett verfüttert.

Die Biomasse der Landwirtschaft wächst insgesamt schneller nach als das Holz der Wälder. Das sog. Biomassepotenzial von Feld und Acker ist in Deutschland insgesamt deutlich größer als dasjenige der Wälder [42]. Die agrarische Trockenmasseernte in Deutschland betrug 2015 etwa rd. 137 Mio. t, aus den Forsten wurden 48 Mio. t entnommen. Jedoch wurde deutlich mehr der Holzbiomasse vom Forst stofflich genutzt (Tab. 1).

  Ernte Trockenmasse (Mio. t) Über­wiegende
Nutzung (Mio. t)
Stoffliche Nutzung
(Mio. t)
Ener­getische
Nutzung (Mio. t)
Agrarische Biomasse 137 89/21 23 23
  Futter-/
Nahrungs­mittel
verarbeitete Waren  
Forstliche Biomasse 48 34 stofflich 34 25
Tab. 1 Stoffliche Nutzung agrarischer und forstlicher Biomasse in Deutschland 2015 [42]

Auch für Deutschland stellt das Haupthindernis für verstärkten agrarischen Bau also der große Tierbestand dar. 89 von 137 Mio. t agrarischer Biomasse wurden 2015 verfüttert. Aber auch die 23 Mio. t, die energetisch eingesetzt werden, sind eine beachtliche Menge, die als Baustoff dienen könnten. Immerhin sind das etwa zwei Drittel der gesamten stofflich genutzten Holz-Biomasse aus dem Forst. Insgesamt werden erst nur 10 % der Getreideernten stofflich genutzt (Tab. 2).

Feldfruchtklasse Anteil stofflicher Nutzung [%]
Ölsaaten 28
Getreide 10
Zuckerrüben 3
Tab. 2 Anteile stofflicher Nutzung von Feldfruchtklassen [42]

2.1 Agrarische Biomasse als Innovationsthema

Bei Weitem nicht alle Baustoffe, die benötigt werden, können nachwachsen. Neben der Ausweitung des Anbaus ist v. a. eine Vernetzung intersektoraler, biogener Stoffströme, eine kaskadierende Nutzung oder sogar ein Upcycling von Reststoffen wie Altholz notwendig – gewissermaßen eine Bau-Bioökonomie [43]. Ein wesentlicher Teil davon ist die konsequentere und höherwertige Nutzung von biogenen Reststoff- oder Abfallströmen. Ein zentrales Innovationsfeld ist die Nutzbarmachung von Pilzmyzelen als Baustoff [44]. Auch die Verwendung von Altpapier als Dämmmaterialien oder auch konstruktiver Baustoff ist zu nennen, etwa ­Honigwaben-Sandwichkerne für den Leichtbau [45]. Nachwachsende Biomasse und organische Abfallmasse lassen sich in Bio­raffinerien prinzipiell zu Polymeren umwandeln, die auch baulich nutzbar sind. Ein Beispiel ist Bioplastik aus Weidelgras, ein anderes Bioplastik aus genveränderten, hocheffizient stoffwechselnden Bakterien, die organische Abfälle (Fette) als Nährsubstrat erhalten [46]. Die Beispiele sollen den innovativen Charakter der Bau-Bioökonomie unterstreichen. Die Biotechnologie ist zentral. Auch Genomveränderungen nicht nur an Mikroorganismen, sondern auch im Forst- und Agrarbereich sind vor dem Hintergrund präziser und schneller Züchtungsverfahren und der Nachhaltigkeitsziele neu zu diskutieren und zu bewerten [47, 48]. Beispielsweise lassen sich etwa mittels Genom-Editierung die Lignin-, Zucker- oder Zellulosegehalte von Pappeln verändern [49]. Auch wird an biotechnologisch erhöhten Trockentoleranzen geforscht [50].

