Werkstoffeffizienz

April 24, 2018 | Author: Anonymous | Category: N/A
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Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung ISI

Werkstoffeffizienz Einsparpotenziale bei Herstellung und Verwendung energieintensiver Grundstoffe Ein Projekt für das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit Förderkennzeichen 0327313A Eberhard Jochem Michael Schön Gerhard Angerer Michael Ball Harald Bradke Birgül Celik Wolfgang Eichhammer Wilhelm Mannsbart Frank Marscheider-Weidemann Carsten Nathani Rainer Walz Martin Wietschel Unter Mitarbeit von: Lars Behnke Kamyar Bolourian Daniela Kohl Sonja Mohr August 2004

Fraunhofer IRB Verlag

Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis 0

Zusammenfassung .................................................................................. 1

1

Ausgangslage, Zielsetzung und Mitwirkung von Wirtschaftsvertretern ..................................................................... 13

2

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen........................ 18 2.1

Eisen und Stahl ............................................................................... 18

2.1.1

Vorbemerkung ...............................................................................................18

2.1.2

Charakterisierung des Sektors ......................................................................18

2.1.3

Herstellverfahren............................................................................................24

2.1.3.1

Roheisenerzeugung.......................................................................................25

2.1.3.1.1

Sinteranlage...................................................................................................25

2.1.3.1.2

Kokerei ...........................................................................................................26

2.1.3.1.3

Hochofen........................................................................................................27

2.1.3.1.4

Alternative Roheisenerzeugungsverfahren....................................................29

2.1.3.2

Stahlerzeugung im Konverter (Oxygenstahl).................................................30

2.1.3.3

Elektrostahlerzeugung ...................................................................................32

2.1.3.3.1

Problematik der Begleitelemente...................................................................33

2.1.3.4

Strangguß ......................................................................................................35

2.1.3.5

Herstellung von Walzerzeugnissen ...............................................................36

2.1.3.6

Endabmessungsnahes Gießen .....................................................................37

2.1.3.7

Rolle der beiden Verfahrensrouten................................................................38

2.1.4

Recycling........................................................................................................38

2.1.4.1

Quantifizierungsansätze für den Energieaufwand des Recyclings................39

2.1.4.2

Qualität und Verfügbarkeit von Stahlschrott ..................................................40

2.1.4.3

Fallbeispiel Altautorecycling...........................................................................46

2.1.4.3.1

Materialzusammensetzung ............................................................................47

2.1.4.3.2

Altautoaufkommen .........................................................................................48

2.1.4.3.3

Recyclingschritte und deren Kosten ..............................................................50

2.1.4.3.4

Stahl-Recyclingquote bei Altautos .................................................................55

2.1.4.3.5

Energetische Bewertung des Altautorecyclings.............................................56

2.1.4.4

Fallbeispiel Weißblechrecycling.....................................................................59

2.1.4.4.1

Recyclingschritte............................................................................................62

2.1.4.4.2

Stahl-Recyclingquote bei Weißblechverpackungen ......................................63

2.1.4.4.3

Energetische Bewertung des Weißblechrecyclings.......................................63

II

Inhaltsverzeichnis 2.1.5

Energetische Bewertung und Abschätzung des Energieeinsparpotenzials durch Stahlrecycling .....................................................................64

2.1.6

F&E-Bedarf ....................................................................................................70

2.2

Aluminium.........................................................................................76

2.2.1

Vorbemerkung................................................................................................76

2.2.2

Charakterisierung des Sektors.......................................................................76

2.2.3

Herstellverfahren............................................................................................88

2.2.3.1

Herstellung von Primäraluminium ..................................................................90

2.2.3.2

Herstellung von Sekundäraluminium .............................................................94

2.2.4

Verarbeitung von Aluminium..........................................................................97

2.2.4.1

Aluminiumwerkstoffe ......................................................................................97

2.2.4.2

Herstellung der Vorprodukte für die Halbzeugfertigung...............................100

2.2.4.3

Gießen und Umformen von Aluminium........................................................101

2.2.5

Energiebedarfsanalyse für Aluminium und zukünftige Entwicklung bis 2020........................................................................................................104

2.2.6

Recycling......................................................................................................110

2.2.6.1

Problematik der Quantifizierung des Aluminiumrecyclings..........................110

2.2.6.2

Qualität und Verfügbarkeit von Aluminiumschrott........................................111

2.2.6.3

Fallbeispiel Altautorecycling.........................................................................120

2.2.6.4

Fallbeispiel Aluminiumverpackungen...........................................................124

2.2.7

Energetische Bewertung und Abschätzung des Energieeinsparpotenzials durch Aluminiumrecycling...........................................................135

2.2.8

F&E-Bedarf ..................................................................................................139

2.3

Energetische Bewertung von Leichtbaustrategien im Automobilsektor.............................................................................144

2.3.1

Einführung....................................................................................................144

2.3.2

Leichtbaustrategien im Automobilbau..........................................................145

2.3.2.1

Die Relevanz von Leichtbaustrategien ........................................................145

2.3.2.2

Entwicklungstendenzen im Leichtbau..........................................................147

2.3.2.3

Eine erste energetische Bewertung von Leichtbaustrategien......................150

2.3.3

Modellgestützte Analysen von Materialeffizienzstrategien ..........................151

2.3.3.1

Methodisches Vorgehen ..............................................................................151

2.3.3.1.1

Einführung....................................................................................................151

2.3.3.1.2

Methodische Ansätze zur Analyse von regionalen Stoffhaushalten und Recyclingprozessen unter energetischen Gesichtspunkten.................152

2.3.3.1.2.1 Stoffstromnetze (Ökobilanzsoftware)...........................................................152 2.3.3.1.2.2 Optimierende Stoff- und Energieflussmodelle .............................................153 2.3.3.1.2.3 System Dynamics ........................................................................................154

Inhaltsverzeichnis 2.3.3.1.3

III Modellbeschreibung.....................................................................................156

2.3.3.1.3.1 Bilanzgrenzen und Abbildungsbereich ........................................................156 2.3.3.1.3.2 Lösungsverfahren und mathematische Modellbeschreibung ......................158 2.3.3.2

Szenarien zum Leichtbau ............................................................................161

2.3.3.3

Rahmendaten und Bilanzraum ....................................................................164

2.3.3.4

Modellergebnisse.........................................................................................169

2.3.3.4.1

Ergebnisse für die beiden Leichtbauszenarien............................................169

2.3.3.4.2

Sensitivitätsanalysen ...................................................................................174

2.3.4

Weiterführende Diskussion von Leichtbaustrategien hinsichtlich einer ökobilanziellen Bewertung, einer Wirtschaftlichkeit und der Altfahrzeuggesetzgebung ............................................................................180

2.3.5

Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick ...............................183

2.4

Beton und Betonprodukte ............................................................ 189

2.4.1

Problemstellung und Zielsetzung.................................................................189

2.4.2

Herstellung von Beton und Betonprodukten ................................................190

2.4.3

Sekundärrohstoffnutzung und Energieeffizienz ...........................................194

2.4.3.1

Eigene Sekundärrohstoffe ...........................................................................198

2.4.3.2

Fremde Sekundärrohstoffe ..........................................................................203

2.4.4

Ausblick und F&E-Bedarf.............................................................................207

2.5

Mauer- und Dachziegel ................................................................. 216

2.5.1

Einleitung .....................................................................................................216

2.5.2

Herstellverfahren..........................................................................................219

2.5.2.1

Produktionsbeschreibung von Ziegeln.........................................................220

2.5.2.2

Produktionsentwicklung in der Ziegeleien Industrie ....................................224

2.5.2.3

Export-/Importströme ...................................................................................226

2.5.3

Abbruchmassen ...........................................................................................227

2.5.3.1

Ziegel Recyclingrouten in Deutschland .......................................................228

2.5.3.2

Recycling in Europa .....................................................................................231

2.5.3.3

Recyclingtechnologie ...................................................................................232

2.5.3.4

Produktion Buhl-Speicherziegel...................................................................233

2.5.4

Energiesparpotenzial ...................................................................................233

2.5.4.1

Stoffflüsse von Mauer- und Dachziegeln in der Bundesrepublik im Jahre 2000 ..............................................................................................234

2.5.5

F&E-Bedarf ..................................................................................................235

2.6

Glas und Glasprodukte ................................................................. 238

2.6.1

Einleitung .....................................................................................................238

2.6.2

Charakterisierung des Sektors ....................................................................238

2.6.3

Herstellverfahren..........................................................................................240

IV

Inhaltsverzeichnis 2.6.3.1

Allgemeine Beschreibung ............................................................................240

2.6.3.2

Primärenergieverbrauch: Stand und Entwicklung........................................241

2.6.4

Recycling......................................................................................................245

2.6.4.1

Aufbau des Materialstocks...........................................................................245

2.6.4.2

Glasrecycling: Stand und künftige Energieeffizienzpotenziale ....................246

2.6.4.2.1

Allgemeine Ausführungen zum Glasrecycling .............................................246

2.6.4.2.2

Recycling von Behälterglas..........................................................................248

2.6.4.2.3

Recycling von Flachglas ..............................................................................250

2.6.4.2.4

Recycling in ausgewählten anderen Bereichen...........................................253

2.6.5

Materialsubstitution ......................................................................................255

2.6.5.1

Materialsubstitution bei Getränkeverpackungen..........................................255

2.6.5.1.1

Auswertung verschiedener Studien zur ökobilanziellen Bewertung ............255

2.6.5.1.2

Abschätzung des Energieeinsparpotenzials ................................................259

2.6.5.2

Materialsubstitution in ausgewählten anderen Anwendungsbereichen.......262

2.6.6

Konstruktive Maßnahmen ............................................................................263

2.6.6.1

Einleitung .....................................................................................................263

2.6.6.2

Geringerer spezifischer Materialbedarf bei Getränkeverpackungen ...........263

2.6.7

Zusammenfassung des Energieeinsparpotenzials und Schlussfolgerungen......................................................................................264

2.6.8

F&E-Bedarf ..................................................................................................266

2.7

Polymere .........................................................................................270

2.7.1

Einleitung .....................................................................................................270

2.7.2

Herstellung ...................................................................................................270

2.7.3

Abfallmanagement .......................................................................................272

2.7.3.1

Recyclingverfahren ......................................................................................272

2.7.3.2

Energetische Bewertung der Verwertungsverfahren ...................................276

2.7.3.3

Mengenentwicklung der Abfälle ...................................................................279

2.7.4

Energiesparpotenzial ...................................................................................283

2.7-5

F&E-Bedarf ..................................................................................................284

2.8

Bitumen...........................................................................................287

2.8.1

Einleitung .....................................................................................................287

2.8.2

Herstellung ...................................................................................................287

2.8.3

Abfallmanagement .......................................................................................289

2.8.3.1

Wiederverwendung von Ausbauasphalt ......................................................290

2.8.3.2

Werkstoffliches Recycling von Industriebitumen-Produkten........................291

2.8.3.3

Energetische Verwertung von Bitumen-Produkten......................................291

2.8.3.4

Mengenentwicklung der Abfälle ...................................................................292

2.8.4

Energieeinsparungen ...................................................................................292

Inhaltsverzeichnis

V

2.8.5

Schlussfolgerungen .....................................................................................293

2.9

Papier ............................................................................................. 296

2.9.1

Charakterisierung des Sektors ....................................................................296

2.9.2

Prozesse der Papierkette.............................................................................297

2.9.2.1

Herstellung von Primärfasern ......................................................................298

2.9.2.2

Herstellung von Sekundärfasern aus Altpapier ...........................................300

2.9.2.2.1

Altpapieraufkommen ....................................................................................300

2.9.2.2.2

Altpapieraufbereitung...................................................................................302

2.9.2.3

Herstellung von Papier.................................................................................303

2.9.2.4

Die Energieversorgung in der Papierindustrie .............................................304

2.9.3

Maßnahmen zur Steigerung der Materialeffizienz in der Papierkette .........305

2.9.3.1

Recycling......................................................................................................306

2.9.3.2

Materialsubstitution ......................................................................................309

2.9.3.3

Effizientere Materialnutzung ........................................................................312

2.9.4

Energiesparpotenzial ...................................................................................314

2.9.4.1

Szenarienannahmen....................................................................................314

2.9.4.2

Ergebnisse ...................................................................................................317

2.9.5

Forschungs- und Entwicklungsbedarf..........................................................320

3

Primärenergetische Gesamtbewertung ............................................. 325

4

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz ................................................................ 328 4.1

Wirkungsmechanismen ................................................................ 328

4.1.1

Preis- und Kosteneffekte..............................................................................329

4.1.2

Innovationseffekte........................................................................................330

4.1.3

Nachfrageeffekte..........................................................................................332

4.1.4

Kombination von Wirkungsmechanismen beim Einsatz neuer technischer Lösungen..................................................................................333

4.1.5

Relevanz der Wirkungsmechanismen für eine erhöhte Werkstoffeffizienz.........................................................................................334

5

4.2

Hypothesen.................................................................................... 335

4.3

Auswertung bestehender Abschätzungen.................................. 343

Fazit und Ausblick ............................................................................... 348

VI

Inhaltsverzeichnis

Anhang A1:

Definition von Recyclingquoten ......................................... 356

Anhang A2:

Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung............... 360

Anhang A3:

Koreferat zum Projekt.......................................................... 369

Anhang A4:

Teilnehmerliste des Expertensymposiums am 28. Mai 2003 im Schlosshotel Karlsruhe ............................ 373

Glossar

............................................................................................... 374

Abbildungsverzeichnis

VII

Abbildungsverzeichnis Abbildung 2.1-1:

Produktion und Verbrauch von Rohstahl und Roheisen in Deutschland (ABL und NBL).......................................................... 19

Abbildung 2.1-2:

Entwicklung der Rohstahlproduktion nach Verfahren .................... 21

Abbildung 2.1-3:

Außenhandel Stahlerzeugnisse..................................................... 22

Abbildung 2.1-4:

Stahlverwendung in Deutschland nach Sektoren, 2000 ................ 23

Abbildung 2.1-5:

Schematischer Prozess der Stahlherstellung ................................ 24

Abbildung 2.1-6:

Querschnitt durch einen Hochofen ................................................ 28

Abbildung 2.1-7:

Schematische Darstellung Sauerstoffblasverfahren ...................... 31

Abbildung 2.1-8:

Überblick über moderne Gießwalzverfahren ................................. 37

Abbildung 2.1-9:

Schätzung zu Stahlverbrauch und Schrottanfall in Deutschland bis 2030 .................................................................... 43

Abbildung 2.1-10: Entwicklung zum Anfall von Stahlaltschrott nach Verbrauchssektoren....................................................................... 45 Abbildung 2.1-11: Entwicklung der Produktion und der Löschungen von PKWs ............................................................................................. 46 Abbildung 2.1-12: Entwicklung von Werkstoffeinsatz und Leergewicht im Neufahrzeug .................................................................................. 48 Abbildung 2.1-13: Schematische Darstellung Altautorecycling................................... 55 Abbildung 2.1-14: Materialspezifische Energieverbräuche bei der Aufbereitung von Altautos.............................................................. 57 Abbildung 2.1-15: Spezifischer Primärenergiebedarf beim Altautorecycling .............. 59 Abbildung 2.1-16: Weißblech-Recycling in Deutschland, 1992 bis 2000.................... 61 Abbildung 2.1-17: Entwicklung der Zusammensetzung der Weißblechverwertung in Deutschland, 1992 bis 2000.................................... 61 Abbildung 2.1-18: Primärenergieverbrauch Alu und Weißblech beim Verpackungsrecycling.................................................................... 64 Abbildung 2.1-19: Verhältnis Roheisen- zu Stahlerzeugung ...................................... 68 Abbildung 2.2-1:

Aluminiumproduktion und -verbrauch in Deutschland ................... 77

Abbildung 2.2-2:

Schematischer Materialfluss für die Aluminiumerzeugung, 2000............................................................................................... 79

VIII

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.2-3:

Entwicklung der Tonerdeproduktion und des Imports von Bauxit .............................................................................................81

Abbildung 2.2-4:

Produktion von Aluminium Halbzeug und Formguss......................82

Abbildung 2.2-5:

Produktion, Verbrauch und Außenhandel von Primäraluminium.............................................................................83

Abbildung 2.2-6:

Produktion, Verbrauch und Außenhandel von Sekundäraluminium........................................................................84

Abbildung 2.2-7:

Aluminiumverwendung in Deutschland nach Sektoren mit durchschnittlichen Produktlebensdauern, 1999..............................86

Abbildung 2.2-8:

Aluminiumverwendung in Deutschland nach Guss- und Knetlegierungen, 1998 ...................................................................88

Abbildung 2.2-9:

Der Aluminium-Kreislauf.................................................................89

Abbildung 2.2-10: Flussdiagramm zur Herstellung von Primäraluminium ...................90 Abbildung 2.2-11: Spezifischer Endenergiebedarf zur Herstellung von Aluminium.....................................................................................105 Abbildung 2.2-12: Spezifischer Primärenergiebedarf zur Herstellung von Aluminium.....................................................................................107 Abbildung 2.2-13: Vorstoffe der Sekundäraluminiumindustrie in Deutschland 1997 und 2000..............................................................................114 Abbildung 2.2-14: Schätzung zu Aluminiumverbrauch und Schrottanfall in Deutschland bis 2030 ...................................................................117 Abbildung 2.2-15: Entwicklung zum Anfall von Alu-Altschrott nach Verbrauchssektoren .....................................................................118 Abbildung 2.2-16: Schrottanfall und Verbrauch von Gusslegierungen in Deutschland biss 2030 .................................................................119 Abbildung 2.2-17: Entwicklung des Anteils von anfallendem Alu-Schrott am theoretischen Aufkommen............................................................120 Abbildung 2.2-18: Aufbereitungsquoten von Aluminium im Altauto nach Teilprozessen ...............................................................................122 Abbildung 2.2-19: Aufbereitungsquoten von Aluminium im Altauto aggregiert..........123 Abbildung 2.2-20: Aufbereitungsquoten und Schmelzausbeuten bei Aluminiumverpackungen ..............................................................128 Abbildung 2.2-21: Recyclingquoten Aluverpackungen, konventionelle Sortieranlage ................................................................................129

Abbildungsverzeichnis

IX

Abbildung 2.2-22: Szenario Recyclingquote Aluminiumverpackung......................... 130 Abbildung 2.2-23: Energiebedarf für Sortierung und Aufbereitung von AluVerpackungen.............................................................................. 132 Abbildung 2.2-24: Primärenergieverbrauch Alu-Verpackungsrecycling.................... 133 Abbildung 2.3-1:

Bilanzgrenzen und Abbildungsbereiche des Modells .................. 157

Abbildung 2.3-2:

Vereinfachter Modellausschnitt zur beispielhaften Darstellung der Systemvariablen ................................................. 158

Abbildung 2.3-3:

Auswirkungen der Materialszenarien auf die Leergewichtsentwicklung beim Neufahrzeug............................... 163

Abbildung 2.3-4:

Stoffströme von Altfahrzeugen .................................................... 165

Abbildung 2.3-5:

Primärenergievergleich der beiden Leichtbauvarianten mit dem Frozen-Szenario .................................................................. 170

Abbildung 2.3-6:

Entwicklung des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauches .......... 171

Abbildung 2.3-7:

Aufteilung des Primärenergieverbrauchs beim FrozenSzenario....................................................................................... 171

Abbildung 2.3-8:

Gegenüberstellung der Sekundärmenge an Aluminium aus dem PKW-Recycling zur Sekundäraluminiumnachfrage bei der PKW-Produktion .............................................................. 173

Abbildung 2.3-9:

Primärenergievergleich der Szenarien bei variierenden Kraftstoffeinsparungen durch Leichtbau ...................................... 175

Abbildung 2.3-10: Primärenergievergleich bei höherer jährlicher Fahrleistung ....... 176 Abbildung 2.3-11: Vergleich von verschiedenen Leichtbaustrategien ...................... 177 Abbildung 2.3-12: Vergleich von alternativen Substitutionsverhältnissen von Stahl durch Aluminium ................................................................. 178 Abbildung 2.3-13: Primärenergievergleich bei Abgrenzung des Bilanzraums auf Deutschland........................................................................... 179 Abbildung 2.3-14: Ergebnisse der Leichtbauvarianten bei Ausdehnung des Betrachtungszeitraumes .............................................................. 180 Abbildung 2.4-1:

Zeitliche Entwicklung der Produktion von Rohstoffen und Baustoffen.................................................................................... 193

Abbildung 2.4-2:

Modellrechnung zur zeitlichen Entwicklung der Betonabbruchmengen, ohne Straßenaufbruch, Kurvenverlauf geglättet)............................................................... 196

X

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.4-3:

Zeitliche Entwicklung der Straßenlänge des überörtlichen Verkehrs .......................................................................................198

Abbildung 2.4-4:

Aufkommen und Verwertung von Flugasche aus Steinkohlekraftwerken in Deutschland .........................................204

Abbildung 2.4-5:

Stoffflüsse in der Betonindustrie...................................................208

Abbildung 2.5-1:

Ziegelerzeugnisse im Jahr 2000...................................................216

Abbildung 2.5-2:

Anzahl der Betriebe von 1987-2000 .............................................218

Abbildung 2.5-3:

Anzahl der Beschäftigten von 1987-2000.....................................218

Abbildung 2.5-4:

Umsatz von 1987-2000 ................................................................219

Abbildung 2.5-5:

Herstellungsprozess der Ziegelerzeugnisse (Nassverfahren)............................................................................220

Abbildung 2.5-6:

Energiemix in der Ziegelindustrie von 1987-1998 ........................223

Abbildung 2.5-7:

Mauerziegelproduktion von 1970-2000 ........................................225

Abbildung 2.5-8:

Dachziegel Produktion von 1970-2000.........................................226

Abbildung 2.5-9:

Anfall von Ziegelabbruch und Modellrechnung zur zeitlichen Entwicklung von Abbruchmengen ................................228

Abbildung 2.5-10: Darstellung der Entsorgungswege nach dem Grundsatz "Vermeiden, Verwerten, Deponieren"...........................................230 Abbildung 2.5-11: Einfluss der verwendeten Brecherart auf die Durchgangskennlinie der Brechprodukte .....................................232 Abbildung 2.5-12: "Stoffflüsse" in der Ziegelindustrie................................................235 Abbildung 2.6-1:

Aufteilung der Glasproduktion auf die Subsektoren im Jahre 2000....................................................................................238

Abbildung 2.6-2:

Primärenergieverbrauch in PJ in den Glassektoren im Jahre 2000 (Summe 104 PJ).......................................................244

Abbildung 2.6-3:

Entwicklung des Primärenergieverbrauches im Glassektor (Produktion und Verarbeitung) .....................................................244

Abbildung 2.6-4:

Materialstock des Flachglasanfalls bei gelöschten PKW in der Bundesrepublik Deutschland (Berechnungsmethodik siehe Kapitel 2.3)..........................................................................245

Abbildung 2.7-1

Einsatzgebiete von Kunststoffen 2001 .........................................270

Abbildung 2.7-2:

Produktion einzelner Massenkunststoffe in Deutschland .............271

Abbildungsverzeichnis

XI

Abbildung 2.7-3

Kunststoff-Gesamtproduktion und Verbrauch in Deutschland 2001........................................................................ 272

Abbildung 2.7-4:

Möglichkeiten der Verwertung von Altkunststoffen ...................... 274

Abbildung 2.7-5:

Einsparung des kumulierten Energieaufwandes (KEA) und der kumulierten CO2-Emissionen (KCO2) durch Recycling und energetische Nutzung bei post-consumerKunststoffabfällen (Referenzfall: durchschnittliche MVA) ............ 278

Abbildung 2.7-6:

Modellergebnisse zum Aufkommen von Kunststoffabfällen nach Endproduktgruppen in Deutschland, Variante "Trend" ....... 282

Abbildung 2.7-7:

Verbrauch von Kunststofferzeugnissen und modelliertes Abfallaufkommen pro Jahr in Deutschland bis zum Jahr 2050, für die drei Varianten "Wachstum", "Trend" und "Stagnation" ................................................................................. 282

Abbildung 2.8-1

Inlandabsatz von Bitumen von 1970 bis 2001 ............................. 288

Abbildung 2.8-2:

Bitumenverbrauch in Deutschland ............................................... 289

Abbildung 2.9-1:

Entwicklung von Papierverbrauch und Papierproduktion in Deutschland zwischen 1970 und 2000 ........................................ 296

Abbildung 2.9-2:

Aufteilung der Papierproduktion im Jahr 2000 nach Sorten ........ 297

Abbildung 2.9-3:

Die Energieversorgung der Papierindustrie im Jahr 2000 ........... 305

Abbildung 2.9-4:

Entwicklung der Altpapiereinsatzquote in Deutschland zwischen 1970 und 2000 ............................................................. 306

Abbildung 2.9-5:

Primärenergiebedarf in den betrachteten Szenarien (inkl. Energiebedarf zur Herstellung der importierten Faserstoffe)....... 319

Abbildung 4.1-1:

Überblick über die Wirkungsmechanismen von Umweltschutzstrategien auf die Volkswirtschaft .......................... 329

Abbildung 4.2-1:

Produktionsmultiplikatoren von unterschiedlichen Wertschöpfungsketten ................................................................. 339

Abbildung 4.2-2:

Importanteile von unterschiedlichen Wertschöpfungsketten........ 340

Abbildung 4.2-3:

Arbeitsintensitäten von unterschiedlichen Wertschöpfungsketten ................................................................. 341

Abbildung 5-1:

Schema des historischen Verlaufs von energierelevanten Massenwerkstoffen...................................................................... 351

XII

Tabellenverzeichnis

Tabellenverzeichnis Tabelle 0-1:

Übersicht über den vermiedenen Primärenergieverbrauch für die einzelnen Werkstoffe heute und im Jahr 2030 ....................12

Tabelle 2.1-1:

Weißblechverwendung in Deutschland, 2000 ................................23

Tabelle 2.1-2:

Stoff- und Energiebilanz der Kokerei..............................................26

Tabelle 2.1-3:

Stahlschrottverwendung und Stahlschrottanfall nach Sorten in Deutschland, 2000 ..........................................................41

Tabelle 2.1-4:

Durchschnittliche Lebensdauer von Stahlprodukten ......................45

Tabelle 2.1-5:

Kostenanalyse Demontagebetriebe ...............................................52

Tabelle 2.1-6:

Kostenanalyse Shredder und Schwimm-Sink-Anlage ....................54

Tabelle 2.1-7:

Transportwege beim Altautorecycling ............................................58

Tabelle 2.1-8:

Expertenschätzungen zum Elektrostahlanteil in Deutschland im Jahr 2020 mit Extrapolation bis 2030 ...................66

Tabelle 2.1-9:

Primärenergieeinsparungen durch erhöhten Elektrostahlanteil ............................................................................67

Tabelle 2.2-1:

Aluminiumeinsatz im Verpackungsbereich, 2000...........................86

Tabelle 2.2-2:

Primärenergieverbrauch der Aluminiumerzeugung in Deutschland, 1995 und 2000........................................................108

Tabelle 2.2-3:

Produktspezifische Recyclingquoten von Aluminium ...................111

Tabelle 2.2-4:

Erfassungs- (EQ), Aufbereitungsquoten (AQ) und Lebensdauer von Aluprodukten....................................................116

Tabelle 2.2-5:

Transportwege beim Aluminium-Verpackungsrecycling...............131

Tabelle 2.2-6:

Produktspezifischer Energieverbrauch bei der Sortierung ...........131

Tabelle 2.2-7:

Produktionsentwicklung von Primär- und Sekundäraluminium......................................................................136

Tabelle 2.2-8:

Annahmen zu Erfassungs- und Aufbereitungsquoten im Referenzszenario .........................................................................138

Tabelle 2.2-9:

Annahmen zu Erfassungs- und Aufbereitungsquoten im Minderungsszenario .....................................................................138

Tabelle 2.2-10:

Übersicht Primärenergieeinsparung durch Recycling und Verbesserung der Materialeffizienz ..............................................139

Tabelle 2.3-1:

Übersicht über Gewichtsreduktionspotenziale bei PKW ..............149

Tabellenverzeichnis

XIII

Tabelle 2.3-2:

Anteil des Recyclingmaterials bei der Produktion von Guss- und Knetlegierung [ %] (eigene Abschätzungen) .............. 162

Tabelle 2.3-3:

Rahmenbedingungen Altautorecycling in Deutschland bis 2030............................................................................................. 166

Tabelle 2.3-4:

Spezifischer Primärenergieverbrauch der Produktion von Stahl, Aluminium und Kunststoff im Jahre 2000 .......................... 167

Tabelle 2.3-5:

Primärenergiebedarf der Anlagen zum Altautorecycling für das Jahr 2000 .............................................................................. 169

Tabelle 2.3-6:

Aufbereitungs- und Schmelzquoten von Stahl und Alu beim Altautorecycling ........................................................................... 169

Tabelle 2.4-1:

Mischungszusammensetzung eines Transportbetons der Festigkeitsklasse B 25 (Nennfestigkeit nach 28 Tagen 25 N/mm2)......................................................................................... 191

Tabelle 2.4-2:

Produkte des Betonmarkts 1997 ................................................. 192

Tabelle 2.4-3:

Aufkommen und Verbleib von Bauabfällen 1998 in Mio t ............ 195

Tabelle 2.4-4:

Angenommene Verteilung der Standzeiten von Gebäuden......... 196

Tabelle 2.4-5:

Rezeptur des Betons B 25 für Außenbauteile mit Recyclingzuschlag im Hundertwasserhaus Waldspirale von Darmstadt .................................................................................... 200

Tabelle 2.4-6

Maximal zulässige Anteile des rezyklierten Zuschlags am Gesamtzuschlag in % .................................................................. 201

Tabelle 2.4-7

Basisdaten der Energiebilanz ...................................................... 202

Tabelle 2.4-8:

Verwertung von Steinkohlenflugasche 2001 nach Anwendungen.............................................................................. 205

Tabelle 2.4-9:

Zugabeempfehlung des BVK für Beton nach DIN 1045 .............. 205

Tabelle 2.4-10:

Inlandsabsatz nach Zementsorten im Jahre 2001....................... 206

Tabelle 2.4-11:

Produktion an Gesteinsbaustoffen 1998...................................... 209

Tabelle 2.4-12:

Primärenergieeinsparung (PEE) durch die Nutzung von Sekundärrohstoffen in der Betonindustrie ................................... 209

Tabelle 2.5-1:

Ziegelerzeugnisse........................................................................ 217

Tabelle 2.5-2:

Betriebsdaten von Tunnelofenanlagen ........................................ 221

Tabelle 2.5-3:

Betriebsdaten von Schnellöfen .................................................... 222

XIV

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.5-4:

Gegenüberstellung des spezifischen Energieverbrauchs der Ziegelproduktion.....................................................................222

Tabelle 2.5-5:

Anforderungen an den Wärmedurchgangskoeffizienten für die Bauteilschichten Außenwände, Decken und Dächer..............224

Tabelle 2.5-6:

Einfuhr und Ausfuhr von Ziegeln im Jahr 2000 ............................227

Tabelle 2.5-7:

Ziegelschuttmengen 1998 in [t] ....................................................227

Tabelle 2.5-8:

Vergleich mit anderen Baustoffen ................................................233

Tabelle 2.5-9:

Primärenergieeinsparung (PEE) durch Produktion von Buhl Speicherziegel ..............................................................................234

Tabelle 2.6-1:

Produktionsentwicklung in t für verschiedene Sektoren der Glasindustrie ................................................................................239

Tabelle 2.6-2:

Gegenüberstellung des spezifischen Energieverbrauches in GJ/t für die verschiedenen Sektoren der Produktion und Verarbeitung von Glas..................................................................242

Tabelle 2.6-3:

Ausgewählter spezifischer Energieverbrauch und berechneter spezifischer Primärenergieverbrauch für die verschiedenen Sektoren der Produktion und Verarbeitung von Glas .......................................................................................243

Tabelle 2.6-4:

Geschätzter Gesamtmarkt zu recycelnder Flachglasmengen in Deutschland im Jahre 1998 in t...................252

Tabelle 2.6-5:

Vergleich des Primärenergiebedarfs und der Rohöläquivalente für Milchverpackungen.....................................256

Tabelle 2.6-6:

Vergleich des Primärenergiebedarfs und der Rohöläquivalente für Bierverpackungen.......................................256

Tabelle 2.6-7:

Vergleich des Primärenergiebedarfs für Getränkeverpackungen nach BASF .............................................257

Tabelle 2.6-8:

Vergleich des Primärenergiebedarfs für Getränkeverpackungen nach DEPA ............................................258

Tabelle 2.6-9:

Berechnung des Primärenergieverbrauchs im Getränkeverpackungs-bereich und der theoretischen Einsparpotenziale .........................................................................261

Tabelle2.6-10:

Primärenergieverbrauch zur Herstellung ausgewählter Dämmstoffe ..................................................................................262

Tabelle 2.7-1:

Verweilzeit der Kunststoffprodukte im Markt ................................273

Tabellenverzeichnis

XV

Tabelle 2.7-2:

Stand der Bewirtschaftung von Kunststoffabfällen in Deutschland im Jahr 1995, Werte ohne Abfälle aus Chemiefasern .............................................................................. 275

Tabelle 2.7-3:

Rohstoffliche Verfahren des Kunststoffrecyclings in Deutschland in den Jahren 1995 und 1998 ................................. 276

Tabelle 2.7-4:

Ergebnisse der Modellrechnung zum Szenario "geringe Recyclingraten, ineffiziente Verbrennung"................................... 283

Tabelle 2.7-5:

Ergebnisse der Modellrechnung zum Szenario "hohe Recyclingraten, effiziente Verbrennung"...................................... 284

Tabelle 2.8-1:

Recycling von 1 t Altasphalt im Heißmischgut ............................. 293

Tabelle 2.9-1:

Spezifischer Strom- und Dampfbedarf zur Herstellung von Holzstoff....................................................................................... 299

Tabelle 2.9-2:

Produktion, Verbrauch und Außenhandel von Primärfaserstoffen in der deutschen Papierindustrie 2000 .......... 300

Tabelle 2.9-3:

Aufkommen und Entsorgung von Altpapier im Jahr 2000 in Deutschland................................................................................. 302

Tabelle 2.9-4:

Mittlerer Strom- und Dampfbedarf für die Altpapieraufbereitung................................................................... 303

Tabelle 2.9-5:

Zusammensetzung der Einsatzstoffe zur Papierproduktion 1995............................................................................................. 303

Tabelle 2.9-6:

Altpapiereinsatzquoten im Jahr 2000 nach Papiersorten ............ 307

Tabelle 2.9-7:

Veränderung von Papierverbrauch und –produktion im Szenario "Hohe Materialeffizienz" gegenüber dem Referenzszenario im Jahr 2030................................................... 317

Tabelle 2.9-8:

Szenarienannahmen zur Abschätzung des Energieeinsparpotenzials ............................................................ 317

Tabelle 2.9-9:

Ergebnisse der Szenariorechnungen zum Energieeinsparpotenzial in PJ von Maßnahmen zur Verbesserung der Materialeffizienz in der Papierkette ................ 319

Tabelle 3-1:

Übersicht über den vermiedenen Primärenergieverbrauch für die einzelnen Werkstoffe heute und im Jahr 2030 ................. 326

Tabelle A2-1:

Demografische und makroökonomische Rahmenbedingungen des Referenz- und des Nachhaltigkeitsszenarios für Deutschland, 2000 bis 2030 ......... 361

XVI

Tabellenverzeichnis

Tabelle A2-2:

Entwicklung der durchschnittlichen Materialzusammensetzung bei neuen PKW im ReferenzSzenario, 2000 bis 2030...............................................................362

Tabelle A2-3:

Entwicklung des Materialbedarfs im Hoch- und Tiefbau im Referenz-Szenario, 2000 bis 2030 ...............................................363

Tabelle A2-4:

Entwicklung des Verbrauchs von Verpackungsmaterial im Referenz- Szenario nach novell. VerpackungsV, 2000 bis 2030 .............................................................................................364

Tabelle A2-5:

Annahmen zur Produktionsentwicklung energieintensiver Grundstoffe in Deutschland im Referenz-Szenario, 2000 bis 2030........................................................................................366

Zusammenfassung

0

1

Zusammenfassung

Nachhaltige Entwicklung bedeutet unter anderem die Notwendigkeit, die CO2Emissionen in allen Energieverbrauchssektoren langfristig erheblich zu reduzieren. Im Systemaspekt, also in den optimiert abgestimmten Systemen der Energiewandlung und –nutzung einschließlich der gewünschten Dienstleistungen und Produkte, werden heute die größten Energieeinsparpotenziale vermutet. Die weitere Schließung von Stoffströmen energieintensiver Produkte und Werkstoffe rückt neuerdings in das Blickfeld der Untersuchungen zur rationellen Energieanwendung. Aus der Vielfalt von systemar zu betrachtenden Optionen der Energieeffizienz wurden mit Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit im Rahmen der vorliegenden Studie die Technologiefelder der "Werkstoffeffizienz"1 untersucht. Darunter wurden folgende Optionen verstanden: • Recycling und Sekundärrohstoffnutzung, • Werkstoffsubstitution und • effiziente Werkstoffnutzung, z. B durch werkstofftechnische bzw. konstruktive Maß-

nahmen. Ziel dieser Studie war, die energiewirtschaftliche Bedeutung dieser strategischen Werkstoffeffizienz-Optionen für die nächsten Jahrzehnte zu quantifizieren. Für die wesentlichen energieintensiven Grundstoffindustrien in Deutschland wurden daher die Potenziale der Werkstoffeffizienz durch neue und verbesserte Technologien herausgearbeitet, wobei die Abschätzungen in eine primärenergetische Bewertung mündeten. Um das Ergebnis vorweg zu nehmen: Die Bedeutung der Materialeffizienz und des Recyclings energieintensiver Materialien hat sich als hoch für den Energiebedarf in Deutschland in den vergangenen zwei bis drei Jahrzehnten und damit für die Entwicklung der energiebedingten CO2-Emissionen erwiesen. Da auch unter den konservativen Annahmen eines Referenzfalles für die kommenden drei Jahrzehnte ein vermiedener Anstieg des Primärenergiebedarfs durch Werkstoffeffizienz in der gleichen Größenordnung zu erwarten ist und die bestehenden Potenziale bei einem Vielfachen dieses Wertes liegen, sollte dieses Feld auch bewusster Gegenstand der Klimapolitik werden. Zu betonen ist allerdings, dass energetische Betrachtungen alleine nicht hinreichend für die Beurteilung der Nachhaltigkeit der untersuchten Konzepte sein können.

1

Unter "Werkstoffeffizienz" wird hier die Energieeffizienz der Herstellung und Nutzung von Werkstoffen verstanden.

2

Zusammenfassung

Die Untersuchungen gliederten sich nach Material- bzw. Werkstoffarten, wobei diese wegen vielfältiger Wechselwirkungen nicht völlig unabhängig voneinander betrachtet werden konnten. Im Einzelnen waren dies • die metallischen Werkstoffe Stahl und Aluminium; in diesen Untersuchungsbereich

fiel schwerpunktmäßig auch die Analyse der Leichtbauoptionen im Automobilsektor, • die mineralischen Werkstoffe Beton/Betonprodukte, Ziegel und Glas sowie • als organische Werkstoffe die Polymere und Bitumen sowie Papier.

Maßnahmen zur Reduktion der Umweltbelastung lösen auch Anpassungsreaktionen bei den betroffenen volkswirtschaftlichen Akteuren aus. Vielfältige gesamtwirtschaftliche Effekte sind zu erwarten, darunter Beschäftigungseffekte. Derartige Effekte dürfen bei der Bewertung unter Nachhaltigkeitsaspekten nicht außer Acht gelassen werden und waren daher Gegenstand eines eigenen Untersuchungsschwerpunktes. Die Ergebnisse im Einzelnen: Im Bereich der Stahlerzeugung sind erhebliche Primärenergieeinsparungen durch die Substitution von Oxygen- durch Elektrostahl möglich. Der spezifische Primärenergiebedarf der Elektrostahlerzeugung liegt bei nur gut einem Viertel desjenigen der Oxygenstahlerzeugung (Roheisenlinie). Die Substitutionspotenziale sind aber beschränkt, denn der E-Stahlanteil wird u. a. bestimmt durch Schrottverfügbarkeit (Preis und Qualität, weniger durch absolute Schrottmenge) und die Struktur der Produktnachfrage. Oxygenstahl und E-Stahl sind in gewisser Hinsicht als unterschiedliche Produkte zu betrachten: "Flachprodukte" sind bislang vorwiegend dem Oxygenstahl vorbehalten, durch technische Entwicklungen (werkstoffseitig und bei den Gieß/Walzverfahren) wird diese Trennung künftig aber weniger strikt sein müssen. Dennoch ist keine vollständige Substituierbarkeit gegeben. Durch die Zunahme des Elektrostahlanteils seit 1983 (ab diesem Zeitpunkt waren nur noch die beiden heute in Deutschland üblichen Verfahren im Einsatz) wurden erhebliche Primärenergieeinsparungen in Höhe von 65 PJ/a erzielt. Bei vorsichtiger Schätzung des künftigen Elektrostahlanteils, der demnach von heute knapp 30 % auf dann rund 33 % ansteigen würde, dürften bis 2030 weitere 24 PJ/a vermieden werden können. Bei massivem Ausbau der Elektrostahlkapazitäten (Elektrostahlanteil 45 %) gar 92 PJ/a. Die Erhöhung des Schrotteinsatzes oder der Recyclingrate bei der Stahlerzeugung wird weltweit verfolgt. F&E-Aktivitäten zur Beherrschung der Begleitelement-Problematik (v. a. Kupfer) dienen auch diesem Ziel. Das International Iron and Steel Institute (IISI) hat unter Federführung des VDEh einen Arbeitskreis installiert, der die aktuelle

Zusammenfassung

3

Schrottsituation weltweit erfassen und Methoden zur Erhöhung der Rückgewinnungsrate für Altschrott entwickeln soll. Betont werden muss, dass das Recycling von Stahl nur eine von vielen Möglichkeiten darstellt, den Energiebedarf der Branche und die resultierenden CO2-Emissionen zu senken. Gegenstand vielfältiger F&E-Astrengungen der Branche sind daher auch (nach wie vor) Maßnahmen zur Senkung des Verbrauchs von Koks als Reduktionsmittel, sei es durch Kohle oder durch alternative Reduktionsmittel. Neben einer Vielzahl von Prozessinnovationen sind im Kontext der vorliegenden Studie weitere "Materialeffizienzmaßnahmen", wie die Nutzung aufbereiteter Hochofenschlacke als Rohstoffsubstitut zur Zementerzeugung (siehe unten) zu nennen. Zu erwähnen ist ferner die bereits in der Vergangenheit sehr weitgehend erfolgte Einführung der Stranggießtechnik, die zu erheblichen Einsparungen von Rohstahl in der Erzeugungskette bis zum Fertigprodukt geführt hat. Schließlich sind die sich eröffnenden Energieeinsparmöglichkeiten im Bereich der Nutzung der Produkte der Stahlindustrie zu nennen. Hervorzuheben ist der Leichtbau im Automobilsektor, der durch neu entwickelte Werkstoffe ermöglicht wurde und Gegenstand vielfältiger Entwicklungsaktivitäten der Branche ist. Für den Verkehrsbereich besteht durch Leichtbau ein erhebliches Einsparpotenzial während der Lebenszeit der Fahrzeuge von mehr als 100 PJ/a (siehe unten). Neue Stähle ermöglichen ferner die Steigerung des Umwandlungswirkungsgrades thermischer Kraftwerke durch die Beherrschung gesteigerter Frischdampfdrücke sowie höherer Frischdampf- und Zwischenüberhitzertemperaturen. Bei der Aluminiumerzeugung sind erhebliche Primärenergieeinsparungen durch die Erhöhung der Erfassungs- und Aufbereitungsquoten der Schrotte möglich, insbesondere im Fahrzeugbereich, wo seit Anfang der neunziger Jahre 60 % der Altfahrzeuge exportiert werden. Der spezifische Primärenergiebedarf der Sekundäraluminiumerzeugung liegt bei nur knapp 12 % desjenigen der Primärerzeugung (Mix westliche Welt) oder bei 8.5 %, wenn der deutsche Strom-Mix zugrunde gelegt wird. Die Substitutionspotenziale sind aber beschränkt, denn wie beim Stahl wird der Sekundäranteil u. a. durch Schrottverfügbarkeit (Preis und Qualität, weniger durch absolute Schrottmenge) und die Struktur der Produktnachfrage bestimmt. Auch Primär- und Sekundäraluminium sind in gewisser Hinsicht als unterschiedliche Produkte zu betrachten: Knetlegierungen sind bislang vorwiegend dem Primäraluminium vorbehalten, während Formguß überwiegend die Domäne des rezyklierten Materials war. Die Grenzen beginnen aber zunehmend zu verschwimmen. Dennoch wird auch beim Aluminium in absehbarer Zeit keine vollständige Substituierbarkeit erreichbar sein.

4

Zusammenfassung

Durch die Zunahme der Erfassungs- und Aufbereitungsquoten in den verschiedenen Anwendungsbereichen (u. a. Verkehr, Maschinenbau, Elektrogeräte, Bau, Verpackungsmaterial) wurden seit 1974 Primärenergieeinsparungen in Höhe von 9 PJ/a erzielt (unter der Annahme, dass das rezyklierte Material Primäraluminiumimporte ersetzt). In der Referenzentwicklung dürften durch weitere Steigerung der Erfassungsund Aufbereitungsquoten sowie durch Verbesserung der effizienten Werkstoffnutzung (insbesondere in den Bereichen Maschinenbau, Elektrogeräte, Verpackungen und Haushalte/Büro) weitere Einsparungen in Höhe von 10 PJ möglich sein. In einem Minderungs-Szenario, in dem insbesondere die Erfassungsquote bei PKWs erhöht wird, könnten im Verbund mit weiteren Verbesserungen durch effiziente Werkstoffnutzung bis zu 67 PJ eingespart werden (im Aluminium-Trendszenario; entsprechend mehr, wenn Aluminium massiver im Automobilbau eingesetzt wird). Hier gilt es aber zwischen zwei Optionen abzuwägen: Altfahrzeuge einer möglichen weiteren Nutzung im Ausland mit möglicherweise schlechter geregelter Erfassung von Schrottfahrzeugen zuzuführen oder eine gesteigerte Verwertung im eigenen Land anzustreben. Weltweite Anstrengungen, den Energieverbrauch der Primäraluminiumerzeugung durch stabile Anoden zu senken, waren bisher nicht erfolgreich. Nach Expertenmeinung könnte dies auch bis zum Zeithorizont 2030 so bleiben. Zu bedenken ist, dass Primäraluminium energetisch nur mehr einen Faktor 2 vom theoretischen Minimum entfernt ist, und es daher um so schwieriger wird, auf dieser Seite Verbesserungen zu erzielen. Desto mehr Gewicht kommt daher der Verbesserung der Recyclingfähigkeit zu, was (weiterhin) Gegenstand intensiver F&E sein sollte. Auf der Suche nach leichteren Werkstoffen mit spezifisch hohen Steifigkeiten stellen metallische Schäume eine interessante Möglichkeit dar. Dies ist derzeit ebenfalls Gegenstand intensiver F&E-Aktivitäten. Der Automobilbau stellt den wichtigsten Stahlverwendungssektor in Deutschland dar. Hierfür wurden neben dem Stahlrecycling auch die Option Leichtbau mit Stahl sowie alternativ die Leichtbauoption mit Einsatz von Aluminium untersucht. Wenn alle stillgelegten Fahrzeuge einem Recycling zugeführt würden, so hätte im Jahre 2000 die Primärenergieeinsparung durch ein Recycling von Stahl und Aluminium aus Altkarossen bei ca. 47 PJ gelegen. Die Stoffströme von Alt-PKW sind allerdings nur teilweise bekannt. Aufgrund der doch nur vergleichsweise geringfügig steigerbaren Aufbereitungsquoten für Stahl und Aluminium ist das Potenzial für künftige Energieeinsparungen durch weiterentwickelte Recyclingverfahren bzw. geänderte Recyclingrouten eher beschränkt. Eine wesentliche Option zur Steigerung der Recyclingraten ist die Volldemontage aller PKW.

