Alternative Nutzung von Reststoffen aus der Papiererzeugung

Alternative Nutzung von Reststoffen aus der Papiererzeugung vor dem Hintergrund steigender Preise in der energetischen Verwertung Christina Dornack und Wolfram Dietz

1. Einleitung......................................................................................................573 1.1.

Stoffliche Nutzung von Biomasse...............................................................573

1.2. Papierindustrie.............................................................................................574 2.

Reststoffe der Papiererzeugung..................................................................575

2.1.

Zusammensetzung und Menge .................................................................575

2.2. Eigenschaften................................................................................................576 3.

Verwertungswege für Reststoffe der Papierherstellung...........................577

3.1.

Derzeitige Entsorgungswege und Kostensituation..................................577

3.2.

Zukünftige Verwertungsoptionen für Reststoffe der Papierindustrie...578

4.

Schlussfolgerungen und Ausblick..............................................................583

5. Literatur.........................................................................................................584

1. Einleitung 1.1. Stoffliche Nutzung von Biomasse Biomasse steht im Fokus politischer und industrieller Bestrebungen, den Einsatz von Erdöl, Erdgas und Kohle zurückzudrängen und die Belastung der Atmosphäre mit fossilem CO2 zu begrenzen. Politische Vorgaben zielten bislang fast ausschließlich auf den Energiebereich. Um die stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe 573

Papier

Mit einer Altpapiereinsatzquote von 74 Prozent (D 2013) nähert sich die Papierindustrie einer Kreislaufwirtschaft an, in der die Produktprodukte nach der Nutzungsphase wieder Faserrohstoffe sind. Um die Produktqualitäten zu erhalten, besteht jedoch die Notwendigkeit, Fasern nach mehrfacher Nutzung aus dem Kreislauf auszusondern. Zudem müssen papierfremde Bestandteile aus dem Altpapier abgetrennt werden. Hierdurch entstehen Reststoffe. In der deutschen Papierindustrie fallen jährlich ungefähr 4,8 Millionen Tonnen an Reststoffen an. Für die Entsorgung dieser Rückstände entstehen den Papierfabriken erhebliche Kosten. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Reststoffsituation der Papierindustrie am Beispiel Deutschland und stellt folgend neue Verwertungsoptionen vor.

Christina Dornack, Wolfram Dietz

voranzubringen – und um weitergehend der stofflichen Nutzung von Biomasse ein Primat gegenüber der energetischen zu verleihen – bedarf es gesellschaftlicher und politischer Kursanpassungen. Die stoffliche Nutzung lässt dazu deutlich höhere makroökonomische Effekte für Beschäftigung und Wertschöpfung erwarten als die energetische Nutzung. Als Voraussetzung für die notwendigen Umstellungen gilt es, umfassend zu erfassen, welche Biomassen zu Verfügung stehen und für welche Anwendungen sich diese passgenau eignen. Biomassehaltige Abfälle und bisher unzureichend genutzte Nebenströme versprechen hierbei die stärkste Umwelt-Entlastung. Es gibt einige technische Ansätze für die Nutzung von Abfällen und Reststoffen. Projekte wie BERBION [7, 8] stehen für ein Bioraffinerie-Projekt zur effizienten stofflichen und energetischen Nutzung regionaler Bioressourcen im städtischen Umfeld. Erfolgversprechende Ergebnisse wurden in der energetischen Nutzung der biogenen Reststoffe erzielt. Einen maßgeblichen Ersatz für fossile Rohstoffe stellen biogene Reststoffe in Raffinerie-Prozessen derzeit nicht dar. Um eine Biomasse- oder Reststoffverwertung wirtschaftlich betreiben zu können, bedarf es aufgrund von Investitions- und nicht skalierbarer Betriebskosten einer Mindest-Anlagengröße. Mit der Anlagengröße steigt jedoch auch der Transportaufwand zur Beschaffung. Hinzu kommen oft logistische Herausforderungen, die aus einem saisonalen Anfall der Rohstoffe resultieren. Nicht zwangsläufig findet sich für eine technologisch brillante Idee auch ein wirtschaftliches Optimum.

