Entstehung von CO2- Emissionen bei der Herstellung von Aluminium Walzprodukten vor
dem Hintergrund des nationalen Emissionshandelssystems
Ein wesentliches Ziel der derzeitigen Klimapolitik ist die Reduzierung entstehender Treibhausgase. Mit ihr gingen in der nahen Vergangenheit unterschiedliche Maßnahmen einher um die durch das Kyoto- Protokoll gesteckten Ziele bis 2012 erfolgreich einhalten zu können. Das nationale Emissionshandelssystem stellt eine dieser Maßnahmen dar.
Hierüber werden verschiedene Tätigkeiten der Energiewirtschaft und der Industrie bereits durch das Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz erfasst und unter einen gemeinsamen CO2- Cap gestellt. Um weitere Reduzierungspotentiale zu erschließen beschäftigte sich ein durch die Firma Aleris Walzprodukte Koblenz GmbH initiiertes Projekt mit einer Tätigkeit, die bisher nicht vom nationalen Emissionshandel erfasst wurde: der Tätigkeit zur Herstellung von Aluminium Walzprodukten. Neben einer ausführlichen CO2- Prozessanalyse relevanter Herstellungsverfahren und der integrativen Betrachtung ganzer Prozessketten, wurden Emissionswerte für unterschiedliche Produkte entwickelt (vgl. Neumeister 2007). Diese verhalfen dazu, entsprechende CO2- Emissionen, die bei der Erzeugung von Aluminium Walzprodukten anfallen, vor dem Hintergrund des nationalen Emissionshandels zu beurteilen und zu bewerten.
Die betrachteten Prozesse bzw. Prozessketten umfassten sämtliche relevanten Vorgänge zur Erzeugung von Aluminium Bändern/ Blechen und Platten. Im Wesentlichen waren dies Prozesse innerhalb der Betriebsbereiche Gießerei, Warmwalzwerk, Kaltwalzwerk und Plattenfertigung. Zusätzlich wurden noch die Bereitstellung von Druckluft, Wasser und der energetische Bedarf von Flurförderzeugen mit analysiert. Die Grenze der Bilanzierung stellte die Abgrenzung zur Herstellung von Aluminium Bändern/ Blechen und Platten dar. Diese wurden innerhalb der Fertigungsbereiche so gewählt, dass Fehler durch Vernachlässigungen, Ausgrenzungen und Abschätzungen minimal waren. Die nachfolgende Grafik (siehe Abb. 1) veranschaulicht bilanzierte Stoff- und Energieströme einzelner Prozesse:
Abb. 1 Darstellung der berücksichtigten Stoff- und Energieströme zur Ableitung der spezifischen Endenergieverbräuche bzw. der entsprechenden spezifischen CO2- Emissionen.
Die Betrachtung etwaiger Energieverbräuche bezog sich im Rahmen der Arbeit ausschließlich auf den Einsatz von Endenergie.
Der energetische Einfluss folgender Punkte fand indes keine Berücksichtigung:
– benötigte Rohstoffe und entstehende Emissionen zur Erzeugung/ Bereitstellung von Erdgas, Diesel, Wasser
und Strom durch entsprechende Versorgungsunternehmen,
– benötigte Rohstoffe und entstehende Emissionen zur Erzeugung/ Bereitstellung von Primäraluminium und
weiterer Legierungselemente bzw. verwendetem recycelten, Aluminium,
– menschlicher Arbeit, wie z.B. Maschinenbeschickung von Hand,
– metabolischer Arbeit, wie z.B. Nährwert von Lebensmitteln,
– Umweltenergie, wie z.B. natürlicher Beleuchtung oder Beheizung durch passive Solarenergienutzung.
Die erfassten energetischen Daten entstanden unter der besonderen Berücksichtigung eines ausgewählten Produktionsstandortes. Hierzu wurden sowohl historische Daten im Zeitraum zwischen 2000 und 2005 ausgewertet, als auch unterschiedliche Messreihen zur Ermittlung energetischer Verbräuche herangezogen. Die hier gezeigten Ergebnisse basieren auf den genannten Datenerhebungen welche rund 117 Anlagen umfassten, zzgl. bereits existierender Studien wie u.a. der SFB 525.
Die Bestimmung der einzelnen CO2- Emissionen betrachteter Herstellungsverfahren erfolgte über die entsprechend ermittelten spezifischen Endenergieeinsätze. Unterteilt wurden die entstehenden CO2- Emissionen in zum einen prozessbedingte Emissionen und zum anderen energiebedingte Emissionen (vgl. ZUG 2007).
