Kriterien für die CO₂-Bilanz von Holzbaukonstruktionen: Schumacher Quartier, Berlin

Neben der Markterkundung der verarbeitenden Holzindustrie im Umland, dem Betrachten der konkreten Wertschöpfungskette Holz und den Vergabeverfahren, die ein Gelingen und Qualität im mehrgeschossigen Holzbau fördern sollen, habe ich mich als Geschäftsführerin der Tegel Projekt GmbH gefragt, welche Baukonstruktion in ihrer Kohlenstoffbilanz am meisten überzeugt. Um sichere Parameter für den mehrgeschossigen Holzbau zu erhalten, wurde im Rahmen der Urban Tech Studies der Tegel Projekt GmbH in enger Zusammenarbeit mit der TU-Berlin eine angewandte Forschungsstudie durchgeführt, um die Quantifizierung der Auswirkungen verschiedener Arten der Baukonstruktion auf den Kohlenstoffhaushalt im Schumacher Quartier zu ermitteln. Die hier vorgestellte Studie „Wälder, Städte und ihr Kohlenstoffkreislauf“ erklärt, auf welche Kriterien es bei der Errichtung von Holzbauquartieren ankommt.

Weltweit stehen Städte vor der Herausforderung, der steigenden Nachfrage nach Wohnraum ökologisch verträglich zu begegnen. Ressourcenschonendes Bauen spielt deshalb eine große Rolle bei der Errichtung des Schumacher Quartiers. Auf 46 ha Fläche sollen hier in den kommenden 15 Jahren über 5.000 Wohnungen entstehen, die mehr als 10.000 Menschen komfortables, bezahlbares und nachhaltiges Wohnen versprechen.

In diesem Modellquartier werden neue Konzepte und Anwendungen zum Einsatz kommen. Entstehen werden eine Smart City und eine Schwammstadt mit einer konsequent ressourcen- und klimafreundlichen Infrastruktur, hoher Biodiversität und autofreier Mobilität. Die Lösungen für Europas größtes urbanes Holzbauprojekt sollen Vorbild sein für viele andere nachhaltige Quartiere in Berlin, Deutschland und überall auf der Welt. Bei diesem Anspruch an ein Modellquartier stellt sich die Frage, wie sich der Holzbau im Detail umsetzen lässt.

Holz als Gamechanger für die Region Berlin-Brandenburg

Ein Ergebnis dieser Studie ist, dass ausreichend viel Kiefernholz in der Region Berlin-Brandenburg vorhanden ist, um das komplette Schumacher Quartier zu realisieren. Das Bauen mit Holz hat das Potenzial eines Gamechangers für die Region auf dem Weg in Richtung Klimaneutralität. Die Prozesse und Wertschöpfungsketten wurden analysiert und ausgewertet. Der Umbau des Waldes in widerstandsfähige Mischkulturen mit nachhaltiger Bewirtschaftung und die Verwendung des zu entnehmenden Kiefernholzes für den Wohnungsbau schaffen eine Win-win-Situation für alle Beteiligten. In den Bauprozessen werden wir dadurch unabhängig vom internationalen Holzmarkt, für die Vergabeprozesse und Abläufe gibt es entsprechende Planungssicherheit.

Für die Zukunft besteht die Notwendigkeit, den Fokus auf regionale Forstwirtschaft zu legen, um eine nachhaltige Rohstoffversorgung für den Holzbau zu gewährleisten. Die angemessene Holzernterate und das Ausmaß der Kohlenstoffbindung sind je nach Waldökosystem und Klimazone unterschiedlich.

Der Gebäudesektor hat einen maßgeblichen Anteil an den CO₂-Emissionen weltweit. Das Baumaterial Holz bietet neben seiner Eigenschaft als wichtiger Kohlenstoffspeicher weitere Vorteile. Es eignet sich für eine einfache Bauweise mit losen Elementen und Modulen, kann präzise vorgefertigt und auf der Baustelle schnell montiert werden. Der Einsatz von computergesteuerten Planungsmethoden und Robotik erlaubt, in der Planung und in der Produktion neue Wege zu gehen. Die Gesamtbauzeit lässt sich dadurch deutlich verkürzen. Für all das ist die Region Berlin-Brandenburg gut aufgestellt und das Schumacher Quartier daher als Modellquartier bestens geeignet.