1.2. Papierindustrie Im Jahr 2014 produzierte die deutsche Papierindustrie 22,5 Millionen Tonnen Papier, Pappe und Karton [12]. In Deutschland und weltweit ist Altpapier der wichtigste Rohstoff zur Papiererzeugung. Mit einer Altpapiereinsatzquote von 74 Prozent – entsprechend 16,5 Millionen Tonnen Altpapier – nimmt die deutsche Papierindustrie im internationalen Vergleich eine Spitzenstellung ein. Die Papierindustrie nähert sich damit einer Kreislaufwirtschaft an. Zahlreiche Papierprodukte, z.B. Zeitungen und viele Verpackungspapiere, werden heute ausschließlich aus dem Faserrohstoff Altpapier hergestellt. Der Vergleich der Altpapierbilanzen in den letzten 20 Jahren [1] zeigen einen Anstieg in der Altpapierverwertung durch die getrennte Sammlung und eine Verringerung der Menge an Altpapier im Abfallwirtschaftssystem (Tabelle 1).

Papier

Verände1992 2011 Altpapiermengen rung

Millionen Tonnen

Papier/Pappe-Erzeugung

12,9

22,7

75

Abfallpapier beim Endverbraucher

12,3

16,7

36

Nicht verwertbares Abfallpapier beim Endverbraucher

0,7 1,9 174

getrennt gesammeltes Altpapier Haushalt und Gewerbe

6,8 13,8 104

Altpapier in der Abfallentsorgung

5,5

574

2,8

Tabelle 1:

%

-48

Vergleich der bundesweiten Altpapierbilanzen 1992 und 2011 Quelle: Bilitewski, B.; Kügler, T. im Auftrag des VDP: Die Wertschöpfungskette Papier. Entwicklung und Perspektiven. Vortrag Kooperationsforum der PTS – 7. März 2014

Alternative Nutzung von Reststoffen aus der Papiererzeugung

Um die Produktqualitäten zu erhalten, müssen Fasern jedoch nach mehrfacher Nutzung aus dem Kreislauf ausgesondert werden. Dies geschieht vorrangig in der Stoffaufbereitung der Papierfabriken durch Hydrozyklone und Nass-Siebung in Drucksortierern. Das Altpapier als wesentlicher Rohstoff bedingt also einen hohen Reinigungsaufwand, und Reststoffe entstehen. Dabei steigen die Reststoffmengen über die Jahre. Wesentliche Ursachen sind eine steigende Altpapiereinsatzquote und zunehmende Anteile von Mineralstoffen und von papierfremden Stoffen im Altpapier.

2. Reststoffe der Papiererzeugung 2.1. Zusammensetzung und Menge Vor diesem Hintergrund sollen die Reststoffe der Papierindustrie betrachtet und charakterisiert werden. Sie weisen signifikante Biomasse-Anteile auf und entstehen kontinuierlich in großen Mengen an zentralen Orten. Im Jahr 2013 fielen in der deutschen Papierindustrie 4,8 Millionen Tonnen an Reststoffen an [6]. Auf die einzelne Fabrik bezogen ist deren Art und Menge abhängig von den eingesetzten Rohstoffen, von der installierten Anlagentechnik und von den Anforderungen an die Papierprodukte. Die Anteile an abzutrennenden störenden Bestandteilen liegen für Verpackungspapiere bei zehn Prozent, für Recycling-Hygienepapiere beispielsweise bei bis zu dreißig Prozent. Holzreste – z.B. Rinden, Sägemehl – fallen vor allem in Zellstofffabriken und in Papierfabriken an, in denen Holzstoff hergestellt wird.

Papierfremde Bestandteile im Altpapier haben einen entscheidenden Einfluss auf die Menge der anfallenden Rejekte und deren Zusammensetzung. Sie gelangen durch die Papierverarbeitung und -nutzung in den Kreislauf und werden bei der Aufbereitung von Altpapier wieder aus dem Kreislauf ausgeschleust. Typische papierfremde Bestandteile sind z.B. Metallklammern, Kunststofffolien, Kleber, Sand und Papiere. Feinrejekte sind vor allem stark verkürzte Faserbestandteile und mineralische Feststoffe wie Füllstoffe und weitere Additive, die in der Papiererzeugung eingesetzt werden. Deinkingschlämme aus Flotations- und Waschprozessen enthalten Füllstoffe, Druckfarben, Pigmente und Feinstoffe. Weiterhin entstehen Schlämme in der Abwasseraufbereitung, v.a. in der biologischen Stufe. 575

Papier

Rückstände aus der Altpapieraufbereitung sind sogenannte Rejekte (Grob- und Feinrejekte) und Deinkingschlämme. Die größten Anteile an den in Deutschland anfallenden Reststoffen (ohne Aschen; Feuchtmasse) stellen mit 53 Prozent die Faserabfälle und -schlämme (AVV 03 03 10). Diese bestehen vorrangig aus Feinrejekten, den abgetrennten Fraktionen aus der Feinsortierung der Altpapier-Stoffsuspension. Danach folgen mit 21 Prozent Deinkingschlämme aus der Druckfarbenentfernung von Altpapier (AVV 03 03 05) [6].

