Zirkularität im Holztafelbau: Zukunftspotenziale für einen kreislaufgerechten Wohnungsbau

Gemäß der aktuellen Muster-Holzbaurichtlinie ist die Holztafelbauweise in den Bundesländern, die die Richtlinie eingeführt haben, inzwischen bis einschließlich Gebäudeklasse 5 zulässig. Damit etabliert sie sich mehr denn je als besonders leichte, materialeffiziente und damit nachhaltige Konstruktionsweise für das mehrgeschossige Bauen – sowohl für Nachverdichtungsprojekte als auch für die Quartiersentwicklung. Im Unterschied zu holzintensiven Massivholzbauweisen zeichnet sich die Holztafelbauweise durch einen deutlich geringeren, ressourceneffizienten Holzverbrauch aus. Gleichzeitig ist sie durch einen heterogenen Materialmix geprägt, bestehend aus metallischen, organischen (sowohl petrobasierten als auch nachwachsenden) und mineralischen Komponenten. Daraus erwächst künftig ein erheblicher Bedarf an effizienten Strategien für Rückbau, Trennung und Recycling der Komponenten.

Potenziale der Holztafelbauweise

Die ökologischen Eigenschaften von Holztafelelementen – insbesondere ihr geringes Treibhauspotenzial, die niedrige Materialintensität sowie effiziente und energiearme Herstellungsprozesse – sind inzwischen umfassend wissenschaftlich dokumentiert. Die Holztafelbauweise leistet damit einen zentralen Beitrag zu Dekarbonisierungsstrategien im Bauwesen. Technisch ausgereifte und hinsichtlich des Wohnwerts hochwertige Holztafeln werden seit vielen Jahrzehnten in großer Qualität produziert. Themen wie Vorfertigung, kurze Bauzeiten, der Einsatz trockener Baustoffe, CAD-CAM-Anbindung und Digitalisierung standen bereits Anfang der 1990er-Jahre auf dem Lehrplan der wenigen Fachhochschulen, die sich mit Holzbau befassten – heute sind sie im Holzbau Standard. Etwa seit Mitte der 1990er-Jahre etablierte sich zudem der ökologische Holzbau. Die Novellierung der DIN 68800, welche dem konstruktiven Holzschutz Vorrang vor chemischen Verfahren einräumt, schuf eine entscheidende regulatorische Grundlage für die Wiederentdeckung natürlicher Baustoffe. Die Recyclingfähigkeit der Holztafel ist jedoch bislang stark begrenzt. Genau hier setzt das von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderte Forschungsvorhaben „Holztafel 2.0“ an, das bis Ende 2026 von Forschenden der TU Braunschweig, der Ruhr-Universität Bochum und dem Fraunhofer WKI in Kooperation mit vier Praxispartnern vorangetrieben wird. Das Holzbauunternehmen Baukmeier, das mit seinen Effizienz- und Plusenergiehäusern bereits mehrfach ausgezeichnet wurde, bringt seine umfangreiche Erfahrung im nachhaltigen Bauen ein. Die Unternehmen STO und Fermacell vertreten die Zulieferindustrie, während die Firma ALBA als Partner aus der Recyclingwirtschaft beteiligt ist.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung umfassend recyclingfähiger Holztafelelemente, deren Komponenten im Sinne des „Urban Mining“ bzw. „Design for Recycling/Reuse“ möglichst langfristig im stofflichen Kreislauf verbleiben können. Durch die Gewinnung und Aufbereitung von Sekundärbaustoffen aus rückgebauten Holztafelelementen soll eine echte kreislaufwirtschaftliche Wertschöpfung – im Sinne eines „cradle-to-cradle“-Ansatzes – etabliert werden, also eine Rückführung vom Recyclingunternehmen zur Zulieferindustrie und weiter in neue Produkte. Die Forschungsarbeiten orientieren sich dabei an folgenden Leitfragen:

1. Wie können Holztafelbauteile auf der Baustelle zerstörungsfrei demontiert und für eine selektive Trennung im Werk oder Wiederverwendung rückgebaut werden?
2. Mit welchen Verfahren lassen sich die in Holztafeln verbauten Baustoffe mit vertretbarem Aufwand trennen, um möglichst sortenreine Sekundärmaterialien zu gewinnen?
3. In welchem Umfang sind die derzeit eingesetzten Materialien langfristig im Sinne eines geschlossenen Stoffkreislaufs tatsächlich recyclingfähig?
4. Lässt sich die Kreislauffähigkeit der Tafel durch alternative Verbindungsmittel – als Ersatz für konventionelle Klammer- und Schraubverbindungen – und alternativen Schichtaufbauten signifikant verbessern?