Zusammenfassung

5

Durch konsequente Leichtbaustrategien und die Stahlsubstitution durch Leichtmetalle oder Polymerwerkstoffe lässt sich das Leergewicht eines heutigen PKW um ca. 40 % reduzieren. Hierdurch kann der Kraftstoffverbrauch während der Nutzungsphase zwischen 17 und 34 % reduziert werden. Die Verwertungsquoten der EU-Altfahrzeugrichtlinie können jedoch die künftige Umsetzung von Leichtbaustrategien einschränken, da bei Stahl- oder Aluminium-Leichtbaustrategien der prozentuale Gewichtsanteil der Stoffe, die bisher über die Shredderleichtfraktion entsorgt werden, deutlich steigt und weil dies zu höheren wirtschaftlichen Aufwendungen und neuen Recyclinganforderungen im Vergleich zu einer konventionellen PKW-Bauweise führt. Bei einer ganzheitlichen energetischen Bilanzierung ist zu beachten, dass bei Leichtmetallen wie Aluminium oder Magnesium und Polymerwerkstoffen wie Kohlefasern und Epoxidharz die energetischen Aufwendungen zur Materialherstellung zum Teil deutlich über denen für Stahl liegen. Unter dem Kriterium des Primärenergieverbrauchs über den Produktlebenszyklus lassen sich damit folgende Schlussfolgerungen für verschiedene Leichtbaustrategien im PKW-Bereich ziehen: • Ein kompletter Leichtbau auf Basis von Aluminium führt in den ersten 15 bis 20

Jahren zu einem nicht unerheblichen Anstieg des jährlichen Primärenergiebedarfs in der Bundesrepublik Deutschland. Erst danach sinkt der Primärenergiebedarf, dann allerdings deutlich und schnell ab. Diese Aussagen gelten für den "DurchschnittsPKW". Sensitivitätsüberlegungen hinsichtlich deutlich höherer jährlicher Fahrleistungen und schwererer PKW zeigen, dass dann ein Aluminiumleichtbau deutlich besser abschneidet. Bei der Bewertung von Aluminiumleichtbauweisen ist weiterhin zu berücksichtigen, dass der prognostizierte Trend zu kleineren, leichteren PKW und zu geringeren jährlichen Fahrleistungen aufgrund der demographischen Entwicklung führt, was eine "energetischen Amortisation" der höheren Energieaufwendungen bei der Produktion tendenziell erschwert. • Wenn ein Stahlleichtbau eine Gewichtsreduzierung in der selben Größenordnung

wie ein Aluminiumleichtbau aufweist, ist er unter primärenergetischen Gesichtspunkten deutlich vorzuziehen. Gegenüber der heutigen konventionellen Bauweise lässt sich damit der gesamte Primärenergiebedarf der Herstellungs- und Nutzungsphase von PKWs im Jahre 2030 um rund 124 PJ/a - entsprechend rund 10 % des Wertes für den Referenzfall - verringern. Im Untersuchungsbereich Beton und Betonprodukte wurde der Beitrag der Sekundärrohstoffnutzung, also im wesentlichen des Recyclings von Abbruchmaterial sowie der Nutzung von Produktionsabfällen aus anderen Branchen, abgeschätzt. Energetisch hat das Recycling für Baustoffe nicht die Bedeutung, die es bspw. für die metallischen Werkstoffe hat. Das Recycling von Baustoffen kann sogar einen höheren Energieaufwand verursachen als bei Nutzung primärer Rohstoffe aus der Natur; die Komplexität des Stoffgemisches Bauschutt begrenzt hochwertige Verwertungsmöglichkeiten.

6

Zusammenfassung

Von dem in der Bauwirtschaft anfallenden Bauschutt, darunter 40 % Betonbruch, werden heute gut 70 % als Gesteinsbaustoffe verwertet. Bei der Verwertung von Betonbruch verbleibt durch den als Koppelprodukt anfallenden Armierungsstahl eine kleine Energiegutschrift. Energiewirtschaftlich ist die Verwertung von Flugasche aus Steinkohlenkraftwerken und von Hüttensand aus Hochöfen als Ersatz für Portlandzement besonders interessant und führt zu deutlichen Energieeinsparungen. Durch das Recycling von Flugasche, Hüttensand und Betonbruch sind seit 1970 rund 11 PJ/a an Primärenergie eingespart worden. Ohne Nutzung dieser Sekundärrohstoffe würde die Zement- und Betonindustrie zusammen genommen um 17 % mehr Primärenergie benötigen. Damit ist aus heutiger Sicht eine Sättigungsgrenze erreicht. Der Anfall von Flugasche wird künftig nur noch moderat zunehmen. Die Erzeugung von Hüttensand ist an die Oxygenstahlproduktion gekoppelt, die in den kommenden Jahrzehnten eher rückläufig sein dürfte. Vor diesem Hintergrund wird die durch den Ausbau des Recyclings bis 2020 erreichbare weitere Primärenergieeinsparung auf 3 PJ/a veranschlagt. F&E-Themen im Bereich Beton und Betonprodukte sind u. a. die Entwicklung von Beton mit Polymerzuschlägen, die Verwendung von Betonmehl als hydraulisches Bindemittel, schnelle Analytik bei der Probenahme von Bauschutt und die Entwicklung neuer kostengünstiger Bauweisen. Im Bereich der Herstellung von Ziegeln wird in Deutschland derzeit keine Wiederverwertung auf gleichem Niveau zu neuen Ziegeln betrieben. Die Ziegelabfälle werden zerkleinert und in verschiedenen Bereichen, wie beispielsweise Dachbegrünungen oder Sportplatzbau weiterverwertet. Für die Zerkleinerung in Brechern werden etwa 4 PJ/a Primärenergie benötigt. Derzeit ist die Produktionsmenge der Ziegelindustrie etwa genauso hoch wie die jährlich anfallenden Abbruchmengen an Ziegeln. In Österreich wird ein zementgebundener "Recyclingziegel" mit 70 % Ziegelbruch hergestellt, der weniger Produktionsenergie benötigt. Würde die gesamte Menge von 11 Mio. t Ziegel Abbruchmaterial, die pro Jahr in Recyclinganlagen gelangt, zur Produktion dieser "Recyclingziegel" herangezogen, die dann energieintensive "normale" Ziegel verdrängten, ließen sich 6 PJ pro Jahr an Energie einsparen. Im Behälterglassektor, dem aus energetischen Gesichtspunkten relevantesten Sektor der Glasindustrie, findet heute eine weitgehende Wiederverwertung statt, wodurch aktuell ca. 6-7 PJ/a eingespart werden. Angesichts zu erwartender sinkender Produktionszahlen sowie einer unterstellten energetischen Effizienzsteigerung bei der Glasherstellung dürfte die Primärenergieeinsparung durch Behälterglasrecycling im Jahr 2030 allerdings nur noch rund 4 PJ/a betragen. In der Vergangenheit hat auch die Gewichtsreduzierung eine wichtige Rolle gespielt. So hat sich innerhalb der letzten 40 Jahre das durchschnittliche Gewicht von Hohlglas-Produkten um 44 % reduziert und es bestehen

Zusammenfassung

7

auch für die Zukunft weitere Optionen, das Gewicht zu senken. Damit einher gehen Energiebedarfssenkungen bei der Herstellung von Glas und aufgrund der Gewichtseinsparung auch im Transportsektor. Die Wiederverwertungsquoten in den anderen Glassektoren sind, bis auf Eigenscherben und Scherben aus weiterverarbeitender Industrie, relativ niedrig. Im Flachglassektor liegt der Anteil der wiedereingesetzten Altscherben bei unter 10 %. Eine Wiederaufbereitung ist technisch oft möglich, allerdings aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen und den damit verbundenen ökonomischen Gründen sind Demontage-, Redistributions- und Aufbereitungswege bis heute oft nicht ausgebaut. Häufig findet in diesem Sektor jedoch ein Down-Cycling statt. Ein Problem ist auch die geringe Kenntnislage über die Stoffströme von Altflachglas, die in Zukunft wegen der anfallenden Doppelglasscheiben deutlich zunehmen werden. Als F&E-Themen sind u. a die Sicherstellung der Qualitätsanforderungen beim Altglasrecycling und die Entwicklung entsprechender kostengünstiger Verfahren zu nennen. Weitere relevante Forschungsfragen sind, ob ein Absenken der hohen Qualitätsanforderungen an Flachglasprodukte zu relevanten Energieeinsparpotenzialen führen kann und ob dies am Markt durchsetzbar ist. Ein wichtiges Thema in diesem Zusammenhang ist auch die Frage der Produktstandardisierung. Generell lassen die nicht abschließenden Untersuchungen im Glassektor die Vermutung zu, dass durch die Materialwahl und –effizienz ein deutlich höheres energetisches Einsparpotenzial existiert als durch Materialrecycling. Für F&E bedeutet dies, die Materialeigenschaften von Glas und Scheibensystemen zu verbessern. Die unter energetischen Gesichtspunkten optimierte Wahl der Getränkeverpackung (zwischen Einweg und Mehrweg sowie zwischen Glas-, PET-, Karton- und Dosenverpackungen) weist nach heutigem Stand der Technik und aktuellen Verbrauchsstrukturen Primärenergieeinsparpotenziale von 30 bis 40 PJ pro Jahr auf. Dies ist annährend eine Halbierung des gesamten Energieverbrauches von der Produktion über den Transport

bis

zum

Recycling

im

Getränkeverpackungsbereich.

Wichtige

Einsparpotenziale liegen u. a. darin, die Aluminiumdose im Bierbereich und auch im Limonadenbereich zu substituieren sowie oftmals von Einweg auf Mehrweg umzusteigen. Allerdings sind bei der Getränkeverpackungswahl auch andere Kriterien (z. B. Geschmacks-, Konservierungs- und Haltbarkeitseigenschaften) für die Wahl der Verpackung entscheiden, die in der Studie nur am Rande berücksichtigt wurden. Im Bereich der Kunststoffe sind in den letzten Jahren verschiedene Recyclingverfahren etabliert wurden, die den einzelnen Kunststofftypen und ihren Anwendungsfeldern Rechnung tragen. Da aber ca. 60 % der Kunststoffprodukte sehr langlebig sind, fällt derzeit nur ein Teil des jährlichen Kunststoffverbrauchs als Abfall an (1995: ca. 8,2

8

Zusammenfassung

Mio. t Produktion zu 4,6 Mio. t Abfälle). Von den Abfällen gelangt nur ein Teil in das Recycling, der Rest wird deponiert oder in Müllverbrennungsanlagen verbrannt. Durch die Recyclingverfahren wurden 1995 ca. 14 PJ Primärenergie eingespart, durch steigende Abfallmengen und effizientere Recyclingverfahren könnten es im Jahr 2020 zwischen 97 PJ (20 % Recycling) bis 318 PJ (67 % Recycling) sein (entsprechend einer Zunahme gegenüber 1995 um 83 bzw. 304 PJ). Entscheidend für zukünftige Energieeinsparungen ist aber auch der Einsatz effizienter Müllverbrennungsanlagen, in denen durch Verbrennung von Sortierresten und ungeeigneten Polymerfraktionen Primärenergie eingespart werden kann. Die Verbesserung der Eigenschaften von Polymeren durch neue Katalysatoren und Verfahren ermöglicht auch die Erhöhung ihrer Marktanteile (gegenüber den Polyaddaten und –kondensaten) und damit die Recycling-Möglichkeiten. Hinzu kommt die Möglichkeit der Substitution von petrochemisch basierten Kunststoffen durch biogene Rohstoffe, was aber in vielen Fällen langfristig angelegter F&E bedarf, um in Massenmärkte vorzudringen. In 1995 wurden 12 Mio. t Ausbauasphalt im Heißmischgut wiederverwendet. Damit wurden gegenüber der Deponierung als Referenzfall etwa 28,7 PJ Primärenergie eingespart. Die Verwendung von weiteren 3 Mio. t im Straßenunterbau führte ferner zu Einsparungen von 0,5 PJ. Im Bereich des Ausbauasphalts ist eine weitere Steigerung bei der hochwertigen Wiederverwendung anzustreben. Soweit möglich, sollten neue Verfahren eingesetzt werden, bei denen Transporte entfallen (vor-Ort-Recycling) und die Verarbeitungstemperatur gesenkt wird (Kaltrecycling). Zumindest bis 2005 wird sich die Menge des anfallenden Ausbauasphalts nicht nennenswert ändern. Sofern eine Recyclingrate nahe 100 % erreicht wird, sind somit Einsparungen in Höhe von zusätzlich 1 PJ/a möglich. Eine Verwertung im Bereich des Industriebitumens findet bisher hingegen nicht statt. Hier sind die Abfallströme weiter zu schließen sowie bestehende Verwertungsverfahren zu evaluieren. Dort ist auch die energetische Verwertung möglich. Wird vereinfachend davon ausgegangen, dass je 50 % der Industriebitumenabfälle werkstofflich rezykliert und in Zementöfen verbrannt werden, ergibt sich bei einer Abfallmenge von ca. 300 kt/a im Jahr 2005 eine Einsparung von rund 11 PJ Primärenergie. Im Untersuchungsbereich Papier lag das Hauptaugenmerk auf dem Recycling von Altpapier, insbesondere in Form gesteigerten Altpapiereinsatzes bei graphischen Papieren, der Substitution von Papier in verschiedenen Anwendungen durch neue Informations- und Kommunikationstechniken sowie der effizienteren Materialnutzung durch technische und organisatorische Maßnahmen, wie z. B. die Verwendung dünnerer Papiersorten und die stärkere Nutzung von Bürogeräten, die doppelseitiges Drucken und Kopieren erlauben. Auch das Konzept des Print on Demand ist hierunter einzuord-

Zusammenfassung

9

nen. Substitution und effizientere Materialnutzung führen beide zu verringerten Produktionsmengen, wobei die Vielfalt der Einflussgrößen in diesem Bereich zur Definition sehr stark variierender Szenarien mit entsprechend breiter Streuung der Ergebnisse zwingt. In der Vergangenheit hat die deutliche Zunahme des Altpapierrecyclings seit 1970 bereits zu einer erheblichen Energieeinsparung geführt. Wäre im Jahr 2000 die Altpapiereinsatzquote noch auf dem Stand von 1970, läge der Energiebedarf um rund 25 PJ höher. Unterstellt man für die Zukunft eine leichte Entkopplung beim Wachstum von Papierverbrauch bzw. -produktion und Bruttoinlandsprodukt, die zu einem gebremsten Anstieg der Produktion von heute rund 18 Mio. t auf 26 Mio. t im Jahr 2030 führen würde, wäre selbst bei verbesserter Energieeffizienz von einem Anstieg des Primärenergieverbrauchs um 21 PJ gegenüber dem Jahr 2000 auszugehen. Bei einer auf dem Stand von 2000 stagnierenden Materialeffizienz läge dieser Wert sogar um weitere 32 PJ höher. Durch konsequente Ausschöpfung der Potenziale von Materialsubstitution und effizienter Materialnutzung sowie eine deutliche Erhöhung der Altpapiereinsatzquote ließe sich der Primärenergiebedarf der Papierherstellung bis 2030 gegenüber der Referenzentwicklung um 110 PJ bzw. gegenüber einer Variante "Eingefrorene Materialeffizienz" um 142 PJ vermindern. Bei der Bewertung des Primärenergiebedarfs ist allerdings zu berücksichtigen, dass ein Teil des Energiebedarfs (rund 25 % im Jahr 2000) aus der erneuerbaren Ressource Holz (Ablaugen, Rinden, Spuckstoffe) gedeckt wird. In der Primärenergetischen Gesamtbewertung wurde der Einfluss der untersuchten Maßnahmen zur Steigerung der Werkstoffeffizienz auf den Primärenergiebedarf in den einzelnen Untersuchungsbereichen zusammengefasst. Der Bilanzraum ist in Anbetracht der globalen Klimarelevanz des Verbrauchs fossiler Energieträger hierbei "die Welt", d. h., sofern Rohstoffe oder Endenergieträger importiert werden, werden die Energieverbräuche und Umwandlungsverluste im Ausland (zumindest näherungsweise) mit bilanziert. Die Tabelle enthält zum einen Angaben darüber, welchen Beitrag die untersuchten technischen Maßnahmen heute bereits – meist im Vergleich zu 1970 - leisten. Dabei wird der heute vermiedene jährliche Primärenergiebedarf ausgewiesen, der sich rechnerisch entweder • im Vergleich zu einem auf dem Stand des Basisjahres

eingefrorenen Standard ergibt. In der Regel ist das ein Zustand mit damaligen Recyclingquoten, aber heutigem spezifischen Energiebedarf;

oder • gegenüber einem jeweils definierten Referenzfall ohne diese Maßnahme ergibt.

10

Zusammenfassung

Ferner wird die bis zum Jahr 2030 zu erwartende Primärenergieeinsparung für einen Referenzfall ausgewiesen, der durch die Fortsetzung autonomer technischer Trends im Bereich der Werkstoffeffizienz (einschließlich Recycling und Substitution) gekennzeichnet ist. Eine forcierte Ausschöpfung der identifizierten Effizienzpotenziale ist dann im Minderungs-Szenario unterstellt. In einigen Fällen konnten nur Minderungspotenziale (Obergrenzen) für das Jahr 2030 ermittelt werden, die – entsprechend kenntlich gemacht – in der Spalte "Minderungsszenario / Potenzial" aufgeführt sind. In diesen Fällen war meist keine Angabe für den Referenzfall möglich. Die aufgrund der Datenverfügbarkeit und wegen der Berücksichtigung sektorspezifischer Besonderheiten notwendigerweise uneinheitliche Darstellung der Teilergebnisse lässt eine Summenbildung nur bedingt zu. Auch lassen sich nicht alle Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilbereichen vollständig berücksichtigen. Dennoch wurde nachfolgend durch eine Doppelzählungen weitgehend vermeidende Summenbildung eine Abschätzung des Gesamteffektes ermittelt. Aufgrund der genannten Einschränkungen kann diese aber nur als Orientierung dienen. Zusammenfassend ist als Ergebnis der Studie festzuhalten: • Recycling energieintensiv hergestellter Grundstoffe und effiziente Werkstoffnutzung

hat gegenüber einem auf dem Stand von vor 30 Jahren eingefrorenen Recyclingumfang dazu geführt, dass heute im Jahr deutlich über 150 PJ an Primärenergie, entsprechend gut 1 % des Primärenergieverbrauchs in der Bundesrepublik vermieden werden. • Setzen sich die autonomen Trends in der effizienten Werkstoffnutzung fort, so ist

damit zu rechnen, dass in den nächsten 30 Jahren Primärenergieeinsparungen in etwa der gleichen Höhe realisiert werden. • Durch forcierte Ausschöpfung bestehender Potenziale erscheint im betrachteten

Zeitraum eine Steigerung der Primärenergieeinsparungen um gut das Fünffache auf ungefähr 800 PJ/a, also rund 5 bis 6 % des heutigen Primärenergieverbrauchs in Deutschland, möglich. Die wesentlichen Potenziale liegen hier im Bereich des Recyclings metallischer Werkstoffe, des Automobil-Leichtbaus, der Werkstoffsubstitution bei Getränkeverpackungen und insbesondere im Recycling von Kunststoffen. Auch in der effizienten Nutzung von Papier und Umkehr der mit zunehmender IuKTechnologienutzung einher gehenden Papierverbrauchszunahme liegen erhebliche Einsparpotenziale. • Für die F&E-Anstrengungen sind immer wieder die Reinheiten der Schrotte bzw.

Abfälle durch kostengünstige Sortier-, Demontage- und Reinigungsverfahren sowie Reinigungsprozesse in den Produktionsprozessen der Sekundärmaterialien von

Zusammenfassung

11

großer Bedeutung. Die Qualitätssicherung der Sekundärmaterialien ist ein zentraler Punkt, an dem sich der Umfang der möglichen Kreislaufschließung entscheidet. • Für die erfolgreiche Entwicklung von Dematerialisierung und Kreislaufwirtschaft

bedarf es auch begleitender F&E zu Themen wie Sicherheit der neuen Systeme (z. B. Leichtfahrzeugbau, auch in der Übergangsphase) und Umweltfreundlichkeit. • Auf Grund der Diskussion der einzelnen wirksam werdenden gesamtwirtschaftlichen

Teileffekte dürften die untersuchten Strategien tendenziell beschäftigungssteigernd wirken, wobei sich jedoch für die einzelnen untersuchten Teilbereiche deutliche Unterschiede in der Größenordnung der Effekte ergeben könnten. Dies wird durch die Rezeption bestehender Analysen bestätigt. In welchem Ausmaß die in der vorliegenden Studie entwickelten Szenarien zu einer Steigerung der Beschäftigung führen, muss in fallspezifischen, eine Mikro-Makro-Brücke zwischen technologisch ableitbaren Veränderungen und aggregierterem mesoökonomischen Strukturwandel schlagenden Analysen untersucht werden.

12

Tabelle 0-1:

Zusammenfassung

Übersicht über den vermiedenen Primärenergieverbrauch für die einzelnen Werkstoffe heute und im Jahr 2030 Heute bereits vermiedener PEV in PJ/a

Im Jahr 2030 vermiedener PEV in PJ/a Referenzszenario

Im Jahr 2030 vermiedener PEV in PJ/a Minderungsszenario / Potenzial

65 1)

24 2)

92 2)

Recycling: 6 Effizienz: 7 2) gew. Summe: 10

Recycling: 60 Effizienz: 9 2) gew. Summe: 67

n. q.; Zunahme Recycling beschränkt

Leichtbau: 124 3)

3 2)

n. q.

-4 (Zusatzaufwand)

n. q.

6

Behälterglas: 6 – 7 4) Flachglas: 0,3 4)

n. q.

-

-

Polymere

14 6)

83 7)

304 7)

Bitumen

Ausbauasphalt: 29 1)

n. q.

Ausbauasphalt: 1 7) 7) Industrieasphalt: 11

Recycling: 25 1)

32 2)

142 2)

>> 150

> 150

≈ 800

Sektor/Anwendung

Stahl

1)

Aluminium

Recycling: 9

Automobilbau (Leichtbau)

Recycling: 47

Beton / Betonprodukte

5)

11 1)

8)

1)

Ziegel

Glas Getränkeverpackung (Materialsubstitution)

Papier Gesamteffekt (gerundet; Summenbildung nur bedingt zulässig)

9)

Behälterglas: 4 - 54) Flachglas: 1 - 1,54) 10)

30-40

PEV ... Primärenergieverbrauch 1)

Vergleich heute zu Basisjahr (Stahl: 2000 / 1983; Aluminium: 2000 / 1974; Beton: 2000 / 1970; Ziegel: 2000 / 1970; Polymere: 1995 / 1970; Bitumen: 2002 / 1970; Papier: 2000 / 1970) 2) Vergleich zu auf heutigem Stand eingefrorener Recyclingquote und Werkstoffnutzungseffizienz für jeweiliges Szenario 3) PEV-Einspar-Potenzial (Obergrenze) gegenüber auf heutigem Stand eingefrorener Recyclingquote und Werkstoffnutzungseffizienz 4) Einsparpotenziale durch den Einsatz von Altscherben im Vergleich zum Fall ohne Recycling. 5) Theoretischer Wert für vollständiges PKW-Recycling in 2000; z. T. enthalten in Werten für Stahl und Aluminium 6) Absolutwert für eingesparten PEV 1995 durch Recycling von Polymeren; ohne Abzug für deponierte Polymere 7) Potenzielle Zunahme gegenüber 1995; Berechnung für 2020 8) Überschneidungen mit Automobilbau; Aluminium-Trendszenario für Aluminiumanteile im Fahrzeug 9) Theoretischer Wert für reine Recyclingziegelproduktion 10) Materialsubstitution rein aus energetischer Sichtweise ohne Berücksichtigung limitierender Faktoren wie Qualitätsanforderungen an Getränkeverpackungen und unter heutigen Verbrauchs- und Produktionsstrukturen

Ausgangslage, Zielsetzung und Mitwirkung von Wirtschaftsvertretern

1

13

Ausgangslage, Zielsetzung und Mitwirkung von Wirtschaftsvertretern

In den vergangenen drei Dekaden konzentrierte sich die Forschung und Entwicklung zur rationellen Energieanwendung in Deutschland vor allem auf die bessere Nutzung von Energiewandlern, die Reduktion von Wärmeverlusten in Gebäuden sowie auf energieintensive Prozesse und Querschnittstechnologien in der Industrie (wie z. B. Dampferzeugung, Trocknungsprozesse, Zerkleinern, Wärmebehandlung in Öfen, Kälteerzeugung). In diesen Bereichen wurden erhebliche Energieeffizienz-Verbesserungen erzielt, so dass sich bei einzelnen Komponenten und Prozessstufen der spezifische Energiebedarf heute teilweise bis auf 10-20 % dem theoretischen Mindestbedarf genähert hat und weiterer energiesparender technischer Fortschritt mit wesentlich höherem F&E- sowie Investitionsaufwand verbunden wäre. Eine nachhaltige Entwicklung bedeutet unter anderem die Notwendigkeit, in allen Energieverbrauchssektoren die CO2-Emissionen langfristig erheblich zu reduzieren. Es rücken nun der Systemaspekt und die Frage der weiteren Schließung von Stoffströmen energieintensiver Produkte und Werkstoffe in das Blickfeld der Untersuchungen zur rationellen Energieanwendung. Denn im Systemaspekt – in den optimiert abgestimmten Systemen der Energiewandlung und –nutzung einschließlich der gewünschten Dienstleistungen und Produkte – werden heute die größten Energieeinsparpotenziale vermutet. Aus der Vielfalt solcher systemar zu betrachtenden Optionen wurden im Rahmen der vorliegenden Studie folgende Technologiefelder ausgewählt: • Recycling und Sekundärrohstoffnutzung: Sekundärrohstoffe haben in aller Regel

– inklusive der Recycling- und Transportaufwendungen – einen geringeren spezifischen Energiebedarf. Bei "alten" energieintensiven Werkstoffen hat der Sekundärrohstoffzyklus bereits relativ hohe Recyclingquoten erreicht (z. B. Stahl, Hohlglas, Papier/Pappe, Bitumen). Dagegen werden bei jüngeren Werkstoffen noch relativ geringe Werte genannt (z. B. Aluminium, verschiedene Kunststoffe). Hinzu kommt, dass viele Anlagen zum Trennen und Sortieren von energieintensiven Werkstoffen, insbesondere von post-comsumer-Abfällen, häufig noch wenig automatisiert und daher personalkostenintensiv sind, was dazu führt, dass die mögliche Wiederverwendung von energieintensiven Werkstoffen nicht immer voll ausgeschöpft wird. Das Recycling energieintensiver Werkstoffe erhält auch deshalb eine zunehmende Bedeutung, weil die Primärproduktion zunehmend in die Länder mit dem entsprechenden Rohstoffaufkommen oder mit sehr günstiger Energieverfügbarkeit konzentriert wird (z. B. Kanada, Venezuela, Island, Australien). Im Interesse einer Minimierung des weltweiten Transports, dessen externe Kosten durch mangelnde Besteuerung in den Preisen der Primärstoffe nicht enthalten sind, wäre es auch ein weiterer

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Ausgangslage, Zielsetzung und Mitwirkung von Wirtschaftsvertretern

Anreiz, die Sekundärkreisläufe in den einzelnen Industriestaaten zu stärken. Wenn in Zukunft im Bereich der auf Sekundärrohstoffen basierenden Produktionsverfahren der größte Erweiterungsinvestitionsbedarf besteht, liegen hier besondere Chancen, durch rechtzeitige F&E den spezifischen Energiebedarf der Sekundärlinie zu reduzieren. Nach einer im Jahre 2000 vom Fraunhofer-ISI durchgeführten Erhebung bei Führungskräften in der deutschen Investitionsgüterindustrie2 erwarten die Befragten von der Kreislaufwirtschaft eine erhebliche Bedeutung. Allerdings spiegelt sich diese positive Erwartung noch nicht in der betrieblichen Umsetzung wieder: Derzeit bietet nur jeder siebte Betrieb seinen Kunden die Rücknahme seiner Produkte an, und nur 5 % des Produktionsvolumens werden von den Herstellern zurückgenommen (betrifft nicht Verpackungsmaterial). Interessant ist dabei, dass als Hauptmotiv der Produktrücknahme die Kundenbindung und das Sammeln von Informationen aus der Nutzungsphase des Produktes genannt wurden. Insbesondere von Betrieben, die neue Technologien als wichtigsten Wettbewerbsfaktor sehen. • Werkstoffsubstitution:

Häufig besteht ein Substitutionspotenzial zwischen verschiedenen Werkstoffen. In Abhängigkeit von der spezifischen Energieintensität der Werkstoffe kann sich hierdurch ein erhebliches Energieeinsparpotenzial ergeben. Bisher wurden Substitutionsüberlegungen unter Kostenaspekten und Gesichtspunkten der Eigenschaften bei der Nutzung angestellt, während energiewirtschaftliche Aspekte und die Anforderungen der Klimapolitik weitgehend vernachlässigt wurden. Zur Verbesserung der Substitutionsmöglichkeiten von energieintensiven durch weniger energieintensive Werkstoffe kann sowohl an der Veränderung der technischen Nutzungseigenschaften, als auch an den Herstellverfahren und den damit zusammenhängenden Kosten der Werkstoffe angesetzt werden.

• Effiziente Werkstoffnutzung: Die Frage der Werkstoffsubstitution wird allerdings

noch einmal komplexer durch die Möglichkeit, den spezifischen Werkstoffbedarf zu vermindern, z. B. durch werkstofftechnische bzw. konstruktive Maßnahmen wie den Leichtbau im Fahrzeugsektor und bei bewegten Maschinenteilen oder dünnere Papierqualitäten etc.. Dabei bleiben die Funktionen, die der Werkstoff zu leisten hat, erhalten. Günstigstenfalls verbessert sich sogar die Funktionalität. Dies bedeutet, dass die Effizienz der Werkstoffnutzung gesteigert und damit die Nachfrage nach energieintensiven Werkstoffen relativ gesenkt werden kann. Diese systemare Betrachtungsweise mit den genannten technischen Optionen der "Werkstoffeffizienz"3 eröffnet eine Fülle von Möglichkeiten, mit denen der spezifische

2

Dreher, C., Schirrmeister, E.: Der lange Weg zur Kreislaufwirtschaft. Mitteilungen aus der Produktionserhebung des FhG-ISI. Karlsruhe, No.18 Sept. 2000

3

Unter "Werkstoffeffizienz" wird hier die Energieeffizienz der Herstellung und Nutzung von Werkstoffen verstanden.

Ausgangslage, Zielsetzung und Mitwirkung von Wirtschaftsvertretern

15

Energiebedarf je Dienstleistung, welche die Werkstoffe erbringen, reduziert werden könnte. Bis heute wurde eine derartige systematisch-quantitative Untersuchung nicht durchgeführt. Zwar gibt es für ausgewählte energieintensive Werkstoffe ZeitreihenAnalysen zur Wiederverwendung oder zum spezifischen Pro-Kopf-Verbrauch einzelner Industriestaaten, aber diese Analysen sind meist vergangenheitsorientiert oder stellen die technologischen Fragen nicht hinreichend detailliert. Darüber hinaus gibt es gewiss zu einzelnen Werkstoffen viele einzelne Forschungsanstrengungen und Entwicklungsideen für technische Verbesserungen des Sekundärkreislaufs4. Allerdings sind diese Arbeiten weder in den Kontext energiewirtschaftlicher Auswirkungen noch in einen breiteren Rahmen der rationellen Energie- und Werkstoffnutzung gestellt worden. Ziel dieser mit Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit durchgeführten Studie war daher, die energiewirtschaftliche Bedeutung dieser strategischen Werkstoffeffizienz-Optionen für die nächsten Jahrzehnte zu quantifizieren. Für die wesentlichen energieintensiven Grundstoffindustrien in Deutschland sollten die Potenziale der Werkstoffeffizienz durch neue und verbesserte Technologien sowie die damit erreichbaren Energie-Effizienzpotenziale herausgearbeitet werden. Es sollte auf Verbesserungsmöglichkeiten von Recyclingtechnologien und der derzeitigen Recyclinganteile eingegangen werden, um auch die hier wenig untersuchten Energieeffizienz-Potenziale abzuschätzen. Hierbei war zu berücksichtigen, dass Recyclingmaterial nicht für alle Anwendungen in gleicher Weise geeignet ist. Soweit von Bedeutung, sollten auch Potenziale durch Materialsubstitution bzw. konstruktive Maßnahmen, wie z. B. "Leichtbau"-Optionen untersucht werden. So wurde für einen bedeutenden Wirtschaftszweig und für dessen Produkt, das Automobil, die rein Werkstoff-fokussierte Betrachtungsweise aufgegeben. Um die komplexen, dynamischen Systemzusammenhänge erfassen zu können, wurde eine Systemanalyse auf Basis des System-Dynamics-Ansatzes durchgeführt. Simulationen unter Berücksichtigung des zu erwartenden technischen Fortschritts anhand des Kriteriums Primärenergieverbrauch führten zu verschiedenen Materialeffizienz-Szenarien. Schließlich sollte eine primärenergetische Bewertung erfolgen, um die Bedeutung der Materialeffizienz und des Recyclings energieintensiver Materialien in den vergangenen zwei bis drei Jahrzehnten und damit für die Entwicklung der energiebedingten CO2-Emissionen abschätzen zu können. Zusammen mit einem etwa genau so weiten Ausblick auf die Zukunft – Betrachtungshorizont 2030 – sollte damit eine quantitative Datenbasis geschaffen werden, um der Werkstoffeffizienz eine angemessene Rolle als Element der Klimapolitik zuweisen zu können.

4

Dreher/Schirrmeister (2000); siehe oben

16

Ausgangslage, Zielsetzung und Mitwirkung von Wirtschaftsvertretern

Dabei sollte die dem Forschungsteam stets sehr bewusste Tatsache nicht verkannt werden, dass energetische Betrachtungen alleine nicht hinreichend für die Beurteilung der Nachhaltigkeit der untersuchten Konzepte sein können. So war der energetische Aspekt mit Sicherheit nicht die treibende Kraft für das Bemühen der Umweltpolitik, das Recycling zu fördern, was mit dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes (KrW-/AbfG) in den vergangenen Jahren zur Fortentwicklung der Abfallpolitik zur Kreislaufwirtschaftspolitik führte. Der Energieverbrauch zur Herstellung von Werkstoffen bzw. der kumulierte Primärenergieverbrauch (KEA) für Produkte ist nur eingeschränkt als adäquater Repräsentant für die gesamte Umweltbelastung zu sehen. Als wesentliche Umweltauswirkungen sind neben Treibhauseffekt, Versauerung und Photooxidantienbildung – alle zumindest teilweise korreliert mit der Höhe des Verbrauchs fossiler Energieträger – auch der Ressourcenabbau, die Belastung von Gewässern oder der Verbrauch von Deponiefläche zu betrachten. Aus diesem Grunde sollte dort, wo vorhanden und notwendig, auch auf vorliegende Ökobilanzen Bezug genommen werden. Die Untersuchungen gliederten sich nach Material- bzw. Werkstoffarten. Im Einzelnen waren dies • die metallischen Werkstoffe Stahl und Aluminium; in diesen Untersuchungsbereich

fiel schwerpunktmäßig auch die Analyse der Leichtbauoptionen im Automobilsektor, • die mineralischen Werkstoffe Beton/Betonprodukte, Ziegel und Glas sowie • als organische Werkstoffe die Polymere und Bitumen sowie Papier.

Indes sind diese Bereiche wegen vielfältiger Wechselwirkungen nicht unabhängig voneinander zu betrachten. Beispielsweise finden Koppelprodukte aus der Eisen- und Stahlindustrie Verwendung in der Zementindustrie oder Kunststoffe spielen als Substitutionswerkstoff eine zunehmende Rolle im Automobilbau. Maßnahmen zur Reduktion der Umweltbelastung lösen vielfältige Anpassungsreaktionen bei den betroffenen volkswirtschaftlichen Akteuren aus. Durch die Summe dieser Anpassungsreaktionen und die hierdurch wiederum ausgelösten Folgewirkungen kommt es zu Veränderungen der Wirtschaftsstrukturen und der gesamtwirtschaftlichen Zielgrößen. Daher sollte im Rahmen der Studie auch der Frage nachgegangen werden, auf Grund welcher volkswirtschaftlicher Zusammenhänge eine erhöhte Werkstoffeffizienz zu Veränderungen der gesamtwirtschaftlichen Beschäftigung, der Wirtschaftsstrukturen und der betrieblichen Arbeitsstrukturen führen kann und ob die durch diese Veränderungen ausgelösten Impulse positive oder negative Wirkungen nach sich ziehen. Dabei sollte in dem diesen Fragestellungen gewidmeten Abschnitt

Ausgangslage, Zielsetzung und Mitwirkung von Wirtschaftsvertretern

17

der vorliegenden Studie der Anzahl der Arbeitsplätze besondere Bedeutung beigemessen werden. Das Projekt "Werkstoffeffizienz" wäre ohne die Unterstützung von Vertretern der betroffenen Wirtschaftszweige nicht durchführbar gewesen. Es ist an dieser Stelle nicht möglich, alle Experten zu nennen, die Informationen und Meinungen zum Thema beigetragen haben. Ihre Beiträge flossen bereits in einer frühen Bearbeitungsphase ein. Zum Ende der Projektlaufzeit wurden die Ergebnisse des Vorhabens im Rahmen eines Expertensymposiums zur Diskussion gestellt. Dieses Symposium, bei der auch Vertreter der Wissenschaft zu Wort kamen, fand am 28. Mai 2003 in Karlsruhe statt. Das Koreferat von Herrn Michael Ritthoff vom Wuppertal-Institut für Klima, Umwelt, Energie ist Anhang A3, die Teilnehmerliste Anhang A4 dieses Berichts zu entnehmen. Im Nachgang zu diesem Symposium wurden in Einzeldiskussionen mit den Experten weitere Detailfragen abgeklärt, insbesondere wurden Aspekte des bestehenden F&EBedarfs sowie die Frage der bestehenden Hemmnisse der Ausschöpfung der ermittelten Potenziale erörtert. Allen Experten aus Wirtschaft und Wissenschaft sei für ihre Unterstützung herzlichgedankt.

18

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

2

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

2.1

Eisen und Stahl

2.1.1 Vorbemerkung Das vorliegende Kapitel konzentriert sich auf die Herstellung von Stahl nach den beiden in Deutschland üblichen Herstellverfahren. Zum einen die Verfahrenslinie über die Roheisenerzeugung im Hochofen (mit den vorgelagerten Prozessschritten) und der anschließenden Stahlerzeugung im Oxygenstahlwerk, zum anderen auf die Erzeugung von Elektrostahl aus erschmolzenem Stahlschrott. Schwerpunktmäßig wird als Option zum effizienten Werkstoffeinsatz hier das Recycling betrachtet, die Optionen Materialsubstitution und konstruktive Maßnahmen werden an anderer Stelle ausführlich betrachtet: Im Kapitel "Energetische Bewertung von Leichtbaustrategien im Automobilsektor" werden für den wichtigsten Stahlverwendungssektor in Deutschland die Optionen "Leichtbau" (mit Stahl) sowie der Einsatz von Aluminium untersucht. Im Kapitel "Glas und Glasprodukte" wird auf die Möglichkeiten der Materialsubstitution in einem weiteren Anwendungsbereich für Stahl, nämlich in der Lebensmittelverpackung ("Weißblech") eingegangen. Gleichwohl finden sich auch in diesem Kapitel Ausführungen zum Stahlschrottrecycling aus PKWs und zum Weißblechrecycling, die zur energetischen Bewertung der Prozesse in den oben genannten Kapiteln herangezogen wurden. Ausführliche Zusatzinformationen zu diesem Teilthema finden sich in der Diplomarbeit von Michael Ball, die im Rahmen dieses Forschungsprojekts für das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit am Fraunhofer-ISI angefertigt wurde (Ball, 2002).

2.1.2 Charakterisierung des Sektors Sowohl weltweit als auch in Deutschland sind Eisen und Stahl mengenmäßig nach wie vor die wichtigsten metallischen Werkstoffe. Die bedeutendsten Eisenerz-Lieferanten für Deutschland sind heute Australien, Brasilien, Kanada und Schweden. Als Stahl werden im Allgemeinen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bezeichnet, die weniger als 2 % Kohlenstoff aufweisen. Es gibt etwa 2000 verschiedene Stahlsorten, die sich nach der chemischen Zusammensetzung in legierte und unlegierte Stähle sowie in diesen beiden Gruppen gemäß ihren Gebrauchsanforderungen jeweils in Qualitätsstähle und Edelstähle unterteilen lassen. Der Grenzwert für die Unterscheidung in niedrig- und hochlegierte Stähle liegt bei 5 % Gewichtsanteil der Legierungselemente.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

19

Die beiden wesentlichen Routen der Stahlherstellung sind in Deutschland das Oxygenund das Elektrostahlverfahren. Die Erzeugung von Oxygenstahl läuft in zwei Stufen ab: Zunächst wird aus Eisenerz Roheisen erzeugt, anschließend wird das Roheisen zu Rohstahl weiterverarbeitet. Beim Elektrostahl wird der Stahl unmittelbar aus Stahlschrott hergestellt. Als Schmelzaggregat wird überwiegend der Elektrolichtbogenofen eingesetzt. Die wichtigste Endproduktgruppe bei der Stahlerzeugung sind die Walzstahlfertigerzeugnisse. Hier unterscheidet man zwischen Flacherzeugnissen (Bleche, Warmbreitband) und Langerzeugnissen (Walzdraht, Stäbe, Profile, Rohre). In Deutschland werden Flacherzeugnisse bislang fast ausschließlich von integrierten Hüttenwerken hergestellt; die Menge an Langerzeugnissen entspricht in etwa der Elektrostahlproduktion. Abbildung 2.1-1 zeigt die zeitliche Entwicklung der Produktion von Rohstahl und Roheisen sowie den Verbrauch von Stahl (Stahlverwendung) seit 1974. Im Jahr 2000 wurden in Deutschland etwa 46 Mio. t Rohstahl (33 Mio. t Oxygenstahl, 13 Mio. t Elektrostahl) und knapp 31 Mio. t Roheisen erzeugt; diese Produktionszahlen entsprachen einem Anteil an der Weltstahlerzeugung von 5,1 % für Roheisen und 5,4 % für Rohstahl. Bezüglich der Rohstahlerzeugung belegt Deutschland damit europaweit Platz eins, weltweit Platz fünf. Deutschland ist Nettoexporteur von Rohstahl. Die Produktion von Eisenguss lag im Jahr 2000 zudem bei 3,54 Mio. t, die von Stahl- und Temperguss bei insgesamt 0,22 Mio. t. Der Verbrauch belief sich auf knapp 37 Mio. t. Abbildung 2.1-1:

Produktion und Verbrauch von Rohstahl und Roheisen in Deutschland (ABL und NBL)

70,0

60,0 Rohstahlproduktion

Mio. t

50,0

40,0

Verbrauch

30,0 Roheisenproduktion 20,0

19 74 19 75 19 76 19 77 19 78 19 79 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01

10,0

Jahre

Quelle: Statistisches Jahrbuch der Stahlindustrie

20

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Im Jahr 2000 gab es in Deutschland 16 Hochofenanlagen, 26 Oxygenstahlkonverter sowie 59 Elektroöfen. In den vergangenen Jahrzehnten war ein deutlicher Konzentrationsprozess zu beobachten: Einige wenige Anlagen machen heute den Großteil der Produktion aus. Ein Blick auf die bedeutendsten Standorte der Stahlerzeugung in Deutschland macht deutlich, dass die integrierten Hüttenwerke eine durchschnittliche Jahresproduktion von etwa 4,6 Mio. t haben, während die von Elektrostahlwerken bei etwa 0,6 Mio. t liegt. In den Elektrostahlwerken werden überwiegend Elektrolichtbogenöfen betrieben, die Kapazität von Induktionsöfen ist dahingegen vernachlässigbar. Da Elektrostahlwerke trotz kleinerer Kapazitäten rentabel betrieben werden, tragen sie zu einer dezentralisierten Stahlerzeugung und somit zu geringeren Transport- und Logistikkosten bei. Insbesondere der Rückgang der Elektroöfen um mehr als zwei Drittel im Vergleich zu 1974 macht die erheblichen Verbesserungen hinsichtlich der Kapazität der Öfen deutlich. Seit 1991 wurden in Deutschland auch 12 Hüttenwerke geschlossen. Abbildung 2.1-2 zeigt die Rohstahlproduktion nach Herstellungsverfahren. Seit 1994 werden in Deutschland nur noch Oxygen- bzw. Elektrostahl hergestellt. 1976 wurde in Westdeutschland die Produktion von Thomas-Stahl eingestellt, 1982 die von SiemensMartin-Stahl; seit 1993 gilt dies auch für Ostdeutschland. Von den erzeugten 46,4 Mio. t Rohstahl im Jahr 2000 lag der Anteil von Oxygenstahl bei etwa 71 %, der von Elektrostahl bei 29 %. Dabei hat der Anteil an Elektrostahl über den betrachteten Zeitraum kontinuierlich zugenommen. Hierfür sind insbesondere folgende Faktoren verantwortlich: Einsparung von Investitionsmitteln und Energie durch den Entfall von Sinteranlagen und Hochöfen sowie erhebliche Erweiterung der Produktionskapazitäten von Elektrostahlwerken in den letzten beiden Jahrzehnten (BDSV, 1998). In Deutschland werden Flacherzeugnisse fast ausschließlich aus Oxygenstahl hergestellt; dementsprechend der Großteil der Langerzeugnisse über die Elektrostahlroute: von den knapp 39 Mio. t warmgewalzter Stahlerzeugnisse im Jahr 2000 waren etwa 26 Mio. t Flacherzeugnisse und knapp 13 Mio. t Langerzeugnisse.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Abbildung 2.1-2:

21

Entwicklung der Rohstahlproduktion nach Verfahren 90,0

70,0

80,0

60,0 Anteil Oxygenstahl

70,0

50,0 60,0 50,0 40,0

30,0

Prozent

Rohstahl

Mio. t

40,0

30,0 20,0 Anteil Elektrostahl 10,0 Anteil Thomasstahl

Anteil SM-Stahl

10,0 0,0

19 74 19 75 19 76 19 77 19 78 19 79 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00

0,0

20,0

Jahre

Quelle: Statistisches Jahrbuch der Stahlindustrie

Abbildung 2.1-3 zeigt den Verlauf des Außenhandels für die Summe aller warmgewalzten und geschmiedeten Stahlerzeugnisse in Deutschland. Zwischen Oxygen- und Elektrostahl wird in den Außenhandelsstatistiken nicht unterschieden. Wie die Darstellung verdeutlicht, ist Deutschland Nettoexporteur von Walzstahlerzeugnissen, allerdings hat der Import seit den 80er Jahren stärker zugenommen als der Export. Im Jahr 2000 wurden in Deutschland etwa 19 Mio. t Walzstahlerzeugnisse eingeführt und etwa 23 Mio. t ausgeführt. Etwa 98 % aller Einfuhrerzeugnisse kamen aus Europa: 78 % aus der EU. Auch 80 % aller ausgeführten Stahlerzeugnisse gingen nach Europa; der größte außereuropäische Handelspartner waren die USA mit einem Anteil von etwa 7 %.

