Abschlussbericht zum Vorhaben P27 Projekttitel:
UMWELTPAKT BAYERN: Wertschöpfungskette „Forst - Holz/Altpapier - Papier - Papierprodukte“ - Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie und Ableiten von Optimierungsansätzen für die Wertschöpfungskette Papier TEIL 1: UMGANG MIT RESTSTOFFEN
Auftraggeber:
Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Verband Bayerischer Papierfabriken e.V.
Projekt-Nr.:
710180
Bearbeiter:
René Peche, Dr. Siegfried Kreibe, Bernhard Gerstmayr (bifa Umweltinstitut) Prof. Dr. Wolfgang Mauch, Michael Baitsch (Forschungsstelle für Energiewirtschaft) Ingrid Demel (Papiertechnische Stiftung) Dr. Wilhelm Demharter, Markus Erlewein, Dr. Thorsten Arl (Verband Bayerischer Papierfabriken e.V.)
Augsburg, November 2007
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
I
Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS ZUSAMMENFASSUNG.........................................................................................................................................IV 1 VERANLASSUNG UND HINTERGRUND ........................................................................................................ 1 2 METHODIK ....................................................................................................................................................... 2 2.1 Ökobilanzielle Betrachtung ....................................................................................................................... 3 2.2 Zieldefinition................................................................................................................................................ 3 2.3 Sachbilanz..................................................................................................................................................... 3 2.4 Wirkungsabschätzung ................................................................................................................................ 4 2.5 Aggregation.................................................................................................................................................. 5 2.6 Kostenbetrachtung...................................................................................................................................... 5 2.7 Ökoeffizienzanalyse .................................................................................................................................... 6 3 UNTERSUCHUNGSRAHMEN .......................................................................................................................... 6 3.1 Untersuchungsgegenstand........................................................................................................................ 6 3.2 Erkenntnisinteresse..................................................................................................................................... 7 3.3 Funktionelle Einheit.................................................................................................................................... 7 3.4 Systemgrenzen............................................................................................................................................. 7 3.4.1 Reststoffströme und Entsorgungssysteme........................................................................................................8 3.4.2 Datenlücken und Annahmen ................................................................................................................................8 3.4.3 Detailgrenzen ............................................................................................................................................................8 3.4.4 Verrechnung von Gutschriften in Äquivalenzsystemen................................................................................9 3.4.5 Geografischer und zeitlicher Bezug..................................................................................................................10 4 QUANTIFIZIERUNG DER RESTSTOFFMENGEN ..........................................................................................11 4.1 Deinkingrückstände ..................................................................................................................................12 4.2 Rinde und Holzreste..................................................................................................................................13 4.3 Verbrennungsrückstände.........................................................................................................................13
II
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen Inhaltsverzeichnis
4.4 Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung ..............................................................................14 4.5 Rückstände aus der Abwasserreinigung ...............................................................................................15 5 BESTEHENDES ENTSORGUNGSSYSTEM IN BAYERN ...............................................................................16 5.1 Bilanzierte Entsorgungswege..................................................................................................................16 5.2 Ergebnisse der ökobilanziellen Betrachtung........................................................................................17 5.2.1 Erläuterungen zur Darstellung der Ergebnisse ..............................................................................................17 5.2.2 Ressourcenbeanspruchung - KEA fossil...........................................................................................................18 5.2.3 Treibhauseffekt .......................................................................................................................................................19 5.2.4 Versauerung.............................................................................................................................................................20 5.2.5 Eutrophierung, terrestrisch .................................................................................................................................21 5.2.6 Fotochemische Oxidantienbildung (Ozonbildung) .......................................................................................22 5.2.7 Toxische Schädigung des Menschen und von Organismen........................................................................23 5.2.8 Toxische Schädigung von Organismen und Ökosystemen .........................................................................25 5.3 Entsorgungskosten....................................................................................................................................27 5.4 Zwischenfazit .............................................................................................................................................27 6 OPTIMIERTE RESTSTOFFVERWERTUNG: ÖKOEFFIZIENZVERGLEICH VERSCHIEDENER ENTSORGUNGSVARIANTEN.........................................................................................................................28 6.1 Vorgehensweise .........................................................................................................................................28 6.2 Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den bestehenden Entsorgungswegen .................29 6.2.1 Deinkingrückstände ...............................................................................................................................................29 6.2.2 Rinde/Holzreste.......................................................................................................................................................30 6.2.3 Verbrennungsrückstände .....................................................................................................................................31 6.2.4 Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung........................................................................................32 6.2.5 Rückstände aus der Abwasseraufbereitung....................................................................................................33 6.2.6 Zwischenfazit.......................................................................................................................................................... 34 6.3 Optimierte Verbrennungskonzepte und Verwertungsanlagen: Zentrale und dezentrale energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Reststoffe............................35 6.3.1 Zusammenfassung der bayerischen Papierindustrie nach räumlichen und funktionalen Gesichtspunkten .....................................................................................................................................................35 6.3.2 Beschreibung der Verbrennungskonzepte und Verwertungsanlagen .....................................................36 6.3.3 Schlussfolgerungen aus energetischer Sicht..................................................................................................38 6.3.3.1 Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Rinde/Holzreste dezentral in kleinen Heizwerken oder zentral innerbetrieblich in großen KWK-Anlagen .. 38 6.3.3.2 Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Rinde/Holzreste dezentral in kleinen Heizkraftwerken oder zentral innerbetrieblich in großen KWKAnlagen........................................................................................................................................................ 39
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
III
Inhaltsverzeichnis
6.3.3.3 Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Sortierrückstände dezentral in Müllverbrennungsanlagen oder zentral innerbetrieblich in großen KWKAnlagen........................................................................................................................................................ 39 6.3.3.4 Ergebnis ....................................................................................................................................................... 40 6.3.4 Wirkungen hinsichtlich der Ökoeffizienz....................................................................................................... 40 6.3.4.1 Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Rinde/Holzreste.......... 41 6.3.4.2 Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung...................................................................................................................... 42 6.3.5 Zwischenfazit.......................................................................................................................................................... 43 6.4 Optimierte Entsorgungssysteme: Energetische Verwertung unternehmens- und fraktionsübergreifend gebündelter Reststoffgemische .....................................................................46 6.4.1 Beschreibung der Entsorgungssysteme........................................................................................................... 46 6.4.2 Schlussfolgerungen aus energetischer Sicht................................................................................................. 47 6.4.3 Wirkungen hinsichtlich der Ökoeffizienz....................................................................................................... 49 6.4.3.1 Szenario 1: Gemeinsame Verwertung von Rinde/Holzresten und Deinkingrückständen sowie separate Verwertung von Sortierrückständen...................................................................... 49 6.4.3.2 Szenario 2: Gemeinsame Verwertung von Sortier- und Deinkingrückständen sowie separate Verwertung von Rinde/Holzresten...................................................................................... 50 6.4.3.3 Szenario 3: Gemeinsame innerbetriebliche energetische Verwertung von Rinde/Holzresten, Sortier- und Deinkingrückständen ...................................................................................................... 52 6.4.4 Zwischenfazit.......................................................................................................................................................... 54 7 FAZIT...............................................................................................................................................................55 7.1 Konzept für ein optimiertes Entsorgungssystem ................................................................................55 7.2 Schlussfolgerungen...................................................................................................................................57 LITERATUR ...........................................................................................................................................................59
IV
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen Zusammenfassung
ZUSAMMENFASSUNG Ausgehend von den Aktivitäten des Umweltpaktes Bayern wurde das bifa Umweltinstitut vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz und dem Verband Bayerischer Papierfabriken e.V. beauftragt, den ersten Schritt einer mehrteiligen Ökoeffizienzanalyse der Stoffströme der Papierindustrie zu erarbeiten und daraus resultierende Optimierungsansätze über die Wertschöpfungskette Papier aufzuzeigen. Gegenstand dieser Untersuchung war der Umgang mit Reststoffen aus der Papierherstellung. Ziel der Analyse war das Aufzeigen von Entlastungspotenzialen für die Umwelt sowie von Potenzialen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Papierherstellungsprozesse durch einen Vergleich des bestehenden Entsorgungssystems mit alternativen Lösungen. Mit dem Verband Bayerischer Papierfabriken e.V. (VBP), der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE) sowie der Papiertechnischen Stiftung (PTS) standen hierzu kompetente Projektpartner zur Verfügung. Die Konzeption dieses Projektes unterstreicht die Auffassung der bayerischen Staatsregierung und der bayerischen Papierindustrie, dass den Handlungsprinzipien der Integrierten Produktpolitik – Kommunikation, Kooperation und Integration - eine hohe Bedeutung für die nachhaltige Weiterentwicklung komplexer Produktionsprozesse und Stoffströme zukommt. Diese Studie bezieht sich auf die Situation im Jahr 2004. Damals fielen in der bayerischen Papierindustrie etwa 1,39 Mio. Tonnen Reststoffe an. Ca. 58 % dieser Menge waren Deinkingrückstände. Der Rest verteilte sich zu ähnlichen Anteilen auf Verbrennungsrückstände, Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung, Rückstände aus der Abwasseraufbereitung sowie Rinde und Holzreste. Schon im Jahr 2004 wurden diese Reststoffe nahezu vollständig verwertet. Die Ökoeffizienzanalyse des bestehenden Entsorgungssystems zeigt, dass dies bereits eine Entlastung der Umwelt bewirkt. Hauptursache dieses Effektes sind die energetische Verwertung sowie die Verwertung in der Ziegel- und Zementindustrie und die dadurch erzeugten energetischen und stofflichen Zusatznutzen. Auf diese Weise wurde 2004 eine Netto-Entlastung der Umwelt von treibhauswirksamen Gasen in Höhe von ca. 338 Mio. kg CO2-Äquivalenten erreicht. Das entspricht der Gesamtmenge an Treibhausgasen, die von 28.610 Einwohnern verursacht wird. Die Kosten für das bestehende Entsorgungssystem beliefen sich dabei auf ca. 26,2 Mio. €. Ausgehend von diesem Ist-Zustand wurde untersucht, wie die Ökoeffizienz, also Kosten- und Umweltwirkungen, durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den bestehenden Entsorgungswegen noch weiter verbessert werden kann. Das Ergebnis ist ein Entsorgungssystem, in dem Rinde und Holzreste, Deinkingrückstände und Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung vollständig innerbetrieblich energetisch, Verbrennungsrückstände in der Zementindustrie und Rückstände aus der Abwasserreinigung in der Ziegelindustrie verwertet werden. Der Vergleich mit dem bestehenden Entsorgungssystem zeigt, dass die Entsorgungskosten in diesem Fall um mehr als 25 % niedriger wären als im IstZustand 2004. Gleichzeitig würde für fast alle betrachteten Wirkungskategorien die Umweltentlastung noch einmal deutlich gesteigert.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
V
Zusammenfassung
Anschließend wurde analysiert, welche Verbesserungen der Ökoeffizienz möglich wären, wenn verschiedene hoch- und mittelkalorische Reststoffströme unternehmensübergreifend gebündelt und an wenigen Standorten der Papierindustrie bei ganzjähriger und umfassender Abwärmenutzung verwertet würden („innerbetriebliche Verwertung“), statt wie bisher auch in vielen externen Anlagen. Für diese Modellrechnung wurde die bayerische Papierindustrie nach räumlichen und funktionalen Gesichtspunkten in drei Cluster zusammengefasst. Zu jedem Cluster wurden verschiedene Varianten gerechnet, in denen unterschiedliche Abfallströme gebündelt und zentral energetisch verwertet werden. Dabei zeigte sich, dass für Rinde/Holzreste und für Sortierrückstände eine zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung an einem Standort im jeweiligen Cluster der dezentralen energetischen Verwertung vorzuziehen ist. In einem dritten Schritt wurde untersucht, welche Verbesserungen möglich wären, wenn bei dieser zentralen innerbetrieblichen Verwertung wesentliche Reststoffströme nicht mehr separat, sondern gemeinsam verwertet würden. Als Standorte für die Verwertungsanlagen wurde für jeden Cluster die Papierfabrik mit dem größten Energiebedarf gewählt. Dies waren zugleich die Papierfabriken mit den größten Reststoffmengen. Die besten Ergebnisse wurden durch eine gemeinsame innerbetriebliche energetische Verwertung von Rinden und Holzresten sowie Sortier- und Deinkingrückständen erzielt. Die Kosten in diesem fiktiven Entsorgungssystem, dessen Optimierung sich zunächst auf die zur energetischen Verwertung geeigneten Reststoffe beschränkte, lagen um ca. 85 % unter den Kosten des bestehenden Entsorgungssystems. Hinsichtlich der Umweltwirkungen schnitt dieses System der Stoffstromkombination für die energetische Verwertung unter den bis dahin analysierten Varianten am besten ab. Die Untersuchung hat somit ergeben, dass für eine ökologische und betriebswirtschaftliche Verbesserung des bestehenden Systems folgende Ansatzpunkte bestehen: 1. Schon durch eine Verschiebung von Stoffströmen zwischen bestehenden Entsorgungswegen ergibt sich ein Kostensenkungspotenzial in Höhe von etwa 25 %. Nicht brennbare Verbrennungsrückstände sollten hierzu bevorzugt in der Zementindustrie, Rückstände aus der Abwasserreinigung in der Ziegelindustrie verwertet werden. Wesentliche Verbesserungen der Energieausbeute können durch vermehrte energetische Verwertung der Fraktionen Rinde/Holzreste, Deinkingund Sortierrückstände erreicht werden. 2. Eine erhebliche Steigerung der Energieeffizienz ist möglich, wenn die energetische Verwertung in noch größerem Maße als bisher an Standorten mit hohem ganzjährigem Wärmebedarf erfolgt. 3. Darüber hinaus bietet die Zusammenführung gleichartiger Reststoffe aus mehreren Papierfabriken die Möglichkeit, größere Verbrennungsanlagen zu nutzen. Die dadurch gegebenen Skaleneffekte bedingen eine höhere Energieeffizienz und günstigere spezifische Kosten als im Fall kleinerer Anlagen. 4. Diese Skaleneffekte können noch weiter gesteigert werden, indem verschiedenartige Reststoffe, also Rinde/Holzreste, Deinking- und Sortierrückstände aus mehreren Papierfabriken gemeinsam energetisch verwertet werden. Die Senkung der Entsorgungskosten im diese Ansätze zusammenfassenden Konzept für ein optimiertes Entsorgungssystem auf weniger ca. 10 % der Kosten im Jahr 2004 ist dabei hauptsächlich auf die vermehrte innerbetriebliche energetische Verwertung in großen KWK-Anlagen mit ganzjähriger und umfassender Abwärmenutzung zurückzuführen.
VI
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen Zusammenfassung
Diese Ergebnisse sind das Resultat eines Ökoeffizienz-Vergleichs des bestehenden Entsorgungssystems mit der Annahme eines über längere Zeit gewachsenen optimalen Systems. Die Frage, welche Umstellungskosten mit der Umsetzung des Modells verbunden wären, ist damit noch nicht beantwortet. Um zu ermitteln, in welchem Umfang die Kostensenkungspotenziale realisiert werden können, sind weitere Analysen erforderlich. Dabei sind vielfältige Randbedingungen zu berücksichtigen, wie Stilllegungskosten bzw. Restabschreibungen bestehender Anlagen oder längerfristige vertragliche Bindungen sowie angestrebte Amortisationszeiten. Der Kapitalbedarf für den Bau der zentralen energetischen Verwertungsanlagen läge dabei im deutlich dreistelligen Millionenbereich. Die Gleichsinnigkeit und die Deutlichkeit der ökologischen wie der betriebswirtschaftlichen Bewertung zeigen, dass die Frage, auf welche Weise und in welchem Umfang eine Annäherung an dieses idealisierte Modell realisiert werden kann, eine gründliche Prüfung wert ist. Ein Teil der Vorschläge dürfte problemlos und zeitnah umsetzbar sein. Andere Maßnahmen sollten eher mittelfristig in Betracht gezogen werden, etwa dann, wenn Anlagen stillgelegt oder neu gebaut werden müssen. Und schließlich wird es Fälle geben, in denen sich eine Umsetzung aufgrund der spezifischen Rahmenbedingungen als nicht realisierbar erweist. Die hier vorlegte Potenzialanalyse sollte daher als Grundlage für eine systematische und ergebnisoffene Strategiediskussion genutzt werden.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
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1
Veranlassung und Hintergrund
Im Umweltpakt Bayern bekennen sich die im Verband Bayerischer Papierfabriken e.V. zusammengeschlossenen Unternehmen der Papierindustrie dazu, gemeinsam mit der Bayerischen Staatsregierung die Wertschöpfungskette „Forst - Holz/Altpapier - Papier - Papierprodukte“ in Bayern nachhaltig fortzuentwickeln. Besondere Bedeutung kommt dabei der ökonomisch und ökologisch effizienten Ausgestaltung der Schwerpunktthemen Warenströme und Produktionsprozesse auf Basis nachwachsender Rohstoffe, Energieversorgung und Wirtschaftskreisläufe für Altpapier und diverser Produktionsrückstände zu. Das Ziel ist die Sicherung und Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Branche unter wirtschaftlichen und unter Umweltgesichtspunkten. Im Rahmen der Aktivitäten zur Integrierten Produktpolitik (IPP) wurde als ein erster konkretisierender Beitrag das bifa Umweltinstitut vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz und dem Verband Bayerischer Papierfabriken e.V. beauftragt, den ersten Schritt einer mehrstufigen Ökoeffizienzanalyse der Stoffströme der Papierindustrie zu erarbeiten und daraus resultierende Optimierungsansätze über die Wertschöpfungskette Papier aufzuzeigen. In diesem ersten Teil der umfassenden Ökoeffizienzanalyse wurde der Umgang mit Reststoffen aus der Papierherstellung untersucht. Mit dem Verband Bayerischer Papierfabriken e.V. (VBP), der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE) sowie der Papiertechnischen Stiftung (PTS) standen hierzu kompetente Projektpartner zur Verfügung. Der integrierte Ansatz dieses Projektes unterstreicht die Sichtweise der bayerischen Papierindustrie und der Bayerischen Staatsregierung, wonach den grundlegenden IPP-Handlungsprinzipien - Kommunikation, Kooperation und Integration - eine hohe Bedeutung für die nachhaltige Weiterentwicklung von komplexen Produktionsprozessen, Stoffströmen und Recyclingkreisläufen zukommt. Obwohl die bayerischen Papierfabriken ein ausdifferenziertes Entsorgungssystem für anfallende Reststoffe aufgebaut haben, stellt sich die Frage, welche Möglichkeiten zur Optimierung bestehen. Dabei stehen die beiden Kriterien Entsorgungskosten und Umweltauswirkungen im Mittelpunkt, die im Wesentlichen vom Entsorgungsweg der Reststoffe abhängen. Schon scheinbar geringe Verbesserungen des bestehenden Entsorgungssystems können erhebliche Auswirkungen auf die Umweltwirkungen sowie die Kosten haben, da im Bereich des Reststoffhandlings große Stoffströme bewegt werden. Die Ökoeffizienzanalyse ist geradezu prädestiniert dafür, das bestehende Entsorgungssystem zu bewerten und mit alternativen Entsorgungssystemen zu vergleichen. Auf Basis der Ergebnisse der Ökoeffizienzanalyse wurden der Beitrag der Entsorgung von Reststoffen aus der bayerischen Papierindustrie zur Umweltentlastung bzw. -belastung in Bayern ermittelt und Entlastungspotenziale für die Umwelt sowie Potenziale zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Papierherstellungsprozesse aufgezeigt. Die Untersuchungsziele waren im Einzelnen: • Modellierung des Entsorgungssystems für die anfallenden Reststoffe der bayerischen Papierindustrie in Form eines dynamischen, erweiterbaren Stoffstrommodells, • Vergleich des bestehenden Entsorgungssystems mit alternativen Entsorgungswegen für ausgewählte Reststoffe in Form einer Ökoeffizienzanalyse, • Identifizierung von Optimierungspotenzialen des bestehenden Entsorgungssystems sowie Quantifizierung der Folgen von Maßnahmen für die Ökoeffizienz und
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Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
• Erarbeitung von wissenschaftlich fundierten Informationen als Entscheidungshilfe für Wirtschaft und Politik hinsichtlich einer ökoeffizienteren Gestaltung der analysierten Stoffströme, insbesondere mit Blick auf eine Optimierung der stofflichen und energetischen Nutzung von Reststoffen.
