W popiół się obróci

Drewno klejone krzyżowo (ang. cross laminated timber, CLT) stosunkowo niedawno zagościło w świadomości i wyobraźni architektów, również w Polsce. Z tonu dyskusji branżowej wynika, że udało się znaleźć Świętego Graala budownictwa ekologicznego, że dzięki temu materiałowi rozwiążemy dużą część problemów współczesnego budownictwa w ogóle. Stosunkowo nowa technologia kusi obietnicą szybkiego procesu – mówimy przecież o prefabrykacji – oraz zmniejszeniem negatywnego wpływu na środowisko, skoro budujemy z drewna. Proponuję, przynajmniej w trakcie lektury, wziąć głęboki oddech i poświęcić bohaterowi artykułu maksimum uwagi. Przyjrzę się technologii CLT z perspektywy cyklu życia surowca i budynku. Poniekąd kontynuuję mój tekst poświęcony betonowi[1].

Ze względu na specyfikę materiału skupię się na najistotniejszych etapach produkcji CLT. Zacznę od pozyskiwania drewna – etapu A1[2]. Budzi on wiele pytań i wątpliwości zarówno wśród projektantów, jak i osób zainteresowanych architekturą oraz w zbiorowej świadomości. Informacje do opisania procesu produkcji (etap A3) zbierałem między innymi w jednej z fabryk CLT w hiszpańskiej Galicji. Świadomie pomijam etapy transportu (A2 i A4), ze względu na marginalny ślad węglowy; z tego samego powodu rezygnuję z opisu budowy, czyli montażu prefabrykatów. Nie uwzględnię również losów materiału i budynku już po fazie użytkowania, mówimy bowiem o technologii wciąż nowej; nie osiągnęła jeszcze pełnego cyklu życia, nawet w perspektywie pięćdziesięciu lat.

Szczególną uwagę poświęcę za to etapowi użytkowania budynku. W życiu obiektu trwa najdłużej i generuje najwięcej gazów cieplarnianych – masa termiczna lekkich konstrukcji znacząco zwiększa zapotrzebowanie na energię.

Zanim pojawi się wątpliwość, chciałbym ją rozwiać. Wpływ materiału i budynku na środowisko mierzymy nie tylko emisją gazów cieplarnianych. Najczęściej używamy Współczynnika Globalnego Cieplenia (ang. Global Warming Potential, GWP), najlepiej zbadanego w kontekście budownictwa. Obliczenie GWP dla budynku pozwala porównywać budynki i rozwiązania jedynie w sposób uproszczony i jednowymiarowy, odnosi się jednak bezpośrednio do kryzysu klimatycznego i przekroczonej granicy planetarnej (zmiany klimatu)[3], która codziennie ingeruje w naszą rzeczywistość.

Węgiel w drewnie

W procesie sekwestracji dwutlenku węgla[4] z powietrza drzewa przechwytują i gromadzą ten związek chemiczny w swojej biomasie, głównie w strukturach włóknistych – drewnie i tkankach korzeniowych. Najpierw, w procesie fotosyntezy, zachodzącym w chloroplastach, drzewa pobierają dwutlenek węgla przez aparaty szparkowe na powierzchni liści. Zasilane energią słoneczną, produkują sobie z niego w swoich strukturach pokarm – cukier prosty glukozę (C₆H₁₂O₆) – a jednocześnie uwalniają tlen do atmosfery. Część wyprodukowanej glukozy przekształcają w sacharozę i łykiem transportują do miejsc wzrostu: młodych liści, pędów i korzeni. Tam, w komórkach roślinnych, w aparacie Golgiego i przy błonie komórkowej, sacharoza łączy się w długie łańcuchy polisacharydowe (C₆H₁₀O₅)_n – celulozę.

Z celulozy i innych związków organicznych drzewa budują drewno, korę i liście. W ten sposób magazynują dwutlenek węgla w swojej biomasie, część tymczasowo, na przykład w liściach i mniejszych gałęziach, a część trwale: w pniu, korzeniach.

Jesienią, gdy drzewa zrzucają liście, część węgla zawartego w ich biomasie trafia do gleby. Drobnoustroje rozkładają ten zasób, a węgiel z niego przekształcają w trwałą materię organiczną (na przykład ligninę, hummus), magazynowaną w glebie.