2.2 Agrarische Biomasse als ethisches Thema

Aus ethischer Sicht wären Fragen des technischen Könnens und des klimapolitischen Müssens des kohlenstoffarmen Baus im Kontext von Freiheitsrechten von Bauherren, Wirtschaftsakteuren wie auch des verfassungsrechtlich verbrieften Klimaschutz-Freiheitsrechts kommender Generationen zu diskutieren. Politisch wäre von Holzbauförderungen oder sogar -pflichten bis hin zu biogenen Mindestanteilen im Bauordnungsrecht zu denken. Ethisch stellt sich viel früher die Frage, ob biotechnische Expertenkreise dazu neigen, schon durch die Rede von Biomasse das Lebendige zur Verfügungsmasse zu degradieren [51]. Zur Ethik der neuen Pflanzenzuchttechniken kommt die Ethik der Flächennutzungskonkurrenz. Gilt Food First bedingungslos? Wie fällt die ethische Gewichtung der Frage nach Fleisch oder Kohlenstoffbindung aus? Insgesamt könnte eine Verwendung des Strohs für bauliche Zwecke einerseits die problematische Flächenkonkurrenz weiter anheizen, andererseits aber den Nachfrageanstieg nach Bauholz und bremsen und damit naturnahe Wälder schonen. Die zunehmenden Ansprüche des Bauwesens an die Flächennutzung bringen hohe ethische Ambivalenzen mit sich, die für Wirtschaft wie Politik ethischer Begleitforschung bedürfen [47]. Sie sollte das Konzept der planetaren Grenzen berücksichtigen [48]. Agroforst, der Nahrungsmittel und Baustoffe auf einem Schlag wachsen lässt, kann eine bauwirtschaftlich willkommene Win-win-Technologie sein.

2.3 Blick auf die wichtigsten agrarischen Baustoffe

2.3.1 Getreidestroh

Die Biomasse von Getreidestroh als Nebenprodukt ist womöglich weniger kritisch zu sehen als reine Plantagen. Verwendet wird v. a. Weizen-, Dinkel-, Roggenstroh, aber auch Stroh von der Reispflanze oder von Triticalen (BauStroh GmbH). Ein großer Vorteil des Baustrohs ist dessen hervorragende Wärmespeicherfähigkeit wie auch hohe Schallabsorption [52]. Strohballenhäuser und Stroh-Holzrahmenhäuser erreichen die U-Werte von Passivhäusern [53]. Strohballen lassen sich auch für Dachaufbauten verwenden – etwa in 36 cm Stärke – oder, auf erhöhten Schraubfundamenten, als Dämmstoff im Bodenfundament. Insgesamt liegt der ­Energiebedarf in der Materialherstellung deutlich unter dem von ­erdölbasierten Dämmstoffen: für die Herstellung einer Strohwanddämmung mit dem U-Wert 0,10 W/(m2 · K) werden etwa nur 10 kWh/m2 benötigt – eine XPS-Dämmung schlägt hingegen mit 345 kWh/m2 zu Buche; eine Holzfaserdämmplatte hat einen ähnlich hohen Wert von 329 kWh/m2 [53]. Auch ist die begrenzte Verfügbarkeit des Erdöls mitzudenken.

Stroh wird etwa auch in Lehmziegeln verwendet, darin zu Anteilen von rd. 20 % bis 30 %. Hier sind aber auch Sägespäne üblich und ein mögliches Substitut des Strohs [54]. Für Lehmputze ist Stroh eine Haftgrundlage, wobei dünnes, langes Stroh verwendet wird. Ein Gemisch aus Stroh und Lehm ist der Wellerlehm, wofür wiederum möglichst dünne Strohhalme von 30 cm bis 40 cm Länge benötigt werden [55]. Ein weiteres innovatives Anwendungsfeld sind Holzrahmenmodule, die 80 cm oder weniger dick mit Stroh ausgefüllt sind und sich – arbeitsökonomisch günstig – teilstandardisiert vorfertigen lassen (sog. Mod-Cell-Panels [56]). Hinsichtlich der Halmerträge schneidet der Roggen, auch im Verhältnis zu den Kornerträgen, besser ab als Weizen oder Hafer (Tab. 3).

Kulturart Kornertrag [dt/ha] Strohertrag [dt/ha]
Winterweizen 30–55  45–75 
Winterroggen 25–50 50–80
Hafer 30–50 40–55
Tab. 3 Korn- und Strohertrag ausgewählter Kulturarten [57, S. 160.]