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Methodik
Eine Ökoeffizienzanalyse stellt die Verknüpfung von ökologischer Sachbilanz und Kostenanalyse dar. Sie ist somit ein Instrument für die vergleichende Beurteilung von Produkten oder Verfahrensalternativen im Hinblick auf eine nachhaltige Entwicklung. Die gezielte Integration und Bewertung sowohl der Kostenfaktoren als auch der fundiert erhobenen Sachbilanzdaten ermöglicht es, eine begründbare und effektive Entscheidungsgrundlage für den Einsatz, z.B. neuer Produkte oder den Vergleich alternativer Verfahren, bereitzustellen. Ökoeffizienz gewinnt im globalen Wettbewerb zunehmend an Bedeutung.
Festlegung: Ziel & Untersuchungsrahmen (Szenarien, Systemgrenzen, Funktionelle Einheit)
Abbildung aller relevanten Prozesse (Ströme, Emissions-, Betriebsdaten)
Abbildung aller relevanten Prozesse (Kosten)
Bilanz aller Input- und Outputströme (Sachbilanz)
Abschätzung Umweltwirkungen (Wirkungsabschätzung)
Zusammenfassung Umweltwirkungen (Aggregation)
Bilanzierung aller relevanten Kosten
Ökobilanzielle Betrachtung
KostenBetrachtung
Ökoeffizienzanalyse Abbildung .1:
Schritte zur gemeinsamen Betrachtung der ökologischen und ökonomischen Auswirkungen im Rahmen der Ökoeffizienzanalyse
Für die Bewertung der Ergebnisse einer Ökoeffizienzanalyse gibt es verschiedene Ansätze. Zum einen kann die Bewertung verbal-argumentativ durchgeführt werden. Dabei werden die ermittelten Umweltbelastungen in Form von ausgewählten Wirkungskategorien den berechneten Kosten für jedes Szenario1 gegenübergestellt. Zum anderen können, wie in Abbildung 2.1 dargestellt, die Umwelt- und Kostenfaktoren normiert, gewichtet und aggregiert gegenübergestellt werden.
1
Szenarien sind Fallstudien, die Annahmen über mögliche Abfolgen von Ereignissen bezüglich des jeweiligen Untersuchungsgegenstands zusammenstellen, um kausale Zusammenhänge und Entscheidungspunkte herauszuarbeiten [MAYERS 2007].
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
3
In diesem Vorhaben erfolgte die Ökoeffizienzanalyse nach einer am bifa entwickelten Methode. Dafür wurde auf eine allgemein durchgeführte ökobilanzielle Betrachtung und eine Kostenanalyse zurückgegriffen. Die hier beschriebene ökobilanzielle Betrachtung liefert als Ergebnis eine Sachbilanz mit einer Vielzahl von Einzelwerten, welche die Umweltwirkungen der Entsorgungssysteme charakterisieren. Im Gegensatz zu Ökobilanzen, bei denen aus den differenziert und komplex dargestellten Umweltwirkungen in der Regel verbal-argumentativ eine Rangfolge der untersuchten Szenarien abgeleitet wird, werden die Umweltwirkungen hier mit Hilfe einer am bifa entwickelten Methode aggregiert [PITSCHKE ET AL. 2003]. Vorteile dieser Methode sind, dass sich die Vorgehensweise soweit möglich an den Vorgaben des Umweltbundesamtes (UBA) zur Bewertung in Ökobilanzen orientiert, die Methode an sich transparent und nachvollziehbar ist und als Ergebnis einen numerischen Wert pro Szenario ergibt. Bei der Kostenanalyse werden die Gesamtkosten für die entsorgte Reststoffmenge pro Jahr ermittelt. Es wird im Wesentlichen auf Kosten, die sich aus dem Umgang mit den Reststoffen ergeben, zurückgegriffen. Dazu gehören Preise für Verwertung oder Beseitigung bei externen Entsorgern oder Kosten für die Verwertung in betriebseigenen Anlagen sowie Transportkosten. Die Ökoeffizienzanalyse stellt schließlich für jedes der untersuchten Szenarien das Ergebnis der ökobilanziellen Betrachtung den mit der Entsorgung verbundenen spezifischen Kosten gegenüber.
2.1
Ökobilanzielle Betrachtung
Die im Rahmen des Vorhabens durchgeführten ökobilanziellen Betrachtungen orientierten sich an den Normvorgaben zur Durchführung von Ökobilanzen DIN EN ISO 14040, DIN EN ISO 14041, DIN EN ISO 14042 und DIN EN ISO 14043 [DIN 1997, DIN 1998, DIN 2000, DIN 2000A]. Dabei wurden - ausgehend von der Zieldefinition im Rahmen der Sachbilanz - relevante Parameter erfasst und in der Wirkungsabschätzung hinsichtlich ihrer Umweltwirkungen zusammengefasst. Da im Rahmen dieses Vorhabens aus Effizienzgründen nicht vorgesehen war, alle in den Normen vorgeschriebenen Aspekte in vollen Umfang umzusetzen, wird im Weiteren, um Missverständnisse zu vermeiden, nicht von einer Ökobilanz gesprochen, sondern von ökobilanziellen Betrachtungen in Anlehnung an DIN EN ISO 14040ff.
2.2
Zieldefinition
Wichtige Aspekte, die innerhalb der Zieldefinition konkretisiert werden, sind die Formulierung des Erkenntnisinteresses sowie die Festlegung der funktionellen Einheit und der Systemgrenzen (vgl. Abschnitt 3).
2.3
Sachbilanz
Die Erstellung der Sachbilanz beinhaltet das Sammeln, die Ableitung und die Aufbereitung prozessspezifischer In- und Outputdaten, die System- und Prozessmodellierung sowie die Berechnung der Sachbilanzen. Letztere quantifizieren In- und Outputflüsse des kompletten Entsorgungssystems oder spezifischer Teil- und Äquivalenzsysteme. Die Sachbilanzen sind Grundlage für die Wirkungsabschätzung und die Auswertung.
4
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Wesentlich für die Datenerhebung und die darauf basierende Bilanzierung ist die Modellierung der verschiedenen Entsorgungswege. Dafür ist es erforderlich, die für das jeweilige Systemmodell relevanten Prozesse zu identifizieren und die notwendigen Sachbilanzdaten zu erheben oder abzuleiten. Das Systemmodell bildet so die Basis für die Datenerhebung, die Systemkalkulation, alle anschließenden Auswertungsschritte und die Analyse der Entsorgungskosten. Die Modellierung und Bilanzierung erfolgt mit dem Softwareprogramm UMBERTO®.
2.4
Wirkungsabschätzung
Im Rahmen der Wirkungsabschätzung werden die umfangreichen Ergebnisse der Sachbilanz komprimiert und für die Auswertung vorbereitet. Dazu werden die Sachbilanzergebnisse so weit wie möglich (potenziellen) Umweltwirkungen zugeordnet und innerhalb dieser Wirkungskategorien zu aggregierten Werten verrechnet. Jede der Wirkungskategorien bezieht sich auf einen mehr oder weniger komplexen Wirkungsmechanismus, an dessen Ende unerwünschte Auswirkungen auf ein oder mehrere Umweltschutzgüter stehen. Am Anfang steht die Freisetzung bestimmter Stoffe aus dem untersuchten System oder ein durch das System bedingter Eingriff in die Umwelt. Der Name der Wirkungskategorie bezeichnet diesen Wirkungsmechanismus. Die Auswahl der im Rahmen dieses Vorhabens ausgewählten Wirkungskategorien orientierte sich an den aktuellen umweltbezogenen Kenntnissen sowie am projektspezifischen Erkenntnisinteresse, wobei von den vom Umweltbundesamt als relevant betrachteten Wirkungskategorien [PLINKE ET AL. 2000] ausgegangen wird. Den einzelnen Wirkungskategorien sind jeweils Sachbilanzparameter zuzuordnen. Die entsprechenden Sachbilanzergebnisse werden anschließend zu einem bzw. mehreren Wirkungsindikatorergebnissen verrechnet oder direkt als Wirkungsindikatorergebnis verwendet. In Tabelle 2.1 ist die Auswahl der Wirkungskategorien, die Zuordnung der Sachbilanzparameter sowie die den Wirkungsindikator kennzeichnende Einheit der Ergebnisse für die vorliegende Untersuchung dargestellt. Tabelle .1:
Auswahl der Wirkungskategorien, Zuordnung der Sachbilanzparameter zu den Wirkungskategorien und Einheit der Wirkungsindikatorergebnisse
Wirkungskategorie
Sachbilanzparameter
Indikatorergebnisse jeweils bezogen auf die funktionelle Einheit1
Ressourcenbeanspruchung (Kumulierter Energieaufwand) Treibhauseffekt Versauerung Terrestrische Eutrophierung Fotochemische Oxidantienbildung Toxische Schädigung des Menschen und von Organismen Toxische Schädigung von Organismen und Ökosystemen
KEAfossil
MJ
CO2, CH4, N2O NOx als NO2, SO2, NH3 NOx als NO2, NH3 CH4, NMVOC, VOCunspez. Cd, SO2
kg CO2-Äquivalente kg SO2-Äquivalente 3kg PO4 -Äquivalente kg Ethen-Äquivalente Angabe jeweils in kg
NH3, NOx als NO2
Angabe jeweils in kg
1
Vergleichseinheit der ökobilanziellen Betrachtung (vgl. Abschnitt 3.3)
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
2.5
5
Aggregation
Voraussetzung für einen geschlossenen ökologischen Vergleich ist, dass die Einzelaussagen zu den Umweltbelastungen und -entlastungen, die anhand der Wirkungskategorien und Sachbilanzparameter für jedes Szenario getroffen werden, zu einem einzigen aussagekräftigen Wert zusammengefasst werden können. bifa definiert hierzu einen Ökologie-Index und aggregiert die Wirkungsindikatorergebnisse eines Szenarios zu einem ökologischen Gesamtergebnis. Es handelt sich dabei um eine modifizierte und erweiterte Version der vom Umweltbundesamt vorgeschlagenen Methodik. Abbildung 2.2 veranschaulicht die Schritte zur Aggregation der Wirkungskategorien und Sachbilanzparameter. Wirkungsindikator-Ergebnis (WI) Normierung Einwohnerwert (EW) Ordnung am EWmax Spezifischer Beitrag 10 Pkt. (100 % EWmax) 4,7 Pkt. (47 % EWmax) 0,1 Pkt. (1% EWmax)
Ökologische Gefährdung (10, 8,6,4 oder 2 Punkte) Distance-to-Target (10, 8,6,4 oder 2 Punkte)
Zusammenführung für ein WI Summation über alle WI Ökologie-Index
Abbildung .2:
2.6
Aggregation der Wirkungsindikator- bzw. Sachbilanzparameter zum Ökologie-Index eines Szenarios
Kostenbetrachtung
Unter den Entsorgungskosten versteht man den Güter- und Leistungsverzehr, der für die Behandlung der Reststoffe notwendig ist. Sie umfassen • Kapitalkosten (Investitionskosten, Abschreibungen, kalkulatorische Zinsen, kalkulatorische Rückstellungen), • Instandhaltungskosten, • Sachkosten (Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, Materialkosten, Energiekosten etc.), • Personalkosten und • in der Regel auch Dienstleistungskosten (Mieten/Pachten, Versicherungskosten, Beratungskosten etc.). Den Kosten werden Erlöse gegengerechnet, die sich aus dem Absatz von Energien oder Wertstoffen, aus der Vermeidung des Strom- oder Wärmezukaufs von Energieversorgern oder auch aus der Entsorgung möglicher Reststoffe aus dem Entsorgungsprozess ergeben können.
6
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Für in Anspruch genommene Dienstleistungen, insbesondere Entsorgungsdienstleistungen, sind im Gegensatz zu von den Unternehmen selbst erbrachten Leistungen, Preise anzusetzen. Der Rückschluss von Preisen oder auch Gebühren, etwa aus Literaturwerten, auf Kosten ist kaum möglich. Preise unterliegen dem Markt und damit betriebswirtschaftlichen Interessen und Gebühren werden durch politische Veränderungen und Vorgaben und damit durch politische Interessen beeinflusst, so dass in Preisen und Gebühren Gewinnspannen, Zuzahlungen wie auch Quersubventionierungen (beispielsweise zwischen unterschiedlichen Abfallarten, z. B. Abfälle zur Beseitigung und Abfälle zur Verwertung in MVA) enthalten sein können. Für die Bilanzierung der energetischen Verwertung von Reststoffen in eigenen Anlagen der Papierfabriken konnte auf Entsorgungskosten realer Verbrennungsprozesse zurückgegriffen werden, die freundlicherweise von der Papierindustrie zur Verfügung gestellt wurden. Für die Bilanzierung der Verwertung und Beseitigung von Reststoffen durch externe Entsorger standen größtenteils Kosten einer quantitativen Umfrage zur Wasser- und Rückstandssituation in der deutschen Papierindustrie zur Verfügung [VDP 2005]. Wo die Kosten nicht angegeben waren, wurden soweit möglich - Literaturangaben, die Gesamtkosten meist aus Ausschreibungen oder Planungen berechnen, herangezogen. Waren gar keine Angaben zu den Kosten einzelner Verwertungswege verfügbar, musste auf Entsorgungspreise, Gebühren oder Abschätzungen zurückgegriffen werden.
2.7
Ökoeffizienzanalyse
Die Ökoeffizienzanalyse stellt für jedes der untersuchten Szenarien das Ergebnis der ökobilanziellen Betrachtung den mit der Entsorgung verbundenen spezifischen Kosten gegenüber. Auf eine gegenseitige Gewichtung von Entsorgungskosten und Ökologie-Index wurde zugunsten einer höheren Ergebnistransparenz verzichtet.
3
Untersuchungsrahmen
3.1
Untersuchungsgegenstand
Gegenstand des Vorhabens war die Entsorgung von Reststoffen aus der Papierindustrie über verschiedene Entsorgungswege, die im Rahmen der Untersuchung als Szenarien bezeichnet werden. Das Szenario „Bestehendes Entsorgungssystem“ bildet die aktuelle Entsorgung der Reststoffe aus der bayerischen Papierindustrie ab und dient als Referenz für die Szenarien, in denen alternative Entsorgungswege bzw. optimierte Entsorgungssysteme für die betrachteten Reststoffe untersucht wurden. Jedes der Szenarien wird charakterisiert durch die • betrachteten Stoffströme (in Art und Menge), • Entsorgungswege für die betrachteten Reststoffströme und die • mengenbezogene Aufteilung der Reststoffströme auf die Entsorgungswege.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
3.2
7
Erkenntnisinteresse
Das Erkenntnisinteresse lag im Aufzeigen von Entlastungspotenzialen für die Umwelt sowie Potenzialen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Papierherstellungsprozesse durch einen Vergleich des bestehenden Entsorgungssystems für relevante Reststoffe mit alternativen Entsorgungssystemen.
3.3
Funktionelle Einheit
Im Mittelpunkt des ökobilanziellen Vergleichs steht die funktionelle Einheit, die in DIN 1998 als „Quantifizierter Nutzen eines Produktsystems für die Verwendung als Vergleichseinheit in einer Ökobilanzstudie“ definiert wird. Sie dient als Bezugsgröße sowohl für die Gegenüberstellung der betrachteten Szenarien als auch für die Normierung der in der Sachbilanz ermittelten In- und Outputdaten. Für die Betrachtungen im Rahmen der Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie wurde als funktionelle Einheit die Entsorgung der im Jahr 2004 angefallenen Reststoffmenge, die sich aus Rinde und Holzresten, Deinkingrückständen, Sortierrückständen, Verbrennungsrückständen und Rückständen aus der Abwasserreinigung zusammensetzt, festgelegt. Für den Vergleich der Szenarien muss jeweils die gleiche Gesamtmenge an zu entsorgendem Reststoff betrachtet werden. Die Anteile der betrachteten Reststofffraktionen an der funktionellen Einheit und damit am Referenzfluss waren allerdings abhängig vom jeweiligen Entsorgungssystem.
3.4
Systemgrenzen
Um die Vergleichbarkeit der Entsorgungssysteme zu gewährleisten, müssen neben der Festlegung der funktionellen Einheit auch die Grenzen der Betrachtung für die zu vergleichenden Szenarien konsistent definiert sein. Entsprechend DIN 1998 legt die Systemgrenze die Prozesse fest, die in das zu modellierende System aufgenommen werden. Im Idealfall sollte das System so modelliert werden, dass Inputs und Outputs an ihren Systemgrenzen Elementarflüsse sind. Da in vielen Fällen nicht ausreichend Zeit, Daten und Mittel zur Verfügung stehen, um eine derart umfassende Studie durchzuführen, müssen Entscheidungen darüber getroffen werden, welche Prozesse in die Untersuchung einbezogen bzw. welche Emissionen in die Umwelt berücksichtigt werden und mit welcher Detailgenauigkeit die Prozesse untersucht bzw. die Emissionen erfasst werden sollen [DIN 1998].
8
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
3.4.1 Reststoffströme und Entsorgungssysteme Gegenstand der Modellbildung waren die Reststoffe • Rinde und Holzreste, • Deinkingrückstände2, • Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung3, • Rückstände aus der Abwasserreinigung und • Verbrennungsrückstände. Andere Reststofffraktionen waren nicht Bestandteil dieser Betrachtungen. Folgende Prozesse werden innerhalb der Systemgrenzen berücksichtigt: • die Entsorgung der Reststoffe einschließlich der eventuell notwendigen Behandlung der nach der Entsorgung anfallenden Rest- oder Wertstoffe und • alle mit den genannten Prozessen verbundenen relevanten Stoff- und Energieflüsse von der Gewinnung und Aufbereitung von Rohstoffen bis zur Bereitstellung von Betriebsmitteln und, soweit als möglich, zur Entsorgung von Reststoffen. Im Idealfall umfassen die Systemgrenzen die Gewinnung der Rohstoffe aus den natürlichen Lagerstätten und deren Bereitstellung für technische Prozesse und die Abgabe von Elementarflüssen an die Umweltmedien Wasser, Luft und Boden.
3.4.2 Datenlücken und Annahmen Bei der Begrenzung der Komplexität der Modelle muss darauf geachtet werden, dass die Vergleichbarkeit der Szenarien beibehalten bleibt. Dafür sind die in diesem Abschnitt beschriebenen Kriterien für eine einheitliche Bestimmung der Systemgrenzen festgelegt worden. Die Vorgabe der DIN 1997, dass der Stoff- und Energieeinsatz (Inputseite) sowie die Emissionen und Produkte (Outputseite) an ihren Systemgrenzen Elementarflüsse sein sollen, wurde bei der Modellierung so weit wie möglich berücksichtigt. Für alle Input-Stoffe und Energieträger, die außerhalb der nachfolgend beschriebenen Detailgrenzen liegen, wurden Vorketten beginnend bei der Gewinnung aus natürlichen Lagerstätten bis zur Bereitstellung für den jeweiligen Prozess modelliert. Waren keine belastbaren Daten verfügbar, sind vergleichbare Prozesse herangezogen bzw. Annahmen getroffen worden.