Christina Dornack, Wolfram Dietz

Bei der Verwertung der Reststoffe im eigenen Kraftwerk entstehen in der Papierfabrik weiterhin Verbrennungsaschen und -schlacken. In der Kategorie der anderen Abfälle sind chemische Rückstände, Altöl, Verschleißmaterialien und gefährliche Abfälle zusammengefasst. Die Zusammensetzung der Reststoffe aus der Papier- und Zellstoffherstellung ist im Bild 1 dargestellt. Schlämme aus der Abwasserreinigung

Faserabfälle und -schlämme 37 %

7% Sonstige Abfälle

Abfälle aus der Auflösung von Papierund Pappeabfällen

1% Rinden- und Holzabfälle

10 %

17 % Abfälle aus dem Sortieren von Papier und Karton für das Recycling

Deinkingschlämme 28 %

Bild 1:

0%

Aufkommen und Verbleib der Rückstände aus der deutschen Papier-Zellstoffindustrie 2013

adaptiert nach: Jung, H.; Kappen, J.; Hesse, A.; Götz, B.: Rückstandsumfrage 2013 – Aufkommen und Verbleib der Rückstände aus der Papier- und Zellstoffindustrie. Wochenblatt für Papierfabrikation 10, 2014, S. 628-630

2.2. Eigenschaften Feinrejekte und Deinkingschlämme weisen typische Trockengehalte um 45 Prozent bzw. 60 Prozent auf. Der Gehalt an Faserstoff oder Faserfeinstoff liegt bei 40 Prozent bzw. 25 Prozent, der anorganische Anteil bei 40 Prozent bzw. 70 Prozent (Bild 2). Die Werte variieren stark nach Werk und Produkt.

Grobrejekt Feinrejekt Deinkingschlämme

Papier

Abwasserreinigungsschlämme 0%

50 %

100 %

150 %

200 %

250 %

300 %

Anteil an Trockensubstanz Anorganik

Bild 2:

Faser-/Feinstoff

Andere Organik

Wasser

Typische Zusammensetzung von Reststoffen der Papierindustrie

Quelle: Dietz, W.: Reststoffe der Papiererzeugung - Status Quo. In: PTS-Fachseminar RK 1526: Neue biogene Rohstoffe, Wertschöpfung aus Reststoffen. München, Deutschland, PTS, 2015

576

Alternative Nutzung von Reststoffen aus der Papiererzeugung

Grobrejekte aus der ersten Nasssortierung des Altpapierstoffs sind kunststoffhaltig und haben vergleichsweise hohe Heizwerte; jedoch gehen diese einher mit hohen Chlorfrachten. Feinrejekte, Deinkingschlämme und Bio-Schlämme aus der Abwasserreinigung weisen aufgrund ihres hohen Wasser- und Aschegehaltes niedrige Heizwerte auf (Tabelle 2). Spuck- Fang- Deinking- BioEinheit stoff stoff Schlamm schlamm Heizwert MJ/kg 13,5

4,2

3,8

0,4

Asche

20

35

8,5

%

6

Wasser % 39 50 35 78

Tabelle 2: Charakteristika einzelner Reststoffe der Papiererzeugung

Quelle: Sommer, J., Trumpf, R. & Haas, A.: Reststoffverwertung in der Papierindustrie am Beispiel des Heizkraftwerkes Wörth der Papierfabrik Palm – Konzept, Realisierung, Inbetriebnahme und erste Betriebserfahrungen. In: Berliner Abfallwirtschaftsund Energiekonferenz 28.-29.01.2009

3. Verwertungswege für Reststoffe der Papierherstellung 3.1. Derzeitige Entsorgungswege und Kostensituation Die Entsorgung der Reststoffe verursacht für die Papierhersteller Kosten von im Mittel 40–50 EUR/t, vereinzelt aber auch über 100 EUR/t. Mehr als die Hälfte der anfallenden Rückstände werden innerbetrieblich oder extern energetisch verwertet (Bild 3). Die Tendenz ist weiter steigend; mehr als 50 Prozent der Reststoffe in der Papierindustrie werden thermisch verwertet und zur Energiegewinnung genutzt (Bild 4). Zugrunde liegen unter anderem immer höhere Kosten für Energie und Brennstoffe. Externe energetische Verwertung 27 %