O biogenicznym śladzie węglowym

Można przyjąć, że dopóki drewno jest użytkowane, zmagazynowany w nim dwutlenek węgla nie wróci do atmosfery. Metod liczenia biogenicznego śladu węglowego znamy kilka, ale dwie z nich są najbardziej popularne, ponieważ za obowiązujące przyjęły je kraje, w których utrwalił się zwyczaj liczenia wbudowanego śladu węglowego. Ani naukowcy, ani ustawodawcy na razie nie uzgodnili, którą metodę przyjąć[5].

Podejście pierwsze, znane jako 0/0 lub neutralne, opiera się na założeniu, że na końcu życia produktu pochodzenia biologicznego emisję dwutlenku węgla równoważy pochłanianie dwutlenku węgla w trakcie wzrostu biomasy. Nie uwzględnia ono ani biogenicznego pochłaniania dwutlenku węgla (0), ani jego emisji (0). W ten sposób liczą na przykład Szwajcarzy w KBOB[6]. To oni zainicjowali dyskusję o cyklu życia budynków i stworzyli pierwszą bazę danych.

Podejście 0/0 sprzyja wykluczeniu produktów, których wytwórca nieprawidłowo lub niedokładnie liczy wbudowany dwutlenek węgla. Stawia ono jednak na równi produkty pochodzenia roślinnego i ropopochodne, nie uwzględnia bowiem zdolności przechwytywania dwutlenku węgla.

W perspektywie najbliższych pięćdziesięciu lat musimy znaleźć sposoby na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla do atmosfery – do tego się zobowiązaliśmy w Traktacie Paryskim, by powstrzymać nagrzewanie się planety. Produkty o długim cyklu życia, na przykład drewniana konstrukcja budynku i parkiet, uwiężą dwutlenek węgla na ponad pięćdziesiąt lat, a płyty paździerzowe i MDF, produkty niskiej jakości, zaledwie na ułamek tego czasu. Po krótkim cyklu życia zostaną poddane spalaniu przemysłowemu i zgromadzony w nich dwutlenek węgla wróci do atmosfery. Dla nich podejście 0/0 wydaje się najbardziej zasadne. Drewno trafia do materiałów i budynków, a wraz z nim krąży dwutlenek węgla.

Z badań prowadzonych na ETH w Zurychu i Politechnice Mediolańskiej[7] wynika, że nie wszystkie produkty pochodzenia biologicznego kwalifikują się do kategorii „neutralne”. Na to miano nie zasługują zwłaszcza produkty drewniane, bo mają długi okres rotacji, czyli potrzeba dużo czasu, zanim wyrośnie z nich materiał użyteczny dla człowieka.

Szybko rosnące materiały pochodzenia biologicznego, na przykład słoma, konopie, mają krótki okres rotacji, dlatego skutecznie przyczyniają się do redukcji emisji gazów cieplarnianych – bele słomy do ocieplania budynków i pustaki z betonu konopnego szybko, na długo wiążą węgiel z atmosfery. Metodologię podejścia 0/0 rozwijają naukowcy z Politechniki Montrealskiej: zaproponowali sposób na określenie proporcji między czasem rośnięcia i ilością pochłanianego dwutlenku węgla a czasem magazynowania tegoż dwutlenku węgla w produktach drewnianych. Starają się uszczegółowić równanie, aby jak najlepiej odzwierciedlało przepływy dwutlenku węgla. Najważniejszymi punktami są zdefiniowanie funkcji materiału pochodzenia organicznego i relacja czasu wykorzystanego na pochłanianie względem magazynowania.

Podejście drugie, –1/+1, polega na śledzeniu wszystkich przepływów dwutlenku węgla biogenicznego w całym cyklu życia materiałów budowlanych, czyli też budynków. Uwzględnia zarówno pochłanianie biogeniczne dwutlenku węgla (–1), jak i jego emisję (+1), a także transfery dwutlenku węgla biogenicznego pomiędzy poszczególnymi etapami cyklu życia materiału.