3.4.3 Detailgrenzen Entsorgungswege Auf die Modellierung eines Entsorgungsweges wurde verzichtet, wenn die Reststoffmenge weniger als 5 Gew.% der gesamten Reststoffmenge im betrachteten Szenario (Entsorgungssystem) aufwies. Die betroffenen Reststoffmengen wurden auf die im Szenario berücksichtigten Entsorgungswege aufgeteilt, um die Vergleichbarkeit zu den anderen Entsorgungssystemen aufrecht zu erhalten.
2 3
andere Bezeichnungen: Faserreststoffe, Faserschlamm, Deinkingschlamm, Deinkingflotat andere Bezeichnungen: Spuckstoff, Rejekte
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
9
Vorgelagerte Prozesse (Vorketten) Die Herstellung von Betriebs-, Hilfs- und Ausgangsstoffen in vorgelagerten Prozessen wurde nicht berücksichtigt, wenn die in diesem Abschnitt als Detailgrenzen definierten Abschneidekriterien zutrafen. In solchen Fällen wurde in der Sachbilanz anstelle des Elementarflusses der jeweilige Materialfluss ausgewiesen. Die Detailgrenze für die Vernachlässigung der Modellierung der Vorketten von Input-Materialien wurde mit 5 Gew.-% eines Referenzflusses (meist gewünschter Output) festgelegt. Die Summe aller vernachlässigten Inputmaterialien eines Prozesses sollte jedoch nicht größer als jeweils 10 Gew.-% des Referenzflusses sein. Ausgenommen davon waren Materialien mit geringem Massenanteil, wenn in der Vorkette Prozesse enthalten waren, die hinsichtlich toxischer oder energetischer Aspekte für die gesamte Ökobilanz bedeutsam sein konnten. Die Bereitstellung nicht rarer Ressourcen, wie z.B. Luft, sowie der Unterhalt der Infrastruktur (der Bau, die Wartung und Reparatur von Gebäuden, Maschinen, Industrieanlagen, Transportmittel und Verkehrswege) wurden grundsätzlich nicht berücksichtigt. Ebenfalls nicht berücksichtigt wurde die „Herstellung“ der zu Reststoffen gewordenen Produkte. Nachgelagerte Prozesse (Nachketten) Für Abfälle zur Beseitigung galten die gleichen Abschneidekriterien wie für die vorgelagerten Prozesse, d.h., eine Behandlung erfolgte dann, wenn die Abschneidekriterien nicht griffen und wenn die Beschreibung verwendeter Module oder Datensätzen aus Bibliotheken oder Datenbanken nicht schon auf eine Berücksichtigung hinwiesen. Die vorhandene Datenlage erlaubte keine symmetrische Betrachtung wasserseitiger Emissionen der innerhalb der Entsorgungssysteme betrachteten Prozesse. Da Emissionen ins Wasser nicht als Sachbilanzparameter in die ausgewählten Wirkungskategorien zur Wirkungsabschätzung eingingen, wurde auf die Bilanzierung wasserseitiger Emissionen verzichtet.
3.4.4 Verrechnung von Gutschriften in Äquivalenzsystemen Neben der Entsorgung der Reststoffe als Hauptzweck eines Entsorgungssystems resultieren aus einem Teil der untersuchten Entsorgungswege zusätzliche Nutzen, wie z.B. Strom und Wärme aus der Abfallbehandlung oder Sekundärrohstoffe aus der werkstofflichen Verwertung. Als Folge müssen die entsprechenden Energiemengen bzw. Produkte nicht auf konventionellem Weg aus Primärrohstoffen hergestellt werden (eine gleichbleibende Nachfrage wird unterstellt). Die Umweltauswirkungen, die mit der konventionellen Herstellung jedes einzelnen Zusatznutzens verbunden sind, werden somit „eingespart“ bzw. „vermieden“. Um den Vergleich der Entsorgungssysteme zu vervollständigen, wurden diese „vermiedenen“ Umweltauswirkungen bilanziert und den Umweltauswirkungen des Entsorgungssystems gutgeschrieben4.
4
Die mit der Bilanzierung der konventionellen Herstellung der Zusatznutzen erhaltenen Elementarflüsse [Gutschriften) wurden von den Umweltauswirkungen des jeweiligen Entsorgungssystem (Bruttoergebnis) rechnerisch abgezogen, was zu einem Nettoergebnis führte. Damit können auch negative Nettoergebnisse auftreten.
10
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Der konventionelle Herstellungs- bzw. Produktionsprozess eines Zusatznutzens wird als Äquivalenzprozess oder Äquivalenzsystem bezeichnet. Für jeden quantifizierbaren Zusatznutzen wurde ein spezifisches Äquivalenzsystem erstellt, das den gleichen bzw. einen vergleichbaren funktionsäquivalenten Nutzen erzeugt. Dabei ersetzen Zusatznutzen der Entsorgungssysteme aufgrund geringerer Qualität oder prozessbedingt nicht immer zu 100 % die Primärrohstoffe. Dieses Verhältnis wird durch einen sogenannten Substitutionsfaktor beschrieben, der fall- bzw. stoffspezifisch angegeben wird. Abbildung 3.1 veranschaulicht grafisch die notwendige Berücksichtigung der Äquivalenzprozesse beziehungsweise Gutschriften bei der Betrachtung der gesamten Entsorgungsstruktur im Gegensatz zur Betrachtung eines einzelnen Entsorgungsschrittes in vereinfachender Weise am Beispiel der thermischen Abfallbehandlung.
Entsorgungsstruktur
Verbrennungsanlage Reststoffe CO 2 NO X SO 2
Bilanzraum
Strom, Wärme (Zusatznutzen)
Öl, Kohle, Gas
Reststoffe
Zusatznutzen
CO 2
CO 2
NO X
SO 2 NO X
SO 2
Strom, Wärme Strom, Wärme
Gutschrift
Bilanzraum
Abbildung .1:
=
Netto
-
=
NO X [t]
Nettowirkungen Brutto Gutschrift
CO 2 [t]
NO X [t]
CO 2 [t]
Bruttowirkungen
-
=
Berücksichtigung von Zusatznutzen der Entsorgung in Form von Gutschriften aus Äquivalenzsystemen am Beispiel der bei der thermischen Abfallbehandlung erzeugten Strom- und Wärmemenge
3.4.5 Geografischer und zeitlicher Bezug Der geografische Bezugsraum für dieses Vorhaben entspricht den politischen Grenzen des Bundeslandes Bayern. Allerdings finden die Bereitstellung einzelner (Roh-)Stoffe oder verschiedene Produktionsprozesse nicht immer bzw. nicht ausschließlich in Bayern oder sogar Deutschland statt. Es wurde versucht, den Bezugsraum dann entsprechend anzupassen. War dies nicht möglich, wurde der Bezugsraum Deutschland gewählt. In den jeweiligen Szenarien wurden nur Reststoffe aus der bayerischen Papierindustrie betrachtet. Die Standorte der zur Reststoffentsorgung erforderlichen Anlagen konnten dagegen im gesamten Bundesgebiet liegen. Zur Modellierung der im Entsorgungssystem betrachteten Reststoffströme wurde soweit als möglich das Jahr 2004 als zeitlicher Bezug verwendet.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
4
11
Quantifizierung der Reststoffmengen
Abbildung 4.1 stellt schematisch dar, bei welchen Produktionsabschnitten der Papierherstellung welche Reststoffe anfallen. sekundäre Rohstoffe
primäre Rohstoffe
AltpapierAufbereitung
Faserstofferzeugung
Sortierrückstände Deinkingrückstände
Papiererzeugung
Rinden Sortierrückstände
Kraftwerk oder ReststoffVerbrennung
Verbrennungsrückstände
Abwasserreinigung Kreislaufreinigung
Papierveredelung Rückstände aus Abwasserreinigungsanlagen (ARA)
Papierabfälle Siebe, Filze Sonstiges
Papier Abbildung .1:
Stark vereinfachte Zuordnung der erfassten Reststoffarten zu verschiedenen Produktionsbereichen [CHRYSSOS 1996]
Der Verband Deutscher Papierfabriken e.V. und die Papiertechnische Stiftung führten für das Jahr 2004 eine quantitative Umfrage zur Wasser- und Rückstandssituation in der deutschen Papierindustrie durch [VDP 2005]. Die Umfrage berücksichtigte die in Abbildung 4.1 hervorgehobenen Reststoffe. Aus Bayern beteiligten sich 11 Unternehmen an der Umfrage, die mit knapp 2,3 Mio. Tonnen produziertem Papier, Karton und Pappe ca. 55 % der bayerischen Brutto-Produktion von Papier und Pappe repräsentierten. Insgesamt fielen bei den Unternehmen ca. 760.000 t Reststoffe (lutro5) an. Auf die gesamte bayerische Papierproduktion hochgerechnet, entsprach das einer Reststoffmenge von ca. 1,39 Mio. Tonnen [VBP 2007]. Wie Abbildung 4.2 zeigt, wurden die Reststoffe (lutro) der bayerischen Papierindustrie im Jahr 2004 durch Deinkingrückstände dominiert. Ca. 58 % der Gesamtmenge entfielen auf diese Fraktion. Die übrige Menge verteilte sich zu etwa ähnlich großen Anteilen auf die Fraktionen Verbrennungsrückstände, Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung, Rückstände aus der Abwasseraufbereitung sowie Rinde und Holzreste [VBP 2007].
5
lufttrocken
12
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Verbrennungsrückstände 13%
Rinde und Holzreste 13%
ARA-Rückstände 6%
Sortierrückstände 10% Deinkingrückstände 58% Abbildung .2:
4.1
Verteilung der Reststoffe der bayerischen Papierindustrie im Jahr 2004
Deinkingrückstände
In Deinkinganlagen6 werden hydrophobe Farb- und Druckstoffe von Altpapieren abgelöst und aufflotiert. Das geschieht durch den Zusatz von Chemikalien und das Einperlen fein verteilter Luft [VDP et al. 2001, VDP et al. 2002]. Der Reststoff, der aus dem Deinkingprozess resultiert, ist ein Gemisch aus Füllstoffen (hauptsächlich Calciumcarbonat, Kaolin, Silikate), Faserstoffen (Lang-, Kurz- und Feinfasern), Extraktstoffen (u.a. Harze, Fette, lösliche Druckfarben- und Strichbindemittelbestandteile) und Feinstoffen (u.a. unlösliche Druckfarben- und Streichfarbenbestandteile, Klebstoffbestandteile) [HANECKER 1996, BECK 2007].
Abbildung .3:
6
Entsorgungswege von Deinkingrückständen aus bayerischen Papierfabriken im Jahr 2004
In Europa ist das Flotationsdeinking üblich. Daneben gibt es noch das Waschdeinking, das häufiger in Nordamerika eingesetzt wird.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
13
Abbildung 4.3 zeigt die Entsorgungswege von 812.052 t Deinkingrückständen aus bayerischen Papierfabriken. Der überwiegende Teil (74 %) wurde in eigenen Anlagen innerbetrieblich7 energetisch verwertet. In die externe energetische Verwertung gingen 22 %. Die übrige Menge (4 %) wurde zu gleichen Teilen in der Zement- und Ziegelindustrie eingesetzt.
4.2
Rinde und Holzreste
Bei der Erzeugung von Zell- und auch von Holzstoff wird Stammholz entrindet und entastet. Dabei fallen Rinden und Holzreste an. Die 179.355 t Rinde und Holzreste aus bayerischen Papierfabriken wurden zu 58 % in eigenen Anlagen innerbetrieblich energetisch verwertet und zu 10 % kompostiert. 32 % entfielen auf eine sonstige biologische Verwertung, in diesem Fall die Herstellung von Rindenmulch für Garten- und Landschaftsbau (vgl. Abbildung 4.4).
Abbildung .4:
4.3
Entsorgungswege von Rinde und Holzresten aus bayerischen Papierfabriken im Jahr 2004
Verbrennungsrückstände
Die Reststofffraktionen aus der bayerischen Papierindustrie werden zu einem mehr oder weniger großen Anteil energetisch in eigenen Anlagen verwertet. Die dabei anfallenden Verbrennungsrückstände enthalten große Mengen Calciumoxid und wasserfreies Kaolin, Siliziumoxid und Aluminiumoxid. Damit sind sie ein interessanter Sekundärrohstoff für die Ziegel- und Zementindustrie [VDP ET AL. 2001, BDZ & VDZ 2002, VDP ET AL. 2002]. Abbildung 4.5 zeigt die Entsorgungswege von 174.675 t Verbrennungsrückständen aus bayerischen Papierfabriken. Trotz der guten Eignung als Sekundärrohstoff gingen noch 20 % auf die Deponie. Die übrige Menge wurde zu fast gleichen Teilen der Ziegel- und Zementindustrie oder sonstigen baustofflichen bzw. sonstigen Verwertungswegen zugeführt.
7
Der Begriff „innerbetriebliche Verwertung“ wird hier nicht im rechtlichen Sinn verwendet, sondern im Sinn einer Verwertung am Standort mit ganzjähriger und umfassender Abwärmenutzung.
14
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Von der Reststoffmenge zur sonstigen baustofflichen Verwertung ist bekannt, dass ca. 4 % als Bergversatz zum Einsatz kamen, von der Reststoffmenge zur sonstigen Verwertung sind ca. 10 % als Deponieabdeckung verwendet worden. Darüber hinaus werden Verbrennungsrückstände zu einem großem Teil auch im Straßenbau eingesetzt [HANECKER 1996, VDP ET AL. 2001, VDP ET AL. 2002].
Abbildung .5:
4.4
Entsorgungswege von Verbrennungsrückständen aus bayerischen Papierfabriken im Jahr 2004
Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung
Bei der Aufbereitung von Altpapier fällt Grob-, Schwer- und Leichtschmutz, Pulperzopf und Trommelauswurf an. Der überwiegende Anteil besteht aus Kunststoff- und Faserresten. Es finden sich jedoch vermehrt auch Metall, Gummi, Holz oder Glas in den Sortierrückständen8,9 [HUGENROTH 1996, VDP ET AL. 2001, VDP ET AL. 2002]. Abbildung 4.6 zeigt die Entsorgungswege von 138.263 t Sortierrückständen aus bayerischen Papierfabriken. Eine geringe Menge der Sortierrückstände wurden deponiert oder baustofflichen bzw. sonstigen Verwertungswegen zugeführt (< 6 %). Der größte Teil ging in die energetische Verwertung, zu ca. 37 % innerbetrieblich in eigenen Anlagen und zu ca. 26 % in externen Anlagen. Die übrige Menge Sortierrückstände (ca. 31 %) wurde in der Ziegelindustrie eingesetzt.
Abbildung .6:
8 9
Entsorgungswege von Sortierrückständen aus der Altpapieraufbereitung aus bayerischen Papierfabriken im Jahr 2004
wird oft als Spuckstoff oder Rejekt bezeichnet In diesem Vorhaben wurden Grobrejekte (63 % Kunststoffe, 18 % Fasern, 9 % Metall, 7 % Textilien und 3 % Holz) und Feinrejekte (62,6 % Papier/Pappe, 34 % Kunststoffe, 0,7 % Metall, 0,7 % Holz, 0,04 % Glas und 1,8 % sonstige Stoffe) berücksichtigt.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
4.5
15
Rückstände aus der Abwasserreinigung
Schlämme fallen in der mechanischen und biologischen Stufe von Abwasserreinigungsanlagen an. In einigen Papierfabriken werden diese Mengen auch zusammen entsorgt [VDP ET AL. 2002]. Wie in Abbildung 4.7 dargestellt, wurde der größte Teil von insgesamt 85.736 t Rückständen aus der Abwasserreinigung bayerischer Papierfabriken entweder innerbetrieblich in eigenen Anlagen (ca. 29 %) oder in externen Anlagen (ca. 14 %) energetisch verwertet. Die Ziegelindustrie erreichten ca. 30 % und ca. 25 % wurden kompostiert. Die übrige Menge (ca. 2 %) wurde sonstigen Verwertungswegen zugeführt.
Abbildung .7:
Entsorgungswege von Rückständen aus der Abwasseraufbereitung bayerischer Papierfabriken im Jahr 2004
16
5 5.1
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Bestehendes Entsorgungssystem in Bayern Bilanzierte Entsorgungswege
Tabelle 5.1 zeigt die im Stoffstrommodell berücksichtigten Entsorgungswege nach Anwendung der in Abschnitt 3.4.3 beschriebenen Detailgrenzen. Tabelle .1:
Entsorgungswege, die in der Modellierung der Szenarien berücksichtigt wurden
Entsorgungsweg Deinkingrückstände innerbetriebliche energetische Verwertung externe energetische Verwertung
Rinde/Holzreste innerbetriebliche energetische Verwertung sonstige biologische Verwertung Kompostierung Verbrennungsrückstände sonstige Verwertung
Menge
Anmerkungen
627.795 t
inkl. 30.581 t nicht berücksichtigte Deinkingrückstände
184.257 t
inkl. 8.975 t nicht berücksichtigte Deinkingrückstände Annahme: jeweils 50 % in Müllverbrennungsanlagen und Zementwerke
103.358 t
-
57.298 t 18.699 t
Herstellung von Rindenmulch Annahme: jeweils 50 % in offene und geschlossene Kompostierung
Bekannt: 10 % Deponieabdeckung Annahme: jeweils 45 % Deponieabdeckung und Straßenbau Deponie 36.617 t Ziegelindustrie 34.544 t sonstige baustoffliche Verwertung 34.535 t Bekannt: 4 % Bergversatz Annahme: jeweils 48 % Bergversatz und Straßenbau Zementindustrie 33.168 t Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung (Sortierrückstände) innerbetriebliche energetische 54.489 t inkl. 3.238 t nicht berücksichtigte Sortierrückstände Verwertung Ziegelindustrie 45.063 t inkl. 2.678 t nicht berücksichtigte Sortierrückstände externe energetische Verwertung 38.711 t inkl. 2.300 t nicht berücksichtigte Sortierrückstände 10 Rückstände aus der Abwasserreinigung (ARA -Rückstände) Ziegelindustrie 26.025 t inkl. 393 t nicht berücksichtigte ARA-Rückstände innerbetriebliche energetische 25.273 t inkl. 381 t nicht berücksichtigte ARA-Rückstände Verwertung Kompostierung 22.028 t inkl. 332 t nicht berücksichtigte ARA-Rückstände Annahme: jeweils 50 % in offene und geschlossene Kompostierung externe energetische Verwertung 12.418 t inkl. 187 t nicht berücksichtigte ARA-Rückstände SUMME 1.391.089 t
10
Abwasserreinigungsanlage
36.811 t
17
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.2
Ergebnisse der ökobilanziellen Betrachtung
Zur strukturierten Beschreibung der relevanten Prozesse sowie für eine differenziertere Auswertung der Ergebnisse wurde das Bilanzierungsmodell in die fünf Sektoren BY-AKT-Deink11 (Deinkingrückstände), BY-AKT-Rinde (Rinde/Holzreste), BY-AKT-Asche (Verbrennungsrückstände), BY-AKT-Sortier (Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung) und BY-AKT-ARA (Rückstände aus der Abwasserreinigung) unterteilt.