22

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Abbildung 2.1-3:

Außenhandel Stahlerzeugnisse

60,00 Stahlproduktion 50,00

Mio. t

40,00

30,00

20,00 Export Import 10,00

Jahre

00

99

20

19

97

98

19

96

19

19

94

95

19

93

19

92

19

19

90

91

19

89

19

88

19

19

86

87

19

19

84

85

19

83

19

19

81

82

19

19

19

79

78

19

19

77

76

19

19

75

74 19

19

80

Nettoexport

0,00

Außenhandel bis 1990 nur Westdeutschland

Quelle: Statistisches Jahrbuch der Stahlindustrie

Abbildung 2.1-4 zeigt die Verwendung von Stahl nach Sektoren in Deutschland im Jahr 2000. Der Stahlverbrauch lag bei 36,6 Mio. t. Der Verbrauch in den einzelnen Sektoren schließt dabei anfallende Fabrikationsreste mit ein. Den größten Anteil mit etwa 30 % hatte der Straßenfahrzeugbau, gefolgt vom Bausektor mit insgesamt 23,5 %. Der Straßenfahrzeugbau umfasst dabei sowohl PKW, LKW, Zweiräder und Fahrräder. Jährlich werden in Deutschland mehr als 700.000 t Weißblech als Verpackungsmaterial verwendet. Nicht nur Lebensmittel- und Getränkedosen werden aus Weißblech hergestellt, sondern auch Kronenkorken und Vakuumverschlüsse sowie Spezialverpackungen für chemisch-technische Erzeugnisse. Insbesondere der Markt der Getränkedosen wird in Deutschland von Weißblech mit etwa 85 % dominiert. Tabelle 2.1-1 gibt einen Überblick über die Weißblechverwendung nach Marktsegmenten im Jahr 2000.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Abbildung 2.1-4:

23

Stahlverwendung in Deutschland nach Sektoren, 2000

Stahleinsatz in Deutschland 2000 nach Sektoren und durchschnittliche Produktlebensdauer

Metallware (EBM) 8,5% 1 - 15 a

Sonstige 10 - 20 a 8,5%

Bauhauptgewerbe 15,0%

50 - 70 a

Stahlbau 8,5%

Rohrwerke 11,0%

40 - 50 a

40 - 50 a

Schiffbau 1,0%

Maschinenbau 14,0%

30 - 40 a

Elektrotechnik 3,5%

10 - 25 a

Straßenfahrzeubau 30,0%

15 - 25 a

10 - 30 a

Quelle: Wirtschaftsvereinigung Stahl

Tabelle 2.1-1:

Quelle: IZW

Weißblechverwendung in Deutschland, 2000

Getränkedosen

29 %

206.000 t

Nahrungs- und Genussmittel

25 %

178.000 t

Chemisch-technische Verpackungen

22 %

156.000 t

Verschlüsse

12 %

85.000 t

Tiernahrung

9%

64.000 t

Sonstige

3%

21.000 t

Gesamt

100 %

710.000 t

24

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

2.1.3 Herstellverfahren Die gesamte Prozesskette der heutigen Stahlherstellung – sowohl Oxygenstahl als auch Elektrostahl – ist in der nachfolgenden Abbildung schematisch dargestellt. Die einzelnen Prozesse werden im Folgenden näher beschrieben und bezüglich ihres Energiebedarfs analysiert. Grundlage hierfür ist die Arbeit von Patel (1998). Ausführliche Untersuchungen zu Energieeffizienzpotenzialen bei der Stahlerzeugung finden sich in Martin et al. (2000) sowie in Nill (2002). Abbildung 2.1-5:

Schematischer Prozess der Stahlherstellung Feinerze

Kohle

Elektrizität Feinkoks (Grus)

Koksofen Koksofen

Koksgrus

Koks

Eisenerz, Pellets

Kalkstein

Sinteranlage Sinteranlage

Kalkstein, Dolomit

Dolomit, Recyceltes Material

Sinter Gichtgas

Gekaufter Stahlschrott

Gichtstaub

Hochofen Hochofen

Schrott Sauerstoff, Brennstoff

Elektrizität

Schlacke Roheisen

Zuschläge

Schrott/DRI

Elektrostahl Elektrostahl

Sauerstoff

Oxygenstahl Oxygenstahl

Zuschläge

Flüssiger Stahl

Schlacke zu Hochofen und Sinteranlage

Sekundärmetallurgie Sekundärmetallurgie Gießen Gießen Eigenschrott

Warmwalzwerk Warmwalzwerk Flacherzeugnisse: Breitflachstahl, Blech, Warmband

Langerzeugnisse: Walzdraht, Stäbe, Profile, Betonstahl, Rohre

Walzschlacke

Beizen Beizen Kaltwalzwerk Kaltwalzwerk

Flacherzeugnisse: Feinblech, Kaltwalzband

Quelle: American Iron and Steel Institute

Langerzeugnisse: Blankstahl, Draht, Profile, Rohre

Walzschlacke

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

25

Die Ausweisung des Energieverbrauchs der verschiedenen Prozesse erfolgt zunächst endenergetisch. Dazu wurde auf Fachliteratur sowie auf die von der amtlichen Statistik bereitgestellten Daten zurückgegriffen (Stat. Bundesamt: FS 4, R. 8.1; BGS – Eh 200). Die energetische Bewertung des eingesetzten Sauerstoffs erfolgt mit 0,24 kWhel/m3; dies entspricht dem zur Herstellung benötigten Strom. Für die Bestimmung des Primärenergieaufwandes wird ein Bereitstellungsnutzungsgrad fossiler Brennstoffe von 90 % und von elektrischer Energie von 38,5 % angenommen. Zur Berücksichtigung auskoppelbarer Energien in Form von Brenngasen, wie Gichtgas und Konvertergas, wird zwischen Brutto- und Nettoenergieverbrauch unterschieden. Dabei entspricht der Bruttoenergieverbrauch dem Gesamtenergieeinsatz, während sich der Nettoverbrauch aus dem Bruttoenergieverbrauch abzüglich des spezifischen energetischen Outputs ergibt.

2.1.3.1 Roheisenerzeugung 2.1.3.1.1

Sinteranlage

Für die Roheisengewinnung werden die Eisenerze bei den Erzgruben zunächst aufbereitet, indem das Eisenoxid weitgehend von der Gangart (Verunreinigungen) getrennt und im Eisengehalt angereichert wird. Die beiden wichtigsten Verfahren, um Feinerze für den Einsatz im Hochofen stückig zu machen, sind das Sintern und das Pelletieren. Ziel beider Verfahren ist es, die Erzkörner durch partielles Aufschmelzen und Wiedererstarren zu größeren Agglomeraten miteinander zu verbinden. Entscheidend für die Auswahl des Verfahrens ist die bei der Aufbereitung anfallende Korngröße. Sinteranlagen sind meist unmittelbar den Hochofenwerken zugeordnet, während sich Pelletieranlagen in der Regel bei den Eisenerzgruben und an den Umschlagplätzen befinden. Im Gegensatz zu den USA, wo das Pelletieren sehr weit verbreitet ist, kommt in Deutschland zur Erzvorbereitung fast ausschließlich das Sintern zur Anwendung. Für die Erzeugung einer Tonne Sinter werden zwischen 750 und 860 kg Erz eingesetzt. Zur Herstellung der Sintermischung wird dem Erz feingemahlener Koksgrus (50 bis 60 kg pro Tonne Sinter) zugegeben. Danach wird die Mischung in gleichmäßiger Schichtdicke auf das Sinterband gegeben. Das Sinterband durchläuft einen Zündofen, in dem die Oberfläche der Sintermischung auf ca. 1300 °C erhitzt wird. Gleichzeitig wird von unten Luft durch die Sintermischung gesaugt. Dabei verbrennt der in der Mischung enthaltene Koksgrus, und die sogenannte Brennzone, in der Temperaturen zwischen 1200 und 1400 °C herrschen, wandert von oben nach unten durch die Mischung. Nach dem Durchbrennen der Sintermischung wird der Sinterkuchen gebrochen und klassiert.

26

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

In Deutschland lag der durchschnittliche spezifische Endenergieverbrauch aller mit der Sintererzeugung zusammenhängenden Anlagen im Jahr 2000 bei etwa 1,92 GJ je Tonne Sinter (ohne Brennstoffe für Dampf). Dieser Wert setzt sich zusammen aus dem Einsatz von Koksgrus (1,72 GJ/t Sinter), von Kokerei - und anderen Gasen (0,08 GJ/t Sinter für Zündhaube und Haubenwärmung) und von elektrischer Energie für die mechanischen Prozesse des Mischens, Förderns, Siebens und der Gasreinigung (0,12 GJ/t Sinter). Damit ist der Großteil des Energiebedarfs auf den in die Sintermischung eingesetzten Koksgrus zurückzuführen. Der Primärenergiebedarf für die Sinterherstellung ergibt sich zu 2,3 GJPrim/tSinter, dies entspricht 1,9 GJPrim/t Oxygenstahl.

2.1.3.1.2

Kokerei

Beim Prozess der Verkokung wird Steinkohle unter Sauerstoffabschluss bei 1000 bis 1300 °C entgast. Dabei entsteht Koks, der als Reduktionsmittel im Hochofenprozess benötigt wird, und Kokereigas als Kuppelprodukt. Als Brennstoff für den Koksofen dient Schwachgas, eine Mischung aus Gichtgas aus dem Hochofenprozess und gereinigtem Kokereigas. Werden hingegen die Koksöfen nicht im Verbund mit einem Hochofen betrieben, muss ausschließlich Kokereigas (Starkgas) eingesetzt werden. Zusätzlich werden im Verfahren Wasser, Dampf und elektrische Energie eingesetzt. Die Mengen der Rohstoffe, Brennstoffe sowie Nebenprodukte und Reststoffe sind im wesentlichen von dem Anteil der flüchtigen Bestandteile in der Kohle abhängig. Tabelle 2.1-2 zeigt die Stoff- und Energiebilanz einer Kokerei. Tabelle 2.1-2:

Stoff- und Energiebilanz der Kokerei [1 t Koks]

Ausgangsstoffe: Kohle

Menge

Endenergie [GJ/t]

1250 - 1500 kg

37,2 - 44,7

Brennstoffe: Schwachgas oder Starkgas

3,8 – 4,5 0,12 – 0,14

Elektrische Energie Nebenprodukte: Kokereigas

440 - 770 m³

7,2 – 12,2

Quelle: FfE (1999)

Der der Energieumwandlung zuzurechnende Anteil der Kokereien (Umwandlungsverluste) wurde bei der Bestimmung des Energiebedarfs der Oxygenstahlerzeugung im Rahmen dieser Untersuchung jedoch nur implizit, und zwar durch die primärenergeti-

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

27

sche Bewertung der zur Roheisenerzeugung eingesetzten Energieträger (incl. Koks), berücksichtigt.

2.1.3.1.3

Hochofen

Im Hochofen werden die in den Erzen enthaltenen Eisenoxide reduziert und zu flüssigem Roheisen geschmolzen. Der erforderliche Energiebedarf wird durch Vergasung von fossilen Energieträgern mit erhitzter Luft aufgebracht. Dazu wird der Hochofen schichtweise mit dem agglomerierten Eisenerz (überwiegend Sinter), Koks als Reduktionsmittel und Wärmelieferant sowie schlackebildenden Zuschlagstoffen (hauptsächlich Kalkstein) befüllt. Zu den Hochofenzusatzstoffen ist auch der eingeblasene Hochofenwind (Heißwind) zu rechnen, mit dem der Koks und die Ersatzreduktionsmittel (Kohle, Öl und Altkunststoffe) vergast werden. Der pro Tonne Roheisen erforderlichen Luftmenge von ca. 1100 m3 (i.N.) wurden im Jahr 2000 durchschnittlich 37,4 m3 (i.N.) Sauerstoff zugesetzt. Der Sauerstoff des Eisenerzes wird durch dieses Reduktionsgas, das durch die Vergasungsreaktion mit Heißluft und erhitztem Koks entsteht, abgebaut; es bilden sich flüssiges Eisen und Schlacke. Der Hochofen arbeitet nach dem Gegenstromprinzip, d. h. dass heißes Gas durch die Beschichtungssäule nach oben strömt, während die Einsatzstoffe kontinuierlich nach unten wandern und schließlich aufgeschmolzen werden. Am unteren Ende des Hochofenschachts wird der notwendige Heißwind (Luft) mit einer Temperatur von 1000 bis 1300 ºC durch sog. Blasformen eingeblasen (Abbildung 2.1-6). Die Erwärmung der Luft auf diese Temperaturen erfolgt durch einen zur Hochofenanlage gehörenden Winderhitzer. In den Verbrennungszonen unmittelbar vor den Blasformen herrschen Temperaturen von ca. 2200 ºC, mit zunehmender Schachthöhe nimmt die Temperatur ab. Bei Gastemperaturen oberhalb etwa 1000 ºC wird durch Reduktion des Eisenerzes aus Kohlenmonoxid (CO) entstehendes Kohlendioxid (CO2) mit Kohlenstoff sofort wieder zu CO umgesetzt (Boudouard-Reaktion), während letzterer Reaktionsschritt bei Schachttemperaturen unter 1000 ºC ausbleibt. Das aufsteigende Gas gibt seine Wärme an die umgebende Schüttung ab und tritt als Gichtgas als Koppelprodukt der Roheisenerzeugung mit einer mittleren Temperatur zwischen 100 und 130 ºC aus der Beschickungsoberfläche aus. Das Gichtgas hat in der Gaswirtschaft integrierter Hüttenwerke erhebliche Bedeutung. Eingesetzt wird Gichtgas vorzugsweise für die Erwärmung des Windes in regenerativ arbeitenden Winderhitzern, zur Windverdichtung, zur Unterfeuerung in Kokereien, in den Zündofen von Sinteranlagen, für Heizzwecke in Stahlwerksanlagen und zur Prozessdampf- und Stromerzeugung in Kraftwerken. Der im Gichtgas enthaltene Gicht-

28

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

staub kann nach entsprechender Aufbereitung wieder dem Hochofenprozess zugeführt werden. Das Haupterzeugnis des Hochofens ist Roheisen, welches gekennzeichnet ist durch hohe Kohlenstoffgehalte von etwa 4 bis 4,7 % und eine Reihe von Zusatzelementen (P, S, Si, Mn), die teilweise unerwünscht sind und beim Frischen zu Stahl so weit wie möglich verringert werden müssen. Gangartanteile und Zuschläge ergeben zusammen die Schlacke, die nach entsprechender Aufbereitung wirtschaftlich verwertet werden kann (z. B. Straßenbau, Betonbau). Optimierungspotenziale des Prozesse liegen in der teilweisen Substitution des Kokses durch Schweröl und Kohlenstaub als Reduktionsmittel. Bei einer Substitution von 0,8 kg Koks durch 1 kg Kohle und einen Eintrag von 200 kg Kohlenstaub pro Tonne Roheisen wird eine Einsparung von 0,9 GJ/t Roheisen für die Verfahren Kokerei-Sinteranlage-Hochofen geschätzt (FfE, 1999). Hochöfen können aus physikalischen Gründen jedoch nicht ohne eine bestimmte Menge Koks betrieben werden (Ameling, 2001). Abbildung 2.1-6:

Querschnitt durch einen Hochofen

Quelle: Stahlfibel (1999)

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

29

Während der spezifische Bruttoendenergiebedarf des Hochofenprozesses, also die Summe aller energetischen Inputs, im Jahr 2000 bei 20,8 GJ pro Tonne Roheisen lag, betrug der Nettoendenergiebedarf nach Anrechnung der energetischen Outputs etwa 17,1 GJ/t. Bei einem Einsatz von etwa 900 kg Roheisen pro Tonne Stahl sind das 15,4 GJ/t. Der Energieinhalt des bei der Erzeugung von Roheisen anfallenden Gichtgases schwankt zwischen 3,6 und 5,8 GJ/t Roheisen (FfE,1999). Vom gesamten Bruttoendenergiebedarf wurden 14,4 GJ/t Roheisen als Koks, Kohle und Öl in den Hochofen eingesetzt, die verbleibenden 6,4 GJ/t des Bruttoeinsatzes entfielen auf den Winderhitzer und auf sonstige Anlagen wie Turbogebläse, Begichtungsanlage, Förder- und Wiegeeinrichtungen, Sauerstofferzeugung etc. Der mit Abstand größte Anteil des Einsatzes fossiler Energieträger ist dem Kokseinsatz (trocken) mit etwa 10,8 GJ/t zuzuordnen. In Masseneinheiten entspricht dies einem Einsatz von 360 kg Koks pro Tonne Roheisen, hinzu kommen die Reduktionsmittel Kohle mit 81 kg/t, Öl mit 29 kg/t und Altkunststoffe mit 5 kg/t, so dass sich für das Jahr 2000 ein Gesamtbedarf an Reduktionsmitteln von 475 kg/t Roheisen ergibt. Dieser Wert schwankt in Abhängigkeit von der jeweiligen Möllerzusammensetzung.

2.1.3.1.4

Alternative Roheisenerzeugungsverfahren

Neben der Roheisenerzeugung im Hochofen gibt es noch die Verfahren der Direktreduktion und der Schmelzreduktion, als Alternativen zur Koksmetallurgie über die Hochofenroute. Das Verfahren der Direktreduktion (zu Eisenschwamm als Input für die Elektrostahlerzeugung) wird in Deutschland nur an einem Standort (Hamburg) betrieben. Schmelzreduktionsverfahren kommen hierzulande nicht zum Einsatz. An dieser Stelle wird auf diese Verfahrensrouten nicht eingegangen und stattdessen auf die reichhaltige Literatur verwiesen5. Wenngleich die Perspektive dieser Verfahren von Experten unterschiedlich eingeschätzt wird, so besteht dennoch Einigkeit darüber, dass die überragende Bedeutung des Hochofens für die Roheisenerzeugung in Deutschland noch lange erhalten bleiben wird. Der kumulierte Energieaufwand zur Herstellung von Stahl über die Hochofenroute ist nach heutigem Stand der Technik ebenfalls geringer als bei Direktreduktion oder Schmelzreduktion.

5

oder auch auf die bereits erwähnte Diplomarbeit von Michael Ball, die im Rahmen dieses Forschungsprojekts angefertigt wurde (Ball, 2002)

30

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

2.1.3.2 Stahlerzeugung im Konverter (Oxygenstahl) Das aus dem Hochofen kommende Roheisen wird zunächst einer Entschwefelung und/oder einer Entphosphorung bzw. Entsilicierung unterzogen. Auf diese Weise kann der Ablauf der nachfolgenden Stahlerzeugung vereinfacht werden. Dabei werden durch einen Oxidationsvorgang, das sog. Frischen, folgende Ziele angestrebt : •

Senkung des im Roheisen gelösten Kohlenstoffgehaltes (ca. 4,5 %) auf Gehalte entsprechend der jeweiligen Qualitätsanforderung



Weitestgehende Entfernung unerwünschter Begleitelemente wie Phosphor, Schwefel, Mangan und Silizium



Einstellung vorgegebener Legierungszusammensetzungen (Zugabe von Legierungselementen)

Der für das Frischen benötigte Sauerstoff wird je nach Blastechnik über unterschiedlich ausgeführte Lanzen eingeblasen. Die heutigen Blasstahlverfahren arbeiten praktisch alle mit technisch reinem Sauerstoff. Der Frischprozess wird in einem mit Feuerfeststeinen ausgemauerten Gefäß durchgeführt, dem Konverter (s. Abbildung 2.1-7). In diesen wird das flüssige Roheisen zusammen mit Schrott, Zuschlägen (Kalk, Kalkstein, Bauxit, Eisenerz) sowie Legierungszusätzen (Ferrolegierungen, Desoxidationsmittel) gegeben. Bei der stark exothermen Frischreaktion verbrennen die Roheisenbegleiter unter Freisetzung erheblicher Wärmemengen. Im Reaktionszentrum entstehen dabei Temperaturen von 2500 bis 3000 °C. Daher wird der Schmelze Schrott als Kühlmittel zugesetzt. Die Zuschläge dienen, wie beim Roheisen, der Erzeugung einer reaktionsfähigen dünnflüssigen Schlacke, die unerwünschte Elemente aufnimmt. Dem Blasstahlkonverter wird keine zusätzliche Energie zugeführt. Es kann also nur soviel Schrott eingesetzt werden, wie durch die überschüssige Prozessenergie aufgeschmolzen werden kann. In Deutschland liegt der Schrotteinsatz im Konverter um die 20 %. In Ausnahmefällen können auch bis zu 25 % Schrott zugesetzt werden. Theoretisch ist es möglich, diesen Schrotteinsatz zu erhöhen. Dazu muss aber entweder der Schrott vorgewärmt werden (Problem der Dioxinbildung) oder dem Konverter muss über fossile Brennstoffe (z. B. Kohle) zusätzlich Energie zugeführt werden. In der Praxis wird dies bisher nicht getan. Der Eigenschrottanteil am Schrotteinsatz im Oxygenstahlwerk liegt zwischen 60 und 80 %; der Rest wird als Altschrott zugesetzt.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Abbildung 2.1-7:

31

Schematische Darstellung Sauerstoffblasverfahren

Quelle: Patel (1998)

Nach dem Frischen wird der Stahl durch Kippen des Konverters abgegossen; die Schmelze hat dann ungefähr eine Temperatur von 1650 °C. Der Stahl fließt durch das Abstichloch in die Gießpfanne. Die auf dem Stahl schwimmende Schlacke bleibt während und nach dem Abstich im Konverter und fließt getrennt ab. Heute schließt sich an den Frisch- oder Schmelzprozess in der Regel – sowohl bei Oxygenstahl als auch bei Elektrostahl – eine Nachbehandlung des Stahls in der Pfanne an. Ziel dieser sog. Sekundärmetallurgie ist die Erhöhung der Qualität des Stahls sowie die Erhöhung der Produktionsleistung der Frisch- und Schmelzaggregate durch Entlastung von metallurgischen Aufgaben. Hierzu zählen u. a. Legierungseinstellung, Entkohlung, Entschwefelung, Entgasung und Desoxidation. Zu einem Blasstahlwerk gehören neben der Konverterhalle und der Gießhalle auch umfangreiche Entstaubungsanlagen. Hier werden die großen Abgasmengen, bestehend aus Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, aufgefangen, gekühlt und entstaubt. Zu den Abgasen zählt auch das CO-reiche Konvertergas, ein weiteres gasförmiges Koppelprodukt, welches bei der Oxygenstahlerzeugung anfällt. In Deutschland wurden im Jahr 2000 zur Erzeugung einer Tonne Oxygenstahl etwa 925 kg Roheisen, 220 kg Schrott und sonstige metallische Einsatzstoffe, 50 kg Kalk und rund 50 m3 (i. N.) Sauerstoff eingesetzt. Der spezifische Endenergiebedarf bei der Herstellung von Oxygenstahl betrug im Jahr 2000 0,31 GJ/t. Unter Berücksichtigung des als Koppelprodukt anfallenden Konvertergases von 0,4 GJ/t liegt also ein Nettoexport an Endenergie vor (ca. -0,1 GJ/t).

32

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

2.1.3.3 Elektrostahlerzeugung Im Jahr 2000 lag die Produktion von Elektrostahl aus Stahlschrott bei über 13 Mio. Tonnen. Jede Tonne Schrott, die bei der Rohstahlerzeugung eingesetzt werden kann, ersetzt ca. 1,5 t Eisenerz und ca. 0,5 t Koks, die dann nicht abgebaut und über weite Strecken transportiert werden müssen. Die meisten Elektrostahlwerke, sog. Ministahlwerke, haben eine Jahreskapazität von weniger als 1 Mio. Tonnen. Bei den Elektrostahl-Verfahren wird die notwendige Wärme durch elektrischen Strom erzeugt. Der Elektrolichtbogenofen wird zur Stahlgewinnung durch Einschmelzen von Stahlschrott eingesetzt. Er erzeugt die notwendige Wärme mit Hilfe eines Lichtbogens: Drei Graphitelektroden (Drehstromofen) leiten den elektrischen Strom und bilden den Lichtbogen zum metallischen Einsatz. Über einen Transformator muss aus einem Strom hoher Spannung im öffentlichen Netz ein Strom niedriger Spannung (etwa 400 V) und hoher Stromstärke erzeugt werden. Der Elektrodenverbrauch liegt bei modernen Anlagen zwischen 1,3 und 1,7 kg je Tonne Stahl. Im Lichtbogen entstehen Temperaturen bis zu 3.500 °C. Diese hohen Temperaturen ermöglichen die Auflösung des Schrotts, dessen Schmelztemperatur zwischen 1.450 und 1.500 °C liegt, sowie von schwer schmelzbaren Legierungsanteilen, die im Sauerstoff-Blasverfahren in die Schlacke übergehen würden und damit für den Stoffkreislauf verloren wären. Somit ist der Elektrolichtbogenofen für die Erschmelzung aller legierten Stahlsorten, auch für hochlegierte Stähle, besonders geeignet. Weitere Vorteile des Elektrolichtbogenofens liegen in der Automatisierbarkeit, dem hohen Wirkungsgrad der Nutzung elektrischer Energie sowie in den vergleichsweise niedrigen Investitionskosten. Die Prozesse im Lichtbogenofen lassen sich in die Abschnitte Einsetzen (Chargieren) und Einschmelzen untergliedern. Das Einsetzen umfasst, neben der Zugabe von Schrott oder Eisenschwamm, auch das Einbringen von Erzen, Zuschlägen (Kalk, Flussspat), Reduktionsmittel (Kohlenstoff) und Legierungselementen. Der Frischprozess beginnt mit dem Zünden des Lichtbogens. Ein zusätzliches Einblasen von Sauerstoff oder anderen Brennstoff-Gasgemischen beschleunigt die Einschmelzphase. Die häufig im Rahmen der Verminderung des elektrischen Energiebedarfs aufgeführte Maßnahme der Schrottvorwärmung mittels der Prozesswärme der Ofenabgase kommt in Deutschland bisher nicht zur Anwendung. Der Grund hierfür liegt in den strengen Umweltschutzauflagen in Deutschland und den hohen Schadstoffemissionen, die mit der Schrottvorwärmung einhergehen. Insbesondere die Bildung von Dioxin stellt schwerwiegende Probleme für die Umwelt dar. Zwar können Abgasreinigungsanlagen installiert werden, unter Berücksichtigung der Investitionskosten von 20 bis 40 Mio. € pro Anlage und deren Eigenenergiebedarf, erscheint die beabsichtigte Energieeinsparung jedoch ökonomisch wie ökologisch wenig sinnvoll.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

33

Eine neuere Entwicklung ist der Gleichstromlichtbogenofen, der seit Ende der 80er Jahre zunehmend Verbreitung findet. Der Ofen arbeitet mit nur einer Graphitelektrode im Deckel und einer Bodenanode im Herd. Neben günstigeren Bedingungen beim Einschmelzen liegen der Elektrodenverbrauch sowie der Verbrauch von elektrischer Energie und Feuerfestmaterial niedriger als beim Drehstromofen. Auch können durch eine größere Belastung der Graphitelektrode (bis zu 120 kA) kürzere Schmelzzeiten und damit eine höhere Produktivität erreicht werden. Die elektrischen Netzrückwirkungen sind geringer als beim Drehstromofen, wodurch sich dieser Ofentyp insbesondere dort auszeichnet, wo schwache Versorgungsnetze für die elektrische Energie vorliegen. Die Investitionskosten liegen insgesamt über denen des Drehstromofens. In Deutschland stehen Gleichstromlichtbogenöfen und Drehstromöfen heute als gleichwertige Alternativen nebeneinander. Pro Tonne Elektrostahl wurden im Jahr 2000 in Deutschland etwa 1.015 kg Schrott, 112 kg Roheisen und sonstige metallische Einsatzstoffe, 55 kg Kalk und etwa 33 m3 (i.N.) Sauerstoff eingesetzt. Der spezifische Endenergiebedarf des Elektrolichtbogenverfahrens lag bei etwa 2,3 GJ/t; davon entfielen 1,8 GJ/t auf den Stromeinsatz. Der Gesamtprimärenergiebedarf für die Herstellung einer Tonne Elektrostahl lag im Jahr 2000 somit bei knapp 5,4 GJPrim/tElektrostahl. Der auf den Elektrodeneinsatz zurückzuführende Energieverbrauch ist darin nicht eingerechnet. Der Energiebedarf der Elektrostahlerzeugung ist u. a. von der Reinheit der eingesetzten Schrotte abhängig, da starke Verunreinigungen zu höheren Einschmelzzeiten führen können. Für eine Reihe von Stahlqualitäten reichen die konventionellen Elektrostahlverfahren nicht aus. Für Stähle höchster Reinheit und spezieller Legierungszusammensetzung (Edelstähle) wird ein Schmelzen oder Umschmelzen mit und ohne Vakuum in Induktionsöfen durchgeführt. Auf diese Sonderverfahren wird hier nicht näher eingegangen.

2.1.3.3.1

Problematik der Begleitelemente

Einige der Begleitelemente im Schrott sind im Hinblick auf die Werkstoffeigenschaften der zu erzeugenden Stahlgüten schädlich. Dies sind insbesondere Schwefel, Kupfer, Zinn, Arsen und Zink. An dieser Stelle sei vor allem die Kupfer- und Zinnproblematik erwähnt. Schon geringe Kupfergehalte im Stahl verschlechtern die Verformungseigenschaften sowohl bei der Warmverformung als auch bei der weiteren Kaltverformung durch Tiefziehen oder Pressen. Bei der Warmverformung wird der Stahl brüchig (rotbrüchig) oder rissig. Je stärker die Warmbeanspruchung beim Walzen oder Schmieden ist, um so geringere Kupfergehalte reichen aus, diese Schädigung zu bewirken. Enthält der Stahl

34

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

zusätzlich zum Kupfer noch Zinn, kommt es zu einer erheblichen Verstärkung dieser Rissanfälligkeit. Ähnlich schädlich wirken sich Antimon und Arsen aus. Kupfer lässt sich aus einer Stahlschmelze nicht entfernen, weder durch Oxidation oder Verschlackung noch durch Anbinden an andere Elemente, die dann über die Schlacke abgeschieden werden. Beim Einsatz von Stahlschrott wird folglich auf möglichst geringe Kupfergehalte geachtet. Daher gilt es insbesondere, Gegenstände aus Kupfer wie Kabel, Elektromotoren, Lagerschalen bei der Schrottsortierung zu entfernen. Laut Birat (2000) wird die Schrottqualität insbesondere im Hinblick auf Kupfer bis zum Jahr 2010 nicht maßgeblich verbessert werden. Allerdings gehen die Aussagen diesbezüglich unter Experten weit auseinander. Der Gehalt an Kupfer in Langprodukten muss weniger als 0,25 % betragen, bei Feinprodukten weniger als 0,04 %. Je nach Zusatz von Roheisen oder sortenreinen Neuschrotten lassen sich die entsprechenden zulässigen Gehalte für Schrotte ableiten. Kupferhaltiger Schrott wird sehr häufig für Baustahl verwendet. (BDSV, 1998) Weißblech wird zum Schutz vor Korrosion mit einer dünnen Zinnauflage veredelt. Zinn ist ebenso wie Kupfer nicht auf metallurgischem Weg aus dem Stahl zu entfernen und bis heute gibt es keine industriellen Entzinnungsverfahren für Alt- oder Sammelschrott. Die existierenden Verfahren sind lediglich für sauberen Weißblechschrott, d. h. Neuschrotte aus der Herstellung, anwendbar. Allerdings macht das Weißblech mit weniger als 3 % am jährlichen Gesamtschrotteinsatz in der Stahlindustrie nur einen geringen Teil aus. Die Herstellung von Flachprodukten gestattet nur eine geringe Menge metallischer Verunreinigungen im Stahl. Bei Flachstählen mit hohen Ansprüchen an die Tiefziehfähigkeit und die Oberflächengüte (z. B. Karosserieblech) sind bereits geringe Mengen an Verunreinigungen nicht tolerierbar. Im Allgemeinen können Langprodukte hingegen mehr Spurenelemente enthalten als Flachprodukte. Jedoch gibt es auch für Langprodukte hohe Anforderungen an den Reinheitsgrad vor allem bei Verwendung im Automobilbau, so z. B. bei Federstahl oder Stahldraht für die Reifenherstellung. An dieser Stelle sei auf aktuelle Arbeiten anderer Arbeitsgruppen in diesem Zusammenhang hingewiesen: Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Vorhabens

unter Federführung der Fachhochschule Hamburg

wurden die mit Verwendung der Werkstoffgruppe der Metalle verbundenen Chancen für ein nachhaltig zukunftsfähiges Wirtschaften und zugleich die Verringerung der Probleme, die z. B. mit nicht optimaler Nutzung, mit dissipativen Verlusten, Verunreinigungen, Beschichtungen und Begleitstoffen bestehen, untersucht. Die Zusammenhänge, Ursachen und Konsequenzen der Verunreinigung des Stahlkreislaufs durch Kupfer wurden dabei am Beispiel des Automobils untersucht, bei dessen Produktion,

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

35

wie erwähnt, sehr hohe Anforderungen an die Reinheit der verwendeten Stähle gestellt werden, das andererseits jedoch bei der Entsorgung zu einem mengenrelevanten Eintrag von Kupfer in den Stahlkreislauf, z. B. über elektrische Ausstattungen führt (von Gleich et al., 2002).

2.1.3.4 Strangguß Nachdem der flüssige Stahl die Stufe der Sekundärmetallurgie durchlaufen und die gewünschte Qualität erreicht hat, wird er in Gießpfannen zur Gießanlage transportiert. Heute wird der zur Warmumformung durch Walzen bestimmte flüssige Stahl in aller Regel kontinuierlich im Stranggussverfahren vergossen. Die Stranggießtechnik ersetzt damit den früher üblichen Blockguss, d. h. die Produktionskette des Abgießens von Stahl in Kokillen, des Aufheizens der Blöcke in Wärmöfen und des Auswalzens zu Halbzeug. Das Ausbringen von Walzprodukten je Tonne Flüssigstahl kann beim Stranggießen um 8 bis 10 % gesteigert werden, was beträchtliche Energieeinsparungen mit sich bringt. Der Reinheitsgrad beim Strangguss ist infolge des Gießens unter Luftabschluss besser als beim Blockguss. Die schnelle Erstarrung liefert ein seigerungsärmeres, homogenes Gefüge. Darüber hinaus bietet die Stranggießtechnik Möglichkeiten zur Automation und führt zu einer kontrollierten, gleichmäßigen Produktion. Beim Stranggießen gelangt der flüssige Stahl aus der Gießpfanne über einen Zwischenbehälter mit regulierbarem Ausguss unter Luftabschluss in die kurze wassergekühlte Kupferkokille. Die Form der Kokille bestimmt die Form des Strangs. Die Kokille wird in senkrechte Schwingungen versetzt, damit der Strang nicht an der Kokillenwand anhaftet. Der in seiner Randzone erstarrte rotglühende Strang wird aus der Kokille gezogen und muss wegen seines flüssigen Kerns so lange mit Wasser gekühlt und allseits von Rollen abgestützt werden, bis er vollständig erstarrt ist. Nach der vollständigen Erstarrung wird der "endlose" Strang durch Schneidbrenner oder Scheren in Stücke geschnitten. Heutzutage können Gießgeschwindigkeiten von bis zu 6 m/min erreicht werden. Querschnittsformen, die durch das Stranggießen erzeugt werden, sind rechteckig, quadratisch, rund oder vieleckig; für Formstahl werden dem späteren Umriss angenäherte Vorprofile im Strang gegossen. Die Stranggussformate reichen bei Knüppel-Anlagen von 100 x 100 mm bis etwa 450 x 650 mm; Brammenanlagen erzeugen Formate von maximal 300 x 2500 mm. Knüppel-Gießanlagen können bis zu 8 Stränge gleichzeitig vergießen, Brammenstranggießanlagen erzeugen maximal zwei Stränge gleichzeitig.

36

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Der Anteil des Stranggießens von Stahl lag im Jahr 2000 in Deutschland bei 96 %, weltweit bei etwa 85 %. Die Menge warmgewalzter Stahlerzeugnisse belief sich auf knapp 39 Mio. t: davon waren 26 Mio. t Flacherzeugnisse und ungefähr 13 Mio. t Langerzeugnisse. Der Primärenergiebedarf in den Warmwalzwerken liegt bei etwa 3,6 GJPrim/t (überwiegend für die Erzeugung des erforderlichen Stroms).

2.1.3.5 Herstellung von Walzerzeugnissen Die endgültige Form und Abmessung erhält der Stahl in den Walzwerken. Hier werden die gegossenen Brammen, Blöcke und Knüppel zu Halb- und Fertigerzeugnissen (Flacherzeugnisse und Langerzeugnisse) weiterverarbeitet. Die Walzwerke sind jedoch nicht notwendigerweise den Stahlwerken angehörend; häufig werden die Gießereiprodukte verkauft, um dann an anderer Stelle gewalzt zu werden. Walzwerke unterscheidet man in Warmwalzwerke, die von allen Walzprodukten durchlaufen werden, und in Kaltwalzwerke, in denen vor allem Feinbleche hergestellt werden. Die meisten Langerzeugnisse (Walzdraht, Stäbe, Profile) sind nur warmgewalzt. Warmwalzwerke gliedern sich im allgemeinen in die Bereiche Walzwerksofen, Walzstraße und Zurichtung (Adjustage). Die zur Formgebung durch Warmwalzen benötigte Wärme wird in den Walzwerksöfen zugeführt. Hier werden die Blöcke, Brammen oder Halbzeuge auf die erforderliche Temperatur erwärmt. Man unterscheidet zwischen Kalt-, Warm- und Direkteinsatz. Beim Kalteinsatz werden auf Umgebungstemperatur abgekühlte Vorbrammen im Walzwerksofen auf die Walztemperatur von 1100 bis 1250 °C erwärmt, während die Vorbrammen beim Warmeinsatz je nach den konkreten betrieblichen Bedingungen mit Temperaturen von 400 bis 600 °C in den Walzwerksofen eingebracht und dort auf Walztemperatur erhitzt werden; beim Direkteinsatz schließlich werden die Vorbrammen ohne Zwischenerwärmung (d. h. "in-line") direkt aus der Stranggussanlage im Walzwerk eingesetzt. Am Ende des Walzprozesses steht die Zurichtung. Hier werden die Erzeugnisse zur Weiterverarbeitung oder zur Abgabe versandbereit gemacht. Die wichtigsten Arbeiten in der Adjustage sind Zuschneiden, Richten, Qualitätsprüfung, Bündeln und Verpacken. Für viele Anwendungen reichen die durch das Warmwalzen erzielten Querschnitte, Oberflächengüten, Abmessungsgenauigkeiten und Abmessungen noch nicht aus. Durch eine Kaltumformung werden die Oberfläche geglättet, hohe Maßgenauigkeit erzielt, eine höhere Festigkeit erreicht und beliebig dünne Abmessungen (Feinbleche) erzeugt. Der Anteil der Erzeugnisse aus Kaltwalzwerken lag in den letzten Jahren bei etwa einem Drittel der gesamten Walzstahlerzeugnisse. Die wichtigsten Verfahren der Kaltformgebung sind Kaltwalzen und Kaltziehen.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

37

Das Kaltwalzen erfolgt in den Kaltwalzwerken: diese gliedern sich allgemein in die Bereiche Beize, Walzstraße, Wärmebehandlung und Zurichtung. Haupteinsatzgebiet des Kaltwalzens von Stahl ist die Herstellung von Flacherzeugnissen, wie z. B. Tiefziehblech, nichtrostendes Blech und Weißblech (z. B. für Getränkedosen. Beim Kaltziehen erhält der Stahl seine Form dadurch, dass er durch eine profilierte Öffnung hindurchgezogen wird. Derart werden meist Draht, Stangen und Rohre verarbeitet.

2.1.3.6 Endabmessungsnahes Gießen Für die Herstellung von Flachprodukten sind seit Ende der 80er Jahre neue Verfahren entwickelt worden, die als Endabmessungsnahes Gießen oder auch Gießwalzen bezeichnet werden. Die beiden wichtigsten Verfahren sind das Dünnbrammengießen (Thin Slab Casting) und das (Dünn-)Bandgießen (Thin Strip Casting) (Abbildung 2.1-8). Im Unterschied zum traditionellen Stranggießen handelt es sich bei diesen neuen Verfahren um vollständig kontinuierlich ablaufende Prozesse, deren energetischer Vorteil im Wegfall der Wärmeöfen zum Wiederaufwärmen der gegossenen Brammen liegt. Abbildung 2.1-8:

Überblick über moderne Gießwalzverfahren

Quelle: Stahlfibel (1999)

Daneben gibt es eine Reihe anderer Verfahrensentwicklungen zur Herstellung besonderer Stahlqualitäten, die ebenfalls auf dem Prinzip des Endabmessungsnahen Gießens beruhen, auf die hier jedoch nicht eingegangen werden soll (Ameling et al., 2001; Alzetta, 2001).

38

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

2.1.3.7 Rolle der beiden Verfahrensrouten Bezüglich der Produktpalette bestand in den letzten Jahren weltweit eine Arbeitsteilung zwischen Oxygen- und Elektrostahlwerken. Im Jahr 2000 wurden in Deutschland etwa 33 Mio. t Oxygenstahl nach dem Sauerstoffblasverfahren und gut 13 Mio. t Elektrostahl erzeugt. Damit betrug die Stahlproduktion über die Hochofenroute ungefähr das 2,5 fache der Elektrostahlerzeugung. Während in den Oxygenstahlwerken vor allem Flacherzeugnisse wie Bleche und Bänder hergestellt wurden, produzierten Elektrostahlwerke fast ausschließlich Langerzeugnisse wie Drähte, Stäbe und Profile. Neben dem beschränkten Einsatz von Schrott für die Herstellung von Flachprodukten aufgrund von Verunreinigungen, liegt ein weiterer Grund für besagte Aufteilung in der technisch bedingten Größe der Warmwalzstrassen für Flacherzeugnisse. Diese Walzstraßen erfordern ein beträchtliches Investitionsvolumen und lassen sich erst ab einem Jahresdurchsatz von 4 bis 5 Mio. t wirtschaftlich betreiben, wie es derzeit nur durch integrierte Hüttenwerke möglich ist. Die Trennung zwischen Oxygen- und Elektrostahlwerken bezüglich ihrer Produktpalette wird jedoch mit zunehmendem Einsatz endabmessungsnaher Gießverfahren, die zu einem wesentlich geringeren Kapitalbedarf für das Walzwerk führen, möglicherweise zum Teil aufgehoben werden können. Hinsichtlich einer Ausweitung der Elektrostahlproduktion in Deutschland spielt die Entwicklung der Stahlschrottpreise, die Verfügbarkeit entsprechender Schrottqualitäten sowie die Kapazität der Anlagen eine wichtige Rolle. Während integrierte Hüttenwerke oft eine Jahreskapazität von mehreren Mio. t haben, liegt die von Elektrostahlwerken in der Regel unter einer Mio. t. Eine merkliche Steigerung der Elektrostahlproduktion kann also nur durch den Neubau von Elektrostahlwerken erreicht werden.

2.1.4 Recycling Nachfolgend wird exemplarisch das Recycling von Stahl und Aluminium bezüglich der Produktgruppen Altautos und Verkaufsverpackungen analysiert. Dabei erfolgt zunächst eine technologische Beschreibung der jeweiligen Recyclingprozesse; im Anschluss werden diese Prozesse energetisch und kostenmäßig bewertet. Darauf aufbauend und unter Einbezug der geschätzten Energiemengen für Transporte können dann der Energiebedarf und die Kosten bei der Rückgewinnung einer Einheit Sekundärmaterial aus einem Produkt mit den jeweiligen Größen der Primärproduktion verglichen werden. Hierdurch können sowohl noch bestehende Recyclingpotenziale als auch Möglichkeiten zur energetischen und kostenmäßigen Optimierung der Prozesse identifiziert werden.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

39

Neben diesen produktspezifischen Recyclingprozessen wird auf den zukünftigen Altmaterialanfall insgesamt und die Perspektiven des Recyclings von Stahl unter energetischem Aspekt eingegangen. In der Literatur finden sich zahlreiche Berechnungsmöglichkeiten und Definitionen von Recyclinganteilen und Recyclingquoten, die oft in inkonsistenter Weise verwendet werden. Einen Überblick über die am häufigsten verwendeten Definitionen dieser Begriffe gibt Anhang A1 zu dieser Studie (Definition von Recyclingquoten.)