Pochłanianie biogeniczne dwutlenku węgla mierzy się i raportuje podczas wzrostu materii biologicznej, na przykład drzewa. Następnie ten dwutlenek węgla przyporządkowuje się do materiałów, z których wykonany jest budynek[8]. Na początku analizy cyklu życia, na etapie A, ślad węglowy wychodzi ujemny. Dopiero w trakcie gruntownej renowacji lub wyburzenia biogeniczny dwutlenek węgla wraca do atmosfery albo jest przekazywany dalej, do innego budynku albo do następnego cyklu życia produktu, na przykład gdy drewno lite jest przerabiane na wióry do produkcji płyty MDF (downcykling). W obu przypadkach emisja dodatnia jest raportowana w etapie C.

W podejściu –1/+1 bilans węgla biogenicznego powinien wynosić zero, ale dzisiejszy stan technologii i brak transparencji danych nie pozwalają wyliczyć i zaraportować wszystkich przepływów węgla biogenicznego. W raportach nie uwzględnia się na przykład pyłu drzewnego, kory, wiórów. Może blockchain – przejrzysty sposób zapisywania i szyfrowania informacji (w tym o śladzie węglowym), a potem łączenia ich w łańcuchy danych –sprostałby takiej buchalterii, ale też wygeneruje znaczną ilość dwutlenku węgla[9].

Dyskutuje się jeszcze inne sposoby liczenia, na przykład 0/+1 – monitoring przepływu dwutlenku węgla związanego z drewnem, które pochodzi z lasów naturalnych[10]. W takim podejściu dwutlenek węgla pochłonięty w trakcie wzrostu materiału pochodzenia biologicznego nie jest uwzględniany jako emisja ujemna. Dopiero gdy w końcu cyklu życia materiał ulega rozkładowi albo spaleniu, całość uwolnionego dwutlenku węgla jest uwzględniana jako emisja dodatnia. Takie podejście należy rozważyć dla terenów zalesionych. Z premedytacją używam terminu „teren zalesiony”. Profesor Tomasz Wesołowski słusznie zauważa, że słowo „las” potrzebuje przymiotnika[11], bo nie sposób zrównać lasu gospodarczego z lasem naturalnym. Las gospodarczy jest typem uprawy przemysłowej, monokultury, najczęściej na dużą skalę. Sadzi się go przede wszystkim w celu produkcji surowca drzewnego oraz osiągania określonych korzyści gospodarczych. Funkcjonowanie lasu gospodarczego opiera się na stałej i planowej ingerencji człowieka – każdy taki las ma z góry określoną długość życia i jego etapy, między innymi sadzenie jednolitych gatunkowo upraw leśnych, przeprowadzanie cięć pielęgnacyjnych, planową wycinkę, sztuczne odnawianie drzewostanów. Z lasami gospodarczymi wiążą się dodatkowe korzyści: rekreacja, ochrona gleby, retencja wody, ale najważniejszą zawsze jest utrzymywanie ciągłości produkcji drewna.

Las naturalny to ekosystem. Rośnie spontanicznie, najczęściej bez istotnej ingerencji człowieka. Procesy naturalne: sukcesja gatunków, naturalne zamieranie i odnowa drzewostanów, rozkład martwego drewna, przebiegają tam w sposób nieskrępowany i zgodny z rytmem przyrody.

Lasy naturalne i gospodarcze różnią się wiekiem drzewostanu i złożonością gatunkową, a zatem również możliwościami przechwytywania dwutlenku węgla. Lasy naturalne gromadzą go znacznie więcej niż plantacje drzew, głównie dzięki złożonej strukturze drzewostanu; akumulują węgiel w glebie i na powierzchni ściółki leśnej. W krótkim cyklu życia kontrolowana monokultura nie ma szans rozwinąć takiego potencjału.

Wycinanie lasów naturalnych na drewno ma całkowicie inną wagę węglową niż wycinanie lasów gospodarczych. Dlatego w kontekście liczenia 0/+1 piszę o wycinaniu lasów naturalnych. Lasy gospodarcze sadzone z topoli, sosen albo eukaliptusów rosną szybko i szybko pochłaniają stosunkowo małe ilości dwutlenku węgla, a w procesie spalania jest on jeszcze szybciej uwalniany. Często produkty wykonywane z tych gatunków są nietrwałe. Wycięcie lasu naturalnego oznacza uwolnienie ogromu dwutlenku węgla magazynowanego przez setki lat.

