Entwicklung und Bewertung von Logistikketten bei Einsatz von entrindenden Harvesterfällköpfen (Debarking Heads II)

Im Sommer 2021 präsentieren die Forschenden die Ergebnisse ihres Projekts auf der 18. KWF Tagung am Exkursionspunkt „Debarking Heads in der Praxis – Nährstoffe – Waldschutz – Logistik“. 

Hintergrund

Innerhalb des Projektes „Debarking Head I“ (Laufzeit 01.09.2014 bis 31.12.2017, siehe Weblinks rechts) wurde die technische Machbarkeit der Nutzung von technisch modifizierten Harvesterfällköpfen unter mitteleuropäischen Waldverhältnissen nachgewiesen. Ein erfolgreich auf mitteleuropäische Verhältnisse adaptierter Debarking Head Prototyp wurde einem breiten Fachpublikum auf der KWF-Tagung, dem größten Forsttechnik-Event in 2016, in einem eigenen Exkursionspunkt vorgestellt. Dabei wurde deutlich, dass für das entrindete Rundholz eine von heutigen Verhältnissen abweichende Logistikkette erforderlich wird, deren Chancen und Risiken zu bewerten sind. Das Ziel des Projektes „Debarking Head II“ ist die Konzeption, Umsetzung und Evaluierung sowie Optimierung der gesamten Logistikkette für das von Harvestern entrindete Rundholz.
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Abb. 1: Prototypen im Projekt "Debarking Head I", vlnr.: Log Max 7000 C, John Deere H 480 C, Ponsse H7

Entrindetes Rundholz weist ein deutlich geändertes Gewicht auf. Beim Transport werden daher positive Effekte auf die Hydrauliksysteme und Transportlogistik, gleichzeitig aber ein höherer Aufwand aufgrund der glatten Stammoberflächen erwartet. Für die abnehmende Holzindustrie ist außerdem die Qualität des entrindeten Holzes relevant, da mit zunehmender Lagerungsdauer Qualitätsverluste befürchtet werden. Deshalb wird innerhalb der Projektlaufzeit durch Lagerversuche eine Dokumentation der Qualität erfolgen (Pilzbefall, Rissbildung etc.). Die erwarteten finanziellen Vorteile in der Logistikkette können darüber hinaus ein wichtiges Argument sein, um die Akzeptanz beim Verkauf von im Wald entrindetem Rundholz langfristig zu steigern. Auf dieser Basis werden – unter Berücksichtigung der Anforderungen der spezifischen Abnehmer – Logistikketten für entrindetes Rundholz konzipiert. Aufgrund der zahlreichen Nachfragen aus dem Bereich Waldschutz, die im Laufe von Debarking Heads I an das Projektkonsortium herangetragen wurden, soll dieses Thema, das in Debarking Heads I nachrangig war, ebenfalls untersucht werden. Hierzu werden Logistik und Entrindungsstudien durchgeführt, um das Entrindungsverfahren bei Käferholz mit den untersuchten entrindenden Harvesterfällköpfen für die Praxis explizit empfehlen zu können.
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Abb. 2: Ponsse ScorpionKing mit modifiziertem H7 Aggregat bei der Entrindung von Fichte

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Abb. 3: John Deere 1270E mit modifiziertem H480C Aggregat bei der Entrindung von Kiefer

Konkrete Zielsetzungen

Das Gesamtziel nach Abschluss dieses Projekts der Forst- und Holzwirtschaft beinhaltet drei Unterziele: 1) Verfahrensempfehlungen für die einzelnen Schritte der Logistikkette für alle Beteiligten in der Wertschöpfungskette Holz zu geben, die auf den zuvor erfolgten ökonomischen und ökologischen Analysen sowie deren Bewertung basieren 2) den Absatz von im Wald entrindetem Rundholz zu stärken und 3) eine Strategie für die Bekämpfung des Borkenkäfers in diese Prozesse einzugliedern, damit Debarking Heads in Deutschland in Zukunft langfristig Einsatz finden. Das Ziel des Folgeprojektes "Debarking Head II" ist die Weiterentwicklung und Analyse von Arbeitsverfahren mit entrindenden Harvesterfällköpfen. Nach demBeweis der technischen Machbarkeit in dem Vorläuferprojekt geht es jetzt um die Konzeption, die Erprobung und die ökonomische und ökologische Evaluierung von Holzernteverfahren bzw. von den gesamten Holz-Logistikketten.

