Metalloberflächenreinigung mit CKW, KW und wässrigen Reinigern

Metalloberflächenreinigung mit CKW, KW und wäßrigen Reinigern - Stoffstromanalyse und Umweltbelastungsvergleich 
 

Zusammenfassung

Die Novellierung der 2. BImSchV (1990) hat in der Metalloberflächenreinigung (Metallentfettung) in breitem Maße zum Ersatz von CKW-Lösemitteln durch wäßrige Reiniger bzw. Kohlenwasserstoff(KW)-Lösemittel geführt. Die vorliegende Studie untersucht, inwieweit es dabei zu einer ökologischen Belastungsverlagerung vom Luft- zum Wasserpfad oder zu einer Verlagerung bei der Luftbelastung von CKW- zu KW-Emissionen kommt. Die Untersuchung wurde in den Jahren 1992 bis 1994 durchgeführt.

Als Hauptergebnis zeigt sich eine bedeutende Umweltentlastung durch die modernen Reinigungsverfahren. Die früher sehr hohen Lösemittelemissionen werden durch mengenmäßig stark reduzierte und - bei den Substitutionsverfahren (wäßrig, KW) - stofflich weniger problematische Emissionen und Abfälle ersetzt. Diese Umweltentlastung, die im Fall der wäßrigen Reinigung eine Belastungsverlagerung in den Abwasserbereich darstellt, bedingt allerdings einen erhöhten Energieverbrauch. Entgegen vielfach geäußerter Vermutung sind die Substitutionsverfahren gegenüber der modernen CKW-Reinigung im Schnitt kostengünstiger. Die Umstellung auf wäßrige Reinigung stellt den Hauptweg der CKW-Substitution dar; KW-Lösemittel gewinnen jedoch an Bedeutung. 

· Untersuchungsauftrag: Die ökologischen Folgen der CKW-Substitution in der Metalloberflächenreinigung - Verfahrensvergleich

1. Methodik. Die Untersuchung ist als empirischer Vergleich für 38 Fälle der industriellen Metalloberflächenreinigung angelegt, bei denen CKW durch wäßrige (2/3) oder KW-Reinigung (1/3) ersetzt wurden. Die Anlagenumstellung erfolgte in den untersuchten Betrieben im wesentlichen zwischen 1990 und 1992. Beim Verfahrensvergleich werden die Stoff- und Energieverbräuche, die Emissionen und Abfälle sowie die Kosten für die alte CKW-Reinigung und für die neuen Substitutionsverfahren bei identischen Reinigungsaufgaben (gleiches Reinigungsgut, gleiche Ölbeladung) erfaßt. Neben dem Anlagenbetrieb wird auch die Abfallentsorgung (Lösemittelrecycling und -kreislauf; Abwasserbehandlung; Rückstandsverwertung u.a.) berücksichtigt. In 27 der 38 Fälle hätten statt wäßriger oder KW-Reinigung auch moderne, geschlossene CKW-Anlagen entspr. novellierter 2. BImSchV eingesetzt werden können; in 11 Fällen war dies angesichts der verschärften Emissionsbestimmungen aus technischen Gründen nicht mehr möglich. Bei diesen 27 Fällen werden neben den empirisch erhobenen Angaben zum modernen wäßrigen bzw. KW-Betrieb auch Verbrauchs-, Emissions- und Abfalldaten für den modernen CKW-Anlagenbetrieb gegeben; diese Daten werden berechnet.

Auf dieser Grundlage lassen sich für die alten CKW-Anlagen und die neuen Ersatzanlagen (wäßrig, KW, CKW-modern) getrennte Stoffstromanalysen erstellen, in denen die Verbräuche und das Abfallaufkommen aus Anlagenbetrieb und Abfallaufbereitung zusammengefaßt werden. Anhand dieser Stoffstromanalysen werden die verschiedenen Reinigungsverfahren in einem ökologischen Belastungsvergleich hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen einander gegenübergestellt. In einem ersten Schritt gibt der "Vorher-Nachher"-Vergleich von CKW-Altanlagen und Substitutionsanlagen Auskunft über Umweltentlastung und ökologische Belastungsverlagerung durch den CKW-Ersatz. In einem zweiten Schritt werden die modernen Verfahren - wäßrig, KW und CKW entsprechend nov. 2. BImSchV - auf aktuellem Stand der Technik untereinander und mit dem alten CKW-System verglichen. Da es sich bei allen Vergleichsfällen jeweils um identische Reinigungsaufgaben handelt, die mit altem und neuem Verfahren bewältigt werden, ist eine direkte Gegenüberstellung der Verbrauchs-, Emissions- und Abfalldaten sowie der Betriebskosten gewährleistet. Dieser Vergleich gibt Aufschluß über die ökologischen Vor- und Nachteile der drei Verfahren.