W proteście przeciwko praktykom wycinania lasów naturalnych powstają inicjatywy wspierające zrównoważoną[12] gospodarkę leśną. Organizacja non profit Forest Stewardship Council (FSC) wydaje certyfikaty poświadczające, że drewno zostało pozyskane odpowiedzialnie. Nikt jednak nie liczy, ile konkretny las pochłania dwutlenku węgla. Za większością certyfikatów środowiskowych ciągną się dyskusje ogreenwashingu uprawianym przez organizacje wydające te dokumenty, ich sposobach działania i praktykach.

Tylko szczegółowa analiza CLT: jego pochodzenia, składu i produkcji, ma szanse wykazać, że powstał z surowca oznaczonego ujemnym śladem węglowym.

Cross Laminated Timber

Technologię CLT, prefabrykatu drewnianego z włókien klejonych krzyżowo, opracowano w latach 70. i 80. XX wieku. Koncepcję pierwszych budynków mieszkalnych, w których panele z CLT zastosowano jako główne elementy nośne, skonkretyzował na początku lat 90. między innymi Pius Schuler przy projekcie Blockholz w kantonie Schwyz; równolegle w innej części Szwajcarii Rudolf i Esther Guyer pracowali nad domem dla rodziny Wiki[13].Pierwsze aprobaty techniczne materiał ten uzyskał dopiero w 1998 roku, wtedy też właściwości i zasady projektowania konstrukcji z CLT zostały uregulowane przepisami krajowymi w Niemczech. Dalsze intensywne prace badawczo-rozwojowe prowadzono jeszcze później, w pierwszej dekadzie XXI wieku; równolegle wdrażano produkt w praktyce i rozwijano jego zastosowania, a także rozbudowywano infrastrukturę do produkcji, szczególnie w Europie Środkowej – w Niemczech, Austrii i Szwajcarii[14].

Produkcja CLT odbywa się na skalę przemysłową, w wysoce zoptymalizowanych procesach i wysoko wydajnych fabrykach. Surowcem jest drewno, ale konstrukcją kieruje całkowicie inna logika niż w tradycyjnej konstrukcji drewnianej, na przykład drewno dobrze pracuje na ściskanie w kierunku włókien. Ponadto w tradycyjnej konstrukcji drewnianej każdy element ma ściśle określoną rolę. W konstrukcji CLT oczepy (górne belki w drewnianych ścianach konstrukcji wieńcowej), płazy (belki, z których zbudowane są ściany), miecz (ukośna belka w więźbie dachowej) itp. zostają zastąpione przez prefabrykowane płyty wielofunkcyjne. Najbliższe analogie z CLT wykazuje konstrukcja stalowa – w obu stosuje się elementy prefabrykowane, o konkretnej wytrzymałości, rozpiętości i modularności. CLT ma zdecydowanie mniejszy ślad węglowy, jest on jednak uwarunkowany przez pochodzenie.

Fabrykę CLT w Galicji odwiedziłem w ramach projektu zabudowy mieszkaniowej, przy którym współpracowałem. Nowo wybudowany obiekt pachniał jeszcze – rzecz zrozumiała – drewnem. Do fabryki przylegała część biurowa, z elementów CLT wyprodukowanych na miejscu. Wielka hala fabryczna pełna była wielkoformatowych maszyn, ale również kładek i klatek, dzięki którym niewielka załoga kontroluje wszystkie wysoko zautomatyzowane procesy. W środku było dość cicho i bardzo czysto. Produkcja CLT nie ma nic wspólnego z tartakiem. Tutaj, jak przy każdej fabrykacji, liczy się każdy centymetr.

Zanim drewno trafi do fabryki, musi wyschnąć. Leżakuje w komorach o wilgotności powietrza na poziomie 10–12 procent. Aby uzyskać takie warunki, trzeba zużyć mnóstwo energii. Ten proces może odpowiadać nawet za jedną trzecią energii niezbędnej do produkcji CLT. Po wysuszeniu deski sortuje się maszynowo i na grupy o podobnej wytrzymałości. Potem rozcina się je na odpowiednią długość i szerokość. Usuwa się defekty drewna, uzupełnia braki, łączy mikrowszczepami w większe elementy, a elementy – w płyty. Dysze i wałki równomiernie nakładają klej na moduły ułożone na krzyż, na przemian poprzecznie i podłużnie. Prasa hydrauliczna ściska je nawet na godzinę. Gotowe płyty są docinane i frezowane do pożądanych wielkości i kształtów, aby później łatwo było je złożyć. Często w płytach frezuje się już kanały pod instalacje sanitarne lub elektryczne, wejścia na gniazdka itp.