Vorgehen

Im Projekt werden in konkreten Fallstudien die Logistikketten für vom Harvester entrindetes Rundholz konzipiert und bewertet. Ausgangspunkt dieser Analysen sind die abnehmenden Holzindustrien. Ökoeffizienzbetrachtungen werden Aspekte umfassen wie: 1) die geringeren Transportgewichte der Stammabschnitte beim Rundholztransport, 2) die Relevanz der den Sägewerken fehlenden Rindensortimente, 3) die verminderten Feinstaubemissionen bei der energetischen Nutzung, 4) die reduzierten Aschegehalte von Scheitholz und Hackschnitzel ohne Rinde.

Arbeitspakete

Folgende Arbeitspakete werden im Rahmen des Projektes Debarking Head II untersucht:

1) Entwicklung von Logistikketten für Nadelhölzer nach Harvesterentrindung, Erfassung der Mehr-/Minderleistung, Ermittlung der Gesamtkosten für die Systeme (Ernte, Rückung, Transport) 2) Wirtschaftlicher Vergleich von Harvesterentrindung im Bestand, mobiler Entrindung an der Waldstraße und stationärer Entrindung im Werk des Holzabnehmers 3) Wirtschaftliche Auswirkungen auf die Holzlogistikkette und Potentiale in der Kraftstoffeinsparung durch Gewichtsreduktion 4) Akzeptanzanalysen bei den Abnehmern von entrindeten Stammabschnitten (Holzwerkstoff-, Zellstoff- und Sägeindustrie) und Abschätzung der Möglichkeiten der Vermarktung der neuen Sortimente 5) Bewertung der reduzierten Feinstaub- und Aschegehalte bei energetischer Nutzung von entrindetem Energieholz (Scheitholz und Hackschnitzel) 6) Abschätzung der Potentiale der neuen Arbeitsverfahren in der Borkenkäferbekämpfung und –prophylaxe in Fichtenbeständen durch gezielte Lagerung der Sortimente von nicht/befallenen Bäumen 7) Anlage von langfristigen Untersuchungen zur Zersetzungsgeschwindigkeit und -qualität der im Wald verbleibenden Rindenhäufen Nach Abschluss des Projekts soll jeder Beteiligte in der Wertschöpfungskette Holz somit die Entrindung als möglichen Prozessschritt für sich bewerten können, um auf eine Entscheidungsgrundlage für den Einsatz der Debarking Heads zurückgreifen zu können.

Interaktive Karte der Forstunternehmer, die einen Debarking Head haben

Die DH-Map ist eine vom Kuratorium für Waldarbeit und Forsttechnik e.V. (KWF) betriebene Webseite.

http://dh2.kwf-online.de/

Publikationen

Bennemann, C.; Hauck, A.; Heppelmann, J.; Grünberger, J.; Wittkopf, S. (2020): Entrindung bei der vollmechanisierten Holzernte. Debarking Heads leisten einen Beitrag zur insektizid-freien Borkenkäfer-Prävention. Holz-Zentralblatt 28, S.519.