Innerbetriebliche energetische Verwertung 28 %

Deponie

Biologische Verwertung

1%

3%

Sonstige/keine Angaben 18 % Zementindustrie 9%

14 %

Verwertungswege für Reststoffe der Papierindustrie 2013

Quelle: Jung, H.; Kappen, J.; Hesse, A.; Götz, B.: Rückstandsumfrage 2013 – Aufkommen und Verbleib der Rückstände aus der Papier- und Zellstoffindustrie. Wochenblatt für Papierfabrikation 10, 2014, S. 628-630

Bei der stofflichen Verwertung sind die Zement- und Ziegelindustrie Hauptabnehmer für die Feinrejekte und Deinkingschlämme. Beim Einsatz in der Ziegelindustrie erhöhen die faserhaltigen Materialien die Trockenbruchfestigkeit ungebrannter Ziegel, Kaolin und Calciumcarbonat sind wünschenswerte Hilfsstoffe zur Verbesserung der 577

Papier

Bild 3:

Ziegelindustrie

Christina Dornack, Wolfram Dietz

rheologischen Eigenschaften und Reduzierung von Emissionen. Beim Einsatz in der Zementindustrie mindern die organischen Stoffe den Primärenergiebedarf im Drehrohrofen, die anorganischen Stoffe entsprechen weitgehend der Zusammensetzung der Zementrohstoffe. Als energieintensive Industrie ist die Zementindustrie an Sekundärbrennstoff mit hohem Brennwert interessiert. Anteil % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Bild 4: 1997

2001

2004

2007

2010

2013

Sonstige Verwertung/keine Angabe Zementindustrie Ziegelindustrie Biologische Verwertung Innerbetriebliche energetische Verwertung Externe energetische Verwertung Deponie

Entwicklung der Verwertungswege für Reststoffe der Papierindustrie 2013 Quelle: Jung, H.; Kappen, J.; Hesse, A.; Götz, B.: Rückstandsumfrage 2013 – Aufkommen und Verbleib der Rückstände aus der Papier- und Zellstoffindustrie. Wochenblatt für Papierfabrikation 10, 2014, S. 628-630

3.2. Zukünftige Verwertungsoptionen für Reststoffe der Papierindustrie

Papier

Angesichts hoher Entsorgungskosten suchen Papierfabriken nach neuen, wertsteigernden Verwertungswegen. Rückstände aus der Papiererzeugung insbesondere von altpapierverarbeitenden Papierfabriken haben aufgrund ihres hohen organischen Anteils Potenzial für den Einsatz in der Bioraffinerie. Da diese Reststoffe in hohen Mengen in den Papierfabriken anfallen sind sie für aufwändige Bioraffinerieprozesse besonders interessant. Durch eine Nutzbarmachung für andere Branchen oder für die stoffliche Verwertung in der Papierindustrie selbst kann der Verknappung von Ressourcen entgegen gewirkt werden. Die Papierindustrie sucht nach neuen Möglichkeiten für die Verwertung dieser Rückstände. Vielerlei Ansätze werden verfolgt, weitere stoffliche Potentiale der Rückstände zu nutzen. Forschungsarbeiten finden sich unter anderem zur werkstofflichen 578

Alternative Nutzung von Reststoffen aus der Papiererzeugung

Nutzung in Polymeren und Kompositen, zur Bioethanolproduktion, Herstellung von Adsorbern, Thermolyse zu Brennstoffen und zur Calciumcarbonat-Rückgewinnung. Folgend sollen zwei Entwicklungen vorgestellt werden, die neue Wege weisen. CalciTech SCC-Prozess Calciumcarbonat stellt insbesondere in den Deinkingschlämmen, also bei den Altpapier verarbeitenden Papierfabriken mit Druckfarbenentfernung, einen wesentlichen Anteil der anfallenden Schlämme. Die Industrie hat bis heute keine Möglichkeit gefunden, das Calciumcarbonat erfolgreich aus diesen Abfallströmen zurückzugewinnen. Kalkhaltige Sekundärrohstoffe Auflösung von CaO/ Ca(OH)2 mit Promotor

Gelöstes Calcium Abtrennung unlöslicher Bestandteile

CO2

Filterpresse und Wäsche

Rückführung von Promotor und Wasser

SCC Trockenprodukt

Bild 5:

Reaktion mit CO2 zu SCC

Trocknung auf 99,8 % TG

SCC-Slurry 72 % TG

Schematische Darstellung des Calcitech SCC Prozesses

CalciTech Synthetic Minerals Ltd. hat ein neuartiges, patentiertes Verfahren zur Erzeugung von feinpartikulärem synthetischem Calciumcarbonat (SCC) aus Branntkalk entwickelt. Das Verfahren umfasst nach einer Calcinierung eine Auflösung, die Rückfällung und verschiedene Reinigungsschritte (Bild 5). Neuere Untersuchungen im Labor- und Pilotmaßstab in Kooperation u. a. mit PTS zeigten: Die durch eine gezielte Verbrennung von Schlämmen der Papiererzeugung gewonnene Asche ist ein geeigneter Sekundärrohstoff zur Erzeugung von SCC. Die hochwertigen, reinweißen Pigmente lassen sich in der Papiererzeugung wiederverwenden. Gleichzeitig können abgetrennte Nebenbestandteile aus dem Verfahren als Zementbestandteile für die Baustoffindustrie aufbereitet werden. SCC kann herkömmliche Calciumcarbonat-Pigmente bei der Papierherstellung nach den vorliegenden Erkenntnissen ersetzen. Biotechnologische und chemische Umwandlungsverfahren Die Lignocellulose-Fraktion der Reststoffe aus der Papierherstellung enthält gegenüber Holz signifikant weniger Lignin und bietet sich daher besonders für zuckerchemische Umwandlungen im Rahmen einer Bioraffinerie an, um biobasierte Chemikalien zu gewinnen. 579

Papier

nach Higgs, R.; Roux, F.: Recovery of pure calcium carbonate from paper sludge ash. In: Hanecker, E.; Carré, B. (Hrsg.): 14. PTS CTP Deinking Symposium, München: PTS, 2010

Christina Dornack, Wolfram Dietz

Zu beachten sind die begleitenden mineralischen Anteile, die mechanisch nicht separiert werden können. Deren technische und wirtschaftliche Konsequenzen beim Einsatz als Rohstoff für Bioraffinerieprozesse, die für andere Biomassen etabliert sind, sind weitgehend ungeklärt. Mit zwei reaktiven Gruppen ist Lävulinsäure eine vielseitige Plattformchemikalie für zahlreiche Produkte. Die derzeitige fossil basierte Produktion von Lävulinsäure ist kostenintensiv und die aktuelle Nutzung beschränkt sich auf einige ausgewählte Anwendungen mit hohem Mehrwert. Lävulinsäure gilt als eine der 12 wirtschaftlich attraktivsten Plattformchemikalien auf Zuckerbasis. Rückstände aus der Papierindustrie eignen sich aufgrund ihres Zellulose- und Hemicellulosegehaltes für die Herstellung von Lävulinsäure (Bild 6).

Cellulose

Glucose

Bild 6:

HMF

Lävulinsäure Ameisensäure

Umsetzung von Cellulose zu Lävulinsäure

Quelle: Schütt, F.; Seidemann, C.; Kappen, J.: Entwicklung eines Verfahrenskonzeptes zur erstmaligen Koppelnutzung von Altpapier zur Verpackungspapier- und Lävulinsäureherstellung. Bericht zum Forschungsvorhaben IK-MF 100014, 2013, www. ptspaper.de

Feinrejekt

Papier

Saure Vorwäsche

SäureRückgewinnung

Säurehydrolyse/Umwandlung • HCl (20 %) • Flottenverhältnis 10:1 • 108 ºC (Normaldruck) • 6–8 h Filtration Volumenreduktion/ Extraktions-/ Destillationsschritte Lävulinsäure

580

Bild 7: Produktion von Lävulinsäure Lignin, Nebenprodukte (Huminstoffe) Ameisensäure

Quelle: Schütt, F.; Seidemann, C.; Kappen, J.: Entwicklung eines Verfahrenskonzeptes zur erstmaligen Koppelnutzung von Altpapier zur Verpackungspapierund Lävulinsäureherstellung. Bericht zum Forschungsvorhaben IK-MF 100014, 2013, www.ptspaper.de verändert nach Dahlmann: Notiz über die Darstellung von Lävulinsäure. Chemische Berichte 101, 1968, S. 4251-4253

