3.1 Einrücken in den Gesamtprozess
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Betrachtung einer Ökobilanz der Herstellung von Verpackungsstoffen aus Aluminium in der Schweiz nach einer Untersuchung des Bundesamtes für Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL) aus dem Jahr 1995 Integrierter und nachsorgender Umweltschutz 4. Semester Energie- und Umweltmanagement Erarbeitet von Daniel Hustadt, Michael Jahn, Sebastian Meyer, Julia Sander, Michael Schäfer, Jan-Hendrik Schröder, Annette Steen, Stephan Teske 2 Gliederung 1. Grundlegendes über die Aluminiumherstellung ................................. 4 2. Fließbild zur Herstellung von Aluminiumfolie.................................... 5 3. Herstellung von Aluminiumoxid ........................................................... 7 3.1 Einrücken in den Gesamtprozess ................................................................................ 7 3.2 Beschreibung der relevanten Teilprozesse ................................................................. 8 3.3 Umweltemissionen aus der Nutzung thermischer und chemischer Energie .......... 9 4. Herstellung von Aluminium in Barren aus Aluminiumoxid ............ 11 4.1 Einordnung in den Gesamtprozess ............................................................................ 11 4.2 Beschreibung der relevanten Teilprozesse ............................................................... 11 4.3 Berechnung der Umweltemissionen aus der Nutzung elektrischer und thermischer Energie ........................................................................................................... 12 5. Herstellung von Aluminiumfolie ......................................................... 16 5.1 Was ist Aluminiumfolie?............................................................................................ 16 5.2 Beschreibung der relevanten Teilprozesse ............................................................... 17 5.2.1 Warmwalzen............................................................................................................ 17 5.2.2 Kaltwalzen ............................................................................................................... 18 5.3 Ökoinventar für 1000kg Aluminiumfolie................................................................. 19 5.3.1 Schadstoffemissionen .............................................................................................. 19 5.3.2 Luftschadstoffemissionen........................................................................................ 20 5.3.3 Wasserschadstoffemissionen ................................................................................... 21 6. Transportprozesse von Aluminiumoxid, Aluminium in Barren und Aluminiumfolie ......................................................................................... 22 6.1 Einordnung der Betrachtung ...................................................................................... 22 6.2 Transporte von Primärstoffen der Herstellung ........................................................ 22 6.3 Aluminiumoxid ............................................................................................................ 23 6.3.1 Energieverbrauch .................................................................................................... 23 6.3.2 Umweltemissionen .................................................................................................. 23 6.4 Aluminium in Barren .................................................................................................. 24 6.4.1 Energieverbrauch .................................................................................................... 24 6.4.2 Umweltemissionen .................................................................................................. 26 6.5 Aluminiumfolie ........................................................................................................... 27 6.5.1 Energieverbrauch .................................................................................................... 27 6.5.2 Umweltemissionen .................................................................................................. 28 6.6 Recycling-Aluminium ................................................................................................ 29 7. Herstellung von Recycling-Aluminium .............................................. 30 7.1 Grundsätzliche Betrachtung ....................................................................................... 30 7.2 Beschreibung der relevanten Teilprozesse ............................................................... 30 3 7.3 Energieverbrauch ......................................................................................................... 31 7.4 Ressourcenverbrauch .................................................................................................. 32 7.5 Umweltemissionen bei der Herstellung von Recycling-Aluminium .................... 32 7.5.1 Luftschadstoffe aus der Nutzung thermischer und elektrischer Energie ............. 32 7.5.2 Wasserschadstoffe aus der Nutzung thermischer und elektrischer Energie ............ 33 7.5.3 Nicht energiebezogene Umweltemissionen ........................................................... 33 8. Aluminium mit unterschiedlichen Rezyklatanteilen......................... 34 8.1 Einordnung in den Prozess ......................................................................................... 34 8.2 Darstellung und Vergleich der Emissionen für die ................................................. 35 unterschiedlichen Rezyklatanteile ................................................................................... 35 8.2.1 Allgemeines ............................................................................................................. 35 8.2.2 Energetisch verwertete Ressourcen ......................................................................... 35 8.2.3 Rohstofflich verwertete Ressourcen ........................................................................ 37 8.2.4 Luftschadstoffe ........................................................................................................ 38 8.2.5 Wasserschadstoffe ................................................................................................... 41 8.3 Energieverbrauch über alle Prozesse ........................................................................ 44 8.3.1 Allgemeines ............................................................................................................. 44 8.3.2 Energie zur Herstellung von Aluminiumoxid ......................................................... 44 8.3.3 Energie zur Herstellung von Aluminiumbarren ...................................................... 45 8.3.4 Energie zur Herstellung von Aluminiumfolie ......................................................... 45 8.3.5 Energie zur Herstellung von Recycling-Aluminium ............................................... 45 8.3.6 Energie für Aluminium mit unterschiedlichen Rezyklatanteilen ............................ 45 9. Ökoinventar der Abfallbehandlung bei der Herstellung von 1000 kg Aluminium in Barren aus Aluminiumoxid ............................................ 46 9.1 Einordnung in den Gesamtprozess ............................................................................ 46 9.2 Beschreibung der relevanten Abfallbehandlungsprozesse ..................................... 48 9.3 Beschreibung der Deponietypen................................................................................ 49 9.4 Verschiedene Szenarien der Abfallbehandlung ....................................................... 50 9.5 Darstellung und Vergleich der Emissionen für unterschiedliche Szenarien ........ 50 9.5.1 Energetisch verwertete Ressourcen ......................................................................... 50 9.5.2 Ressourcen, rohstofflich verwertet .......................................................................... 52 9.5.3 Energiebedarf .......................................................................................................... 52 9.5.4 Luftschadstoffe ........................................................................................................ 53 9.5.5 Wasserschadstoffe ................................................................................................... 55 9.5.6 Bodenschadstoffe .................................................................................................... 57 10. Literatur .............................................................................................. 58 4 1. Grundlegendes über die Aluminiumherstellung Grundstoff der Aluminiumherstellung ist im allgemeinen Aluminiumhydroxid, das so genannte Bauxit. Es ist ein rötlicher mineralischer Stoff der in der Herstellung des Aluminiums zumeist Tonerdehydrat genannt wird. Der Name Bauxit leitet sich aus dem Namen des kleinen französischen Ortes Les Baux nahe Avignon ab, in dem der Stoff zum ersten Mal bei der Suche nach Eisenerzen entdeckt wurde. Erst mit der Zeit, nachdem man festgestellt hatte, worum es sich dabei handelte und welche Vorzüge das Material hat, kam es zur industriellen Herstellung von Aluminium; aus dem „minérai des Baux“ waren Bauxit und Aluminium geworden. So dauerte es 63 Jahre bis von der Entdeckung des Leichtmetalls bis zum Betrieb der ersten industriellen Produktionsstätten. Neben dem Bauxit gibt es noch das Kaolinit, ein weiteres aluminiumhaltiges Mineral, aus dem man auf ähnlichem technischen Weg Aluminium gewinnen kann. Es heißt auch Aluminiumsilicat. Die Erdkruste besteht insgesamt aus etwa 8 % Aluminium. Verglichen mit Eisen, das einen Anteil von etwa 5 % hat, ist das relativ viel. 1996 wurde das weltweite Vorkommen des Grundstoffs Bauxit auf 25 Mrd. t geschätzt. Allerdings ist das technische Verfahren zur Aluminiumherstellung aus dem Grundstoff erheblich aufwendiger als das der Eisenverhüttung. Zu den wichtigsten Ländern, in denen Bauxit abgebaut wird, gehören Australien, Guinea, Brasilien und Jamaika. Aluminiumhaltige Verbindungen wie beispielsweise Feldspäte verwitterten hier durch die tropischen Bedingungen im Laufe der Zeit zu Aluminiumhydrat. Abb. 1: Schematische Darstellung der Aluminiumherstellung 5 2. Fließbild zur Herstellung von Aluminiumfolie Das folgende Fließbild soll die Zusammenhänge der in dieser Arbeit dargestellten Prozesse veranschaulichen, darüber hinaus gibt es einen guten Überblick über die Komplexität des Systems. Es umfasst sowohl den zentralen Hauptstrom mit den beiden Hauptprozessen Tonerdeproduktion und der Schmelzflusselektrolyse, als auch die dafür notwendig Energiebereitstellung und die Herstellung der Hilfsstoffe. Weiterhin sind die erforderlichen Mengen an Rohstoffen und Prozessprodukten zur Aluminiumherstellung angegeben. Die zugehörigen Mengenangaben des Fließschemas beziehen sich auf die funktionelle Einheit von 1000kg Aluminium aus der Schmelzflusselektrolyse, wobei davon ausgegangen wird, dass Abfälle beim Gießen der Aluminiumbarren bzw. dem Walzen zu Aluminiumfolie zu 100% rezykliert werden. Hier soll im Weiteren kurz die Energiebereitstellung erläutert werden, wobei die Darstellung der einzelnen Teilprozesse und der verwendeten Mengen in späteren Abschnitten dieser Arbeit folgt. Energiebereitstellung Die Energiebereitstellung umfasst die beiden Gebiete der Energieträgerbereitstellung und Stromproduktion. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden die rohstoffliche Verwertung der bereitgestellten Energieträger mit blauen Pfeilen und die energetische Verwertung mit hellblauen Pfeilen gekennzeichnet. Hier sei darauf hingewiesen, dass in den meisten Prozessen thermische Energie aus fossilen Energieträgern benötigt wird. Die Bereitstellung von elektrischem Strom ist mit violetten Pfeilen dargestellt. Die Stromproduktion ergibt sich über Kraftwerksprozesse aus den verschiedenen Energieträgern. Der zu wählende Strommix und die damit verbundenen Schadstoffemissionen sind von den regionalen Rahmenbedingungen abhängig. In der Untersuchung des BUWAL wurde beispielsweise für die Schmelzflusselektrolyse ein Strommodell aus einem hohen Anteil Wasserkraft (66,3%) verwendet, da 40% der Aluminiumherstellung für die Schweiz aus Kanada kommen, wo 100% des Strombedarf für diesen Prozess durch Wasserkraft gedeckt werden. (vgl. BUWAL, S.75) Leider stehen in der vorliegenden Studie keine Angaben über die Anteile der einzelnen Prozesse am gesamten Energieverbrauch zur Verfügung, so dass eine Differenzierung der einzelnen Teilprozesse bzw. eine Schwachstellenanalyse kaum durchführbar ist. 6 Energiebereitstellung Energieträgerbereitstellung Stromproduktion ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------NaOH 50% 182,5kg Hauptstrom Kalksteinabbau 169,7kg Transport NaOH,Bauxit Tonerdeherstellung 1920kg Gießen Walzen 1000kg 1000kg Schmelzflusselektrolyse 1000kg Kalkkalzination 95kg Bauxitabbau 3675kg ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Transport Herstellung der Hilfsstoffe Anodenreste 152kg Pech 86kg Anodenproduktion 415kg Transport Petrolkoks u. Füllpulver 377kg Kathodenproduktion 24,5kg AIF3 Produktion 17,5kg Aluminiumhydroxid 11,7kg ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Energieträgerbereitstellung Abb2: Erweitertes Fließschema der Herstellung von Primäraluminium 7 3. Herstellung von Aluminiumoxid 3.1 Einrücken in den Gesamtprozess Für die großtechnische Herstellung von Aluminium muss aus dem Tonerdehydrat zunächst Tonerde, Aluminiumoxid gewonnen werden. Dies geschieht heute nach dem so genannten Bayer-Verfahren: dabei wird das zuvor gemahlene Bauxit mit Kalk und Natronlauge vermengt und unter Hochdruck im Autoklaven aufgeschlossen. Die dabei entstehende Aufschlusslösung wird durch Absetzen und Filtration geklärt, es entstehen Rotschlamm und Mutterlauge, die gekühlt werden muss. Nun wird feinkristallines Tonerdehydrat in die Lauge gegeben und die Ausfällung von Aluminiumhydroxidtrihydrat beginnt. Dieses wird schließlich durch die so genannte Kalzination zu Aluminiumoxid, zur Tonerde verwandelt. Der Prozess der Kalzination findet in der Regel im Drehrohrofen statt. Hier wird das Hydrat zunächst getrocknet und danach thermisch vom anhaftenden Kristallwasser befreit. Am unausgemauerten Ofeneinlauf wird das Hydrat getrocknet, je weiter es in die „heiße“ Zone, den Bereich vor den Brennern gelangt, desto mehr vom Kristallwasser wird entfernt. Abb. 3: Drehrohrofen zur Kalzination Dabei durchläuft das Aluminiumoxid diverse instabile Zwischenzustände; am Ofenauslauf bildet sich α-Aluminiumoxid, die einzige stabile Modifikation des Oxids, das vollständig vom Wasser befreit ist. Erst in Temperaturbereichen von über 1000° C wird dieses, auch Korund genannte, Oxid hergestellt. Saphire und Rubine sind, am Rande bemerkt, natürlich gefärbte Abarten von Korund. Die Abgase aus dem Drehrohrofen werden nach einer Staubfilterung in die Atmosphäre abgegeben. Im zweiten Prozessschritt wird das Aluminiumoxid im so genannten Hall-Héroult-Verfahren elektrolytisch zu elementarem Aluminium reduziert. Dies findet heute in großen Schmelzflusselektrolyse-Anlagen statt. Mit diesen beckenartigen, überdachten Behältern sind in aluminiumherstellenden Betrieben ganze Hallen gefüllt. Eine Zelle ist etwa 9 bis 12 m 8 lang, 3 bis 4 m breit und etwa 1 m hoch; sie sind dick und gut isoliert um große Wärmeverluste zu vermeiden. Bei der Elektrolyse sind neben dem Oxid auch einige weitere Hilfsstoffe nötig. So bestehen zum Beispiel beide Elektroden aus Kohlenstoff; an der Kathode scheidet sich das flüssige Aluminium ab, der oxidierte Sauerstoff reagiert mit der Anode, die regelrecht verbrennt. Die für die Prozesswärme nötige Energie kommt etwa zu 25 % aus dieser Anodenzersetzung. Auch der elektrische Widerstand der Schmelze trägt zur Bereitstellung der Prozesswärme bei. Die Anoden werden in einem offenen Kreislauf behandelt, d.h. dass zur Herstellung der neuen Restmaterial der alten Anoden teilweise verwendet wird. Das flüssige Aluminium schließlich wird nach der Elektrolyse in Formen gegossen und gekühlt. Es erstarrt und wird zu transportablen Formen wie Barren, Bolzen und Masseln geformt. 3.2 Beschreibung der relevanten Teilprozesse Von besonderer Bedeutung für den Teil der Aluminiumherstellung vom Bauxit zum Aluminiumoxid sind die Bereitstellung der Ausgangsmaterialien Bauxit, Natronlauge und Kalk. Das Bauxit wird im Tagebau gewonnen. Es wird in der Regel mit Rad- oder Kettenladern verladen und mit Muldenkippern zur Sammelstelle für den weitergehenden Transport gebracht. Das Bauxit für das in der Schweiz produzierte und verwendete Aluminium stammt zu 67,2 % aus Guinea, zu insgesamt 18,3 % aus Australien und zu 14,5 % aus Europa. Das Aluminium, das in der Schweiz verwendet wird, Abb. 4: Bauxittagebau stammt allerdings nur zu 60 % aus Europa, die restlichen 40 % werden in Kanada und Island hergestellt. Das Natriumchlorid wird entweder als Steinsalz abgebaut oder aus Solen extrahiert. Durch die Chlor-Alkali-Elektrolyse werden daraus gleichzeitig Natronlauge und Chlor hergestellt. Natronlauge wird bei der Herstellung der Tonerde benötigt; zusammen mit der Lauge wird sie im Autoklaven aufgeschlossen. 9 Der Kalkstein für die Herstellung von Kalk wird zunächst im Steinbruch losgesprengt, verladen und zumeist erst in der Tonerdefabrik im Drehrohrofen zu Kalk gebrannt. Die Tonerdeherstellung für das in der Schweiz verwendete Aluminium nach dem BayerVerfahren aus den drei Rohstoffen Bauxit, Natronlauge und Kalk wird nur zu etwa 63 % in Europa vorgenommen, zu 11,3 % wird sie fertig produziert aus Jamaika, zu 15,3 % aus Surinam, zu 8,5 % aus Australien und zu 2 % aus Guinea importiert. Für die Herstellung von 1000 kg Aluminiumoxid entfallen auf die stoffliche Verwendung etwa 384 m3 Prozess- und Kühlwasser, weiterhin 1930 kg Bauxit, 90,5 kg Kalkstein, 28,4 kg Steinsalz 22 g Eisenerz und ca. 10 g Sand. Für den eigentlichen Bayer-Prozess werden daraus die genannten 1930 kg Bauxit benötigt, sowie 95,8 kg 50 %-ige Natronlauge und 50 kg Kalk gemacht. Energetisch genutzt werden insgesamt 324 kg Rohöl ab Bohrloch, 254 MJ an potentieller Energie von Wasser, 60,7 m3 Erdgas, 45,6 kg Rohsteinkohle, 42,5 kg Rohbraunkohle, etwa 4 g Uranerz, und 1/3 kg Holz. Hierin enthalten ist einerseits die Energie für die Stromerzeugung des Schweizer Energiemix’ und für die Erzeugung der Prozesswärmen und -drücke. 3.3 Umweltemissionen aus der Nutzung thermischer und chemischer Energie Im ersten Prozessschritt der Aluminiumherstellung werden eine große Zahl verschiedener Luft- und Wasserschadstoffe freigesetzt. Dabei handelt es sich vor allem um Abgase aus der Strom- und Prozesswärmebereitstellung und um belastete Abwässer, die unter anderem Schwermetalle, flüchtige Gase und Säuren sowie freie Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten. Des Weiteren wird Radioaktivität in gewissem Umfang frei. Die Luftschadstoffe sind im Besonderen nach ihrer Entstehung bei der Wärme- und der Stromproduktion spezifiziert. Dabei entfallen auf die Bereitstellung der Prozesswärme pro hergestellter t Aluminiumoxid 130 kg Kohlendioxid, über 2 kg freie Kohlenwasserstoffe, zusätzlich über 1 kg Methan. Staub und Partikelemissionen liegen in der Größenordnung von unter 100 g; Kohlenmonoxid bei 170 g. An Schwefeloxiden, bemessen als SO2, fallen 900 g an, an Stickoxiden, hier als NO2 bemessen, 720 g pro t. Den größten Anteil bei den Schwermetallen hat Nickel mit etwa 0,5 g; die freigesetzten Metalle ergeben insgesamt eine Summe von 3,7 g. Die Radioaktivität wird mit 27000 kBq angegeben. 10 Für die Erzeugung der elektrischen Energie, wohl bemerkt nur für den Bayer-Prozess zur Korund-Herstellung entfallen auf Kohlendioxid 110 kg pro t, auf Kohlenmonoxid immerhin 21 g, auf Partikel, Schwefel- und Stickoxide je 130 g, 600 g und 240 g. Durch die Nutzung von Strom aus Kernkraftwerken ist der Anteil der Radioaktivität hier mit 249000 kBq wesentlich größer. Bei den Wasserschadstoffen werden neben anderen diverse Kohlenwasserstoffverbindungen bemessen, stickstoffhaltige Verbindungen, verschiedene Säurerestionen, Schwermetalle und radioaktive Substanzen. Im Besonderen sind dies für die Wärmeerzeugung aromatische Kohlenwasserstoffe mit 11,6 g pro t Aluminiumoxid, Fette und Öle mit 361 g, Ammonium mit 13,8 g, Chloridionen mit 7,3 kg und Sulfationen mit immerhin 250 g. Bei den Schwermetallen fallen vor allem Eisen mit über 11 g und auch Aluminium mit 5,7 g ins Gewicht. Die Radioaktivität wird mit 260 kBq berechnet. Bei der Stromproduktion sind es bei den genannte Kohlenwasserstoffverbindungen immerhin 0,4 bzw. 12 g, bei den Säurerestionen 0,5 kg Chlorid- und noch etwas mehr an Sulfationen. Eisen und Aluminium werden zu fast 60 bzw. 50 g frei. Auch hier liegt der Anteil der Radioaktivität im Vergleich zur Wärmebereitstellung mit 2290 kBq deutlich höher. In diese Aufstellung wurden nur besonders signifikante Werte aufgenommen. Neben diesen wurden noch eine ganze Reihe weiterer Luft- und Wasserschadstoffe berechnet und aufgelistet, die hier nicht aufgeführt sind. 11 4. Herstellung von Aluminium in Barren aus Aluminiumoxid 4.1 Einordnung in den Gesamtprozess Die Herstellung von Aluminiumbarren aus Aluminiumoxid ist als Teilprozess bei der Herstellung von Verpackungsmaterialien aus Aluminium wie z.B. Alufolie zu betrachten. Die Herstellung von Aluminiumbarren aus Aluminiumoxid beinhaltet die Teilprozesse Schmelzflusselektrolyse und Giessen. Ebenfalls berücksichtigt werden die Sekundärprozesse, in welchen die neben dem Aluminiumoxid benötigten Edukte für die Schmelzflusselektrolyse hergestellt werden (vgl. BUWAL, 1995, S.73). Außerhalb der Systemgrenze liegen der vorgeschaltete Prozess zur Herstellung von Aluminiumoxid aus Bauxit und das nachgeschaltete Walzen der Aluminiumbarren. 