Bennemann, C.; Wittkopf, S.; Heppelmann, J.; Hauck, A. (2020): Debarking Heads: Mit dem Harvester entrinden. Forst und Technik 7, S.26-29.
Volltext

Bennemann, C.; Heppelmann, J.; Wittkopf, S.; Hauck, A.; Grünberger, J.; Heinrich, B.; Seeling, U. (2020): Debarking Heads. LWF Aktuell, Ausgabe 125, April 2020, S.44-46.
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Die Weiterentwicklung von Debarking Heads, die in mitteleuropäischen Wäldern einsetzbar sind, wurde seit 2014 bis zur Praxistauglichkeit durchgeführt. Durch den Umbau konventioneller Aggregate ist eine Einbindung der Entrindung in den Holzernteprozess möglich. Beim Einsatz entrindender Harvesteraggregate steigen die Holzerntekosten im Vergleich zur Nutzung von konventionellen Aggregaten verfahrensbedingt leicht an, diese Erhöhung wird jedoch von den vielfältigen Vorteilen aufgewogen. Der Verbleib der Rinde im Bestand sorgt für den Erhalt der rindengebundenen Nährstoffe im Wald. Bei Borkenkäferkalamitäten entzieht die Entrindung den Insekten den Brutraum. Bei der derzeitigen Waldschutzsituation entspannt die sofortige Entrindung der Fichte den Absatzdruck der Holzvermarktung. Der Wegfall der Rinde führt eine Gewichts- und Volumenreduktion der Rundholzsortimente mit sich. Das Holz trocknet schneller ab, beim Transport wird bei gleichem Holzvolumen weniger Gewicht transportiert, die Kraftstoffeinsparungen kommen der Umwelt und »dem Geldbeutel« zu Gute. Die Verbrennung entrindeter Sortimente führt zu weniger Ascheanfall im Brennraum und zu geringeren Feinstaubemissionen.

Heppelmann, J.; Labelle, E.; Wittkopf, S.; Seeling, U. (2019): In-stand debarking with the use of modified harvesting heads: a potential solution for key challenges in European forestry. . European Journal of Forest Research 138, S.1067-1081.
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Modern forestry is increasingly confronted with challenges that appear with intensive forest management and the progression of the effects of climate change. The forestry sector is able to react to the changing conditions by adapting management plans, forest structure or planting tree species with a higher stress resistance. However, during stand management activities, silvicultural treatments and harvesting operations can have an impact on the further development of the remaining forest ecosystem. In Germany, the most widely used harvesting system for thinning operations is a single-grip harvester used for felling and processing trees followed by a forwarder for timber extraction from the machine operating trails to roadside. In this research project, debarking rollers and other modifications designed for Eucalyptus harvesting heads were tested on conventional harvesting heads for the first time to assess the possibility of adding debarking to mechanized forest operations under Central European conditions. Seven field tests with varying tree species, diameters and age classes, were established within German state forests in Lower Saxony and in Bavaria. These tests were repeated in both summer and winter seasons to evaluate the influence of associated tree sap flows on debarking quality. Three different harvesting heads were modified to assess the altered mechanical characteristics and setups. To assess debarking ability originating from head modifications, a photo-optical measurement system developed within the scope of the project was used. The results demonstrate that especially for summertime operations, simple modifications to currently used harvesting heads are able to provide an average debarking efficiency up to 90% depending on the modifications. Another key finding is that a negatively affected sap flow, experienced during wintertime operations, resulted in 46% lower debarking efficiency, while spruce bark beetle infestations only resulted in a wider spread of the variation. Additionally, the vertical position of the log within the tree proved to have an influence on debarking efficiency, resulting in 15% lower average debarking for butt logs and 9% for top logs as compared to middle logs. Since a debarking process requires the stem to be fed through the harvesting head on multiple occasions to remove bark, average harvesting productivity might be reduced by approx. 10% compared to productivity measured with conventional harvesting heads. Considering the results and the extent of the modifications, the system proved to be a potential addition to existing harvesting methods facing changing challenges in future forestry.