Holzbaukonstruktionen im Vergleich

Vor dem Hintergrund der akademischen Diskussion, ob massiver Holzbau, der Holzrahmenbau oder eine Holzleichtbaukonstruktion die nachhaltigste Konstruktionsweise ist, entstand im Austausch mit der Professorin für Stadtökologie an der TU-Berlin, Galina Churkina, und mir die Idee zu dieser Studie. Als Mathematikerin hat sich Prof. Dr. Churkina mit Berechnungen von Rückkopplungen zwischen Urbanisierung und Umwelt einen Namen gemacht. Gemeinsam mit Studierenden der TU Berlin hat sie ihr numerisches Modell als Grundlage für diese Pilotstudie weiterentwickelt und mit umfangreichen Datenrecherchen sowie Experteninterviews ergänzt.

Das Ziel der Studie „Wälder, Städte und ihr Kohlenstoffkreislauf“ ist, die klimafreundlichste Konstruktionsweise für das Schumacher Quartier zu ermitteln. Dabei werden holz- und mineralbasierte Bauweisen verglichen und deren Beitrag zu Kohlenstoffemissionen und Kohlenstoffspeicherkapazitäten bewertet. Darüber hinaus wurde jedes Baumaterial anhand seines Beitrags zum CO₂-Ausstoß während Produktion, Herstellung und Transport sowie seiner Fähigkeit, CO₂ zu speichern, analysiert.

Bewusst haben wir auch eine reine Ziegelkonstruktion mit Ziegeleinhangdecken in die Untersuchung aufgenommen, um der Region Berlin-Brandenburg als Lehm- und Tonregion Rechnung zu tragen. Wenn zu ihrer Produktion erneuerbare Energien verwendet werden, kann der Einsatz von reinen Ziegelkonstruktionen in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Ebenfalls interessant sind die ersten Modellprojekte mit Lehmdeckenkonstruktionen in der Region, die derzeit aber noch nicht für den kostengünstigen mehrgeschossigen Wohnungsbau einsetzbar sind.

Forschung mit direktem Anwendungsbezug

Aus der städtebaulichen Blockstruktur des Schumacher Quartiers, die aus einem internationalen städtebaulichen Wettbewerb 2016 hervorgegangen ist, wurde für die Studie beispielhaft ein viergeschossiger Gebäuderiegel mit einer Grundfläche von 1.276 m² und einer Fassadenfläche von 2.515 m² herausgenommen und in sechs verschiedenen Bauarten durchgeplant. Innenwände wurden nicht berücksichtigt. Entscheidend für die Betrachtung war zum einen, welche Elemente baukonstruktiv relevant sind für eine positive CO₂-Bilanz, zum anderen, wie die Konstruktion und Fügung dieser Elemente im Detail aussehen können. Die Zirkularität im Bau ist hierbei mitzudenken.

Für die konventionellen Konstruktionen wurde zum einen eine Kalksandsteinwand mit Stahlbetondecke, zum anderen eine Ziegelkonstruktion mit Ziegeleinhangdecke gewählt.

Für den Holzbau sind die vier Rohbaukonstruktionen Holzleichtbauweise, Holzrahmenbau, Massivholzbau (in Form von Brettsperrholzdecken) und leimfreie Vollholzkonstruktion untersucht worden.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Stahlbetonbauweise mit einem Gesamtgewicht von 4,1 Kilotonnen (kt) die schwerste Konstruktion ist, die Ziegelbauweise nur noch 2,5 kt Gesamtgewicht und die Holzkonstruktionen ein Gesamtgewicht von 1,0 bis 1,8 kt aufweisen.

Die Studie sucht Antworten auf folgende Fragen:
— Welche Arten der Baukonstruktion sind am klimafreundlichsten im Hinblick auf ihre Kohlenstoffemissionen und die Kohlenstoffbindung?
— Welche Baustoffe und Gebäudeteile leisten den größten Beitrag zu den Kohlenstoffemissionen bei Produktion, Fertigung und Transport und welche Baustoffe binden den meisten Kohlenstoff?
— Ist der Einsatz von regionalem Holz und anderen regionalen Baustoffen immer am klimafreundlichsten?

Der erste Teil der Studie stellt die verschiedenen Arten der Baukonstruktion, die für die Berechnung der Kohlenstoffbilanz verwendete Methode und die relevanten Daten vor. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse der Bewertung des Kohlenstoffzyklus vorgestellt und die damit verbundenen Unsicherheiten diskutiert.