2.3.2 Weidelgras und Miscanthus

Pflanzenfasern auch aus Gräsern lassen sich grundsätzlich als Dämmstoff, aber auch für die Weiterverarbeitung in Bioraffinerien verwenden. Weidelgras und Miscanthus (Chinaschilf) gelten beide als Energiegräser, lassen sich aber v. a. auch als Einblas- oder Schüttdämmstoff nutzen [57]. Miscanthus lässt sich mit Erntemaschinen des Maisanbaus ernten – er ist anspruchsarm, was Bodengüte und Pflanzenschutz angeht [58, 59]; eine Reihe von Baustoffen wie Dämmplatten oder auch Ausfachsteine sind bereits am Markt, jedoch verhindern auch hier fehlende Baustoffnormen eine verbreitete Verwendung. Weidelgras (engl.: Ryegras) ist häufig auf Tierweiden, aber auch in Stadtparks oder auf Sportplätzen angepflanzt und gilt als unempfindlich und mit bis zu 90 cm als schnell wie hoch wachsend; es erlaubt bis zu drei Ernten je Sommersaison, sodass die Frischgras-Hektarerträge bei bis zu 28 t liegen, mehr als dem Dreifachen von Weizen oder Mais. Getrocknet ergibt das etwa 8,5 t, davon rd. 4,25 t Zellulose [57]. Das Gras ergibt nach Trocknung und Verarbeitung etwa 15 % Zellulosefasern, die übrigen Nebenprodukte können als Proteinfutter, Stickstoffdüngemittel oder als Lebensmittelzusätze verwendet werden. Hauptprodukt ist oft Strom und Wärme aus Grasbiomasse. Weidelgras-Pellets werden auch zu Bioplastik gemacht, was wiederum möglicher Baustoff sein kann. Weidelgras gilt als bestgeeignetstes Gras für die Erzeugung chemischer Grundstoffe in sog. grünen Bioraffinerien [60]. Weniger positiv im Vergleich zum Stroh schlägt sich in der Energie- und Klimabilanz nieder, dass das feucht gemähte Weidelgras vor der Weiterverarbeitung getrocknet werden muss. Für den Brandschutz wird die getrocknete Graszellulose mit einer Borsalzlösung behandelt (auch wenn die Europäische Kommission Borsäure und Borax als besorgniserregende Stoffe nach REACH-Verordnung reproduktionstoxisch einstuft). Wiesengras-Dämmschüttung kann als Zwischensparrendämmung, Deckenunterdämmung, Bodenplattendämmung und Innenwanddämmung hinter Vorsatzschalen eingesetzt werden (DIN 4108), aber auch als biogene Bewehrung im Gussbeton oder in Putzen. Hervorragend ist die Wärmespeicherkapazität des Wiesengrases, was es als Dämmstoff qualifiziert, weniger aber als Stützfasern (Tab. 4).

2.3.3 Hanf

Seit Jahren kehrt die Nutzpflanze Hanf auf Europas Äcker zurück, und dort hat sie eine lange Geschichte. Die Faserpflanze wächst schnell und dicht, wenige oder keine chemischen Pestizide sind nötig. Die tiefen Wurzeln können die Wasseraufnahmefähigkeit verbessern. Hauptprodukte sind meist Hanföl oder Samen, als Rohstoff für die Pharma-, Bio-Farben- oder Nahrungsmittelindustrie, wohingegen die Schäben und Hanffasern als Dämmstoff oder Dichtstoff oder für in Ausfachungen von Häusern verwendete Hanf-Lehmsteine oder Hanf-Kalksteine verwendet werden [57]. In die Ökobilanzierung gehen allerdings relativ viele Verarbeitungsschritte nach der Aussaat, Feldbestellung und Ernte ein: Röste, Faseraufbereitung, Kämmen, Mischen, Behandlungen für den Brandschutz, Trocknung. Für das Hanfstroh gibt es identische Einsatzmöglichkeiten, die oben diskutiert wurden. Anwendungen gibt es auch in Form von Hanfdämmplatten.