Rückbau von Holztafelgebäuden

Ein effizientes Recycling von Baustoffen beginnt bereits mit dem Rückbau des Gebäudes auf der Baustelle. Derzeit werden jedoch nahezu ausschließlich Gebäude rückgebaut, bei denen zirkuläre Prinzipien im Planungs- und Herstellungsprozess kaum berücksichtigt wurden. Im Holzbau kommt hinzu, dass bislang nur wenige Gebäude überhaupt rückgebaut werden. So konnte sich noch kein industriell etablierter Prozess zur wirtschaftlichen und sortenreinen Rückgewinnung der verbauten Rohstoffe herausbilden. Technisch bestehen jedoch bereits heute umfassende Möglichkeiten für einen selektiven Rückbau. Charakteristisch für nahezu alle Holzbauarten – und besonders ausgeprägt für die Holztafelbauweise – ist der sehr hohe Grad der Vorfertigung, der sich seit Jahrzehnten bewährt hat. Die Produktion ganzer Bauteile unter kontrollierten Werkbedingungen ermöglicht eine hohe, reproduzierbare Qualität. Dieses Prinzip kann auch für den Rückbau genutzt werden. Ziel ist daher die Entwicklung eines Rückbaukonzepts, das eine reversible Demontage auf der Baustelle auf Bauteilebene erlaubt. Die demontierten Elemente sollen in Industriebetrieben selektiv zerlegt, gewonnene Materialien sortiert, gesammelt und anschließend entweder im Betrieb weiterverarbeitet oder der Abfallbehandlung zugeführt werden.

Für eine reversibel lösbare Verbindung von Holzbauteilen, wie etwa Wand–Wand oder Decke–Decke, kommen Schrauben (z. B. Vollgewinde- oder Tellerkopfschrauben) sowie Stahlverbinder (z. B. Einhängeverbinder) infrage. Die Demontage wird jedoch durch irreversible Verformungen erschwert, etwa plastische Deformationen quer zur Faser oder viskoelastische Effekte des Holzes. Auch der Einfluss zyklischer und kombinierter Lasten sowie von Feuchte- und Langzeiteffekten (Kriechen, Quellen, Schwinden) auf die Reversibilität stiftförmiger Verbindungen ist bislang nur unzureichend untersucht. Insbesondere unter zyklischer Beanspruchung verlieren schubbeanspruchte Holzverbindungen sukzessive Energie durch Dübelbewegungen und Lochaufweitungen. Um den Rückbau zu erleichtern, sollten reversible Verbindungen daher möglichst im elastischen Bereich verbleiben und nur minimale Schädigungen aufweisen. Zur Einschätzung des Demontageaufwands kann der Arbeitszeiteinsatz sowie der Energieeinsatz der erforderlichen Maschinen empirisch ermittelt werden.

Sortenreine Trennung der eingesetzten Werkstoffe

Die primären Baustoffe der Holztafelbauweise umfassen Holz und Holzwerkstoffe, Gipsplatten, unterschiedliche Dämmstoffe, Folien und Bahnen sowie überwiegend metallische Verbindungsmittel. Viele dieser Materialien sind bereits als Verbundstoffe ausgebildet, sodass sich „Sortenreinheit“ im Recyclingkontext vor allem auf die übergeordneten Materialgruppen bezieht. Aufgrund ihrer stark differierenden stofflichen Eigenschaften ist eine Trennung in definierte Einzelfraktionen nur mittels geeigneter Trenn- und Sortiertechniken möglich. Im Mittelpunkt der Aufbereitung steht die Gewinnung hochwertiger Holzquerschnitte ohne metallische Stiftrückstände. Dafür ist das Entfernen der Beplankungen entscheidend, die meist mit kleinformatigen Verbindungsmitteln wie Klammern oder Trockenbauschrauben in engen Abständen befestigt sind. Eine direkte Wiederverwendung der Beplankungsmaterialien spielt eine untergeordnete Rolle, ist jedoch als Plattenmaterial mit reduzierten Abmessungen grundsätzlich möglich. Um die Trennung von Beplankung und Ständerwerk künftig nicht mehr manuell, sondern in industriellem Maßstab durchführen zu können, werden zwei Verfahren mit hohem Potenzial erprobt. Einerseits wird die Herausziehbarkeit der Verbindungsmittel mithilfe einer mechanischen Kammwelle untersucht, die linear über die Bauteile geführt wird, die Klammern greift und herauszieht. Andererseits wird geprüft, inwieweit sich metallische Verbindungsmittel durch induktives Glühen lösen lassen. Dabei wird das Metall durch ein elektromagnetisches Wechselfeld erhitzt, sodass die Kontaktfläche zwischen Verbindungsmittel und Holz verkohlt und der Reibwiderstand beim Herauslösen erheblich reduziert wird.