5.2.1 Erläuterungen zur Darstellung der Ergebnisse Für die Auswertung des bestehenden Entsorgungssystems wurden Darstellungen verwendet, wie in Abbildung 5.1 erläutert. Die jeweils linken Balken der betrachten Szenarien zeigen zum einen die Brutto-Aufwandsergebnisse (Umweltbelastungen - Balken nach oben) und zum anderen die Gutschriften (Umweltentlastungen Balken nach unten). Die sektorale Darstellung in farblich unterteilten Abschnitten erlaubt es, die Verwertungswege mit relevanten Beiträgen zum Gesamtergebnis zu identifizieren. Aus der Verrechnung der Umweltbe- und -entlastungen resultiert das Netto-Ergebnis für das betrachtete Szenario, das jeweils im rechten Balken dargestellt ist. Es zeigt, ob die Umwelt durch den Beitrag der Reststoffentsorgung insgesamt belastet (Balken nach oben) oder entlastet (Balken nach unten) wird. Auf eine farblich unterteilte Darstellung wurde hier verzichtet, da aufgrund der Verrechnung eine zweckdienliche Auflösung in Sektoren nicht möglich ist. Brutto-Ergebnis gegliedert nach Sektoren
Treibhauspotenzial
300
400 Mio. kg CO 2-Äquivalente
200
200 0 -200
100 0 -100 -200
Gutschrift Beitrag aller Äquivalenzsysteme
bestehendes Entsorgungssystem BY-AKT-Deink
11
BY-AKT-Rinde
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Kompostierung
Deponie
sonst. Verwert.
Netto
1
sonst. biol. Verwert.
1
1
1
1
1
1
1
1
Netto-Ergebnis nach Abzug der Gutschrift vom BY-AKT-Deink BY-AKT-Rinde BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier BY-AKT-ARA Bruttoergebnis für das inner. energ. Verwert. ext. energ. Verwert. Ziegelindustrie Zementindustrie jeweilige Szenario
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
-800
Netto
-400
-600
Abbildung .1:
Szenarien
-300
-400
Brutto Gutschrift
Umweltentlastung
Mio. kg CO 2 -Äquivalente
Umweltbelastung
sonst. baust. Verwert.
1 Sektoren
BY-AKT-Asche
BY-AKT-Sortier
BY-AKT-ARA
Netto
Erläuterung der graphischen Darstellung zur Bewertung der Beiträge des bestehenden Entsorgungssystems zu den betrachteten Wirkungskategorien und den Einzelparametern
Das Kürzel BY steht in den Szenarienbezeichnungen für „Bayern“ und das Kürzel AKT für das aktuell bestehende Entsorgungssystem.
18
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.2.2 Ressourcenbeanspruchung - KEA fossil KEA fossil
1.000
2.000 1.000
0
0
-1.000 Mio. MJ
-1.000
-2.000
-3.000
-3.000
-4.000
-4.000
-5.000
Abbildung .2:
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
1
1
Brutto Gutschrift
Netto
1
BY-AKT-ARA
ext. energ. Verwert.
Ziegelindustrie
Zementindustrie
Kompostierung
Deponie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
sonst. Verwert.
Netto
bestehendes Entsorgungssystem BY-AKT-Deink
BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier
1
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
inner. energ. Verwert.
BY-AKT-Rinde
Brutto Gutschrift
BY-AKT-Deink
Netto
-9.000
-7.000
1
-8.000
Brutto Gutschrift
Brutto Gutschrift
Netto
-5.000
-6.000
1
Mio. MJ
-2.000
BY-AKT-Rinde
1
1
BY-AKT-Asche
BY-AKT-Sortier
1
BY-AKT-ARA
1
Netto
Ressourcenbeanspruchung KEA fossil (KEA = kumulierter Energieaufwand) des bestehenden Entsorgungssystems über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis Zum Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems trugen hauptsächlich die Entsorgung der Sortierrückstände sowie der Rückstände aus der Abwasserreinigung bei. Die Hauptbelastungen, das heißt im Fall des KEA fossil der Verbrauch an Energie, die aus fossilen Energieträgern erzeugt wird, stammten dabei aus Entsorgung der Reststoffe in der Ziegelindustrie. Netto-Ergebnis und Gutschrift Das bestehende Entsorgungssystem führte zu einer deutlichen Netto-Entlastung der Umwelt bedingt durch Gutschriften in Höhe von 7,4 Mio. GJ, die das Brutto-Ergebnis deutlich übertrafen. Das entspricht etwa der Energiemenge, die 47.910 Einwohner pro Jahr verbrauchen. Den größten Anteil an der Netto-Umweltentlastung hatte die Entsorgung von Deinkingrückständen. Die bei der Verbrennung der Deinkingrückstände erzeugten Mengen an Strom und Wärme reduzierten den Bedarf an fossilen Energieträgern zur konventionellen Erzeugung äquivalenter Mengen an Strom und Wärme, wobei die Substitutionserfolge wesentlich höher waren als die mit der Verbrennung der Deinkingrückstände verbundenen Umweltlasten.
19
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.2.3 Treibhauseffekt Treibhauspotenzial
300
400 Mio. kg CO 2-Äquivalente
200
0 -200
100 0 -100 -200 -300
-400
BY-AKT-Deink
Abbildung .3:
BY-AKT-Rinde
Zementindustrie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
sonst. Verwert.
Netto
BY-AKT-Asche
BY-AKT-Sortier
BY-AKT-ARA
1
Ziegelindustrie
1
1
1
BY-AKT-ARA
Deponie
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Brutto Gutschrift
Netto
BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier
ext. energ. Verwert.
1
1
1
bestehendes Entsorgungssystem
BY-AKT-Rinde
Kompostierung
inner. energ. Verwert.
1
BY-AKT-Deink
1
-800 Netto
-600
Brutto Gutschrift
Netto
-400
Brutto Gutschrift
Mio. kg CO 2 -Äquivalente
200
1
Netto
Treibhauspotenzial des bestehenden Entsorgungssystems über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis Das Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems war hauptsächlich auf die Entsorgung der Deinking- und Sortierrückstände zurückzuführen. Die höchsten Bruttobelastungen erzeugten dabei die innerbetriebliche und externe energetische Verwertung sowie die Verwertung der Reststoffe in der Ziegelindustrie. Netto-Ergebnis und Gutschrift Aufgrund von Gutschriften war das bestehende Entsorgungssystem mit einer deutlichen NettoEntlastung der Umwelt von treibhauswirksamen Gasen verbunden. Insgesamt betrug der Beitrag zur Treibhausgasminderung ca. 338 Mio. kg CO2-Äquivalente, was ungefähr dem von 28.610 Einwohnern pro Jahr verursachten Treibhauspotenzial entspricht. Die Gutschriften resultierten hauptsächlich aus der energetischen Verwertung von Deinking- und Sortierrückständen. Die bei der Reststoffverbrennung erzeugten Mengen an Strom und Wärme ersetzten konventionell erzeugte äquivalente Mengen an Strom und Wärme. Dadurch wurden die mit dem Verbrennen fossiler Energieträger verbundenen Emissionen vermieden.
20
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.2.4 Versauerung Versauerungspotenzial
0,6
Mio. kg SO 2-Äquivalente
1,0
0,0
0,3
0,0
-0,3
-0,5
BY-AKT-Deink
BY-AKT-Rinde
Zementindustrie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
sonst. Verwert.
Netto
BY-AKT-Asche
BY-AKT-Sortier
BY-AKT-ARA
1
Ziegelindustrie
1
1
1
BY-AKT-ARA
Deponie
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier
ext. energ. Verwert.
1
1
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
bestehendes Entsorgungssystem
BY-AKT-Rinde
Kompostierung
inner. energ. Verwert.
1
BY-AKT-Deink
-1,5
Abbildung .4:
Netto
-1,0
Brutto Gutschrift
-0,6 Brutto Gutschrift
Mio. kg SO 2 -Äquivalente
0,5
1
Netto
Treibhauspotenzial des bestehenden Entsorgungssystems über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis Das Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems setzte sich hauptsächlich aus der Entsorgung der Deinkingrückstände, Rinde/Holzreste sowie Sortierrückstände zusammen. Die höchsten Bruttobelastungen resultierten dabei aus der innerbetrieblichen und externen energetischen Verwertung sowie der sonstigen biologischen Verwertung der Reststoffe. Netto-Ergebnis und Gutschrift Die Verrechnung von Gutschriften mit dem Brutto-Ergebnis zeigte für das bestehende Entsorgungssystem eine deutliche Netto-Entlastung der Umwelt von versauerungswirksamen Gasen. Insgesamt wurde die Versauerung um ca. 438.022 kg SO2-Äquivalente entlastet. Das entspricht ungefähr dem von 10.760 Einwohnern pro Jahr verursachten Versauerungspotenzial. Zu den Gutschriften trugen im Wesentlichen die energetische Verwertung von Deinking- und Sortierrückständen sowie die Verwertung von Verbrennungsrückständen in der Zementindustrie bei. Mit der bei der Reststoffverbrennung erzeugten Mengen an Strom und Wärme konnten konventionell erzeugte äquivalente Mengen an Strom und Wärme ersetzt werden, wodurch die mit dem Verbrennen fossiler Energieträger verbundenen Emissionen vermieden wurden. Durch den Einsatz von Verbrennungsrückständen in der Zementindustrie konnte der Einsatz von Primärrohstoffen reduziert werden, was sich hauptsächlich in verminderten Emissionen aus der Bauxit-Gewinnung widerspiegelte.
21
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.2.5 Eutrophierung, terrestrisch Eutrophierungspotenzial terrestrisch Tausend kg PO 4-Äquivalente
200 150 100 50 0
30
0
-30
sonst. baust. Verwert.
sonst. Verwert.
Netto
BY-AKT-Rinde
BY-AKT-Asche
BY-AKT-Sortier
BY-AKT-ARA
1
Zementindustrie
sonst. biol. Verwert.
1
1
Ziegelindustrie
Deponie
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
1
BY-AKT-ARA
ext. energ. Verwert.
1
1
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier
Kompostierung
inner. energ. Verwert.
bestehendes Entsorgungssystem BY-AKT-Deink
BY-AKT-Rinde
1
BY-AKT-Deink
-150
Abbildung .5:
Brutto Gutschrift
-100
Netto
-60
-50
Brutto Gutschrift
Tausend kg PO 4 -Äquivalente
60
1
Netto
Eutrophierungspotenzial des bestehenden Entsorgungssystems über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis Zum Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems trugen hauptsächlich die Entsorgung der Deinking- und Sortierrückstände sowie der Rinde/Holzreste bei. Die Hauptbelastungen stammten dabei aus der innerbetrieblichen und externen energetischen Verwertung sowie der sonstigen biologischen Verwertung der Reststoffe. Netto-Ergebnis und Gutschrift Das bestehende Entsorgungssystem war netto mit einem Beitrag zur terrestrischen Eutrophierung verbunden. Die Gutschriften aus der Reststoffentsorgung erreichten nicht das Niveau des BruttoErgebnisses. Insgesamt war eine Netto-Belastung der Umwelt mit ca. 8.408 kg PO4-Äquivalenten zu verzeichnen. Das entspricht ungefähr dem von 91.613 Einwohner pro Jahr verursachten von Nährstoffeintrag in Böden. Bis auf die Entsorgung der Rückstände aus der Abwasserreinigung trugen alle Reststoffe wesentlich zu den Gutschriften bei. Den größten Anteil hatte die energetische Verwertung von Deinkingrückständen. Die bei der Reststoffverbrennung erzeugten Mengen an Strom und Wärme ersetzten konventionell erzeugte äquivalente Mengen an Strom und Wärme. Dadurch wurden die mit dem Verbrennen fossiler Energieträger verbundenen Emissionen vermieden.
22
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.2.6 Fotochemische Oxidantienbildung (Ozonbildung) Ozonbildungspotenzial
30
Tausend kg Ethen-Äquivalente
40
0 -20 -40
10 0 -10 -20
BY-AKT-Deink
Abbildung .6:
BY-AKT-Rinde
Netto
BY-AKT-Asche
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Ziegelindustrie
Zementindustrie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
1
BY-AKT-Sortier
1
sonst. Verwert.
BY-AKT-ARA
1
Deponie
1
ext. energ. Verwert.
Kompostierung
1
BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier
inner. energ. Verwert.
1
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
BY-AKT-Rinde
1
1
bestehendes Entsorgungssystem
1
BY-AKT-Deink
1
-80 Netto
-60
Brutto Gutschrift
Netto
-30
Brutto Gutschrift
Tausend kg Ethen-Äquivalente
20
20
1
BY-AKT-ARA
1
Netto
Ozonbildungspotenzial des bestehenden Entsorgungssystems über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis Das Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems war hauptsächlich auf die Entsorgung der Rinde/Holzreste zurückzuführen. Die höchsten Bruttobelastungen erzeugte dabei die innerbetriebliche energetische Verwertung der Reststoffe. Bezogen auf alle Reststoffe stammte ein weiterer relevanter Beitrag zum Brutto-Ergebnis aus der Verwertung in der Ziegelindustrie. Netto-Ergebnis und Gutschrift Aufgrund von Gutschriften war das bestehende Entsorgungssystem mit einer deutlichen NettoEntlastung der Umwelt von bodennahem Ozon verbunden. Insgesamt betrug der Beitrag zur Spurengasminderung ca. 31.650 kg Ethen-Äquivalente, was ungefähr dem von 3.670 Einwohnern verursachten Ozonbildungspotenzial entspricht. Die Gutschriften resultierten hauptsächlich aus der energetischen Verwertung von Rinde/Holzreste, Deinking- und Sortierrückständen sowie aus der Verwertung von Verbrennungs- und Sortierrückständen in der Ziegel- und Zementindustrie. Die bei der Reststoffverbrennung erzeugten Mengen an Strom und Wärme ersetzten konventionell erzeugte äquivalente Mengen an Strom und Wärme. Dadurch wurden die mit dem Verbrennen fossiler Energieträger verbundenen Emissionen vermieden. Durch den Einsatz von Verbrennungsrückständen in der Zementindustrie konnte der Einsatz von Primärrohstoffen reduziert werden, was sich hauptsächlich in verminderten Emissionen aus der Bauxit-Gewinnung widerspiegelte. In der Ziegelindustrie ersetzten die Sortierrückstände konventionelle Porosierungsmittel. Das führte zu verminderten Emissionen beim Ziegel-Herstellungsprozess.
23
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.2.7 Toxische Schädigung des Menschen und von Organismen Cadmium Cadmium
6
6
4
4
2
kg
0
kg
2
-2
0
-4
-2
BY-AKT-Deink
BY-AKT-Asche
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
1
Brutto Gutschrift
Ziegelindustrie
Zementindustrie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
1
BY-AKT-Sortier
BY-AKT-ARA
1
Netto
BY-AKT-Sortier
1
Deponie
sonst. Verwert.
BY-AKT-Asche
1
Kompostierung
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
1
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
ext. energ. Verwert.
1
Abbildung .7:
BY-AKT-Rinde
inner. energ. Verwert.
bestehendes Entsorgungssystem BY-AKT-Rinde
1
BY-AKT-Deink
-6
Brutto Gutschrift
-4
Netto
Brutto Gutschrift
-6
1
BY-AKT-ARA
1
Netto
Luftseitige Cadmiumemissionen im bestehenden Entsorgungssystem über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis Für das Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems zeigte sich hauptsächlich die Entsorgung der Sortierrückstände verantwortlich. Die höchsten Bruttobelastungen resultierten dabei aus der innerbetrieblichen und externen energetischen Verwertung der Reststoffe. Netto-Ergebnis und Gutschrift Die Verrechnung von Gutschriften mit dem Brutto-Ergebnis zeigte für das bestehende Entsorgungssystem eine Netto-Entlastung der Umwelt von luftseitigen Cadmiumemissionen. Insgesamt wurde die Umwelt um ca. 1,09 kg Cadmium entlastet. Das entspricht ungefähr der von 8.110 Einwohnern verursachten jährlichen Cadmiumemission. Die Gutschriften stammten zum größten Teil aus der Verwertung des Metallanteils an den Sortierrückständen. Die Verarbeitung des Schrotts zu Rohstahl im Elektrolichtbogenverfahren substituierte die Herstellung von Rohstahl im Oxygenstahlverfahren, das mit deutlich höheren Primärrohstoffanteilen arbeitet, woraus verminderte Cadmiumemissionen resultieren.
24
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Schwefeldioxid Schwefeldioxid
100
200 0
100 Tausend kg
0
-200 -300
-100 -200 -300
-400
BY-AKT-Deink
Abbildung .8:
BY-AKT-Rinde
Netto
Brutto Gutschrift
ext. energ. Verwert.
Ziegelindustrie
Zementindustrie
Kompostierung
Deponie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
sonst. Verwert.
Netto
inner. energ. Verwert.
1
BY-AKT-Asche
1
BY-AKT-Sortier
1
BY-AKT-ARA
1
BY-AKT-ARA
1
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier
1
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
bestehendes Entsorgungssystem
BY-AKT-Rinde
1
BY-AKT-Deink
-700
1
-600
Brutto Gutschrift
-500
Netto
Brutto Gutschrift
-400
1
Tausend kg
-100
1
Netto
Luftseitige Schwefeldioxidemissionen im bestehenden Entsorgungssystem über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis: Das Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems war zum größten Teil auf die Entsorgung der Rinde/Holzreste und der Sortierrückstände zurückzuführen. Die höchste Bruttobelastung erzeugte dabei die innerbetriebliche energetische Verwertung der Reststoffe. Netto-Ergebnis und Gutschrift Aufgrund von Gutschriften war das bestehende Entsorgungssystem mit einer deutlichen NettoEntlastung der Umwelt von Schwefeldioxidemissionen verbunden. Insgesamt betrug der Beitrag zur Emissionsminderung ca. 497.546 kg, was ungefähr der von 51.470 Einwohnern verursachten jährlichen Schwefeldioxidemission entspricht. Die Gutschriften resultierten hauptsächlich aus der Verwertung von Verbrennungsrückständen in der Zementindustrie sowie der energetischen Verwertung von Deinking- und Sortierrückständen. Durch den Einsatz von Verbrennungsrückständen in der Zementindustrie konnte der Einsatz von Primärrohstoffen reduziert werden, was sich hauptsächlich in verminderten Emissionen aus der BauxitGewinnung widerspiegelte. Die bei der Reststoffverbrennung erzeugten Mengen an Strom und Wärme ersetzten konventionell erzeugte äquivalente Mengen an Strom und Wärme. Dadurch wurden die mit dem Verbrennen fossiler Energieträger verbundenen Emissionen vermieden.
25
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.2.8 Toxische Schädigung von Organismen und Ökosystemen Ammoniak Ammoniak
100
120
80
100
60 Tausend kg
60
40 20
40
0
20
-20
BY-AKT-Deink
Abbildung .9:
BY-AKT-Rinde
Netto
BY-AKT-Asche
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Ziegelindustrie
Zementindustrie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
1
BY-AKT-Sortier
1
Deponie
sonst. Verwert.
BY-AKT-ARA
1
Kompostierung
1
ext. energ. Verwert.
1
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier
inner. energ. Verwert.