Alternative Nutzung von Reststoffen aus der Papiererzeugung

In einem Projekt der Papiertechnischen Stiftung wurde die Machbarkeit eines einstufigen, rein säurekatalysierten Verfahrens belegt (Bild 7): Eine Herstellung von Lävulinsäure aus Feinrejekten war mit guter Ausbeute möglich. Basis der Versuche zur Umsetzung von Fasermaterial zu Lävulinsäure war die Vorschrift von Dahlmann (Bild 7). Die Hydrolyse findet bei diesem Modellverfahren unter Normaldruck statt. Der ofentrockene Rohstoff wird unter Zugabe von 20-prozentiger Salzsäure bei einer Temperatur von 108 °C für 6–8 Stunden hydrolysiert. Unter diesen Reaktionsbedingungen finden die Verzuckerungsreaktion und die gleichzeitige Umwandlung der gebildeten Monomere zu Lävulinsäure statt. Als Hydrolyserückstände verbleiben Lignin und Huminverbindungen. Diese werden abfiltriert und das Reaktionsgemisch wird auf 1/5 des Ausgangsvolumens eingeengt. Das Koppelprodukt Ameisensäure wird zusammen mit der Hydrolyseflüssigkeit abgeschieden. Die Salzsäure kann rückgewonnen und wiederverwendet werden. Für die Lävulinsäure-Extraktion wird ein Lösungsmittel zugesetzt. Nach der Extraktion wird das Lösungsmittel zusammen mit der Ameisensäure abdestilliert und die Lävulinsäure anschließend zur weiteren Aufreinigung vakuumdestilliert. In den Untersuchungen wurden mehrere Einstellungen getestet. Dabei war zu beachten, dass Calciumcarbonat die Wirkung der Säure herabsetzt. Durch eine vorgeschaltete saure Wäsche wurde Calciumcarbonat entfernt. Weiterhin waren aggressive Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Säureeinsatz für eine gute Ausbeute notwendig. Durch eine saure Vorwäsche konnten mildere Reaktionsbedingungen realisiert werden (Bild 8). Lävulinsäure % bezogen auf die theoretisch mögliche Ausbeute 70 60 50 40 30 20

0 p in bar T in ºC t in h Zugabe 20 %ig HCI

1,0 108 12

12,5 190 2

15,5 200 1

19,0 210 1

15,5 200 1

15,5 200 2

10,0 180 2

10,0 180 1

10:1

9:1

9:1

9:1

17:1

17:1

7:1

7:1

Referenzverfahren

Bild 8:

Erhöhung Druck, Temperatur, Säurekonzentration

Papier

10

saure Vorwäsche des Rohstoffes

Ausbeute an Lävulinsäure in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen

Quelle: Schütt, F.; Seidemann, C.; Kappen, J.: Entwicklung eines Verfahrenskonzeptes zur erstmaligen Koppelnutzung von Altpapier zur Verpackungspapier- und Lävulinsäureherstellung. Bericht zum Forschungsvorhaben IK-MF 100014, 2013, www.ptspaper.de

581

Christina Dornack, Wolfram Dietz

Die theoretisch maximal mögliche Ausbeute an Lävulinsäure, bezogen auf den Gehalt an polymeren Hexosen im Ausgangsstoff, beträgt 71,6 Prozent. Die restlichen 28,4 Prozent entfallen auf das Koppelprodukt Ameisensäure. Es können aus 1 kg trockenem Feinrejekt 0,26 kg Lävulinsäure und 0,09 kg Ameisensäure gewonnen werden. Dabei fallen etwa 0,65 kg Rückstand an. Aus Sicht der Papierhersteller geht es um eine Erweiterung des Kerngeschäftes in Richtung Bioraffinerie; gesamtwirtschaftlich zielt das Konzept auf eine Kaskadennutzung. In einer wirtschaftlichen Betrachtung wurde eine gezielte Abzweigung von bislang für die Papierherstellung genutzten Rohstofffraktionen betrachtet, um Freiheitsgrade der wirtschaftlichen Optimierung zu eröffnen. Über die prozesstechnischen Fragestellungen hinaus wurde ein entscheidendes Erfolgskriterium für jegliche Anlagen, die örtlich gebundene Abfallströme aufwerten sollen, analysiert: die Economy of Scales unter Berücksichtigung der regionalen Anbindung. Produktionskosten Lävulinsäure EUR/t 3.000

2.500

2.000

1.500 1.000

500

Zuschlag Transportkosten

0 0 Geschätzter Marktpreis LS 2010: 2.500 EUR/t

20

Quelle: Patel, A.D. et al. (2010) Techno-economic analysis of 5-nonanone production from levulinic acid. Chemical Engineering Journal 160, 311-321

Papier

Rohstoffkosten -30 EUR/t

Bild 9:

40

60

Reststoffaufkommen der größeren Papierfabriken

80

Umsetzung dezentral

Rohstoffkosten 0 EUR/t

100

Gesamtaufkommen Feinrejekt in Ostdeutschland

Umsetzung zentral

Rohstoffkosten 50 EUR/t

Kosten der Herstellung von Lävulinsäure aus Feinrejekten in Abhängigkeit von der Anlagengröße bei unterschiedlichen Rohstoffkosten

basierend auf Annahmen aus Hayes, D.J.; Ross, J.; Hayes, M.H.B.; Fitzpatrick, S.W.: The Biofine Process: Production of Levulinic Acid, Furfural and Formic Acid from Lignocellulosic Feedstocks. In: Kamm, B.; Gruber, P.R.; Kamm, M. (Hrsg.): Biorefineries – Industrial Processes and Product, Vol. 1. Weinheim: Wiley-VCH, 2006, S. 139-164 nach Schütt, F.; Seidemann, C.; Kappen, J.: Entwicklung eines Verfahrenskonzeptes zur erstmaligen Koppelnutzung von Altpapier zur Verpackungspapier- und Lävulinsäureherstellung. Bericht zum Forschungsvorhaben IK-MF 100014, 2013, www.ptspaper.de

582

Alternative Nutzung von Reststoffen aus der Papiererzeugung

Anhand von Standorten und Produktionskapazitäten von Verpackungspapierherstellern der Referenzregion Ostdeutschland wurde das Aufkommen an Feinrejekten sowie der Einfluss der Transportkosten für zentrale und dezentrale Konzept-Realisierungen abgeschätzt und einer Wirtschaftlichkeitsbewertung unterzogen. Bild 9 zeigt die Abhängigkeit der Produktionskosten von der Anlagengröße. Der mit der Anlagengröße steigende Transportaufwand ist berücksichtigt. Bei einem Marktpreis für Lävulinsäure von 2.500 EUR/t [9] ist die Produktion bereits ab 6.000 t/a wirtschaftlich. Wird das Reststoffaufkommen einer größeren Papierfabrik von etwa 20.000 Tonnen Trockenmasse pro Jahr zugrunde gelegt, ergeben sich Produktionskosten von 1.000 bis 1.500 EUR/t. Eine zentrale Anlage, die die gesamten Feinrejekte Ostdeutschlands von etwa 80.000 Tonnen Trockenmasse/a aufbereitet, hat trotz Zuschlägen für Transportkosten geringere Produktionskosten (knapp unter 1.000 EUR/t) als mehrere dezentrale Varianten. Das entwickelte Konzept eröffnet Verpackungspapierherstellern die Möglichkeit, eine höhere Wertschöpfung aus dem eingesetzten Rohstoff zu erzielen. Die stoffliche Verwertung der Feinrejekte führt zu Zusatzeinnahmen aus Nebenprodukten anstelle von Entsorgungskosten für Reststoffe.

4. Schlussfolgerungen und Ausblick Die Rückstände der Papiererzeugung – insbesondere die der Verarbeitung von Altpapier – bieten ein bislang weitgehend ungenutztes stoffliches Potential. Dieses auszuschöpfen ist in mehrfacher Hinsicht attraktiv: Die Rückstände werden heute zum großen Teil nur thermisch verwertet. Die heutige Abgabe von Reststoffen der Papiererzeugung ist mit Zuzahlungen verbunden, damit sind Rückstände ein Kostenfaktor für die Papierfabriken. Mit einer weiteren Steigerung der Entsorgungskosten muss vor dem Hintergrund steigender Preise für die Verbrennung von Abfällen gerechnet werden.

Durch den Voraufschluss für die Herstellung von Primärzellstoff zur Papiererzeugung liegt der organische Anteil der Feinrejekte bereits als Lignocellulose vor und muss nicht durch aufwändige Verfahren generiert werden. Damit ist dieser Ausgangsstoff für die Bioraffinerie interessant. Ebenso bieten sich die enthaltenen Mineralstoffe für ein Recycling oder eine Kaskadennutzung an. Die Umwandlung von Rückständen aus der Altpapierverwertung in Rohstoffe für andere Industriezweige und sogar für die Papierherstellung selbst wird durch die zunehmenden Anforderungen an die Ressourceneffizienz eine steigende Dynamik erfahren. 583

Papier

Da große Abfallmengen bei der Papiererzeugung an einzelnen Anfallsorten zentral verfügbar (Hot Spots) sind (bis zu etwa 50.000 Tonnen Feuchtmasse pro Jahr), können durch Regionalkonzepte hohe Mengen aggregiert werden.