2.1.4.1 Quantifizierungsansätze für den Energieaufwand des Recyclings Stahl wird oft in Verbindung mit anderen metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen eingesetzt. Bei der Betrachtung von Recyclingprozessen, welche mehrere Produktfraktionen erzeugen oder miteinbeziehen, muss methodisch das Problem anteilsmäßigen Aufteilung der Energieaufwendungen auf die erzeugten Fraktionen. So muss beispielsweise der Stromverbrauch beim Shreddern von Altautos anteilsmäßig den Materialien Stahl, Aluminium und Kupfer sowie weiteren verwertbaren nichtmetallischen Fraktionen zugeordnet werden. Die im Folgenden dargestellten Möglichkeiten dieser Allokation entsprechen auch der in Ökobilanzen angewandten Methodik. Die Allokation kann je nach Schwerpunkt der Untersuchung massebezogen oder wertbezogen erfolgen. Eine weitere Möglichkeit eine Allokation vorzunehmen, besteht darin, den spezifischen Weg einer Materialfraktion innerhalb einer Sortier- oder Aufbereitungsanlage nachzuvollziehen (wegbezogene Allokation). Dabei wird Fraktionen, die in der Anlage nur einen relativ kurzen Weg zurücklegen und sehr früh aus dem Materialstrom ausscheiden ein entsprechend geringer Anteil am Energieverbrauch der Anlage zugeteilt (z. B. magnetisch heraussortierter Stahl), während Fraktionen, die die Anlage erst sehr spät verlassen mit einem entsprechend höheren Energieaufwand beaufschlagt werden. Da in der vorliegenden Arbeit der energetische bzw. technologische Aspekt des Recyclings im Vordergrund steht, wird eine massebezogene Allokation durchgeführt, d. h., der Gesamtenergieverbrauch wird anteilsmäßig gemäß der Masse der einzelnen Produktfraktionen zugeordnet. Dabei wird der Verbrauch aber nur auf diejenigen Produktfraktionen aufgeteilt, die einer späteren Verwertung zugeführt werden. Fraktionen wie z. B. Shredderleichtgut, die nicht weiter verwertet sondern deponiert oder über Müllverbrennung entsorgt werden, gehören nicht hierzu. Dasselbe gilt für nicht zugelassene Wertstoffe sowie Störstoffe und Unrat beim Transport von Verpackungsmaterial des DSD. Beim Shreddern eines Altfahrzeugs wird der Energieverbrauch für den Durchsatz einer Tonne Altauto also auf den Durchsatz einer Tonne "verwertbares" Altauto bezogen. Aus energetischer Sicht schlägt sich ein hoher

40

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Anteil an nichtverwertbaren Fraktionen somit in einem erhöhten Energieverbrauch für die verwertbaren Fraktionen nieder. Bei einem solchem Ansatz werden allerdings die verwertbaren Materialfraktionen alle mit demselben Energieverbrauch bewertet: für das Shreddern von Altautos heißt dies, dass der spezifische Energiebedarf für die Aufbereitung einer Tonne Stahl in einer gegebenen Anlage derselbe ist wie z. B. für die Aufbereitung einer Tonne Aluminium in dieser Anlage. Bei einer wegbezogenen Allokation erhält jede Material- oder Produktfraktion ihren spezifischen Energieverbrauch. Für die Bestimmung des Energieverbrauchs der Sortieranlagen von Leichtverpackungen wurde exemplarisch von HTP der spezifische Weg zur Sortierung der verschiedenen Produktfraktion nachvollzogen. Damit wurde für jede Produktfraktion der spezifische Energiebedarf der Sortierung ermittelt. Bezüglich Aufbereitungs- und Transportprozessen war eine solche Darstellung jedoch – weder beim Altauto- noch beim Verpackungsrecycling – verfügbar

2.1.4.2 Qualität und Verfügbarkeit von Stahlschrott Nachfolgend werden zunächst die verschiedenen Arten von Stahlschrott, seine Zusammensetzung und Aufbereitung erläutert. Auf den Anfall und die Aufbereitung von legiertem Stahlschrott (Edelstahlschrott) wird aufgrund der vernachlässigbaren Mengen nicht näher eingegangen. Im Anschluss werden Aussagen über die zukünftige Verfügbarkeit von Stahlschrott und die Perspektiven des Stahlrecyclings bis 2030 gemacht. Der Recyclinganteil, also der Anteil von Stahlschrott an der Rohstahlerzeugung (Definition siehe Anhang A1) lag im Jahr 2000 bei 42 %. Der Einsatz von Stahlschrott bei der Herstellung von Gusseisen ist hierbei unberücksichtigt. Laut BDSV liegen keine produktspezifischen Quoten bezüglich des Recyclings von Stahl vor. Sofern ein Recycling stahlhaltiger Produkte vorgenommen wird, kann aber davon ausgegangen werden, dass 85 bis 90 % des Stahlanteils wiedergewonnen werden. Dies ist nicht zuletzt auf die magnetischen Eigenschaften von Stahl zurückzuführen, die den Stahl sehr leicht von anderen Materialien separierbar machen. Das Oxygenstahlverfahren arbeitet, wie bereits erwähnt, mit einem Schrotteinsatz von etwa 20 %. Mit dem Elektrostahlverfahren wird Stahl auf der Grundlage eines 100 %igen Schrotteinsatzes produziert. Der Gesamtverbrauch an Stahlschrott in der Produktion belief sich auf 24,6 Mio. t: davon wurden 19,4 Mio. t für die Rohstahlerzeugung eingesetzt (5,9 Mio. t für Oxygenstahl und 13,5 Mio. t. für Elektrostahl) sowie 5,2 Mio. t im Gießereibereich, d. h. für Eisen-, Stahl- und Temperguss. Gerade im Gießereibereich spielt der Rohstoff Stahlschrott eine große Rolle, da insbesondere fast alle Gusseisensorten (2 bis 4 % C) ohne Roheisen erschmolzen werden können. Die Gießereiproduktion lag im Jahr 2000 bei etwa 3,8 Mio. t, wobei der Eisenguss sich auf 3,5

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

41

Mio. t belief; der Schrotteinsatz lag insgesamt bei etwa 87 %. Die Gießereiproduktion verläuft dabei seit den 80er Jahren recht konstant. Tabelle 2.1-3 stellt die Stahlschrottverwendung und den Stahlschrottanfall in Deutschland im Jahr 2000 gegenüber. In den Stahlwerken und Gießereien wurden insgesamt 24,6 Mio. t Schrott verwendet: davon waren 7,2 Mio. t Rücklaufschrotte und 17,4 Mio. t entstammten dem Handel. Letzterer stammte wiederum zu etwa 80 % aus dem inländischen Aufkommen, 20 % wurden importiert. Das Schrottaufkommen in Deutschland belief sich im Jahr 2000 unter Vernachlässigung des Außenhandels auf 28,0 Mio. t. Dieses setzte sich zusammen aus dem Eigenentfall bzw. Kreislaufschrott in den Stahlwerken und Gießereien, dem Neuschrott, der in der stahlverarbeitenden Industrie anfällt und dem Altschrott, der aus nicht mehr verwendungsfähigen und ausgedienten Verbrauchs- und Industriegütern stammt. Die Struktur des inländischen Schrottaufkommens hat sich seit den 80er Jahren in ihrer Zusammensetzung nicht wesentlich geändert (Ewers, 2001). Tabelle 2.1-3:

Stahlschrottverwendung und Stahlschrottanfall nach Sorten in Deutschland, 2000 Stahlschrottverwendung

Rohstahl (Oxygen- und Elektrostahl)

19,4 Mio. t

Gießereien

5,2 Mio. t

Summe Produktion Export

24,6 Mio. t 6,9 Mio. t

Gesamt

31,5 Mio. t Herkunft des Schrottes

Neuschrott aus Verarbeitung

10,2 Mio. t

Altschrott

8,3 Mio. t

Eigenschrott der Stahl- und Walzwerke

5,0 Mio. t

Eigenschrott aus Gießereien

2,2 Mio. t

Sonstige inländische Schrottquellen

2,3 Mio. t

Summe Schrottanfall Import Gesamt

28,0 Mio. t 3,5 Mio. t 31,5 Mio. t

Quelle: WV Stahl

Der Altschrottanfall von derzeit knapp 30 % hängt hauptsächlich davon ab, in welchem Zeitraum die jeweiligen Stahlerzeugnisse nach dem Gebrauch wieder zurückkommen. Dabei ist Stahl mitunter mehrere Jahrzehnte in den Produkten gebunden. Dahingegen fallen Kreislaufschrott und Neuschrott gleichzeitig mit der jeweiligen Rohstahl- und Fer-

42

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

tigstahlerzeugung an. Stahlneuschrott entsteht in der stahlverarbeitenden Industrie und wird im allgemeinen nach der Verarbeitung des Stahlhalbzeugs, der Fertigprodukte oder der Gussstücke den Stahlwerken und Gießereien direkt wieder zugeführt. Der BDSV geht für die nächsten Jahre von einem Rückgang der Neuschrotte aus. Diese Entwicklung wird zunehmend durch fertigungsgerechte Abmessungen der Walzerzeugnisse und durch eine bessere Materialnutzung bei der anschließenden Verarbeitung beeinflusst. Ebenso wird von einem Rückgang der Kreislaufschrotte ausgegangen. In demselben Masse jedoch wie der Anfall von Neu- und Kreislaufschrotten zurückgeht, wird der Altschrottbedarf zunehmen. Betrachtet man ausschließlich den Altschrott, dann besteht dieser zu 70 bis 75 % aus Maschinen- und Anlagenschrott, aus Schienen- und Eisenbahnmaterial sowie aus Abbruch- und Abwrackschrott. Zu Abbruchschrott zählen Objekte wie Hochöfen, Stahlwerksanlagen, Anlagen der Automobil- oder der Chemieindustrie, Brücken und Gebäude. Unter Abwracken versteht man die Gewinnung von Schrott aus stillgelegten Schiffen. Die deutsche Stahlschrottsortenliste umfasst 15 Schrottsorten. Neben Größenangaben enthält sie Hinweise auf Schüttgewichte und Fe-Gehalte. Daneben gibt es seit 1995 auch eine Europäische Sortenliste. Diese unterscheidet grob die folgenden Sorten: • Leichter Stahlaltschrott • Schwerer Stahlaltschrott • Schwerer Stahlneuschrott • Leichter Stahlneuschrott • Leichter Stahlneuschrott, verdichtet oder in festen Paketen • Shredderschrott, zerkleinerter Stahlaltschrott • Geshredderter Schrott aus der Müllverbrennung • Kohlenstoffstahlspäne, homogen • Kohlenstoffstahlspäne, gemischt • Alter und neuer Stahlschrott, Betonstahl • Alte und neue Maschinenteile

Abbildung 2.1-9 zeigt eine mögliche Entwicklung des Stahlverbrauchs und der anfallenden Schrottmenge bis 2030. Der Stahlverbrauch beschränkt sich dabei auf den Inlandsbedarf, der für die Produktfertigung benötigt wird. Aufgrund der schwierigen Vorhersagbarkeit von Import und Export wird davon ausgegangen, dass keine Veränderung des Außenhandels mit Neuprodukten stattfindet. Für die Sektoren Elektrotechnik, Maschinenbau, Verpackung sowie Stahlbau wird eine steigende Materialeffizienz

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

43

von 1 %/a angenommen. Bezüglich des Verbrauchs im Transportbereich wird ein Szenario Stahl-Leichtbau zugrunde gelegt (siehe hierzu die Ausführungen an anderer Stelle zu verschiedenen Leichtbau-Optionen im Automobilbau). Bei der Abschätzung des Stahlverbrauchs wurde ferner berücksichtigt, dass für geplante Offshore-Windparks, mit deren Bau im Jahr 2005 begonnen werden soll, etwa 12 Mio. t Stahl zusätzlich benötigt werden (Ameling, 2002). Generell jedoch wird der Stahlverbrauch in Deutschland zurückgehen, wobei dieser Trend insbesondere durch Fortschritte in der Materialforschung und einen dadurch bedingten spezifisch geringeren Werkstoffbedarf begründet wird. Der anfallende Stahlschrott wurde auf der Grundlage geschätzt, dass 30 % des Inlandsverbrauchs unmittelbar als Produktionsschrott (Neuschrott) anfallen, wobei ab 2001 eine Einsparung bei den Fertigungsresten von 0,4 %/a aufgrund einer verbesserten Produktionstechnologie angenommen wird. Die Erfassungsquote von Neuschrott liegt bei 95 %. Der Anfall von Kreislaufschrott in Walzwerken und Gießereien bleibt unberücksichtigt. Bei den Berechnungen wurde ferner angenommen, dass alle Produkte nach Ende ihrer Lebensdauer in Deutschland einer Verwertung zugeführt werden; ein Import oder Export von Stahlschrott wird aufgrund der schwierigen Vorhersagbarkeit ebenfalls ausgeschlossen. Abbildung 2.1-9:

Schätzung zu Stahlverbrauch und Schrottanfall in Deutschland bis 2030

45,0 40,0 35,0

Mio. t

30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 1974

1978

1982

1986

Inlandsverbrauch

1990

1994

1998

2002

theoret. Schrottmenge

2006

2010

2014

anfallende Schrottmenge

2018

2022

2026

Neuschrott

Quelle: Ewers (2001); Statistisches Jahrbuch der Stahlindustrie; eigene Schätzungen

2030

44

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Wie Abbildung 2.1-9 verdeutlicht, wird voraussichtlich ab dem Jahr 2020 die theoretisch anfallende Schrottmenge erstmals den inländischen Stahlverbrauch übersteigen. Weil der Großteil des Stahls in sehr langlebigen Produkten gespeichert ist, erfolgt der Anfall des Stahlschrotts im Durchschnitt nach mehr als 30 Jahren. Ein merklicher Anstieg der Altschrottmenge erfolgt ab Mitte der 1990er Jahre, beginnend mit unter 30 % und zunehmend auf gut 60 % der produzierten Rohstahlmenge im Jahr 2030. Der Einfluss rechnerisch unterstellter verkürzter Lebensdauern auf den Schrottanfall wird durch die gestrichelte Linie wiedergegeben. Unter den Annahmen zur gesamtwirtschaftlichen Entwicklung (Referenz-Szenario) wurde für das IKARUS-Projekt mit dem MIS-Modell eine denkbare Entwicklung der Wirtschaftsstruktur abgeleitet (Jochem/Mannsbart, 2002). Die für die vorliegende Studie aufbereiteten Ergebnisse bis zum Jahr 2030 dieser Vorausschau sind in Anhang A2 dieses Berichts dargestellt. Danach ist mit einem Rückgang der Rohstahlproduktion von derzeit (2000) gut 46 Mio. t auf gut 41 Mio. t im Jahr 2030 zu rechnen. Selbst bei Annahme des in der genannten Abschätzung unterstellten Anstiegs der Elektrostahlerzeugung bis zum Jahr 2030 auf 18,6 Mio. t/a und damit einen Anteil von 45 % an der gesamten Rohstahlerzeugung wird der anfallende Stahlschrott um zwei Drittel über dem inländischen Bedarf an Elektrostahl liegen. Es wird also zumindest quantitativ ein Überangebot an Stahlschrott vorliegen und der Bedarf an Elektrostahl dürfte aus dem inländischen Schrottangebot gedeckt werden können. Deutschland, heute nach den USA der weltweit zweitgrößte Exporteur von Stahlschrott, wird gemäß diesen Annahmen weiterhin Exporteur bleiben. Zu erwähnen ist aber, dass der qualitativ bessere und einfacher zu erfassende Eigenschrottanfall in der Stahlindustrie ebenso wie der Neuschrottanfall der verarbeitenden Industrie durch vielfältige Verfahrensverbesserungen weniger wurde und demgemäß verstärkt auf Altschrotte gesetzt werden muss (vgl. Ameling, 2000).

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

45

Abbildung 2.1-10: Entwicklung zum Anfall von Stahlaltschrott nach Verbrauchssektoren

25,0

Altschrottanfall Stahl in Mio. t

20,0

Sonstige Weißblech Rohrbau Schiffbau Elektro Transport Maschbau Stahlbau Bauhauptgewerbe

15,0

10,0

5,0

0,0 1991

2000

2010

2020

2030

Quelle: Ewers (2001); Statistisches Jahrbuch der Stahlindustrie; eigene Schätzungen

Der Beitrag der verschiedenen Verbrauchssektoren zum Altschrottanfall wurde im Rahmen der bereits mehrfach zitierten Diplomarbeit von Ball (2002) abgeschätzt und lässt sich Abbildung 2.1-10 entnehmen. Die jeweils rechnerisch zugrundegelegten Lebensdauern sind in Tabelle 2.1-4 angegeben. Tabelle 2.1-4:

Durchschnittliche Lebensdauer von Stahlprodukten Bauhauptgewerbe

60 Jahre

Stahlbau

50 Jahre

Maschinenbau

20 Jahre

Transport (Fahrzeugbau)

11 Jahre

Transport (Rest)

30 Jahre

Elektrotechnik

18 Jahre

Schiffbau

40 Jahre

Rohrbau

50 Jahre

Weißblech

1 Jahr

EBM

15 Jahre

Sonstige

20 Jahre

Quelle: Ewers (2001); eigene Schätzungen

46

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

2.1.4.3 Fallbeispiel Altautorecycling Der Straßenfahrzeugbau hat mit knapp 30 % den größten Anteil am Stahlverbrauch in Deutschland. Die Jahresproduktion an PKWs in Deutschland beläuft sich heute auf über 5 Millionen. Die Zahl der Löschungen liegt bei über 2 Millionen, nachdem 1998 ein Maximum von rund 3 Millionen erreicht worden war. Abbildung 2.1-11 zeigt die zeitliche Entwicklung der Produktion und der Löschungen von PKWs seit 1990. Abbildung 2.1-11: Entwicklung der Produktion und der Löschungen von PKWs

6,0

5,0

Anzahl in Mio.

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0 1990

1991

1992

1993

1994

1995

Löschungen

1996

1997

1998

1999

2000

Produktion

Quelle: Kraftfahrt-Bundesamt; Verband der Automobilindustrie e.V.

Die durchschnittliche Lebensdauer der heutigen Altfahrzeuge liegt zwischen 11 und 12 Jahren. Während sie Ende der 80er Jahre bei etwa 13 Jahren lag, belief sie sich 1975 auf knapp 10 Jahre (Verkehr in Zahlen 2001/2002). Im Folgenden werden der heutige Stand und die Perspektiven des Altautorecyclings in Deutschland untersucht. Hierbei wird schwerpunktmäßig das Recycling des Anteils von Stahl im Automobil untersucht. Da die Ergebnisse der Untersuchung der einzelnen Prozeßschritte des Recyclings (Demontage, Shreddern etc.) in die an anderer Stelle durchgeführte Analyse verschiedener Leichtbauoptionen im Automobilbau einflossen (siehe Kapitel "Energetische Bewertung von Leichtbaustrategien im Automobilsektor"), wird hier teilweise auch auf Aspekte des Aluminiumrecyclings eingegangen. Viele Details hierzu finden sich in der bereits mehrfach zitierten Arbeit von Ball (2002). Ausführlich dargestellt ist in diesem Abschnitt lediglich die energetische Bewertung des Alumi-

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

47

niumrecyclings, soweit die genannten Prozeßschritte im Bereich des Automobilrecyclings bis zur Abgabe an die Aluminiumhütte betroffen sind. Gegenstand der Untersuchung sind Personenkraftwagen der Fahrzeugklasse M1, womit der überwiegende Teil aller Kraftfahrzeuge erfasst wird. Zunächst wird ein kurzer Überblick über die Entwicklung der Materialzusammensetzung im Fahrzeug gegeben. Anschließend wird auf die Problematik des Exports von Altautos und Altkarossen sowie die Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Menge der in Deutschland recycelten Fahrzeuge eingegangen. In den nachfolgenden Abschnitten wird die Demontage von Altfahrzeugen und die Aufbereitung von Stahl und Aluminium beschrieben. Danach wird das Altautorecycling energetisch und ökonomisch bewertet. Anschließend werden die Problematik bei der Entsorgung von Shredderrückständen und die Auswirkungen der EU-Altfahrzeugrichtlinie auf das Altautorecycling diskutiert. An anderer Stelle (Kapitel "Energetische Bewertung von Leichtbaustrategien im Automobilsektor") wurden darauf aufbauend mit Hilfe eines System Dynamics Ansatzes verschiedene Szenarien bezüglich der Materialzusammensetzung der Fahrzeuge bis 2030 entwickelt und im Hinblick auf Recyclingmöglichkeiten und Energieverbrauch untersucht.

2.1.4.3.1

Materialzusammensetzung

Bezüglich der Materialzusammensetzung im Fahrzeug konkurrieren mehrere Werkstoffe miteinander. Die Angaben in der Fachliteratur hinsichtlich der Einsatzmengen im PKW unterliegen dabei gewissen Schwankungen. Die Unterschiede kommen hauptsächlich durch unterschiedliche Auswahl der Referenzfahrzeuge und des Bezugszeitpunktes zustande. Im Folgenden handelt es sich daher um Durchschnittswerte, bezüglich derer die meisten Quellen übereinstimmten. Wie Abbildung 2.1-12 verdeutlicht, hat sich der Werkstoffeinsatz im Neufahrzeug in den letzten 25 Jahren zu Gunsten von Aluminium verschoben, während der Stahleinsatz verhältnismäßig zurückgegangen ist. Während 1975 der Aluminiumanteil im Fahrzeug – bezogen auf das Leergewicht – bei etwa 3 Gew.- % und der Stahlanteil bei etwa 75 Gew.- % lagen, beläuft sich der durchschnittliche Aluminiumanteil heute auf etwa 8 Gew.- %, der Stahlanteil auf 59 Gew.- %. Ebenso hat der Kunststoffanteil von 6 Gew.- % auf 14 Gew.- % zugenommen. Die Anteile der Fraktionen Elastomere/Rest (Reifen, Glas, Holzfaserstoffe, Textilien, Lacke etc.) und sonstige NE-Metalle (Kupfer, Zink, Edelmetalle) haben über den betrachteten Zeitraum nur geringfügig zugenommen. Zudem ist im selben Zeitraum das durchschnittliche Leergewicht von Neufahrzeugen durch zunehmenden Einsatz von Komfortund Sicherheitsausstattungen von 900 kg auf heute 1120 kg gestiegen.

48

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Abbildung 2.1-12: Entwicklung von Werkstoffeinsatz und Leergewicht im Neufahrzeug 100%

80%

900 kg 4%

900 kg 4%

960 kg 4%

980 kg 4%

1.040 kg 4%

1.120 kg 5%

12%

13%

13%

13%

14%

14%

8%

10%

12%

6% 3%

4%

5%

5%

13% 6%

8%

Gew.-%

60%

14%

40%

75%

71%

68%

66%

63%

59%

20%

0%

1975

1980 Stahl

1985 Aluminium

Kunststoff

1990 Elastomere/Rest

1995

2000

Sonstige NE-Metalle

Quelle: Wolf, S. (1997); Verband der Kunststofferzeugenden Industrie e.V.

2.1.4.3.2

Altautoaufkommen

Die Anzahl der verwerteten Altautos – das "Altautoaufkommen" – wird in Deutschland statistisch nicht erfasst. Zwar sind anerkannte Verwertungsbetriebe verpflichtet, in ihrem Betriebstagebuch die Anzahl der verwerteten Altautos aufzuzeichnen, allerdings sind sie nicht verpflichtet, diese Informationen an eine zentrale Erfassungsstelle weiterzuleiten. Vom Kraftfahrtbundesamt wird lediglich die Anzahl der PKW-Löschungen ermittelt, die in den letzten Jahren im Durchschnitt bei 3 Millionen lag. Die Anzahl der Löschungen entspricht jedoch nicht der Anzahl der Altautos; sie entspricht lediglich der theoretischen Obergrenze des Altautoaufkommens, da praktisch kein nennenswerter Import von im Ausland gelöschten PKWs zur Verwertung nach Deutschland erfolgt. Das eigentliche Aufkommen der zum Recycling anstehenden Altfahrzeuge wird von ARGE (2000) aufgrund empirischer Erhebungen bei Shredderbetrieben derzeit auf 1,3 bis 1,5 Millionen pro Jahr geschätzt. Diese Menge ergibt sich rechnerisch aus der Zahl der in deutschen Shredderanlagen aufbereiteten Restkarossen sowie der im benachbarten Ausland in Shredderanlagen aufbereiteten Restkarossen aus Deutschland. Eine weitere Möglichkeit das Altautoaufkommen zu schätzen, besteht darin, von der Menge der zu beseitigenden Shredderleichtfraktion auf die Anzahl der verwerteten Autos zurückzuschließen. Zwar sind sich die meisten Autoren darin einig, dass die zu

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

49

beseitigende Shredderleichtfraktion derzeit zwischen 15 und 22 Gew.- % eines Altautos ausmacht (140 bis 210 kg pro Auto), über die eigentliche Höhe der Shredderrückstände, die bei der Aufbereitung von Restkarossen anfallen, gehen die Angaben jedoch weit auseinander. ARGE geht von 140.00 bis 170.000 t pro Jahr aus, der BDSV (1998) von etwa 350.000 bis 400.000 t. Bei diesen Zahlen handelt es sich um Schätzungen bzw. Stichproben bei Shredderbetrieben. Folglich liegt auch das so ermittelte Altautoaufkommen weit auseinander. Ein prinzipielles Problem der Altautoverwertung in Deutschland ist der Export von Altautos und Altkarossen. Dabei gehen die Schätzungen über die eigentlichen Exportmengen ebenfalls weit auseinander. Zwar wird die Anzahl der exportierten Altautos vom Statistischen Bundesamt erhoben, ob ein Export erfasst wird, hängt aber davon ab, ob dieser nach Staaten innerhalb oder außerhalb der EU erfolgt. Bei Exporten innerhalb der EU ist zunächst danach zu unterscheiden, ob es sich um gewerbliche oder private Exporte handelt. Gewerbliche Exporte unterliegen erst dann der statistischen Meldepflicht, wenn der betreffende Exporteur im Vorjahr Waren im Wert von über 100.000 € exportiert hat. Private Exporte sind von der Meldepflicht ausgenommen. Bei Exporten in Staaten außerhalb der EU unterliegen exportierende Unternehmen und Privatpersonen gleichermaßen der Meldepflicht. Eine Erfassung exportierter Gebrauchtfahrzeuge erfolgt aber erst ab einem statistischen Warenwert von 800 €. Wird dieser Warenwert unterschritten und wiegt das Fahrzeug weniger als 1.000 kg, entfällt die Meldepflicht. Somit erfasst die Exportstatistik nur relativ hochwertige Fahrzeuge im oberen Gewichtsbereich und kann folglich auch nicht zur Schätzung des tatsächlichen Altautoaufkommens in Deutschland herangezogen werden. So lag die registrierte Anzahl exportierter Gebrauchtfahrzeuge 1998 bei nur etwa 6 % des Löschungsaufkommens. Altautos, die in Staaten außerhalb der EU exportiert werden, gehen meist nach Osteuropa oder Nahost. Es handelt sich dabei um Fahrzeuge, die in Deutschland stillgelegt werden, in anderen Ländern jedoch noch problemlos einige Jahre betrieben werden können. Der Verkäufer muss der Zulassungsstelle lediglich eine Verbleibserklärung vorlegen, die sich auch auf eine Adresse im Ausland beziehen kann. Was mit dem Fahrzeug dann weiter geschieht, ob es beispielsweise nach der Stillegung recycelt wird, entzieht sich der Kenntnis der deutschen Behörden. (ARGE) Ein weiterer Exportstrom ist der von Altkarossen, die nach der Demontage in den Verwertungsbetrieben oft an Shredderbetriebe im benachbarten Ausland verkauft werden, die einen höheren Preis zahlen können als inländische Shredderbetriebe. Seit einigen Jahren nämlich besteht bezüglich der Behandlung und Entsorgung von Shredderrückständen ein starkes Gefälle in den Entsorgungskosten zwischen Deutschland und dem europäischen Ausland (BDSV). Somit besteht aus Sicht der Verwerterbetriebe ein öko-

50

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

nomischer Anreiz für einen (rechtlich zulässigen) Export von Restkarossen. Laut ARGE gelangten 1999 in die nach Altauto-Verordnung anerkannten Shredderanlagen in Frankreich, den Beneluxländern sowie Italien, Österreich und Schweiz insgesamt etwa 450.000 Restkarossen aus Deutschland. Wegen der Entsorgungskosten werden praktisch keine Altkarossen importiert Den Erhebungen von ARGE zufolge werden von den jährlich knapp 3 Millionen in Deutschland gelöschten Fahrzeugen etwa 850.000 einer inländischen Verwertung und 450.000 einer Verwertung im benachbarten Ausland zugeführt. Es ergibt sich somit eine Dunkelziffer von rund 1,5 Millionen Altautos. Zwar kann davon ausgegangen werden, dass ein gewisser Teil der gelöschten Fahrzeuge nur vorübergehend stillgelegt wird, der Großteil aber wird durch nicht erfasste Exporte, die durch den privaten Gebrauchtwagenverkauf zustande kommen, einer Verwertung in Deutschland entzogen. Dabei lässt sich nicht sagen, wie viele dieser Autos in Form von Gebrauchtwagen und wie viele als Altkarossen exportiert werden. Nach ARGE ergäbe sich eine Exportquote gelöschter Fahrzeuge von etwa 70 %. Andere Autoren (BDSV; Teschers et al., 1999) sprechen von einer Exportquote von etwa 50 %, wobei 25 % auf Altautos und 25 % auf Altkarossen entfallen. Der BDSV geht ferner davon aus, dass nur etwa 85 % der im Inland verschrotteten Altfahrzeuge Shredderbetrieben zugeführt werden, die restlichen 15 % werden in Scheren und Pressen verwertet. Zudem liegen keine Schätzungen darüber vor, wie viele Altautos in nicht-zertifizierten Shredderanlagen verwertet werden. Aufgrund dieser Tatsachen und aufgrund des Anteils der nur vorübergehend stillgelegten Fahrzeuge wird für die weiteren Betrachtungen eine Exportquote von 60 % der heute gelöschten Fahrzeuge angenommen. In den Jahren 1990 und 1992 lagen die Exportquoten bei 10 % bzw. 20 % (BDSV; Püchert et al., 1994).

2.1.4.3.3

Recyclingschritte und deren Kosten

Altautos können in Deutschland über drei verschiedene Wege in den Recyclingkreislauf gelangen: etwa 80 bis 85 % der Autos werden über ein Netz von Annahmestellen und Altautoverwertern entsorgt, 10 bis 15 % gelangen zu Schrotthändlern und die restlichen 5 % werden direkt an Shredderbetriebe geliefert. Die Fahrzeuge, die an Verwerterbetriebe geliefert werden, stammen etwa hälftig von Privatkunden und hälftig von Kfz-Werkstätten. Derzeit gibt es in Deutschland zwischen 1.100 und 1.400 (ARGE, 2000) Verwerterbetriebe. Die Fahrzeuge, die nicht direkt zu den Shredderbetrieben gelangen (etwa 95 %), werden von den Verwertungsbetrieben und Schrotthändlern zunächst trockengelegt. Ferner werden wirtschaftlich verwertbare Teile aus dem Auto demontiert, um dann als Ersatzteile wiederverkauft zu werden. Eine gesicherte Quanti-

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

51

fizierung der mit der Demontage verbundenen Materialflüsse ist aufgrund der heterogenen Struktur der Altautoverwerter nicht möglich. Die Trockenlegung dient dazu, die Fahrzeuge von wassergefährdenden Betriebsflüssigkeiten (Kraftstoffe, Motor- und Getriebeöle, Brems- und Kühlflüssigkeit etc.) zu befreien. Außerdem ist die Trockenlegung in den meisten Fällen eine Vorraussetzung für die Annahme von Altautos durch Shredderbetriebe, die damit den Eintrag von Schadstoffen in die Shredderrückstände vermeiden wollen. In der Praxis wird die Trockenlegung jedoch nur unvollständig durchgeführt. Zur durchschnittlichen Trockenlegungspraxis sowie zu den entnommenen Mengen gibt es aufgrund der äußerst heterogenen Struktur der Altautoverwerter keine gesicherten Zahlen. Lediglich bei den direkt von den Shredderbetrieben angenommenen Fahrzeugen kann nicht von einer Trockenlegung bzw. Demontage ausgegangen werden, da in der Regel die erforderliche Ausrüstung fehlt. Bei der nachfolgenden Vordemontage der Altfahrzeuge werden die Reifen, der Katalysator und die Batterie entfernt. Ebenso werden praktisch immer Aluminiumfelgen demontiert, die dann direkt an die Schmelzhütten verkauft werden können. Etwa 60 % der Altfahrzeuge gelangt nach der Vordemontage in die Volldemontage. Hier werden Teile, für die ein Potenzial zur Aufbereitung und Weiterverwendung sowie ein regelmäßiger Bedarf besteht, von den Autoverwertern demontiert und Privatkunden als Ersatzteile angeboten. Bei einem Durchschnittsgewicht der Altautos von 900 kg (ARGE) ergibt sich bei der Teildemontage ein Gewicht der Restkarosse von 800 kg, bei der Volldemontage von 530 kg; im Durchschnitt entspricht dies einem Gewicht der Restkarosse von 640 kg nach Trockenlegung und Demontage. Die Restkarosse wird vor dem Transport zur Shredderanlage in der Regel in einer Hydraulikpresse verdichtet, um das Transportvolumen zu verringern und den Energiebedarf für das Shreddern zu erniedrigen. Tabelle 2.1-5 stellt die bei Teildemontage und Volldemontage pro Altauto anfallenden Kosten gegenüber. Eine detaillierte Darstellung der Berechnungen inkl. Transportkosten findet sich bei Ball (2002). Es wird davon ausgegangen, dass ein Verwerterbetrieb im Jahr durchschnittlich etwa 2.300 Altautos verwertet (Paßvoß, 2000).

52

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Tabelle 2.1-5:

Kostenanalyse Demontagebetriebe [€] Teildemontage

Volldemontage

Fixkosten

104.250

1.485.000

Variable Kosten

181.597

401.437

Betriebskosten

285.847

1.886.437

Kalk. Kosten (5 %)

14.292

94.322

Summe Kosten

300.139

1.980.759

2.300

2.300

131

865

Durchsatz [PKW/a] Spez. Kosten [€/PKW]

Quelle: Püchert (1994); Wolf, S.(2000); eigene Berechnungen

Die Kosten bei der Volldemontage liegen also um knapp das siebenfache über denen der Teildemontage. Es wird deutlich, dass sich eine Volldemontage insbesondere für kleinere Verwerterbetriebe derzeit wirtschaftlich nicht rechnet. Zwar muss der Letztbesitzer eines Fahrzeugs bis zu 150 € für dessen Verwertung bezahlen, es bleibt jedoch unklar, inwiefern die zusätzlichen Kosten bei der Volldemontage durch den Verkauf der demontierten Fahrzeugteile kompensiert werden. Sowohl teildemontierte als auch volldemontierte Karosserien, Kühler und Antriebsstränge werden von den Verwertungsbetrieben an Shredderbetriebe weitergeleitet, um die unterschiedlichen Materialien aufzuschließen und die Metallanteile zurückzugewinnen. Eine Shredderanlage besteht dabei aus den Komponenten Hammermühle, Entstaubung, Windsichtung und Magnetscheidung. Die nachfolgenden Darstellungen sind hauptsächlich Wolf, S. (2000) entnommen. (Vgl. auch Abbildung 2.1-13.) Das Vormaterial wird zunächst über ein Förderband zur Hammermühle, dem eigentlichen Shredder, transportiert. In der Hammermühle findet eine Zerkleinerung des Materials auf Stückgrößen von 5 bis 150 mm statt, wodurch ein weitgehender Aufschluss erfolgt. Ein Gebläse sorgt für eine ständige Absaugung der Luft aus dem Shreddergehäuse und entfernt dadurch feine Partikel. Nach dem Aufschluss wird das zerkleinerte Gut einem Windsichter zugeführt, in welchem leichte Materialien wie Textilien, Kunststoffe, Papier, Leder etc. als sog. Shredderleichtfraktion (SLF) abgetrennt werden. Dieses Shredderleichtgut wird derzeit in Deutschland praktisch vollständig auf Hausmülldeponien abgelagert. Ihr Anteil macht zwischen 15 und 22 Gew.- % eines Altautos aus (ARGE; Wolf, S.; Paßvoß; 2000), wobei dieser Wert wesentlich vom Grad der Demontage abhängt. Dies entspricht je nach Durchschnittsgewicht einer Menge von 140 bis 210 kg pro Altfahrzeug. Nach der Windsichtung erfolgt eine Magnetscheidung, in welcher die Eisen- und Stahlfraktion gewonnen wird, das Hauptprodukt des Shredderpro-

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

53

zesses. Der Anteil dieser Produktfraktion am Output liegt zwischen 70 und 75 Gew.- %. Der Stahlschrott wird anschließend an Stahlwerke weiterverkauft. Nach der Magnetscheidung verbleibt ein nicht flugfähiger, unmagnetischer Rest, die sog. Shredderschwerfraktion, welche mit einer Menge von etwa 5 bis 6 Gew.- % am Output beteiligt ist. In ihr befinden sich etwa 40 bis 45 % NE-Metalle wie Aluminium, Kupfer, Zink und Magnesium sowie 55 bis 60 % schwere nichtmetallische Bestandteile wie Holz, Gummi und Kunststoffe. Um die Nichtmetalle von den Metallen und die Metalle untereinander zu trennen, wird die Schwimm-Sink-Aufbereitung eingesetzt. Die Shredderschwerfraktion stellt neben der Eisen- und Stahlfraktion ein weiteres verkaufsfähiges Produkt der Shredderanlagen dar. Tabelle 2.1-6 stellt die bei teil- bzw. volldemontierten Karossen in den Shredderbetrieben sowie die bei der Aufbereitung der Aluminiumfraktion in den Schwimm-Sink-Anlagen anfallenden Kosten dar. Die Unterscheidung bei den Shredderbetrieben hinsichtlich der Verwertung in teil- bzw. volldemontierte Karossen ist dabei rein fiktiv und dient lediglich der Verdeutlichung des Einflusses des Demontagegrades auf die spezifischen Kosten der Anlage. Die Kostenberechnungen inkl. Transportkosten finden sich im Detail bei Ball (2002). Die Berechnung der Kosten beim Shreddern erfolgte unter der Annahme, dass die Shredderbetriebe nur Altautos verwerten und stets bei Vollauslastung arbeiten. Es herrscht aber Einstimmigkeit darüber, dass nur die wenigsten Anlagen ihre theoretische Jahreskapazität erreichen (BDSV, 1998; Paßvoß, 2000). Dies ist nicht zuletzt auf den hohen Exportanteil bei Altautos zurückzuführen. Dementsprechend höher fallen die spezifischen Kosten der Verwertung aus. Durch einen gleichbleibend hohen Export von Altautos wird die Wirtschaftlichkeit der deutschen Shredderbetriebe zunehmend in Frage gestellt werden. Etwa ein Drittel der variablen Kosten entfällt auf den Kauf der Altautos, deren Durchschnittspreis bei etwa 50 €/PKW liegt (Paßvoß, 2000). Der Einfluss des Demontagegrades der Altkarossen, zeigt sich in den Deponiekosten: während die Entsorgungskosten bei teildemontierten Karossen bei ungefähr 23 % der variablen Kosten liegen, belaufen sie sich bei volldemontierten Karossen auf etwa 12 %. Der Anteil der Stromkosten ist mit etwa 6 bis 7 % bei beiden Varianten weniger hoch. Die Personalkosten liegt bei etwa 18 %. Die geringeren spezifischen Kosten beim Shreddern einer volldemontierten Karosse sind also hauptsächlich bedingt durch die geringere Menge zu deponierender Shredderrückstände. Im Rahmen dieser Berechnungen wurde ein durchschnittlicher Deponiepreis inkl. Transportkosten von 110 €/t angenommen (BDSV; HTP/IFEU, 2000). Die Entsorgung von Shredderleichtfraktion über die Müllverbrennung wurde nicht betrachtet.

54

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Der durchschnittliche Erlös der Shredderbetriebe für eine Tonne NE-Fraktion schwankt zwischen 90 und 250 €/t, für eine Tonne Stahlschrott werden ungefähr 80 € erzielt (Paßvoß, 2000). Unter Annahme von Vollauslastung fallen in den Shredderbetrieben durchschnittlich spezifische Kosten pro Tonne Durchsatz von etwa 55 € an. Bei einer Halbierung der Durchsatzmenge lägen die Verwertungskosten jedoch bereits bei 110 €/t und würden so eine wirtschaftliche Betriebsweise in Frage stellen. Insbesondere hinsichtlich der beim Kauf von Altautos wirtschaftlichen vertretbaren Preise stehen die deutschen Shredderbetriebe in starker Konkurrenz zu ihren ausländischen Nachbarn. Tabelle 2.1-6:

Kostenanalyse Shredder und Schwimm-Sink-Anlage Shredder teildemontiert

Shredder volldemontiert

Schwimm-SinkAnlage

Fixkosten

2.160.000

2.160.000

515.000

Variable Kosten

2.155.131

1.850.966

1.634.696

Stromkosten

154.560

107.520

69.384

Personalkosten

358.080

358.080

417.760

Entsorgungskosten

490.875

233.750

924.000

Preis für Altautos

680.000

680.000

-

4.315.131

4.010.966

2.149.696

215.757

200.548

107.485

4.530.888

4.211.514

2.257.181

80.000

80.000

28.000

57

53

81

[€]

Davon

Betriebskosten Kalk. Kosten (5 %) Summe Kosten Durchsatz [t/a] Spez. Kosten [€/t]

Quelle: BDSV; Wolf, S. (2000); eigene Berechnungen

Abbildung 2.1-13 stellt abschließend ein vereinfachtes Schema der Verwertung von Altautos dar.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

55

Abbildung 2.1-13: Schematische Darstellung Altautorecycling Altauto Entfernung von Flüssigkeiten Wiedergewinnung von Reifen, Batterien, Plastikund Aluminiumteilen etc.

Demontage SLF

Shredder Eisen- und Stahlfraktion

Magnetscheidung Nicht-magnetische Stoffe (NE-Metalle, Nichtmetalle)

NichtMetalle

Trennung (z.B. Wirbelstromscheidung) NE-Metalle Trennung (z.B. Sink-Schwimm-Aufbereitung)

Leichtmetall

Schwermetall Deponie

Cu

Wiedergewinnung

Trennung

Trennung

(z.B. Wirbelstromscheidung)

(z.B. Laser)

Zn

Pb

Andere

Sekundär-Schmelzhütten

Aluminium-Refiner

Quelle: Kirchner (2002)

2.1.4.3.4

Stahl-Recyclingquote bei Altautos

Im Folgenden wird das Recycling von Stahl im Altauto hinsichtlich der prozessbezogenen Recyclingquoten (Aufbereitungsquote, Verhüttungsquote) untersucht. Für diese Analyse müssen zunächst einige Annahmen über Rahmenbedingungen wie beispielsweise Lebensdauer, Materialzusammensetzung und Leergewicht getroffen werden. Unter der Annahme einer durchschnittlichen Lebensdauer von 11 Jahren liegt das Baujahr der heute gelöschten und für ein Recycling anstehenden Fahrzeuge um 1990. Der durchschnittlic he Stahlgehalt lag zu dieser Zeit bei etwa 67 Gew.-% (Abbildung 2.1-12). Ungefähr 60 % der theoretisch anfallenden Altautos in Deutschland werden exportiert. Aufgrund der anzunehmenden Exportstruktur werden überwiegend Wagen der Unter- und Mittelklasse einem Recycling in Deutschland zugeführt. Deren durch-

56

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

schnittlicher Stahlgehalt liegt bei 69 % (Wolf, S., 2000). Für die exportierten Altautos ergibt sich rechnerisch ein Stahlgehalt von 65,7 %. Bei der Bestimmung des Leergewichts der recycelten Altfahrzeuge muss der Tatsache Rechnung getragen werden, dass durch den Export von Oberklassewagen das Durchschnittsgewicht sinkt. Im Folgenden wird von einem Leergewicht der heute zum Recycling anstehenden Altfahrzeuge von 900 kg ausgegangen (ARGE, 2000). Die Angaben in der Literatur schwanken diesbezüglich zwischen 810 und 1020 kg (BDSV, 1998; Paßvoß, 2000; Wolf, S.; 2000). Bei einer Exportquote von 60 % und etwa 2,6 Mio. gelöschten Fahrzeugen (Kraftfahrt-Bundesamt), die im Jahr 2000 für ein Recycling in Deutschland in Frage kamen, ergibt sich insgesamt eine Recyclingmasse von 940.000 t; davon sind etwa 650.000 t Stahl. Etwa 40 % der erfassten Altfahrzeuge gelangen nach der Trockenlegung und Vordemontagedirekt zu den Shredderanlagen. Bei den restlichen 60 % der Altfahrzeuge schließt sich an die Vordemontage eine Volldemontage an. Die Aufbereitungsquote von Stahl in den Shredderanlagen wird – unabhängig vom Demontagegrad – auf 95 % geschätzt, da über die Magnetscheidung ein weitgehender Aufschluss der Eisen- und Stahlfraktion erzielt wird. Die erhaltene Stahlfraktion hat einen durchschnittlichen Eisengehalt von 98 %. Die Schmelzquote bei Elektrostahl wird ebenfalls mit etwa 95 % angenommen. Somit ergibt sich die technische Recyclingquote von Stahl bei der Verwertung von Altautos zu 90,3 %.

2.1.4.3.5

Energetische Bewertung des Altautorecyclings

Nachfolgend wird (wie bereits oben erwähnt) teilweise auch das Recycling von Aluminium betrachtet, da diese Ergebnisse in die an anderer Stelle durchgeführte Analyse verschiedener Leichtbauoptionen im Automobilbau einflossen (siehe Kapitel "Energetische Bewertung von Leichtbaustrategien im Automobilsektor"). Dabei werden die Prozessstufen Aufbereitung, Schmelze (nur Stahl) und Transport untersucht. Grundlage der folgenden Ausführungen ist die Arbeit von Wolf, S. (2000). Bei der Bestimmung der spezifischen Energieverbräuche der Aufbereitung wird eine massebezogene Allokation durchgeführt (siehe oben). Die Zuordnung erfolgt dabei nur bezüglich derjenigen Produktfraktionen, die einer späteren Verwertung zugeführt werden. Hierzu zählen nicht die Fraktion Shredderleichtgut sowie die zu deponierenden Reste der Schwimm-Sink-Sortierung. Bezüglich Transport und Schmelze erübrigt sich eine Allokation. Bei der Trockenlegung und Vordemontage der Altautos fallen etwa 5 kWhel/t an, bei einer Volldemontage insgesamt 9 kWhel/t. Bezüglich der Aufbereitung von Stahl und

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

57

Aluminium müssen zunächst die Shredderanlagen und für die Aluminiumfraktion zusätzlich die Schwimm-Sink-Anlagen energetisch bilanziert werden. Der spezifische Endenergieverbrauch der Shredderanlagen für vordemontierte Karosserien und Antriebsstränge liegt bei 46 kWhel pro Tonne Durchsatz (ohne Allokation); bei volldemontierten Karosserien werden lediglich 32 kWhel/t benötigt. Der Verbrauch der SchwimmSink-Anlagen beläuft sich auf 59 kWhel/t (ohne Allokation). Abbildung 2.1-14 stellt die spezifischen Energieverbräuche bei der Aufbereitung von Stahl und Aluminium nach Durchführung einer massebezogenen Allokation dar. Abbildung 2.1-14: Materialspezifische Energieverbräuche bei der Aufbereitung von Altautos 180,0 160,0 spez. Energie Aufbereitung in kWh/t *)

162,0 140,0

136,9

134,9

120,0 100,0 80,0 60,0

64,0

56,4

51,1

40,0 20,0 0,0

Teildemontage *) bezogen auf gesamte - auch ohne Energieaufwand zurückgewonnene Aluminiummenge

Volldemontage Stahl

Altauto gesamt

Aluminium

Quelle: Wolf, S. (2000)

Die spezifischen Energieverbräuche für die Volldemontage stellen das gewichtete Mittel der Teilprozesse Volldemontage und Antriebsstrang für Stahl sowie Volldemontage, Antriebsstrang und Alureste für Aluminium dar. Die Gewichtung erfolgt jeweils gemäß dem Metallinhalt der Outputströme. Dasselbe gilt für die Gesamtenergieverbräuche bei der Aufbereitung von Stahl und Aluminium. Bei Stahl liegt der Gesamtendverbrauch nach der Allokation bei 56,4 kWhel/t, bei Aluminium bei 134,9 kWhel/t. Bei einem Bereitstellungsnutzungsgrad elektrischer Energie von 36 % entspricht dies einem Primärenergieäquivalent von 564 MJPrim/t Stahl und 1.349 MJPrim/t Aluminium. Für die Aufbereitung von Stahl wird somit nur 42 % der Energie der Aluminiumaufbereitung benötigt, da die Stahlfraktion nach Durchlaufen der Shredderanlage unmittelbar einer Wiederverwertung im Stahlwerk zugeführt werden kann.

58

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Unter der Annahme, dass alle Altfahrzeuge voll demontiert würden, bevor sie der Aufbereitung zugeführt werden, ergäbe sich ein spezifischer Gesamtendenergieverbrauch für Aluminium von 126,9 kWhel/t und für Stahl von 51,2 kWhel/t. Der spezifische Endenergieverbrauch für die Aufbereitung von Stahl und Aluminium ist bei der Volldemontage somit geringer als bei der Teildemontage. Dies liegt darin begründet, dass die Gewichtung bei der Volldemontage gemäß dem Aluminiuminhalt des Outputs von volldemontierter Karosserie, Antriebsstrang und Aluminiumrest erfolgt. Die Fraktion Alurest, die durch die Demontage von Ersatz- und Ausstattungsteilen größtenteils ohne zusätzlichen Energieaufwand zurückgewonnen wird, führt dazu, dass sich der Energieverbrauch auf eine größere Menge Output verteilt und dementsprechend geringer ausfällt. Dasselbe gilt für den Gesamtenergieverbrauch von Aluminium bei der Aufbereitung: durch Berücksichtigung der Alufelgen, die ebenfalls ohne zusätzliche Energie demontiert werden, wird der Verbrauch weiter verringert. Bei einer derartigen Bewertung führt also eine möglichst weitgehende Demontage der Altfahrzeugen zu entsprechend geringeren spezifischen Energieverbräuchen bei den Shredder- und SchwimmSink-Anlagen. Für die Verhüttung der Stahlfraktion wird der durchschnittliche Energieverbrauch für die Erzeugung von Elektrostahl angenommen. Dieser lag im Jahr 2000 bei knapp 5.400 MJPrim/t. Betrachtet man die Transportaufwendungen für die Rückführung von Stahl und Aluminium im Altauto, so sind mehrere Transportwege zu bilanzieren (Tabelle 2.1-7). Beim Transport der Altautos von der Annahmestelle zum Verwerterbetrieb werden ausschließlich Autotransporter eingesetzt, deren Ladekapazität aufgrund der äußeren Abmessungen der PKW auf etwa 10 Altautos begrenzt ist. Beim anschließenden Transport der demontierten Fahrzeuge zur Shredderanlage können aufgrund der äußeren Abmessungen bis zu 43 Altkarossen auf einem LKW transportiert werden. Tabelle 2.1-7:

Transportwege beim Altautorecycling Distanz Transportmittel

Verbrauch

Transporteinh.