4.2 Beschreibung der relevanten Teilprozesse Schmelzflusselektrolyse Die Schmelzflusselektrolyse beruht auf der Spaltung von Aluminiumoxid in Aluminium und Sauerstoff. Als Elektrolyt dient auf 950 Grad C erhitztes und mit verschiedenen Zusätzen vermischtes Kryolith in dem ca. 2-6% des Aluminiumoxids gelöst werden. Die Elektroden bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff. Durch Anlegen einer Elektrodenspannung von 4,5 V scheidet sich reines Aluminium an der Kathode ab, während die Anode durch den zugeführten Sauerstoff nahezu verbrennt. Durch die Verbrennung und durch den elektrischen Widerstand im Schmelzbad wird ein Teil der Wärme für die Verflüssigung des Elektrolyts erzeugt. Die Verbrennung deckt weiterhin ca. 25% der benötigten Energie. Von außen wird nur elektrische Energie zugeführt (vgl. BUWAL, 1995, S.75). Die bereitgestellte elektrische Energie wurde von verschiedenen Energieträgern gewonnen. Der hohe Anteil der Wasserkraft erklärt sich durch eine 40%ige Aluminiumherstellung außerhalb Europas in Kanada, wo Elektrizität zu 100% durch Wasserkraft erzeugt wird. 12 Energieträger Durchschnittsmix für Elektrolyse Wasserkraft 66,3% Kernenergie 14,8% Steinkohle 13,6% Erdgas 3,2% Öl 2,1% Energieträger für Elektrolyse (nach BUWAL, 1995, S. 75) Giessen Das aus der Schmelzflusselektrolyse gewonnene, flüssige Aluminium wird zunächst mit Legierungsmetallen (z.B. Magnesium) versetzt, dann durch Zusatz von Gasen und Flussmitteln gereinigt und schließlich in die Barrenform gegossen. 4.3 Berechnung der Umweltemissionen aus der Nutzung elektrischer und thermischer Energie Die BUWAL-Studie enthält sowohl die Schadstoffbilanz zur Herstellung von 1000kg Aluminiumoxid, als auch die Schadstoffbilanz zur Herstellung von 1000kg in Barren. Durch Differenzbildung kann somit die Schadstoffbilanz für den Teilprozess Herstellung von 1000 kg Aluminium in Barren aus Aluminiumoxid ermittelt werden. Hierbei muss jedoch berücksichtigt werden, dass für 1000 kg Aluminium in Barren 1910 kg an Aluminiumoxid benötigt wird. Somit müssen die Schadstoffwerte für 1000kg Aluminiumoxid mit dem Faktor 1,910 multipliziert werden, bevor die Differenz gebildet werden kann. 13 Die Herstellung von Aluminium in Barren aus Aluminiumoxid im Fließschema: Energie Emissionen Edukte 1910kg Aluminiumoxid Energie Schmelzfl uss- Energie Giessen 1000 kg flüssiges Aluminium 1000 kg Aluminium in Barren elektrolyse Emissionen Emissionen Dieser Teil der Ökobilanz bezieht sich ausschließlich auf Luft- und Wasserschadstoffe aus der Nutzung elektrischer und thermischer Energie bei der Herstellung von 1000 kg Aluminium in Barren aus 1910 kg Aluminiumoxid. Die für die Berechnung verwendeten Tabellen befinden sich auf den Seiten 81 (Ökoinventar für 1000 kg Aluminiumoxid) und 83 (Ökoinventar für 1000kg Aluminium in Barren) der BUWAL-Studie. Luft- und Wasserschadstoffe sind hier in getrennten Listen zu finden und nach chemischen Gesichtspunkten gruppiert. Im Folgenden soll beispielhaft die entstehende Emissionsmenge einiger bedeutender Luftund Wasserschadstoffe bei der Herstellung von 1000 kg Aluminium in Barren aus 1910 kg Aluminiumoxid berechnet werden. Angewandte Formel: Emissionsmenge Schadstoff X in g (aus Ökoinventar für 1000kg Aluminium in Barren) - 1,910 * Emissionsmenge Schadstoff X in g (aus Ökoinventar für 1000kg Aluminiumoxid) = Gesuchte Emissionsmenge Schadstoff X in g 14 Luftschadstoffe a) Beispiel fossiles CO2 thermische Energienutzung: 640.000 g - 1,910 * 130.000 g = elektrische Energienutzung: 391.700 g 2.920.000 g - 1,910 * 110.000 g = 2.709.900 g b) Beispiel Schwefeloxide (SOx) thermische Energienutzung: 5.300 g - 1,910 * = elektrische Energienutzung: 3.581 g 12.700 g - 1,910 * = 900 g 600 g 11.554 g Wasserschadstoffe a) Beispiel Chlorid (Cl-) thermische Energienutzung: 28.700 g - 1,910 * 7.300 g = 14.757 g elektrische Energienutzung: 17.100 g - 1,910 * = 500 g 16.145 g 15 b) Beispiel anorganische Salze und Säuren thermische Energienutzung: 20.500 g - 1,910 * 5.260 g = 10.453 g elektrische Energienutzung: 10.100 g - 1,910 * = 440 g 9.259 g Die ausgewählten Schadstoffe fallen in besonders großen Mengen bei den beschriebenen Prozessen an. Analog kann mit allen anderen Schadstoffen verfahren werden. Eine Allokation zu den Einzelprozessen z.B. Giessen ist aufgrund mangelnder Datenlage nicht möglich. 16 5. Herstellung von Aluminiumfolie 5.1 Was ist Aluminiumfolie? In Deutschland wird der Begriff Aluminiumfolie hauptsächlich über die Schichtdicke definiert. So sind „Aluminiumfolien kaltgewalzte Bänder im Dickenbereich von 4,5µm bis 20 µm. Maßnormen bestehen für den Dickenbereich 7µm – 20µm“. (Aluminium-Zentrale,1988, S.257) Die Studie „Ökoinventare für Verpackungen“ des BUWAL betrachtet dabei die energetischen Aufwendungen sowie Luft- und Wasserschadstoffe für die Produktion von Aluminiumfolie in einem Schichtdickenbereich von 7-12µm. Als Werkstoff dient vorzugsweise Reinaluminium mit einer Reinheit von 99% bis 99,5%. Je nach Verwendungszweck wird auch auf Aluminium mit höherer Reinheit sowie auf Aluminiumlegierungen zurückgegriffen. Die folgende Tabelle zeigt die nach der DIN 1784 geregelten Foliedicken und ihre zulässigen Abweichungen. Abb. 5: Aluminium-Taschenbuch, 1988, S.260 Deutlich wird dabei die Unterscheidung zwischen den beiden Hauptanwendungen, Papierkondensatoren und Veredlerfolien, wobei in der BUWAL Studie nur die Veredlerfolien beschrieben werden. Allgemein und vereinfacht betragen die zulässigen Abweichungen 5%-10% nach deutschen Regularien, die Schweizer Bestimmungen sind vergleichbar. 17 5.2 Beschreibung der relevanten Teilprozesse Die Umformung zur Aluminiumfolie folgt im Anschluss an das Giessen und Erstarren des flüssigen Aluminiums. Dabei werden für die Erzeugung von 1000kg Aluminiumfolie als Einsatzmaterialien in der Endstufe 1000kg Aluminium in Barren und 13kg Eisen benötigt. Die folgende Grafik verdeutlicht den Prozessablauf vom Aluminium in Barren zu Aluminiumfolie. Abb. 6: Aluminiumverarbeitung www.ignora.ch, 10.Juli 2003 5.2.1 Warmwalzen Als Ausgangsmaterial dienen die häufig rechteckigen Barren, die bis zu 2m breit und 20 t schwer sein können. Diese Barren werden auf eine für das Warmwalzen günstige Temperatur von 450°C-550°C erwärmt und dann auf eine Dicke von ca. 3-4mm heruntergewalzt. Dies geschieht in mehreren Durchläufen, wobei zwischenzeitlich immer wieder die Temperatur für die Homogenisierung, d.h. den Ausgleich der durch die mechanische Beanspruchung entstandenen Materialfehler sowie eine gleichmäßige Verteilung von Ausscheidungen. Die Walzen der Warmverformung unterscheiden sich dabei in ihrer Form von den Walzen der Kaltverformung. So besitzen die Warmverformungswalzen in ihrer Mitte einen Hohlschliff von einigen Millimetern, um so die dortige stärkere Wärmeausdehnung auszugleichen. Des weiteren sorgen rotierende Bürsten für die Sauberkeit der Walzen, so dass die Oberfläche der Aluminiumbänder nicht beeinträchtigt wird. 18 5.2.2 Kaltwalzen Die Bänder mit einer Dicke von ca. 3-4mm, die sogenannten Vorwalzbänder, werden dann langsam, um Diffusionsvorgängen die Zeit zu geben vollständig abzulaufen, auf Raumtemperatur abgekühlt. Je nachdem wie weit das Umformungsvermögen des Kaltwalzens erschöpft ist, werden die Walzvorgänge von Zwischenglühungen unterbrochen. Um eine gleichmäßige Breite zu erreichen, muss die Durchbiegung der Walzen durch einen balligen Schliff kompensiert werden. Nach dem Kaltwalzen wird die Aluminiumfolie dann in großen Bändern aufgerollt und je nach Verwendungszweck zugeschnitten und geprägt. In der BUWAL Studie wird beispielhaft die Verarbeitung von 1000kg Aluminiumband zu 1000kg Alu-Portionspackungen von je 30g Gewicht beschrieben. Dabei werden die Aluminiumbänder mittels einer Exzenterpresse kaltverformt. Abb. 7: Kaltverformung von Aluminiumbändern, BUWAL, S. 342 Bei der Betrachtung dieser Abbildung wird deutlich, dass der Umformungsprozess einen elektrischen Energiebedarf von 141,5 kWh, was nach der Umrechnung: 1kWh = 3,6*106 Ws = 3,6*106 J = 3600 kJ einem Energiebedarf von 509,4 MJ entspricht, aufweist. Auffällig ist, dass bei der Kaltverformung keine Abfälle sowie Luftemissionen entstehen. Es fallen zwar pro 1000kg produzierten Alu-Portionspackung ungefähr 302kg Aluminiumabfälle an, diese werden aber zu 100% ins interne Recycling integriert. 19 5.3 Ökoinventar für 1000kg Aluminiumfolie In der BUWAL Studie werden in der Tabelle zum Ökoinventar der einzelnen Teilprozesse jeweils die kumulierten Werte angegeben. Um somit die Ökoinventardaten für die Herstellung von 1000kg Aluminiumfolie als isolierten Teilprozess zu erhalten, muß die Differenz der Daten der Aluminium in Barren Bilanz mit den Daten der Aluminiumfolie gebildet werden. Große Unterschiede bestehen zwischen den Ressourcen, die energetisch verwertet und denen, die rohstofflich verwertet werden. Die folgende Tabelle zeigt eine Auflistung der Ressourcen, die für die Herstellung von Aluminiumfolie energetisch verwertet werden. Ressourcen, energetisch verwertet: Rohbraunkohle 96 kg Rohgas (Erdgas) 112 m3 Rohsteinkohle 70 kg Rohöl ab Bohrloch 40 kg Uran ab Erz 2,6 g Holz 0,7 kg potentielle Energie Wasser 600 MJ Im Gegensatz dazu finden bei den Ressourcen, rohstofflich verwertet keine Veränderungen bei diesem Teilprozess statt. Der Einsatz der Materialien in der Endstufe beträgt 1000kg Aluminium in Barren und 13kg Eisen. Wie schon in Kapitel 2.2 Kaltwalzen angesprochen, entstehen in den Rubriken „Verwertbare Abfälle“ mit den Teilaspekten Kathode Ausbruch, Kathode Eisenbarren und Krätze für Recycling sowie „Abfallbehandlung“ mit Abfällen in Inertstoffdeponie, KVA und Reaktordeponie und Abraum am Abbauort verständlicherweise keine Veränderungen. 