2. Repräsentativität. Nach Anlagenauswahl und Erfassungsgrad kann die Studie Anspruch auf Verallgemeinerbarkeit der Ergebnisse für die anlagenbezogene Metalloberflächenreinigung erheben. Sie erfaßt alle relevanten Branchen. Die Anlagenauswahl repräsentiert (bezogen auf 1989) ein halbes Prozent des entsprechenden CKW-Anlagenbestandes mit über einem Prozent des damaligen Lösemittelverbrauchs für die Metallentfettung.

· Die wichtigsten Ergebnisse des Anlagenvergleichs 

3. Ersatz der Altanlagen: Alle drei modernen Verfahren bringen eine deutliche Umweltentlastung, aber höheren Energieverbrauch. Die traditionelle Metalloberflächenreinigung in mehr oder weniger offenen CKW-Anlagen hatte zu sehr hohen CKW-Emissionen und dadurch bedingten Luft-, Boden- und Wasserbelastungen geführt. Alle drei modernen Verfahren - wäßrig, KW und CKW nach nov. 2. BImSchV - führen zu einer eindrucksvollen Entschärfung dieser bisherigen CKW-Belastungen. Sie bewirken sie auf verschiedenen Wegen und mit unterschiedlicher Belastungsverlagerung.

Bei gleicher Reinigungsaufgabe verringern sich die reinigerbedingten Umwelteinträge aus Anlagenbetrieb und Abfallbehandlung durch die neuen Verfahren deutlich. In den Fällen, wo die alte CKW-Reinigung durch ein Substitutionsverfahren (wäßrig oder KW) oder durch moderne CKW-Reinigung ersetzt werden kann, ergeben sich im Durchschnitt folgende Relationen: Eine Tonne Emissionen/Abfall aus dem jeweiligen neuen Reinigungsverfahren (wäßrig, KW oder CKW-modern) ersetzt Emissionen/Abfall aus der alten CKW-Reinigung im Umfang von 23 Tonnen bei der wäßrigen Substitution, von 5 Tonnen bei der KW-Substitution und von 90 Tonnen bei Einführung hermetisch geschlossener CKW-Anlagen. Die Abfallmenge wird also auf 4 Prozent (wäßrig), 20 Prozent (KW) bzw. 1 Prozent (moderne CKW-Anlagen) gegenüber dem alten CKW-Verfahren verringert. (Beim modernen CKW-Verfahren sind später "Zweitemissionen" aus dem Lösemittelkreislauf zu berücksichtigen; vgl. Ziff. 7).

Die Kehrseite: Der Rückgang der reinigerbedingten Umwelteinträge wird bei allen drei Verfahren durch erhöhten Energieverbrauch und damit auch durch erhöhten CO2-Anfall erkauft. Die Zunahme des Energieverbrauchs gegenüber den ersetzten alten CKW-Anlagen liegt für alle drei Verfahren (wäßrig, KW, CKW-modern) in der gleichen Größenordnung: Statt 1 kWh bei der alten CKW-Reinigung werden jetzt bei wäßriger Reinigung 1,7 kWh, bei KW-Reinigung 1,2 kWh und bei moderner CKW-Reinigung etwa 1,5 kWh verbraucht. Für die CO2-Belastung ist dabei der Energiemix bei der Energieerzeugung wichtig; bei den wäßrigen und KW-Verfahren werden mehr Primärenergieträger (Gas, Öl) mit vergleichsweise geringerem CO2-Anfall eingesetzt als bei den elektrointensiven CKW-Anlagen.

4. Öko- und Humantoxizität: wäßrige Reinigung schneidet am besten ab. Bei der Bewertung der eingesetzten Stoffe CKW, KW und wäßrige Reiniger einschließlich ihrer Abbauprodukte schneiden die wäßrigen Reiniger am günstigsten ab. Dies ist auf den inzwischen erreichten Grad der biologisch-chemischen Abbaubarkeit der Reinigerinhaltsstoffe und auf die Substitution einer Reihe von Problemstoffen zurückzuführen. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß bei der wäßrigen Reinigung große Teile (etwa 60 Prozent) der den Bädern zugeführten Wirkstoffmenge nicht ins Abwasser gelangen, sondern bei der Badpflege und der Abwasserbehandlung mit dem abgereinigten Öl ausgetragen und der Abfallbehandlung zugeführt werden. Auch die nichthalogenierten, benzol- und hexanarmen Kohlenwasserstoffe sind trotz ihres Beitrags zur photochemischen Ozonbildung weit weniger problematisch als CKW. Ihre Brennbarkeit und Explosibilität sind verfahrenstechnisch gut zu beherrschen, stellen aber einen nicht zu vernachlässigenden Risikofaktor dar. Unter den Gesichtspunkten Stoffeigenschaften und Anlagenbetrieb ist die wäßrige Reinigung eindeutig am fehlerfreundlichsten.