2.3.4 Pappeln und Weiden (KUP)

Pappelholz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) wird heute im Wesentlichen, wie es im technischen Jargon der Energiepolitik so schön heißt, der thermischen Verwertung zugeführt. Eine im Lichte der oben angeführten Zusammenhänge sinnvollere Möglichkeit der Verwertung kann die Herstellung von Brettschichtholz bzw. Brettsperrholz (cross laminated timber, CLT) aus Pappelstäbchen sein. Erste Versuche in den Laboren der Hochschule Biberach ergaben vergleichbare Tragfestigkeitseigenschaften mit konventionellem Brettschichtholz. Das Herstellungsverfahren ähnelt der Herstellung von CLT auch als tragende Bauteile aus Weich- und Laubholz wie der baustofflich lange vernachlässigten Buche, die sich – von europäischer Grundlagenforschung ausgehend – seit wenigen Jahren global in der Baupraxis durchsetzt [15]. Die Pappel weist für dieses Vorhaben besondere Vorteile auf, denn sie ist durch europäische Baustoffnormen bereits als CLT-Rohstoff zugelassen (DIN EN 14080). Pappeln wachsen schnell und auch auf minderguten Böden ab etwa 30 Bodenpunkten, in KUP-Plantagen stehen zwischen 1000 und 13.000 Bäume auf 1 ha, in Agroforstsystemen aber nur 100 Bäume/ha [17]. Es gibt zahlreiche ökologische Argumente für den Einsatz von Pappeln, etwa den möglichen Verzicht auf Düngung, die Tiefwurzelung, den Humusaufbau durch Laubabfall, der auf dem Boden belassen wird [37, 61].

2.3.5 Bambus

Weil Bambus gerade im globalen Blick von der Klimawissenschaft als potenzialreicher Baustoff genannt wird und weil er botanisch auch ein Gras ist, soll er hier – trotz geringer Relevanz des Anbaus in Mitteleuropa – auch erwähnt werden. Da das Bevölkerungs- und Städtewachstum in Asien größer ist als in Nordamerika und Europa, gilt Bambus als der global wichtigste Baustoff der Holzbauzukunft. Es gibt Hunderte Arten, Dutzende Gattungen Bambus; als Zellstoffquelle sind alle geeignet, aber nur wenige können auch als konstruktiver Baustoff verwendet werden, wie der mehr als 10 cm am Tag wachsende Guadua angustifolia [62]. Vielen gemeinsam ist das überragend schnelle Wachstum. Schon lange wird es auch in Europa im Bau verwendet, aber eher für die Herstellung von Bauprodukten, Böden, in Faserbeton [57]. Manche Arten wachsen am Tag 90 cm. Der Große Dornenbambus (Bambus arundinacea) ist eine davon. Moso-Bambus eignet sich für Parkettböden. Ökosystemisch ist zu beachten, dass Bambus sehr viel Wasser benötigt bzw. dem Boden entnimmt. Prozesstechnisch fällt Energie für die Trocknung an. Bambus-CLT wird in verschiedenen Kombinationen mit anderen Hölzern als tragender Baustoff mit großer Zukunft gesehen. Die Biegefestigkeit von gemischten Bambus-Bauholz-CLT lag in Versuchen wegen der hohen Materialelastizität mehr als 2,5-fach so hoch wie die von CLT aus Fichte und Kiefer, aber die Scherfestigkeit war geringer [63]. Auch die Dämmwerte solcher Hybrid-Bambus-CLT scheinen überzeugend zu sein [63, 64]. Im holzarmen China findet das Material besonderes Interesse, gerade auch vor dem Hintergrund der hervorragenden Klimabilanzen des Baus [63]. In Asien verwendet man Bambus auch traditionell für Gebäudeeinrüstungen (Bild 7). Die Intensivierung des noch vermehrt kleinbäuerlichen Anbaus wird hinsichtlich ihrer ökologischen Folgen beobachtet werden. Als Nutzpflanze hat Bambus in Deutschland trotz Frostresistenz noch keine Bedeutung, sein Wachstum ist langsamer als in den asiatischen Anbaugebieten.