5.3.1 Schadstoffemissionen Die verwendeten Daten stammen ausschließlich aus der BUWAL Studie und haben somit keinen Anspruch auf Vollständigkeit bzw. Allgemeingültigkeit. Behandelt werden dabei nur 20 die größten Luft- und Wasserschadstoffemissionen; nicht aufgeführt werden Stoffe, bei denen keine bzw. nur eine marginale Veränderung auftritt. 5.3.2 Luftschadstoffemissionen Luftschadstoffemissionen aus thermischer Energienutzung Beispielhaft für die Schadstoffemissionen aus thermischer Energienutzung werden Methan (CH4), nicht-methan Kohlenwasserstoffe, fossiles Kohlendioxid, Schwefeldioxide (SOx) und Stickoxide (NOx) herangezogen. Alle Daten beziehen sich auf die Herstellung von 1000kg Aluminiumfolie. So steigt die durch den Teilprozess verursachte Schadstoffemission der thermischen Nutzung von Methan um 500g von 5700g auf 6200g, die Emission von nicht-methan Kohlenwasserstoffen um 200g. Von den absoluten Zahlen her betrachtet, erfolgt die größte Emission durch fossiles Kohlendioxid, welches in einem Umfang von 20000g freigesetzt wird. Die Schwefeldioxide nehmen um 100g zu, die Stickoxide um 100g. Bei der Betrachtung der relativen Zahlen wird schnell deutlich, dass Quecksilber mit einer Steigerung um 25% den Spitzenwert einnimmt, indem der Wert von 0,012g auf 0,016g steigt. Schadstoffemissionen aus elektrischer Energienutzung Bei einem Blick auf die Daten aus der elektrischen Energienutzung lässt sich generell sagen, dass die Werte und Schwankungen größer sind als bei der thermischen Nutzung. So steigt der in der thermischen Nutzung konstante Wert der Staub und Partikel von 4000g auf 4400g. Die Benzolemission (C6H6) legt um 0,5g zu, was einer Erhöhung von 12,5% gleichkommt. Die Methanemission beträgt 800g, die nicht-methan Kohlenwasserstoffe 300g. Den höchsten Wert der absoluten Zahlen belegt wieder das fossile Kohlendioxid mit einer Emission von 330000g pro 1000kg des Teilprozesses produzierter Aluminiumfolie. Bei der nächsten Gruppe sind vor allem die Emissionen von Salzsäure mit 49g, Schwefeldioxide mit 1800g und Stickoxide mit 700g beschreibenswert. Bei den Schwermetallen ist insbesondere die Emission von Cadmium von 0,034g auf 0,042g bemerkenswert, da dies einer Steigerung um 19% entspricht. Allgemein verfügen die Schwermetall beim Teilprozess über große Steigerungsraten bei der elektrischen Nutzung. Auch die Emission der radioaktiven Substanzen legt um 220000kBq zu. 21 5.3.3 Wasserschadstoffemissionen „Für die Wasserschadstoffe ist darauf zu achten, dass auf Grund der verwendeten, gebräuchlichen Summenparameter ein und dieselbe Emission mehrmals auftauchen kann (z.B. organisch gebundener Kohlenstoff im BOD und im TOC). Zitat: BUWAL Studie, 1995, S. 55 Wasserschadstoffemissionen aus thermischer Energienutzung Bei der thermischen Energienutzung zur Produktion von 1000kg Aluminiumfolie fallen durch die Walzprozesse 0,03 m3 Abwasser an. Dabei erhöht sich der BSB, in dem Ökoinventar als BOD bezeichnet, um 0,04g, der chemische Sauerstoffbedarf COD um 0,06g. Die Phenolemissionen betragen 0,11g, Fette und Öle 20g, DOC (Dissolved Organic Carbon) 1,32g und TOC (Total Organic Carbon) 95g. Bei der Interpretation der Daten gilt die unter 3.3 Wasseremissionen gemachte Anmerkung zu berücksichtigen. Die Chloridemission und anorganische Salze und Säuren erreichen einen Wert von 300g. Keine Veränderungen treten bei den radioaktiven Substanzen ein und auch die Veränderungen bei den Metallen sind außer die 3g bei Eisen keine Erwähnung wert. Wasserschadstoffemissionen aus elektrischer Energienutzung Im Hinblick auf die elektrische Energienutzung sind aus der ersten Gruppe vor allem die Emissionen von COD mit 1,5g und die suspendierten Stoffe mit 100g pro 1000kg hergestellter Aluminiumfolie im Zusammenhang mit der Umformung von Aluminium in Barren bedeutend. Die Emissionen der aromatischen Kohlenwasserstoffe mit 1,1g, Fette und Öle mit 40g und die TOC mit 29g verbuchen dann die Höchstwerte, wobei dabei keine Aussage über die Umweltwirkung gemacht wird. In der dritten Gruppe treten besonders die Nitrate mit 3,6g sowie der Stickstoff gesamt mit 1,3g hervor. Die Chloridemissionen 1400g und Sulfatemissionen (SO42-) 1000g stechen in der nächste Gruppe hervor. In der Metallgruppe dominieren Aluminium mit 120g, Eisen mit 184g sowie andere Metalle mit insgesamt 20g. Einleuchtend ist, dass der aus der thermischen Energienutzung konstante Wert der radioaktiven Substanzen in der elektrischen Energienutzung um 2000 kBq steigt. 22 6. Transportprozesse von Aluminiumoxid, Aluminium in Barren und Aluminiumfolie 6.1 Einordnung der Betrachtung Unterschieden wird zwischen den Transporten, die bei den einzelnen, bereits erläuterten, Verfahrensschritten nötig werden. Der Energieverbrauch wird des weiteren auf die relevanten Brennstoffe aufgeteilt, während bei den emittierten Schadstoffen zwischen Luft- und Wasserschadstoffen unterschieden wird. 6.2 Transporte von Primärstoffen der Herstellung Bei der Betrachtung der Primärstoffe für die Herstellungsverfahren ist davon auszugehen, dass 60% der Materialien aus Europa stammen, während die übrigen 40% aus Übersee importiert werden. (vgl. BUWAL, Kap. 5 Positionierung und Anwendung der Studie, S. 16) Wesentliche Transportwege werden mittels Frachtern, Lastkraftfahrzeugen und auf der Schiene bewältigt. (vgl. BUWAL, Kap. 9 Aluminium, S. 77) Einheit Auslastung Heizöl S (kg) Diesel (kg) Benzin (kg) Strom (kWh) 60 % 0.0022 Frachter Übersee (tkm) 70 % 0.011 Frachter Binnen (tkm) 0.012 0.051 PWK Westeuropa (km) 50 % 0.0263 0.111 Lieferwagen < 3,5t (tkm) 50 % 0.0635 LKW 16t (tkm) 50 % 0.0423 LKW 28t (tkm) 50 % 0.0259 LKW 40t (tkm) 0.0011 0.058 Schiene elektrisch (tkm) 0.0033 0.042 Schiene el./diesel (tkm) Quelle: BUWAL, Kap. 16 Energiesysteme, S. 402 Wie aus der Tabelle ersichtlich wird, liegen die Auslastungen zwischen 50% und 70%. Insbesondere bei Lieferungen per LKW hat die Auslastung ein großes 23 Verbesserungspotential. Eine Auslastungszahl von 50% legt die Vermutung nahe, dass nur in eine Fahrtrichtung beladen wird, daher sollte als Verbesserungsschritt darauf geachtet werden, dass Leerfahrten vermieden werden. Dies stellt eine Herausforderung für die Logistikabteilung der Unternehmen dar, um den Energieverbrauch und die Emissionen der Transporte zu minimieren. 6.3 Aluminiumoxid 6.3.1 Energieverbrauch Es wird davon ausgegangen, dass für den Transport Diesel und schweres Heizöl als Brennstoffe eine Rolle spielen. Für die Transporte zur Herstellung von 1000 kg Aluminiumoxid werden 1.2 kg Diesel und 33.7 kg schweres Heizöl verbraucht. Daraus resultiert eine Leistung von insgesamt 1.480 MJ. Dies entspricht einem Anteil von 7.2 % für den Transport dieses Herstellungsschrittes an dem gesamten Energieverbrauch, der 20.440 MJ beträgt. Die Prozessendenergie schlägt hierbei mit 12.850 MJ, also 62.9 %, wesentlich höher zu Buche. Über den prozentualen Anteil des Transport am Verbrauch der Endenergieträger ist in der nachfolgenden Tabelle eine Übersicht gegeben. Er wurde mit folgender Formel errechnet: Energiegehalt des Endenergieträgers X in MJ für Transporte * 100 Totaler Energiegehalt des Endenergieträgers X in MJ Endenergieträger Transporte (MJ) Anteil an ges. Energieverbrauch Total (MJ) (%) Diesel 50 83.33 60 Schweres Heizöl 1 420 9.4 15 130 Total 1 480 7.2 20 440 Quelle: nach BUWAL, Tab. 9.10, S. 90 6.3.2 Umweltemissionen Luftschadstoffe Luftschadstoffen, welche in besonders großen Mengen (zwischen 1.300.000 und 31.3 g/1000kg Aluminiumoxid) auftreten sind in absteigernder Reihenfolge aufgezählt: 24 Kohlenstoffdioxid, Schwefeloxide, Stickoxide, NMVOCs, Methan, Kohlenstoffmonoxid und Salzsäure. Die Position Transporte trägt zu unterschiedlichen Anteilen zu diesen Emissionen bei. In der folgenden Tabelle sind die prozentualen Anteile der Transporte an der gesamten Emission der wichtigsten und in den größten Mengen anfallenden Luftschadstoffe zusammengefasst. Luftschadstoff Kohlenstoffmonoxid Schwefeloxide Stickoxide Kohlenstoffdioxid fossil Transporte (g) Total (g) 90 1 800 400 130 000 Anteil (%) 8 010 12 500 3 600 1 300 000 21 14 11.1 10 Quelle: nach BUWAL, Tab. 9.5, S. 81 Des weitern haben die Transporte einen Anteil von 3.8% an der Emission radioaktiver Substanzen sowie 1.1% an dem Auftreten von Partikeln. Wasserschadstoffe Wasserschadstoffen, die in großen Mengen (zwischen 10.300 und 16 g/1000kg Aluminiumoxid) emittiert werden, sind Chloride, anorganische Salze und Säuren, suspendierte Stoffe, Sulfate, Fette/Öle, (TOC), Eisen, Aluminium, Barium und Ammonium. Der prozentuale Anteil der Transporte an der Emission dieser Schadstoffe wird in der nachfolgenden Tabelle gezeigt. Wasserschadstoff Ammonium Fette/Öle Anorg. Salze und Säuren Barium Metalle Chlorid TOC Suspendierte Stoffe Sulfat Transporte (g) Total (g) Anteil (%) 2.1 16.8 12.5 52 425 12.2 770 6 680 11.5 5.1 44.5 11.5 12 107 11.2 1 100 10 300 10.7 16 163 9.8 110 1 030 9.7 50 1 000 5 Quelle: BUWAL, Tab. 9.5, S. 81 6.4 Aluminium in Barren 6.4.1 Energieverbrauch Der Energieverbrauch für den Transport des Teilprozesses Aluminium in Barren lässt sich aus der Differenz des gesamten Energieverbrauchs der Transporte bis zum fertigen Aluminium in 25 Barren und des Verbrauchs für Aluminiumoxid errechnen. Zu beachten ist jedoch, dass bei der Umsetzung von Aluminiumoxid in Aluminium in Barren für 1000 kg Barren 1910 kg Aluminiumoxid verbraucht werden. Hieraus resultiert ein Faktor von 1.91 für den Energieverbrauch von Aluminiumoxid. (siehe: 4.3 Berechnung der Umweltemissionen aus der Nutzung elektrischer und thermischer Energie, S. 12) Formel für die Berechnung des Energiegehaltes: Energieverbrauch für Transporte von 1000 kg Aluminium in Barren von Endenergieträger X in MJ - 1.91 * Energieverbrauch für Transporte von 1000 kg Aluminiumoxid von Endenergieträger X in MJ = Energieverbrauch von Endenergieträger X für Teilprozess Transport für Aluminium in Barren in MJ Formel für die Berechnung des prozentualen Anteils: Totaler Energiegehalt Endenergieträger X in MJ (aus Ökoinventar: 1000kg Aluminium in Barren) - 1.91 * Totaler Energiegehalt Endenergieträger X in MJ (aus Ökoinventar: 1000kg Aluminiumoxid) = Dieses Totaler Energiegehalt Endenergieträger X in MJ für Teilprozess Aluminium in Barren Zwischenergebnis entspricht 100% der eingesetzten Energie eines jeden Endenergieträgers. Bezogen hierauf kann nun der prozentuale Anteil der Transporte wie folgt errechnet werden: Energieverbrauch von Endenergieträger X für Teilprozess Aluminium in Barren in MJ * 100 Totaler Energiegehalt Endenergieträger X in MJ für Teilprozess Aluminium in Barren Die eingesetzten Zahlen sind den Tabellen 9.10 und 9.11 auf Seite 90, Kapitel 9. Aluminium, der BUWAL-Untersuchung zu entnehmen. 