1
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
bestehendes Entsorgungssystem
BY-AKT-Rinde
1
BY-AKT-Deink
-40
Brutto Gutschrift
Brutto Gutschrift
-20
Netto
-40
0
1
Tausend kg
80
1
BY-AKT-ARA
1
Netto
Luftseitige Ammoniakemissionen im bestehenden Entsorgungssystem über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis Zum Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems trug im Wesentlichen die Entsorgung der Rinde/Holzreste bei. Die Hauptbelastungen stammten dabei aus der Ausbringung von Rindenmulch sowie zu einem kleinen Teil aus der Kompostierung der Reststoffe. Netto-Ergebnis und Gutschrift Hinsichtlich der Ammoniakemissionen waren die mit der Reststoffentsorgung verbundenen Umweltlasten höher als die erzielten Substitutionserfolge. Die Gutschriften fielen zu gering aus, als dass die Ammoniaklasten aus den Entsorgungsprozessen ausgeglichen werden konnten. Insgesamt war eine NettoBelastung der Umwelt mit ca. 76.132 kg Ammoniak zu verzeichnen. Das entspricht ungefähr der von 10.030 Einwohner verursachten jährlichen Ammoniakemission. Zur Gutschrift trug fast ausschließlich die sonstige biologische Verwertung der Rinde/Holzreste bei. Die vermiedenen Ammoniakemissionen resultierten dabei aus der Nicht-Ausbringung der substituierten organischen Masse.
26
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Stickoxide Stickoxide
500
900
400 300
600 Tausend kg
200
0
100 0 -100 -200
-300
-300
Abbildung..10:
Netto
Brutto Gutschrift
1
Brutto Gutschrift
Netto
Brutto Gutschrift
Netto
Netto
1
BY-AKT-ARA
ext. energ. Verwert.
Ziegelindustrie
Zementindustrie
Kompostierung
Deponie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
sonst. Verwert.
Netto
bestehendes Entsorgungssystem BY-AKT-Deink
BY-AKT-Asche BY-AKT-Sortier
1
1
1
Netto
Brutto Gutschrift
inner. energ. Verwert.
BY-AKT-Rinde
1
BY-AKT-Deink
-1.200
1
-900
Netto
Brutto Gutschrift
-600
Brutto Gutschrift
-400
1
Tausend kg
300
BY-AKT-Rinde
1
1
BY-AKT-Asche
BY-AKT-Sortier
1
BY-AKT-ARA
1
Netto
Luftseitige Stickoxidemissionen im bestehenden Entsorgungssystem über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Brutto-Ergebnis Das Brutto-Ergebnis des bestehenden Entsorgungssystems war hauptsächlich auf die Entsorgung der Deinking- und Sortierrückständen zurückzuführen. Die höchsten Bruttobelastungen erzeugten dabei die innerbetriebliche und externe energetische Verwertung sowie die Verwertung der Reststoffe in der Ziegelindustrie. Netto-Ergebnis und Gutschrift Aufgrund von Gutschriften war das bestehende Entsorgungssystem mit einer deutlichen NettoEntlastung der Umwelt von Stickoxiden verbunden. Insgesamt betrug der Beitrag zur Emissionsminderung ca. 138.953 kg, was ungefähr der von 7.090 Einwohnern verursachten jährlichen Stickoxidemissionen entspricht. Die Gutschriften resultierten hauptsächlich aus der energetischen Verwertung von Deinking- und Sortierrückständen sowie zu einem kleineren Teil aus der Verwertung von Sortierrückständen in der Ziegelindustrie. Die bei der Reststoffverbrennung erzeugten Mengen an Strom und Wärme ersetzten konventionell erzeugte äquivalente Mengen an Strom und Wärme. Dadurch wurden die mit dem Verbrennen fossiler Energieträger verbundenen Emissionen vermieden.
27
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
5.3
Entsorgungskosten Entsorgungskosten
16
30
14 12
25
Mio. €
10
20
8
Mio. €
6
15
4 2
10
0 BY-AKT-Deink
BY-AKT-Rinde
BY-AKT-Asche
BY-AKT-Sortier
BY-AKT-ARA
5
0 bestehendes Entsorgungssystem
1
BY-AKT-Deink
BY-AKT-Asche
Abbildung .11:
BY-AKT-Rinde
inner. energ. Verwert.
ext. energ. Verwert.
Ziegelindustrie
Zementindustrie
Kompostierung
Deponie
sonst. biol. Verwert.
sonst. baust. Verwert.
sonst. Verwert.
1
BY-AKT-Sortier
1
1
BY-AKT-ARA
Entsorgungskosten des bestehenden Entsorgungssystems über alle Sektoren (links) und für die einzelnen Reststoffe (rechts)
Die Gesamtkosten für das bestehende Entsorgungssystem beliefen sich 2004 auf ca. 26,2 Mio. €. Erlöse aus dem Absatz von Energien sowie aus der Vermeidung des Strom- oder Wärmezukaufs von Energieversorgern sind dabei berücksichtigt [vgl. Abschnitt 2.6). Den größten Beitrag zu den Gesamtkosten leistete die Entsorgung der Deinkingrückstände mit ca. 14,9 Mio. €. Davon entfielen fast 70 % auf die innerbetriebliche energetische Verwertung von ca. 77 % der gesamten Deinkingrückstände. Die Entsorgung der Rinde/Holzreste hatte mit ca. 812.400 € den geringsten Anteil an den Gesamtkosten. Für die Entsorgung der übrigen Reststoffe mussten zwischen 2,3 Mio. € für die Rückstände aus der Abwasserreinigung und 4,8 Mio. € für die Sortierrückstände aufgebracht werden.
5.4
Zwischenfazit
Schon das bestehende Entsorgungssystem für Reststoffe aus der bayerischen Papierindustrie trug 2004 zu einer erheblichen Entlastung der Umwelt von Schadstoffen bei. Die Ergebnisse zeigen, dass vom bestehenden Entsorgungssystem für die aggregierten Wirkungskategorien Ressourcenbeanspruchung (KEA fossil), Treibhauseffekt, Versauerung und Fotochemische Oxidantienbildung z.T. deutliche Umweltentlastungen ausgingen. Lediglich für die terrestrische Eutrophierung war eine Belastung der Umwelt zu verzeichnen.
28
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Bei den als human- und ökotoxisch eingestuften betrachteten Einzelstoffen wurde nur eine Umweltbelastung mit Ammoniakemissionen ermittelt. Für Cadmium, Schwefeldioxid und Stickoxide konnte eine z.T. ausgeprägte Entlastung der Umwelt von Emissionen ermittelt werden. Die Gesamtkosten für das bestehende Entsorgungssystem beliefen sich 2004 auf ca. 26,2 Mio. €.
6
Optimierte Reststoffverwertung: Ökoeffizienzvergleich verschiedener Entsorgungsvarianten
6.1
Vorgehensweise
Mit dem erstellten Stoffstrommodell für die Entsorgung der Reststoffe aus der bayerischen Papierindustrie war die Grundlage geschaffen, um die ökonomischen und ökologischen Wirkungen verschiedener Entsorgungsvarianten zu quantifizieren und zu vergleichen. Die Projektpartner vereinbarten die Entwicklung von Entsorgungsszenarien (optimierte Reststoffverwertungen) anhand folgender Fragestellungen: • Welche Wirkungen hinsichtlich der Ökoeffizienz hätte eine optimierte Reststoffverwertung auf Basis des bestehenden Entsorgungssystems durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den bestehenden Entsorgungswegen? • Welche Wirkungen hinsichtlich der Ökoeffizienz hätte eine zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter hoch- und mittelkalorischer Reststoffe (Sortierrückstände; Rinde/Holzreste) in einigen wenigen Papierfabriken anstelle der dezentralen Entsorgung in vielen externen Anlagen? • Welche Wirkungen hinsichtlich der Ökoeffizienz hätte eine zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung von unternehmens- und fraktionsübergreifend gebündelten Reststoffgemischen (Deinkingrückstände + Rinde/Holzreste; Deinkingrückstände + Sortierrückstände; Deinkingrückstände + Rinde/Holzreste + Sortierrückstände) in einigen wenigen Papierfabriken gegenüber dem bestehenden Entsorgungssystem? Die definierten Szenarien wurden mit dem Ist-Zustand verglichen. Aus den optimierten Entsorgungsszenarien wurde ein Konzept für ein optimiertes Entsorgungssystem abgeleitet. Nachfolgend werden die Ergebnisse der ökobilanziellen und der Kosten-Betrachtung dargestellt und besprochen. Um die Vertraulichkeit der von Unternehmen zur Verfügung gestellten Daten zu gewährleisten, sind die Kosten in Form dimensionsloser Punkte-Werte dargestellt.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
6.2
29
Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den bestehenden Entsorgungswegen
6.2.1 Deinkingrückstände -600
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
• vollständige innerbetriebliche energetische Verwertung
0
• vollständige externe energetische Verwertung
300
600
niedrige Ökoeffizienz 3
1,5
0
-1,5
-3
Kosten Punkte
Abbildung .1: Ökoeffizienz-Portfolio der Entsorgung jeweils gleicher Mengen Deinkingrückstände über die betrachteten Entsorgungswege
innerbetriebliche energetische Verwertung externe energetische Verwertung
-600
hohe Ökoeffizienz
-300 Ökologie-Index Punkte
Abbildung 6.1 zeigt ein Ökoeffizienz-Portfolio, in dem die Entsorgungswege für Deinkingrückstände einander gegenübergestellt sind. Da nur zwei Entsorgungswege betrachtet wurden, kamen nur zwei Möglichkeiten, Reststoffmengen zu verschieben, in Frage:
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.2 zeigt, dass gegenüber dem bestehenden Entsorgungssystem für Deinkingrückstände nur eine vollständige innerbetriebliche energetische Verwertung zu einer Verbesserung der Ökoeffizienz führen würde.
0
300
600
niedrige Ökoeffizienz 3
1,5
0
-1,5
-3
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem vollständige externe energet. Verwertung vollständige innerbetriebl. energ. Verwertung
Abbildung .2: Ökoeffizienz-Portfolio der durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den Verwertungswegen optimierten Entsorgung der gesamten Menge Deinkingrückstände
30
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
6.2.2 Rinde/Holzreste -400
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-200
Abbildung 6.3 zeigt ein Ökoeffizienz-Portfolio, in dem die Entsorgungswege für Rinde/Holzreste einander gegenübergestellt sind. Aus der Anordnung der Punkte ergaben sich vier Möglichkeiten, Reststoffmengen hinsichtlich einer optimierten Verwertung zu verschieben: • vollständige innerbetriebliche energetische Verwertung
0
• vollständige Kompostierung 200
400
• gesamte Reststoffmenge von der sonstigen biologischen Verwertung zur innerbetrieblichen energetischen Verwertung
niedrige Ökoeffizienz 10
5
0
-5
-10
Kosten Punkte
• gesamte Reststoffmenge von der sonstigen biologischen Verwertung zur Kompostierung
innerbetriebliche energetische Verwertung Kompostierung sonstige biologische Verwertung
Abbildung .3:
Ökoeffizienz-Portfolio der Entsorgung jeweils gleicher Mengen Rinde/Holzreste über die betrachteten Entsorgungswege
-300
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-150
0
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.4 zeigt, dass die optimierten Entsorgungssysteme gegenüber dem bestehenden System nur eine geringe Verbesserung der Ökoeffizienz bewirken. Die vollständige innerbetriebliche energetische Verwertung schneidet dabei geringfügig günstiger als die anderen Szenarien ab. Hinsichtlich der Umweltwirkung ist dies zwar das beste Szenario, es verursacht aber die höchsten Kosten.
150
300
niedrige Ökoeffizienz 2
1
0
-1
-2
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem alles von sonst. biol. Verwert. zur Kompostierung alles von sonst. biol. Verwert. zu innerbetriebl. energ. Verwert. vollständige Kompostierung vollständige innerbetriebl. energ. Verwertung
Abbildung .4: Ökoeffizienz-Portfolio der durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den Verwertungswegen optimierten Entsorgung der gesamten Menge Rinde/Holzreste
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
31
6.2.3 Verbrennungsrückstände -400
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-200
0
• gesamte Reststoffmenge von sonstiger und sonstiger baustofflicher Verwertung zur Verwertung in der Ziegelindustrie
200
• gesamte Reststoffmenge von sonstiger und sonstiger baustofflicher Verwertung zur Deponie
niedrige Ökoeffizienz
400
4
2
0
-2
-4
Kosten Punkte
Abbildung .5:
• vollständige Deponierung • vollständige Verwertung in der Zementindustrie
Verwertung in der Ziegelindustrie Verwertung in der Zementindustrie Deponierung sonstige baustoffliche Verwertung sonstige Verwertung
Ökoeffizienz-Portfolio der Entsorgung jeweils gleicher Mengen Verbrennungsrückstände über die betrachteten Entsorgungswege
-400
hohe Ökoeffizienz
-200 Ökologie-Index Punkte
Abbildung 6.5 zeigt ein Ökoeffizienz-Portfolio, in dem die Entsorgungswege für Verbrennungsrückstände einander gegenübergestellt sind. Aus der Anordnung der Punkte ergaben sich vier Möglichkeiten, Reststoffmengen hinsichtlich einer optimierten Verwertung zu verschieben:
0
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.6 zeigt, dass alle optimierten Entsorgungssysteme gegenüber dem bestehenden Entsorgungssystem für Verbrennungsrückstände zu einer Verbesserung der Ökoeffizienz führen würden. Die vollständige Verwertung in der Zementindustrie schneidet am günstigsten ab. In diesem Szenario fallen zwar nicht die geringsten Kosten an, dafür aber die deutlich niedrigsten Umweltauswirkungen.
200
400
niedrige Ökoeffizienz 4
2
0
-2
-4
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem alles von sonst. und sonst. baust. Verwertung in Ziegelindustrie alles von sonst. und sonst. baust. Verwertung auf Deponie vollständige Deponierung vollständige Verwertung in der Zementindustrie
Abbildung .6: Ökoeffizienz-Portfolio der durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den Verwertungswegen optimierten Entsorgung der gesamten Menge Verbrennungsrückstände
32
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
6.2.4 Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung -400
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-200
• gesamte Reststoffmenge von der Verwertung in der Ziegelindustrie zur externen energetischen Verwertung
0
• gesamte Reststoffmenge von der Verwertung in der Ziegelindustrie zur innerbetrieblichen energetischen Verwertung
200 niedrige Ökoeffizienz
400
8
4
0
-4
-8
Kosten Punkte
innerbetriebliche energetische Verwertung externe energetische Verwertung Verwertung in der Ziegelindustrie
Abbildung .7:
• vollständige innerbetriebliche energetische Verwertung
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-200
0
200 niedrige Ökoeffizienz 8
• gesamte Reststoffmenge von der externen energetischen Verwertung zur innerbetrieblichen energetischen Verwertung
Ökoeffizienz-Portfolio der Entsorgung jeweils gleicher Mengen Sortierrückstände über die betrachteten Entsorgungswege
-400
400
Abbildung 6.7 zeigt ein Ökoeffizienz-Portfolio, in dem die Entsorgungswege für Sortierrückstände einander gegenübergestellt sind. Aus der Anordnung der Punkte ergaben sich vier Möglichkeiten, Reststoffmengen hinsichtlich einer optimierten Verwertung zu verschieben:
4
0
-4
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.8 zeigt, dass bis auf die Verschiebung der gesamten Reststoffmenge von der Verwertung in der Ziegelindustrie zur externen energetischen Verwertung die optimierten Entsorgungssysteme gegenüber dem bestehenden Entsorgungssystem für Sortierrückstände zu einer Verbesserung der Ökoeffizienz führen würden. Die vollständige innerbetriebliche energetische Verwertung stellt das günstigste Szenario dar. Es schneidet von den Kosten her am besten ab und ist ökologisch nur geringfügig schlechter als das Szenario mit den niedrigsten Umweltauswirkungen.
-8
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem alles von Ziegelindustrie zu ext. energ. Verwert. alles von Ziegelindustrie zu innerbetriebl. energ. Verwert. alles von ext. energ. Verwert. zu innerbetriebl. energ. Verwert. vollständige innerbetriebl. energ. Verwertung
Abbildung .8: Ökoeffizienz-Portfolio der durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den Verwertungswegen optimierten Entsorgung der gesamten Menge Sortierrückstände
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
33
6.2.5 Rückstände aus der Abwasseraufbereitung -200
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-100
0
Abbildung 6.9 zeigt ein Ökoeffizienz-Portfolio, in dem die Entsorgungswege für Rückstände aus der Abwasserreinigung einander gegenübergestellt sind. Aus der Anordnung der Punkte ergaben sich drei Möglichkeiten, Reststoffmengen hinsichtlich einer optimierten Verwertung zu verschieben: • vollständige innerbetriebliche energetische Verwertung • vollständige externe energetische Verwertung
100
200
niedrige Ökoeffizienz 4
2
0
-2
-4
• vollständige Verwertung in der Ziegelindustrie
Kosten Punkte
innerbetriebliche eneretische Verwertung externe eneretische Verwertung Kompostierung Verwertung in der Ziegelindustrie
Abbildung .9:
Ökoeffizienz-Portfolio der Entsorgung jeweils gleicher Mengen ARA-Rückstände über die betrachteten Entsorgungswege
-200
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-100
0
100
200
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.10 zeigt, dass die optimierten Entsorgungssysteme gegenüber dem bestehenden Entsorgungssystem nur eine geringe bis keine Verbesserung der Ökoeffizienz bewirken. Die vollständige Verwertung in der Ziegelindustrie schneidet etwas günstiger als die anderen Szenarien ab, obwohl dieses Szenario weder bei der Kostenbetrachtung noch bei der Betrachtung der Umweltwirkung das beste Ergebnis stellt.
niedrige Ökoeffizienz 4
2
0
-2
-4
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem vollständige innerbetriebliche energetische Verwertung vollständige externe energetische Verwertung vollständige Verwertung in der Ziegelindustrie
Abbildung .10: Ökoeffizienz-Portfolio der durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den Verwertungswegen optimierten Entsorgung der gesamten Menge ARA-Rückstände
34
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
6.2.6 Zwischenfazit Für alle betrachteten Reststoffe gäbe es Möglichkeiten, die Ökoeffizienz des bestehenden Entsorgungssystems durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen Entsorgungswegen zu verbessern. Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.11 stellt eine optimierte Reststoffverwertung mit dem jeweils besten Szenario pro Reststoff dem bestehenden Entsorgungssystem gegenüber. -400
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-200
0
200
400
niedrige Ökoeffizienz 3
1,5
0
-1,5
-3
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem Optimierte Reststoffverwertung Abbildung .11:
Ökoeffizienz-Portfolio des bestehenden Entsorgungssystems und einer durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den Verwertungswegen optimierten Reststoffverwertung
Sowohl bei der Betrachtung der Umweltwirkung als auch der Kosten schneidet die durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den Entsorgungswegen optimierte Reststoffverwertung besser ab als das bestehende Entsorgungssystem. Die Entsorgungskosten würden um mehr als 25 % sinken und die für fast alle betrachteten Wirkungskategorien und Einzelparameter bereits im bestehenden Entsorgungssystem ermittelten Entlastungen der Umwelt würden deutlich zwischen 1.843 Einwohnerwerten (Ozonbildungspotenzial) und 140.276 Einwohnerwerten (Schwefeldioxidemissionen) zunehmen (vgl. Tabelle 6.1).