Annahmestelle – Verwerterbetrieb

25 km

Autotransporter

29 l/100 km

10 Stück

Verwerterbetrieb – Shredder

60 km

LKW

35 l/100 km

43 Stück

Shredder – SS-Anlage (Alu)

300 km

LKW

35 l/100 km

25 t

SS-Anlage – Schmelzhütte (Alu)

200 km

LKW

35 l/100 km

25 t

Shredder – Elektrostahlwerk

150 km

LKW

35 l/100 km

25 t

Quelle: Teschers et al. (1999); eigene Schätzungen

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

59

Bei den Angaben zu den zurückzulegenden Wegstrecken handelt es sich um durchschnittliche Distanzen, die je nach Standort erheblich von diesen Durchschnittswerten abweichen können. Aufgrund des relativ dichten Flächennetzes von Annahmestellen und Verwerterbetrieben in Deutschland ist hier die zurückzulegende Distanz relativ gering. Dahingegen müssen beim Transport der Aluminiumfraktionen von den Shredderbetrieben zu den Schwimm-Sink-Anlagen weitaus größere Strecken zurückgelegt werden. Abbildung 2.1-15 stellt die spezifischen Primärenergieverbräuche beim Altautorecycling, getrennt nach Transport, Aufbereitung und Verhüttung, gegenüber für die Werkstoffe Stahl und Aluminium gegenüber. Die Unterschiede sind in erster Linie auf die vergleichsweise einfache Rückgewinnung der Stahlfraktion zurückzuführen. Für beide Materialien liegt der größte Verbrauch jedoch bei der Verhüttung. Insgesamt werden für das Recycling von Stahl im Altauto etwa 6,1 GJPrim/t benötigt, für Aluminium 15,3 GJPrim/t. Im Vergleich hierzu beläuft sich der Energiebedarf für die Erzeugung einer Tonne Oxygenstahl ungefähr auf 20,5 GJPrim und für Primäraluminium auf 212 GJPrim. Abbildung 2.1-15: Spezifischer Primärenergiebedarf beim Altautorecycling 14.000

13.600

spez. Primärenergie in MJ/t

12.000

10.000

8.000

6.000

5.400

4.000

2.000

348 0

149

Transport

1.349

564

Aufbereitung Aluminium

Verhüttung

Stahl

Quelle: Wolf, S. (2000); eigene Berechnungen

2.1.4.4 Fallbeispiel Weißblechrecycling Im Folgenden wird das Recycling von Verkaufsverpackungen aus Weißblech im Rahmen des Dualen Systems beschrieben sowie energetisch und kostenmäßig analysiert.

60

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Im Jahr 2000 wurden in Deutschland etwa 718.000 t Weißblech und 100.000 t nicht rekonditionierfähige Feinblechverpackungen verwendet (GVM). Weißblechverpackungen aus Privathaushalten und Kleingewerbe werden durch das DSD, Verpackungen aus Weiß- und Feinblech aus dem gewerblichen und industriellen Bereich werden hauptsächlich durch die KBS (Kreislaufsystem Blechverpackungen Stahl GmbH) erfasst. Daneben gibt es eine Reihe kleinerer Erfassungsinstanzen, die jedoch eine untergeordnete Rolle spielen. Außerdem wird Weißblech aus Müllverbrennungsanlagen nach Aufbereitung der Verbrennungsschlacke der Wiederverwertung zugeführt. Im Jahr 2000 wurden laut GVM insgesamt 546.000 t Weißblech wiederverwertet. Davon entstammten 408.000 t dem DSD, 81.000 t kamen aus Müllverbrennungsanlagen, die restlichen 57.000 t wurden vom KBS und anderen Systemen erfasst. Die Angaben über die durchschnittliche Menge aussortierter Weißblechverpackungen am LVP-Aufkommen des DSD schwanken zwischen 19 und 22 %, wobei sich die Verpackungen zu ungefähr 80 % in reines Weißblech und zu 20 % in Weißblechverbunde aufteilen (HTP/IFEU). Die Materialgruppe Weißblech umfasst dabei Verpackungen wie Konservendosen, Eimer, Kanister etc. Unter Weißblechverbunden werden im wesentlichen Getränkedosen sowie Deckel und Verschlüsse mit Dichtmasse zusammengefasst, deren Fremdmaterialanteil über 5 Gew.- % beträgt. Reines Weißblech und Weißblechverbunde werden jedoch zusammen als Weißblechfraktion aussortiert. Die Verwertungsquote, d. h. die Menge an Weißblechverpackungen die einer Verwertung zugeführt werden, bezogen auf den Gesamtverbrauch, lag insgesamt bei 76 %. Am gesamten Schrotteinsatz der Stahlindustrie von 24,6 Mio. t im Jahr 2000 hatte das Weißblech einen Anteil von 2,2 %. Abbildung 2.1-16 zeigt die Entwicklung des Weißblechrecyclings in Deutschland. Die Verwertungsquote ist dabei seit 1992 von 45 % auf heute 76 % gestiegen. Abbildung 2.1-17 stellt die Entwicklung der Zusammensetzung der Verwertungsmenge von Weißblech dar. Es wird deutlich, dass der aus der Müllverbrennungsschlacke zurückgewonnene Anteil von 44 % im Jahr 1992 auf 9 % im Jahr 2000 zurückgegangen ist, während im gleichen Zeitraum der Anteil des DSD von 15 % auf heute 75 % angestiegen ist. Für die weiteren Betrachtungen ist nur das aus der DSD-Fraktion gewonnene Weißblech von Bedeutung.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

61

Abbildung 2.1-16: Weißblech-Recycling in Deutschland, 1992 bis 2000

Gesamtverbrauch in 1000 t

Verwertungsmenge in 1000 t

775 719

719

718

715

562

555

546

411 352

1992

1994

Vq = 45 %

Vq = 57 %

1996 Vq = 77 %

1998

2000

Vq = 79 %

Vq = 76 % Quelle: IZW; GVM

Abbildung 2.1-17: Entwicklung der Zusammensetzung der Weißblechverwertung in Deutschland, 1992 bis 2000 600

555 t

562 t

59

57

56

74

440

431

1996

1998

500

411 t 400

1.000 t

352 t

546 t 57 81

50 80

300

165 200

408

281 100

0

155

32 1992

1994 DSD

Müllverbrennung

Rest

2000 Quelle: GVM

62

2.1.4.4.1

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Recyclingschritte

Weißblech kann aufgrund seiner ferromagnetischen Eigenschaft fast vollständig von anderen Verpackungen bzw. Materialien getrennt werden. Dies erfolgt in den Sortieranlagen des Dualen Systems in der Regel vollautomatisch durch die sog. Magnetseparation. Damit werden unabhängig von der technischen Variante der LVP-Sortierung 98 bis 99 % der eingesammelten Weißblechverpackungen aussortiert (IZW, 2002; HTP/IFEU, 2000). Rund 95 % des Weißblechschrotts werden nach der Sortierung paketiert und in Form kompakter Schrottpakete in den Stahlwerken verarbeitet; der Rest wird in geshredderter Form eingesetzt (IZW, 2002). Bei Weißblechverpackungen aus dem gewerblichen Bereich, insbesondere bei chemisch-technischen Verpackungen, erfolgt zudem eine Kontrolle der korrekten Restentleerung und eine spezielle Aufbereitung, bevor der Schrott in der Stahlindustrie zum Einsatz kommt. Zu diesen Aufbereitungsverfahren zählen u. a. die Heißlaugenwäsche und die Kryogenaufbereitung. Diese Verfahren bleiben allerdings auf weinige Spezialfälle beschränkt. Weißblechschrott wird in den Stahlwerken in der Regel zusammen mit anderem Stahlschrott eingeschmolzen. Zum Schutz vor Korrosion wird Weißblech mit einer sehr dünnen Zinnauflage von etwa 2,4 g/qm veredelt. Der mittlere Zinnanteil in Weißblechverpackungen beträgt rund 0,4 %. Er differiert stark in Abhängigkeit von der Art der Verpackung. So liegt er bei Getränkedosen deutlich niedriger, bei einigen Konservendosen und chemisch-technischen Verpackungen deutlich über diesem Wert. Aufgrund der Zinnbeschichtung muss beim Einsatz von paketiertem Weißblechschrott Roheisen oder zinnfreier Schrott zugegeben werden, um eine ausreichende Verdünnung zu erreichen. Zinn ist ebenso wie Kupfer nicht auf metallurgischem Weg aus dem Stahl zu entfernen und bis heute gibt es keine industriellen Entzinnungsverfahren für Alt- oder Sammelschrott. Die existierenden Verfahren sind lediglich für sauberen Weißblechschrott, d. h. Neuschrott aus der Herstellung, anwendbar (BDSV, 1998). Allerdings macht das Weißblech mit weniger als 3 % am jährlichen Schrotteinsatz in der Stahlindustrie nur einen geringen Teil aus. Zur Erzeugung zinnlegierter Stahlgüten (z. B. Transformatorenbleche) wird sogar gezielt Weißblechschrott als Legierungsmittel eingesetzt. Der Aluminiumdeckel der Getränkedosen sowie anhaftende Lacke und Etiketten beeinflussen das Recycling von Weißblech nicht. Das Aluminium oxidiert während der Stahlschmelze und wird mit der Schlacke ausgeschieden. Da der Recyclingprozess bei Temperaturen von rund 1600 °C stattfindet, verbrennen Farben und Lacke vollständig. Für die Herstellung von Weißblech werden nach dem Warmwalzen für Beizen, Kaltwalzen und Verzinnung etwa 1.360 MJ/t für

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

63

Brennstoffe und weitere 360 kWhel/t für Strom benötigt. Dies entspricht zusätzlich zum Warmwalzen einem Primärenergieaufwand von etwa 5,1 GJPrim/tWB. (Rohn et al., 1995)

2.1.4.4.2

Stahl-Recyclingquote bei Weißblechverpackungen

Die Erfassungsquote für Verkaufsverpackungen aus Haushalten und Kleingewerbe und somit auch für Weißblechverpackungen liegt nach Angaben des DSD bei 89 %. Die Sortierquote von Weißblech liegt unabhängig von der technischen Variante der Sortieranlage bei etwa 98 % (IZW, 2002). Laut IZW werden, wie bereits erwähnt, etwa 95 % des Weißblechschrotts nach der Aussortierung paketiert, um dann im Stahlwerk eingeschmolzen zu werden. Die verbleibenden 5 % werden geshreddert. Eine Aufbereitung findet also praktisch nicht statt. Somit kann die Aufbereitungsquote von Weißblech näherungsweise mit der Sortierquote von 98 % gleichgesetzt werden. Die Schmelzquote bei Elektrostahl wird mit etwa 95 % angenommen. Hieraus ergibt sich die technische Recyclingquote von Weißblechverpackungen, also der Materialanteil, welcher nach der Zuführung zur Verwertung am Ende des Recyclingprozesses tatsächlich als Sekundärmaterial produziert wurde, zu 93,6 %. Die Gesamtrecyclingquote - sie beschreibt die Effektivität der Nutzung einer sekundären Ressource bzw. eines sekundären Vorstoffes - beläuft sich auf 83,3 %.

2.1.4.4.3

Energetische Bewertung des Weißblechrecyclings

Nachfolgend werden die Prozessstufen Transport, Sortierung, Aufbereitung und Schmelze untersucht. Die ausführliche Darstellung findet sich bei Ball (2002). Bei der Bestimmung der spezifischen Energieverbräuche von Transport und Aufbereitung wurde wiederum eine massebezogene Allokation durchgeführt. Die anteilige Zuordnung des Energieverbrauchs erfolgte dabei nur bezüglich derjenigen Produktfraktionen, die einer späteren Verwertung zugeführt werden. Hierzu zählen jedoch nicht die Fehlbeschickungen im LVP-Sammelgemisch sowie die Materialfraktionen, die nach der Aufbereitung deponiert werden. Bei der Bestimmung des Energieverbrauchs in den Sortieranlagen wurde eine wegspezifische Allokation bei der Sortierung der verschiedenen Produktfraktion vorgenommen. Dabei wurde für jede Produktfraktion der spezifische Weg in der Sortieranlage und der daraus resultierende anteilige Energiebedarf an der Sortierung ermittelt. Für die Aufbereitung von Weißblech aus Leichtverpackungen benötigt man lediglich die Energie zum Betreiben der Sortieranlagen, da das Weißblech nach der Magnetscheidung paketiert und an die Stahlwerke weitertransportiert wird. Die spezifische End-

64

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

energie für das Aussortieren der Weißblechfraktion beläuft sich unabhängig von der technischen Variante der Sortieranlage auf 80 kWhel/t. Als Energiebedarf für die Verhüttung von Weißblech wird der durchschnittliche Energieverbrauch für die Erzeugung von Elektrostahl angenommen. Dieser lag im Jahr 2000 bei knapp 5.400 MJPrim/t. Abbildung 2.1-18 stellt die spezifischen Primärenergieverbräuche beim Recycling von Aluminium- und Weißblechverpackungen gegenüber (bzgl. Aluminium vgl. Ball, 2002). Der Gesamtprimärenergieverbrauch für Aluminium beläuft sich auf 16.420 MJPrim/t, der für Weißblech auf knapp 6.500 MJPrim/t. Abbildung 2.1-18: Primärenergieverbrauch Alu und Weißblech beim Verpackungsrecycling 14.000

13.600

spez. Primärenergie in MJ/t

12.000

10.000

8.000

6.000

5.400 4.000

2.000

552

283

0

Transport

1.011

800

Sortieranlage Aluminium

1.257

0

Aufbereitung

Verhüttung

Weißblech

Quelle: HTP/IFEU (2002); Mutz (2001); eigene Berechnungen

Die Darstellung macht deutlich, dass für das Recyceln von Weißblechverpackungen weitaus weniger Energie benötigt wird, als für Aluminiumverpackungen. Insbesondere die energieintensive Aufbereitung entfällt bei Weißblech. Zudem fällt der größte Energieverbrauch sowohl für Weißblech als auch für Aluminium bei der Verhüttung an. Der Transport spielt in diesem Zusammenhang eine untergeordnete Rolle.

2.1.5 Energetische Bewertung und Abschätzung des Energieeinsparpotenzials durch Stahlrecycling Der Primärenergiebedarf zur Herstellung von Rohstahl in Deutschland lag im Jahr 2000 bei durchschnittlich 16,2 GJPrim/t, während es 1970 noch 25 GJPrim/t und 1983 19 GJPrim/t waren. Dies ist sowohl auf eine verbesserte Prozessführung bei der klassi-

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

65

schen Hochofenroute als auch auf die Zunahme der weniger energieintensiven Elektrostahlproduktion zurückzuführen, die derzeit (2000) einen Mengenanteil von knapp 29 % an der gesamten Rohstahlproduktion in Deutschland hat. Zur Herstellung einer Tonne flüssigen Elektrostahls in Deutschland bedarf es zur Zeit nur gut eines Viertels der Primärenergie von Oxygenstahl, wobei hier der Energiebedarf zur Sinter- und Roheisenerzeugung mit einbezogen ist (vgl. Tabelle 2.1-9). In den 70er- und frühen 80er-Jahren vollzog sich in der Deutschen Stahlindustrie ein gravierender Wandel der Produktionsstrukturen. Im Jahr 1976 lief in den alten Bundesländern die Produktion von Thomasstahl und der geringen Restmengen von Bessemer- und sonstigem Stahl aus. Siemens-Martin-Stahl wurde in den alten Bundesländern bis 1982 produziert, in den neuen Bundesländern bis 1992. Eine energetische Betrachtung dieser Verfahren macht im Kontext dieser Untersuchung, bei der es um die Abschätzung der Energieeinsparpotenziale durch verstärktes Stahlrecycling bzw. einen energetischen Vergleich der beiden heute gängigen Verfahrensrouten geht, keinen Sinn. Aus diesem Grund wurde für die nachfolgenden Betrachtungen das Basisjahr 1983 gewählt, das Jahr, ab dem im damaligen Gebiet der Bundesrepublik nur noch Oxygen- und Elektrostahl erzeugt wurden. Unter den Annahmen zur gesamtwirtschaftlichen Entwicklung (Referenz-Szenario) wurde mit dem MIS-Modell eine Wirtschaftsstrukturentwicklung bis zum Jahr 2030 abgeleitet (Jochem/Mannsbart, 2002; siehe Anhang A2). Danach ist mit einem Rückgang der Rohstahlproduktion von derzeit (2000) gut 46 Mio. t auf gut 41 Mio. t im Jahr 2030 zu rechnen. Bei der derzeitigen Erzeugungsstruktur der deutschen Stahlwerke blieben Flacherzeugnisse bislang fast ausschließlich der Primärroute vorbehalten, während Langerzeugnisse überwiegend über die Elektrostahlroute erzeugt werden. Der unter dem europäischen Durchschnitt liegende Elektrostahlanteil in Deutschland ist mit dem hierzulande sehr hohen, qualitätskritischen Flachstahlanteil begründet (vgl. Ameling, 2000). Eine Schwierigkeit bei der Ausweitung des Einsatzes von Elektrostahl für Flachstahlgüten stellen insbesondere die Verunreinigungen des Stahlschrotts dar. Die Herstellung von Flachprodukten gestattet nur eine geringe Menge metallischer Verunreinigungen im Stahl. Die Trennung zwischen Oxygen- und Elektrostahlwerken bezüglich ihrer Produktpalette wird jedoch mit zunehmendem Einsatz endabmessungsnaher Gießverfahren, die zu einem wesentlich geringeren Kapitalbedarf für das Walzwerk führen, möglicherweise zum Teil aufgehoben werden können. Hinsichtlich einer Ausweitung der Elektrostahlproduktion in Deutschland spielt die Entwicklung der Stahlschrottpreise, die konjunkturell und außenhandelsbedingt erheblich schwanken können, die Schrottqualität sowie die Kapazität der Anlagen eine wichtige

66

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Rolle. Während integrierte Hüttenwerke oft eine Jahreskapazität von mehreren Mio. t haben, liegt die von Elektrostahlwerken in der Regel unter einer Mio. t. Eine merkliche Steigerung der Elektrostahlproduktion kann also nur durch den Neubau von Elektrostahlwerken erreicht werden. Zur Abschätzung des (Primär-)Energieeinsparpotenzials durch Steigerung des Anteils von Elektrostahl an der gesamten Rohstahlerzeugung in Deutschland wurde dessen denkbare Entwicklung von den Bearbeitern der Studie mit Vertretern der Wirtschaftsvereinigung Stahl sowie des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute diskutiert (WV Stahl/VDEH, 2002). Auf Basis der Anteile des Elektrostahls in den einzelnen Verwendungsbereichen im Jahr 1996 und der jeweiligen Gesamteinsatzmengen wurden von den Branchenexperten zunächst die maximal möglichen Anteile im Jahr 2020 geschätzt (vgl. Tabelle 2.1-8). Tabelle 2.1-8:

Expertenschätzungen zum Elektrostahlanteil in Deutschland im Jahr 2020 mit Extrapolation bis 2030 Elektrostahlanteil in %

Abnehmer

1996

2020

Ziehereien, Kaltwalzwerke

30

30

Stahl-, Leichtmetallbau

33

40

Maschinenbau

21

25

Straßenfahrzeugbau

7

9

Schiffbau

22

27

Elektrotechnik

8

10

EBM-Waren

17

20

Hoch-/Tiefbau

73

88

26,0

31,4

Gesamt*

2030

Keine sektoral disaggregierte Schätzung

33,0

* Gewichtung in Anlehnung an Stahlverwendungsstruktur gemäß Abbildung 2.1-4 Quelle: Eigene Berechnungen auf Basis von WV Stahl/VDEH, 2002

Damit ergibt sich für das Jahr 2020 ein Elektrostahlanteil von 31,4 %, was angesichts der zwischen 1996 und 2000 bereits erzielten Anteilssteigerung von 26 % auf 28,7 % als vorsichtige Schätzung interpretiert werden muss. Eine Extrapolation bis zum Jahr 2030 lässt unter diesen Prämissen einen Elektrostahlanteil von 33 % erwarten.

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

67

Bei der bereits erwähnten Abschätzung der gesamtwirtschaftlichen Entwicklung mit dem MIS-Modell und der darauf aufbauenden Wirtschaftsstrukturentwicklung bis zum Jahr 2030 (Jochem/Mannsbart, 2002; siehe Anhang A2) wurde eine wesentlich höhere Zunahme des Elektrostahls unterstellt, der danach zunehmend nicht nur im Baugewerbe, in Ziehereien und Kaltwalzwerken, im Stahlbau oder für EBM-Waren eingesetzt wird. Dies führt zu einem als Obergrenze zu interpretierenden Anstieg der Produktion von Elektrostahl auf 18,6 Mio. t/a und damit einem Anteil von 45 % an der gesamten Rohstahlerzeugung im Jahr 2030. Bei der Abschätzung der künftigen Entwicklung des spezifischen Energiebedarfs der beiden Verfahren wurde näherungsweise von einer Fortsetzung des Trends der vergangenen 17 Jahre (seit dem hier gewählten Basisjahr 1983) ausgegangen. Das bedeutet, dass sich der spezifische Verbrauch fossiler Energieträger bei der Oxygenstahlerzeugung um jährlich rund 0,5 % verringert, wohingegen der spezifische Stromverbrauch, u. a. aufgrund gesteigerter Umweltschutzanforderungen, um 0,4 %/a erhöht. Wohlgemerkt bezieht sich diese Angabe auf die Rohstahlerzeugung, bei der die enormen zu erwartenden Energiebedarfssenkungen in der Walzstahlstufe nicht mitgerechnet werden. Bei der Erzeugung von Elektrostahl wurden Effizienzsteigerungen von 0,8 %/a beim Stromverbrauch und 0,2 %/a bei fossilen Energieträgern unterstellt. Tabelle 2.1-9:

Primärenergieeinsparungen durch erhöhten Elektrostahlanteil 1983 *

2000

2030

35,73

46,38

41,30

19,5

28,7

Spezifischer PEV Elektrostahlerzeugung in MJ/t

6,1

5,4

4,3

Spezifischer PEV Oxygenstahlerzeugung in MJ/t

22,1

20,6

18,0

n. a.

65,0

Rohstahlproduktion in Mio. t Anteil Elektrostahl in % - untere Variante ** Anteil Elektrostahl in % - obere Variante ***

Vermiedener PEV in PJ **** - untere Variante ** Vermiedener PEV in PJ **** - obere Variante ***

33,0 45,0

24,2 92,1

* alte Bundesländer ** in Anlehnung an WV Stahl/VDEH, 2002*** gemäß Jochem/Mannsbart 2002 **** im Jahr 2000 gegenüber 1983 und im Jahr 2030 gegenüber 2000 Quelle: eigene Berechnungen

Tabelle 2.1-9 fasst den sich damit im Jahr 2000 durch Erhöhung des Elektrostahlanteils seit 1983 bereits erzielten Primärenergie-Einspareffekt sowie die möglichen weite-

68

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

ren Einsparungen gegenüber heute bis zum Jahr 2030 zusammen. Wären also bei heutigem Stand der Energieeffizienz und den heutigen Gesamtproduktionsmengen die Anteile der beiden Verfahrensrouten auf dem Stand von 1983 eingefroren geblieben, hätte dies zu einem um 65 PJ/a höheren Primärenergiebedarf der Stahlproduktion geführt. Entsprechend sind die Vermeidungspotenziale bis 2030 unter der Prämisse sinkender spezifischer Verbräuche (Ausnahme Stromverbrauch der Oxygenstahlerzeugung) und einer leicht rückläufigen Produktionsentwicklung gegenüber der auf heutigem Stand eingefrorenen Produktionsstruktur zu interpretieren. Bei der Interpretation der Ergebnisse im Gesamtkontext dieser Studie ist aber zu beachten, dass das Verhältnis von Roheisenerzeugung (und zwar nur der für die Stahlerzeugung produzierten Roheisenmengen) zur Stahlerzeugung in den alten Bundesländern bis Ende der 80er-Jahre anstieg (vgl. Abbildung 2.1-19). Lag dieser Indikator für den Anteil an primär erzeugtem Material im Jahr 1970 noch bei 69,1 %, lag er im Basisjahr 1983 bei 71,8 %. Das heißt, ein Vergleich mit dem Basisjahr 1970, das in anderen Untersuchungsbereichen dieser Studie herangezogen wurde, fiele also unter Umständen etwas ungünstiger aus. Abbildung 2.1-19: Verhältnis Roheisen- zu Stahlerzeugung

Verhältnis Roheisenerzeugung* zu Stahlerzeugung * nur zur Stahlerzeugung genutzter Anteil

2005

2000

1995

1990

1985

1980

1975

1970

1965

0,780 0,760 0,740 0,720 0,700 0,680 0,660 0,640 0,620

Quelle: Wirtschaftsvereinigung Stahl

Ein Problem beim Altautorecycling und damit ein Hemmnis für die weitere Ausschöpfung bestehender Potenziale stellt die derzeit sehr hohe Exportquote von Altautos und Altkarossen von etwa 60 % dar (1990: 10 %). Durch die strenge Umweltgesetzgebung in Deutschland, aber auch durch die Öffnung des Eisernen Vorhangs führen insbesondere die Deponiekosten im Vergleich zur ausländischen Konkurrenz zu Standortnachteilen. Das Rücknahmesystem für PKWs in Deutschland kann durch den hohen

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

69

Export in Frage gestellt werden. Durch den zunehmenden Export verschlechtert sich zudem die wirtschaftliche Situation der Shredderbetriebe in Deutschland. Die Hauptschwierigkeit hinsichtlich der Erreichung der im Rahmen der EU-Altfahrzeugrichtlinie geforderten Verwertungsquoten stellt derzeit allerdings die Kunststofffraktion, nicht aber die Rückgewinnung von Stahl (und Aluminium), dar. Betont werden muss, dass das Recycling von Stahl nur eine von vielen Möglichkeiten darstellt, den Energiebedarf der Branche und die resultierenden CO2-Emissionen zu senken. So hat sich die Stahlindustrie im Rahmen ihrer erweiterten Selbstverpflichtung zur Klimavorsorge vom November 2000 verpflichtet, den auf die gesamte Rohstahlerzeugung bezogenen spezifischen CO2-Ausstoß von 1990 bis 2012 um insgesamt 22 % zu mindern. Die Stahlindustrie will dies u. a. durch Maßnahmen im Bereich der Roheisen- und Oxygenstahlerzeugung bzw. Prozessinnovationen in der Elektrostahltechnologie, beides inklusive der Sekundärmetallurgie, sowie Modernisierung von Elektrostahlwerken erreichen. Der Neubau von Elektrostahlwerken und die damit erzielbare Erhöhung des Elektrostahlanteils sind nur eine von vielen genannten Maßnahmen. Weiter werden genannt: ressourcenschonende Gießwalzverfahren für Flachprodukte und Profile, eine strombedarfssenkende Entwicklung, die sich auch künftig noch fortsetzen dürfte (vgl. auch Ameling/den Hartog/Steffen, 2001; Lindenberg et al., 2001), Softwareeinsatz und Verkettung von Erzeugungsanlagen, energietechnische Prozessoptimierung, Optimierung von Kuppelenergiewirtschaft und Energieverbund, Maßnahmen zur Energierückgewinnung und Abwärmenutzung, Energieträgersubstitution, metallurgische und verfahrenstechnische Entwicklungen zur Erhöhung der Stoffausbringung in allen Produktionsprozessen sowie Nutzung aufbereiteter Hochofenschlacke als Rohstoffsubstitut zur Zementerzeugung (Ameling/Aichinger, 2001). Im Detail beleuchtet wurden in diesem Zusammenhang die Nutzung der vielfältigen Potenziale bei der Stahlerzeugung via Hochofen-Konverter-Route. Hier bestehen noch CO2-Absenkungspotenziale durch erhöhte energetische Effizienz der Sintererzeugung, der Winderhitzung, durch Einsatz von Gichtgasentspannungsturbinen, Konvertergasrückgewinnung und Verminderung von Wärmeverlusten sowie durch höhere stoffliche Effizienz (Aichinger/Mülheims et al., 2001). Zu erwähnen sind ferner, die bereits in der Vergangenheit sehr weitgehend erfolgte Einführung der Stranggießtechnik, die zu erheblichen Einsparungen von Rohstahl in der Erzeugungskette bis zum Fertigprodukt geführt hat (vgl. Ameling 2000). Die Substitution von Koks im Hochofenprozess verringert die vorgelagerten Energieverbräuche in der Kokerei und die damit verbundenen Umweltbelastungen. Der Einsatz der verschiedenen Schlacken aus Hochofen- und Stahlwerksprozessen in eigenen metallurgischen Prozessen, als Baustoffe und als Düngemittel sind eine langgeübte

70

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Praxis (Ameling 2000), die sich auf den Energiebedarf der betreffenden Abnehmerbranchen günstig auswirkt. Schließlich sind die sich eröffnenden Energieeinsparmöglichkeiten im Bereich der Nutzung der Produkte der Stahlindustrie zu nennen. Hervorzuheben ist der Leichtbau im Automobilsektor (auch Gegenstand einer eigenen Betrachtung im Rahmen dieses Vorhabens; siehe Abschnitt "Energetische Bewertung von Leichtbaustrategien im Automobilsektor"), der durch neu entwickelte Werkstoffe ermöglicht wurde und Gegenstand vielfältiger Entwicklungsaktivitäten der Branche ist. Neue Stähle ermöglichen ferner die Steigerung des Umwandlungswirkungsgrades thermischer Kraftwerke durch die Beherrschung gesteigerter Frischdampfdrücke sowie höherer Frischdampf- und Zwischenüberhitzertemperaturen. Ein Beispiel ist der im Jahr 2002 im rheinischen Braunkohlenrevier ans Netz gegangene 1000-Megawatt-Block im Kraftwerk Niederaußem. Die für Dampferzeugerwände und Abscheider verwendeten Stähle mit 9 Prozent Chrom sowie der für Dampfüberhitzer eingesetzte austenitische Stahl mit 17 Prozent Chrom und 13 Prozent Nickel führen mit der neusten Anlagentechnik zu einer Steigerung des Kraftwerkwirkungsgrades auf über 43 Prozent (stahl-online, 2002).

2.1.6 F&E-Bedarf Jede technologische Perspektive der Stahlerzeugung muss die internationale Wettbewerbsfähigkeit der Stahlindustrie erhalten oder verbessern. Dies ist nur möglich durch eine nachhaltige Produktion und eine Fortsetzung der Innovationsprozesse zur Entwicklung neuer Herstellungsverfahren mit geringerem Primärenergiebedarf und daher einhergehend geringeren CO2-Emissionen. Derzeit entfallen in Europa auf 1 t flüssigen Rohstahl ca. 1,3 t CO2 (gemittelt aus Oxygen- und Elektrostahlroute). Um die Vereinbarungen des Kyoto-Protokolls zu erfüllen, müssten die CO2-Emissionen bei der Stahlherstellung auf 0,8 t CO2 je Tonne flüssiger Rohstahl abgesenkt werden. Dies ist durch eine Erhöhung der Elektrostahlproduktion alleine nicht erreichbar. Ferner geht die gesamte Entwicklung bei der Stahlherstellung in Richtung kontinuierlicher Produktionsverfahren, um den hohen Energiebedarf von Wiederaufwärmöfen, einzusparen (z. B. endabmessungsnahes Gießen von Stahlprodukten). Im Hinblick auf die Reduzierung von CO2-Emissionen sei auf einige Forschungsinitiativen der Stahlindustrie zur Entwicklung alternativer Stahlherstellungskonzepte hingewiesen, die aufgrund der hohen Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen nur im Rahmen internationaler Kooperation verwirklichbar sind. Hierbei geht es langfristig darum, Kohle als Reduktionsmittel bei der Stahlherstellung zu ersetzen. Dies ist nur möglich über die Verwendung alternativer Reduktionsmittel. Im Rahmen internationaler Forschungsvorhaben soll der Einsatz von Wasserstoff, Naturgas und auch Biomasse

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

71

als Reduktionsmittel erforscht werden. Ferner gibt es Bestrebungen, die Gewinnung von Roheisen über Elektrolyse zu erforschen. Diese Entwicklungen stehen jedoch noch am Anfang und bedürfen eines erheblichen Forschungs- und Entwicklungsaufwandes im Hinblick auf technische und wirtschaftliche Machbarkeit. Problematisch kommt hinzu, dass die Investitionskosten bezogen auf 1 Million Euro Umsatz bei der Stahlindustrie im Vergleich zu anderen Industrien (z. B. chemische Industrie) sehr hoch sind, da mit Stahl nur eine geringe Wertschöpfung zu erzielen ist. Die Erhöhung des Schrotteinsatzes oder der Recyclingrate bei der Stahlerzeugung wird weltweit verfolgt. Das International Iron and Steel Institute (IISI) hat unter Federführung des VDEh einen Arbeitskreis installiert, der die aktuelle Schrottsituation weltweit erfassen und Methoden zur Erhöhung der Rückgewinnungsrate für Altschrott entwickeln soll (Ameling 2000). Indirekte Energieeinsparmöglichkeiten eröffnen sich, wie bereits erwähnt, im Bereich der Nutzung der Produkte der Stahlindustrie. Hervorzuheben ist der Leichtbau im Automobilsektor, der die Entwicklung neuer Werkstoffe erforderlich macht und auch sicherheitstechnische

Anforderungen

an

den

Werkstoff

Stahl

stellt

(vgl.

u. a.

Prange/Schneider, 2001; Vergote/Mohrbacher , 2001; Wallentowitz/Patberg/Schwarz, 2001).

Quellen Aichinger, H.M.; Mülheims, K.; et al.: Ganzheitliche Bewertung und Potenziale der CO2Emission bei der Hochofen-Konverter-Route. Stahl und Eisen 121 (2001) Nr. 5 Alzetta, F.: New endless casting rolling plant for specialty steels at ABS. Stahl und Eisen 121 (2001) Nr. 12 Ameling, D.: Stahlrecycling – Ressourcenproduktivität und Umweltschutz. Stahl und Eisen 120 (2000) Nr. 7 Ameling, D.: The importance of metallurgical coke for crude steel production. Stahl und Eisen 121 (2001) Nr. 11 Ameling, D.: Windkraftanlagen im Aufwind. Handelsblatt, 09.01.2002

72

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Ameling, D.; Aichinger, H.M.: Beitrag von Wirtschaft und Stahlindustrie zur Minderung klimawirksamer Emissionen in Deutschland im Kontext der Klimavorsorgepolitik. Stahl und Eisen 121 (2001) Nr. 7 Ameling, D.; den Hartog, H.; Steffen, R.: Thin slab casting – hot rolling in the EU. Stahl und Eisen 121 (2001) Nr. 12 Arbeitsgemeinschaft (ARGE) Altauto: 1. Monitoringbericht. Frankfurt am Main, 2000, http://www.arge-altauto.de Ball, M.: Energieeffizienz durch verstärkte Kreislaufwirtschaft und bessere Materialnutzung bei Stahl und Aluminium. Diplomarbeit eingereicht an der Universität Karlsruhe, angefertigt am Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung (ISI), Karlsruhe 2002 BDSV (Hrsg.): Fachbuch Stahlrecycling – Vom Rohstoff Schrott zum Stahl. Reed Elsevier Deutschland GmbH, München-Gräfelfing, 1998 Birat, J.P.: A futures study analysis of the technological evolution of the EAF by 2010. Irsid-Usinor Recherche, La Revue de Métallurgie-CIT, Novembre 2000 Bundesvereinigung Deutscher Stahlrecycling- und Entsorgungsunternehmen e.V. (BDSV), Düsseldorf, http://www.bdsv.de Ewers, R. (VDEh): Schrottwirtschaft in der Stahlindustrie. Zusatzstudium Stahl 2001/02, Präsentation des VDEh an der RWTH Aachen, Oktober 2001 Forschungsstelle für Energiewirtschaft (FfE): Ermittlung von Energiekennzahlen für Anlagen,

Herstellungsverfahren

und

Erzeugnisse.

München,

1999,

http://www.ffe.de Gesellschaft

für

Verpackungsmarktforschung

mbH

(GVM),

Wiesbaden,

http://www.gvm-wiesbaden.de HTP Ingenieursgesellschaft für Aufbereitungstechnik und Umweltverfahrenstechnik, Aachen, persönliche Mitteilung HTP, IFEU (Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg): Grundlagen für eine ökologisch und ökonomisch sinnvolle Verwertung von Verkaufsverpackungen. Endbericht, UFOPLAN 298 33719, 2000 Informations-Zentrum Weißblech e.V. (IZW), Düsseldorf und Rasselstein Hoesch GmbH, Andernach, http://www.weissblech.de

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

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Jochem, E; Mannsbart, W.: Disaggregation der Produktionsentwicklung des Verarbeitenden Gewerbes und des primären und tertiären Sektors in Deutschland im Zeithorizont 2000-2030. IKARUS-Arbeitspapier April 2002 Kirchner, G.: New dimensions of aluminium recycling to be created by the end-of-life vehicles Kraftfahrt-Bundesamt, http://www.kba.de Lindenberg, H.-U.; Henrion J.; Schwaha K.; Vespasiani, G.: Eurostrip – state of the art strip casting. Stahl und Eisen 121 (2001) Nr. 12 Martin, N.; Worrell, E.; et al.: Emerging energy-efficient industrial technologies. LBNL 46990, Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, 2000 Mutz, S.; Meier-Kortwig, J.; Pretz, T.: Recycling activities for aluminium packaging in Germany including the preparation for the remelting process. SFB 525, RWTH Aachen; Light Metals 2001, New Orleans, ISBN 0-87339-480-1 Nill, J.: Technological competition, time, and windows of opprtunity – the case of steel production technologies. Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW), 2002, http://www.ioew.de Paßvoß, T.: Untersuchungen zur Aufbereitung und Verwertung von Shredderleichtfraktion aus der Behandlung von Altkarossen in Shredderanlagen. Universität Witten/Herdecke, 2000 Patel, M.: Analyse der Eisenschaffenden Industrie. Fraunhofer ISI, Karlsruhe, 1998 Prange, W.; Schneider, Ch.: Automobile Leichtbauinitiativen der internationalen Stahlindustrie. stahl und eisen 121 (2001), Nr. 7, S. 23-29. Püchert; Walter; Conradt; Rentz: Autorecycling. Economica Verlag, Bonn, 1994 Rohn, H.; Manstein, C.; Liedtke, C.: Materialintensivitätsanalysen von Grund-, Werkund Baustoffen (2), Der Werkstoff Aluminium. Wuppertal Papers Nr. 37, 1995, Wuppertal Institut stahl-online: Neue Stähle für modernstes und größtes Braunkohlenkraftwerk der Welt. http://www.stahl─online.de/stahlanwendung/energie_und_krafterkstechnik/energie technik.htm Statistisches Bundesamt, BGS – Eh 200, Zweigstelle Bonn, Eisen- und Stahlstatistik: Brennstoff-, Gas- und Stromwirtschaft der Hochofen-, Stahl- und Walzwerke; verschiedene Jahrgänge

74

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Statistisches Bundesamt, Fachserie 4, Reihe 4.4.1: Beschäftigung, Umsatz und Energieversorgung der Betriebe des Verarbeitenden Gewerbes; verschiedene Jahrgänge Statistisches Bundesamt, Fachserie 4, Reihe 8.1: Eisen und Stahl; verschiedene Jahrgänge Statistisches Bundesamt, Fachserie 7, Reihe 2: Außenhandel nach Waren und Ländern; verschiedene Jahrgänge Statistisches Jahrbuch 2000. Statistisches Bundesamt, Wiesbaden Statistisches Jahrbuch der Deutschen Demokratischen Republik. Staatsverlag der DDR, Berlin, 1989 Statistisches Jahrbuch der Stahlindustrie. Wirtschaftsvereinigung Stahl, Verein Deutscher Eisenhüttenleute, Düsseldorf, verschiedene Jahrgänge Teschers, R.; Markhöfer, J.; Mandelartz, J.: Aluminiumrückführung aus dem Automobilbereich. ERZMETALL 52 (1999) Nr. 10 VDEh (Hrsg.): Stahlfibel. Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf, 1999 Verband Kunststofferzeugende Industrie e.V. (VKE): Kunststoffe und Verkehr. Frankfurt, http://www.vke.de Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh), Düsseldorf, http://www.vdeh.de Vergote, H.; Mohrbacher, H.: Maßgeschneiderte Vorprodukte aus Stahl für Automobilanwendungen. stahl und eisen 121 (2001), Nr. 7, S. 39-44. Verkehr in Zahlen 2001/2002. Deutscher Verkehrs-Verlag, Hamburg Von Gleich, A. et al.: Effizienzgewinnung durch Kooperation bei der Optimierung von Stoffströmen in der Region Hamburg: Nachhaltige Metallwirtschaft. Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Förderschwerpunktes "Modellprojekte für nachhaltiges Wirtschaften". http://www.nachhaltig.org/unihamburg/reg08fr.htm Wallentowitz, H.; Patberg, L.; Schwarz, D.: Stahl-Space-Frame – Ein Optimierungsansatz für den automobilen Leichtbau. stahl und eisen 121 (2001), Nr. 7, S. 47-52. Wirtschaftsvereinigung Stahl (WV Stahl), Düsseldorf, http://www.stahl-online.de Wirtschaftsvereinigung Stahl / Verein Deutscher Eisenhüttenleute (WV Stahl/VDEH): Persönliche Mitteilungen 2002

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

75

Wolf, S.: Recycling of aluminium from obsolete cars – economic, technical and ecological aspects. SFB 525, RWTH Aachen, 1997 Wolf, S.: Untersuchungen zur Bereitstellung von Rohstoffen für die Erzeugung von Sekundäraluminium in Deutschland. Shaker Verlag, Aachen, 2000

76

2.2

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Aluminium

2.2.1 Vorbemerkung Das vorliegende Kapitel konzentriert sich auf die Herstellung von Aluminium nach den beiden in Deutschland üblichen Herstellverfahren. Zum einen die Verfahrenslinie über die Primäraluminiumelektrolyse (mit den vorgelagerten Prozessschritten, insbesondere der Tonerdeerzeugung), zum anderen auf die Erzeugung von Sekundäraluminium aus Schrotten. Schwerpunktmäßig wird als Option zum effizienten Werkstoffeinsatz hier das Recycling betrachtet, die Optionen Materialsubstitution und konstruktive Maßnahmen werden an anderer Stelle ausführlich betrachtet: Im Kapitel "Energetische Bewertung von Leichtbaustrategien im Automobilsektor" werden für einen wichtigen Aluminiumverwendungssektor in Deutschland die Optionen "Leichtbau" (mit Stahl) sowie der Einsatz von Aluminium untersucht. Im Kapitel "Glas und Glasprodukte" wird auf die Möglichkeiten der Materialsubstitution in einem weiteren Anwendungsbereich für Aluminium, nämlich in der Lebensmittelverpackung ("Weißblech") eingegangen. Gleichwohl finden sich auch in diesem Kapitel kurze Ausführungen zum Aluminiumschrottrecycling aus PKWs (siehe hierzu auch den entsprechenden Abschnitt aus dem Kapitel "Eisen und Stahl") und zum Recycling von Aluminiumverpackungen, die zur energetischen Bewertung der Prozesse in den oben genannten Kapiteln herangezogen wurden. Ausführliche Zusatzinformationen zu diesem Teilthema finden sich in der Diplomarbeit von Michael Ball, die im Rahmen dieses Forschungsprojekts für das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit am Fraunhofer-ISI angefertigt wurde (Ball, 2002).

2.2.2 Charakterisierung des Sektors Abbildung 2.2-1 zeigt die zeitliche Entwicklung von Aluminiumproduktion und -verbrauch in Deutschland seit 1974. Im Jahr 2000 wurden in Deutschland etwa 1,2 Mio. Tonnen Aluminium produziert; weltweit waren es über 30 Mio. Tonnen. Derzeit gibt es in Deutschland fünf Primäraluminiumhütten, und zwar Stade, Hamburg, Vörde, Essen und Stüttgen. Die Produktion von Primäraluminium in Deutschland lag im Jahr 2000 bei insgesamt 643.400 t; darin enthalten sind sowohl nicht-legiertes Aluminium als auch Primärlegierungen. Die Produktion von Sekundäraluminium belief sich auf 572.300 t: diese Menge bezieht sich jedoch ausschließlich auf Gusslegierungen und Desoxidationsaluminium (5 bis 8 %); die Herstellung von Knetlegierungen auf Basis von Aluminiumschrott ist hierin nicht enthalten. Die Sekundärhüttenindustrie besteht

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

77

aus mehreren mittelständischen Refinern und Remeltern. Im Jahr 2000 waren in der deutschen Aluminiumindustrie fast 75.000 Mitarbeiter beschäftigt. Abbildung 2.2-1 verdeutlicht weiter, dass der Gesamtverbrauch an Aluminium in Deutschland seit Mitte der 70er Jahre stetig angestiegen ist. Dieser beinhaltet dabei auch die amtlich erfassten Kreislaufschrotte. Der Außenhandel von Aluminiumhalbzeug ist in der Darstellung nicht berücksichtigt. Der zunehmende Verbrauch zeigt, dass es sich bei Aluminium um einen relativ neuen Werkstoff handelt, dessen Verbreitung seit den 70er Jahren erst stark zugenommen hat. Im Jahr 2000 belief sich der Gesamtverbrauch auf etwa 2,7 Mio. Tonnen; der Nettoverbrauch errechnet sich hieraus unter Abzug des Nettoexports von Halbzeug zu 2,4 Mio. t. (Metallstatistik) Abbildung 2.2-1:

Aluminiumproduktion und -verbrauch in Deutschland

3.000.000

2.500.000

Tonnen

2.000.000

Gesamtverbrauch (ohne Außenhandel Halbzeug) 1.500.000

Gesamtproduktion

1.000.000

500.000

Primärproduktion Sekundärproduktion

19 74 19 75 19 76 19 77 19 78 19 79 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00

0

Jahre

Quelle: Metallstatistik

Quelle: Metallstatistik

Die verfügbaren amtlichen Statistiken in Deutschland weisen als Sekundäraluminium nach wie vor grundsätzlich die Produktion von Gusslegierungen und Desoxidationsaluminium aus sekundären Vorstoffen aus. Dasselbe gilt für die Außenhandelsstatistik, die Aluminiumlegierungen nicht nach ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern nach ihrem Format aufgliedert. Die statistische Erfassung von Knetlegierungen aus sekundären Vorstoffen hat gerade erst begonnen und erweist sich als schwieriges Unterfangen. Schätzungen der OEA zu Folge werden in Deutschland etwa 1 Mio. t Knetlegierungen aus sekundären Vorstoffen hergestellt. Dies schließt Umarbeitungsgeschäfte und den Einsatz von Kreislaufmaterial mit ein. Eine Faustregel für typische

78

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Remelter (Hersteller von Knetlegierungen mit mindestens 50 % Schrottanteil) besagt, dass etwa 60 % sekundäre Vorstoffe und 40 % primäre Vorstoffe zum Einsatz kommen. Dieses Verhältnis stellt allerdings keine metallurgische Notwendigkeit dar, sondern wird eher durch die Beschaffenheit des Vormaterials und durch wirtschaftliche Erwägungen bestimmt. Zahlreiche offene statistische Fragen auf diesem Gebiet rühren daher, dass der Einsatz von sekundären Vorstoffen zur Herstellung von Knetlegierungen noch vergleichsweise neu ist: Die ersten Remelter sind in den 80er Jahren entstanden, als vielfach noch bezweifelt wurde, dass es möglich sein wird, Knetlegierungen auf der Basis sekundärer Vorstoffe herzustellen. Die Statistiken sind bisher weder national noch international angepasst worden. Der Großteil dieser Knetlegierungen wird aus Abfallmaterial der ersten und zweiten Verarbeitungsstufe (Herstellung von Halbzeug und Endfertigung von Aluminiumprodukten) hergestellt. Diese sogenannten Neuschrotte verfügen in der Regel über die zur Herstellung von Knetlegierungen notwendige Reinheit. Ihre statistische Zuordnung erweist sich als schwierig: vielfach handelt es sich um Kreislaufschrotte, die statistisch nicht erfasst werden, da sie intern wieder eingeschmolzen und zum gleichen Ausgangsmaterial verarbeitet werden. Zum Teil werden diese Neuschrotte auch gehandelt, um an anderer Stelle wieder eingeschmolzen zu werden. Je nach Unternehmen werden sie dann der Primär- oder der Sekundärproduktion zugeordnet. Viele Unternehmen weigern sich aus Wettbewerbsgründen zudem, hinsichtlich der Menge ihrer Produktionsabfälle Informationen zur Verfügung zu stellen. Laut Metallstatistik wurden im Jahr 2000 knapp 230.000 t Schrott direkt wieder in Halbzeugwerken eingesetzt. Die Gewinnung von Hüttenaluminium aus sekundären Vorstoffen (z. B. sortenreine Fabrikationsschrotte, "closed-loop-recycling" von Alufensterrahmen) wurde mit 215.000 t ausgewiesen. Die verfügbaren amtlichen Statistiken geben jedoch keine vollständige Auskunft über das Schrottaufkommen, das tatsächlich höher liegt als der Schrotteinsatz (Krone, 2000; OEA; GDA). Insofern Neuschrotte statistisch erfasst sind, werden sie getrennt ausgewiesen, da Unklarheit bezüglich ihrer Zuordnung zu Primär- oder Sekundärproduktion herrscht. Weiterhin wird Primäraluminium in geringen Mengen zur Verbesserung der Qualität von Sekundäraluminium eingesetzt (Abbildung 2.2-2).