3 Fazit und Ausblick

Der Einsatz biogener Baustoffe dürfte vor dem Hintergrund der globalen Klimaschutzpolitik stark zunehmen. Die einseitige Betrachtung des Holzes als Baustoff bedarf einer Erweiterung auf agrarische Rohstoffe, seien sie traditioneller oder innovativer Art. Insbesondere Stroh und Gräser, darunter der Bambus im asiatischen Raum, sind hier zu nennen. Viele weitere Stoffe wurden hier nicht diskutiert, sind aber zu nennen: Flachs oder Baumwolle, Kokos, Ananas, Schilf und Rohrkolben (gerade im Zusammenhang mit Moor-Renaturierungen), Brennnessel, Jute und Hopfen, Zuckerrohr. Die Verwendung steht immer im Begründungszusammenhang mit der Agrarökologie, der Flächenkonkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion, aber auch einer zunehmenden hochwertigen Wiederverwertung organischer Reststoffe (umgangssprachlich: Abfallströme). Zum Beispiel wäre ein Upcycling gebrauchter Jeanshosen zum Fassadendämmstoff aus Umweltsicht einer Neuherstellung aus Baumwollfasern vorzuziehen.

In dieser Weise ist eine holzbasierte oder zellstoffbasierte Bioökonomie im System [23] zu betrachten und zu bewerten. Jede Innovation in Richtung einer Kreislaufwirtschaft senkt den Druck auf die Fläche, also den Bedarf an nachwachsenden Ressourcen. Eine ausführliche Technikfolgenabschätzung des zunehmenden Baus mit landwirtschaftlicher Biomasse ist geboten. Fachleuten der Agronomie, Ökonomie, Ökologie, Ökobilanzierung, des Bauingenieurswesens, der Architektur/Stadtplanung, des Brandschutzes und ggf. ethische Begleitforschung müssten daran mitwirken.

In Zukunft werden nicht nur innovative Kombinationen von agrarischer oder forstlicher Biomasse untereinander – wie am Beispiel des CLT sichtbar wurde – von Bedeutung sein, sondern auch derselben mit Beton, Stahl oder Ziegeln. Beton-Holz-Verbunddecken sind ein Beispiel für die Kombination beider Welten. Schließlich spielt auch eine Ausweitung der maritimen Bioökonomie eine bemerkenswerte Rolle, etwa weil sie die erwarteten verschärften Flächenkonkurrenzen um das Land zu entspannen imstande sein dürfte. Dämmstoffe oder auch Bioplastik aus Mikroalgen sind hier als ein Beispiel zu nennen [65].

Da der biogene Bau einen Kulturbruch mit manch einer seit mindestens 70 Jahren auf Abbruch und ressourcenintensiven Neubau eingeübten Praxis darstellt, sind zur Verwirklichung dieses Nachhaltigkeitsansatzes durchaus nicht nur materialwissenschaftliche Innovationen und Effizienzfortschritte in der agrarisch-forstlichen Rohstofferzeugung nötig. Zielführend sind Value-Chain-Innovationen, in der sich die Akteursgruppen in ganzen Wertschöpfungsketten gemeinsam darauf einigen, wie das Ziel einer langfristigen Kohlenstoffspeicherung in der Bausubstanz gemeinsam erreicht werden kann. Solche Dialoge über Nachhaltigkeit lassen sich keinesfalls nur als Mittel zum Zweck verstehen, sondern schon als Teil der Einlösung des Versprechens, das die große, rätselhafte Metapher Bioökonomie neben der Nachhaltigkeit in sich trägt: Bios bedeutet Leben(digkeit).


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Autor

Prof. Dr. Jan Grossarth, grossarth@hochschule-bc.de
Hochschule Biberach, Institut für Holzbau; LMU München, Institut Technik-Theologie-Naturwissenschaften

www.jan-grossarth.de

Dieser Aufsatz wurde in einem Peer-Review-Verfahren begutachtet.

Eingereicht: 29. November 2022; angenommen: 20. Februar 2023.

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