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Tabelle .1:
35
Gegenüberstellung der Umweltbe- und -entlastungen des bestehenden Entsorgungsmodells und einer durch Verschiebung von Reststoffmengen zwischen den Entsorgungswegen optimierten Reststoffverwertung
Parameter
Bestehendes Entsorgungssystem
Optimierte Reststoffverwertung
Beitrag zur Umweltentlastung durch die optimierte Reststoffverwertung
Nicht aggregierte Werte Ammoniak
76.132 kg
16.686 kg
Cadmium
- 1,09 kg
- 2,01 kg
Stickoxide
- 137.953 kg
- 961.245 kg
Schwefeldioxid
- 497.546 kg
- 1,85 Mio. kg
Entlastung um 59.446 kg (7.832 EW) Entlastung um 0,92 kg (7.110 EW) Entlastung um 832.292 kg (42.329 EW) Entlastung um 1,36 Mio. kg (140.276 EW)
Aggregierte Werte KEA gesamt
- 7,4 Mio. GJ
- 11,8 Mio. GJ
- 337,7 Mio. kg
- 638,9 Mio. kg
- 438.022 kg
- 2,48 Mio. kg
8.408 kg
- 119.188 kg
- 31.658 kg
- 47.566 kg
Treibhauspotenzial [CO2Äquivalente] Versauerungspotenzial [SO2Äquivalente] Eutrophierungspotenzial terrestrisch [PO4-Äquivalente] Fotooxidantienbildung [EthenÄquivalente]
6.3
Entlastung um 4,39 Mio. kg (25.153 EW) Entlastung um 301,2 Mio. kg (25.512 EW) Entlastung um 2,04 Mio. kg (50.219 EW) Entlastung um 127.596 kg (24.491 EW) Entlastung um 15.908 kg (1.843 EW)
Optimierte Verbrennungskonzepte und Verwertungsanlagen: Zentrale und dezentrale energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Reststoffe
6.3.1 Zusammenfassung der bayerischen Papierindustrie nach räumlichen und funktionalen Gesichtspunkten Der thermische und elektrische Energieoutput eines Kraftwerks ist im Wesentlichen von den erreichten thermischen und elektrischen Nutzungsgraden abhängig. Aus thermodynamischen Gründen besitzen zentrale große Anlagen höhere elektrische Nutzungsgrade und somit eine bessere Energieeffizienz als dezentrale kleinere Einheiten12.
12
Die Anlagengröße bzw. die Nennkapazität bestimmt in der Regel den Gesamtenergieumsatz. Eine große Anlage hat gegenüber einer kleineren Anlage zwar einen höheren absoluten Energieverbrauch, jedoch sind die Verluste im Vergleich zum gesamten Energieverbrauch geringer, was zu einem besseren Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad im Nennbetriebspunkt führt [LAYER ET AL. 1999]. Die Reibungsverluste und Abstrahlungsverluste einzelner Maschinenkomponenten sind bezogen auf die Nutzenergie bei kleinen Maschinen größer. Somit ist das Verhältnis aus elektrischer Leistung und Stromeigenbedarf bei kleinen Kraftwerken im Vergleich zu großen Kraftwerken schlechter. Zusätzlich hierzu sind nutzungsgradsteigernde Maßnahmen, wie z.B. die Steigerung der mittleren Prozesstemperatur durch den Einsatz hochwertiger Materialien, nur bei großen erzeugten Energiemengen, und somit nur bei großen Kraftwerken, ökonomisch von Vorteil.
36
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Allerdings ist hierfür eine räumliche und funktionale Zusammenführung der Reststoffe notwendig. Damit stehen den höheren Energieerträgen größere Transportaufwendungen gegenüber. Um diese Transportaufwendungen in einem ökologisch und ökonomisch sinnvollen Rahmen zu halten, wurde die bayerische Papierindustrie nach räumlichen und funktionalen Gesichtspunkten in drei Cluster zusammengefasst. Auf Basis von PTS 2007 wurden zwölf bayerische Papierfabriken ausgewählt, die in ihrer Gesamtheit im Jahre 2004 ca. 3,94 Mio. Tonnen Papier hergestellt haben. Das entsprach ca. 93 % der gesamten bayerischen Papierproduktion. Abbildung 6.12 zeigt die Cluster inklusive der Standorte der Papierfabriken zusammen mit Standorten einzelner Ziegel- und Zementwerke. Um die Vertraulichkeit zur Verfügung gestellter Daten zu gewährleisten wird keine detaillierte Charakterisierung der Cluster vorgenommen.
Quelle: Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.
Abbildung .12:
Grafische Darstellung der Cluster der bayerischen Papierindustrie mit den Standorten von Papierfabriken (blau) sowie einzelner Ziegel- (braun) und Zementwerke (weiß)
6.3.2 Beschreibung der Verbrennungskonzepte und Verwertungsanlagen Ein optimiertes energetisches Verwertungssystem ist Grundvoraussetzung für die effektive energetische Nutzung der in den Reststoffen chemisch gebundenen Energie. Typischerweise könnten die Reststoffe innerhalb der Cluster energetisch zentral bei einer Papierfabrik oder dezentral in der Nähe der einzelnen Papierfabriken, z.B. bei einem Verbraucher mit ähnlichem Wärmebedarf oder in Müllverbrennungsanlagen, verwertet werden. Sowohl der thermische als auch der elektrische Energieertrag sind somit im Wesentlichen von den Anlagennutzungsgraden abhängig.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
37
Die Projektpartner vereinbarten daher die Untersuchung optimierter Verbrennungskonzepte und Verwertungsanlagen anhand folgender Szenarien: • Energetische Verwertung der Rinde/Holzreste dezentral in kleinen Heizwerken bzw. zentral innerbetrieblich in großen KWK-Anlagen mit ganzjährigen Wärmebedarf. Wärme- oder Stromabnehmer könnten verschiedene Industriezweige oder im Fall kleinerer dezentraler Einheiten auch Nahwärmenetze regionaler Energieversorger sein. • Energetische Verwertung der Rinde/Holzreste dezentral in kleinen bzw. zentral innerbetrieblich in großen KWK-Anlagen. • Energetische Verwertung der Sortierrückstände dezentral in Müllverbrennungsanlagen bzw. zentral innerbetrieblich in großen KWK-Anlagen. Tabelle 6.2 zeigt die den energetischen und ökoeffizienzbezogenen Betrachtungen zugrunde liegenden thermischen und elektrischen Nutzungsgrade. Tabelle .2:
Der Untersuchung zugrunde liegende Nutzungsgrade [IWT 2006]
Parameter KWK-Anlage für die zentrale innerbetriebliche 1 energetische Verwertung Heizwerk für die dezentrale energetische Verwertung Heizkraftwerk für die dezentrale energetische 2 Verwertung Müllverbrennungsanlage 1 2
Elektrischer Nutzungsgrad
Thermischer Nutzungsgrad
Gesamtnutzungsgrad
28 %
55,2 %
83,2 %
-
85 %
85 %
16,6 %
56,4 %
73 %
10 %
30 %
40 %
maximale elektrische Leistung von ca. 52 MW maximale elektrische Leistung von 3 MW
Abbildung 6.13 verdeutlicht noch einmal den Zusammenhang zwischen der Größe von Verbrennungsanlagen und den erreichbaren Nutzungsgraden.
38
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Thermischer Nutzungsgrad
Gesamtnutzungsgrad
Elektrischer Nutzungsgrad
B
90% 80%
A
Nutzungsgrad in Prozent
70% 60% 50%
C
40% 30% 20% 10% 0% 0
Abbildung .13:
5
10
15 20 25 30 Elektrische Leistung in MW
35
40
45
Der Untersuchung zugrunde gelegte Abhängigkeit der Nutzungsgrade von der Größe der Verbrennungsanlagen [nach IWT 2006]. A: Heizkraftwerk für die dezentrale energetische Verwertung, B: KWK-Anlage für die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung. C: durchschnittliche Müllverbrennungsanlage (nur zum Vergleich dargestellt; die Nutzungsgradverläufe sind auf Müllverbrennungsanlagen nicht übertragbar).
6.3.3 Schlussfolgerungen aus energetischer Sicht Die energetischen Aufwendungen für den Transport der Brennstoffe verringern die positive Energiebilanz. Die betrachteten Reststofffraktionen Rinde/Holzreste und Sortierrückstände weisen Heizwerte von 10,5 und 22,6 MJ/kg auf. Die auf den Energiegehalt des Brennstoffs bezogenen energetischen Transportaufwendungen bewegen sich bei Transportentfernungen von 100 km im Bereich von einem Prozent und sind somit nicht ergebnisrelevant. 6.3.3.1
Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Rinde/Holzreste dezentral in kleinen Heizwerken oder zentral innerbetrieblich in großen KWK-Anlagen
Die thermische Energieausbeute ist aufgrund des höheren thermischen Nutzungsgrads des Heizwerks beispielsweise im Cluster 1 um 28 GWh/a höher, als in einer großen KWK-Anlage, allerdings besteht kein Beitrag zur Deckung des höherwertigen elektrischen Energiebedarfs. Die folgende Abbildung 6.14 zeigt Unterschiede in der elektrischen und thermischen Energieerzeugung bei der zentralen bzw. dezentralen energetischen Verwertung der Rinde/Holzreste.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Erzeugte elektrische und thermische Energiemenge in GWh/a
Elektrische Energieerzeugung in HW Elektrische Erzeugung in KWK
Abbildung .14:
6.3.3.2
39
Thermische Energieerzeugung in HW Thermische Erzeugung in KWK
260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Cluster 1
Cluster 2
Cluster 3
Elektrische und thermische Energieerzeugung bei der Verbrennung von Rinde/Holzresten in dezentralen Heizwerken und zentralen innerbetrieblichen großen KWK-Anlagen
Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Rinde/Holzreste dezentral in kleinen Heizkraft kraftwerken oder zentral innerbetrieblich in großen KWK-Anlagen kraft
Aufgrund der besseren elektrischen Nutzungsgrade der zentralen innerbetrieblichen großen KWKAnlagen ist auch die Energieeffizienz und damit die erzeugte elektrische Energiemenge in diesen Anlagen größer (vgl. Tabelle 6.2).
Erzeugte elektrische und thermische Energiemenge in GWh/a
Elektrische Energieerzeugung in Dez.-HKW Elektrische Erzeugung in KWK
Abbildung .15:
Thermische Energieerzeugung in Dez.-HKW Thermische Erzeugung in KWK
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Cluster 1
Cluster 2
Cluster 3
Elektrische und thermische Energieerzeugung bei der Verbrennung von Rinde/Holzresten in dezentralen Heizkraftwerken und zentralen innerbetrieblichen großen KWK-Anlagen
6.3.3.3 Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Sortierrückstände dezentral in Müllverbrennungsanlagen oder zentral innerbetrieblich in großen KWK-Anlagen Die elektrischen Nutzungsgrade der Müllverbrennungsanlagen sind aufgrund des hohen Eigenbedarfs an elektrischer Energie gering und liegen im Mittel bei ca. 10 %. Der thermische Nutzungsgrad wird oft durch fehlende Wärmeabnehmer stark begrenzt. Die elektrische und thermische Energieerzeugung ist somit im Vergleich mit den innerbetrieblichen KWK-Anlagen niedrig (vgl. Abbildung 6.16).
40
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Erzeugte elektrische und thermische Energiemenge in GWh/a
Elektrische Energieerzeugung in MVA Elektrische Erzeugung in KWK
Abbildung .16:
6.3.3.4
Thermische Energieerzeugung in MVA Thermische Erzeugung in KWK
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Cluster 1
Cluster 2
Cluster 3
Elektrische und thermische Energieerzeugung bei der Verbrennung von Sortierrückständen in dezentralen Müllverbrennungsanlagen und zentralen innerbetrieblichen großen KWK-Anlagen
Ergebnis
Die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in KWK-Anlagen ist grundsätzlich einer ausschließlichen Wärmeerzeugung in Heizwerken vorzuziehen, da durch die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung eine noch größere Umweltentlastung insbesondere von Kohlendioxidemissionen erreicht wird. Die Verwertung der hier betrachteten Reststoffe in Müllverbrennungsanlagen ist aus energetischer Sicht nicht sinnvoll, da niedrige elektrische Nutzungsgrade und häufig fehlende industrielle Wärmeabnehmer mit hoher Ausnutzungsdauer in naher Umgebung die Energieeffizienz dieser Anlagen in der Regel drastisch verringern. Große KWK-Anlagen nutzen durch eine hohe Gesamteffizienz die im Brennstoff enthaltene Energie besser aus als kleine KWK-Anlagen. Die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in KWK-Anlagen ist grundsätzlich einer ausschließlichen Wärmeerzeugung in Heizwerken vorzuziehen.
6.3.4 Wirkungen hinsichtlich der Ökoeffizienz Um die Einflüsse von Transportaufwendungen insbesondere auf die Umweltauswirkungen zu bewerten, wurden für die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung in jeden Cluster zwei so genannte „energetische Schwerpunkte“ definiert, für die angenommen wurde, dass die Reststoffe dorthin transportiert werden. Dies ist zum einen jeweils die Papierfabrik mit dem größten Energiebedarf und zum anderen jeweils die Papierfabrik, in der die größte Reststoffmenge anfällt. Für die dezentrale energetische Verwertung der Rinde/Holzreste wurden Heizwerke und Heizkraftwerke in unmittelbarer Nähe der einzelnen Papierfabriken angenommen. Für die dezentrale energetische Verwertung der Sortierrückstände wurde ein Transport zur nächstgelegenen Müllverbrennungsanlage angenommen.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
6.3.4.1
Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Rinde/Holzreste
-600
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
0
300
600
niedrige Ökoeffizienz 6
3
0
-3
-6
Kosten Punkte
Dezentrale Verwertung in kleinen Heizkraftwerken Dezentrale Verwertung in kleinen Heizwerken Zentrale Verwertung beim größten Energieverbraucher Zentrale Verwertung beim größten Reststofferzeuger
Abbildung .17:
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
0
300 niedrige Ökoeffizienz 2
1
0
-1
-2
Kosten Punkte
Die dezentrale energetische Verwertung in kleinen Heiz- oder Heizkraftwerken schneidet hinsichtlich der Umweltwirkungen am schlechtesten ab, verursacht aber geringere Kosten als eine zentrale energetische Verwertung bei der Papierfabrik mit dem größten Energiebedarf.
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.18 zeigt, dass im Cluster 2 eine zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung der Rinde/Holzreste günstiger abschneidet, als eine dezentrale energetische Verwertung. Dabei stellt die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung bei der Papierfabrik, in der die größte Reststoffmenge anfällt, sowohl bei den Umweltwirkungen als auch bei den Kosten die etwas bessere Alternative dar. Die zentrale energetische Verwertung bei der Papierfabrik mit dem größten Energiebedarf im Cluster weist zwar eine ähnliche Entlastung der Umwelt auf, verursacht dagegen aber durch einen größeren Transportaufwand höhere Kosten.
Die dezentrale energetische Verwertung in kleinen Heiz- oder Heizkraftwerken schneidet auch in Cluster 2 hinsichtlich der Umweltwirkungen am schlechtesten ab. Die Kosten liegen im Bereich der Kosten für die Ökoeffizienz-Portfolio der zentralen zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung bei und dezentralen energetischen Verder Papierfabrik mit dem größten Energiebedarf. wertung von 102.668 t Rinde/Holz-
Dezentrale Verwertung in kleinen Heizkraftwerken Dezentrale Verwertung in kleinen Heizwerken Zentrale Verwertung beim größten Energieverbraucher Zentrale Verwertung beim größten Reststofferzeuger
Abbildung .18:
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.17 zeigt, dass im Cluster 1 die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung der Rinde/Holzreste bei der Papierfabrik, in der die größte Reststoffmenge anfällt, sowohl bei den Umweltwirkungen als auch bei den Kosten am günstigsten abschneidet. Die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung bei der Papierfabrik mit dem größten Energiebedarf im Cluster weist aufgrund eines deutlich größeren Transportaufwandes eine geringere Ökoeffizienz auf.
Ökoeffizienz-Portfolio der zentralen und dezentralen energetischen Verwertung von 31.680 t Rinde/Holzreste im Cluster 1
-600
600
41
reste im Cluster 2
42
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
-600
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
0
300 niedrige Ökoeffizienz
600
8
4
0
-4
-8
Kosten Punkte
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.19 zeigt, dass, wie schon bei den beiden zuvor betrachteten Clustern, auch im Cluster 3 eine zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung gegenüber der dezentralen energetischen Verwertung Vorteile aufweist. Sowohl hinsichtlich der Umweltwirkungen als auch der Kosten schneidet die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung der Rinde/Holzreste bei der Papierfabrik mit dem größten Energiebedarf (in diesem Fall auch die Papierfabrik, in der die größte Reststoffmenge anfällt) deutlich günstigster ab, als die dezentrale energetische Verwertung in kleinen Heiz- oder Heizkraftwerken.
Dezentrale Verwertung in kleinen Heizkraftwerken Dezentrale Verwertung in kleinen Heizwerken Zentrale Verwertung beim größten Energieverbraucher
Abbildung .19:
6.3.4.2
Ökoeffizienz-Portfolio der zentralen und dezentralen energetischen Verwertung von 38.700 t Rinde/Holzreste im Cluster 3
Energetische Verwertung unternehmensübergreifend gebündelter Sortierrückstände aus der Altpapieraufbereitung -600
-600
hohe Ökoeffizienz
Cluster 1
Ökologie-Index Punkte
0
300
600
Cluster 3
hohe Ökoeffizienz
0
-600 niedrige Ökoeffizienz 6
3
0
-3
-300
-6
Kosten Punkte
Dezentrale Verwertung in MVA Zentrale Verwertung beim größten Energieverbraucher Zentrale Verwertung beim größten Reststofferzeuger
Abbildung .20:
hohe Ökoeffizienz
-300
Ökologie-Index Punkte
Ökologie-Index Punkte
-300
Cluster 2
0
Ökoeffizienz-Portfolio der zentralen und dezentralen energetischen Verwertung von 57.329 t Sortierrückständen im Cluster 1, 28.817 t Sortierrückständen im Cluster 2 und 47.028 t Sortierrückständen im Cluster 3
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
43
Die Ökoeffizienz-Portfolios in Abbildung 6.20 zeigen, dass in jedem Cluster eine zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung der Sortierrückstände sowohl hinsichtlich der Umweltwirkungen als auch der Kosten deutlich günstiger abschneidet, als die dezentrale energetische Verwertung in Müllverbrennungsanlagen. Die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung bei den Papierfabriken, in denen die größten Reststoffmengen anfallen, weisen dabei ein geringfügig besseres Ergebnis auf, als bei den Papierfabriken, die den größten Energiebedarf aufweisen. Der Grund ist ein geringerer Transportaufwand.