26 Endenergieträger Transporte (MJ) Elektrizität Diesel Anteil an ges. Energieverbrauch Total (MJ) (%) 30 0.03 112 784.9 84.5 88.57 95.4 Schweres Heizöl 1 047.8 4.05 25 840.8 Total 1 143.2 0.8 143 749.6 Quelle: nach BUWAL, Tab. 9.6, S.83 Für Aluminium in Barren verwandte Transportarten werden im Unterschied zu Aluminiumoxid auch mit Elektrizität betrieben. Während rund 89% des Dieselverbrauchs dem Transportsektor zufallen, wird auch insgesamt mehr Energie für den Transport in diesem Herstellungsschritt benötigt. Allerdings benötigt die Produktion des Aluminiums in Barren insgesamt wesentlich mehr Energie als die zugehörigen nötigen Transporte. 6.4.2 Umweltemissionen Emissionen, die aus der Überführung von Aluminiumoxid zur Herstellung des Aluminium Barrens entstehen, können aus der Differenz des Ökoinventars für Aluminium in Barren und Aluminiumoxid errechnet werden. Auch für die Emissionen gilt der Faktor von 1.91. Luftschadstoffe Für die bereits in 5.3.2 betrachteten Luftschadstoffe ergeben sich daraus folgende Anteile and der gesamt Emission im Teilprozess der Herstellung von Aluminium in Barren: Luftschadstoff Kohlenstoffmonoxid Schwefeloxide Stickoxide Kohlenstoffdioxid fossil Transporte (g) Total (g) Anteil (%) 72.03 60 909.81 0.12 1 262 30 725 4.11 336 9 124 3.68 101 700 5 157 000 1.97 Quelle: nach BUWAL, Tab. 9.6, S. 83 Während die Emissionen der Transporte in der Menge annährend gleich bleiben zu denen für Aluminiumoxid (5.3.2), haben sie einen geringeren Anteil an den Gesamtemissionen im Produktionsschritt Aluminium in Barren, da die Emissionen in diesem Produktionsschritt insgesamt höher sind, als bei der Produktion von Aluminiumoxid. 27 Wasserschadstoffe Die Anteile der ebenfalls aus 5.3.2 bekannten Wasserschadstoffe beläuft sich nach der unter 5.4.1 erläuterten Berechnung auf folgende Größen: Wasserschadstoff Ammonium Fette/Öle Anorg. Salze und Säuren Barium Metalle Chlorid TOC Suspendierte Stoffe Sulfat Transporte (g) Total (g) Anteil (%) 1.689 44.7 3.78 40.68 848.25 4.8 629.3 20 241.2 3.11 4.26 265 1.61 10.08 437.63 2.3 699 31 627 2.21 11.44 743 1.54 89.9 2812.7 3.2 104.5 15 590 0.67 Quelle: nach BUWAL, Tab. 9.6, S. 83 Die Menge der emittierten Wasserschadstoffe nimmt im Gegensatz zu den Luftschadstoffen leicht ab. Der Anteil an den gesamten Wasserschadstoffemissionen sinkt vergleichbar zu den Anteilen des Transportes an der Emission von Luftschadstoffen. 6.5 Aluminiumfolie 6.5.1 Energieverbrauch Da zur Herstellung von 1000kg Aluminiumfolie 1000kg Aluminium in Barren benötigt werden, kann der Energieverbrauch für diesen Produktionsschritt als Differenz zwischen den Werten für Aluminiumfolie (BUWAL, Tab. 9.12, S. 91) und Aluminium in Barren (BUWAL, Tab. 9.11, S. 90) ohne Faktor errechnet werden. Endenergieträger Transporte (MJ) Anteil an ges. Energieverbrauch Total (MJ) (%) Elektrizität 20 0.33 Diesel Schweres Heizöl Total 6 050 160 88.89 180 10 1.54 650 190 1.83 10 400 Quelle: nach BUWAL, Tab. 9.12, S. 91 Der Energieverbrauch ist wesentlich geringer als für die Transporte der vorhergehenden Produktionsschritte. Der Anteil am Dieselverbrauch ist annähernd gleich geblieben, da in der 28 Produktion selbst wenig Motoren mit Dieselantrieb zur Gewinnung von z.B. elektrischer Energie genutzt werden. Aus dem geringen Energieverbrauch lässt sich schließen, dass Aluminiumfolie über kürzere Entfernungen transportiert werden muss, als z.B. Aluminiumoxid. 6.5.2 Umweltemissionen Die Umweltemissionen, die aus den Transporten für Aluminiumfolie resultieren, können genauso wie der Energieverbrauch aus der Differenz der Emissionen der Produktionsschritte Aluminiumfolie und Aluminium in Barren errechnet werden. Luftschadstoffe Luftschadstoff Kohlenstoffmonoxid Schwefeloxide Stickoxide Kohlenstoffdioxid fossil Transporte (g) Total (g) Anteil (%) 100 100 100 0 2 000 0 200 1 000 20 20 000 580 000 3.45 Quelle: nach BUWAL, Tab. 9.7, S. 85 Die Emissionen der Transporte für die Aluminiumfolie ist insgesamt die geringste im Vergleich mit denen der anderen Produktionsschritte. Dies war bereits aus dem geringen Energieverbrauch zu erwarten. Wasserschadstoffe Wasserschadstoff Ammonium Fette/Öle Anorg. Salze und Säuren Barium Metalle Chlorid TOC Suspendierte Stoffe Sulfat Transporte (g) Total (g) Anteil (%) 0.4 3 13.33 0 70 0 0 1 600 0 0 15 0 1 26 3.85 200 1 900 1.05 2 126 1.59 10 230 4.35 0 1 000 0 Quelle: nach BUWAL, Tab. 9.7, S. 85 Die Emissionen beschränken sich in diesem Prozessschritt vorwiegend auf Chloride. Allerdings ist die Menge im Vergleich zu den anderen Prozessschritten mit 200g gering. 29 6.6 Recycling-Aluminium Im Prozess des Recycling wird kein Energieverbrauch für Transporte aufgeführt. Aus diesem Grund entstehen auch keine Emissionen. Innerhalb der vorliegenden Ökobilanz wurden in Bezug auf Transporte nur die internen Recyclingprozesse berücksichtigt. Internes Recycling bedeutet, dass Überschüsse bei der Produktion zurückgeführt werden und in den Prozess mit eingehen. Daher sind keine Transporte notwendig. Externes Recycling wurde, wegen des hohen Datenaufwandes für den Transport bereits gebrauchten Aluminiums und der ungleichen Organisation der Abholung von Aluminiumabfällen, nicht betrachtet. 30 7. Herstellung von Recycling-Aluminium 7.1 Grundsätzliche Betrachtung Bei der Herstellung von Recycling- Aluminium muss man zwischen dem internen und dem externen Recycling unterscheiden: Beim internen Recycling werden Aluminiumabfälle, die bei der Aluminiumherstellung anfallen (Späne, Krätze, etc.) an Ort und Stelle wieder dem Herstellungsprozess zugeführt. Dies ist möglich, da Aluminium ohne Qualitätsverlust beliebig oft rezykliert werden kann. Beim externen Recycling wird das Aluminium nach seinem Gebrauch (z.B.: als Verpackungsmaterial, Baustoff, etc) eingesammelt und dann rezykliert. Bei den folgenden Ausführungen wird nur das externe Recycling betrachtet. Zur Veranschaulichung der Bedeutung des Aluminium-Recycling mag Tabelle 1 dienen: Produktion (in t) Recycling Aluminium 1997 1998 1999 2000 2001 432.500 495.200 515.100 572.300 622.900 Primäraluminium 571.900 612.400 633.800 643.500 651.600 Tab.1: Recyling-Aluminiumherstellung in Deutschland Die Recycling-Aluminiumherstellung in Deutschland ist folglich in den letzten Jahren sowohl absolut als auch relativ gestiegen und erreicht heute beinahe die Höhe der Primäraluminiumherstellung. In Deutschland sind heute im Bereich des Alurecyclings 20.000 Menschen beschäftigt. [siehe Verband der deutschen Aluminiumrecyclingindustrie, Abruf vom 14.07.2003] 7.2 Beschreibung der relevanten Teilprozesse Die Recyclingquote von Aluminium aus dem Postkonsumerbereich lag im Jahr 1996 bei einem Mittel von 60% über aller Branchen gerechnet. 31 Hierbei lag die Rücklaufquote bei Tiernahrungsschalen (48%) und sonstigen Verpackungen (25%) unter dem Durchschnitt. Bei Getränkedosen (85%), Abfällen aus der Baubranche (85%) und Abfällen aus der Automobilbranche (95%) kann man schon von einem fast vollständigen Kreislaufprozess sprechen. Nach der Sammlung des Altaluminiums durch Metallhandel und Abfallwirtschaft wird das Aluminium zuerst sortiert und danach geschnitten, paketiert oder geschreddert. Freies Eisen wird durch Magnetscheidung entfernt. Beim Gattieren werden die verschiedenen Alusorten je nach chemischer Beschaffenheit zu verschiedenen Anteilen zusammengestellt, um eine gewünschte Legierung erzielen zu können. Nach dem Einschmelzen der Schrotte in Drehtrommel- oder Herdöfen wird die entstandene Legierung durch den Zusatz von Raffinationsmitteln gereinigt. Nach erfolgreich bestandener Qualitätskontrolle wird das Aluminium dann schlussendlich gegossen. 7.3 Energieverbrauch Für die Herstellung von 1000kg Recyclingaluminium werden insgesamt 8.240 MJ Energie benötigt.. Davon entfallen 2.860 MJ (34,7 %) auf den Bereitstellungsenergiebedarf und 5380 MJ (65,3%) auf den Prozessendenergiebedarf, welcher das energieintensive Einschmelzen beinhaltet. Zum Vergleich: Bei dem Prozessschritt der Herstellung von 1000 kg Primäraluminium in Barren aus Aluminiumoxid werden 143.749 MJ benötigt. Gliedert man den Energieverbrauch nach Endenergieträgern auf, so kommt man zu folgendem Ergebnis: 2.360 MJ (42%) werden durch Elektrizität bestritten, 3.630 MJ (44%) werden von Erdgas abgedeckt und 1.140 MJ (14%) werden durch Heizöl erbracht. Diese Endenergieträger wurden wiederum durch den Einsatz von Primärenergie produziert. Dazu wurden folgende Ressourcen energetisch verwertet: 33, 9 kg Rohbraunkohle; 33,3 kg Rohsteinkohle; 32,2 kg Rohöl; 103 m³ Erdgas; 3,37 g Uran und 0,327 kg Holz. Zudem wurden durch die Umwandlung der potentieller Energie von Fliesswasser in Elektrizität 296 MJ bereitgestellt. 32 7.4 Ressourcenverbrauch Neben den unter 2.3 aufgeführten energetisch verwerteten Ressourcen werden folgende Ressourcen zur Herstellung von 1000 kg Aluminium verarbeitet: 1080 kg Aluminiumabfälle; 0,85m³ Prozesswasser; 0,383kg Salz; 23,6 kg Legierungen sowie 0,786 kg Argon und 0,459 kg Chlor. Neben dem Hauptprodukt Aluminium fallen nach dem Recyclingprozess 51,1 kg verwertbare Krätze und und 59,6 kg verwertbare Aluminiumspäne an. Der Inertstoffdeponie müssen 9,3 kg Abfälle zugeführt werden. 7.5 Umweltemissionen bei der Herstellung von Recycling-Aluminium Da das Einschmelzen des Altaluminiums ein sehr energieintensiver Prozess ist, entstehen Umweltemissionen zum allergrößten Teil bei der Bereitstellung der thermischen und elektrischen Energie, die für diesen Prozess benötigt wird. 7.5.1 Luftschadstoffe aus der Nutzung thermischer und elektrischer Energie Bezogen auf 1000 kg Aluminium ergeben sich folgende Werte: Neben Staubemissionen in Höhe von 235g werden 847g Methan sowie 291g nicht methanhaltige Energieträgern Kohlenwasserstoffe fallen freigesetzt. Kohlendioxidemissionen Bei in der Verbrennung Höhe von von 157 fossilen kg und Kohlenmonoxidemissionen in Höhe von 66kg, sowie 730 g Schwefeldioxid und 498 g Stickoxide an. Radioaktive Substanzen werden durch den Einsatz von Kernenergie in Höhe von 293.000 Bequerel erzeugt. (Es wurden nur die signifikante Emissionswerte in die Aufstellung aufgenommen.) 