Christina Dornack, Wolfram Dietz

Die Papierindustrie kann sich als maximal recycelnde, wertschöpfende, abfallfreie Industrie und als wichtiger Partner in einer zukünftigen biobasierten Stoffwirtschaft darstellen. Zur Erschließung der Potentiale sind Neuentwicklungen notwendig. Hier gilt es, nicht nur die technische Machbarkeit zu belegen und die Verfahren auszuarbeiten, sondern auch die wirtschaftliche Umsetzung unter Berücksichtigung einer regionalen Anbindung zu formulieren. Zwei vielversprechende Konzeptentwicklungen wurden vorgestellt. Weitere Innovationen werden darauf ausgerichtet sein, die organischen und anorganischen Reststofffraktionen kombiniert nutzbar zu machen. Die Lösungsansätze adressieren eine Kaskadennutzung und Koppelproduktion. Damit lässt sich der begrenzten Verfügbarkeit von Ressourcen entgegentreten und eine optimale Ressourceneffizienz erreichen. Am Ende einer Nutzungskette, wenn die stofflichen Möglichkeiten ökonomisch und ökologisch ausgeschöpft wurden, sollte dann eine energetische Verwertung folgen. Danksagung Die VDP-PTS-Wasser- und Reststoffumfrage 2013 [6] wurde aus Mitteln des Verbands Deutscher Papierfabriken (VDP) gefördert. Das Projekt ZIM-KF 2037909WZ0 von CalciTech Synthetic Minerals Europe Ltd. mit Forschungspartnern und das PTSForschungsvorhaben IK-MF 100014 zu Lävulinsäure wurden aus Mitteln des deutschen Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie BMWi gefördert.

5. Literatur [1] Bilitewski, B.; Kügler, T. im Auftrag des VDP: Die Wertschöpfungskette Papier. Entwicklung und Perspektiven. Vortrag Kooperationsforum der PTS – 7. März 2014 [2] Dahlmann: Notiz über die Darstellung von Lävulinsäure. Chemische Berichte 101, 1968, S. 4251-4253 [3] Dietz, W.: Reststoffe der Papiererzeugung – Status Quo. In: PTS-Fachseminar RK 1526: Neue biogene Rohstoffe, Wertschöpfung aus Reststoffen. München, Deutschland, PTS, 2015 [4] Hayes, D.J.; Ross, J.; Hayes, M.H.B.; Fitzpatrick, S.W.: The Biofine Process: Production of Levulinic Acid, Furfural and Formic Acid from Lignocellulosic Feedstocks. In: Kamm, B.; Gruber, P.R.; Kamm, M. (Hrsg.): Biorefineries – Industrial Processes and Product, Vol. 1. Weinheim: Wiley-VCH, 2006, S. 139-164

Papier

[5] Higgs, R.; Roux, F.: Recovery of pure calcium carbonate from paper sludge ash. In: Hanecker, E.; Carré, B. (Hrsg.): 14. PTS CTP Deinking Symposium, München: PTS, 2010 [6] Jung, H.; Kappen, J.; Hesse, A.; Götz, B.: Rückstandsumfrage 2013 – Aufkommen und Verbleib der Rückstände aus der Papier- und Zellstoffindustrie. Wochenblatt für Papierfabrikation 10, 2014, S. 628-630 [7] Oldenburg, S.; Kuchta, K.: Modell zur Qualitätsbeurteilung von organischen Abfällen als Substrat für die Biogasproduktion. DGAW, 3. Wissenschaftskongress Abfall- und Ressourcenwirtschaft in Stuttgart – 21. und 22. März 2013 [8] Oldenburg, S.; Westphal, L.; Körner, I.: Energy recovery of grass biomass. Energy and Sustainability, Proceedings of the Third International Conference, Alicante, Spain, Wessex Institute of Technology (UK), 2011 584

Alternative Nutzung von Reststoffen aus der Papiererzeugung

[9] Patel, A.D. et al.: Techno-economic analysis of 5-nonanone production from levulinic acid. Chemical Engineering Journal 160, 2010, 311-321 [10] Schütt, F.; Seidemann, C.; Kappen, J.: Entwicklung eines Verfahrenskonzeptes zur erstmaligen Koppelnutzung von Altpapier zur Verpackungspapier- und Lävulinsäureherstellung. Bericht zum Forschungsvorhaben IK-MF 100014, 2013, www.ptspaper.de [11] Sommer, J.; Trumpf, R.; Haas, A.: Reststoffverwertung in der Papierindustrie am Beispiel des Heizkraftwerkes Wörth der Papierfabrik Palm – Konzept, Realisierung, Inbetriebnahme und erste Betriebserfahrungen. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Beckmann, M: Energie aus Abfall, Band 6. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2009, S. 155-183

Papier

[12] VDP: Ein Leistungsbericht 2015. Verband Deutscher Papierfabriken e.V. (Hrsg.) www.vdponline.de

585

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