6.3.5 Zwischenfazit Die Auswertungen haben sowohl für Rinde als auch für Sortierrückstände gezeigt, dass in jedem Cluster eine zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung der dezentralen energetische Verwertung vorgezogen werden sollte. Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.21 stellt die zentrale und dezentrale energetische Verwertung der gesamten in bayerischen Papierfabriken angefallenen Menge Rinde/Holzreste einander gegenüber. Die Ergebnisse der drei Cluster sind dabei zusammengefasst. -600
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
0
300
600
niedrige Ökoeffizienz 4
2
0
-2
-4
Kosten Punkte
Dezentrale Verwertung in kleinen Heizkraftwerken Dezentrale Verwertung in kleinen Heizwerken Zentrale Verwertung beim größten Energieverbraucher Zentrale Verwertung beim größten Reststofferzeuger Abbildung .21:
Ökoeffizienz-Portfolio der zentralen und dezentralen energetischen Verwertung von 173.048 t Rinde/Holzreste
44
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung von Rinde/Holzreste bei der Papierfabrik pro Cluster, in der die größte Reststoffmenge anfällt, stellt sowohl bei der Betrachtung der Umweltwirkung als auch der Kosten den günstigsten Verwertungsweg dar und erreicht damit die beste Ökoeffizienz. Für alle betrachteten Wirkungskategorien und Einzelparameter ist die Belastung der Umwelt am geringsten (vgl. Tabelle 6.3). Die Erlöse, resultierend aus der Energieerzeugung, sind um ca. 22 % höher als die Erlöse aus der zentralen innerbetrieblichen energetischen Verwertung in der Papierfabrik pro Cluster mit dem größten Energiebedarf bzw. die Erlöse aus der dezentralen energetischen Verwertung in kleinen Heiz- bzw. Heizkraftwerken. Tabelle .3:
Gegenüberstellung der Umweltbe- und -entlastungen durch eine dezentrale bzw. zentrale energetische Verwertung von 173.048 t Rinde/Holzreste
Parameter
Nicht aggregierte Werte Ammoniak Cadmium Stickoxide Schwefeldioxid Aggregierte Werte KEA gesamt Treibhauspotenzial [CO2Äquivalente] Versauerungspotenzial [SO2Äquivalente] Eutrophierungspotenzial terrestrisch [PO4-Äquivalente] Fotooxidantienbildung [Ethen-Äquivalente]
Dezentral in kleinen HKW
Dezentral in kleinen HW
Zentral beim größten Energieverbraucher
Zentral beim größten Reststofferzeuger
2,66kg 0,009 kg -54.289 kg 58.959 kg
2,82 kg 0,009 kg - 52.152 kg 89.892 kg
6,09 kg 0,02 kg - 81.205 kg 38.187 kg
1,91 kg 0,007 kg - 88.628 kg 37.547 kg
- 1,87 Mio. GJ - 128,3 Mio. kg
- 2,07 Mio. GJ - 116,8 Mio. kg
- 2,16 Mio. GJ - 160,7 Mio. kg
- 2,17 Mio. GJ - 161,5 Mio. kg
19.331 kg
53.091 kg
- 21.199 kg
- 27.044 kg
- 7.057 kg
- 6.779 kg
- 10.554 kg
- 11.521 kg
20.389 kg
18.380 kg
19.492 kg
19.181 kg
Die energetische Verwertung der Sortierrückstände in Müllverbrennungsanlagen ist aus energetischer Sichtweise nicht sinnvoll, da niedrige elektrische Nutzungsgrade und häufig fehlende industrielle Wärmeabnehmer mit hoher Ausnutzungsdauer in naher Umgebung die Energieeffizienz dieser Anlagen drastisch verringert. Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.22 stellt die zentrale und dezentrale energetische Verwertung der gesamten in bayerischen Papierfabriken angefallenen Sortierrückstände einander gegenüber. Die Ergebnisse der drei Cluster sind dabei zusammengefasst.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
-600
45
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
0
300
600
niedrige Ökoeffizienz 10
5
0
-5
-10
Kosten Punkte
Dezentrale Verwertung in MVA Zentrale Verwertung beim größten Energieverbraucher Zentrale Verwertung beim größten Reststofferzeuger Abbildung .22:
Ökoeffizienz-Portfolio der zentralen und dezentralen energetischen Verwertung von 132.874 t Sortierrückständen aus der Altpapieraufbereitung
Auch bei den Sortierrückständen schneidet sowohl bei der Betrachtung der Umweltwirkungen als auch der Kosten die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung bei der Papierfabrik, in der die größte Reststoffmenge anfällt, am günstigsten ab und stellt damit das ökoeffizienteste Szenario. Mit Ausnahme der Ammoniak- und Cadmiumemissionen ist für alle anderen betrachteten Einzelstoffe und Wirkungskategorien die Belastung der Umwelt am geringsten (vgl. Tabelle 6.4). Gegenüber der dezentralen energetischen Verwertung in Müllverbrennungsanlagen, die Kosten verursacht, werden infolge der Energieerzeugung Erlöse gewonnen. Diese sind um ca. 8 % höher, als durch die zentrale innerbetriebliche energetische Verwertung der Sortierrückstände bei der Papierfabrik pro Cluster mit dem größten Energiebedarf.
46
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Tabelle .4:
Gegenüberstellung der Umweltbe- und -entlastungen durch eine dezentrale bzw. zentrale energetische Verwertung von 132.874 t Sortierrückständen aus der Altpapieraufbereitung
Parameter
Nicht aggregierte Werte Ammoniak Cadmium Stickoxide Schwefeldioxid Aggregierte Werte KEA gesamt Treibhauspotenzial [CO2-Äquivalente] Versauerungspotenzial [SO2-Äquivalente] Eutrophierungspotenzial terrestrisch [PO4Äquivalente] Fotooxidantienbildung [Ethen-Äquivalente]
6.4
Dezentral in MVA
Zentral beim größten Energieverbraucher
Zentral beim größten Reststofferzeuger
4.503 kg - 0,53 kg 36.295 kg - 185.425 kg
4.801 kg - 0,47 kg - 127.283 kg - 198.232 kg
4.796 kg - 0,48 kg - 135.912 kg - 199.176 kg
- 1,74 Mio. GJ 35,4 Mio. kg - 158.836 kg 6.276 kg
- 3,54 Mio. GJ - 58,6 Mio. kg - 282.976 kg - 14.886 kg
- 3,56 Mio. GJ - 60,3 Mio. kg - 289.770 kg - 16.009 kg
- 11.008 kg
- 18.710 kg
- 19.071 kg
Optimierte Entsorgungssysteme: Energetische Verwertung unternehmens- und fraktionsübergreifend gebündelter Reststoffgemische
6.4.1 Beschreibung der Entsorgungssysteme Für die Betrachtung optimierter Entsorgungssysteme wurde wieder auf die Cluster der bayerischen Papierindustrie (vgl. Abschnitt 6.3.1) zurückgegriffen. Aufbauend auf den Ergebnissen von Abschnitt 6.3 wurde die größte energetisch verwertbare, aber niederkalorische Einzelfraktion Deinkingrückstände mit in die Untersuchungen aufgenommen. Der „energetischer Schwerpunkt“ jedes Clusters ist damit die Papierfabrik, welche aufgrund der produzierten Papiermenge sowohl den größten Energiebedarf als auch die größte Reststoffmenge aufweist. Analog zur Untersuchung in Abschnitt 6.3 wurde angenommen, dass die energetisch verwertbaren Reststoffe der anderen Papierfabriken dorthin transportiert und innerbetrieblich in geeigneten Feuerungsanlagen zur Deckung des elektrischen und thermischen Energiebedarfs verwertet werden. Die Projektpartner vereinbarten die Untersuchung optimierter Entsorgungssysteme anhand folgender Szenarien: • Im Szenario 1 werden Rinde/Holzreste und Deinkingrückstände unternehmens- und fraktionsübergreifend gebündelt und am energetischen Schwerpunkt der Cluster in einer KWK-Anlage verwertet. Die hochkalorischen Sortierrückstände werden in separaten und daher auch meist kleineren Feuerungsanlagen verbrannt. • Im Szenario 2 wird die gemeinsame innerbetriebliche energetische Verwertung von Deinkingund Sortierrückständen in einer KWK-Anlage pro Cluster betrachtet. Die anfallenden Mengen Rinden/Holzreste werden separat an den energetischen Schwerpunkten verwertet.
47
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
• Das Szenario 3 beinhaltet die innerbetriebliche energetische Verwertung eines unternehmensund fraktionsübergreifend gebündelten Reststoffgemisches aus Rinde/Holzreste, Deinking- und Sortierresten in KWK-Anlagen am energetischen Schwerpunkt der Cluster.
6.4.2 Schlussfolgerungen aus energetischer Sicht In Tabelle 6.5 sind die elektrischen und thermischen Leistungen der innerbetrieblichen KWK-Anlagen, die sich aus der Reststoffbündelung ergeben würden, zusammengefasst. Tabelle .5:
Elektrische und thermische Leistungen der innerbetrieblichen KWK-Anlagen
Energetische Verwertung Cluster 1 Gemeinsame Verwertung Separate Verwertung Cluster 2 Gemeinsame Verwertung Separate Verwertung Cluster 3 Gemeinsame Verwertung Separate Verwertung
Elektrische Leistung Thermische Leistung Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 7 MW 7 MW
14 MW 2 MW
17 MW -
23 MW 23 MW
39 MW 7 MW
46 MW -
47 MW 3 MW
39 MW 7 MW
54 MW -
87 MW 12 MW
78 MW 21 MW
98 MW -
3 MW 6 MW
7 MW 2 MW
10 MW -
12 MW 19 MW
23 MW 8 MW
31 MW -
Tabelle 6.6 zeigt die thermischen und elektrischen Energiebedarfs-Deckungsbeiträge (im Folgenden nur Deckungsbeiträge genannt), die durch die innerbetriebliche energetische Verwertung der unternehmens- und fraktionsübergreifend gebündelten Reststoffgemische in den KWK-Anlagen bei der Papierfabrik mit dem größten Energiebedarf pro Cluster erreicht werden können. Tabelle .6:
Thermische (dthermisch) und elektrische (delektrisch) Energiebedarfs-Deckungsbeiträge
Szenario 1 delektrisch dthermisch Energetischer Schwerpunkt Cluster 1 Energetischer Schwerpunkt Cluster 2 Energetischer Schwerpunkt Cluster 3
Szenario 2 delektrisch dthermisch
Szenario 3 delektrisch dthermisch
19,5 %
41,3 %
21 %
41,2 %
22,9 %
41,0 %
44,4 %
57,9 %
40,3 %
58,2 %
46,8 %
57,8 %
17,2 %
38,3 %
17,6 %
38,3 %
18,7 %
38,2 %
48
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Eine generelle Aussage bezüglich einer optimalen Zusammenfassung der Reststoffgemische in allen Clustern ist nicht möglich. Dieser Umstand wird in Tabelle 6.6 verdeutlicht. Sowohl in Cluster 1 als auch in Cluster 3 ist eine Steigerung des elektrischen Deckungsbeitrags von Szenario 1 zu Szenario 3 zu erkennen. Dieser ist durch eine Steigerung der zur Verfügung gestellten Reststoffmengen bedingt. Der thermische Deckungsbeitrag bleibt annähernd auf gleichem Niveau. Dies beruht auf der Tatsache, dass davon ausgegangen wurde, dass der Gesamtnutzungsgrad der Feuerungsanlagen auf 85 % begrenzt ist13 und der thermische Nutzungsgrad der Anlagen somit nicht weiter erhöht werden kann. In Cluster 2 verringert sich der elektrische Deckungsbeitrag von Szenario 1 auf Szenario 2 um 4,1 % (vgl. Tabelle 6.7). Speziell in diesem Cluster wirkt sich eine gemeinsame energetische Verwertung von Sortier- und Deinkingrückständen und eine separate Verwertung der Rinde/Holzreste auf den Energieertrag negativ aus, da auf Basis von PTS 2007 durch die separate Verwertung der Rinde/Holzreste ein erheblicher Anteil der im Cluster 2 zur Verfügung stehenden Energie in einer Feuerungsanlage mit einem elektrischen bzw. thermischen Nutzungsgrad von ca. 18 bzw. 56 % verwertet wird. Bei der gemeinsamen energetischen Verwertung nach Szenario 2 sind hingegen in Cluster 2 elektrische bzw. thermische Nutzungsgrade von 28 bzw. 55 % erreichbar. Tabelle .7:
Cluster- und szenarioabhängige elektrische und thermische Nutzung
Energetische Verwertung Cluster 1 Gemeinsame Verwertung Separate Verwertung Cluster 2 Gemeinsame Verwertung Separate Verwertung Cluster 3 Gemeinsame Verwertung Separate Verwertung
Elektrischer Nutzungsgrad Thermischer Nutzungsgrad Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 17,9 % 17,9 %
19,8 % 16,0 %
21,0 % -
56,3 % 56,3 %
56,1 % 56,5 %
56,0 %
30,0 % 16,6 %
28,0 % 17,9 %
30,0 % -
55,0 % 56,4 %
55,2 % 56,3 %
55,0 %
16,6 % 17,3 %
17,9 % 16,0%
18,5 % -
56,4 % 56,4 %
56,3 % 56,5 %
56,2 %
Grundsätzlich ist die Bündelung aller drei Reststofffraktionen, wie in Szenario 3 betrachtet, aus rein energetischer Sicht von Vorteil, da so die größte Energieeffizienz durch höchste Anlagennutzungsgrade erreicht werden kann.
13
Ein Gesamtnutzungsgrad von 85 % stellt nach IWT2006 für Anlagen mit Rostfeuerung die Obergrenze dar. Eine weitere Erhöhung der Nutzungsgrade wäre mit erheblichen zusätzlichen Investitionen in die Anlagen- und Feuerungstechnik verbunden.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
49
6.4.3 Wirkungen hinsichtlich der Ökoeffizienz 6.4.3.1
Szenario 1: Gemeinsame Verwertung von Rinde/Holzresten und Deinkingrückständen sowie separate Verwertung von Sortierrückständen
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.23 zeigt neben dem bestehenden das optimierte Entsorgungssystem von Szenario 1, in dem Deinkingrückstände und Rinde/Holzreste gemeinsam in einer KWK-Anlage sowie Sortierrückstände separat in einer zweiten KWK-Anlage pro Cluster innerbetrieblich energetisch verwertet werden. -600
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
0
300
600
niedrige Ökoeffizienz 4
2
0
-2
-4
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem Optimierte Reststoffverwertung - Szenario 1
Abbildung .23:
Ökoeffizienz-Portfolio des bestehenden Entsorgungssystems und des Szenarios 1 Szenario 1: - Innerbetriebliche Verwertung von insgesamt 991.407 t Deinkingrückständen und Rinde/Holzresten bei der Papierfabrik pro Cluster, in der die größte Reststoffmenge anfällt (dies sind gleichzeitig die Papierfabriken mit dem größten Energiebedarf) - Innerbetriebliche Verwertung von insgesamt 138.263 t Sortierrückständen bei der Papierfabrik pro Cluster, in der die größte Reststoffmenge anfällt - Verwertung von insgesamt 174.675 t Verbrennungsrückständen und 85.736 t ARA-Rückständen wie im bestehenden Entsorgungssystem
Sowohl bei der Betrachtung der Umweltwirkung als auch der Kosten im Ökoeffizienz-Portfolio schneidet das Szenario 1 deutlich besser als das bestehende Entsorgungssystem ab. Die Entsorgungskosten würden um ca. 84 % sinken und die für fast alle betrachteten Wirkungskategorien und Einzelparameter bereits im bestehenden Entsorgungssystem ermittelten Entlastungen der Umwelt würden zwischen 6.361 Einwohnerwerten (Schwefeldioxidemissionen) und 27.744 Einwohnerwerten (Treibhauspotenzial) deutlich zunehmen. Lediglich bei den Cadmiumemissionen und beim Ozonbildungspotenzial wäre eine niedrigere Umweltentlastung zu erwarten. (vgl. Tabelle 6.8).
50
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Tabelle .8:
Gegenüberstellung der Umweltbe- und -entlastungen des bestehenden Entsorgungsmodells und der optimierten Reststoffverwertung im Szenario 1
Parameter
Bestehendes Entsorgungssystem
Optimierte Reststoffverwertung Szenario 1
Beitrag zur Umweltentlastung durch die optimierte Reststoffverwertung
Nicht aggregierte Werte Ammoniak
76.132 kg
18.152 kg
Cadmium
- 1,09 kg
- 0,52 kg
Stickoxide
- 137.952 kg
- 540.154 kg
Schwefeldioxid
- 497.546 kg
- 559.062 kg
Entlastung um 57.980 kg (7.639 EW) Belastung um 0,57 kg (4.360 EW) Entlastung um 402.201 kg (20.679 EW) Entlastung um 61.516 kg (6.361 EW)
Aggregierte Werte KEA gesamt
- 7,4 Mio. GJ
- 11,6 Mio. GJ
- 337,7 Mio. kg
- 665,3 Mio. kg
- 438.022 kg
- 892.292 kg
8.408 kg
- 63.939 kg
- 31.658 kg
- 30.922 kg
Treibhauspotenzial [CO2Äquivalente] Versauerungspotenzial [SO2Äquivalente] Eutrophierungspotenzial terrestrisch [PO4-Äquivalente] Fotooxidantienbildung [EthenÄquivalente]
6.4.3.2
Entlastung um 4,2 Mio. kg (23.782 EW) Entlastung um 327,6 Mio. kg (27.744 EW) Entlastung um 454.270 kg (11.161 EW) Entlastung um 72.347 kg (13.886 EW) Belastung um 736 kg (85 EW)
Szenario 2: Gemeinsame Verwertung von Sortier- und Deinkingrückständen sowie separate Verwertung von Rinde/Holzresten
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.24 zeigt neben dem bestehenden Entsorgungssystem und dem Szenario 1 (vgl. Abschnitt 6.4.1) das optimierte Entsorgungssystem von Szenario 2, in dem Deinking- und Sortierrückstände gemeinsam in einer KWK-Anlage sowie Rinde/Holzreste separat in einer zweiten KWK-Anlage pro Cluster innerbetrieblich energetisch verwertet werden.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
-600
51
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
0
300
600
niedrige Ökoeffizienz 4
2
0
-2
-4
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem Optimierte Reststoffverwertung - Szenario 1 Optimierte Reststoffverwertung - Szenario 2 Abbildung .24:
Ökoeffizienz-Portfolio des bestehenden Entsorgungssystems und der Szenarien 1 und 2 Szenario 2: - Innerbetriebliche Verwertung von insgesamt 950.315 t Deinking- und Sortierrückständen bei der Papierfabrik pro Cluster, in der die größte Reststoffmenge anfällt (dies sind gleichzeitig die Papierfabriken mit dem größten Energiebedarf) - Innerbetriebliche Verwertung von insgesamt 179.355 t Rinde/Holzresten bei der Papierfabrik pro Cluster, in der die größte Reststoffmenge anfällt - Verwertung von insgesamt 174.675 t Verbrennungsrückständen und 85.736 t ARA-Rückständen wie im bestehenden Entsorgungssystem
Wie das Szenario 1 weist auch das Szenario 2 im Ökoeffizienz-Portfolio eine deutlich bessere Ökoeffizienz als das bestehende Entsorgungssystem auf. Im Vergleich zum Szenario 1 ist es aber praktisch gleichwertig, schneidet allerdings hinsichtlich der Entsorgungskosten etwas günstiger und hinsichtlich der Umweltwirkung etwas schlechter ab. Die bereits für das Szenario 1 ermittelte Kostensenkung könnte um weitere 2 % erhöht werden. Verantwortlich dafür ist die separate energetische Verwertung der Rinde/Holzreste. Da Rinde/Holzreste ein biogener Brennstoff ist, würde das EEG greifen. Damit kommt die energetische Rindenverwertung in den Genuss einer Grundvergütung für die erzeugte Strommenge von 7,91 Cent/kWh sowie einem KWK-Bonus für die erzeugte Wärmemenge von 2 Cent/kWh. An das ökologische Ergebnis des Szenarios 1 reicht das Szenario 2 nicht heran. Die Entlastung der Umwelt würde für alle betrachteten Wirkungskategorien und Einzelparameter zwischen einem Einwohnerwert (Ammoniakemissionen) und 1.432 Einwohnerwerten (Treibhauspotenzial) geringer ausfallen. (vgl. Tabelle 6.9).