Liczenie metodą –1/+1 da ujemny wynik dla konstrukcji CLT. To znaczy, że proces sekwestracji pobiera więcej dwutlenku węgla niż produkcja elementów.

Inercja termiczna konstrukcji drewnianych

Inercją termiczną materiału mierzymy czas, w jakim materiał przyjmuje i oddaje określoną ilość energii. CLT w porównaniu do innych popularnych współcześnie systemów konstrukcyjnych, na przykład żelbetu, ma niską inercję termiczną i nie gromadzi ciepła w strukturze. W zależności od pory roku i strefy klimatycznej taka charakterystyka pozytywnie albo negatywnie wpływa na zużycie energii i komfort cieplny.

W strefie klimatycznej o mroźnych zimach i gorących latach, na przykład w Polsce, budynek szybko się wychładza i szybko nagrzewa. Komfort mieszkania w nim jest zatem niższy niż w betonie albo kamieniu, bo te materiały, raz nagrzane, długo „trzymają ciepło”. Stratę ciepła trzeba ciągle niwelować, ogrzewając budynek. Przy dużych wahaniach temperatury na zewnątrz systemy ogrzewania i coraz częściej klimatyzacji zużywają ogrom energii w krótkim czasie. Inżynierowie MEP, sugerując się tym defektem, niepotrzebnie nadwymiarują instalacje mechaniczne budynku. W lekkim obiekcie trudniej osiągnąć stabilny mikroklimat metodami pasywnymi – potrzeba więc lepiej zaprojektowanej wentylacji, sterowania i ewentualnie dodatkowego magazynowania energii. Latem takie budynki łatwiej wprawdzie wietrzyć i chłodzić, ale tylko wtedy, gdy na zewnątrz panują niskie temperatury. Chłodzimy jedynie powietrze, bez budynku, więc zużywamy mniej energii niż posiadacze konstrukcji o dużej masie termicznej. W naszej strefie klimatycznej lepiej sprawdzają się konstrukcje, w których można aktywować masę termiczną[15].

W klimacie oceanicznym najważniejsze są dobra izolacja i wentylacja. Tamtejszymi budynkami kieruje inna logika energetycznych zysków i strat. Przy małych amplitudach temperatury dobowej i sezonowej nie trzeba magazynować energii, sprawdzi się więc lekki system konstrukcyjny. Budynek szybko się nagrzewa i szybko schładza.

W 2020 roku na MIT i Harvardzie prowadzono badania dla budynków mieszkaniowych w konstrukcji CLT w różnych strefach klimatycznych Stanów Zjednoczonych[16]. Naukowcy chcieli poznać relacje między węglem wbudowanym a operacyjnym w różnych lokalizacjach takich budynków oraz sprawdzić, o ile można zmniejszyć ślad węglowy w porównaniu do budynków w konstrukcji betonowej. Badanie opierało się na symulacjach energetycznych oraz analizie cyklu życia w trzech skalach czasowych: 1) redukcji dziennej temperatury maksymalnej, 2) rocznego zużycia energii na chłodzenie i liczby godzin przegrzewania (zagadnienie szczególnie ważne w kontekście przegrzewającej się planety), 3) całkowitego śladu węglowego w cyklu życia budynku. Za oceanem sieć energetyczna, z której zasilane są systemy ogrzewania i chłodzenia, opiera się na źródłach nieodnawialnych, podobnie zresztą jak w Polsce. Zdekarbonizowana sieć energetyczna, na przykład w Portugalii i Norwegii, pokazałaby inne wyniki – konsumpcja energii elektrycznej wiązałaby się z mniejszą ilością dwutlenku węgla emitowanego do atmosfery.