Auch für die Ausbauwerkstoffe stehen geeignete Trennmethoden zur Verfügung. Gipsplattenreste lassen sich aufgrund ihrer charakteristischen Farbe und Konsistenz problemlos von Holzwerkstoffen abgrenzen. Folien und Bahnen unterscheiden sich wiederum deutlich in ihren Material- und Formeigenschaften sowohl von Holz- als auch von Gipsprodukten, und Ähnliches gilt für die verschiedenen Dämmstoffe. Die Optionen zur Selektion und Separation wurden im Projektverlauf durch das Fraunhofer WKI gemeinsam mit Industriepartnern umfassend untersucht und weiterentwickelt. Metallische, insbesondere eisenhaltige Verbindungsmittel, können zuverlässig mithilfe von Magnetabscheidern entfernt werden. Zusätzlich wurde untersucht, wie sich die Komponenten von Putzsystemen aus Wärmedämmverbundsystemen rückbauen lassen. Bei Holzfaserdämmstoffen zeigt sich, dass das Putzsystem gut ablösbar ist, wobei ein dünner Faserbelag auf der Putzschicht verbleibt. Das im Putz eingebettete Glasfasergewebe kann durch einfache mechanische Prozesse entfernt werden, wobei mineralische Putzsysteme deutlich leichter zu trennen sind als solche mit hohem organischen Anteil.

Kreislauffähigkeit der verwendeten Materialien im Holztafelbau

Das nächste Entwicklungsziel besteht darin, gemeinsam mit den beteiligten Industriepartnern und Branchenverbänden auf Grundlage der bestehenden Verwertungswege für Holztafelbauwerkstoffe potenzielle ideale Stoffkreisläufe zu skizzieren und deren Umsetzbarkeit realistisch unter technischen, ökonomischen und rechtlichen Gesichtspunkten zu bewerten. Besonders das Recycling von Gipsbaustoffen wird künftig an Bedeutung gewinnen. Mit dem Ausstieg aus der Kohleverstromung entfällt mittelfristig der bislang weit verbreitete REA-Gips, ein Nebenprodukt der Rauchgasentschwefelung. Aktuell entsteht in Deutschland daher eine neue Infrastruktur zur Gewinnung von Recyclinggips. Bis vor Kurzem wurden jährlich rund 100.000 t Gipsabfall nach Tschechien exportiert, wo sie zur Verfüllung ehemaliger Uranabbauflächen eingesetzt wurden – Mengen, die dem Baumarkt dauerhaft entzogen waren. Erst ein jüngst ausgesprochenes Exportverbot führt nun dazu, dass Recyclinganlagen in Deutschland in größerem Umfang mit Abbruchgips beliefert werden.

Bauteile aus Vollholz oder Brettschichtholz sollten möglichst nicht rezykliert, sondern als aufbereitetes Bauholz weiterverwendet werden. In einem weiteren Forschungsprojekt an der TU Braunschweig wird daher untersucht, wie sich alte Vollholzprodukte so aufbereiten lassen, dass sie wieder als hochwertiges Vollholz eingesetzt werden können. Perspektivisch werden damit Verfahren zur Verfügung stehen, die Altholz so behandeln und klassifizieren, dass es vollwertig frischem Waldholz entspricht. Parallel wurden gemeinsam mit Herstellern von Naturfaserdämmstoffen die Bedingungen erforscht, unter denen sich die Fasern aus solchen Dämmstoffen rückgewinnen lassen. Da die innere Festigkeit dieser Materialien stets geringer ist als die Festigkeit einer einzelnen Faser, können die Fasern nahezu verlustfrei herausgelöst werden. Die so gewonnenen Recyclingfasern weisen identische technische Eigenschaften auf wie Fasern aus frischem Waldholz und eignen sich daher uneingeschränkt als Rohstoff für neue Produkte. Zudem ist ihr Rückgewinnungsprozess weniger energieintensiv als die Herstellung neuer Fasern. Gemeinsam mit einem Anlagenhersteller wurden darüber hinaus Verfahren entwickelt, um aus kurzen Vollholzresten aus Abbruchholz Langspäne zu erzeugen, die für die Produktion neuer Holzwerkstoffe genutzt werden können. Der Anlagenprozess ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass bis zu 30 cm lange Späne hergestellt werden, deren technische Eigenschaften denen von Strands aus frischem Waldholz entsprechen.