Die reinigerbedingten Umwelteinträge aus wäßriger bzw. KW-Reinigung sind mengenmäßig größer als jene, die bei der gleichen Reinigungsaufgabe aus dem Anlagenbetrieb des modernen CKW-Systems anfallen, liegen aber noch in vergleichbaren Größenordnungen. Bei wäßriger Reinigung betragen sie das Vierfache, bei KW-Reinigung das Fünfzehnfache. Sie sind jedoch stofflich weit weniger umweltbelastend als die auch beim modernen CKW-Anlagenbetrieb und CKW-Umlauf anfallenden Lösemittel-Emissionen. Da Energieverbrauch und CO2-Anfall für alle drei modernen Verfahren etwa gleich groß sind, kann der Schluß gezogen werden, daß mit den Substitutionsverfahren (wäßrig, KW) in den meisten Fällen eine stärkere Umweltentlastung zu erzielen ist als mit dem modernen CKW-Verfahren.

5. Kostenvergleich spricht zugunsten der wäßrigen und KW-Anlagen. In den Fällen, wo wäßrige und moderne CKW-Anlagen eingesetzt werden können, liegen die Betriebskosten (ohne Abschreibungen) für die wäßrigen Anlagen um 30 Prozent unter jenen der alten CKW-Anlagen und um 40 Prozent unter den Kosten der modernen CKW-Anlagen. Entscheidend sind die auf etwa ein Viertel reduzierten Kosten für Chemikalien, ferner die deutlich niedrigeren Entsorgungskosten bei der wäßrigen Reinigung. Die Energiekosten waren für beide Systeme etwa gleich hoch. Die modernen Anlagen sind generell deutlich teurer als die (längst abgeschriebenen) CKW-Altanlagen. Dabei waren die wäßrigen Anlagen um durchschnittlich 15 Prozent teurer als die modernen CKW-Anlagen. Bei Berücksichtigung der Abschreibungen liegen die Kosten des modernen CKW-Betriebs immer noch um etwa 35 Prozent über den vergleichbaren Kosten der wäßrigen Reinigung.

Bei KW-Anlagen sind die Verhältnisse vergleichbar: Gegenüber den CKW-Altanlagen verringerten sich die Betriebskosten um ein Drittel. Entscheidend ist hier der deutlich reduzierte Lösemittelverbrauch. Wo moderne CKW-Anlagen mit KW-Anlagen konkurrieren, ist das neue CKW-System teurer als KW-Reinigung.

6. CKW gegenwärtig nicht überall ersetzbar. Die Erfahrungen der bisherigen Anlagenumstellung zeigen, daß es neben dem großen Feld, auf dem alle drei modernen Reinigungsverfahren konkurrieren, auch Reinigungsaufgaben gibt, die von einzelnen Reinigern faktisch nicht bewältigt werden können. Beim heutigen Stand der Technik wird der Bereich, in dem CKW-Reinigung durch andere Verfahren nicht oder nur zu wirtschaftlich völlig unvertretbaren Bedingungen ersetzt werden kann, auf etwa 10, maximal 15 Prozent der Anwendungsfälle geschätzt. Das entspricht etwa 850 bis 1 500 Anlagen. Es geht hierbei um ein vielfältiges und kleinteiliges, geometrisch kompliziertes und gegenüber mechanischer Beanspruchung empfindliches Teilespektrum, bei dem Werkstoffunverträglichkeit gegenüber wäßriger Reinigung und/oder eine geringe Wärmekapazität und dadurch bedingte Trocknungsprobleme auftreten. Dieser Bereich gegenwärtig "unverzichtbarer CKW-Anwendung" dürfte mit der weiteren Entwicklung der Substitutionsverfahren noch eingeengt werden.

· Probleme und Optimierungsmöglichkeiten bei den einzelnen Verfahren 

7. CKW-Verfahren: trotz Emissionsminderung bisher kein geschlossener Lösemittel-Kreislauf. Die Schwachstelle des modernen CKW-Verfahrens beim heutigen Stand ist nicht der Anlagenbetrieb, sondern seine Lösemittelversorgung. Sie erfolgt nach wie vor im wesentlichen durch fabrikneue Frischware. Obwohl der verschmutzte CKW weitgehend regeneriert wird, fließt dieses Regenerat zu großen Teilen nicht wieder in den Kreislauf zu gleichem Verwendungszweck in geschlossenen Anlagen zurück, sondern es wird in mindere Awendungszwecke gedrängt (Export) und emittiert dabei ("Zweitemission"). Während bei Anlagen nach nov. 2. BImSchV die Emissionen aus dem Anlagenbetrieb ("Erstemission") gegenüber den CKW-Altanlagen um 99 Prozent reduziert werden konnten, ist der umweltbelastende Lösemittelverlust im Sinne einer "Zweitemission" bei den untersuchten Anlagen gegenüber dem alten CKW-System bedeutend weniger zurückgegangen. Hierfür gibt es keine technische Gründe, da die modernen CKW-Anlagen auch mit Regenerat funktionsfähig sind, sondern primär wirtschaftliche Herstellermotive. Es ist daher erforderlich, den Regeneratabfluß in mindere, emissionträchtige Verwendungen zu unterbinden, um den CKW-Kreislauf für den Bereich nicht ersetzbarer CKW-Verwendung zu schließen und den CKW-Umlauf so weit wie möglich zu verringern.