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Abbildung 2.2-2:

79

Schematischer Materialfluss für die Aluminiumerzeugung, 2000 Export 217.000 t

Import 1.090.000 t

Primäraluminium Produktion 643.000 t

Verbrauch 1.490.000 t

Zunahme der Vorräte 26.000 t

Import 780.000 t

Export 157.000 t

Import 496.000 t

Import 446.000

Schrott *) 1999

Export 550.000 t

Sekundäraluminium Produktion 572.000 t

Halbzeug 2.040.000 t Verbrauch 766.000 t

Einsatz von Primäraluminium bei der Erzeugung von Sekundäraluminium 145.000 t Direkter Schrotteinsatz der 1. Verarbeitungsstufe 229.000 t Hüttenaluminium aus sekundären Vorstoffen 215.000 t

Export 1.020.000 t

Formguss 650.000 t

Verbrauch 444.000 t

Nettoverbrauch 2.400.000 t

Quelle: Metallstatistik

Wie die bisherigen Ausführungen zeigen, wird es zunehmend schwieriger, eine klare Trennung zwischen Primär- und Sekundäraluminium vorzunehmen bzw. aufrechtzuerhalten. Als Unterscheidungsmerkmal kann im Grunde genommen nur noch das Herstellverfahren dienen. Durch den mitunter fließenden Übergang zwischen Primär- und Sekundärproduktion sowie aufgrund statistischer Unstimmigkeiten und lückenhafter Datenerfassung ist es folglich schwierig, die eigentliche Höhe der Sekundäraluminiumerzeugung zu quantifizieren. Um dennoch Primär- und Sekundärproduktion miteinander vergleichbar zu machen, erscheint es sinnvoll, der Primärproduktion den erfassten Schrotteinsatz gegenüber zu stellen. Dieser belief sich im Jahr 2000 – inkl. der ausgewiesenen Sekundärproduktion – auf über 1 Mio. t (Metallstatistik). Ohne Berücksichtigung der amtlich nicht erfassten Mengen lag der Schrotteinsatz somit um etwa 58 % über der Primärproduktion. Die zunehmende Produktion von Knetlegierungen aus sekundären Vorstoffen wird die Aussagekraft der amtlichen Statistiken weiter verwässern. Eine einheitliche statistische Definitionsgrundlage bezüglich der Erfassung von Knetlegierungen aus sekundären Vorstoffen, und damit der Quantifizierung der Sekundäraluminiumproduktion existiert bisher nicht. Auch bezüglich des Außenhandels von Halbzeug und des Verbrauchs von Aluminium bestehen statistische Unstimmigkeiten, da es keine einheitlichen Vorschriften hinsichtlich der Datenbeschaffenheit der von den

80

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Betrieben und Händlern zu meldenden Mengen gibt. Folglich weichen die Datensätze häufig voneinander ab und machen einen Materialfluss des Aluminiums nur schwierig nachvollziehbar. (OEA) In Abbildung 2.2-2 wurde dennoch versucht, den Materialfluss bei der Aluminiumherstellung auf Grundlage der Daten der Metallstatistik zu skizzieren. Die Positionen Direkter Schrotteinsatz der 1. Verarbeitungsstufe sowie Hüttenaluminium aus sekundären Vorstoffen könnten zwar als Erzeugung von Knetlegierungen aus sekundären Vorstoffen interpretiert werden, eine solche Position wird in den amtlichen Statistiken jedoch bisher nicht ausgewiesen. Die OEA arbeitet derzeit an einer verbindlichen Definitionsgrundlage für die Ausweisung sekundärer Knetlegierungen. Informationen darüber, inwiefern inländische oder importierte Schrotte für die ausgewiesene Sekundärproduktion eingesetzt werden, sind nicht erhältlich. Im Folgenden wird der Begriff Sekundäraluminium gleichbedeutend mit der in der amtlichen Statistik erfassten Menge an Gusslegierungen aus sekundären Vorstoffen verwendet. Diese hat im Jahr 2001 mit 654.000 t ihren bisherigen Höchstwert erreicht. Der Anstieg der Produktion ist dabei hauptsächlich durch die zunehmende Verfügbarkeit von Aluminiumschrott, der oft über Jahrzehnte in den Produkten gebunden ist, zu erklären. Die Primärproduktion erreichte 1988 mit knapp 806.000 t den bisherigen Höchstwert. Durch den notwendigen Abbau von Elektrolysekapazität aus wirtschaftlichen Gründen, im wesentlichen verursacht durch zu hohe Strompreise, ging die Produktion auf 503.400 t im Jahre 1994 zurück und steigerte sich seitdem langsam wieder bis auf 643.000 t im Jahre 2000. Der Rückgang der Gesamtproduktion um 16 % im Rezessionsjahr 1993 war hauptsächlich durch einen Rückgang beim Sekundäraluminium (24 %) bedingt. Der Rückgang der Primärproduktion war mit knapp 8 % weniger drastisch, da man wegen der hohen Kapitalintensität der Primäraluminiumhütten versucht, die Produktion konstant zu halten. Die weitere Entwicklung der Primärproduktion in Deutschland ist ungewiss. Mit einem Energiekostenanteil von fast 40 % an den gesamten Produktionskosten ist die Primäraluminiumproduktion auf niedrige Energiepreise angewiesen. Schon heute liegt der mittlere Strompreis für deutsche Aluminiumhütten um mehr als 50 % über dem internationalen Niveau. Es wird also in erster Linie von der Zusammensetzung des Energiemixes in Deutschland und dabei insbesondere vom Anteil der Kernenergie abhängen, wie sich die Energiepreise entwickeln werden. Laut OEA wird jedoch davon ausgegangen, dass das derzeit hohe Niveau der Primärproduktion in Deutschland in Zukunft nicht beibehalten werden wird. Hierin stimmen andere Autoren überein (Schwarz/ Krüger, 2000; Rombach, 2001; IKARUS). Dies entspricht auch der These, dass die

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

81

Primäraluminiumproduktion, dem Trend der letzten Jahre folgend, zunehmend in Regionen mit billiger Energie, insbesondere Wasserkraft, verlegt wird. Abbildung 2.2-3 zeigt den Verlauf der Importe von Bauxit und Tonerde sowie die Produktion von Tonerde in Deutschland seit 1980. Seit 1976 wird in Deutschland kein Bauxit mehr gefördert. Daher wird das benötigte Bauxit importiert. Obwohl der Import einen sehr unstetigen Verlauf aufweist, ist doch deutlich ein abnehmender Trend zu verzeichnen. 1980 lag der Import noch bei 4,2 Mio. t, im Jahr 2000 bei knapp 2,2 Mio. t Bauxit. Auch die Tonerdeproduktion in Deutschland ist über den betrachteten Zeitraum zurückgegangen. Seit 1997 wird sie konstant mit 650.000 t ausgewiesen. Das einzige deutsche Werk zur Herstellung von Tonerde befindet sich in Stade. Da der Bedarf an Aluminiumoxid in Deutschland nicht durch die heimische Produktion gedeckt werden kann, wird Aluminiumoxid importiert: im Jahr 2000 etwa 700.000 t. Mit 521.000 t im Jahr 1999 ist Jamaika der wichtigste Aluminiumoxidlieferant Deutschlands und gleichzeitig der viertgrößte Oxidproduzent der Welt. Derzeit ist der Import in Deutschland rückläufig. Der Export von Tonerde ist mengenmäßig vernachlässigbar. Die Abbildung spiegelt den derzeitigen weltweiten Trend einer Verlagerung der Tonerdeproduktion in Regionen mit bedeutender Bauxitproduktion wider. 1995 beliefen sich die durchschnittlichen weltweiten Bauxitkosten auf etwa ein Drittel der gesamten Betriebskosten der Aluminiumoxidherstellung (Schwarz/Krüger, 2000). Die Transportkosten haben daran den größten Anteil. Die spezifischen Transportkosten liegen dabei um so höher, je geringer der Oxidanteil im Bauxit ist. Abbildung 2.2-3:

Entwicklung der Tonerdeproduktion und des Imports von Bauxit

4.500.000 4.000.000 3.500.000 Import Bauxit

Tonnen

3.000.000 2.500.000 2.000.000 Tonerdeproduktion 1.500.000 1.000.000 Import Tonerde 500.000

Quelle: Metallstatistik

9

8

7

6

5

4

3

2

0 20 0

19 9

19 9

19 9

19 9

19 9

19 9

19 9

1

0

9

8

7

6

5

4

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Jahre

19 9

19 9

19 9

19 8

19 8

19 8

19 8

19 8

19 8

19 8

1

19 8

19 8

19 8

0

0

Außenhandel bis 1990 nur Westdeutschland Quelle: Metallstatistik

82

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Abbildung 2.2-4 zeigt die zeitliche Entwicklung der Produktion von Halbzeug und Formguss sowie den Nettoexport an Halbzeug. Im Jahr 2000 wurden in Deutschland insgesamt 2,04 Mio. t an Aluminiumhalbzeug (Walzprodukte, Strangpressprodukte sowie Drähte und Schmiedeteile) und 0,65 Mio. t Aluminiumformguss hergestellt. Wie die Abbildung erkennen lässt, verlaufen Formguss- und Sekundäraluminiumproduktion relativ kongruent. Beim Formguss fielen dabei 56 % auf Druckguss, 35 % auf Kokillenguss, 8 % auf Sandguss und der Rest auf sonstige Gießverfahren. Betrachtet man die Produktion von Formguss seit 1974, so stellt man fest, dass neben einem Anstieg der Jahreserzeugung zunehmende Anteile für Druckguss, abnehmende Anteile für Sandguss sowie relativ gleichbleibende Anteile für Kokillenguss zu verzeichnen sind. Wie die Darstellung weiter zeigt, ist die Produktion von Aluminiumhalbzeug im betrachteten Zeitraum stetig angestiegen; dabei hat sie insbesondere in den letzten Jahren stark zugelegt. Zugleich ist Deutschland Nettoexporteur von Aluminiumhalbzeug: im Jahr 2000 wurden 0,78 Mio. t Halbzeug eingeführt und 1,02 Mio. t ausgeführt. Seit 1994 weisen die Nettoexporte wieder einen aufsteigenden Trend auf. Der Außenhandel beschränkt sich dabei fast ausschließlich auf Europa, wobei der Handel mit Osteuropa in den letzten Jahren leicht zugenommen hat. Die Tatsache, dass die Halbzeugproduktion bei weitem die heimische Gesamtproduktion an Aluminium übersteigt und zugleich ein Nettoexport von Halbzeug vorliegt, macht deutlich, dass große Mengen Aluminium importiert werden, diese zu Halbzeug verarbeitet und sodann wieder exportiert werden. Abbildung 2.2-4:

Produktion von Aluminium Halbzeug und Formguss

2.500.000

2.000.000 Halbzeugproduktion

Tonnen

1.500.000

1.000.000

Gesamtproduktion (Primär & Sekundär)

Formgussproduktion Sekundärproduktion

500.000

Nettoexport Halbzeug

19 74 19 75 19 76 19 77 19 78 19 79 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00

0

Jahre

Quelle: Metallstatistik

Außenhandel bis 1990 nur Westdeutschland Quelle: Metallstatistik

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

83

Die nächsten beiden Abbildungen zeigen die zeitliche Entwicklung von Primär- und Sekundäraluminium bezüglich Produktion, Verbrauch und Außenhandel seit 1974. Abbildung 2.2-5 lässt erkennen, dass die Produktion von Hüttenaluminium bis Anfang der 90er Jahre recht konstant verlief, seit dieser Zeit aber fast um ein Viertel zurückgegangen ist; in den letzten Jahren ist die Produktion wieder leicht ansteigend. Zugleich liegt der inländische Verbrauch seit Anfang der 90er um mehr als das doppelte über der inländischen Produktion. Mit dem Rückgang der Produktion ist zugleich auch ein Anstieg der Importe verbunden. Deutschland ist somit Nettoimporteur von Primäraluminium. Im Jahr 2000 wurden 1,09 Mio. t Primäraluminium importiert, 56 % nicht-legiertes Aluminium und 44 % Primärlegierungen. Die Ausfuhr an Primäraluminium hingegen belief sich auf nur 0,22 Mio. t. Die wichtigsten Importeure von Primäraluminium im Jahr 1999 für Deutschland waren Norwegen (23 %), Russland (12 %), Brasilien (11 %), Island (11 %) und Holland (10 %). Wie bereits erwähnt, belegen diese Zahlen die Verlagerung der Primärproduktion in Länder mit einem hohen Wasserkraftkraftanteil am Strommix (Metallstatistik). Als Nettoimporteur von Primäraluminium fallen die großen Mengen der bei der Produktion benötigten Energie in anderen Ländern an. Abbildung 2.2-5:

Produktion, Verbrauch und Außenhandel von Primäraluminium

1.800.000 1.600.000 1.400.000 Verbrauch

Tonnen

1.200.000 1.000.000 Produktion 800.000 600.000 Import 400.000 Export 200.000

Jahre

0

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20 0

19 9

7

19 9

19 9

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19 9

3

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19 9

2

19 9

19 9

0

1

19 9

19 9

8

9

19 8

19 8

6

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19 8

5

19 8

4

19 8

19 8

2

3

19 8

1

19 8

0

19 8

9

19 7

19 8

7

8

19 7

6

19 7

5

19 7

19 7

19 7

4

0

Außenhandel bis 1990 nur Westdeutschland Quelle: Metallstatistik

Quelle: Metallstatistik

Abbildung 2.2-6 zeigt die Entwicklung von Sekundäraluminium, d. h. von AluminiumGusslegierungen. Die seit 1974 tendenziell ansteigende Produktion von Sekundäraluminium ist von 1992 auf 1993, aufgrund der bereits erwähnten schlechten konjunktu-

84

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

rellen Lage, um etwa ein Viertel abgesunken. Die Produktion war jedoch in den letzten Jahren wieder ansteigend, und ist mittlerweile wieder ungefähr auf dem Niveau von 1992 angekommen. Trotz dieses Anstiegs in den letzten Jahren, tritt seit 1993 eine immer deutlichere Schere zwischen Verbrauch und Produktion zum Vorschein; so hat der Verbrauch zwischen 1996 und 2000 um etwa 78 % auf über 0,9 Mio. t zugenommen. Dieser zunehmende Verbrauch wird durch einen zunehmenden Import von Sekundäraluminium gedeckt. Der Import stieg zwischen 1991 und 2000 von 146.000 t auf 496.000 t. Abbildung 2.2-6:

Produktion, Verbrauch und Außenhandel von Sekundäraluminium

1.000.000 900.000 800.000

Verbrauch

700.000

Tonnen

600.000 500.000

Produktion

400.000 Import 300.000 200.000 100.000 Export

19 74 19 75 19 76 19 77 19 78 19 79 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00

0

Jahre

Außenhandel und Verbrauch bis 1990 nur Westdeutschland Quelle: Metallstatistik

Quelle: Metallstatistik

Die wichtigsten Importeure 1999 waren Großbritannien (32 %), Italien (9 %) sowie Belgien-Luxemburg (8 %). Der Anstieg des Imports aus einigen Ländern war besonders drastisch: so stieg der Importanteil im Vergleich zu 1996 aus Großbritannien um 420 % und aus Italien um 750 %. In zunehmende Maße fließen auch AluminiumGusslegierungen aus osteuropäischen Ländern nach Westeuropa, insbesondere nach Deutschland. Die Gusslegierungsexporte der ehemaligen Ostblockstaaten sind im Jahr 2000 gegenüber dem Vorjahr um 32,5 % auf 100.700 t gestiegen. Diese Entwicklung ging einher mit einem drastischen Rückgang der Schrottausfuhren aus diesen Ländern, die zu der Ansicht gekommen sind, dass die Wertschöpfung durch die Produktion und den Export von Aluminiumlegierungen ertragsreicher ist, als der bloße Schrottexport. Bisher profitieren diese sog. Billigproduzenten vor allem von niedrigen Löhnen

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

85

und niedrigen Umweltstandards in ihren Ländern. Dies wird sich jedoch ändern. Bereits jetzt ist dort ein Anstieg der Löhne erkennbar, und auch hinsichtlich des Umweltschutzes steigen die Anforderungen (Kirchner, 2001). Der Export von Sekundäraluminium verläuft eher konstant und ist mengenmäßig von geringerer Bedeutung. Bei der Analyse des Außenhandels bleibt zu berücksichtigen, dass die offiziellen Statistiken aufgrund unterschiedlicher Erfassungsmethoden in den einzelnen Ländern in ihrer Aussagekraft beschränkt sind. Abbildung 2.2-7 zeigt die Verwendung des Werkstoffes Aluminium in Deutschland im Jahr 1999 und durchschnittliche Produktlebensdauern. Der Nettoverbrauch in diesem Jahr lag bei 2,3 Mio. t. Der größte Teil des Aluminiums (37 %) wurde in Form von Halbfabrikaten exportiert. Die wichtigsten Absatzmärkte für Aluminium im Inland waren der Transportsektor (41 %), das Bauwesen (18 %), der Maschinenbau (9 %) und der Verpackungssektor (7 %). Innerhalb des Transportsektors macht der Automobilbereich den größten Anteil (ca. 80 %) aus, gefolgt von Nutzfahrzeugen (ca. 10 %); der Rest verteilt sich auf Schienenfahrzeuge, Luft- und Raumfahrt sowie sonstige Transportgeräte (u. a. Container). Eine Schlüsselfunktion für den Aluminiumbedarf besitzt die Automobilindustrie. Der Verbrauch in diesem Bereich ist von 295.000 t im Jahr 1993 auf 571.000 t im Jahr 1998 angestiegen. Hier wird zudem das größte Wachstumspotenzial für Aluminium erwartet. Die Ursache hierfür liegt insbesondere in der durch Aluminium möglichen Leichtbauweise und dem dadurch geringeren Treibstoffverbrauch. Die Entwicklung zum verstärkten Einsatz von Aluminium im Automobilbereich wird ferner durch Gesetzesverordnungen zur weiteren Reduzierung von Schadstoffausstoß und Treibstoffverbrauch sowie durch steigende Treibstoffpreise gefördert.

86

Werkstoffeffizienz nach Sektoren und Anwendungen

Abbildung 2.2-7:

Aluminiumverwendung in Deutschland nach Sektoren mit durchschnittlichen Produktlebensdauern, 1999

Verkehr 25,0%

Export von Halbfabrikaten 37,4%

Straßenfahrzeuge: 12 a Schienenfahrzeuge,

Sonstige Märkte 7,0% Haushalt und Büro 2,3%

1 - 10 a

10 - 15 a

Bauwesen 12,1% Eisen- und Verpackung Maschinenbau Elektro Stahlindustrie 5,4% 4,6% 2,7% 3,6% 15 - 25 a

1 - 10 a

> 150

> 150

≈ 800

Sektor/Anwendung

Stahl

1)

Aluminium

Recycling: 9

Automobilbau (Leichtbau)

Recycling: 47

Beton / Betonprodukte Ziegel

Glas Getränkeverpackung (Materialsubstitution)

Papier Gesamteffekt (gerundet; Summenbildung nur bedingt zulässig)

5)

8)

9)

Behälterglas: 4 - 54) Flachglas: 1 - 1,54) 10)

30-40

PEV ... Primärenergieverbrauch 1)

Vergleich heute zu Basisjahr (Stahl: 2000 / 1983; Aluminium: 2000 / 1974; Beton: 2000 / 1970; Ziegel: 2000 / 1970; Polymere: 1995 / 1970; Bitumen: 2002 / 1970; Papier: 2000 / 1970) 2) Vergleich zu auf heutigem Stand eingefrorener Recyclingquote und Werkstoffnutzungseffizienz für jeweiliges Szenario 3) PEV-Einspar-Potenzial (Obergrenze) gegenüber auf heutigem Stand eingefrorener Recyclingquote und Werkstoffnutzungseffizienz 4) Einsparpotenziale durch den Einsatz von Altscherben im Vergleich zum Fall ohne Recycling. 5) Theoretischer Wert für vollständiges PKW-Recycling in 2000; z. T. enthalten in Werten für Stahl und Aluminium 6) Absolutwert für eingesparten PEV 1995 durch Recycling von Polymeren; ohne Abzug für deponierte Polymere 7) Potenzielle Zunahme gegenüber 1995; Berechnung für 2020 8) Überschneidungen mit Automobilbau; Aluminium-Trendszenario für Aluminiumanteile im Fahrzeug 9) Theoretischer Wert für reine Recyclingziegelproduktion 10) Materialsubstitution rein aus energetischer Sichtweise ohne Berücksichtigung limitierender Faktoren wie Qualitätsanforderungen an Getränkeverpackungen und unter heutigen Verbrauchs- und Produktionsstrukturen

Primärenergetische Gesamtbewertung

327

Als Ergebnis der primärenergetischen Bewertung ist festzuhalten: • Recycling energieintensiv hergestellter Grundstoffe und effiziente Werkstoffnutzung

ist in vielen Sektoren etablierte Praxis und hat bereits in der Vergangenheit zu erheblichen Einsparungen beim Primärenergiebedarf geführt. Gegenüber einem auf dem Stand von vor 30 Jahren eingefrorenen Recyclingumfang werden heute im Jahr deutlich über 150 PJ an Primärenergie, entsprechend gut 1 % des Primärenergieverbrauchs in der Bundesrepublik vermieden. Hinzu kommen die bereits realisierten Einsparungen aufgrund effizienterer Werkstoffnutzung in Produkten und Anwendungen. • Setzen sich die autonomen Trends in der effizienten Werkstoffnutzung fort, so ist

damit zu rechnen, dass in den nächsten 30 Jahren Primärenergieeinsparungen in etwa der gleichen Höhe realisiert werden. Das heißt, dass weitere 150 PJ/a alleine durch die quantifizierbaren Steigerungen der Werkstoffeffizienz vermieden werden. In dieser überwiegend aus gesteigertem Recycling resultierenden Summe sind die zu erwartenden (indirekten) Einsparungen etwa aufgrund der werkstoffseitig ermöglichten Effizienzgewinne in der Stromerzeugung, die Effizienzgewinne durch den Leichtbau im Automobilereich oder mögliche Materialsubstitution im Bereich von Getränkeverpackungen nicht enthalten. Indes ist zu erwarten, dass diese Einflussgrößen auch unter den Randbedingungen eines Referenzszenarios zusätzlich erhebliche verbrauchsmindernde Wirkung entfalten werden. • Durch

forcierte Ausschöpfung bestehender Potenziale (die ausgewiesenen Einsparungen in den Bereichen Automobil-Leichtbau und Getränkeverpackungen sind hierbei als theoretische Obergrenze zu betrachten) erscheint im betrachteten Zeitraum eine Steigerung der Primärenergieeinsparungen um gut das Fünffache auf ungefähr 800 PJ/a, also rund 5 bis 6 % des heutigen Primärenergieverbrauchs in Deutschland, möglich. Die wesentlichen Potenziale liegen hier im Bereich des Recyclings metallischer Werkstoffe, des Automobil-Leichtbaus, der Werkstoffsubstitution bei Getränkeverpackungen und insbesondere im Recycling von Kunststoffen. Auch in der effizienten Nutzung von Papier und Umkehr der mit zunehmender IuKTechnologienutzung einher gehenden Papierverbrauchszunahme liegen erhebliche Einsparpotenziale.

328

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

4

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

4.1

Wirkungsmechanismen

Maßnahmen zur Reduktion der Umweltbelastung lösen vielfältige Anpassungsreaktionen bei den einzelnen Unternehmen und privaten Haushalten aus. Durch die Summe dieser Anpassungsreaktionen und die hierdurch wiederum ausgelösten Folgewirkungen kommt es dann zu Veränderungen der Wirtschaftsstrukturen und der gesamtwirtschaftlichen Zielgrößen. In diesem Abschnitt wird der Frage nachgegangen, auf Grund welcher volkswirtschaftlicher Zusammenhänge eine erhöhte Werkstoffeffizienz zu Veränderungen der gesamtwirtschaftlichen Beschäftigung, der Wirtschaftsstrukturen und der betrieblichen Arbeitsstrukturen führen kann. Diese volkswirtschaftlichen Zusammenhänge werden als Wirkungsmechanismen bezeichnet. Sie sind verantwortlich dafür, dass die durch Veränderungen ausgelösten Impulse positive oder negative Wirkungen nach sich ziehen. Unter den gesamtwirtschaftlichen Zielgrößen kommt der Anzahl der Arbeitsplätze, die ihrerseits auch vom Produktionsvolumen (also dem Inlandsprodukt) abhängen, besondere Bedeutung zu. Zu beachten ist, dass es mehrere Wirkungsmechanismen gibt, die jeweils unterschiedliche Theorieansätze widerspiegeln (vgl. Walz 2001). Drei große Klassen von Effekten können unterschieden werden (vgl. Abbildung 4.1-1): • Preis- und Kosteneffekte, • Innovationseffekte, sowie • Nachfrageeffekte.

Die Gesamtwirkung auf die Beschäftigung und die Produktion ergibt sich aus dem Zusammenspiel der unterschiedlichen Wirkungsmechanismen. Es ist daher nicht möglich, die gesamtwirtschaftlichen Effekte aus einer isolierten Betrachtung weniger Teileffekte abzuleiten, zumal zahlreiche Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Wirkungsmechanismen bestehen.

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

Abbildung 4.1-1:

329

Überblick über die Wirkungsmechanismen von Umweltschutzstrategien auf die Volkswirtschaft

gesamtwirtschaftliche Wirkungsmechanismen

Nachfrageeffekte

direkt und indirekt (Vorleistungen)

Arbeitsintensität

Einkommenskreislaufeffekte

Preis- und Kosteneffekte

technikbezogen:

gesamtwirtschaftlich:

Kostenerhöhung

Substitutionseffekte

Kostensenkung bei rentablen Maßnahmen

Veränderung excess burden

Innovationseffekte

Modernisierung

neues technisches Wissen

first mover advantage

Importanteile

4.1.1 Preis- und Kosteneffekte Die Preis- und Kosteneffekte stehen im Vordergrund der neoklassischen Theorie. Hierbei werden in der allgemeinen volkswirtschaftlichen Diskussion als die wesentlichen Kostenfaktoren u. a. die Kosten für Arbeit (Lohnkosten) oder für die Bereitstellung von Kapital thematisiert. Nach der neoklassischen Theorie führt eine Erhöhung der Kostenbelastung der Volkswirtschaft durch Umweltschutzmaßnahmen zu negativen Effekten, die durch die im internationalen Preiswettbewerb verschlechterte Wettbewerbssituation noch verstärkt werden (vgl. Lintz 1992). Die Vollbeschäftigung bleibt allerdings erhalten, wenn es zu einer Kompensation dieser Kostensteigerung, z. B. durch Reduktion der Reallöhne, kommt. Werden durch Umweltschutzmaßnahmen hingegen Kostenreduktionen bewirkt, kommt es zu einer Steigerung von Produktion und Beschäftigung und einer Verbesserung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit. Aus dieser Argumentation wird deutlich, dass es im Rahmen der Neoklassik für die Wirkungsrichtung dieser Kosteneffekte entscheidend ist, ob die umweltpolitischen Maßnahmen zu einer Erhöhung oder Reduktion der Kostenbelastung führen. Wird durch umweltpolitische Maßnahmen ein einzelwirtschaftlich rentables Emissionsre-

330

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

duktionspotenzial realisiert, kommt es zu einer gesamtwirtschaftlichen Kostenentlastung und damit tendenziell zu positiven Effekten auf Beschäftigung und gesamtwirtschaftliche Produktion. Führen diese Maßnahmen hingegen zu einer Erhöhung der Kostenbelastung, sind tendenziell negative Abweichungen bezüglich gesamtwirtschaftlicher Produktion und Beschäftigung zu erwarten. Neben dieser eher technikbezogenen – Argumentationsweise werden insbesondere in Zusammenhang mit der Einführung einer ökologischen Steuerreform auch stärker gesamtwirtschaftliche Preismechanismen diskutiert. Hierbei werden Ausgestaltungsalternativen erörtert, in denen die ökologischen Steuern durch die Senkung anderer Abgaben kompensiert werden (Aufkommensneutralität). Da von der Erhebung nahezu jeder Steuer die relativen Preise der Produktionsfaktoren verändert werden, treten volkswirtschaftliche Zusatzkosten der Besteuerung auf (excess burden der Besteuerung). Diese Zusatzbelastung kann unter Umständen durch eine aufkommensneutrale Ökosteuer reduziert werden, falls letztere einen geringeren excess burden aufweist als die Steuern, die zur Kompensation der Ökosteuer gesenkt werden. Ist dies der Fall, kommt es zu einem Double-dividend-Effekt im engeren wissenschaftlichen Sinn (vgl. Schöb 1995). Allerdings ist empirisch umstritten, welche Höhe der excess burden für die einzelnen Steuerarten ausmacht. Damit bleibt unklar, in welche Richtung derartige Effekte wirken und welches Ausmaß sie einnehmen. Wenn sich durch umweltpolitische Maßnahmen die relativen Preise zwischen den Produktionsfaktoren ändern, werden gesamtwirtschaftliche Substitutionseffekte ausgelöst. Wird etwa der Produktionsfaktor Arbeit im Verhältnis zu den anderen Produktionsfaktoren kostengünstiger – dies ist z. B. besonders bei einer Energiesteuer, deren Aufkommen zur Senkung von Abgaben auf Arbeit verwendet wird, offensichtlich - besteht ein Anreiz, mehr Arbeitskräfte zu beschäftigen und dadurch andere Produktionsfaktoren zu substituieren (Faktorsubstitutionsthese). Dadurch wird ein Beitrag zur Erreichung des Ziels der Vollbeschäftigung geleistet. Insgesamt zeigt sich, dass die tatsächlichen Kosten- und Preiseffekte aus unterschiedlichen, z. T. gegenläufigen Teileffekten bestehen, die in ihrer Ausprägung von der betrachteten Situation abhängen. Wichtige zu berücksichtigende Parameter sind das erschließbare, einzelwirtschaftlich rentable Emissionsreduktionspotenzial und die finanzpolitische Ausgestaltung einer Ökosteuer.

4.1.2 Innovationseffekte Die Verwirklichung von Umweltschutzstrategien geht i. d. R. mit dem Einsatz neuer technischer Lösungen inklusive organisatorischer und sozialer Änderungen einher. Damit stellt sich die Frage nach dem Zusammenhang zwischen Beschäftigung und

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

331

umweltpolitisch induzierten Innovationen. Beschäftigungswirkungen können auftreten, wenn sich umweltpolitische Maßnahmen auf die Qualität der Produktionsfaktoren bzw. die qualitative Wettbewerbsfähigkeit der auf dem Weltmarkt gehandelten Güter auswirken. Hierbei gibt es drei unterschiedliche Teileffekte, die zu berücksichtigen sind: • Im Bereich der gewerblichen Wirtschaft können von der Diffusion von Umweltschutztechnologien Auswirkungen auf die Modernisierung des Produktionsapparates ausgehen. • Die Umweltpolitik kann einen Beitrag zur verstärkten Generierung innovativer Lösungen leisten. • Da insbesondere bei technologieintensiven Gütern Außenhandelserfolge nicht nur von den Preisen, sondern von der Qualität der Produkte und einer frühzeitigen Marktpräsenz abhängen, kann eine forcierte Einführung von Umwelttechniken dazu führen, dass sich die betreffenden Länder frühzeitig auf die Bereitstellung von innovativen Technologien spezialisieren und damit ihre Wettbewerbsposition stärken (First-mover-advantage). Bei den Auswirkungen auf die Modernisierung des Produktionsapparates der Gesamtwirtschaft und damit auf die Produktivitätsentwicklung können unterschiedliche Wirkungsrichtungen auftreten: Wenn die Umweltschutztechniken selbst keine produktiven Wirkungen besitzen und sogar produktive Investitionen der Unternehmen verdrängen, würde durch ein derartiges "technologisches crowding out" die Produktivitätsentwicklung gemindert. Wenn die Umweltschutztechniken hingegen selbst Bestandteil von produktiven Investitionen sind, d. h. produktivitätssteigernde Wirkung aufweisen, wäre ihr forcierter Einsatz gleichbedeutend mit einem "technologischen crowding in" und würde eine verstärkte Modernisierung der Volkswirtschaft nach sich ziehen. Welcher dieser beiden Wirkungen höheres Gewicht zukommt, hängt von der Spezifikation der betrachteten Investitionen sowie der Zinsreagibilität des Kapitalmarktes ab. Des Weiteren ist auch zu fragen, welche Auswirkungen von einer konsequenten Umsetzung umweltpolitischer Strategien auf die Entwicklung neuer technischer Verfahren ausgehen (technischer Innovationseffekt). Eine konsequente Weichenstellung in Richtung Umweltschutz könnte erheblichen Einfluss auf das Innovationsgeschehen ausüben und damit zur Generierung neuen technischen Wissens beitragen. Hierdurch könnten die Kosten für die Erreichung gesetzter Umweltziele verringert sowie die Grundlagen für einen gesteigerten Export von Umweltschutztechnologien gelegt werden. Hierbei wird die Wirkung der Umweltpolitik auf die Innovationsgenerierung sehr stark davon abhängen, inwieweit ein Einbezug des Umweltschutzes in das traditionelle Zielsystem der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten erfolgen wird. Neben der preislichen Wettbewerbsfähigkeit, die durch die Kosteneffekte beeinflusst wird, werden Außenhandelserfolge auch durch den Qualitätswettbewerb bestimmt.

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Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

Insbesondere bei technologieintensiven Gütern hängen hohe Marktanteile von der Innovationsfähigkeit einer Volkswirtschaft und der frühzeitigen Marktpräsenz ab (Firstmover-advantage). Eine forcierte nationale Strategie zur Verbesserung der rationellen Energieanwendung bewirkt tendenziell, dass sich die betreffenden Länder frühzeitig auf die Bereitstellung der hierzu erforderlichen Güter spezialisieren. Bei einer nachfolgenden Ausweitung der internationalen Nachfrage nach diesen Gütern sind diese Länder dann auf Grund ihrer frühzeitigen Spezialisierung in der Lage, sich im internationalen Wettbewerb durchzusetzen. (vgl. Linder 1961; Blümle 1994; Porter/van der Linde 1995).

4.1.3 Nachfrageeffekte Die Nachfrageeffekte stehen im Zentrum des keynesianischen Unterbeschäftigungsmodells, in dem ein wesentlicher Grund für eine Unterbeschäftigung eine zu geringe gesamtwirtschaftliche Nachfrage ist. Kommt es durch die umweltpolitischen Strategien zu einer Erhöhung der effektiven Gesamtnachfrage nach Gütern, sind insgesamt positive Wachstums- und Beschäftigungseffekte zu erwarten. Bei den Auswirkungen der Umweltpolitik auf die Gesamtnachfrage dürfen nicht nur die direkten Nachfrageeffekte berücksichtigt werden, sondern müssen auch die indirekten Effekte mit einbezogen werden. Sie entstehen, da zur Bereitstellung der jeweiligen Nachfrage zahlreiche Vorleistungen aus anderen Branchen notwendig sind. Gesamtwirtschaftlich bedeutende Unterschiede in der Gesamtnachfrage können verstärkt werden, wenn die Umweltschutzstrategien zu Änderungen in den importierten Güterströmen führen. Zusätzlich kann – speziell im Hinblick auf die Beschäftigungswirkung als weiterer Teileffekt zum Tragen kommen, dass die durch die Umweltschutzstrategien begünstigten Nachfragebereiche eine deutlich ausgeprägte unterschiedliche Arbeitsintensität aufweisen. Die direkten und indirekten Nachfrageeffekte berücksichtigen nicht die – im Zentrum einer makroökonomischen Analyse stehenden – Einkommenskreislaufeffekte wie z. B. Veränderungen im Spar- und Investitionsverhalten, induzierte Zinsänderungen oder Änderungen in der Erwartungsbildung. Sind derartige Effekte zu erwarten, muss zur Analyse ein makroökonomisches Modell herangezogen werden. Hierbei ist dann jeweils zu beachten, dass sich entsprechend den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen – z. B. Reaktionen der Bundesbank oder verändertes Verhalten der Tarifparteien – unterschiedliche Wirkungen ergeben können.

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

333

4.1.4 Kombination von Wirkungsmechanismen beim Einsatz neuer technischer Lösungen Bei der Betrachtung der Wirkungsmechanismen ist zu beachten, dass sich die Gesamtwirkung aus dem Zusammenspiel der unterschiedlichen Wirkungsmechanismen ergibt und nicht aus der isolierten Betrachtung einzelner Teileffekte abgeleitet werden kann. Insbesondere im Zusammenhang mit der Einführung neuer Technologien werden in der Literatur eine ganze Reihe von Effekten thematisiert, die durch neue Technologien ausgelöst werden und aus einer Kombination unterschiedlicher Wirkungsmechanismen resultieren, die auf mesoökonomischer Ebene wirksam werden (vgl. Hagemann 1985, Klauder 1986, Blattner 1996 sowie Meyer-Krahmer 1999). Sie sind potenziell auch für eine erhöhte Werkstoffeffizienz von erheblicher Bedeutung, die ebenfalls durch den Einsatz neuer Techniken gekennzeichnet ist. Kommt es zu einer Produktivitätssteigerung, ist die im Zusammenhang mit Prozessinnovationen diskutierte Freisetzungshypothese von Bedeutung, die die Rationalisierungseffekte von neuen Technologien in den Vordergrund stellt. Sie besagt, dass bei konstantem Niveau und konstanter Struktur des Outputs technischer Wandel primär die Arbeitsproduktivität erhöht und damit arbeitssparend wirkt. Auf Grund einer derartigen "Produktions-/Produktivitätsschere" verringert sich dann die Zahl der Arbeitsplätze. Gleichzeitig werden in der Literatur eine Reihe von Effekten diskutiert, die als Kompensation der oben angeführten Freisetzungshypothese zu einer Erhöhung der Nachfrage führen können und damit die Annahme eines konstanten Niveaus des Outputs in Frage stellen: • Effizientere Produktionsverfahren, die z. B. die Arbeitsproduktivität steigern und damit Freisetzungseffekte herbeiführen, senken gleichzeitig die Kosten. Diese Effizienzgewinne können in Form geringerer Preise oder erhöhter Gewinn- bzw. Lohneinkommen Real-Einkommenseffekte hervorrufen. Im Ergebnis führen also die Kreislaufzusammenhänge dazu, dass die Nachfrage erhöht und damit beschäftigungsschaffende Effekte induziert werden. • Produktinnovationen stiften den Konsumenten mehr Nutzen, wenn die Merkmalstruktur der neuen Güter den Präferenzen der Konsumenten besser entspricht, d. h. also pro Geldeinheit im Vergleich zu den alten Gütern ein Zusatznutzen realisiert werden kann. Wenn Produktinnovationen auf diesem Wege dazu beitragen, die Sättigungsgrenzen hinauszuschieben, können sie die Endnachfrage erweitern und damit beschäftigungssteigernd wirken. Allerdings gilt diese Argumentation nur bei additiven oder komplementären Produktinnovationen, nicht aber bei substitutiven, bei denen der Nachfragerückgang nach alten Gütern zu berücksichtigen ist. Daher dürfte dieser Effekt bei den hier betrachteten Strategien der Werkstoffeffizienzsteigerung weniger bedeutsam sein.

334

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

• Die eine Produktivitätssteigerung im Produktionsprozess bewirkenden neuen Technologien müssen ihrerseits erst einmal hergestellt werden. Nach dem sogenannten Maschinenherstellungsargument stehen daher den Freisetzungen von Arbeitskräften in den Anwenderbetrieben positive Effekte bei den Herstellern und ihren Vorlieferanten gegenüber. • Wie in den vorigen Abschnitten ausgeführt, kann es durch den technischen Wandel zu einer Steigerung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit kommen, wenn die Preise gesenkt oder neue Qualitäten angeboten werden können. Beide Effekte führen im Ergebnis dazu, dass sich der Saldo aus Export- und Importnachfrage erhöht und damit positive Wirkungen auf die Beschäftigung erzielt werden. Wie erwähnt, gilt die Freisetzungsthese in ihrer einfachen Form nur unter der Annahme einer konstanten Struktur des Outputs. Wenn der Einsatz neuer Technologien auch die sektorale Verteilung der Wirtschaftsaktivitäten verändert, kann diese Annahme nicht mehr aufrecht erhalten werden. Werden durch den ausgelösten sektoralen Strukturwandel arbeitsintensive Branchen begünstigt, kann es zu einer Abschwächung oder sogar Überkompensation der Freisetzungshypothese kommen. Umgekehrt wird der Freisetzungseffekt noch verstärkt, wenn Branchen mit einer geringen Arbeitsintensität begünstigt werden. Schließlich kann der ausgelöste sektorale Strukturwandel auch zu einer Änderung der Inlandsnachfrage führen. Werden verstärkt Produktionsbereiche mit hohen Importanteilen begünstigt, kommt es tendenziell zu einem Abfluss der Nachfrage ins Ausland. Werden umgekehrt Produktionsbereiche begünstigt, die durch geringe Importanteile gekennzeichnet sind, kommt es zu einer Importsubstitution und damit einem Anstieg der Inlandsnachfrage.

4.1.5 Relevanz der Wirkungsmechanismen für eine erhöhte Werkstoffeffizienz Bei den in diesem Bericht erörterten Strategien der Steigerung der Werkstoffeffizienz handelt es sich primär um den Einsatz neuer Techniken. Die Wirkungsmechanismen, die die Diskussion der Einführung der ökologischen Steuerreform maßgeblich bestimmten, d. h. Veränderungen der relativen Preise zwischen Arbeit und Umweltbelastung inklusive Veränderungen in der Zusatzbelastung der Besteuerung, weisen im vorliegenden Fall geringere Relevanz auf. Ähnliches gilt hinsichtlich wichtiger Parameter für die Einkommenskreislaufeffekte, wie Veränderungen in der Sparneigung, im Zins, der Geldpolitik oder den Verhaltensannahmen der Tarifparteien. Insgesamt spielen sich daher die durch eine erhöhte Werkstoffeffizienz ausgelösten Wirkungen auf einer mesoökonomischen Ebene ab, bei der die eher technikbezogenen Wirkungsmechanismen dominieren.

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

335

Vor dem Hintergrund der ausgeführten Wirkungsweisen müssen insbesondere folgende Wirkungsmechanismen betrachtet werden: • Die Strategien der Steigerung der Werkstoffeffizienz werden sich vermutlich nur dann umsetzen lassen, wenn es zu keinen gravierenden Steigerungen in den Kosten kommt. Dies wird vermutlich die Durchführung erheblicher Innovationen bei den betrachteten Akteuren erfordern, die die Strategien umsetzen. Mit diesen Innovationen kann es zu erheblichen Steigerungen in der Produktivität kommen. Notwendig ist daher eine Berücksichtigung der in der Freisetzungshypothese thematisierten Beschäftigungswirkungen. • Die Freisetzungshypothese wird durch mehrere Kompensationsmechanismen eingeschränkt. Wenn die Steigerung der Werkstoffeffizienz zu Kostenreduktionen führt, können diese Realeinkommenseffekte weitergegeben und an anderer Stelle beschäftigungswirksam werden. Desweiteren ist das Maschinenherstellungsargument bedeutsam, d. h. die mit den betrachteten Strategien zusätzlich anfallenden Nettoinvestitionserfordernisse. Demgegenüber dürfte das Hinausschieben einer Sättigungswirkung vermutlich weniger bedeutsam sein, da sich die betrachteten Strategien stärker auf eine Substitution bestehender Produkte richten. • Verschiebungen in der Nachfrage sind konstitutiv für die betrachteten Strategien der Steigerung der Werkstoffeffizienz. Denn sie manifestiert sich ja gerade darin, dass es durch die gesteigerte Effizienz in der Materialnutzung zu einer reduzierten Produktion von Primärwerkstoffen kommt. Diese strukturellen Verschiebungen werden durch die Verflechtungen mit der Vorleistungsproduktion noch weiter verstärkt. Damit wird es unabdingbar, die sich bei den Strategien einstellenden Veränderungen in der sektoralen Wirtschaftsstruktur und die damit verbundenen Veränderungen in den gesamtwirtschaftlichen Import- und Arbeitsintensitäten zu berücksichtigen.