Während die technische Kreislauffähigkeit also in vielen Bereichen nahezu vollständig gegeben ist, bleibt die tatsächliche Umsetzung in der Baupraxis bislang deutlich dahinter zurück. Wie groß die Diskrepanz zwischen theoretischer Kreislauffähigkeit und realem Handeln sein kann, zeigt der Widerspruch zweier EU-Richtlinien: Die EU-Abfallrichtlinie definiert grundlegende Begriffe und priorisiert Abfallvermeidung vor Wiederverwendung, vor Recycling, vor energetischer Verwertung und vor Beseitigung. Die EU-Richtlinie über erneuerbare Energien hingegen klassifiziert Holz als erneuerbare Energiequelle und sieht dessen Verbrennung als Beitrag zur Reduktion fossiler Energieträger. In der Realität führt dies dazu, dass große Mengen Holz bereits in der ersten Nutzung energetisch verwertet werden. Die im Fertigbau eingesetzten Holzsortimente sind hiervon zwar nicht direkt betroffen, dennoch ist klar: Die Möglichkeiten, Holzmaterial über Jahrzehnte und teils über mehrere Lebenszyklen hinweg im stofflichen Kreislauf zu halten, sind wesentlich größer und vielfältiger, als es die aktuelle Praxis widerspiegelt.

Weiterentwicklungsansätze und Ausblick

Die vorgestellten Strategien beziehen sich zunächst auf Holztafeln, wie sie in der Vergangenheit üblicherweise produziert wurden. Die Trenn- und Wiederverwendbarkeit der verbauten Materialien spielt aber auch in der Planung von zukünftigen Gebäuden – beim Design for Recycling – eine Rolle. Im Forschungsprojekt werden daher nicht nur bestehende Konstruktionsweisen untersucht, sondern auch alternative Ansätze entwickelt, mit denen sich die Kreislauffähigkeit potenziell steigern lässt. Ein zentraler Aspekt ist die heute notwendige Vielzahl an Klammerverbindungen, die für einen kontinuierlichen Schubfluss zwischen Rahmen und Beplankung sorgt, zugleich aber die Demontierbarkeit massiv erschwert. Diese müssten durch reversible Verbindungsmittel ersetzt werden, die sowohl wirtschaftlich ohne Vorbohren montierbar sind als auch die statisch erforderliche Schubübertragung gewährleisten. Materialverträgliche Verbindungsmittel aus hochfesten Holzwerkstoffen – etwa kunstharzgebundene Holzdübel oder Holznägel – zeigen hierbei vielversprechende Potenziale. Sie können nach der Trennung im Bauteil verbleiben, ohne den anschließenden Aufbereitungsprozess zu beeinträchtigen.

Auch das konsequente Arbeiten mit Vorsatzschalen eröffnet neue Spielräume für eine kreislauffähige Konstruktion. Neben den bekannten Vorteilen hinsichtlich des Schallschutzes und der Installationsführung unterstützt dieses Prinzip einer klaren Trennung von Funktionsebenen auch die sortenreine Rückbaubarkeit. Denkbar sind zukünftige Tafeln, bei denen der Brandschutz vollständig über eingehängte, vorgefertigte Vorsatzelemente gewährleistet wird, sodass auf gipsbasierte Beplankungen der tragenden Hölzer verzichtet werden kann. Da Leitungen nicht länger innerhalb der tragenden Elemente geführt werden, lassen sich zudem sortenreine Einblasdämmstoffe aus Holzfasern oder Zellulose ohne zusätzlichen Aufwand einsetzen. Als Aussteifung könnten u. a. Diagonalhölzer oder Holzplatten mit Zinken-Ausbildung ergänzt werden, wodurch sich auch diese Schicht zerstörungsfrei trennbar gestalten lässt.

Die bisherigen Forschungsergebnisse zeigen deutlich, dass bereits heute geeignete Prozesse für eine kreislaufgerechte Aufbereitung des Holztafelbaus existieren. Entscheidend ist, dass sich die Bauweise nicht auf ihren bislang guten ökologischen Eigenschaften ausruht. Eine vollständig trennbare, zirkuläre Holztafel erfordert ein konsequent weiterentwickeltes Design. Bis zum Projektende werden Demonstratoren entstehen, die die technische Machbarkeit eines konsequenten „Design for Recycling“ für Holztafeln, die Funktionsfähigkeit der Recyclingprozesse sowie die Wiederverwendung der gewonnenen Rohstoffe belegen.

Die Autoren

Daniel Dieren
TU Braunschweig, Institut für Baukonstruktion und Holzbau

Norbert Rüther
Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut

Mike Sieder
TU Braunschweig, Institut für Baukonstruktion und Holzbau