HDPE-Polymerisation: In diesem Prozess wird die Polymerisation von Ethylen zu HDPE (High Density PolyEthylen) betrachtet. HDPE - und ebenso LLDPE (Linear Low Density PolyEthylen) - wird in Niederdruckreaktoren nach drei verschiedenen Verfahren hergestellt:
1. "slurry process" (eine Art von Suspensionsverfahren)
2. Lösungsverfahren
3. Gasphaseverfahren
Beim "slurry process" wird Ethylen mit einem Katalysator (Ziegler), Lösungsmittel und weiteren Hilfs- und Zusatzstoffen in einem Reaktor polymerisiert. Es entsteht ein Gemisch aus Polymer (HDPE), nicht umgesetztem Monomer, Lösungsmittel und Reststoffen. Monomer und Lösungsmittel werden wiederverwendet. Das Polymer wird getrocknet und zu Granulat weiterverarbeitet. Das Verfahren in Lösung ist ähnlich dem "slurry process", die Reaktion findet aber bei höherer Temperatur statt. Im Unterschied dazu arbeitet das Gasphaseverfahren ohne den Zusatz eines Lösungsmittels.
Prozeßsituierung
Bei den Polyethylen(PE)-Kunststoffen kann man drei verschiedenen Polymere unterscheiden: HDPE (High Density PolyEthylen), LLDPE (Linear Low Density PolyEhylen) und LDPE (Low Density PolyEthylen). Die weltweiten Produktionskapazitäten der verschiedenen PE-Kunststoffe in 1000 t für das Jahr 1990 können der nachfolgenden Tabelle 1 entnommen werden (Ullmann 1992). In Westeuropa wurden nach (APME 1994) 1994 3,614 Mio. t HDPE, 1,267 Mio. t LLDPE und 4,856 Mio. t LDPE produziert (Gesamtsumme: 9,737 Mio. t PE). Wegen der schlechten Datenlage und da weiterhin LLDPE in geringeren Mengen hergestellt wird, wurden für dieses Polymer keine eigenen Kennziffern generiert. Aufgrund der gleichen Herstellungsverfahren wie bei HDPE können für LLDPE näherungsweise die hier vorliegenden Kennziffern verwendet werden. Für die Bilanzierung der HDPE-Herstellung wurden die Literaturquellen (#2, Tellus 1992,#1, PWMI 1993, #3) und (Ullmann 1992) untersucht. Die Daten der Studien #2 (Energiewerte) und (Tellus 1992) (Abwasserwerte) beziehen sich auf die Herstellung von HDPE in den USA und repräsentieren den Stand der Technik der 80er Jahre. Die Studie #1 (Massenbilanz) betrachtet die Produktion in Westeuropa Ende der 80er Jahre.
Tabelle 1 PE-Produktionskapazitäten in 1000 t für das Jahr 1990.
Region LDPE LLDPE HDPE gesamt PE
Nordamerika 3957 3746 3425 11128
Westeuropa 5363 1278 2693 9334
Osteuropa 2034 5 1168 3207
Japan 1388 467 1025 2880
Sonstige 2856 1258 3119 7233
Summe 15598 6754 11430 33782