4.2

Hypothesen

Im Vordergrund des Interesses dieses Abschnitts steht die Netto-Beschäftigungswirkung. Sie ist diejenige Änderung in den Arbeitsplätzen, die eine erhöhte Werkstoffeffizienz gegenüber einer Referenzentwicklung auslöst. Im Folgenden wird diskutiert, welche Hypothesen sich für die einzelnen relevanten Wirkungsmechanismen ableiten lassen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Strategien zur Erhöhung der Werkstoffeffizienz sich in folgende drei Typen klassifizieren lassen: • Eine erhöhte Werkstoffeffizienz kann durch Substitution eines Werkstoffes durch einen anderen erreicht werden. In diesem Fall kommt es zu Verschiebungen zwischen den Werkstoffwertschöpfungsketten. • Eine erhöhte Werkstoffeffizienz kann durch das Recycling von Werkstoffen erreicht werden, was Verschiebungen von der Primär- zur Sekundärproduktion auslöst. • Eine erhöhte Werkstoffeffizienz kann dadurch erreicht werden, dass weniger Material für einen vorgegebenen Zweck benötigt wird. Ökonomisch entspricht dies einer

336

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

Substitution von Werkstoffen durch Kapital und Technischen Fortschritt (Investitionen in neue Verfahren), womit eine Verschiebung hin zu Investitionsgütern sowie dienstleistungsähnlichen Aktivitäten bzw. F&E-Tätigkeiten verbunden ist. Die durch Strategien zur Steigerung der Werkstoffeffizienz ausgelösten Kosteneffekte sind a priori schwer abzuschätzen. Beim Recycling von Produkten, das im Vordergrund der hier untersuchten Kreislaufpotenziale steht, stehen den erhöhten Aufwendungen für Sammlung und Aufbereitung die eingesparten Kosten für die vermiedenen Primärwerkstoffe gegenüber. Ob es aus gesamtwirtschaftlicher Sicht zu einer Kostenbe- oder -entlastung kommt, hängt entscheidend davon ab, welche der beiden Größen dominiert. Wenn es gelingt, die Sekundärwerkstoffe qualitativ vergleichbar zu den Primärwerkstoffen zur Verfügung zu stellen, könnten sich Kostenreduktionen ergeben. Ähnliches gilt für den Einsatz von Leichtbautechniken im Automobilbau. Hier sind die Kosten für den reduzierten Materialeinsatz den Kosten gegenüberzustellen, die sich durch eine maßgeschneiderte Produktion von Bauteilen oder veränderte Fertigungstechniken ergeben können. Wie oben erwähnt ist davon auszugehen, dass diese Strategien nur dann Aussicht auf Erfolg haben werden, wenn sie sich auch einzelwirtschaftlich lohnen, so dass im Saldo eher von Kostensenkungen als –steigerungen auszugehen ist. Insgesamt werden die Strategien nicht ohne Innovationsschübe umgesetzt werden können. Damit liegt die Hypothese nahe, dass die betrachteten Strategien deutliche direkte Rationalisierungseffekte aufweisen werden. Besonders offensichtlich ist dies im Recyclingbereich z. B. bei den Sortiertechniken. So wird im Kunststoffbereich davon ausgegangen, dass eine forcierte Strategie des hochwertigen Kunststoffrecyclings notwendigerweise zum Einsatz neuer Sortiertechniken führen wird, die zugleich mit erheblichen Rationalisierungen gegenüber den heute üblichen Sortierverfahren verbunden sind. Allerdings ist diese Erfahrung, die auf eine erhebliche Bedeutung der Freisetzungshypothese hinweist, nicht ohne weiteres auf die anderen Bereiche übertragbar. Im Papierbereich liegt ein Teil der Steigerung der Werkstoffeffizienz in der Substitution von Papier durch elektronische Medien. Hierbei erscheint es fraglich, ob die Realisierung dieses Potenzials tatsächlich den – durch vielfältige Anforderungen und Einsatzmöglichkeiten bestimmten - enormen Fortschritt im IuK Bereich noch zusätzlich in besonderem Ausmaß beschleunigen dürfte. Beim Stahl und seiner Verwendung im Automobilbau schließlich deuten zahlreiche Forschungsbemühungen zwar auf ein erheblichen Innovationspotenzial hin, allerdings bleibt offen, ob damit auch Rationalisierungen in einem Ausmaß verbunden wären, die die Freisetzungshypothese unterstützen würden. Im Bereich des Flachglases schließlich, dem in diesem Bericht ebenfalls ein erhebliches Potenzial zur Werkstoffeffizienzsteigerung beigemessen wird, sieht die Problemlage völlig anders aus. Hier würde die Realisierung des Potenzials eine Vereinheitlichung der Rezepturen erfordern. Inwiefern hier – z. B. über die Rück-

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

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wirkungen auf die Innovationsdynamik der gesamten Branche - Freisetzungseffekte denkbar sind, kann gegenwärtig nicht beurteilt werden. Bezüglich der Entwicklung der Nachfrage sind unterschiedliche Teileffekte zu erwarten. So steigt z. B. beim Recycling einerseits die Nachfrage nach Erfassungs- und Transportaktivitäten sowie bei den Aufbereitern von Rohstoffen, andererseits sinkt sie für Werk- und Rohstoffe. Bei den eventuell auftretenden Kostensteigerungen und –einsparungen kann entsprechend den kreislauftheoretisch begründeten Real-Einkommenseffekten von einer Konstanz ausgegangen werden, da ein Hinausschieben von Sättigungsgrenzen wenig plausibel erscheint. Bei der Beurteilung der Investitionsgüternachfrage muss bedacht werden, dass den zusätzlichen Investitionen in Sammlung und Aufbereitung (Maschinenherstellungsargument) eine Reduktion der Investitionen in Produktion und Entsorgung entgegensteht. Von daher dürften auch die Effekte auf die Investitionsnachfrage bei einem Recycling begrenzt sein. Eine andere Situation könnte sich bei den Strategien ergeben, die auf eine Steigerung der Effizienz der Nutzung der Werkstoffe abzielen. Hier erscheint es durchaus denkbar, dass hierfür beträchtliche zusätzliche Investitionen (z. B. für zusätzliche Produktions- und Fertigungsschritte) notwendig sind, die die kontraktiven Effekte überlagern. Allerdings bedarf diese Hypothese einer empirischen Überprüfung. In Abschnitt 4.1.3 wurde bereits darauf hingewiesen, dass direkte und indirekte Nachfrageeffekte eine wichtige Rolle spielen. Der Einsatz einer Strategie zur Werkstoffeffizienzsteigerung löst positive und negative Impulse aus. Diese Impulse bestehen aus den Nachfrageverschiebungen, die durch das Nachhaltigkeitsszenario ausgelöst werden, z. B. die Erhöhung von Sortier- und Aufbereitungsaktivitäten von recycelten Kunststoffen einerseits (positiver Impuls) und dem Rückgang nach der Produktion von Neukunststoffen andererseits (negativer Impuls). Diese Impulse lösen indirekte Nachfrageeffekte aus, die dem entsprechenden ökonomischen Impuls zugeordnet werden können und – zusammen mit den direkten Wirkungen - die Beschäftigungswirkungen umfassen, die direkt und indirekt an der Herstellung der mit dem Impuls verbundenen Güter beteiligt sind. Sie beziehen damit die Vorleistungsproduktion mit ein. Die Kennzahl, die die Veränderung der Zahl der Beschäftigten auf den auslösenden Impuls bezieht, wird als spezifischer Gesamtbeschäftigungseffekt bezeichnet. Dieser lässt sich in drei getrennt interpretierbare Komponenten zerlegen: Gesamteffekt = Produktionsmultiplikator

* (1 – Importanteil) *

Beschäftigungs -Intensität

• Der Produktionsmultiplikator gibt an, in welchem Umfang ein ausgelöster Impuls

durch den Bezug notwendiger Vorleistungen zur Produktionssteigerung beiträgt. Je höher der Produktionsmultiplikator, desto höher sind die ausgelösten Produktionseffekte eines Impulses. In die Berechnung des Produktionsmultiplikators geht als

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Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

Nenner der direkte Nachfrageimpuls ein. Im Zähler ist der Gesamtwert der Güter aufgeführt, die direkt und indirekt für die Produktion des direkten Nachfrageimpulses benötigt werden. Dabei werden die importierten Güter mit eingeschlossen. • Der Importanteil gibt an, welcher Anteil der durch die Impulse insgesamt ausgelös-

ten Gesamtproduktion auf Importe entfällt. Je höher der Importanteil, desto geringer ist der Anteil, der auf die Inlandsproduktion entfällt. • Die durchschnittliche Beschäftigungsintensität gibt an, wie viele Personen pro Mil-

lion DM inländischer Produktion, die aus dem Impuls resultiert, beschäftigt werden. Über den Produktionsmultiplikator der betroffenen Werkstoffwertschöpfungsketten können a priori keine Aussagen gemacht werden. Die Hypothese von positiven Beschäftigungseffekten der Strategien zur Steigerung der Werkstoffeffizienz beruht vor allem auf den folgenden zwei Teileffekten: Erstens wird ein Großteil der Rohstoffe für die Grundstoffindustrien nach Deutschland importiert. Damit kommt ein Teil der negativen Nachfrageeffekte nicht im Inland zum Tragen. Zweitens dürften – zumindest kurzfristig – die spezifischen Intensitäten im Arbeitseinsatz bei den stärker dienstleistungsähnlichen Erfassungs- und Aufbereitungsaktivitäten höher ausgeprägt sein als in der Grundstoffindustrie, so dass ein spezifischer Nettobeschäftigungszuwachs zu erwarten wäre. Allerdings fällt dieser Effekt umso geringer aus, je mehr es im Zeitablauf zu einer Mechanisierung und damit einer Steigerung der Arbeitsproduktivität bei den Erfassungsund Aufbereitungsaktivitäten kommt. Hierdurch kann es zu erheblichen Freisetzungseffekten (z. B. innerhalb der Recyclingbranche) kommen. Zur

ersten

Prüfung

der

Plausibilität

dieser

Hypothese

wurden

die

Produktionsmultiplikatoren, Importanteile und Arbeitsintensitäten von Wertschöpfungsketten ermittelt, die durch die untersuchten Strategien besonders betroffen sind. Die Betonung liegt hierbei auf Wertschöpfungsketten, da es im Kontext der hier interessierenden Fragestellung nicht auf die Arbeitsintensitäten bzw. Importanteile eines einzelnen Sektors ankommt, sondern auf die durchschnittlichen Werte, die sich über die gesamte Wertschöpfungskette inklusive aller Vorleistungen ergeben. Zur Berechnung dieser Werte war es daher erforderlich, ein wirtschaftliches Strukturmodell heranzuziehen, dass die Gesamtwirtschaft sektoral differenziert erfasst und in der Lage ist, die Verknüpfung der Wertschöpfungsketten abzubilden. Derartige Fragestellungen sind eine Domäne der volkswirtschaftlichen Input-Output-Analyse. Herangezogen wurde daher das ISIS-Modell, dass auf den aktuellsten Input/Output Tabellen des statistischen Bundesamt aufgebaut ist und die Volkswirtschaft Deutschlands in 71 Sektoren disaggregiert darstellt. In diesen Vergleich einbezogen wurden einerseits die Wertschöpfungsketten von Aktivitäten, die im Zentrum einer Erhöhung der Wiederverwendung von Werkstoffen und einer gesteigerten Effizienz der Werkstoffnutzung stehen und damit als Proxy für

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

339

diese Strategien insgesamt interpretiert werden können. Entsprechend den zu Beginn dieses Abschnitts angeführten ökonomischen Interpretationen einer Steigerung der Werkstoffeffizienz wurde als Proxy für die Teilstrategie Recyclingstrategie daher die Wertschöpfungskette von Sekundärrohstoffen herangezogen. Als Proxy für die Strategie einer reduzierten Materialintensität durch Effizienzsteigerung stehen die Wertschöpfungsketten von Investitionsgütern und F&E-Dienstleistungen. Andererseits war es aus zwei Gründen erforderlich, die Wertschöpfungsketten der Produktion der einzelnen Werkstoffe zu betrachten: Erstens um sie den Wertschöpfungsketten der Sekundärwerkstoffe bzw. der F&E-Dienstleistungen und Investitionsgütern gegenüberzustellen, und zweitens um die Effekte einer gegenseitigen Substitution der Werkstoffe beurteilen zu können. Die Produktionsmultiplikatoren der untersuchten Wertschöpfungsketten liegen alle um den Wert 2. Etwas größere Werte erhält man für die Sekundärrohstoffe, Roheisen/Stahl und die NE-Metalle. Insgesamt ergeben sich jedoch keine gravierenden Unterschiede zwischen den Wertschöpfungsketten. Abbildung 4.2-1:

Produktionsmultiplikatoren von unterschiedlichen Wertschöpfungsketten

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Ein Vergleich der Importanteile der angeführten Wertschöpfungsketten zeigt Abbildung 4.2-2. Es wird deutlich, dass inklusive aller benötigten Vorleistungen Sekundärrohstoffe und F&E-Dienstleistungen geringe Importanteile benötigen. Die Produktion von Investi-

340

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

tionsgütern, aber auch der meisten Werkstoffe, löst über alle Vorleistungen hinweg hingegen eine ca. dreimal so hohe spezifische Importnachfrage aus. Noch höher liegt der Wert bei der Wertschöpfungskette der NE-Metalle. Folgende Ergebnisse für die Hypothesenbildung lassen sich aus diesen Ergebnissen ableiten: • Eine Strategie der Substitution einzelner Werkstoffe untereinander wird tendenziell vergleichsweise geringe Importstruktureffekte auslösen. Sie würden etwas ausgeprägter nur dann sein, wenn Aluminium substituiert wird. • Eine Recyclingstrategie wird demgegenüber vermutlich ausgeprägtere Importsubstitutionseffekte auslösen, da die Importanteile der Wertschöpfungskette Sekundärrohstoffe doch deutlich geringer sind als diejenigen der Primärwerkstoffe. • Auf Grund der geringen Importanteile der Wertschöpfungskette der F&E Dienstleistungen wird eine Strategie der Steigerung der Effizienz der Werkstoffnutzung tendenziell ebenfalls Importsubstitutionseffekte auslösen. Diese Effekte werden aber abgeschwächt dadurch, dass die Importanteile der Wertschöpfungskette der Investitionsgüter in einer ähnlichen Größenordnung liegen wie diejenigen der ersetzten Werkstoffwertschöpfungsketten. Abbildung 4.2-2:

Importanteile von unterschiedlichen Wertschöpfungsketten Importanteil in %

30

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20

15

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Beim Vergleich der Arbeitsintensitäten der aufgeführten Wertschöpfungsketten sind die Unterschiede weniger eindeutig (vgl. Abbildung 4.2-3). Die Arbeitsintensität der Wertschöpfungskette der Sekundärrohstoffe liegt in einer ähnlichen Größenordnung wie der

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

341

Durchschnitt der Werkstoffproduktion. Tendenziell höhere Arbeitsintensitäten weisen die Wertschöpfungsketten der F&E Dienstleistungen und der Investitionsgüter auf, vor allem wenn man sie mit den metallischen Werkstoffen vergleicht. Ähnlich wie bei den Importanteilen fällt die Wertschöpfungskette der NE-Metalle wieder etwas aus dem Rahmen, da sie mit Abstand die geringste Arbeitsintensität aufweisen. Zwar drängen sich Schlussfolgerungen für die Hypothesenbildung weniger klar auf wie bei den Importanteilen, dennoch lassen sich folgende erste Tendenzen ausmachen: • Eine Substitution von Werkstoffen untereinander könnte eventuell dann zu einer Steigerung der – auf die gesamte Wertschöpfungskette bezogenen - Arbeitsintensität führen, wenn metallische Rohstoffe durch nicht-metallische substituiert werden. • Ein erhöhtes Recycling von Werkstoffen führt nicht notwendigerweise zu einer Erhöhung der durchschnittlichen Arbeitsintensität. Hier ist es sicherlich erforderlich, die Bereitstellung der Sekundärrohstoffe stärker stoffbezogen zu betrachten. • Die Strategie einer verbesserten Effizienz der Werkstoffnutzung dürfte tendenziell eine Steigerung der Arbeitsintensität auslösen. Abbildung 4.2-3:

Arbeitsintensitäten von unterschiedlichen Wertschöpfungsketten

Arbeitsintensität 12

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10

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Insgesamt lassen diese Untersuchungen den Schluss zu, dass eine erhöhte Werkstoffeffizienz tendenziell zu sinkenden Importanteilen und steigenden Arbeitsintensitäten führen dürfte, was in Richtung positiver Beschäftigungseffekte dieser Strategien wirkt. Insgesamt spricht einiges dafür, dass insbesondere bei Werkstoffsubstitutionen, evt. auch bei stark durch Recyclingaktivitäten geprägten Werkstoffeffizienzstei-

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Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

gerungen die positiven Effekte geringer ausfallen dürften als bei Steigerungen der Nutzungseffizienz. Auf der anderen Seite müssen auch klar die Beschränkungen derartiger Aussagen bedacht werden. Aus methodischer Sicht sind folgende Aspekte besonders wichtig, die verdeutlichen, dass es sich bei diesen Aussagen um erste plausible Hypothesen, aber nicht durch Studien erhärtete Ergebnisse handelt. • Die tatsächlichen Wirkungen setzten sich aus unterschiedlichen, z. T. gegenläufigen Teileffekten zusammen. Um die Gesamtwirkung der Effekte bestimmen zu können, ist es erforderlich, die Größenordnung der einzelnen Teileffekte quantitativ zu bestimmen. • Die Überlegungen zur Plausibilität der Hypothesen beruhen auf quantitativen Aussagen, die sich schwerpunktmäßig auf einzelne große Wertschöpfungsketten beziehen. Diese Vorgehensweise kann notwendigerweise eine genauere Spezifikation der einzelnen Strategien nicht abbilden, und verbleibt auf der Ebene eines Vergleiches spezifischer Werte für einzelne Proxies. Bei einer Abbildung der Steigerung der Effizienz der Werkstoffnutzung müsste im Einzelnen näher bestimmt werden, auf welche Sektoren sich der hierdurch ausgelöste Impuls bezieht und welche quantitative Aufteilung sich für diese Sektoren ergibt. In Abhängigkeit dieser Spezifikation können sich Abweichungen von einem Ergebnis einstellen, dass allein an Hand der spezifischen Ergebnisse für die Proxies Sekundärrohstoffe, F&EDienstleistungen und Investitionsgüter argumentiert. • Die getroffenen Aussagen beruhen auf Durchschnittswerten, wie sie sich aus der Klassifikation der Input/Outputtabellen und den darauf basierten Modellrechnungen ergeben. Allerdings werden die einzelnen Teilsegmente der Durchschnittsbranchen von den Werkstoffeffizienzstrategien in unterschiedlichem Ausmaß angestoßen. Die Unsicherheiten der abgeleiteten Aussagen steigen mit dem Ausmaß der Abweichungen zwischen den Durchschnittswerten und den Werten für die Teilsegmente an. Entsprechend müsste für eine sorgfältige Untersuchung für einige Sektoren eine Disaggregation vorgenommen werden, die die besonders wichtigen Teilsegmente isoliert und damit die Verzerrungseffekte vermindert. Damit ist festzuhalten, dass es die Aufgabe weitergehender empirischer Untersuchungen ist, die Größenordnung der unterschiedlichen Teileffekte zu quantifizieren, um so die Aussagefähigkeit dieser Hypothesen beurteilen zu können. Des Weiteren ist es notwendig, dass gewählte Analyseinstrumentarium zur Wirkungsanalyse auf die Fallspezifika der Werkstoffeffizienzstrategien anzupassen, nicht zuletzt um die Effekte verzerrend wirkender Aggregationen zu reduzieren. Ob bzw. in welchem Ausmaß die Strategien der Steigerung der Werkstoffeffizienz zu Beschäftigungswirkungen führen, muss daher in technologiespezifischen, eine Mikro-Makro-Brücke zwischen technologisch ableitbaren Veränderungen und aggregierteren mesoökonomischen Analyseinstrumentarien schlagenden Analysen untersucht werden.

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

4.3

343

Auswertung bestehender Abschätzungen

In der Vergangenheit konzentrierten sich die Analysen zu den Beschäftigungswirkungen umweltpolitischer Maßnahmen sehr stark auf den Bereich der Energie- und Klimapolitik. Hinzu kamen vereinzelt Analysen, in denen die durch den Umweltschutz ausgelösten Bruttoeffekte analysiert wurden. Demgegenüber waren die Aspekte, die sich mit den technologiespezifischen Aspekten im Bereich der Kreislaufwirtschaft auseinandersetzen, kaum vertreten. Neben den Ergebnisse der im Folgenden rezipierten Studie "Arbeitswelt in einer nachhaltigen Wirtschaft" sind noch die Ergebnisse der Studie "Mehr Arbeitsplätze durch ökologisches Wirtschaften" Prognos anzuführen, bei der vereinzelt auch Recyclingstrategien einbezogen wurde. Insgesamt kommt diese Studie bezüglich der Recyclingstrategien zu vergleichsweise geringen Arbeitsplatzeffekten, die zwischen 2.500 zusätzlichen Arbeitsplätzen für verstärktes Metallrecycling, 4.500 Arbeitsplätzen für verstärktes Recycling von Kunstoffen, Papier und Glas sowie einem Beschäftigungsverlust von 6.300 Arbeitsplätzen durch Autorecycling liegen. Auf Grund des gewählten methodischen Vorgehens können diese Ergebnisse im Rahmen dieser Studie allerdings nicht sinnvoll interpretiert werden. Dies verdeutlicht das Beispiel des Pkw-Recyclings: So werden unterschiedliche Aktivitätsniveaus zwischen Referenz- und Nachhaltigkeitsszenario angesetzt, d. h. eine geringere Anzahl von produzierten und damit zum Recycling anfallenden Pkw im Nachhaltigkeitsszenario. Damit wird es unmöglich, zwischen den eindeutig beschäftigungssenkend wirkenden Effekten der Reduktion der zum Recycling anfallenden Pkw und den durch die Strategie eines verstärkten Recyclings der Pkw ausgelösten Effekten zu unterscheiden. In den vorangegangenen Abschnitten wurde aufgezeigt, dass eine fundierte Abschätzung der Beschäftigungswirkungen zahlreiche – z. T. gegenläufig wirkende - Teileffekte berücksichtigen muss. Gleichzeitig wurde angedeutet, dass derartige Untersuchungen im Sinne einer Mikro-Makro-Brücke auf fundierten technologischen Untersuchungen aufbauen müssen, deren Ergebnisse dann in einem sektoral differenzierten Modell analysiert werden, dass in der Lage ist, die relevanten Teileffekte zu berücksichtigen. Eine derartige fundierte Abschätzung wurde für zwei der in diesem Bericht angesprochenen Bereiche, nämlich das Kunststoffrecycling und die effiziente Papiernutzung, im Rahmen des Forschungsvorhabens "Arbeitswelt in einer nachhaltigen Wirtschaft" durchgeführt (Walz et al. 2001). Die darin analysierten Szenarien bezogen sich allerdings auf das Jahr 2020, und fokussieren sich auf eine eingeschränktere und daher unterschiedliche Definition des Gegenstandsbereichs. Als wirtschaftliches Modell kam eine frühere Version des ISIS-Modells zum Einsatz, dessen aktualisierte Version

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Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

auch zur Abschätzung der spezifischen Teileffekte in Abschnitt 4.2 herangezogen wurde. Auf Grund des unterschiedlichen Zeithorizontes, der unterschiedlichen Szenariendefinitionen und den daraus resultierenden unterschiedlicher Inputdaten können allerdings die in jenem Vorhaben analysierten Szenarien nicht direkt mit den in diesem Bericht entwickelten verglichen werden, zumal sich im Zeitablauf auch die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen ändern. Daher können die quantitativen Ergebnisse nicht direkt auf die in den vorangegangenen Kapiteln entwickelten Szenarien übertragen werden. Dennoch ist es sinnvoll, die vorliegenden Ergebnisse zu rezipieren. Denn durch das gewählte methodische Vorgehen lassen sich einige der bei der ersten Überprüfung der Plausibilität der Hypothesen angeführten Einschätzungen abmildern: • Bei den Szenarien für das Jahr 2020 wurden die absehbaren Produktivitätsveränderungen sowohl im Referenz- wie im Nachhaltigkeitsfall integriert. Da die Produktivitäten im Jahr 2030 insgesamt höher liegen werden, ist davon auszugehen, dass sich die spezifischen Effekte verringern dürften. • Im Unterschied zur Betrachtung in Abschnitt 4.2, bei der jeweils nur ein Sektor als Proxy für die betrachtete Strategie herangezogen wurde, weisen die analysierten Szenarien eine viel stärker in einzelne Teilbereiche differenzierte Aufteilung der Impulse auf. Durch Kumulierung der Wirkungen, die sich aus den einerseits positiv und andererseits negativ wirkenden Impulse ergeben, wird es möglich, Durchschnittswerte für die Arbeitsintensität und die Importanteile der Wertschöpfungsketten herauszuarbeiten, die durch die Strategie positiv betroffen werden bzw. die hierdurch abgebaut werden. Da diese Ergebnisse damit eine der in Abschnitt angeführten Einschränkungen aufheben, können sie als weiteren Test der Belastbarkeit der in diesem Abschnitt abgeleiteten Hypothesen herangezogen werden. In der Wirkungsanalyse wurden ökonomische Szenarien gebildet, die sowohl eine Kompensation der Kostenveränderungen im Sinne der Konstanz der Realeinkommenseffekte als auch Veränderungen der Investitionserfordernisse berücksichtigen. In der erwähnten Studie "Arbeitswelt in einer nachhaltigen Wirtschaft" wurde u. a. ein verstärktes Recycling von Kunststoffen untersucht. Hierbei wurde für das Referenzszenario angenommen, dass der überwiegende Anteil der Kunststoffabfälle in Müllverbrennungsanlagen thermisch verwertet wird, während im Nachhaltigkeitsszenario ein größerer Teil der werkstofflichen Verwertung zufließt. Insofern ist die Differenz zwischen beiden Szenarien typisch für eine Werkstoffeffizienzsteigerung durch Recycling. Für das Fallbeispiel Papier wurden ebenfalls zwei Szenarien gebildet. Hierbei steigt im Nachhaltigkeitsszenario ebenfalls der Einsatz von Altpapier an, gleichzeitig kommt es zu Substitutionen der Papierproduktion durch neue Produktkonzeptionen (z. B. Prin-

Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

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ting-on-Demand) und Dematerialisierung von Informationsträgern (z. B. durch IuKTechnologien). In der Gesamttendenz ergeben sich bei beiden Fallbeispielen positive Beschäftigungswirkungen. Allerdings lassen sich doch unterschiedliche Effekte ausmachen, wobei ein Vergleich der absoluten Beschäftigungseffekte auf Grund der unterschiedlichen Eingriffsintensitäten nur bedingt möglich ist: • Der Nettozuwachs im Fallbeispiel Papier beträgt gut 27.000 Arbeitsplätze. Dies ist vorrangig auf eine Zunahme in den Multimedia- und EDV-verwandten Bereichen zurückzuführen, während in der Papierindustrie und im traditionellen Druckgewerbe ein deutlicher Rückgang der Arbeitsplätze auftritt. Allerdings ist auch denkbar, dass ein Teil der neuen Arbeitsplätze in einem sich in Richtung Mediendienstleister hin entwickelnden Druckgewerbe realisiert werden. • Mit einem Zuwachs von gut 2.500 Arbeitsplätzen sind die Nettoeffekte beim Kunststoffrecycling vergleichsweise gering. Abnahmen ergeben sich bei der Kunststoffherstellung und der vorgelagerten Grundstoffindustrie, Zunahmen vor allem bei der Sammlung, Sortierung und Aufbereitung von Kunststoffen. Hierbei ist vor allem die angenommene – durch Untersuchungen auf Mikroebene basierende - starke Automatisierung im Sortierbereich für den vergleichsweise geringen Nettoeffekt verantwortlich, auf Grund dessen sich die Arbeitsintensitäten zwischen Kunststoffherstellung und Recycling/Sortierung insgesamt annähern. In einer Sensitivitätsanalyse, in der geringere Freisetzungseffekte in der Sortierung angenommen wurde, beträgt der Nettobeschäftigungszuwachs dann auch ca. 6.500 Beschäftigte. Zur Auswertung der Effekte und zum Vergleich zwischen den einzelnen Fallbeispielen wurden die gesamten Beschäftigungswirkungen jeweils den auslösenden ökonomischen Impulsen, d. h. also den Nachfrageverschiebungen zugeordnet. Gleichzeitig wurden die Gesamtbeschäftigungseffekte in die drei getrennt interpretierbare Komponenten, den Produktionsmultiplikator, den Importanteil sowie die durchschnittliche Beschäftigungsintensität zerlegt. Auf Grund dieser Komponentenzerlegung lassen sich folgende Interpretationen der Beschäftigungsergebnisse entwickeln: • Im Fallbeispiel Papier weisen die Produktionsbereiche, die auf Grund der positiven Impulse zunehmen, in der Summe einen durchweg geringeren Importanteil und eine höhere Beschäftigungsintensität auf als die schrumpfenden Bereiche. Im Ergebnis führt dies dazu, dass es zu einer deutlichen Zunahme der Arbeitsplätze kommt. Eine Interpretation dieses Musters kann darin gesehen werden, dass in diesen Fallbeispielen eine Dematerialisierung stattfindet, bei der materielle Produktion durch stärker dienstleistungsähnliche Tätigkeiten substituiert wird, die sowohl arbeitsintensiver als auch stärker inlandsbasiert sind. • Das Kunststoffrecycling weist zwar ebenfalls bezüglich Importanteilen und Arbeitsintensität ein ähnliches Muster wie das oben genannte Fallbeispiel auf (höhere Arbeitsintensität und geringere Importanteile der positiven Impulse). Im Unterschied

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Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

hierzu weisen die abnehmenden Produktionsbereiche aber einen höheren Produktionsmultiplikator auf als die zunehmenden. Damit werden die einen Beschäftigungszuwachs bewirkenden Effekte der steigenden Arbeitsintensität und abnehmenden Importanteile zu einem erheblich Teil kompensiert, so dass die Hypothese einer steigenden Beschäftigung nur zum Teil bestätigt wird. Insgesamt bestätigt das Ergebnisstruktur des Fallbeispiels Papier damit die in Abschnitt 4.2 aufgestellten Hypothesen. Andererseits unterscheiden sich die Abweichungen der Ergebnisstrukturen für das Fallbeispiel Kunststoffrecycling doch deutlich von denjenigen, die für die Differenz zwischen den Proxies Sekundärrohstoffe einerseits und Kunststoffherstellung andererseits abgeleitet werden können (z. B. Verringerung versus Steigerung des Produktionsmultiplikators). Insgesamt erscheint es plausibel zu sein, dass die positiven Beschäftigungseffekte von Recyclingstrategien geringer ausfallen dürften als von Strategien zur Steigerung der Nutzungseffizienz. Festzuhalten bleibt, dass auf Grund der Diskussion der einzelnen wirksam werdenden Teileffekte die untersuchten Strategien tendenziell beschäftigungssteigernd wirken dürften, sich jedoch für die einzelnen untersuchten Teilbereiche deutliche Unterschiede in der Größenordnung der Effekte ergeben könnten. Diese Hypothesen werden auch durch die Rezeption bestehender Analysen bestätigt. In welchem Ausmaß die in diesem Bericht entwickelten Szenarien zu einer Steigerung der Beschäftigung führen, muss in fallspezifischen, eine Mikro-Makro-Brücke zwischen technologisch ableitbaren Veränderungen und aggregierterem mesoökonomischen Strukturwandel schlagenden Analysen untersucht werden.

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Überlegungen zu den Beschäftigungswirkungen einer erhöhten Werkstoffeffizienz

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5

Fazit und Ausblick

Fazit und Ausblick

Unter "Werkstoffeffizienz" wurden im Rahmen der vorliegenden Untersuchung folgende technische Optionen verstanden: • Recycling energieintensiver Grundstoffe und Sekundärrohstoffnutzung, • Werkstoffsubstitution zwischen zwei alternativen Werkstoffen mit unterschiedlichem spezifischem Energiebedarf (wobei man zwischen dem Energiebedarf während der Produktions- und Nutzungsphase beweglicher Produkte unterscheiden muss) und • effizientere Werkstoffnutzung, z. B durch werkstofftechnische bzw. konstruktive Maßnahmen, die zu einem spezifisch geringeren Werkstoffbedarf bei unveränderter Funktion des jeweiligen Materialeinsatzes führt. Eine mehr organisatorische Option "gemeinsam Nutzen statt einzeln Besitzen", die eine wesentlich effizientere Nutzung eines Teils des Kapitalstocks einer Volkswirtschaft ermöglichen könnte, wurde hier nicht analysiert. Die Energieminderungspotenziale: politik-induziert deutlich gestaltbar und über Jahrzehnte durch technische Neuerungen nicht ausschöpfbar Als Ergebnis der auf energetische Effizienz fokussierenden Analysen, die auf einer primärenergetischen Bewertung basierten, lässt sich für diese Zielbereiche folgendes festhalten: Bewusst machen • Recycling energieintensiv hergestellter Grundstoffe und effiziente Werkstoffnutzung ist in vielen Sektoren etablierte Praxis und hat bereits in der Vergangenheit zu erheblichen Einsparungen beim Primärenergiebedarf geführt. Die Energieaufwendungen für die Recyclingroute (Sammeln, Zerkleinern, Sortieren, Reinigen, Transportieren) sind häufig um fast eine Zehnerpotenz geringer als diejenigen der Sekundärproduktionsverfahren selbst (Ausnahmen z. B. im Baustoffbereich). Gegenüber einem auf dem Stand von vor 30 Jahren eingefrorenen Recyclingumfang werden heute im Jahr deutlich über 150 PJ an Primärenergie, entsprechend gut 1 % des Primärenergiebedarfs oder gut 6,5 % des industriellen Endenergiebedarfs in der Bundesrepublik vermieden114. Hinzu kommen die realisierten Einsparungen aufgrund effizienterer Werkstoffnutzung in Produkten und Anwendungen. • Setzen sich die autonomen Trends in der effizienten Werkstoffnutzung fort, so ist damit zu rechnen, dass in den nächsten 30 Jahren Primärenergieeinsparungen in etwa der gleichen Höhe realisiert werden. Das heißt, dass weitere 150 PJ/a alleine durch die quantifizierbaren Effekte, insbesondere von Recycling sowie Substitution und effizientem Werkstoffeinsatz, vermieden werden. In dieser Summe des

114 Endenergieverbrauch des übrigen Bergbaus und verarbeitenden Gewerbes 2002: 2.334 PJ

Fazit und Ausblick

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Referenzfalles sind die zu erwartenden (indirekten) Einsparungen, etwa aufgrund der werkstoffseitig ermöglichten Effizienzgewinne in der Stromerzeugung, die Effizienzgewinne durch den Leichtbau im Automobilbereich in seiner Nutzungsphase oder mögliche Materialsubstitutionen im Bereich von Getränkeverpackungen nicht enthalten. Indes ist zu erwarten, dass die letztgenannten Einflussgrößen auch unter den Randbedingungen einer Referenz-Entwicklung zusätzlich eine indirekte verbrauchsmindernde Wirkung in gleicher Größenordnung (ca. 200 PJ)/a) entfalten werden (Enquete-Kommission 2002). • Durch forcierte Ausschöpfung bestehender Potenziale (die ausgewiesenen Einsparungen in den Bereichen Automobil-Leichtbau und Getränkeverpackungen sind hierbei als theoretische Obergrenze zu betrachten) erscheint im betrachteten Zeitraum eine Steigerung der Primärenergieeinsparungen um gut das Fünffache auf ungefähr 800 PJ/a, also rund 5 bis 6 % des heutigen Primärenergieverbrauchs in Deutschland, möglich. Dieses Potenzial einer Politik-Variante wäre nur durch erhebliche Forschungs- und Politikarbeit vorstellbar. Die wesentlichen Potenziale liegen hier im Bereich des Recyclings metallischer Werkstoffe, des Automobil-Leichtbaus, der Werkstoffsubstitution bei Getränkeverpackungen und insbesondere im Recycling von Kunststoffen. Auch in der effizienten Nutzung von Papier und Umkehr der mit zunehmender IuK-Technologienutzung einher gehenden Zunahme des Papierverbrauchs liegen erhebliche Einsparpotenziale. Dieses relativ hohe Energieeinsparpotenzial hätte für sich genommen einen heute nicht genau festlegbaren theoretischen Anteil; denn was binnen drei Dekaden durch FuE und schnelle Markteinführung realisierbar ist, lässt sich heute nur mit Unsicherheitsmargen abschätzen. Andererseits sind zwei Aspekte in diesem Einsparpotenzial von 800 PJ im Jahre 2030 nicht berücksichtigt (Enquete-Kommission 2002): • die Energieeinsparungen, die indirekt bei der Nutzung – insbesondere beweglicher Produkte und Maschinenteile – erzielt werden, wurden hier nicht mit in die Analyse eingeschlossen; • die Materialsubstitution wurde in einigen Bereichen wegen der Vielfalt der Möglichkeiten und weitgehender, aber heute spekulativer Optionen, nicht sehr ausführlich in der Analyse behandelt. Hier ist insbesondere an die Herstellung biogener Kunststoffe und Naturmaterialien zu denken, wobei erstere auch in biotechnischen Anlagen produziert werden konnten (Hüsing u. a., 2003). Fasst man diese sich langfristig abzeichnenden Prozesse einer industrialisierten Dienstleistungsgesellschaft zusammen, so könnte man davon ausgehen, dass die Energieeinsparpotenziale auch längerfristig, d. h. über 2030 hinaus, durch die verschiedenen Optionen der Materialeffizienz nicht schnell ausgeschöpft sein werden.

350

Fazit und Ausblick

Risiken für FuE infolge Wettbewerbs zwischen Reinheit/Recycling, Materialeffizienz und Materialsubstitution Damit stellt sich aber die Frage nach den Wettbewerbsprozessen zwischen den Werkstoffen und ihren spezifischen Vorteilen als "Kernkompetenz"-Vorteile, die durch Substitutionsprozesse durch andere Werkstoffe nicht antastbar erscheinen: biogen und biotechnologisch basierte Kunststoffe dürften beispielsweise in Zukunft gewisse petrochemisch basierte Kunststoffe in manchen Anwendungen verdrängen. Klassische Naturmaterialien dürften wegen gentechnischer Möglichkeiten und Anstieg der EnergienPreise wieder wachsende Marktanteile erzielen. Die "bedrohten" petrochemisch basierten oder metallischen Werkstoffe dürften sich mengenmäßig vermindern, und ihre Anwendungen auf ihre spezifischen Vorteile fokussiert werden: Formstabilität bei hohen Temperaturen und relativ hohen mechanischen Festigkeiten. Angesichts dieser (unbekannten) Dynamik von Materialeffizienz- und –substitutionsmöglichkeiten einerseits und langfristiger Re-Investitionszyklen von Recycling- und Produktionsanlagen zur Herstellung dieser Massenwerkstoffe andererseits müssten diese Trends bei Forschungs- und Entwicklungsüberlegungen genauer als bisher mit berücksichtigt werden (vgl. Abb. 5-1). Denn manche Recyclingroute von heute könnte angesichts mancher attraktiver Materialsubstitutionen und wegen der langen Re-Investitionszyklen eine auslaufende Technologielinie werden. Allerdings werden bei aller Umsicht bei den FuE-Entscheidungen in diesen Bereichen der Materialeffizienz Risiken verbleiben, denn Umfang und Dynamik der Erfolge der Materialforschung sind nur in begrenztem Umfang vorausschaubar.

Fazit und Ausblick

Abbildung 5-1:

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Schema des historischen Verlaufs von energierelevanten Massenwerkstoffen

Mengen Aufbau des Kapitalstocks

Dominanz der Materialeffizienz

petrochemische Materialien (Polymere)

Aluminium biogen basierte Kunststoffe

Stahl, Eisen

mineralische Baustoffe, Glas und Keramik

1900

1950

2000

2050

klassische Naturmaterialien Zeit

Materialeffizienz-Politik als Teil einer Energie-, Klima- und Nachhaltigkeits-Politik Materialeffizienz und Recycling energieintensiver Materialien haben sich als einflussreich für den Energiebedarf in Deutschland in den vergangenen zwei bis drei Jahrzehnten und damit für die Entwicklung der energiebedingten CO2-Emissionen erwiesen. Da auch unter den konservativen Annahmen eines Referenzfalles für die kommenden drei Jahrzehnte ein vermeidbarer Anstieg des Primärenergiebedarfs durch Werkstoffeffizienz zumindest in der gleichen Größenordnung zu erwarten ist und die bestehenden Potenziale bei einem Vielfachen dieses Wertes liegen, sollte dieses Feld auch bewusster Gegenstand der Klimapolitik werden; denn sie könnte somit die Belange einer Umwelt- und Abfallpolitik mit denjenigen der Energiepolitik verknüpfen und zugleich einen Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung leisten. Es zeigt sich bei diesen Überlegungen zur Materialeffizienz, dass energetische Betrachtungen alleine nicht hinreichend für die Beurteilung der Nachhaltigkeit der untersuchten Konzepte sein können. Ihre Auswirkungen bzgl. der ökologischen Dimension der Nachhaltigkeit sind in Form neuer weiterer ökologischer Effekte zu erwarten (z. B. Recycling-Rückstände, Wasseremissionen), die im Rahmen dieser Studie allenfalls am Rande berücksichtigt werden konnten. Insofern kann diese Analyse nicht zu abschlie-

352

Fazit und Ausblick

ßenden Empfehlungen zu einzelnen Werkstoffen oder Recyclingverfahren führen, die auch alle wesentlichen ökologischen Aspekte berücksichtigt hätten. Auf Seiten der ökonomischen Wirkungen wurden die gesamtwirtschaftliche Zusammenhänge einer erhöhten Werkstoffeffizienz geprüft; so z. B. die ausgelösten Veränderungen von Beschäftigung, von Wirtschaftsstrukturen und betrieblichen Arbeitsstrukturen. Dabei wurde den Beschäftigungseffekten besondere Bedeutung beigemessen: • Die einzelnen wirksam werdenden Teileffekte der untersuchten Optionen von Materialeffizienz wirken tendenziell beschäftigungssteigernd; hierbei ergeben sich jedoch für die einzelnen untersuchten Teilbereiche, je nach Werkstoff und Materialeffizienzoption, deutliche Unterschiede in der Größenordnung der Effekte. • Die Ergebnisse sind auch plausibel; denn ähnlich wir bei der Energieeffizienz sind die gleichen Teileffekte auf die Beschäftigung zu beobachten: Recycling und verbesserte Materialeffizienz reduzieren in den meisten Fällen erforderliche Primärmaterial oder Rohstoffimporte; diese werden durch inländische Investitionen, Dienstleistungen und know how ersetzt. Ähnliches gilt auch bei der Materialsubstitution, wenn es sich dabei um heimische Rohstoffe (z. B. Naturmaterialen) handelt. Da die drei Materialeffizienz-Optionen häufig rentabel sind, tragen sie auch über den zusätzlichen Nachfrageeffekt infolge verminderter Materialkosten zu Wachstum und mehr Beschäftigung bei. Die Durchsicht bestehender Analysen bestätigt diese Ergebnisse. In welchem Ausmaß die Materialeffizienz zu einer Steigerung der Beschäftigung führt, ist infolge der oben angedeuteten Einflüsse und Konstellationen bei den einzelnen Werkstoffen und ihren Anwendungen sehe fallspezifisch, eine einfache Faustformel daher nicht möglich. Zusammenfassende Hinweise für Forschung und Entwicklung Ein zentrales Ergebnis der Studie sind Aussagen zum bestehenden F&E-Bedarf, um die ermittelten Potenziale als Beitrag der Energieeffizienz und damit zur Vermeidung unnötiger CO2-Emissionen zu einer nachhaltigen Entwicklung auch tatsächlich nutzen zu können. Wesentliche Kernaussagen hierzu sind: • Von großer Bedeutung für die F&E-Anstrengungen sind immer wieder die Reinheiten der Schrotte bzw. Abfälle durch kostengünstige Sortier-, Demontage- und Trennverfahren sowie Reinigungsprozesse vor und in den Produktionsprozessen der Sekundärmaterialien. Hierbei spielt die Qualitätssicherung der Sekundärmaterialien eine zentrale Rolle, an der sich der Umfang der möglichen Kreislaufschließung entscheidet. • Dabei gibt es häufig auch einen technischen Wettlauf zwischen Materialeffizienz, d. h. geringerem spezifischem Einsatz, welcher die technologischen Ansprüche an den

Fazit und Ausblick

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Werkstoff weiter hinaufschraubt, und den technischen Möglichkeiten höherer Reinheit und Homogenität der im Sekundärkreislauf geführten Schrotte und Abfall-Stoffe zu günstigen Kosten (relativ zu den Kosten der konkurrierenden Primärwerkstoff-Linien). Wenngleich dieser technische Wettlauf nicht im Einzelnen vorausgesagt werden kann, so wäre doch eine begleitende Forschung zu erwägen, die jeweils die sich abzeichnenden technischen Fortschritte durch Forschung und Entwicklung für die einzelnen Massenwerkstoffe und ihre Hauptanwendungen beschreibt; allein eine derartige Information mit ihren Hinweisen zu den energetischen Effekten dürfte bei Forschergruppen und Forschungsgeldgebern wahrscheinlich nicht ohne Reaktion bleiben. • Bei der Herstellung der einzelnen Primär- bzw. Sekundärrohstoffe gibt es – trotz jahrzehntelanger Verbesserungsinnovationen wie bei den Metallen oder Baustoffen - weitere Möglichkeiten der Verminderung des spezifischen Energiebedarfs, z. B.: - bei Eisen und Stahl (Substitution der Kohle bei der Roheisenerzeugung als Reduktionsmittel durch Erdgas oder CO2–freie Stoffe, weitere Erfolge zum endabmessungsnahen Giessen von Stahl), - bei Aluminium ist für Deutschland (und Europa) die Sekundärroute und die Materialeffizienz von besonderer Bedeutung (Entwicklung verbesserter Trennungsverfahren von Aluminium Schrotten, geschäumtes Aluminium als leichter Werkstoff mit hohen Steifigkeitseigenschaften), - bei Zement, Beton und Ziegel sind ebenfalls Komponentenentwicklungen der Recycling-Routen von großer Bedeutung (z. B. Automatisierung der Qualitätskontrolle bei der Sortierung für die RK-Baustoffaufbereitung, Prüfung der technischen Eigenschaften von feingemahlenem Betonmehl, um es als Zementersatz bei Magerbeton zu nutzen, Forschungen zur Wiederverwendbarkeit von Ziegelsplitt), - beim Glas liegt der Forschungsbedarf nicht nur bei Problemen der Qualitätssicherung (Verminderung von Verunreinigungen, insbesondere bei Auto- und Flachglas, durch verbesserte Messtechnik, Sortiertechnik und Vermeidung von Siebdruck), sondern auch in Marktforschungsfragen (z. B. Standardisierung von Fenstern und Akzeptanz schlechterer Glasqualitäten für Fenster in Kellern und Fabrikationsgebäuden). - Beim Papier stehen Forschungen zur Organisation von Recyclingströmen und zu gesetzlichen Auflagen bzgl. der Materialeffizienz deutlich im Vordergrund (getrennte Erfassung von graphischen Papieren und Verpackungspapier, Propagierung geeigneter Beschaffung in den Dienstleistungssektoren mit hohem Papierbedarf, Normen oder Standards für Verpackungspapiere, Verhaltensanalysen, warum trotz elektronischen Arbeitens mit PCs zugleich sehr viele Papierausdrucke gemacht werden); aber auch weitere technologische Fortschritte sind wichtig (z. B. automatische Sortierverfahren, welche die manuelle Sortierung ersetzen, Eignung von Klebstoffen und Druckfarben für die Altpapieraufbereitung, Entwicklung flexibler Polymerdisplays zur Entwicklung "elektronischen Printmedien",

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Fazit und Ausblick

- bei den Polymeren stehen verschiedene Technologien der werkstofflichen, rohstofflichen und energetischen Verwertung zur Verfügung. Da die Kunststoffe häufig in die Produkte integriert sind, muss zur Auswahl der geeignetsten Technologie die gesamte Wertschöpfungskette bis zum Produkt und der Nutzen der Verwertungsprodukte, sei es Regranulat oder Energie, mit betrachtet werden, was die Entscheidung kompliziert. Es gibt eine Anzahl angepasster Einzellösungen, wie z. B. das Sicon-Verfahren für Altautos, und auch eine Anzahl von neuen Verwertungsrouten, wie z. B. das selektive Lösen, die in Zukunft ihren Beitrag zur rationellen Energienutzung leisten können. • Für die erfolgreiche Entwicklung von Dematerialisierung und Kreislaufwirtschaft bedarf es auch begleitender F&E zu Themen wie Sicherheit und veränderte Umweltbelastungen der neuen Systeme (z. B. Leichtfahrzeugbau, insbesondere auch für Übergangsphasen; erhöhte oder verminderte Abfallaufkommen). • Wie bereits bei den einzelnen Werkstoffen oben angedeutet, bestehen bei der Anwendung neuer Werkstoffe aus Sekundärmaterial objektive meist qualitätsbedingte Hemmnisse sowie subjektive Akzeptanzprobleme der verschiedenen Anwendergruppen. Deshalb ist es sehr wichtig, dass simultan zu den technologischen FuE-Anstrengungen anwenderorientierte Begleitforschungen erfolgen, die rechtzeitig die qualitätsbezogenen Anforderungen abklären (auch die Akzeptanz neuer Qualitätsklassen) oder die anwenderbezogenen Anforderungen bzgl. der neuen Produkte klären; hierzu mögen auch Information, Demonstrationsprojekte und berufliche Fortbildung gehören, um Zweifel an den neuen Werkstoffen und Materialien und behauptete Zielkonflikte bei den Anwendern auszuräumen bzw. zu vermeiden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass wichtige Aspekte aus Anwendersicht bei den Entwicklungen nicht hinreichend berücksichtigt würden und die FuE-Gelder fehlinvestiert wären. • Diese Überlegungen laufen darauf hinaus, zu einem richtigen Zeitpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten diejenigen Akteure mit zu involvieren, um die Bedingungen eines möglichst bruchlosen Übergangs von der Entwicklung in die Marktdiffusion zu erreichen. Denn letztlich geht man von der Hypothese aus, dass die neu entwickelten technischen Optionen als marktgängige Materialeffizienz-Optionen geeignet sind; dann sollte das Forschungsdesign auch entsprechend angelegt sein. • Die Anwendung eines System-Dynamics Modells zur Abbildung von nicht-linearen, dynamischen und komplexen Sachverhalten wie z. B. die energetische Bewertung von Automobilleichtbaustrategien hat sich bewährt. Dieser methodische Ansatz sollte auf andere komplexe Anwendungsfelder von Werkstoffen übertragen werden, wie z. Β. auf die Papierverwendung. • Angesichts der Risiken der FuE zur Materialeffizienz erscheinen auch nicht zuletzt vertiefte Untersuchungen zu den ökonomischen Auswirkungen von Bedeutung, um die indirekten positiven Wirkungen einzelner Werkstoffeffizienzoptionen bei den FuE-Entscheidungen mitberücksichtigen zu können. Denn große positive gesamt-

Fazit und Ausblick

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wirtschaftliche Wirkungen einer Option mögen auch größere Risiken rechtfertigen, welche die öffentliche Forschungsförderung erwägt. Ein Teil der erforderlichen Forschungsarbeiten bedingt einen intensiven Gedankenaustausch zwischen verschiedenen Ressorts (z. B. BMWA mit der Energieforschung, BMBF mit der Materialforschung, BMBV mit der Verkehrssicherheitsforschung) und Forschungsinstitutionen (z. B. MPG, FhG und Universitäten im Bereich Materialforschung und Anwendungen, DLR im Bereich der Gasturbinen). Weder die Ressorts noch die Forschungsgruppen sehen derzeit in vielen Fällen die Energierelevanz ihrer Forschungsarbeiten. Deshalb wird es auch einer begleitenden Evaluation bedürfen, welche die energetische Bedeutung neuer Werkstoffe und Recycling- oder Substitutionsoptionen jeweils "entdeckt" und den Beteiligten kommuniziert. Denn es sollte einen Unterschied machen, ob Materialforschung und Prozessentwicklung lediglich um der technischen Neuheit willen (und akademischer Meriten wegen) betrieben wird, oder ob diese Arbeiten auch unter dem Energie- und Klimaschutzaspekt – vielleicht sogar auch noch unter Beschäftigungsaspekten – vorangetrieben werden.