Numerischer Algorithmus als Berechnungsmethode

Prof. Dr. Galina Churkina von der TUBerlin legt ihre Berechnungsmethodik in der Studie ausführlich dar: „Um die Kohlenstoffbindung und -emissionen bei der Produktion und dem Transport von Baustoffen zu bewerten, wurde eine Kohlenstoffbilanz (CCA) aufgestellt. Dabei handelt es sich um einen Algorithmus, der die Bindung und Flüsse von Kohlenstoff innerhalb der gebauten Umgebung und zwischen der gebauten Umgebung und Ökosystemen simuliert“ (genaue Aufstellung siehe Studie, S. 28 ff.).

Klimafreundlichste Baukonstruktion für das Schumacher Quartier

Die Tegel Projekt GmbH hat den Anspruch, die Wohngebäude im Schumacher Quartier und ihre begleitende Infrastruktur mit so wenig CO₂-Emissionen wie möglich zu bauen. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass holzbasierte Arten der Baukonstruktion in der Produktion im Allgemeinen rund 40 % weniger CO₂-Emissionen erzeugen als mineralbasierte Baukonstruktionen. Mineralische Baustoffe wie Kalkstein, Stahlbeton oder Ziegel haben das geringste Potenzial zur Kohlenstoffbindung. Holzbasierte Bauweisen weisen aufgrund der höheren Mengen an organischen Materialien eine Kohlenstoffbindung von 21,5 kt bis zu 70,3 kt in den biomassebasierten Konstruktionen des Mustergebäudes auf. Holzkonstruktionen haben eine 4- bis 19-mal so große Kohlenstoffbindung wie mineralbasierte Baukonstruktionen für dasselbe Mustergebäude.

Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Verwendung organischer Baustoffe erhebliche Vorteile hinsichtlich ihrer geringeren Kohlenstoffemissionen und ihres höheren Potenzials zur Kohlenstoffbindung bietet. Daher stellen holzbasierte Bauweisen eine vielversprechende Option dar, um den CO₂-Fußabdruck zu reduzieren.

Die Berechnungen zeigen, dass die beiden Massivholzkonstruktionen in Bezug auf den Kohlenstoffhaushalt eindeutig eine bevorzugte Konstruktionsart sein sollten, wenn das Holz in der Region vorhanden ist – vgl. Abbildungen oben.

Die Transportwege spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle in Bezug auf die Kohlenstoffemissionen, wobei die Emissionen während des Transports in hohem Maß von dem transportierten Gewicht abhängen. Der Transport von leichteren Materialien hat geringere Auswirkung als der Transport von schwereren Materialien. Mit Blick auf das Schumacher Quartier werden die höchsten Transportemissionen, nämlich 14,6 kt, von der Thoma-Vollholzkonstruktion erzeugt, wegen ihres Gewichts und des langen Lieferwegs in diesem Fall nach und von Österreich. Die geringsten Transportemissionen von 1,9 kt verursacht die Holzrahmenbauweise. Mitentscheidend ist auch die Wahl des Transportmittels: Die Emissionen beim Schienentransport können um 96 % geringer sein als beim herkömmlichen Lkw-Transport (3,5 – 7,5 t).

Maßgeblich ist die Erkenntnis, dass die gewählte Baukonstruktion für den Rohbau in Bezug auf Holzvorkommen, verarbeitende Industrie und Wertschöpfungsketten etc. davon abhängt, was eine genaue Analyse der Region ergibt.

Beitrag der Gebäudeteile für eine nachhaltige Baukonstruktion

Eine weitere Fragestellung war, welche Gebäudeteile im Schumacher Quartier den größten Beitrag für eine nachhaltige Baukonstruktion leisten können. Wie bereits beschrieben, haben wir uns in dieser Studie auf die Untersuchung der Wände, Rohdecken und Dachkonstruktionen beschränkt. Die größten Anteile an den Emissionen von mineralbasierten Bauweisen sind auf die Primärkonstruktion zurückzuführen.

Innenwände, Treppenhäuser, Aufzugsschächte und anderes mehr wurden nicht berücksichtigt. Es sollte bewusst nur die reine Rohbaukonstruktion analysiert werden, um hier möglichst unverfälschte Ergebnisse zu erhalten. Für den Innenausbau gibt es bereits Forschungsstudien, aus denen sich Empfehlungen für den Einsatz nachhaltiger Materialien ableiten lassen.