Allokation: keine
Genese der Daten: - Massenbilanz: Nach #1 werden für die HDPE-Herstellung pro Tonne Produkt 1015 kg Ethylen eingesetzt. Dieser Wert zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Angaben (1020 kg) der Tellus-Studie (Tellus 1992). Für die Polymerisationsreaktion werden ein spezieller Olefinzusatz (5 kg) sowie weitere Hilfsstoffe und Zusätze (9 kg) benötigt (#1). Da die aufgeführten Stoffe in Quelle nicht weiter spezifiziert werden, können nur nachfolgende Annahmen gemacht werden:
· unter spezieller Olefinzusatz sind Stoffe zur Regulierung der Kettenlänge des Polymers zu verstehen (z. B. Wasserstoff zum Abbruch der Polymerisation)
· unter die verbleibenden 9 kg fallen Stoffe wie Katalysator und Lösungsmittel, diese werden im Gegensatz zu dem Olefinzusatz nicht in das Produkt eingebaut und können zurückgewonnen werden.
An festen Abfällen entsteht bei der Polymerisation eine Menge von 0,1 kg. Da in der Tellus-Studie keinerlei quantitative Angaben zu Hilfsstoffen oder Zusätzen gemacht werden, werden für die Genese der Massenbilanz die Werte von BUWAL verwendet.
Energiebedarf: Nach #2 wird für die Herstellung einer Tonne HDPE nach dem slurry-Verfahren 1685,1 btu/lb (359,7 btu/lb elektrische Energie, 1378,4 btu/lb Energiegehalt des benötigten Dampfes) und nach dem Lösungsverfahren 1858,0 btu/lb (479,6 btu/lb elektrische Energie, 1378,4 btu/lb Energiegehalt des benötigten Dampfes) Energie benötigt (für das Gasphaseverfahren liegen dort keine Daten vor). Legt man einen Anteilsmix von 4,625 zu 1 [gemäß 74 % slurry-Verfahren und 10 % Lösungsverfahren nach (Tellus 1992)] zugrunde, errechnet sich daraus für die HDPE-Polymerisation ein Energiebedarf von ca. 4,0 GJ/t (0,9 GJ/t elektrische Energie, 3,1 GJ/t Energiegehalt des benötigten Dampfes). Im Vergleich dazu werden bei (Tellus 1992) wesentlich höhere Angaben gemacht. Die Prozeßenergie zur Herstellung einer Tonne HDPE (15,4 GJ) setzt sich dort aus der elektrischen Energie (8,7 GJ) und dem Energiegehalt des benötigten Dampfes (6,6 GJ) zusammen. Bei (PWMI 1993) wird der Polymerisationsprozeß von Ethylen zu HDPE nicht separat bilanziert. Aus der Differenz der Daten („Total fuels“) aus der HDPE-Herstellung (gesamte Prozeßkette) und der Ethylen-Herstellung kann jedoch ein Energiebedarf für die Polymerisation in einer Größenordnung von 8 GJ grob abgeschätzt werden. Da in #2 die Energiewerte am besten nachvollzogen werden können, werden diese Angaben für GEMIS verwendet.
Prozessbedingte Luftemissionen: Bei der HDPE-Herstellung können unter anderem beim Trocknen des Polymers, der Extrusion und beim Recycling des Monomers (Ethylen) flüchtige organische Verbindungen (VOC) entweichen. In #3 werden die prozessbedingten VOC-Emissionen bei der HDPE-Herstellung (Bezug: Westeuropa) abgeschätzt. Daraus ergibt sich ein Wert von ca. 6 kg VOC/t HDPE.
Abwasser: (BUWAL 1991) kann entnommen werden, daß für die gesamte Prozeßkette der Herstellung von HDPE der BSB5- und der CSB-Wert gleich null sind. Somit ergeben sich auch für den hier betrachteten Teilschritt der Polymerisation Werte von jeweils 0. Für die Abwasserkennziffern BSB5 und CSB stehen bei (Tellus 1992) nur Angaben zu Rohabwasserwerten zur Verfügung. Als Werte nach Abwasserreinigungsmaßnahmen werden dort Titan, 0,0409 lbs/ton HDPE (umgerechnet 0,020 kg/t), Aluminium 0,0281 lbs/ton (umgerechnet 0,014 kg/t) und Phenol, 0,000004 lbs/ton (umgerechnet 0,000002 kg/t) aufgeführt. Die Angaben bei Tellus beziehen sich auf einen Verfahrensmix von 90 % Lösungs- und 10 % Gasphaseverfahren, wobei letzterem Verfahren keine Abwasseremissionen zugerechnet wurden.

1. Bundesamt für Umwelt, Waldwirtschaft, Agrarwesen und Landwirtschaft (BUWAL) 1991: Ökobilanz von Packstoffen, Stand 1990, K. Habersatter, Schriftenreihe Umwelt Nr. 132, Bern
2. US Department of Energy (DOE) 1985: Energy Analysis of 108 Industrial Processes, H. Brown et al., Fairmont Press Edition
3. Öko-Institut (Institut für angewandte Ökologie e.V.) 1992c: Analyse von Datenbasen zu klimarelevanten Emissionen in der Bundesrepublik Deutschland, U. Fritsche/ F. Matthes, i.A. von KFA-TFF (IKARUS-Teilprojekt 9), Bericht jül-2614, Jülich
4. Originaldokumentation von 'Chem-OrgHDPE-DE-2020'

Kurzinfo: Datensatz aus GEMIS. Negative Werte durch Gutschriftenrechnung. Werte des Prozesses in Spalte ‚Prozess direkt’, Werte des Prozesses einschließlich Vorkette in Spalte ‚Prozess inkl. Vorkette’. Weiter…

GEMIS steht für „Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme&“; es ist ein Softwaretool des Öko-Instituts. GEMIS wurde 1987 erstmals angewendet und wird seitdem weiterentwickelt.

Die GEMIS-Datensätze beruhen - je nach Anwendung - auf unterschiedlichen Methoden; auch der zeitliche und der örtliche Bezug der Datensätze sind verschieden.

