Life-Cycle Energy and Carbon Implications of Wood-Based Products and Construction

Forests can be an important element of an overall strategy to limit the atmospheric concentration of carbon dioxide (CO2) that contributes to climate change. As an integral part of the global carbon cycle, forests remove CO2 from the atmosphere as they grow, and accumulate carbon in tree biomass. Using wood products made from sustainably managed forests can reduce net CO2 emission by substituting in place of fossil fuels and energy-intensive materials. In this thesis the mechanisms by which wood product substitution can affect energy and carbon balances are studied. These include: the energy needed to manufacture wood products compared with alternative materials; the avoidance of industrial process carbon emission from e.g. cement manufacture; the use of wood by-products as biofuel to replace fossil fuels; and the physical storage of carbon in forests and wood materials. A methodological framework is first developed by integrating knowledge from the fields of forestry, industry, construction, and energy. A life cycle perspective is employed encompassing the entire product chain from natural resource acquisition to material disposal or reuse. Analytical challenges that are addressed include the functional unit of comparison, the fossil reference system, land use issues of wood vs. non-wood materials, and the diverse phases of the product life cycle. The methodology is then applied to two multi-storey wood-framed buildings in Sweden and Finland, compared with two functionally equivalent buildings with reinforced concrete structural frames. The results show that less primary energy is needed to produce the wood-framed buildings than the concrete-frame buildings. CO2 emission is significantly lower for the wood-frame buildings, due to reductions in both fossil fuel use and cement calcination process emission. The most important single factor affecting the energy and carbon balances is the use of biomass by-products from the wood product chain as biofuel to replace fossil fuels. Over the life cycle of the wood-framed buildings, the energy of biomass residues from forest operations, wood processing, construction and demolition is greater than the energy inputs to produce the materials in the buildings. Realisation of this benefit is facilitated by integrating and optimising the biomass and energy flows within the forestry, industrial, construction, energy, and waste management sectors. Different forest management regimes are studied in an integrated carbon analysis to quantify the carbon flows and stocks associated with tree biomass, soils, and forest products. Intensified forest management that produces greater quantities of biomass leads to net CO2 emission benefits by augmenting the potential to substitute for fossil fuels and non-wood materials. The increased energy use and carbon emission required for the more intensive forest management, as well as the slight reduction in soil carbon accumulation due to greater removal of forest residues, are more than compensated for by the emission reduction due to product substitution. Carbon stock changes in forests and wood materials can be temporarily significant, but over the building life cycle and forest rotation period the stock change becomes insignificant. In the long term, the active and sustainable management of forests, including their use as a source for wood products and biofuels, allows the greatest potential for reducing net CO2 emission. Implementation issues related to the wider use of wood-based materials to reduce energy use and carbon emission are also explored. An analysis of the effects of energy and taxation costs on the economic competitiveness of materials shows that the cost of energy for material processing, as a percentage of the total cost of finished material, is lower for wood products than for other common non-wood building materials. Energy and carbon taxation affects the cost of wood products less than other materials. The economic benefit of using biomass residues to substitute for fossil fuels also increases as tax rates increase. In general, higher taxation of fossil fuels and carbon emission increases the economic competitiveness of wood construction. An analysis of added value in forest product industries shows that greater economic value is added in the production of structural building materials than in other uses of forest biomass. Co-production of multiple wood-based products