Für den mehrgeschossigen Wohnungsbau, der für das Schumacher Quartier konzipiert wurde, weisen die Rohdecken den höchsten Anteil an Kohlenstoffemissionen und -bindung auf. Das ergibt sich schon allein daraus, dass dieses Bauteil die größte Fläche in einem der geplanten vierstöckigen Gebäude aufweist. Eine interessante Erkenntnis in diesem Zusammenhang ist: Bei den beiden Holzrahmen-Leichtbauweisen sind aufgrund des breiteren Materialmixes die Kohlenstoffemissionen gleichmäßiger auf die Bauteile verteilt.

Organische Materialien mit hoher Kohlenstoffbindung tragen zur Vergrößerung des urbanen Kohlenstoffbestands bei. Die Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre wird verhindert oder zumindest verzögert und wirkt somit dem Klimawandel entgegen.

Auswirkungen für weitere Planungen

Beim Modellquartier für kostengünstigen und nachhaltigen Wohnungsbau ist elementar, alle Parameter detailgenau zu analysieren, um das bestmögliche Ergebnis zu erzielen. Diese Studie zeigt: Die eine Lösung für den Holzbau gibt es nicht. Stattdessen müssen alle Standortfaktoren bei der Bewertung und Auswahl der klimafreundlichsten Holzbauweise in Betracht gezogen werden.

Für das Schumacher Quartier bedeutet das: In der Region ist ausreichend Kiefernholz vorhanden, um in Massivholzbauweise zu konstruieren. Dabei sollte der Schwerpunkt auf der Deckenkonstruktion liegen und auch in allen Vergaben darauf geachtet werden, dass dies entsprechend umgesetzt wird. Die konstruktive Höhe kann in der Massivholzkonstruktion geringer ausfallen, was ebenfalls ein Vorteil ist: Die reinen Massivholzkonstruktionen sind einfacher wiederverwend- oder recycelbar und somit in der Kaskadennutzung holzbasierter Baustoffe positiv zu sehen.

In anderen Regionen Deutschlands oder der Welt wird der Holzrahmenoder Leichtbau ggf. eine nachhaltigere Gesamtperformance vorlegen:

„Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine regionale Produktion weniger entscheidend ist, je leichter das Material ist. Für schwerere Baustoffe gewinnt die Verwendung von regionalem Holz und anderen Rohstoffen an Bedeutung, da die Transportemissionen deutlich höher sind. Dennoch kann geschlussfolgert werden, dass ein Baustoff umso klimafreundlicher ist, je näher die Produktionsstätte ist, weil kurze Transportwege zu geringeren relativen Transportemissionen führen“ (siehe Studie, S. 41).

Die Studie zeigt auch, dass eine Holzbauförderung pro Kilogramm Holz nicht immer die richtige Lösung ist, da die Konstruktionsart in Abhängigkeit von den Transportwegen zu sehen ist. Für Berlin-Brandenburg ist eine Holzförderung nach Kilogramm förderlich und hilfreich, um den Holzbau in der Region nach vorne zu bringen.

Die Ergebnisse der Studie sind komplex und die Prozesse ganzheitlich zu betrachten. Es gibt sie nicht, die eine Antwort auf die tiefergehende Frage: „Wie baue ich am nachhaltigsten mit Holz?“ Notwendig ist der differenzierende Blick auf das konkrete Projekt, die Region sowie die dortigen Liefer- und Wertschöpfungsketten. Die Studie gibt Hinweise darauf, auf welche Parameter zu achten ist, um Holzbau in der jeweiligen Region sinnvoll und nachhaltig umzusetzen.

Die Autorin

Gudrun Sack
Die Diplom-Architektin Gudrun Sack ist seit 2021 Geschäftsführerin der Tegel Projekt GmbH in Berlin. Sie ist u. a. Mitglied in der Koalition für Holzbau, in der Holzbauoffensive Berlin-Brandenburg und in der Projektgruppe Muster-Holzbaurichtlinie. Sie war 16 Jahre lang in der Architektenkammer Berlin in den Arbeitskreisen Nachhaltiges Planen und Bauen, Honorar- und Vertragswesen, Wettbewerb und Vergabe, und dann als Vorstandsmitglied tätig. Mehr als 20 Jahre war Gudrun Sack Geschäftsführerin und Partnerin bei NÄGELIARCHITEKTEN, in Berlin und Karlsruhe. Seit über 20 Jahren ist sie im Holzbau unterwegs und wohnt selbst in einem Experimentalgebäude aus Holz.
www.urbantechrepublic.de