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Anhang A1: Definition von Recyclingquoten

Anhang A1:

Definition von Recyclingquoten

In der Literatur finden sich zahlreiche Berechnungsmöglichkeiten und Definitionen von Recyclingquoten, die oft in inkonsistenter Weise verwendet werden. Hier soll ein Überblick über die am häufigsten verwendeten Definitionen der Begriffe • Recyclinganteil und • Recyclingquote bzw. Recyclingrate (Synonyme) sowie ihre Aussagefähigkeit bezüglich der Quantifizierung des Recyclings – hier speziell von Metallen - gegeben werden (vgl. Buntenbach et al., 1998). Die Angaben erfolgen dabei auf der Basis von Gew.-%. Recyclinganteil Ra Der Begriff Recyclinganteil ist immer dann brauchbar, wenn angegeben wird, wie hoch der Anteil an recyceltem Material an einer gewissen Menge Gesamtmaterial ist. Der Recyclinganteil wird dabei in der Regel entweder auf die Gesamtproduktion oder den Gesamtverbrauch bezogen. Anteil der Sekundärproduktion an der Gesamtproduktion

R =

Sekundärproduktion Sekundärproduktion + Primärproduktion

Dieser Anteil ist problematisch, wenn verschiedene Länder betrachtet werden. Verschiedene Länder Europas verfügen über keine Produktion von Stahl über die Verfahrensroute Hochofen/Oxygenstahlwerk. Japan z. B. produziert kein primäres Aluminium. In den genannten Fällen läge dieser Anteil also bei 100 %. Länder wie Norwegen, die viel Primäraluminium erzeugen, weisen hingegen sehr geringe Recyclinganteile auf. Eine Aufteilung der Produktion nach einzelnen Sektoren wie z. B. Verkehr oder Bauwesen ist nicht möglich. Anteil des recycelten Materials am Gesamtverbrauch Ra =

Menge an recyceltem Material Gesamtverbrauch an Material

Diese Methode berücksichtigt nicht die oft sehr lange Lebensdauer, die bestimmte Materialien in ihrer Nutzungsphase aufweisen. Ein steigender Verbrauch an einem Material führt zu einem niedrigen Recyclinganteil, ein sinkender Verbrauch zu einem steigenden Anteil. Eine Aufteilung nach unterschiedlichen Sektoren ist bei dieser Be-

Anhang A1: Definition von Recyclingquoten

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rechnung möglich. Dieser Anteil sagt jedoch nichts über die Menge an verfügbarem Material für das Recycling aus. Somit wird die eigentliche Effektivität des Recyclings nicht betrachtet. Recyclingquote Rq Rq ist das Mengenverhältnis von tatsächlich recyceltem und theoretisch verfügbaren Sekundärmaterial.

R =

Menge an recyceltem Material A theoretisch verfügbare Menge an Material A

Diese Recyclingquote sagt aus, wie viel eingesetztes Material für einen gegebenen Verwendungszweck zurückkommt. Sie definiert somit den wiedergewinnbaren Anteil der eingesetzten Werkstoffe bzw. Bauteile. Wenn für einen typischen Anwendungssektor die Recyclingquote berechnet werden soll, müssen folgende Daten verfügbar sein: • Menge an Material A in einem bestimmten Produkt • Mittlere Lebensdauer des Produktes • Verbrauch in einem Land (Produktion + Import – Export) in einem Referenzjahr • Menge an wiedergewonnenem Material A Die Menge an einem bestimmten Material in einer gewissen Produktgruppe lässt sich in der Regel als Mittelwert ermitteln. Ebenso lässt sich die mittlere Lebensdauer eines Produktes bzw. einer Produktgruppe mit Hilfe statistischer Methoden bestimmen. Der Verbrauch in einem Referenzjahr eines Landes kann statistischen Werken entnommen werden. Die Angabe zur Menge an wiedergewonnenem Material unterliegt jedoch gewissen statistischen Ungenauigkeiten. Ferner gibt diese Menge keine Auskunft darüber, wie viele Produkte einer Produktgruppe, die theoretisch für ein Recycling anstehen, tatsächlich erfasst werden. Die Berechnung der Recyclingquote auf diese Art bietet birgt aufgrund der Verwendung von oft nicht ausreichend genauem statistischen Material und Schätzwerten die Möglichkeit der Manipulation. Die technischen Prozesse, die für das eigentliche Recycling angewendet werden, fließen nur indirekt über die Menge an wiedergewonnenem Material in die Berechnung ein. Um die tatsächlichen Recyclingprozesse beschreiben zu können, sind die bisher genannten Recyclingquoten kaum verwendbar. Daher sollen nachfolgend prozessbezogene Quoten definiert werden, mit Hilfe derer das Recycling von beliebigen Produktgruppen quantifiziert werden kann. Dabei beziehen sich alle Mengenangaben auf den

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Anhang A1: Definition von Recyclingquoten

Werkstoffgehalt (Metallgehalt) in der betrachteten Materialfraktion. Die Bewertung des Recyclings erfolgt bezüglich jeder der folgenden drei Ebenen der Recyclingprozesskette: • Erfassung der Vorstoffe • Aufbereitung der Vorstoffe • Verhüttung der Vorstoffe Erfassungsquote Eq Die Erfassungsquote ist die Menge an verfügbaren Sekundärrohstoffen, welche über Sammelsysteme erfasst wird, bezogen auf die theoretisch zur Verfügung stehende Menge an Sekundärmaterial. gesammelte Menge an Sekundärmaterial einer Produktgruppe

E =

theoretisch verfügbare Menge an Sekundärmaterial einer Produktgruppe

Technische Recyclingquote Rq,t Die technische Recyclingquote gibt den Materialanteil an, welcher nach der Zuführung zur Verwertung am Ende des Recyclingprozesses tatsächlich als Sekundärmaterial produziert wurde. Es handelt sich hierbei also um das Ausbringen, welches alle Verluste an Material, die während der technischen Prozesse des Recyclings auftreten, berücksichtigt. R q,t =

produzierte Menge an Sekundärmaterial der Verwertung zugeführte Menge an Material

Die technische Recyclingquote ergibt sich als Produkt aus Aufbereitungsquote und Schmelzausbeute. Die Aufbereitungsquote Aq ist das Verhältnis aus dem der Verhüttung zugeführten Sekundärmaterial und dem der Aufbereitung zugeführten Material. Die Schmelzausbeute Sa (Verhüttungsquote) gibt an, wie viel Sekundärmaterial nach dem Schmelzen der Vorstoffe verbleibt, bezogen auf die der Verhüttung zugeführte Menge; für Aluminium ist dies z. B. die Menge, die beim Einschmelzen als Flüssigmetall gewonnen wird, unter Berücksichtigung der Verluste in der Salzschlacke und der Krätze. Rq,t = Aq x Sa Gesamtrecyclingquote Rq,ges

Anhang A1: Definition von Recyclingquoten

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Die Multiplikation der Erfassungsquote Eq mit der technischen Recyclingquote Rq,t ergibt die Gesamtrecyclingquote Rq,ges. Diese Quote beschreibt die Effektivität der Nutzung einer sekundären Ressource bzw. eines sekundären Vorstoffes. Zugleich gibt sie Auskunft über den gesamten im Zuge des Recyclingprozesses entstehenden Materialverlust. Rq,ges = Eq x Rq,t = Eq x Aq x Sa

Quelle Buntenbach, S.; Meier-Kortwig, J.; et al.: Überlegungen zu Definitionen: Recyclinganteile und Recyclingquoten. Interner Bericht, Institut für Aufbereitung (IFA), RWTH Aachen, 1998

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Anhang A2:

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

Bei einem Zeithorizont von 30 Jahren ist die Nutzungsdauer von Produkten insofern von großer Bedeutung für eine energieeffiziente Werkstoffnutzung, als dass die Produktnutzungsdauer das maximale Recyclingpotenzial mitbestimmt. Einerseits werden energieintensive Werkstoffe in langfristigen Investitionsgütern verwendet (Beispiele: Stahl, Aluminium etc. in Bauten, Fassaden, PKW, Kunststoffe in PKW, als Fensterrahmen und Rohrleitungen im Baubereich); andererseits erfolgt die Materialnutzung in relativ kurzlebigen Produkten wie Geräte, Maschinen oder auch in sehr kurzlebigen Verpackungsmitteln. Unter Beachtung einer möglichen Werkstoff-Substitution von Produkten, langfristigen Investitions- und Gebrauchsgütern sowie Verpackungsmaterial lassen sich spezifische Werkstoffbedarfe ermitteln. Inwieweit dieser Werkstoffbedarf inländisch erzeugt wird oder durch Importe, bleibt speziellen Annahmen vorbehalten, um zur inländischen Produktion und entsprechenden Energieverbrauchswerten Aussagen machen zu können. Grundsätzlich geht jedes Referenz-Szenario zur wirtschaftlichen Entwicklung explizit oder unausgesprochen von derartigen Annahmen inländischer Produktion und Substitution energieintensiver Grund- und Werkstoffe und eines entsprechenden Nettoimports oder -exports aus. Diese Annahmen werden im Folgenden bzgl. der Produktion energieintensiver Materialien offen gelegt, nicht aber bzgl. des Außenhandels, weil die Analyse auf die inländische Energienachfrage beschränkt ist. Diese Produktionsannahmen wurden aus der gesamtwirtschaftlichen Entwicklung und der mit dem MIS-Modell ermittelten Wirtschaftsstruktur-Entwicklung mit dem Zeithorizont 2030 abgeleitet (Jochem, Mannsbart, 2002). a) Demografische und makroökonomische Entwicklung Aus demografischer und makroökonomischer Sicht wurde von folgenden Annahmen ausgegangen (vgl. Tabelle A2-1) : Bevölkerungsrückgang um 4,4 Millionen Einwohner in Deutschland zwischen 2000 und 2030 bei in diesem Zeitraum konstant bleibender Zahl der privaten Haushalte sowie Rückgang der Zahl der Erwerbstätigen um 3,8 Millionen (d. h. -0,3 %/a) bei einem deutlich überdurchschnittlichen Rückgang in Industrie und Baugewerbe. Das reale Wachstum von Industrie und Baugewerbe wird deutlich niedriger als die Zunahme des realen Bruttoinlandsprodukts angesetzt (1,2 %/a bzw. 0,7 %/a im Vergleich zu 1,4 %/a). Für den Bergbau wird ein deutlicher Rückgang angenommen (Prognos/EWI 1999 und Prognos 2001).

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

Tabelle A2-1:

361

Demografische und makroökonomische Rahmenbedingungen des Referenz- und des Nachhaltigkeitsszenarios für Deutschland, 2000 bis 2030 Veränder. (% / a)

2000

2010

2020

2030

Bevölkerung (Mio.)

82,3

82,1

80,8

78

Private Haushalte (Mio.)

38,1

38,5

38,8

38,1

0

1968,5

2265

2607

3000

1,4

38,7

37,6

37,2

34,9

-0,3

darunter Industrie

8,1

7,4

6,7

5,7

-1,2

darunter Baugewerbe

2,8

2,7

2,4

1,9

-1,3

408

459

516

580

1,2

102,5

110

117

125

0,7

BIP (Preise 1995), Mrd. Euro Erwerbstätige (Mio.)

-0,2

Bruttowertschöpfung:(Preise 1995): Industrie (Mrd. Euro) Baugewerbe (Mrd. Euro)

Quelle: Statistisches Bundesamt, Prognos 2001, eigene Schätzungen

Innerhalb der Industrie sind Maschinenbau, Elektrotechnik, Chemie (Ausnahme: Grundstoffe) und Metallgewerbe aufgrund der inländischen Nachfrage und der weiterhin als günstig angenommenen Exportchancen die Wachstumsmotoren der deutschen Industrie. Für das verpackungsintensive Ernährungsgewerbe, Gummi- und Kunststoffwaren, NE-Metalle dürften die Wachstumsraten unterdurchschnittlich sein, ebenso bei der Gewinnung von Steinen/Erden, dem sonstigen Bergbau, d. h. allgemeiner gesprochen bei den meisten Grundstoffen), während sich der Fahrzeugbau, das Papiergewerbe sowie Glas/Keramik und die Verarbeitung von Steinen/Erden durchschnittlich entwickeln dürften. Verliererbranchen sind demnach in diesem Referenz-Szenario des IKARUS-Projektes der Bergbau und die meisten Grundstoffindustrien mit ihren energieintensiven Produktionsprozessen, so wie es auch in den letzten 20 Jahren zu beobachten war. Die Fortsetzung dieses Trends ist begründet durch eine weitere steigende Materialeffizienz (durchschnittlich ca. 1 %/a) bei eher stagnierendem oder leicht steigendem Produktionswachstum der Hauptabnehmerbranchen und der Endnachfrage, durch eine abnehmende Tendenz von Nettoexporten bzw. Zunahme von Nettoimporten energieintensiver Grund- und Massenwerkstoffe. b) Nachfrageentwicklung der Hauptverwendungsbereiche Die ausgewählten Werkstoffe werden vor allem in den Branchen Eisen- und Stahl, NEMetalle, Chemie (Kunststoffe), Steine/Erden, Glas und Papiergewerbe produziert und

362

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

direkt weiter verarbeitet oder indirekt durch andere Branchen. In Tabelle A2-2 wird nach drei großen Einsatzbereichen der Werkstoffe differenziert (PKW, Baugewerbe und Verpackungen). Für diese Bereiche wird die voraussichtliche Entwicklung wichtiger Aktivitätsfelder der Materialeffizienz und -substitution als Ergebnis von Werkstoffanteilen bzw. absoluten Mengen in einer Referenz-Entwicklung zusammengestellt. Zwischen 2000 und 2030 wird ein Anstieg des deutschen PKW/Kombi-Bestandes um 12 % angenommen (von 42,8 auf 48 Millionen bei einem Rückgang der jährlichen Neuzulassungen von 3,3 Mio. auf etwa 3 Mio.), wobei sich bereits ab 2010 die Wachstumsraten deutlich abschwächen dürften (Fortschreibung des Szenarios "Kaleidoskop" der Deutschen Shell von 2001). Insgesamt wird sich danach die PKW-Dichte im genannten Zeitraum von 520 auf nahezu 620 je tausend Einwohner erhöhen. Als Angabe zur Referenz-Entwicklung werden folgende Veränderungen der durchschnittlichen Materialzusammensetzung von neuen PKW angenommen (vgl. Tabelle A2-2): • Rückgang bei Stahl von 59 % in 2000 auf 40 % in 2030, • Starker Anstieg bei Aluminium (von 8 % auf 24 %), • leichter Anstieg beim Einsatz von Kunststoffen und bei Elastomeren und restlichen

Materialien sowie Konstanz bei sonstigen NE-Metallen. Tabelle A2-2:

Entwicklung der durchschnittlichen Materialzusammensetzung bei neuen PKW im Referenz-Szenario, 2000 bis 2030

Materialien

Anteile heute (in %)

Trend

Stahl

59

Rückgang auf 40 %

Aluminium

8

Anstieg auf 24 %

Sonstige NE-Metalle

5

weiterhin 5 %

Kunststoffe

14

Anstieg auf 15 %

Elastomere/Rest

14

Anstieg auf 15 %

Quelle: Verband Kunststofferzeugende Industrie (VKE); eigene Schätzungen

Im Bereich Bau ist beim Bauhauptgewerbe (Hoch- und Tiefbau, vorbereitende Baustellenarbeiten, d. h. vor allem Neubauten) bereits ab 2010 von einem Rückgang des Anteils am Bauvolumen auszugehen, während vor allem die Bauinstallation (früher: Ausbaugewerbe) mit Zuwächsen rechnen kann (Altbaumodernisierung).

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

363

Als wichtige Baumaterialien sind zu nennen: Baustahl für den Hoch- und Tiefbau, Zement und Ziegel, Isolationsmaterial und Zwei- und Dreifachverglasung der Fenster, Alufassaden und -rahmen und Kunststoff-Fensterrahmen und -böden. Tabelle A2-3:

Entwicklung des Materialbedarfs im Hoch- und Tiefbau im ReferenzSzenario, 2000 bis 2030 heutige Situation

Trend

Aufteilung Bauvolumen Anteile im Jahr 2000 in Mrd. Euro: Wohnungsbau 55 %, Wirtschaftsbau 29 %, Öffentlicher Bau 16 %

271,8 Mrd. Euro (100 %)

Hoch-, Tiefbau, Vorber. (ehem. Bauhauptgewerbe, o. Teilber.)

36,4 %

Rückgang

Bauinstallation, sonst. (ehem. Ausbaugewerbe, o. Teilber.)

35,6 %

Anstieg

Sonst. (Fertigteile, Montage, Planung, Eigenleistung)

28,0 %

Anstieg

Ausgewählte Einzelmaterialien

Heutige Verwendung

Trend

Baustahl (Bauhauptgewerbe)

Anteil bei Stahl rd. 15 %

Konstanz

Zement (Inlandsversand)

2001: 53 % Transportbeton, 25 % Betonbauteile

leichter Rückgang

Ziegel

Prod. 2000: Mauerziegel: 11,8 Mio. m3 Dachziegel: 975 Mio. St.

Rückgang, Konstanz

Dämmstoffmarkt

Markt 2000: 33 Mio. m3

Anstieg

Wärmedämmglas

Prod. 2000: 26,1 Mio. qm

Anstieg

Alufassaden u. -rahmen

Marktanteil Fensterrahmen: 18 %

Anstieg

Kunststoffrahmen und -böden (hier: Anteile am Kunststoffverbrauch im Baugewerbe)

Anteile Kunststoffverbr. Bau: Fenster- und Türprofile 10 %, Boden- und Wandbeläge 6 %; Marktanteil Fensterrahmen: 52 %

Quellen:

Konstanz

Statistisches Bundesamt, Wirtschaftsvereinigung Stahl, Bundesverband Baustoffe, Steine und Erden, BDZ, BV Glas, Saint-Gobain Isover G+H AG, eigene Schätzungen

Der Verpackungsverbrauch dürfte insgesamt bis 2030 leicht zunehmen. Aus dem Trend der neunziger Jahre lässt sich im Falle von Glas und Weißblech ein Rückgang ableiten (vgl. Tabelle A2-4). Vor allem für Papier, das bereits heute anteilsmäßig deut-

364

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

lich vor Glas liegt, dürften sich weiterhin relativ hohe Wachstumsraten ergeben, die hier für das Referenz-Szenario unterstellt werden. Tabelle A2-4:

Entwicklung des Verbrauchs von Verpackungsmaterial im ReferenzSzenario nach novell. VerpackungsV, 2000 bis 2030

Material inkl. Verbunde

2000 (Mio. Tonnen)

Trend

Glas

3,62

Rückgang (-0,3 %/a)

Weißblech insgesamt

0,71

Rückgang (-0,2 %/a)

Aluminium insgesamt

0,10

Konstanz

Kunststoffe insgesamt

1,71

Anstieg (0,3 %/a)

Papier insgesamt

5,95

Anstieg (0,2 %/a)

Flüssigkeitskarton

0,24

Anstieg (0,3 %/a)

Feinblech, Stahl

0,34

Anstieg (0,1 %/a)

Holz, Kork, sonstige Verpackungen

2,54

Anstieg (0,2 %/a)

SUMME

15,21

leichter Anstieg

Quellen: GVM (2001), eigene Schätzungen

c) Veränderungen der Produktionsmengen in Deutschland Die detaillierten Annahmen zur künftigen Produktionsentwicklung der ausgewählten Werkstoffe wurden in Tabelle A2-5 zusammengefasst. Dabei werden in dieser Referenzentwicklung von politischer Seite Möglichkeiten einer nachhaltigen Ressourceninanspruchnahme nur insofern genutzt (z. B. im Rahmen des Kreislaufwirtschaftsgesetzes, Öko-Auditing), als sie den Trend der vergangenen Jahrzehnte wiedergeben (vgl. Zitate in Jänicke, 1998). Im Einzelnen werden im Referenzszenario folgende Veränderungen der Produktionsmengen zwischen 2000 und 2030 in Deutschland angenommen (vgl. Tabelle A2-5): • Rückgang der Stahlproduktion um über 5 Mio. Tonnen als Folge der rückläufigen

Entwicklung im Baugewerbe und geänderter Materialzusammensetzung im Fahrzeugbau auf 41,3 Mio. Tonnen in 2030. Der Anteil des Elektrostahls, der zunehmend nicht nur im Baugewerbe, in Ziehereien und Kaltwalzwerken, im Stahlbau oder für EBM-Waren eingesetzt werden kann, steigt von heute 29 % auf etwa 45 % im Jahr 2030. • Ähnlich wie bereits in Japan praktiziert, wo bereits vor Jahrzehnten Reduktionsziele

für Branchen mit hoher Material- und Energieintensität definiert worden waren (z. B. Hüttenaluminium, Düngemittel, Schiffbau), wird unterstellt, dass in Deutschland nach 2020 kein Hüttenaluminium mehr produziert wird. Andererseits wächst die Se-

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

365

kundäraluminium-Herstellung von rund 0,5 (2000) auf 1,22 Mio. Tonnen (2030). Für die Herstellung von Kupfer und Blei (jeweils raffiniert) werden nur geringe Steigerungsraten angenommen. • Relativ starke Wachstumsraten werden für die Herstellung von Kunststoffen erwar-

tet (1,6 %/a), wobei sich einerseits für Polymere, darunter Polyethylen und Polypropylen (PP) jeweils überproportionale Anstiege und andererseits für PVC und sonstige Kunststoffe unterproportionale Zuwächse ergeben dürften. • Für Bau-Materialien wie Zement und Ziegel sowie Bitumen und auch Hohlglas wird

im Zeitraum 2000 bis 2030 ein Rückgang der Produktion unterstellt. Andererseits dürfte sich bei Flachglas und Glasfasern die Produktion weiterhin erhöhen. • Die inländische Produktion von Papier, Pappe und Karton dürfte bis 2030 im Gegen-

satz zum inländischen Verbrauch nur relativ gering steigen. Im Zieljahr wird für Deutschland ein Verbrauch von 350 kg/Kopf erwartet (2000: 232 kg/Kopf), was etwa dem heutigen Pro-Kopf der USA entspricht (zum Vergleich USA 1980: 270 kg/Kopf). Andererseits wird dadurch ein zunehmender Importbedarf angenommen, d. h. die Produktion wird durch Materialimporte substituiert.

366

Tabelle A2-5:

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

Annahmen zur Produktionsentwicklung energieintensiver Grundstoffe in Deutschland im Referenz-Szenario, 2000 bis 2030 2000

Referenz-Szenario (Mio. t) 2010 2020

Jährl. Veränderung 2030

Rohstahl

46,376

43,2

42,6

41,3

-0,4 %

darunter Oxygenstahl

33,051

28,5

25,5

22,7

-1,2 %

darunter Elektrostahl

13,325

14,7

17,0

18,6

1,1 %

Hüttenaluminium

0,644

0,65

0,20

0

Sekundäraluminium

0,548

0,81

1,05

1,22

2,7 %

Kupfer (raff.)

0,708

0,72

0,73

0,73

0,1 %

Blei (raff.)

0,387

0,42

0,42

0,40

0,1 %

14,231

17,5

20,5

23,0

1,6 %

2,037

3,2

3,9

4,5

2,7 %

PVC

1,410

1,7

1,9

2,2

1,4 %

PP

1,337

1,8

2,6

3,0

2,8 %

sonstige

9,447

10,8

12,1

13,3

1,2 %

Zement 1)

36,05

35,0

34,5

33,5

-0,2 %

17

16,9

16

15,6

-0,3 %

Bitumen (Inlandsabsatz)

3,247

3,3

3,3

3,0

-0,3 %

Flachglas (Herst.)

1,868

2,1

2,3

2,4

0,8 %

Hohlglas (Herst.)

4,369

4,25

4,1

4,0

-0,3 %

Glasfaser

0,369

0,43

0,5

0,55

1,3 %

1. Produktion

18,182

20,0

21,0

21,0

0,5 %

2. Verbrauch

19,112

22,2

25,1

27,3

1,2 %

3. Einwohner (Mio.)

82,3

82,1

80,8

77,9

-0,2 %

4. Verbr./EW (kg)

232

270

311

350

1,4 %

5. Vergleich: USA (kg)

350

Kunststoffe u. synth. Kautsch. Polyethylen

(z. Vergl.: BDZ-Statistik) Ziegel, sonst. Baukeramik

35,2

Papier, Pappe, Karton

(1980: 272)

Anmerkung: 1) Zementproduktion 2000 nach Statistischem Bundesamt (ohne weißen Portlandzement und Tonerdeschmelzzement). Quelle: FZ Jülich (IKARUS-Datenbank), Statistisches Bundesamt, Bundesverband der Deutschen Zementindustrie (BDZ), eigene Schätzungen

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

367

Quellen (Auswahl) Verschiedene Autoren aus der Stoff-Fluss-Community (z. B. Bartelmuss, Nathani etc.) Bundesverband Baustoffe, Steine und Erden (2001): Konjunkturperspektiven 2001. Frankfurt am Main 2001 Bundesverband der Deutschen Zementindustrie , BDZ (2002): Zahlen und Daten 2002, Köln 2002 BV Glas, Bundesverband Glasindustrie und Mineralfaserindustrie e.V. (2001): Jahresbericht 2000. Düsseldorf 2001 Deutsche Shell GmbH (2001): Shell Pkw-Szenarien "Mehr Autos - weniger Verkehr ?" Hamburg 2001 Enquete-Kommission "Nachhaltige Energieversorgung" des Deutschen Bundestages im Kontext der Liberalisierung und Globalisierung (2002): Endbericht Kap. 4.2.8 (Veröffentlichung im September 2002) FZ Jülich (2002): IKARUS-Datenbank GVM, Ges. für Verpackungsmarktforschung (2001): Verpackungsverbrauch 19912000. Wiesbaden 2001 Jänicke, M. (1998): Dematerialisierung als Prognose und Programm - die Hypothese vom Ende der "era of materials". Berlin 1998 Jochem, E.; Mannsbart, W. (2002): Disaggregation der Produktionsentwicklung des Verarbeitenden Gewerbes und des primären und tertiären Sektors in Deutschland im Zeithorizont 2000-2030. IKARUS-Arbeitspapier April 2002 Prognos/EWI (1999): Die längerfristige Entwicklung der Energiemärkte im Zeichen von Wettbewerb und Umwelt. Basel 1999 Prognos (2001): Szenarienerstellung - Soziodemografische und ökonomische Rahmendaten für die Enquete-Kommission "Nachhaltige Energieversorgung" des Deutschen Bundestages (Bearbeitung: M. Schlesinger). Basel 2001 Saint-Gobain Isover G+H AG (2002): Dämmstoffmarkt BAU in der BRD (http://www.ghisover.de) Statistisches Bundesamt (2001, 2002): Statistisches Jahrbuch 2001, Wiesbaden 2001 sowie persönliche Mitteilungen 2002

368

Anhang A2: Referenz-Szenario der Produktionsentwicklung

Verband Kunststofferzeugende Industrie e. V. (2001): Kunststoff im Automobilbau. Frankfurt am Main 2001 Wirtschaftsvereinigung Stahl: Statistisches Jahrbuch der Stahlindustrie. Düsseldorf, versch. Jahre und persönliche Mitteilungen 2002

Anhang A3: Koreferat zum Projekt

Anhang A3:

369

Koreferat zum Projekt

Autor: Michael Ritthoff, Wuppertal-Institut Institut für Klima, Umwelt, Energie Gehalten anlässlich des Expertensympoiums am 28. Mai 2003 im Schlosshotel Karlsruhe Werkstoffeffizienz ist ein sehr vielfältiges Thema. Die vorgestellte Studie beleuchtet insbesondere die möglichen energetischen Einsparpotenziale im Zusammenhang mit der Kreislaufführung wichtiger Werkstoffgruppen. Damit betrachtet die Studie einen wichtigen Ausschnitt aus dem Bereich von Werkstoffeffizienz. Es gibt aber noch weitere Ansätze neben der Kreislaufführung (und der Kaskadennutzung) zur gesteigerten Werkstoffeffizienz. Dies können sein: • Materialauswahl • Konstruktive Maßnahmen • Ungefährlichkeit und eine schadlose, einfache Entsorgung

Energieeffizienz und Kreislaufführung Die häufig anzutreffende Reduktion des Energieverbrauchs bei der Herstellung von Werkstoffen aus sekundären Stoffen im Vergleich zu primären Rohstoffen ist ein zentraler Beweggrund für Kreislaufführung und ein wesentlicher Punkt im Bereich der Werkstoffeffizienz. Dennoch ist es natürlich so, dass die Beschränkung auf Energieeffizienz eine deutliche Einschränkung ist. Denn selbst dort, wo Energieverbrauch und Umweltverträglichkeit eng gekoppelt sind, gibt es einige Schwierigkeiten. • Nicht alle Energieträger sind gleichermaßen umweltschädlich oder emittieren ver-

gleichbar Treibhausgase. • Es gibt auch andere klimarelevante Emission als die aus der Energienutzung (z. B.

perfluorierte Kohlenwasserstoffe (PFC) oder Schwefelhexafluorid (SF6), die trotz geringer Mengen eine hohe Wirkung entfalten können. • Die Aussagekraft einer solchen energetischen Betrachtung ist also eingeschränkt.

Dennoch kann sie als erster Hinweis auf Effizienzpotenziale herangezogen werden. In vielen Fällen führt eine Kreislaufführung von Werkstoffen zu einer merklichen Reduktion des Energieverbrauchs. Die Leichtmetalle Aluminium und Magnesium sind sehr gute Beispiele hierfür. Abgeschwächt gilt das aber auch für andere Werkstoffe wie Stahl oder Verpackungsglas.

370

Anhang A3: Koreferat zum Projekt

Es ist jedoch nicht unbedingt ein allgemeingültiges Prinzip, dass Kreislaufführung stets zu einer Reduktion des Energieverbrauchs führt. Dafür gibt es verschiedene Gründe: • Die

wenigsten Kreisläufe wiederzuverwenden.

sind

in

der

Lage

den

kompletten

Werkstoff

• Beim Beispiel Stahl kann man sehen, dass zwar das Eisen wiedergewonnen wird

aber nur einige Legierungsmetalle (Ni, Cr, Cu) nicht verloren gehen. Die anderen werden oxydiert, gehen in die Schlacke und sind damit für den Kreislauf verloren. Zwar handelt es sich hierbei nur um relativ geringe Mengen, diese wurden aber z. T. mit recht hohem Aufwand hergestellt. Hinzu kommt, dass eine Tendenz weg von den einfachen Kohlenstoffstählen, hin zu legierten Stählen zu verzeichnen ist und in der Folge die eingesetzten Mengen an Legierungselementen und damit die Verlustmengen zunehmen. • Beim Aluminium ist das Problem etwas anders. Aus dem Aluminium können mit

Ausnahme von Mg keine Legierungselemente abgetrennt werden. Es besteht mit steigenden Einsatzquoten von Sekundärmaterialien also zunehmend das Problem, dass die durchschnittliche Schrottzusammensetzung in vielen Legierungen nicht in großen Mengen eingesetzt werden kann. • Nicht alle Kreisläufe sind wirklich energieeffizient. • Auch bei Werkstoffen die gut wiederzuverwenden sind, gibt es Obergrenzen für den

sinnvollen Einsatz von Sekundärrohstoffen. • Bei Verpackungsglas kann ein sehr hoher Scherbenanteil aufgrund der erhöhten

Anzahl von Glasfehlern bezogen auf die verkaufsfähigen Produkte auch energetisch ungünstiger sein. Dort muss man u. U. auch gezielt fehlerhafte Produkte aus dem Kreislauf herausnehmen um den Energieverbrauch zu senken, da ansonsten einzelne Glasfehler oder Fehlerursachen sehr lange in der Glashütte im Kreis geführt werden, immer wieder aussortiert werden und einen sehr hohen Energieverbrauch verursachen. Kaskadennutzung Eine Reihe von Werkstoffen sind nicht oder nur sehr schwer in Kreisläufen zu führen. Das trifft etwa auf keramische Werkstoffe, Bindemittel aber auch auf Kunststoffe zu. Hier ist eine Kaskadennutzung u. U. die einzige Möglichkeit einer sinnvollen Zweitnutzung. Die Werkstoffe werden nicht derselben, sondern einer anderen, oft anspruchsloseren Nutzung zugeführt. In einer Reihe von Fällen kann dies sinnvoll sein, z. B. bei der Nutzung gebrochener Ziegel als Zuschlag in Beton oder die Nutzung von Flachglasscherben bei der Faserglasherstellung. Etwas anders verhält es sich hier mit der Nutzung von Hochofenschlacke etwa als Rohstoff für die Zementproduktion. Hier wird ein Reststoff einer Nutzung zugeführt. Das muss aber nicht unkritisch sein. So wurde der Einsatz von Schlacken für die Pro-

Anhang A3: Koreferat zum Projekt

371

duktion von Mineralfasern praktisch eingestellt, da die hohe Biobeständigkeit dieser Schlackefasern zusammen mit dem Schwermetallgehalt ein erhebliches kanzerogenes Risiko birgt. Die Möglichkeit einer Kaskadennutzung allein ist keine hinreichende Vorraussetzung für eine sinnvolle Nutzung. Nicht jede hypothetische Nutzung berücksichtigt alle relevanten werkstoffkundlichen oder toxikologischen Aspekte. Auch an die meisten vermeintlich einfachen Werkstoffe werden inzwischen hohe Anforderungen gestellt. Der Einsatz schlecht geeigneter Sekundärrohstoffe kann die Leistungsfähigkeit der Werkstoffe drastisch reduzieren, den Energieverbrauch in der Produktion erhöhen oder die Lebensdauer der Produkte reduzieren. Eine Kaskadennutzung wird nur akzeptabel sein, wenn nicht die Nutzung von Sekundärrohstoffen die Eigenschaften einiger Werkstoffen in der Kaskade verschlechtert. Werkstoffsubstitution Eine andere Grenze der Kreislaufführung ergibt sich durch Werkstoffsubstitution. Die Suche nach neuen Werkstoffen und die Substitution alter Werkstoffe bedeutet zwangsläufig, dass auch in bestehende Kreisläufe eingegriffen wird. Eine deutliche Zunahme der Aluminiumverwendung im Automobilbau würde auch den Stahlkreislauf beeinflussen, da im Extremfall die anfallenden Schrottmengen keinen Abnehmer mehr finden würden. Zugleich bedeutet eine Werkstoffsubstitution jedoch auch, dass ein neuer Werkstoffbestand aufgebaut werden muss. Am Beispiel des Aluminiums, einem der stark wachsenden Werkstoffe, zeigt sich, dass die Recyclingquote, also der Anteil des anfallenden Schrotts der wieder eingeschmolzen wird, sehr hoch ist, die Einsatzquote, also der Anteil des Schrotts an dem produzierten Aluminium demgegenüber aber noch deutlich zurückbleibt. Das ist ein typischer Effekt bei neuen Materialien. Die Einführung neuer Werkstoffe und der Aufbau eines Bestandes ist auch aus Sicht der Umwelt nicht umsonst zu haben. Das zeigt auch das Automobilbeispiel aus der Studie sehr deutlich. Maßwerkstoffe als Trend Werkstoffe werden zunehmend an spezifische Anforderungen angepasst. Dementsprechend groß ist die Zahl der Werkstoffe. Das gilt nicht nur für Polymerwerkstoffe, die oft mit vielfältigen Zusammensetzungen erhältlich sind, sondern z. B. auch für Metalle (ca. 2000 Stahlsorten). Diese Fülle unterschiedlicher Werkstoffe beeinträchtigt die Kreislaufführung erheblich, denn eine möglichst sortenreine Erfassung ist oft Vorraussetzung für ein hochwertiges Recycling. Zugleich eröffnen diese Werkstoffe aber auch neue Möglichkeiten, auch mit Blick auf Werkstoffeffizienz.

372

Anhang A3: Koreferat zum Projekt

Daher muss hinterfragt werden, ob das Konzept der Kreislaufführung nicht primär eines für Massenwerkstoffe ist und ob für sehr spezielle Werkstoffe die in geringen Mengen produziert werden nicht mehr Wert auf eine längere Nutzung, eine mögliche Kaskadenutzung und auf eine schadlose Entsorgung gelegt werden muss. Zusammenfassung Kreislaufwirtschaft kann bei einer Reihe von Werkstoffen zu einer deutlichen Reduktion des Energieverbrauchs beitragen. Kreislaufführung kann jedoch nur ein Ansatz zur Werkstoffeffizienz sein. • Wenn es zu einer Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften kommt, wird nicht

nur die Akzeptanz reduziert, auch der Nutzen relativiert sich. • Kreislaufführung eignet sich insbesondere bei eher kurzlebigen Werkstoffen und bei

Massenwerkstoffen. • Bei

langlebigen Werkstoffen und bei Maßwerkstoffen ist der Nutzen der Kreislaufführung oder die Möglichkeit zur Kreislaufführung eingeschränkt. Hier sollte eine schadlose Entsorgung und die Möglichkeit zur Kaskadennutzung in Betracht gezogen werden.

Auch jede Kreislaufführung erfordert einen Energieeinsatz und ist mit Materialverlusten verbunden. Daher ist eine Lebensdauerverlängerung in vielen Fällen zu favorisieren, zumindest dann, wenn nicht durch neue Produkte in der Nutzung erhebliche Einsparungen erzielt werden können.

Anhang A4: Teilnehmerliste des Expertensymposiums

Anhang A4:

373

Teilnehmerliste des Expertensymposiums am 28. Mai 2003 im Schlosshotel Karlsruhe

Dr. Helmut Lawitzka Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit Dr. Claus Börner Forschungszentrum Jülich GmbH Projektträger PTJ Dr. Siegfried Schäper Audi Ingolstadt Dr. Johann Overath Bundesverband Glasindustrie e. V. Dirk Deppe Institut für Ziegelforschung Essen e. V Dr. Horst Michael Aichinger Verein Deutscher Eisenhüttenleute Dr. Ingo Sartorius Verband Kunststofferzeugende Industrie e. V. Michael Ritthoff Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH Christophe RAESS French-German Institute for Environmental Research (DFIU/IFARE) Universität Karlsruhe (TH)

Bearbeiter der Studie Dr. Gerhard Angerer Lars Behnke Dr. Harald Bradke Dr. Wolfgang Eichhammer Prof. Dr. Eberhard Jochem Wilhelm Mannsbart Dr. Frank Marscheider-Weidemann Michael Schön Dr. Rainer Walz Dr. Martin Wietschel Alle vom Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung (ISI) Michael Ball French-German Institute for Environmental Research (DFIU/IFARE), Universität Karlsruhe (TH) Carsten Nathani c/o Professur für Umweltphysik, ETH Zürich

374

Glossar

Glossar Abfall

Das europäische Abfallrecht unterschiedet zwischen Abfällen zur Verwertung und Abfällen zu Beseitigung. Der Begriff Reststoff (= Abfall zur Verwertung) wurde aufgegeben. Die Wirtschaft ist mit dieser Regelung nicht glücklich, weil dadurch auch wertvolle Wirtschaftgüter als Abfälle zu deklarieren sind.

Asphalt

Natürlich vorkommendes oder technisch hergestelltes Gemisch aus Bitumen und Mineralstoffen sowie ggf. weiteren Zuschlägen und/oder Zusätzen. In einigen Ländern, wie den USA, wird der Begriff "asphalt" auch zur Bezeichnung des Bindemittels Bitumen verwandt.

Asphaltgranulat

Durch Fräsen oder durch Aufbrechen, mit anschließender Verkleinerung in Stücke, gewonnener Ausbauasphalt.

Asphaltmastix

Gemisch aus Bitumen, Gesteinsmehl und Sand mit einem Massenanteil an Bitumen von 13 % bis 16 %.

Ausblühung

Kapillarer Wassertransport (mit den vor allem aus dem Mörtel gelösten Salzen) an die Oberfläche eines Ziegels und anschließender Verdunstung des Wassers.

Beseitigung

Dauerhafte Ausschleusung von Produkten und Stoffen aus dem Wirtschaftskreislauf durch die Verbringung auf Deponien oder in Abfallbehandlungsanlagen (Verbrennung, Chemisch-Physikalische Behandlung etc.).

Bitumen

Nahezu nicht flüchtiges, klebriges und abdichtendes erdölstämmiges Produkt, das bei Umgebungstemperatur in Toluol vollständig oder nahezu vollständig löslich ist und auch in Naturasphalt vorkommt. Die offizielle Definition nach DIN 55 946, Teil 1 lautet: Bei der Aufarbeitung geeigneter Erdöle gewonnene schwerflüchtige, dunkelfarbige Gemische verschiedener organischer Substanzen, deren Viskosität sich mit der Temperatur verändert.

Downcycling

Gelegentlich verwendeter Begriff für eine Verwertung von Altstoffen mit hohem Wertschöpfungsverlust.

Glossar

energetische Verwertung

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Nutzung des Energiegehalts von Abfällen durch Verbrennung.

Energie-Einsparverordnung Die Energie-Einsparverordnung (EnEV) ist am 1. Februar 2002 in Kraft getreten. Die EnEV 2001 ist keine zusätzliche Verordnung sondern fasst die bis dahin existierende Wärmeschutzverordnung und die Heizungsanlagen-Verordnung zusammen. Das Neue an der EnEV ist unter anderem, dass sie den zulässigen Jahres-Heizenergiebedarf eines Wohngebäudes beschränkt. Enthalpie

Unter spezifischer Enthalpie versteht man die Wärmemenge, die in der Luftmasse relativ zu einem bestimmten Luftzustand vorhanden ist. Die Enthalpie der ungesättigten Luft ist die Summe der Enthalpie, um den enthaltenen Wasseranteil zu verdampfen, zuzüglich der Enthalpie, um das Wasser- Dampfgemisch auf die entsprechende Temperatur zu erwärmen.

Kreislaufführung

Rückführung von Abfällen zur Verwertung in den Wirtschaftskreislauf als Sekundärrohstoff.

KrW-/AbfG

Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz vom 27. September 1994, das am 7. Oktober 1996 vollinhaltlich in Kraft trat und das Abfallgesetz ablöste. Zweck des Gesetzes ist die Förderung der Kreislaufwirtschaft zur Schonung der natürlichen Ressourcen und die Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen. Als Rahmengesetz bedarf es der Präzisierung durch untergesetzliche Regelwerke (bspw. Verpackungsverordnung).

Primärrohstoff

(Werk-)Stoff, der den natürlichen Ressourcen der Erde entnommen wurde.

Polymer

Substanz, die aus solchen Molekülen aufgebaut ist, in denen eine Art oder mehrere Arten von Atomen oder Atomgruppierungen (konstitutionelle Einheiten = monomere) wiederholt aneinander gereiht sind.

Polymermodifizierte Bitumen Polymermodifizierte Bitumen (PmB) sind Bitumen, die durch chemische Vernetzung von Destillationsbitumen und Polymeren hergestellt werden, wobei sich das physi-

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Glossar

kalische Verhalten von Bitumen verändert. Die wichtigsten Anwendungsgebiete von polymermodifizierten Bitumen sind besonders beanspruchte Verkehrsflächen im Straßen- und Flughafenbau und die Herstellung hochwertiger Dach- und Dichtungsbahnen. Puzzolane

Puzzolanische Stoffe enthalten wenig bis gar kein Calciumoxid. Calciumhydrooxid aus der Portlandzementhydratation ist deshalb nicht nur als Anreger, sondern auch als Reaktionspartner notwendig. Puzzolanische Stoffe können stark, mittel oder schwach reagieren und tragen dementsprechend mehr oder weniger zur Festigkeit und Dichtigkeit des Betons bei. Silicatstaub hat in dieser Gruppe die höchste Aktivität, weil es am wenigsten kristalline Anteile und die größte spezifische Oberfläche hat.

Recycling

Oberbegriff für die erneute Verwendung oder die Verwertung von Produkten und (Werk-)Stoffen. Die Art des Recyclings bestimmt die Höhe des Wertschöpfungsverlusts. Im Regelfall nimmt die Abwertung in folgender Reihenfolge zu: Wiederverwendung, Weiterverwendung, werkstoffliche Wiederverwertung, werkstoffliche Weiterverwertung, rohstoffliche Verwertung, energetische Verwertung. Alle Recyclingbegriffe werden in der Praxis schwankend verwendet.

Weiterverwendung

Erneute Benutzung eines gebrauchten Produkts unter weitgehender Beibehaltung der Produktgestalt in einer anderen Verwendung.

Weiterverwertung

Erneuter Einsatz von (aufbereiteten) Abfallstoffen in einem Produktionsprozess zur Herstellung anderer Produkte.

werkstoffliche Verwertung

Verwertung eines Abfallstoffs unter Beibehaltung seiner Stoffmatrix.

Wiederverwendung

Erneute Benutzung eines gebrauchten Produkts unter weitgehender Beibehaltung der Produktgestalt für den ursprünglichen Verwendungszweck.

Glossar

Wiederverwertung

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Erneuter Einsatz von (aufbereiteten) Abfallstoffen im ursprünglichen Produktionsprozess zur Herstellung des Produkts, aus dem der Abfall stammt.

RC-Baustoff

Sekundärbaustoff

Rohdichte

Die Rohdichte gibt an, wie viel Kilogramm ein Dezimeter (= 1 Liter) des Stoffes wiegt. Bei Ziegeln wird die Rohdichte im trockenen Zustand ohne Abzug der Lochung gemessen.

rohstoffliche Verwertung

Verwertung eines Abfallstoffs unter Auflösung seiner Stoffmatrix.

Sekundärrohstoff

(Werk-)Stoff, der durch Recycling aus Abfällen gewonnen wurde und als Rohstoff in der Produktion genutzt wird.

Taktizität

Regelmässige

Anordnung

einer

Einheit

in

der

Polymerkette. Bei isotaktischen Isomeren liegen alle Einheiten

in

der

syndiotaktischen

gleichen Einheiten

Konfiguration wechseln

vor,

sich

bei zwei

Konfigurationen ab. Ataktische Polymere haben keine regelmäßige Struktur. Thermoplaste

sind Kunststoffe, die durch Erwärmen in einen fließfähigen thermoplastischen Zustand gelangen und dann unter Druck geformt werden können.

TMP

Thermomechanical Pulp, im Refinerverfahren erzeugter Holzstoff

U-Wert

Der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) ist der Kennwert für den Wärmestrom (J/s = W), der bei einer Temperaturdifferenz von 1° Celsius (~1 Kelvin) durch 1 Quadratmeter einer Bauteilkonstruktion hindurchgeht. Gemessen wird der U-Wert in W/m²*K. Je kleiner der U-Wert, desto besser der Dämmwert, desto geringer die Wärmeverluste. Dieser Wert wird häufig auf einzelne Baustoffe bezogen. Sinnvoll sind jedoch nur U-Werte, die für eine gesamte Bauteilkonstruktion angegeben werden. Hierin sind dann neben den einzelnen Baustoffen auch die Übergangswiderstände berücksichtigt. Die Charakterisierung der einzelnen Baustoffe erfolgt über die Wärmeleit-

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Glossar

fähigkeit. Ist der U-Wert für ein bestimmtes Bauteil gegeben, kann für jede Konstruktion die Dämmschichtdicke bestimmt werden. Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit λ (Lambda) ist eine Stoffkonstante. Sie gibt an, welche Wärmemenge durch einen Baustoff unter festgelegten Bedingungen hindurchgeht. Je kleiner die Wärmeleitfähigkeit, desto besser ist die Dämmwirkung. Die Dämmstoffe sind in Wärmeleitfähigkeitsgruppen unterteilt.

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