8. Wäßrige Anlagen: Optimierungsbedarf bei Energieverbrauch und Reinigern. Während sich die modernen CKW-Anlagen auf einem vergleichsweise entwickelten Stand befinden, sind bei den Substitutionsverfahren eine Vielzahl von Verbesserungen möglich. Bei den wäßrigen Anlagen betrifft das insbesondere den gegenüber CKW-alt erhöhten Energieverbrauch, der auf die starke Vergrößerung der Badvolumina (wegen des geringeren Öltragevermögens der wäßrigen Lösungen) und auf die Trocknung zurückgeht. Hier sind konsequente Maßnahmen der Wärmedämmung und der Energierückgewinnung sowie ein abgewogenerer Einsatz energieaufwendiger Badpflegemaßnahmen (Verdampfer) erforderlich. Angesichts der dann günstigeren CO2-Bilanz ist soweit wie möglich auf elektrische Beheizung der Anlagen zugunsten von Primärenergieträgern (Gas, Öl) zu verzichten. Die bisherige Strompreisgestaltung für industrielle Abnehmer fördert die Energievergeudung.

Durch verschiedene Maßnahmen können Reinigerverbrauch und Abwasserbelastung verringert werden. Dazu gehören: konsequente Vorentölung besonders durch physikalisch-mechanische Verfahren; Überprüfung des Einsatzes energieaufwendiger Verdampferverfahren mit hohem Reinigerverbrauch; Übergang zu gezielter Reinigernachdosierung (Baukastenkonzept für Reiniger); Überprüfung von chemischen Abwasserbehandlungsverfahren mit hohem Einsatz von Behandlungschemikalien. Die untersuchten Industriereiniger enthalten trotz deutlicher Verbesserung eine Reihe von "Problemstoffen", die ökologisch, z.T. auch arbeitsökologisch nicht unbedenklich sind und auf ihre weitere Verwendung hin überprüft werden sollten. Außerdem ist bei wäßriger Reinigung auf eine sorgfältige Abstimmung zwischen Reinigern, Werkstoffen, Öl und Abwasserbehandlungsverfahren zu achten. Auch mit Wasser, das bei der Reinigung kostenmäßig nicht ins Gewicht fällt, wird nicht besonders sparsam umgegangen.

9. KW-Anlagen: Verminderung von VOC-Emissionen und Energieverbrauch sowie Lösemittel-Kreislaufführung erforderlich. KW-Reinigung gewinnt gegenwärtig an Bedeutung. Bei nicht genehmigungspflichtigen Anlagen ist sie emissionsrechtlich weitgehend ungeregelt. Angesichts der VOC/Ozon-Problematik sollte hier ein rechtlicher Rahmen geschaffen werden. Hohe Lösemittelverluste bei KW-Anlagen betreffen in erster Linie Großanlagen mit Heißlufttrocknung zur seriellen Reinigung, die zudem energieintensiv sind. Hier sind Maßnahmen zur Emissionsminderung erforderlich (Kondensationsabscheidung), für die die geplante VOC-Richtlinie Ansatzpunkte bietet. Diese Anlagen sind zudem auf Energieeinsparung und -rückgewinnung zu überprüfen. Lösemittelverluste können durch Ausweitung des KW-Recyclings statt Verbrennung und durch bessere destillative Badpflege vermindert werden.

10. Beachtliches Vollzugsdefizit bei nov. 2. BImSchV. Die Übergangsregelungen der novellierten 2. BImSchV laufen Ende 1994 aus. Die Anlagenumstellung erfolgt jedoch nur schleppend. Für Ende 1994 wird der Bestand an CKW-Altanlagen, die durch wäßrige oder KW-Reinigung bzw. moderne CKW-Anlagen ersetzt werden müssen, auf etwa 4 000 bis 5 000 Anlagen (Volumen über 50 l) geschätzt. Bei einem Gesamtbestand von 30 000 - 40 000 Anlagen zur Metalloberflächenreinigung (alle Verfahren) bedeutet das ein beachtliches und unter Umwelt- wie Arbeitsschutzgesichtspunkten nicht zu verantwortendes Vollzugsdefizit.