52
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Tabelle .9:
Gegenüberstellung der Umweltbe- und -entlastungen der optimierten Reststoffverwertung im Szenario 2 und im bisher besten Szenario 1
Parameter
Optimierte Reststoffverwertung Szenario 1
Optimierte Reststoffverwertung Szenario 2
Beitrag zur Umweltentlastung durch die optimierte Reststoffverwertung im Szenario 2 gegenüber Szenario 1
Nicht aggregierte Werte Ammoniak
18.152 kg
18.153 kg
Cadmium
- 0,52 kg
- 0,52 kg
Stickoxide
- 540.154 kg
- 522.083 kg
Schwefeldioxid
- 559.062 kg
- 548.053 kg
Belastung um 1 kg (< 1 EW) Belastung um 0,002 kg (17 EW) Belastung um 18.071 kg (929 EW) Belastung um 11.009 kg (1.138 EW)
Aggregierte Werte KEA gesamt
- 11,6 Mio. GJ
- 11,4 Mio. GJ
- 665,3 Mio. kg
- 648,4 Mio. kg
- 892.292 kg
- 868.160 kg
- 63.939 kg
- 61.590 kg
- 30.922 kg
- 30.290 kg
Treibhauspotenzial [CO2Äquivalente] Versauerungspotenzial [SO2Äquivalente] Eutrophierungspotenzial terrestrisch [PO4-Äquivalente] Fotooxidantienbildung [EthenÄquivalente]
6.4.3.3
Belastung um 155.135 GJ (889 EW) Belastung um 16,9 Mio. kg (1.432 EW) Belastung um 24.132 kg (593 EW) Belastung um 2.349 kg (451 EW) Belastung um 633 kg (73 EW)
Szenario 3: Gemeinsame innerbetriebliche energetische Verwertung von Rinde/Holzresten, Sortier- und Deinkingrückständen
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 6.25 zeigt neben dem bestehenden Entsorgungssystem und den Szenarien 1 und 2 (vgl. Abschnitte 6.4.1 und 6.4.3.2) das optimierte Entsorgungssystem von Szenario 3, in dem Rinde/Holzreste, Deinking- und Sortierrückstände gemeinsam in einer KWK-Anlage pro Cluster innerbetrieblich energetisch verwertet werden.
53
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
-600
hohe Ökoeffizienz
-500
0
300
600
niedrige Ökoeffizienz 4
2
0
-2
-4
Ökologie-Index Punkte
Ökologie-Index Punkte
-300
-450
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem Optimierte Reststoffverwertung - Szenario 1 Optimierte Reststoffverwertung - Szenario 2 Optimierte Reststoffverwertung - Szenario 3
Abbildung .25:
-400 1
0,5
0
Kosten Punkte
Ökoeffizienz-Portfolio des bestehenden Entsorgungssystems und der Szenarien 1, 2 und 3 Szenario 3: - Innerbetriebliche energetische Verwertung von insgesamt 1.129.670 t Rinde/Holzresten, Deinking- und Sortierrückständen bei der Papierfabrik pro Cluster, in der die größte Reststoffmenge anfällt (dies sind gleichzeitig die Papierfabriken mit dem größten Energiebedarf) - Verwertung von insgesamt 174.675 t Verbrennungsrückständen und 85.736 t ARA-Rückständen wie im bestehenden Entsorgungssystem
Wie die beiden Szenarien 1 und 2 weist auch das Szenario 3 eine deutlich bessere Ökoeffizienz als das bestehende Entsorgungssystem auf. Im Vergleich der drei optimierten Reststoffverwertungsszenarien untereinander sind die Szenarien praktisch gleichwertig. Eine genauere Betrachtung zeigt aber, dass das Szenario 3 bei den Kosten zwischen den beiden anderen Szenarien liegt , jedoch bei der Umweltwirkungen am günstigsten abschneidet. Die Höhe der Umweltentlastungen durch das bisher ökologisch beste Szenario 1 könnte durch das Szenario 3 zwischen 78 Einwohnerwerten (Ozonbildungspotenzial) und 2.498 Einwohnerwerten (Treibhauspotenzial) weiter verbessert werden. Lediglich für Cadmium- und Ammoniakemissionen würde die Umweltentlastung des Szenarios 1 geringfügig verfehlt werden.
54
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Tabelle .10: Gegenüberstellung der Umweltbe- und -entlastungen der optimierten Reststoffverwertung im Szenario 3 und im bisher besten Szenarios 1
Parameter
Optimierte Reststoffverwertung Szenario 1
Optimierte Reststoffverwertung Szenario 3
Beitrag zur Umweltentlastung durch die optimierte Reststoffverwertung im Szenario 3 gegenüber Szenario 1
Nicht aggregierte Werte Ammoniak
18.152 kg
18.157 kg
Cadmium
- 0,52 kg
- 0,50 kg
Stickoxide
- 540.154 kg
- 561.651 kg
Schwefeldioxid
- 559.062 kg
- 578.033 kg
Belastung um 5 kg (< 1 EW) Belastung um 0,02 kg (121 EW) Entlastung um 21.497 kg (1.105 EW) Entlastung um 18.971 kg (1.962 EW)
Aggregierte Werte KEA gesamt
- 11,6 Mio. GJ
- 11,8 Mio. GJ
- 665,3 Mio. kg
- 694,8 Mio. kg
- 892.292 kg
- 927.157 kg
- 63.939 kg
- 66.732 kg
- 30.922 kg
- 31.598 kg
Treibhauspotenzial [CO2Äquivalente] Versauerungspotenzial [SO2Äquivalente] Eutrophierungspotenzial terrestrisch [PO4-Äquivalente] Fotooxidantienbildung [EthenÄquivalente]
Entlastung um 266.210 GJ (1.525 EW) Entlastung um 29,5 Mio. kg (2.498 EW) Entlastung um 34.865 kg (857 EW) Entlastung um 2.793 kg (536 EW) Entlastung um 675 kg (78 EW)
6.4.4 Zwischenfazit Die gemeinsame innerbetriebliche energetische Verwertung von Rinde/Holzreste, Deinking- und Sortierrückständen in jeweils einer KWK-Anlage pro Cluster weist mit allerdings eher geringfügigen Unterschieden zu den beiden anderen Szenarien die höchste Ökoeffizienz der untersuchten Szenarien auf. Alle drei Szenarien sind unter Kosten- und Umweltgesichtspunkten deutlich besser als die Ausgangssituation.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
7
55
Fazit
7.1
Konzept für ein optimiertes Entsorgungssystem
Auf Basis der Ökoeffizienzvergleiche verschiedener Entsorgungsvarianten im Abschnitt 6 wurde ein Konzept für ein optimiertes Entsorgungssystem für die Reststoffe aus der Papierindustrie entwickelt, das folgendermaßen charakterisiert ist: • Gemeinsame innerbetriebliche energetische Verwertung von Rinde, Deinkingrückständen und Sortierrückständen aus der Altpapieraufbereitung in drei KWK-Anlagen (pro Cluster eine Anlage), in denen ganzjährige und umfassende Abwärmenutzung gewährleistet ist, •
Verwertung der Verbrennungsrückstände in der Zementindustrie und
•
Verwertung der Rückstände aus der Abwasserreinigung in der Ziegelindustrie.
Das Ökoeffizienz-Portfolio in Abbildung 7.1 zeigt dieses optimierte sowie das bestehende Entsorgungssystem. -600
hohe Ökoeffizienz
Ökologie-Index Punkte
-300
0
300 niedrige Ökoeffizienz
600 4
2
0
-2
-4
Kosten Punkte
Bestehendes Entsorgungssystem Konzept für ein optimiertes Entsorgungssystem Abbildung .1:
Ökoeffizienz-Portfolio des bestehenden und des optimierten Entsorgungssystems für die Reststoffe der bayerischen Papierindustrie
Sowohl hinsichtlich der Umweltwirkung als auch der Kosten schneidet das optimierte Entsorgungssystem im Ökoeffizienz-Portfolio deutlich günstiger ab als das bestehende.
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Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Die Entsorgungskosten lägen um mehr als 90 % niedriger, und die für fast alle betrachteten Wirkungskategorien und Einzelparameter bereits im bestehenden Entsorgungssystem ermittelten Entlastungen der Umwelt würden noch einmal deutlich gesteigert (zwischen 2.520 Einwohnerwerten (Ozonbildungspotenzial) und 158.171 Einwohnerwerten (Schwefeldioxidemissionen)). Ammoniakemissionen würden zwar weiterhin eine Belastung der Umwelt darstellen, wären aber um 7.787 Einwohnerwerte geringer. Für das terrestrische Eutrophierungspotenzial würde dagegen aus einer Umweltbelastung eine -entlastung werden (vgl. Tabelle 7.1). Die Kostendaten zu den hier angenommenen fiktiven innerbetrieblichen KWK-Anlagen weisen jedoch deutliche Unsicherheiten auf. Eine Kalkulation vor dem Hintergrund eines realen betrieblichen Umfelds kann zu abweichenden Zahlen führen. Die sehr deutliche Differenz zum Ist-Zustand zeigt aber, dass in jedem Fall die Bündelung von Reststoffströmen über die Unternehmensgrenzen hinaus nicht nur ein Umweltentlastungs- sondern auch ein erhebliches Kostensenkungspotenzial aufweist. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die für das optimierte Entsorgungssystem angegebenen Kosten dann anfallen würden, wenn das Entsorgungssystem über längere Zeit so wie beschrieben gewachsen wäre. Umstellungskosten sind dabei nicht berücksichtigt. Tabelle .1:
Gegenüberstellung der Umweltbe- und -entlastungen des bestehenden und des optimierten Entsorgungssystems für die Reststoffe der bayerischen Papierindustrie
Parameter
Bestehendes Entsorgungssystem
Optimiertes Entsorgungssystem
Beitrag zur Umweltentlastung durch das optimierte Entsorgungssystem
Nicht aggregierte Werte Ammoniak
76.132 kg
17.026 kg
Cadmium
- 1,09 kg
- 1,87 kg
Stickoxide
- 137.952 kg
- 1,33 Mio. kg
Schwefeldioxid
- 497.546 kg
- 2,03 Mio. kg
Entlastung um 59.107 kg (7.787 EW) Entlastung um 0,78 kg (6.034 EW) Entlastung um 1,19 Mio. kg (61.181 EW) Entlastung um 1,53 Mio. kg (158.171 EW)
Aggregierte Werte KEA gesamt
- 7,4 Mio. GJ
-1 3,9 Mio. GJ
- 337,7 Mio. kg
- 950,1 Mio. kg
- 438.022 kg
- 2,92 Mio. kg
8.408 kg
- 166.793 kg
- 31.658 kg
- 53.404 kg
Treibhauspotenzial [CO2Äquivalente] Versauerungspotenzial [SO2Äquivalente] Eutrophierungspotenzial terrestrisch [PO4-Äquivalente] Fotooxidantienbildung [EthenÄquivalente]
Entlastung um 6,5 Mio. kg (37.270 EW) Entlastung um 612,3 Mio. kg (51.871 EW) Entlastung um 2,48 Mio. kg (60.966 EW) Entlastung um 175.147 kg (33.618 EW) Entlastung um 21.746 kg (2.520 EW)
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
7.2
57
Schlussfolgerungen
Die Ergebnisse in Abschnitt 5 zeigen, dass schon mit dem bestehenden Entsorgungssystem im Jahre 2004 durch die fast vollständige Verwertung der Reststoffe eine Entlastung der Umwelt erreicht wurde. Gleichwohl zeigt die detaillierte Analyse des bestehenden Entsorgungssystems, dass sowohl ökologisch als auch betriebswirtschaftlich erhebliche Optimierungspotenziale bestehen. Dabei weisen die ökologischen und betriebswirtschaftlichen Effekte der untersuchten Optimierungsansätze in die gleiche Richtung. Die Untersuchung hat ergeben, dass für eine ökologische und betriebswirtschaftliche Verbesserung des bestehenden Systems folgende Ansatzpunkte bestehen: 1. Schon durch eine Verschiebung von Stoffströmen zwischen bestehenden Entsorgungswegen ergibt sich ein Kostensenkungspotenzial in Höhe von etwa 25 %. Nicht brennbare Verbrennungsrückstände sollten hierbei bevorzugt in der Zementindustrie, Rückstände aus der Abwasserreinigung insbesondere in der Ziegelindustrie verwertet werden. Wesentliche Verbesserungen der Energieausbeute mit entsprechenden betriebswirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen können erzielt werden, wenn ein größerer Teil der Fraktionen Rinde/Holzreste, Deinking- und Sortierrückstände der energetischen Verwertung zugeführt wird. 2. Eine erhebliche Steigerung der Energieeffizienz ist möglich, wenn die energetische Verwertung in größerem Maße als bisher an Standorten mit hohem ganzjährigem Wärmebedarf erfolgt. Papierfabriken mit hohem Reststoffaufkommen haben sich dabei als vorteilhafte Standorte erwiesen. 3. Darüber hinaus bietet die Zusammenführung gleichartiger Reststoffe aus mehreren Papierfabriken die Möglichkeiten, größere Verbrennungsanlagen zu nutzen. Die dadurch gegebenen Skaleneffekte bedingen eine höhere Energieeffizienz und günstigere spezifische Kosten als dies bei kleineren Anlagen der Fall ist. 4. Schließlich können diese Skaleneffekte noch weiter gesteigert werden, indem verschiedenartige Reststoffe, also Rinde/Holzreste, Deinking- und Sortierrückstände, aus mehreren Papierfabriken gemeinsam energetisch verwertet werden. Transportentfernungen haben einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die ökologischen Effekte der Entsorgung heizwertarmer Reststoffe (ARA-, Verbrennungs- und Deinkingrückstände); für die heizwertreichen Reststoffe (Sortierrückstände und Rinde/Holzreste) ist der Einfluss hingegen nur gering. Die Senkung der Entsorgungskosten im diese Ansätze zusammenführenden Konzept für ein optimiertes Entsorgungssystem auf weniger als ca. 10 % der Kosten im Jahr 2004 ist hauptsächlich auf die vermehrte innerbetriebliche energetische Verwertung in großen KWK-Anlagen mit ganzjähriger und umfassender Abwärmenutzung zurückzuführen. Diese Kostendifferenz resultiert aus einem ÖkoeffizienzVergleich des bestehenden Entsorgungssystems der bayerischen Papierindustrie mit der Annahme eines über Jahre hin gewachsenen optimalen Systems.
58
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
Die Frage, welche Umstellungskosten mit der Umsetzung des Modells verbunden wären, ist damit noch nicht beantwortet. Um zu ermitteln, in welchem Umfang diese Kostensenkungspotenziale realisiert werden können, sind weitere Analysen erforderlich. Dabei sind vielfältige Randbedingungen zu berücksichtigen, wie Stilllegungskosten bzw. Restabschreibungen bestehender Anlagen oder längerfristige vertragliche Bindungen sowie angestrebte Amortisationszeiten. Der Kapitalbedarf für den Bau der zentralen energetischen Verwertungsanlagen läge dabei im Fall einer vollständigen Umsetzung in Bayern im deutlich dreistelligen Millionenbereich. Zu beachten sind ferner mögliche Limitierungen, die in der Zement- und Ziegelindustrie hinsichtlich ihrer Rezepturen und Kapazitäten für zusätzliche Reststoffmengen aus der Papierindustrie bestehen. Die Gleichsinnigkeit und die Deutlichkeit der ökologischen wie der betriebswirtschaftlichen Bewertung zeigen, dass die Frage, auf welche Weise, mit welchem Zeithorizont und in welchem Umfang eine Annäherung an dieses idealisierte Modell realisiert werden kann, eine gründliche Prüfung wert ist. Ein Teil der Vorschläge dürfte problemlos und zeitnah umsetzbar sein. Andere Maßnahmen sollten eher mittelfristig in Betracht gezogen werden, etwa dann, wenn Anlagen stillgelegt oder neu gebaut werden müssen. Und schließlich wird es Fälle geben, in denen sich eine Umsetzung aufgrund der spezifischen Rahmenbedingungen als nicht realisierbar erweist. Die hier vorlegte Potenzialanalyse sollte daher als Grundlage für eine systematische und ergebnisoffene Strategiediskussion genutzt werden.
Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen
59
Literatur
Literatur [AUKSUTAT & LÖFFLER 1998] Auksutat, M.; Löffler, R.: Kostenstrukturuntersuchung von Abfallbeseitigungsverfahren. Goepfert, Reimer & Partner Ingenieurgesellschaft mbH und uve Umweltmanagement & -planung GmbH im Auftrag des Umweltbundesamtes, UBA-Texte 30/98, Berlin 1998 [BDZ & VDZ 2002] Bundesverband der Deutschen Zementindustrie e.V., Verein Deutscher Zementwerke e.V. (Hsg.): Zementrohstoffe in Deutschland. Köln und Düsseldorf 2002 [BECK 2007] Beck, R.: persönliche Mitteilungen. Landesamt für Umwelt, Augsburg 2007 [BMWA 2003] - Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit: Energieindikatoren Deutschland, Stand April 2003. Berlin 2003 [CHRYSSOS 1996] Chryssos, G.: Reststoffsituation in der deutschen Papierindustrie. In Murr, J.; Chryssos, G. (Hrg.): Abfallwirtschaft in der Papierindustrie: Vermeidung, Verwertung und Entsorgung papiertechnischer Reststoffe. Papiertechnische Stiftung, München 1996 [DIN 1997] Deutsches Institut für Normung DIN e.V.: DIN EN ISO 14040 - Umweltmanagement - Produkt-Ökobilanz - Prinzipien und allgemeine Anforderungen. Beuth Verlag, Berlin 1997 [DIN 1998] Deutsches Institut für Normung DIN e.V.: DIN EN ISO 14041 - Umweltmanagement - Ökobilanz - Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens sowie Sachbilanz. Beuth Verlag, Berlin 1998 [DIN 2000] Deutsches Institut für Normung DIN e.V.: DIN EN ISO 14042 - Umweltmanagement - Ökobilanz - Wirkungsabschätzung. Beuth Verlag, Berlin 2000 [DIN 2000A] Deutsches Institut für Normung DIN e.V.: DIN EN ISO 14043 - Umweltmanagement - Ökobilanz - Auswertung. Beuth Verlag, Berlin 2000 [HANECKER 1996] Hanecker, E.: Möglichkeiten der stofflichen Verwertung von Deinkingreststoffen. In Murr, J.; Chryssos, G. (Hrg.): Abfallwirtschaft in der Papierindustrie: Vermeidung, Verwertung und Entsorgung papiertechnischer Reststoffe. Papiertechnische Stiftung, München 1996 [HUGENROTH 1996] Hugenroth, B.: Hochtemperatur-Vergasung von papiertechnischen Reststoffen. In Murr, J.; Chryssos, G. (Hrg.): Abfallwirtschaft in der Papierindustrie: Vermeidung, Verwertung und Entsorgung papiertechnischer Reststoffe. Papiertechnische Stiftung, München 1996 [IWT 2006] Institut für Wärmetechnik: Dezentrale Einspeisung von Erneuerbaren Energieträgern in Fernwärmenetze und Möglichkeiten der Biomasse KWK. Stand 2006, http://www.energiesystemederzukunft.at, download 2007 [KOLSHORN & FEHRENBACH 2000] Kolshorn, K.-U.; Fehrenbach H.: Ökologische Bilanzierung von AltölVerwertungswegen. Ufoplan-Nr. 29792382/01, Umweltbundesamt, Berlin 2000 [LAYER ET AL. 1999] Layer, G.; Matula, F.; Saller, A., Rahn, R..: Ermittlung von Energiekennzahlen für Anlagen, Herstellungsverfahren und Erzeugnisse. Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. im Auftrag der Umweltbundesamtes, München 1999 [MEYERS 2007] http://lexikon.meyers.de
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Ökoeffizienzanalyse von Stoffströmen der Papierindustrie Teil 1: Umgang mit Reststoffen Literatur
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