increases the total value that is added to the biomass produced on an area of forest land. The results show that production of wood-based building material is favoured economically by climate change mitigation policies, and creates high added value within forest product industries.Skogsresurser kan utgöra en viktig del i en strategi för att begränsa koncentrationen av koldioxid (CO2) i atmosfären och därmed begränsa klimatförändringarna. Skog tar upp CO2 från atmosfären när den växer och kolet lagras i trädens biomassa. Trädprodukter från hållbart brukade skogar kan minska nettoutsläppen av CO2 genom att de kan ersätta fossilt bränsle och energiintensiva material. I denna avhandling studeras faktorer som påverkar energi- och kolbalanser när träprodukter ersätter alternativa produkter. Signifikanta faktorer är den energi som behövs för att framställa träprodukter jämfört med alternativa produkter, utsläpp av CO2 från industriella processer som vid cementproduktion, ersättning av fossilt bränsle med trärester samt lagring av kol i skog och träprodukter. En metodik har utvecklats för att studera dessa faktorer genom att integrera ämneskunskaper från byggkonstruktion, energi, industri och det skogliga området. Den bygger på ett livscykelperspektiv och innefattar hela material- och produktkedjor från naturresurs till avfall eller återanvändning av material eller produkter. De metodikfrågor som varit i fokus är den funktionella enheten för jämförelser, det fossila referenssystemet, utnyttjande av skogmark vid produktion av träprodukter samt produktens olika faser under en livscykel. Metodiken har sedan använts för att jämföra ett svenskt och ett finskt flervåningshus i trä med två funktionellt likvärdiga hus med betongstomme. Resultaten visade att det behövs mindre primärenergi för att tillverka trähuset än betonghuset. Energin som kan utvinnas från biprodukter under en träbyggnads livscykel – från skogsskötsel, förädling, konstruktion och rivning – är större än den energi som krävs för att tillverka byggnadsmaterialet i byggnaden. Nettoutsläppen av CO2 från både fossil primärenergi och cementkalcinering är också väsentligt lägre för trähuset, men användningen av biprodukter från skogsavverkning, träförädlingskedjan och rivningsvirke för att ersätta fossilt bränsle har störst påverkan på kolbalansen. För att fullt ut tillgodogöra sig biprodukters potentiella fördelar krävs att de olika sektorerna för skogsbruk, industri, konstruktion, energi och avfallshantering integreras och optimeras med avseende på energi- och materialflöden. Olika skogsskötselmetoder har analyserats för att kvantifiera de flöden och den lagring av kol som sker i biomassa, mark och träprodukter. Intensifierat skogsbruk gav mindre utsläpp av CO2 per ha skogsmark, eftersom potentialen ökade för att ersätta fossila bränslen och energiintensiva material. Denna substitutionseffekt kompenserade mer än väl för den ökning i energianvändning och de utsläpp av CO2 som den intensivare skogsskötseln medförde, inklusive för den minskning av lagrat kol i marken som uttaget av skogsrester medförde. Lagring av kol i skogar och träprodukter kan vara intressant i ett kort tidsperspektiv, men under en byggnads livscykel och ett skogsbestånds rotationsperiod har den liten betydelse. I längden uppnås den största minskningen av CO2-utsläpp genom en aktiv och hållbar skogsskötsel med uttag av skogsresurser för användning till träprodukter och energi. I denna avhandling studerades också hur användningen av träprodukter påverkas av energi- och miljöskatter. En analys av energi- och skattekostnadernas effekt på konkurrenskraften för trämaterial visade att energikostnaden är lägre för trämaterial än för andra vanliga byggmaterial. Energi- och koldioxidskatter påverkar träprodukter i mindre utsträckning än produkter i andra material. De ekonomiska fördelarna av att använda biomassa som ersättning för fossila bränslen ökar också med höjda skatter. Konkurrensfördelarna för träkonstruktioner ökar därför generellt i takt med högre skatt på fossila bränslen och CO2-utsläpp. En analys av förädlingsvärdet hos skogsprodukter visade på en större värdeökning vid produktion av byggnadsmaterial än för andra biomassebaserade produkter. Samproduktion av flera träprodukter ökade det totala värdet hos biomassan per skogsareal. Resultaten visade att produktion av träbaserade byggnadsmaterial får ekonomiska fördelar av klimatpolitiska åtgärder och att sådan produktion har ett högt förädlingsvärde för industrierna i träbranschen