Methode bei Prozessen mit mehreren Outputs:

Zur Modellierung der Datensätze zu Multi-Output Prozessen wird in GEMIS die Methode der Systemerweiterung verwendet. Hierbei werden Datensätze, in denen jeweils alle Inputs, alle Outputs und alle Umweltaspekte eines Multi-Output Prozesses ausgewiesen sind, als „Brutto&“ bezeichnet. Durch Subtraktion von ‚Bonus’-Prozessen, die jeweils einen der Outputs auf herkömmliche Weise bereitstellen, entsteht ein Nettoprozess, in denen das substituierte Nebenprodukt als Gutschrift erscheint. Die Gutschrift ist dabei kein realer Output des Prozesses, sondern ein rechnerischer ‚Merker’.

Beispiel (s.a. Bild 1):

Multi-Output Prozess Biogas-BZ-MC-HKW-D-2020/brutto: Output ist 1 TJ Elektrizität und 0,6 TJ Wärme, der „Netto&“-Datensatz soll sich aber nur auf die Elektrizität beziehen. Durch Subtraktion des Bonusprozesses Wärme-Bonus-Gas-Hzg-D-2020 mit dem Output Wärme(0,6 TJ) entsteht der „Netto&“-Datensatz Biogas-BZ-MC-HKW-D-2020/Gas, für den als Output 1 TJ Elektrizität und 0,6 TJ ‚Gutschrift Wärme-Bonus-für-KWK (Bio)-2020 bei Wärme-Bonus-Gas-Hzg-D-2020’ angegeben werden; die Gutschrift stellt keinen Stoff- oder Energiefluss des Prozesses dar, sie ist allein rechnerisch begründet.

Bild 1: Beispiel zur GEMIS-Methode der Gutschriftsrechnung / Systemerweiterung

Transport:

Angaben zu den angesetzten Transportdistanzen werden nicht gegeben.

Abschneidekriterien:

Wasser wird in der Regel nur auf der Inputseite angegeben (etwa als Kühlwasser), auch wenn es den Prozess wieder verlässt als Abwasser.
Weitere Angaben zu angewendeten Abschneidekriterien werden nicht gegeben.

Besondere Nomenklatur:

Zahlreiche Abkürzungen für Brennstoffe aus Biomasse und entsprechende Technologien, siehe Glossar #link#.

Besonderheiten auf Datensatzebene:

Die Datensätze sind mit Vorketten-Datensätzen verknüpft, in denen die jeweils benötigten Vorprodukte, Energien und Transportleistungen erzeugt werden. Die Daten zu den Umweltaspekten werden erstens „direkt&“ (d.h., nur aus dem jeweiligen Prozess, falls dieser direkt zu Umweltaspekten beiträgt) als auch „mit Vorkette&“ (d.h., einschließlich aller vorausgehenden Prozesse) ausgewiesen.
Negative Werte für Stoffflüsse kommen in GEMIS regelmäßig vor; sie entstehen durch die Anwendung von Systemerweiterung (#link auf Systemerweiterung oben) um Multi-Output Prozesse in Single Output Prozesse umzurechnen.
Teilweise werden Aufwendungen für Produktionsmittel (Anlagen, Fahrzeuge etc.) aufgeführt (als Stoffflüsse im Input); diese sind jedoch nicht auf die funktionelle Einheit bezogen, sondern werden als absolute Werte angegeben; sie werden nur als Input und nicht als Output (Entsorgung der Betriebsmittel) angegeben.
Die durch die Herstellung dieser Produktionsmittel verursachten Umweltaspekte sind dagegen über Leistung, jährliche Auslastung und Lebensdauer auf die funktionelle Einheit bezogen

Weiterführende Hinweise und Literatur:

#1: Fritsche, U.R., Schmidt, K.: Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 4.2, Handbuch, Darmstadt, August 2004.
#2: Fritsche, U.R., Schmidt, K.: Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 4.1, Handbuch, Darmstadt, Darmstadt, Januar 2003.
#3: Fritsche, U., et al.: Stoffstromanalyse zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse, Verbundprojekt gefördert vom BMU im Rahmen des ZIP, Projektträger: FZ Jülich, Mai 2004, Anhangband zum Endbericht.
#4: Fritsche, U., et al.: Umweltanalyse von Energie-, Transport- und Stoffsystemen: Gesamt-Emissions-Modell integrierter Systeme (GEMIS) Version 2.1 - erweiterter und aktualisierter Endbericht, U. Fritsche u.a., i.A. des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie und Bundesangelegenheiten (HMUEB), veröffentlicht durch HMUEB, Wiesbaden 1995

Website: http://www.gemis.de