Heppelmann, J.; Labelle, E.; Wittkopf, S. (2019): Static and Sliding Frictions of Roundwood Exposed to Different Levels of Processing and Their Impact on Transportation Logistics. Forests 10 (7), S.568.
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Load safety is a critical component of successful logistic operations. Different influencing factors can affect the necessity of intensive load securing methods. The most dominant factor is the friction characteristics of the intended cargo. A cargo with special requirements on load safety is debarked roundwood. Due to modern forestry challenges, larger amounts of debarked roundwood assortments are now being produced within German forest operations. To assess the influence of debarking onto the static and sliding frictions of Norway spruce, pulling tests were performed and compared to barked assortments. Results showed that a significant difference in both static and sliding frictions exists between barked and debarked assortments within the first seven days after harvesting. However, this significant difference became less prominent after the logs continued to dry out and no difference was detected after 21 days. Over the monitored period, debarked assortments presented a 40%–45% faster drying rate than barked assortments. This resulted in a calculated 11%–28% additional transportable net load (m3) of debarked roundwood assortments for long trailer systems. Hence, debarked roundwood can be treated similarly to barked roundwood if stored long enough prior to road transportation, while having the potential of increased savings within the wood logistic chain.

Heppelmann, J.; Labelle, E.; Seifert, T.; Seifert, S.; Wittkopf, S. (2019): Development and Validation of a Photo-Based Measurement System to Calculate the Debarking Percentages of Processed Logs. Remote Sensing 11 (9), S.1133.
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Within a research project investigating the applicability and performance of modified harvesting heads used during the debarking of coniferous tree species, the actual debarking percentage of processed logs needed to be evaluated. Therefore, a computer-based photo-optical measurement system (Stemsurf) designed to assess the debarking percentage recorded in the field was developed, tested under laboratory conditions, and applied in live field operations. In total, 1720 processed logs of coniferous species from modified harvesting heads were recorded and analyzed within Stemsurf. With a single log image as the input, the overall debarking percentage was calculated by further estimating the un-displayed part of the log surface by defining polygons representing the differently debarked areas of the log surface. To assess the precision and bias of the developed measurement system, 480 images were captured under laboratory conditions on an artificial log with defined surface polygons. Within the laboratory test, the standard deviation of average debarking percentages remained within a 4% variation. A positive bias of 6.7% was caused by distortion and perspective effects. This resulted in an average underestimation of 1.1% for the summer debarking percentages gathered from field operations. The software generally performed as anticipated through field and lab testing and offered a suitable alternative of assessing stem debarking percentage, a task that should increase in importance as more operations are targeting debarked products.

Presseberichte und Medienbeiträge

Rescalli, R. (2020): Mit dem Harvester gegen die Borkenkäfer. Wald und Holz (7), S.16-19.

Hölling, D. (2020): Die Rinde bleibt im Bestand. Waldwissen.net.
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Parschau, J. (2019): Rinde runter! . Forsttechnikteil Waldtec der Forstzeitung.at (10), S.22-24.

Medienbeitrag, .; Heppelmann, J. (2019): Entrindender Harvesterkopf: Wunderwaffe gegen Borkenkäfer. Video auf YouTube, eingestellt von top agrar Südplus, 29.09.2019.
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Medienbeitrag, . (2019): Holzernte mit Harvester - Hilft Entrinden gegen den Borkenkäfer? Beitrag in der BR-Sendung "Unser Land" vom 01.06.2019 (online bis 01.06.2023).
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(2019): Debarking Head im Hunsrück - Vollmechanisierte Holzernte mit gleichzeitiger Entrindung . FTI Forsttechnische Informationen, hrsg. vom Kuratorium für Waldarbeit und Forsttechnik e.V. 2019 (4), S.14-15.
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Medienbeitrag, . (2016): Entrindende Harvesterköpfe: Nährstoffentzug bei der Holzernte minimieren. Video auf YouTube, eingestellt von Kuratorium für Waldarbeit und Forsttechnik e.V., 13.10.2016.
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Promotionen

Modifying conventional harvesting heads: a technical approach to in-stand debarking under Central European conditions

Doktorand: Dr. rer. nat. Joachim Bernd Heppelmann
Betreuer HSWT: Prof. Dr. Stefan Wittkopf
Fakultät: Fakultät Wald und Forstwirtschaft
Partner-Uni: Technische Universität München | Prof. Dr. E. Labelle
Zeitraum: 01.10.2015 - 14.05.2020