Wyniki wskazują, że badany budynek z drewna klejonego krzyżowo w Los Angeles, czyli regionie z ciepłymi zimami, potrzebował więcej energii niż budynek w konstrukcji żelbetowej. Bezpośrednio przekłada się to na wyższą emisję dwutlenku węgla operacyjnego – o 8 procent. W Seattle, mieście chłodnych zim, te wartości są właściwie takie same. Obliczenia dotyczące węgla wbudowanego jasno pokazują znacznie niższą jego emisję dla konstrukcji CLT – przynajmniej o 52 procent. W ostatecznym rachunku w Los Angeles i Seattle zastosowanie CLT pozwoliło obniżyć całkowity ślad węglowy (sumę emisji wbudowanych i operacyjnych) odpowiednio o 19 procent i 60 procent w porównaniu z konstrukcjami betonowymi. Zbadano lokalizacje w pasie przybrzeżnym; zimy nie będą tak mroźne jak w głębi kontynentu, gdzie dzienne i roczne wahania temperatury są wyższe.

Podobne wyniki uzyskaliśmy w Dosta Tec, w studiach projektowych dla zabudowy mieszkaniowej w Porto, nad którą pracowaliśmy w 2023 roku. Wielokondygnacyjny budynek najpierw projektowaliśmy w konstrukcji CLT. Badaliśmy dla niej ilość energii potrzebnej na ogrzanie i chłodzenie mieszkań. W trakcie trwania projektu klient zdecydował, że budynek powstanie w konstrukcji betonowej. Zniechęciły go wysokie koszty wprowadzenia technologii CLT do Portugalii, brak generalnego wykonawcy, który podjąłby się takiego wyzwania, oraz inżynierów konstruktorów gotowych podpisać taki projekt. Na jej korzyść przemawiały zdecydowanie niższy ślad węglowy wbudowany, otwarcie nowej fabryki CLT w hiszpańskiej Galicji i duże zainteresowanie właścicieli firmy budową pierwszego w Portugalii wielokondygnacyjnego budynku z CLT, ale to nie wystarczyło. Nasz zespół zdążył jednak przeprowadzić kolejne analizy zachowania energetycznego budynków. Wskazały, że w porównaniu z budynkiem żelbetowym wyposażonym w izolację termiczną z korka budynek w konstrukcji CLT zużyje na ogrzewanie i klimatyzowanie o 10 procent więcej energii, aby uzyskać komfort wymagany przez portugalskie prawo budowlane.

Wszystkie wspomniane badania pokazują, że system konstrukcyjny jest elementem architektury bioklimatycznej. Rozwiązania materiałowe wpływają na emisję dwutlenku węgla w czasie użytkowania budynku. Różnorodność rozwiązań materiałowych przekłada się na oba rodzaje śladu węglowego: wbudowany i operacyjny. Każdy system konstrukcyjny będzie działać inaczej w zależności od warunków klimatycznych. Z drewna klejonego krzyżowo można tworzyć współczesne systemy konstrukcyjne, chociaż z pewnością nie w każdych okolicznościach jest ono najlepszym rozwiązaniem. Jego wartość zależy od lokalizacji budynku, metody pozyskiwania materiału i jego źródła. Projekt mieszkaniowy, w którym brałem udział, zahaczył o Austrię. Fabryka w Galicji, ze względu na niewielkie moce przerobowe i brak doświadczenia, nie gwarantowała, że dostarczy prefabrykaty dla ponad dwudziestu tysięcy metrów kwadratowych mieszkań. Dlatego klient z architektami pojechali szukać rozwiązań do miejsca o długiej i bogatej tradycji budowania z prefabrykatów drewnianych. W tym czasie na północy Portugalii podniosły się głosy, że warto przywrócić kamień jako materiał konstrukcyjny – wszak prawie całe centrum historyczne miast północy: Porto, Bragi, Guimarães – wybudowano z kamienia. Szare granitowe szkoły, szpitale, budynki użyteczności publicznej i kamienice kształtują krajobraz miejski regionu Norte. W dobie kryzysu klimatycznego obiecującym rozwiązaniem wydaje się sprężona konstrukcja kamienna (ang. tensioned stone). Może więc konstrukcje żelbetowe i metalowe zastąpi nie nowinka technologiczna, lecz instaracja[17].