33 7.5.2 Wasserschadstoffe aus der Nutzung thermischer und elektrischer Energie Bei der Herstellung von 1000 kg Recyclingaluminium fallen folgende Wasserschadstoffe an (es wurden nur die signifikante Emissionswerte in die Aufstellung aufgenommen): Neben suspendierten Stoffen in Höhe von 200g fallen aromatische Kohlenwasserstoffen (1,5 g und Fette (46,7g) an. Außerdem werden 1,5g gelöster und weiter 113g ungelöster organischer Kohlenstoff produziert. Insgesamt werden stickstoffhaltige Verbindungen in Höhe von 6,2g frei. Bei den Säurerestionen fallen vor allem Chlorid mit 1210 g, Sulfat (611g) und anorganische Salze und Säuren (968g) ins Gewicht. Bei den Metallen haben Aluminium (54g), Eisen(71g) und Barium(8,3g) den größten Anteil. Radioaktiven Substanzen in Höhe von 2700 Bequerel sind als weitere Wasserschadstoffe zu nennen. 7.5.3 Nicht energiebezogene Umweltemissionen Außerhalb der Energieherstellung fallen in nennenswerten Masse nur Luftschadstoffe an (bezogen auf die Herstellung von 1000 kg Recycling-Aluminium): 246 kg CO2; 730g Schwefeldioxid; 498 g Stickoxid; 66g Kohlenmonoxid; 51,8g Kohlenwasserstoffe sowie 10 g Flusssäure. 34 8. Aluminium mit unterschiedlichen Rezyklatanteilen 8.1 Einordnung in den Prozess Das hier betrachtete Recycling bezieht sich ausschließlich auf das so genannte PostconsumerRecycling , d.h. dass das Aluminium nach dem Gebrauch als Verpackungsmaterial wieder in die Aluminiumherstellung zurückgeführt wird. Diese Rückführung findet nach der Elektrolyse und vor dem Giessen statt. Das Sekundäraluminium wird eingeschmolzen und dem flüssigen Aluminiumoxid beigemischt. Diese Mischanteile an Sekundäraluminium können entweder 25%, 50% oder 80% betragen. Ein prozessinternes Recycling wird hier nicht betrachtet. (vgl. BUWAL 1995, S.77/78) Anschließend wird das Aluminiumgemisch wieder zu Barren gegossen. Schmelzen des Recyclingaluminiums Rezyklatanteil Schmelzflusselektrolyse Giessen Abb. 8 : Flussschema 35 8.2 Darstellung und Vergleich der Emissionen für die unterschiedlichen Rezyklatanteile 8.2.1 Allgemeines Es ist festzustellen, dass zur Produktion von 1000 kg Aluminium 1080 kg flüssiges Aluminium gebraucht wird. Umgerechnet auf die unterschiedlichen Rezyklatanteile ergeben sich Mischverhältnisse von: Anteil Primäraluminium Sekundäraluminium 25% 810 kg 270 kg 50% 540 kg 540 kg 80% 216kg 864kg Das Sekundäraluminium zählt zu den stofflich verwerteten Ressourcen. (vgl. BUWAL, S. 88) Um die Verminderung der energetisch und stofflich zu verwertenden Ressourcen bezogen auf den größer werdenden Rezyklatanteil beurteilen zu können, werden einige Daten genauer betrachtet. 8.2.2 Energetisch verwertete Ressourcen Als Beispiele für die energetisch verwerteten Ressourcen dienen Rohbraunkohle, Rohsteinkohle, Uran ab Erz und die potentielle Energie des Wassers. Um die Bedeutung der Erhöhung des Anteiles an Sekundäraluminium deutlich zu machen, wird die prozentuale Reduktion der Ressourcen im Vergleich 25%- Anteil zu 80%- Anteil berechnet. Der Rechenweg zur Veranschaulichung der relativen Reduzierung der Ressource soll folgender sein: Wert für 25% Rezyklatanteil Grundwert Wert für 80%Rezyklatanteil Prozentwert Relative Reduzierung = Pr ozentwert * 100 Grundwert 36 Rohbraunkohle: Bei einem Rezyklatanteil von 25% werden 99kg Rohbraunkohle für 1000kg Aluminium zur Herstellung verwendet. Dieser Wert sinkt auf 77,3 kg bei einem Rezyklatanteil von 50% und auf 51,3 kg bei 80% Rezyklatanteil. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 51,3 * 100 51,81% 99 , d.h. bei 55% mehr Sekundäraluminium wird die Braunkohlemenge um die Hälfte reduziert. Rohsteinkohle: Rohsteinkohle wird bei einem Anteil von 25% Sekundäraluminium in einer Menge von 1160 kg benötigt. Diese Menge wird bei 50% Rezyklatanteil auf 785 kg und bei 80% Rezyklat auf 334 kg gesenkt. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 334 * 100 28,79% 1160 , d.h., dass nur noch ca. ein viertel der Steinkohlemenge benötigt wird, wenn der Rezyklatanteil von 25% auf 80% angehoben wird. Uran ab Erz: Die benötigte Menge Uran sinkt von 57,4 g (bei 25%) über 39,4 g (bei 50%) auf 17,8 g (bei 80% Rezyklat). Dieses bedeutet eine Reduktion auf einen relativen Anteil von 17,8 *100 31% 57,4 , d.h., dass eine 70%-ige Reduktion des benötigten Urans vorgenommen werden kann, wenn der Sekundäraluminiums- Anteil bei 80% liegen würde. Potentielle Energie des Wassers: Als letzte energetisch verwertete Ressource kann die potentiell benötigte Energie des Wassers von 35,7 GJ bei einem 25%-igen Rezyklatanteil über 23,9 GJ bei einem 50%-igen Rezyklatanteil auf 9,74 GJ bei 80% eingesetzten Sekundäraluminium gesenkt werden. 37 Dieses entspricht einem relativen Anteil von 9,74 *100 27,3% 35,7 , d.h., dass mehr als 70 % der Wasserenergie eingespart werden kann, wenn man 55% mehr Sekundäraluminium verwendet. Zusammenfassung: Ressource 25%- Anteil = 80%- Anteil = Grundwert = Prozentwert Reduktion 100% Rohbraunkohle 99 kg 51,3 kg = 51,81% 50% Rohsteinkohle 1160 kg 77 kg = 28,79% 71% Uran ab Erz 57,4 kg 17,8 kg = 31% 70% Pot. Energie 35,7 kg 9,74 kg = 27,3% 73% des Wassers Aus der Tabelle wird deutlich, dass durch Erhöhung des Anteiles an Sekundäraluminium zwischen 50 % und 75% an energetisch verwertbaren Ressourcen eingespart werden kann. 8.2.3 Rohstofflich verwertete Ressourcen Als Beispiele für rohstofflich verwertete Ressourcen sollen nur die Prozesswassermenge und die Menge neuen Bauxits betrachtet werden. Prozesswasser: Die für den Verarbeitungsprozess benötigte Wassermenge beträgt bei einem 25%igen Rezyklatanteil 1,89 m³, bei 50% Sekundäraluminium 1,54 m³ und bei 80% Sekundäraluminium nur noch 1,13 m³. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 1,13 *100 59,8% 1,89 , d.h., dass eine Reduktion der benötigten Wasser- menge um 40% vorliegt, wenn der höchste Rezyklatanteil beigemischt wird. 38 Bauxit: Die zur Herstellung des Aluminiums zusätzlich benötigte Menge an Bauxit wird von 2780 kg, bei einem Rezyklatanteil von 25%, über 1850 kg, bei einem Rezyklatanteil von 50%, auf 742 kg, bei einem Rezyklatanteil von 80%, gesenkt. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 742 *100 26,7% 2780 , d.h., dass die Menge neuen Bauxits um 73% gesenkt werden kann. Zusammenfassung: Ressource 25%-Anteil = 80%- Anteil = Grundwert = Prozentwert Reduktion 100% Prozesswasser 1,89 m³ 1,13 m³ = 60% 40% Bauxit 742 kg = 26,7% 73% 2780 kg Auch im Bereich der rohstofflich verwertbaren Ressourcen können Einsparungen von über 40% gemacht werden, wenn der Rezyklatanteil von 25% auf 80% angehoben wird. 8.2.4 Luftschadstoffe Bei der Betrachtung der Schadstoffe sollen im Bereich Luftschadstoffe die Menge an Staub, Methan, CO2, CO, Ammoniak, Quecksilber und Metalle verglichen werden. Auch bei der Betrachtung der Schadstoffe wird eine Vergleichsrechnung vorgenommen, um die mögliche Reduktion der Schadstoffe bezogen auf den Anteil an Sekundäraluminium beurteilen zu können. Staub: Die auftretende Staubmenge wird von 16000 g (25% Anteil) über 10700 g (50% Anteil) auf 4440 g (80% Anteil) gesenkt. 39 Dieses bedeutet eine Reduktion auf einen relativen Anteil von 4440 * 100 27,75% 16000 , d.h. die Staubmenge kann bei einem Rezyklatanteil von 80% im Gegensatz zu einem Anteil von nur 25% um fast 75% gesenkt werden. Methan: Der in die Atmosphäre abgegebene Methangehalt kann von 12800 g, bei 25%-igem Rezyklatanteil, über 8790 g, bei 50%-igem Rezyklatanteil, auf 4020 g, bei 80%-igem Rezyklatanteil reduziert werden. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 4020 * 100 31,4% 12800 , d.h. eine 70%-ige Methanreduktion liegt bei einem Anteil von 80% Sekundäraluminium im Gegensatz zu einem Anteil von nur 25% Sekundäraluminium vor. Kohlendioxid fossil: Die ausgestoßene Kohlendioxidmenge liegt bei einem Rezyklatanteil von 25% bei 5830000 g, bei einem Rezyklatanteil von 50% bei 4020000 g und bei einem Rezyklatanteil von 80% bei 1850000 g. Dieses bedeutet eine Reduktion auf einen relativen Anteil von 1850000 * 100 31,7% 5830000 , d.h. eine Reduktion von ca. 70% ist bei einem Anteil von 80% Sekundäraluminium im Vergleich zu einem 25%-igem Anteil möglich. Kohlenmonoxid: Die Werte für Kohlenmonoxid liegen bei einem Anteil von 25% bei 46100 g, bei einem Anteil von 50% bei 30800 g und bei einem Anteil von 80% bei 12400 g. 40 Dieses entspricht einem relativen Anteil von 12400 * 100 26,9% 46100 , d.h. der Kohlenmonoxidgehalt kann um fast drei viertel gesenkt. Ammoniak: Die Ammoniakemissionen werden durch Erhöhung des Rezyklatanteiles von 25% auf 50% und auf 80%, von 10,3 g auf 6,98 g auf 3,01 g gesenkt. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 3,01 *100 29,22 % 10,3 , d.h., dass eine 70%-ige Reduktion der Ammoniakemissionen durch eine 55%-ige Erhöhung des Rezyklatanteiles vorgenommen werden kann. Quecksilber: Bei einer Erhöhung des Anteiles an Sekundäraluminium kann die Quecksilberemission von 0,0826 g (25% Anteil) über 0,0579 g (50% Anteil) auf 0,0282 g (80% Anteil) gesenkt werden. Dieses bedeutet eine Reduktion auf einen relativen Anteil von 0,0282 *100 34,1% 0,0826 , d.h., dass ca. zwei drittel der Quecksilber- emissionen eingespart werden. Metalle: Die Höhe der Metallemissionen wird von 167 g (25%) über 113 g (50%) auf 49,3 g (80%) gesenkt. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 49,3 * 100 29,5% 167 , d.h. 70% der Emissionen werden eingespart. 41 Zusammenfassung: Luftschadstoff 25%- Anteil = 80%-Anteil = Prozentwert Reduktion Grundwert = 100% Staub 16000 g 4440 g = 27,75% 73% Methan 12800 g 4020 g = 31,4% 70% CO2 5830000 g 1850000 g = 31,7% 70% CO 46100 g 12400 g = 26,9% 73% Ammoniak 10,3 g 3,01 g = 29,22% 70% Quecksilber 0,0826 g 0,0282 g= 34,1% 65% Metalle 167 g 49,3 g = 29,5% 70% Aus dieser Tabelle geht hervor, dass mindestens 60% bis sogar 75% der Luftschadstoffe eingespart werden können, bei einer Erhöhung des Anteiles an Sekundäraluminium. 8.2.5 Wasserschadstoffe Im Zusammenhang mit den Emissionen der Wasserschadstoffe sollen die Abwassermenge, Ammonium, Nitrat, Phosphat, Sulfat, Quecksilber und H2SO4 betrachtet werden. Abwassermenge: Die anfallende Abwassermenge beträgt 1,33 m³ bei einem Rezyklatanteil von 25%. Sie sinkt auf 0,89 m³ bei einem Anteil von 50% und auf 0,356 m³ bei einem Anteil von 80% Sekundäraluminium. Dieses entspricht einem relativen Anteil 0,356 *100 26,8% 1,33 , d.h. die Abwassermenge kann um drei viertel über die verschiedenen Höhen der Rezyklatanteile gesenkt werden. 42 Ammonium: Die anfallenden Emissionen betragen 58,2 g bei einem Anteil von 25%, 39,5 g bei einem Anteil von 50% und 17,1 g bei einem Anteil von 80% Sekundäraluminium. Dieses bedeutet eine Reduktion auf einen relativen Anteil von 17,1 *100 29,4% 58,2 , d.h. die auszustoßende Menge Ammonium wird um 70% reduziert. Nitrat: Nitrat wird in folgenden Mengen bezogen auf den jeweiligen Rezyklatanteil emittiert: 69,5 g bei 25%, 47,1 g bei 50% und 20,2 g bei 80%. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 20,2 *100 29% 69,5 , d.h. bei einer Erhöhung des Rezyklatanteiles um 55% erreicht man eine Reduzierung der Nitratemissionen um 70%. Phosphat: Bei einem Anteil von 25% Sekundäraluminium wird 110 g Phosphat freigesetzt. Dieses reduziert sich auf 74,3 g bei einem Anteil von 50% und auf 31,6 g bei einem Anteil von 80% Sekundäraluminium. Dieses bedeutet eine Reduzierung auf einen relativen Anteil von 31,6 * 100 28,7% 110 , d.h., dass bei einem Einsatz von 80% Sekundäraluminium ca. 70% Phosphatemission gegenüber dem 25%-igem Anteil eingespart wird. 43 Sulfat: Die Sulfatemissionen betragen 13300 g bei 25%, 9050 g bei 50% und 3980 g bei 80% Anteil des Sekundäraluminiums. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 3980 * 100 30% 13300 , d.h., dass 70% Sulfatemissionen eingespart werden bei einem entsprechend höheren Rezyklatanteil. Quecksilber: Die Quecksilberemissionen sind besonders bei den Wasserschadstoffen besonders zu betrachten. Sie ergeben sich zu 0,00344 g bei einem Anteil von 25%, zu 0,00243 g bei einem Anteil von 50% und zu 0,00122 g bei einem Anteil von 80% des Rezyklates. Daraus folgt eine Reduktion auf einen relativen Anteil von 0,00122 *100 35,5% 0,00344 , d.h., dass ca. zwei drittel an Quecksilber- emissionen eingespart werden, wenn der höchste Rezyklatanteil verwendet wird. H2SO4 : Schwefelsäure fällt in folgenden Mengen je Rezyklatanteil als Emission an: Bei 25% entstehen 617 g, bei 50% entstehen 411 g und bei 80% entstehen 165 g H2SO4. Dieses entspricht einem relativen Anteil von 165 * 100 26,75% 617 vorliegt. , d.h., dass eine Reduktion um ca. drei viertel 44 Zusammenfassung: Wasserschadstoff 25%- Anteil = 80%- Anteil= Grundwert = Prozentwert Reduktion 100% Abwassermenge 1,33 m³ 0,356 m³ = 26,8% 73% Ammonium 58,2 g 17,1 g = 29,4% 70% Nitrat 69,5 g 20,2 g = 29% 71% Phosphat 110 g 31,6 g = 28,7% 71% Sulfat 13300 g 3980 g =30% 70% Quecksilber 0,00344 g 0,00122 g = 35,5% 65% Schwefelsäure 617 g 165 g = 26,75% 73% Bei den Wasserschadstoffen sind durch eine Erhöhung des Rezyklatanteiles von 25% auf 80% Reduktionen von 65% bis ca. 75% möglich. 8.3 Energieverbrauch über alle Prozesse 8.3.1 Allgemeines Diese Gesamtenergie wird aufgespaltet in die Bereitstellungsenergie, die Prozessendenergie und die für Transporte benötigte Energie. Die Bereitstellungsenergie ist diejenige Energie, die zur Bereitstellung des Produktes aufgewendet werden muss. Unter Prozessendenergie versteht man die Energie, die konkret bei den einzelnen Prozessen zur Produktion aufgewendet werden muss. Zusätzlich gibt es noch die Feedstock- Energie, die aus den energetisch nicht genutzten Energieressourceninputs resultiert. Sie ist allerdings im Zusammenhang mit der Aluminiumproduktion zu vernachlässigen, da sie über alle Prozesse Null ist. 8.3.2 Energie zur Herstellung von Aluminiumoxid Der Energieverbrauch bei der Herstellung von 1000 kg Aluminiumoxides ergibt sich zu 20440 MJ insgesamt. 45 Diese wird aufgeteilt in 6110 MJ für die Bereitstellungsenergie, 12850 MJ für die Prozessendenergie und 1480 MJ für Transporte. 8.3.3 Energie zur Herstellung von Aluminiumbarren Bei der Herstellung von 1000 kg Aluminiumbarren ergibt sich ein totaler Energieverbrauch von 182790 MJ. Diese wird aufgeteilt in 76370 MJ für die Bereitstellungsenergie, 102450 MJ für die Prozessendenergie und 3970 MJ für Transporte. 8.3.4 Energie zur Herstellung von Aluminiumfolie Zur Herstellung von 1000 kg Aluminiumfolie wird eine Gesamtenergie von 193190 MJ benötigt. Die Aufteilung erfolgt folgendermaßen: 80860 MJ für die Bereitstellungsenergie, 108170 MJ für die Prozessendenergie und 4160 MJ für Transporte. 8.3.5 Energie zur Herstellung von Recycling-Aluminium Die Gesamtenergie für 100%-iges Recycling- Aluminium beträgt 8240 MJ. Hierbei erfolgt die Aufteilung ausschließlich in 2860 MJ für die Bereitstellungsenergie und 5380 MJ für die Prozessendenergie. Transporte fallen aus dem Energieverbrauch heraus, weil bei prozessinternem Recycling keine Transportwege anfallen. 8.3.6 Energie für Aluminium mit unterschiedlichen Rezyklatanteilen Für diesen Prozess liegen die Gesamtenergien je Rezyklatanteil vor. Bei einem Anteil von 25% entsteht eine Gesamtenergie von 139150 MJ. Ein Anteil von 50% Sekundäraluminium erfordert einen Gesamtenergieaufwand von 95510 MJ. Und bei einer Erhöhung des Rezyklatanteiles auf 80% sinkt der Gesamtenergieverbrauch auf 43150 MJ. 46 9. Ökoinventar der Abfallbehandlung bei der Herstellung von 1000 kg Aluminium in Barren aus Aluminiumoxid 9.1 Einordnung in den Gesamtprozess Eine Einordnung fällt nicht leicht und ist vielleicht sogar überhaupt nicht möglich, weil in der vorliegenden Studie „Ökoinventare für Verpackungen“ nicht die Abfälle, die bei der Produktion des Aluminiums anfallen, sondern die Zusammensetzungen der vom Konsumenten verwendeten Verpackungen betrachtet werden. Untersucht wird also nur der so genannte „post consumer waste“, das heißt die durch bei der Behandlung einer Verpackung nach ihrem Gebrauch bei Verbrennung in einer Müllverbrennungsanlage (MVA), durch Ablagerung auf einer Deponie oder durch illegale, „wilde“ Entsorgung auftretenden Umwelteinwirkungen. Die bei der Produktion auftretenden Abfälle werden kurz in Tabelle 1 erwähnt, bleiben jedoch wie oben beschrieben für die Umwelteinwirkungen unberücksichtigt. Somit stellt die Abfallbehandlung einen nahezu eigenständigen Bereich bei der Betrachtung der Aluminium-Ökobilanz dar. Deutlich wird dies, wenn man Abbildung 2 betrachtet. 47 Abb. 9: Lebensweg einer Verpackung (aus BUWAL 1995) Zusätzlich wird die Einordnung und die Erstellung des Inventars dadurch erschwert, dass häufig verlässliche Angaben zur Zusammensetzung und zum Entsorgungsweg der Abfälle fehlen. Umweltbelastungen werden auf Grund dieser unsicheren Datenlage nicht beachtet. Würde man nämlich Werte einer mittleren Zusammensetzung wählen, so würden die Umwelteinwirkungen nicht mit denen der jeweiligen Produktionsabfälle übereinstimmen. Als Folge davon stellen die hier berechneten Emissionen der verschiedenen Abfallbehandlungsprozesse nur eine untere Grenze der gesamten Emissionen dar. Aus diesem Grund kann diese Teilarbeit nur näherungsweise und keineswegs vollständig das Ökoinventar zur Abfallbehandlung wiedergeben. 48 9.2 Beschreibung der relevanten Abfallbehandlungsprozesse Da Aluminium zu einem hohen Prozentteil recycled wird, gibt es im eigentlichen Sinne keine Abfallbehandlung von Aluminium. Lediglich die bei der Produktion anfallenden Abfälle müssen behandelt werden. Wie bereits erwähnt, werden aber die Umwelteinwirkungen dieser Produktionsabfallbehandlung nicht betrachtet. Die Aluminiumverpackung, die trotz bestehender Recyclingmöglichkeiten fälschlicherweise in den Siedlungsabfall gelangt, verursacht jedoch Umwelteinwirkungen. Bei der Produktion von Aluminiumfolie fallen unterschiedliche Abfälle an, die man in unterschiedliche Kategorien einteilen kann. Dies sind Abfälle, die auf Inertstoffdeponien abgelagert werden, in Müllverbrennungsanlagen (MVA) verbrannt werden, auf Reaktordeponien abgelagert müssen und solche, die als Abraum am Ort der Entstehung verbleiben. Die verschiedenen Abfälle sind in Tabelle 1 ersichtlich. Abfall Abfallkategorie Rotschlamm Abraum am Abbauort Natronlauge (gemischt mit Rotschlamm) Abraum am Abbauort Sand Abfälle auf Inertstoffdeponie Abfall Abfallkategorie Feste Abfälle Abfälle auf Inertstoffdeponie Abfälle aus Kathodenofen Abfälle auf Inertstoffdeponie Andere Abfälle auf Inertstoffdeponie und Abfälle in MVA Abfälle der Aluminiumproduktion mit entsprechenden Abfallkategorien (aus BUWAL) Die Aluminiumverpackungen enthalten neben Aluminium Chlor aus eventuellen Verunreinigungen, Kupfer, Zink, Cadmium und Blei. Im Jahr 1994 gelangten gemäß BUWAL-52 (1996) ca. 300 Tonnen Aluminiumdosen in die Siedlungsabfälle. Insgesamt sind ca. 26.000 t metallisches Aluminium in den Siedlungsabfällen zu finden. Die Aluminiumverpackungen enthielten ca. 2,7 kg/t Chlor, 0,0012 kg/t Kupfer, 0,044 t/kg Zink, 0,004 t/kg Cadmium und 0,024 kg/t Blei. 49 9.3 Beschreibung der Deponietypen Eine Sonderstellung bei der Abfallbehandlung haben die Deponien. Ablagerungsprozesse auf Deponien erstrecken sich über sehr lange Zeiträume. Daher sind auch hier nur spärlich Daten, beispielsweise zur Sickerwasseremission, vorhanden. Man hat in der Vergangenheit allerdings durch die Einführung eines Deponiemodells versucht, Umwelteinwirkungen von Deponien in zwei Zeitabschnitte einzuteilen. Die erste Phase, die so genannte überwachte Phase, ist diejenige, in der noch eine Kontrolle der Emissionen stattfindet. In dieser ca. 150 Jahre dauernden Phase müssen Richtwerte eingehalten werden, was mit dem Einsatz technischer Mittel bewerkstelligt wird. In der überwachten Phase ist die Methanphase enthalten, die rund 30 Jahre dauert. Die überwachte Phase ist dann beendet, wenn die von der Deponie ausgehenden Emissionen ein umweltverträgliches Maß erreicht haben (siehe auch Abb. 2). Abb. 10: Vereinfachende Darstellung der zeitlichen Verlaufskurven der Luft- und Wasseremissionen und der Emissionsperioden von Deponien (Quelle: BUWAL 1995) Die zweite Phase beschreibt die Emissionen, die insgesamt von einer Deponie ausgehen können. Sie schließt also die überwachte Phase mit ein und beschreibt das totale Emissionspotential (siehe auch Abb. 2). 50 9.4 Verschiedene Szenarien der Abfallbehandlung In der vorliegenden BUWAL-Studie werden das IST-, das SOLL- und das Deponie-Szenario berechnet. Das IST-Szenario geht vom damaligen Stand der Abfallbehandlung in der Schweiz aus. Es wurden 77% des Abfalls in MVA verbrannt und die anfallenden Schlacken und Rauchgasreinigungsrückstände deponiert. 22 % des Abfalls wurden auf Reaktordeponien abgelagert und 1% wurde „wild“, also illegal abgelagert oder verbrannt. Das SOLL-Szenario ging zum damaligen Zeitpunkt von einer 100%igen Verbrennung in MVA im Jahre 2000 aus. Die dabei anfallenden Schlacken und Rauchgasreinigungsrückstände werden wieder deponiert. Das Deponie-Szenario berechnet die Daten so, als würden im Jahre 1995 alle Abfälle in der Schweiz gemäß dem aktuellen Stand der Deponietechnik abgelagert. 9.5 Darstellung und Vergleich der Emissionen für unterschiedliche Szenarien Die Emissionsdaten für die Abfallbehandlung von Aluminium gliedern sich wie üblich in folgenden Gruppen: - Ressourcen, energetisch verwertet - Ressourcen, stofflich verwertet - Energiebedarf - Luftschadstoffe - Wasserschadstoffe - Bodenschadstoffe 9.5.1 Energetisch verwertete Ressourcen Als Beispiele für die energetisch verwerteten Ressourcen sollen Rohbraunkohle, Rohsteinkohle, Uran ab Erz und potenzielle Energie des Wassers dienen. Es werden die verschiedenen Deponieszenarien verglichen. 51 Da die Werte für die überwachte Phase und das totale Emissionspotential gleich sind, wird nur jeweils ein Wert in die Berechnung miteinbezogen. Bei der Abfallbehandlung von Aluminium werden im IST-Szenario (künftig IST abgekürzt) 0,73 kg Rohbraunkohle pro 100 kg Aluminium verwendet. Beim SOLL-Szenario (künftig SOLL abgekürzt) dagegen 0,971 und beim Deponieszenario (künftig DS abgekürzt) nur 0,0458 kg. Würde also der gesamt Aluminiumabfall deponiert, so würden 93,73 % Rohbraunkohle eingespart. Dagegen wären beim SOLL 33,01 % mehr Rohbraunkohle erforderlich. Bei Rohsteinkohle ergeben sich im IST 0,938 kg, beim SOLL 1,25 kg und beim DS 0,0355 kg pro 1000 kg Aluminium. Es könnten somit bei vollständiger Deponierung 96,22 % Rohsteinkohle eingespart werden. Zum Vergleich wären beim SOLL 33,26 % mehr Rohsteinkohle erforderlich. Im Fall Uran ab Erz könnten von 0,426 g im IST zum 0,00434 g im DS 98,98 % Uran ab Erz pro 1000 kg Aluminium eingespart werden. Im SOLL wären mit 0,567 g pro 1000 kg Aluminium 33,1 % mehr Uran ab Erz erforderlich. Die potenzielle Energie des Wassers würde im DS (0,343 MJ) 99,36 % weniger betragen als im IST mit 53,4 MJ. Das SOLL (mit 71,1 MJ) würde einen erforderlichen Mehraufwand an potenzieller Energie des Wassers von 33,15 % darstellen. Zusammenfasssung IST SOLL DS Rohbraunkohle 0,73 kg + 33 % - 93,73 % Rohsteinkohle 0,938 kg + 33,26 % - 96,22 % Uran ab Erz 0,426 g + 33,1 % - 98,98 % pot. Energie d. Wassers 53,4 MJ + 33,15 % - 99,36 % + 33,13 % - 97,0725 % Arithmetisches Mittel der Reduzierungen bzw. des Mehraufwandes 52 Es ist leicht ersichtlich, dass sich beim Deponieszenario erhebliche Ressourceneinsparungen erreichen ließen. Was jedoch die Umweltbelastung anbetrifft, so lässt sich durch die Betrachtung dieser Werte keine Aussage treffen, da Emissionen bei der Ablagerung nicht beachtet werden. Diese werden im weiteren Verlauf beschrieben. 9.5.2 Ressourcen, rohstofflich verwertet Als Beispiel für rohstofflich verwertete Ressourcen kann hier nur Prozesswasser angegeben werden und dies allerdings auch nur für das IST und das SOLL, da weitere Daten nicht vorliegen. Somit werden pro 1000 kg Aluminium im IST 0,755 m³ Prozesswasser benötigt und im SOLL 1 m³, was eine Steigerung von 32,45 % bedeutet. 9.5.3 Energiebedarf Für den Energiebedarf sollen beispielhaft der Energiebedarf, der durch Elektrizität, Diesel und Heizöl EL (EL = extra leicht) gedeckt wird, aufgeführt werden. Im IST müssen 270 MJ durch Elektrizität bereitgestellt werden, im SOLL 360 (+33,33 %) und im DS 1 MJ (-99,63 % im Vergleich zu IST). Durch Diesel werden im IST 393 MJ bereitgestellt, im SOLL 455 MJ und im DS 197 MJ. Im Vergleich zum IST werden also beim SOLL 15,78 % mehr Energie benötigt, beim DS 49,87 % weniger. An Energie die durch extra leichtes Heizöl bereitgestellt wird, würden im DS rund 98 % weniger verbraucht (nämlich 4 MJ) als im IST mit 216 MJ. Im SOLL würde der Energiebedarf 32,41 % mehr betragen (286 MJ). Zusammenfassung Elektrizität IST SOLL DS 270 MJ + 33,33 % - 99,63 % 53 Diesel 393 MJ + 15,78 % - 49,87 % Heizöl EL 216 MJ + 32,41 % - 98 % + 27,17 % - 82,5 % Arithmetisches Mittel der Reduzierungds bzw. des Mehraufwandes Auch beim Energiebedarf ist ersichtlich, dass eine Deponierung der Abfälle eine Menge an Energie einsparen könnte. Dass durch die etwaige Verbrennung von Abfällen in MVA wiederum Energie eingespart werden könnte, soll hier nicht beachtet werden. 9.5.4 Luftschadstoffe Bei der Betrachtung der Schadstoffe sollen für die Luftschadstoffe die Menge an Staub, Methan, CO2, CO, Ammoniak, Salzsäure, Stickoxide, Quecksilber, Metalle und radioaktive Substanzen verglichen werden. Es fallen im IST 21,6 g, im SOLL 25 g und im DS 11,5 g an Staub an. Somit fallen im SOLL 19,05 % mehr Staub an und im DS 45,24 % weniger. Methan fällt mit 69 g im IST, mit 91,9 g im SOLL und 16,7 g im DS an.Die anfallende Menge Methan ließe sich also um 75,8 % im DS gegenüber dem IST senken. Dagegen würden beim SOLL 33,18 % mehr Methan anfallen. Die anfallende Menge Kohlendioxid (fossil) ließe sich im DS (13500 g) um 69,8 % im Vergleich zum IST (44700 g) senken und sie würde sich im SOLL (56100 g) um 25,5 % im Vergleich zum IST erhöhen. Ammoniak fällt im IST mit 3,21 g, im SOLL mit 6,84 g und im DS mit 0,000401 g an. IM DS würde somit 99,99 % weniger Methan anfallen als im IST. Dagegen würde beim SOLL 113,08 % mehr Methan anfallen. Betrachtet man den Luftschadstoff Salzsäure, so fallen im IST 21 g, im SOLL 0,787 g und im DS 0,0295 g HCL an. 54 Somit ergibt sich gegenüber dem IST ein Emissionsminderungspotenzial von 96,25 % für das SOLL und von 99,86 % beim DS. Die Stickoxidemissionen könnten im Vergleich zum IST (mit 1010 g) um 3,37 % im SOLL (976 g) und um 80,79 % im DS (194 g) gesenkt werden. Die Emissionen des Luftschadstoffes Quecksilber würde sich beim SOLL (0,000375 g) um 50,6 % erhöhen, wobei sie sich beim DS (0,0000155 g) um 93,78 % im Vergleich zum IST (0,000249 g) reduzieren würden. Metalle fallen beim IST mit 0,396 g an, beim SOLL mit 0,513 g und beim DS mit 0,0454 g. Das heißt, dass beim SOLL fast 30 % mehr Metalle anfallen, als beim IST und dass beim DS 88,54 % weniger Metalle anfallen würden. Zu guter letzt fallen im IST 37100 kBq an radioaktiven Substanzen an; Im SOLL sind dies 49100 kBq und im DS sind es 378 kBq. Somit verringern sich die Emissionen vom IST zum DS um 98,98 %. Dagegen erhöhen sie sich vom IST zum SOLL um gut 33 %. Zusammenfassung IST SOLL DS Staub 21,6 g + 19,05 - 45,24 Methan 69 g + 33,18 % - 75,8 % CO2, fossil 44.700 g + 25,5 % - 69,8 % Ammoniak 3,21 g + 113,08 % - 99,99 % Salzsäure 21 g - 96,25 % - 99,86 % Stickoxide 1010 g - 3,37 % - 80,79 % Quecksilber 0,000249 g + 50,6 % - 93,78 % Metalle 0,396 + 30 % - 88,54 % rad. Substanzen 37.100 kBq + 33 % - 98,98 % + 22,75 % -83,64 % Arithmetisches Mittel der Reduzierungen bzw. des Mehraufwandes 55 Durch die im SOLL angestrebte Verbrennung gelangen natürlich mehr Luftschadstoffe in die Atmosphäre. Das Deponieszenario liegt wieder einmal scheinbar vorn, jedoch bleiben wieder die eingesparten Emissionen durch die bei der in MVA entstehende Energie unberücksichtigt. 9.5.5 Wasserschadstoffe Als Beispiele für Wasserschadstoffe möchte ich die folgenden zur Berechnung heranziehen: Aromatische Kohlenwasserstoffe, Chlorierte KW, Fette und Öle, Ammonium, Arsen, Nitrat, Phosphat, anorganische Säuren und Salze, Quecksilber und Metalle. Beim IST-Szenario fallen 0,545 g an aromatischen Kohlenwasserstoffen an, beim SOLL 0,664 g und beim DS 0,177 g. Somit ergibt sich eine Reduktion der Emissionen nur beim DS und zwar um 67,52 %. Vom IST zum SOLL erhöhen sie sich um 21,83 %. Chlorierte KW ergeben sich beim IST in Höhe von 0,000572 g, beim SOLL in Höhe von 0,000709 und beim DS in Höhe von 0,000182. Somit reduziert sich die Emission von chlorierten KW vom IST zum DS um 68,18 %. Dagegen erhöht sie sich vom IST zum SOLL um 23,95 %. Fette und Öle fallen im IST mit 17 g an, im SOLL mit 0,7 und beim DS mit 5,54. Die Reduktion von Fetten bzw. Ölen vom IST zum DS würde somit 67,1 % betragen. Würde das Soll-Szenario realisiert, ergäben sich 21,76 % mehr Emissionen durch Fette bzw. Öle. Ammonium fällt im IST mit 1,33 g, im SOLL mit 1,61 g und im DS mit 0,455 g an. Also ergibt sich eine Reduktion der Emissionen nur, wenn das DS realisiert wird und zwar um 65,79 %. Würde das SOLL realisiert, so ergäben sich rund 21 % mehr Emissionen. Arsen wird im IST mit 0,00357 g emittiert, im SOLL werden 0,00469 g emittiert (+ 31,37 %) und im DS 0,000279 g, was eine Reduzierung um 9,28 % bedeutet. Nitrat fällt mit 0,422 g im IST an, mit 0,515 g im SOLL und mit 0,136 g im DS. Somit ergibt sich nur im DS eine Reduzierung um 67,77 %. Im SOLL ergibt sich eine Steigerung der Emissionen um 22 %. 56 Phosphatemissionen ergeben sich im IST zu 0,0961 g, im SOLL zu 0,127 g und im DS zu 0,00562 g. Auch hier ergibt sich eine Reduktion nur beim DS und zwar um 94,15 %. Anorganische Säuren und Salze fallen im IST mit 252 g, im SOLL mit 308 g und im DS mit 80,4 g an. Die Reduktion der Emissionen vom IST zum DS ergibt sich somit zu 68,1 %. Im SOLL werden 22,2 % mehr emittiert. Quecksilber fällt im IST mit 0,0000104 g an, im SOLL mit 0,0000158 g (was einer Steigerung von 51,92 % entspricht) und im DS mit 0,00000206 g (was eine Reduzierung der Schadstoffmenge von 80,19 % bedeutet). Metalle fallen mit 4,09 g im IST an, mit 4,99 g im SOLL und mit 1,28 g im DS. Das bedeutet, dass im DS gegenüber dem IST 68,70 % weniger Schadstoffe anfallen. Im SOLL dagegen fallen 22 % mehr gegenüber dem IST an. Zusammenfassung IST SOLL DS Aromat. KWS 0,545 g + 21,83 % -67,52 % Chlor. KWS 0,000572 % + 23,95 % - 68,18 % Fette u. Öle 17 g + 21,7 % -67,1 % Ammonium 1,33 g + 21 % - 65,79 % Arsen 0,00357 g + 31,37 % - 9,28 % Nitrat 0,422 g + 22 % - 67,77 % Phosphat 0,0961 g + 32,15 % - 94,15 % anorgan. Säuren 252 g + 22,2 % - 68,1 % Quecksilber 0,0000104 g + 51,92 % - 80,19 % Metalle 4,09 g + 22 % - 68,7 % + 27,01 % - 65,58 % Arithmetisches Mittel der Reduzierungen bzw. des Mehraufwandes 57 Zu vermuten wäre, dass sich durch die Ablagerung auf Deponien größere Mengen an Wasserschadstoffen (durch Sickerwässer) ergäben. Jedoch lassen die (wenn auch nur ausgewählten) Werte erkennen, dass die Belastung beim SOLL noch größer ist. 9.5.6 Bodenschadstoffe Als Beispiele für besonders umweltbelastende Bodenschadstoffe sollen Blei, Cadmium, Chlor und Zink genannt werden. Eine Gegenüberstellung der verschiedenen Szenarien ist jedoch nicht möglich, da sowohl für das SOLL als auch das DS keine Daten vorliegen. Darüber hinaus fehlen die Daten von z.B. Quecksilber. Im IST fallen 0,206 g Blei, 0,0392 g Cadmium, 7,12 g Chlor und 0,326 g Zink an. Es lässt sich also zusammenfassen, dass die Umwelteinwirkungen beim DS am geringsten wären. In vollem Umfang gilt dies jedoch auch nur, solange die aus MVA´s gewonnene Energie unberücksichtigt bleibt, da durch diese Energie unter Umständen Emissionen aus Primärenergieträgern wie Rohöl eingespart würden. 58 10. Literatur BUWAL 1995-Studie Homepage des Verbandes der deutschen Aluminiumrecyclingindustrie, http://www.aluminium-recycling.com/ Abruf am 14.07.03 "Ökoinventare für Verpackungen", aus der Schriftenreihe Umwelt Nr.132 "Ökobilanz von Packstoffen, Stand 1990" des Schweizer Bundesamt für Umwelt, Wald und Wirtschaft (BUWAL-132,1991)