Prozessbedingte Emissionen sind laut Definition „[…] alle Freisetzungen von Kohlendioxid in die Atmosphäre, bei denen das Kohlendioxid als Produkt einer chemischen Reaktion entsteht, die keine Verbrennung ist“ (§13 Absatz 2 ZUG 2007). Es konnte gezeigt werden, dass bei den betrachteten Prozessen keinerlei prozessbedingte Emissionen entstehen. Energiebedingte Emissionen hingegen sind verbrennungsbedingte Emissionen. Die Berechnung dieser Emissionen erfolgt über eine Aktivitätsrate und über einen entsprechenden Emissionsfaktor. Erfolgt die Bestimmung der CO2-Emissionen über einen entsprechenden Emissionsfaktor, so wird weiterhin der untere Heizwert in Ansatz gebracht. Werden die CO2- Emissionen über den Kohlenstoffgehalt bestimmt so ist ein Umsetzungsfaktor für CO2/C von 3,664 (EU 2004) anzusetzen. Innerhalb der Kohlenstoffbilanz wird dabei zusätzlich unterschieden zwischen biogenen und nicht- biogenen Kohlenstoffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der seitens der Dehst empfohlene Faktor für Erdgas L mit 0,0002015tCO2/kWhth zu Grunde gelegt. Für Diesel indes wurde ein Emissionfaktor von 0,000270tCO2/kWhth angewandt. Die hierüber ermittelten CO2- Frachten sind nicht biogen. Biogene Kohlendioxid Emissionen stehen laut Definition für „Emissionen aus der Oxidation von nicht fossilem und biologisch abbaubaren, organischen Kohlenstoff zu Kohlendioxid“ (§2 Absatz 8 ZUV 2007). Sprich Primärenergieträger wie Erdöl, Kohle und Erdgas bestehen aus sog. nicht- biogenen Kohlenstoff laut der ZUV 2007 und damit nach Ansicht der Deutschen Emissionshandelsstelle.
Anhand des jeweiligen Emissionsfaktors erfolgte die Umrechnung dann über,
mit,
EMP,i = Spezifisch energiebedingte CO2- Emissionen der jeweiligen Prozesse [tCO2/tAl]
EP,i = Brennstoffverbrauch der jeweiligen Anlage [Nm3]
Pi = Produktion der jeweiligen Anlage [tAl]
Huarithm = Unterer Heizwert des verwendeten Brennstoffes im arithmetischen Mittel [kWh/Nm3]
EMi = Emissionsfaktor des jeweiligen Primärenergieträgers [tCO2/kWh]
Als Ergebnis der Prozessanalyse wurden spezifische CO2- Emissionen unterschiedlicher Anlagen dargestellt und in verschiedenen Produktgruppen zusammengefasst. Für den Fertigungsbereich Gießerei wurden die Arbeitsabläufe des Chargierens, Schmelzens, Haltens, Refinings, Gießens, Abschopfens, Fräsens und Plattierens berücksichtigt (siehe Abb. 2). Anhand entsprechender Produktgruppen wurde ersichtlich, dass die entstehenden CO2- Emissionen im Bereich von 0,017 bis 0,488tCO2/tAl liegen. Für den Bereich des Warmwalzwerkes wurden die Vorgänge des Erwärmens und Warmwalzen betrachtet. Das sich je nach Produktionsstruktur anschließende Kühlen konnte aufgrund unzulänglicher Daten nicht mit berücksichtigt werden. Basierend auf der sich ergebenden Prozesskette zeigten sich CO2- Emissionen von 0,023 bis 0,086tCO2/tAl. Der im anschließenden Schritt betrachtete Fertigungsbereich des Kaltwalzwerkes beinhaltete die Prozesse des Vor-, Zwischen- bzw. Fertigglühens, des Kaltwalzens, des Längs-/ Querteilens, des Reckens und des letztendlichen Verpackens. Die CO2- Emissionen lagen hier im Bereich von 0,002 bis 0,305tCO2/tAl. Schließlich wurde noch der Bereich der Plattenfertigung bilanziert. Bei den hierbei untersuchten Prozessen handelte es sich um das Glühen, Kaltwalzen Platte, Härten, Sägen, Recken und die Inspektion der Platten. Das sich ergebende Produktspektrum wurde mit Hilfe eines allgemeinen Produkt- Ansatzes definiert und zeigte im Gesamten CO2-Emissionen von 0 bis 0,409tCO2/tAl.
Abb. 2 Ergebnis der Prozesskettenanalyse im Fertigungsbereich der Gießerei mit Darstellung entstehender CO2-
Emissionen resultierend aus dem jeweiligen spezifischen Endenergiebedarf.
Nach Abschluss der Prozessanalyse wurde ein produktspezifischer Emissionswertebereich ermittelt. Dies erfolgte anhand der aufgestellten spezifischen CO2- Emissionen unterschiedlicher Produktgruppen. Die gesamten spezifischen CO2- Emissionen der Endprodukte Aluminium Band/ Blech bzw. Aluminium Platte ergaben sich über die unterschiedlichen Zusammenhänge der einzelnen Produktgruppen. Der Übersicht halber wurden diese in Abb. 3 dargestellt. Hierbei wurden die maximalen Bereiche der CO2-Emissionen bestimmt. Die ermittelten Bereiche an Emissionswerten ewKaltwalzwerk und ewPlattenfertigung können die Endprodukte Aluminium Band/ Blech und Platte repräsentieren.
Hierzu gilt,
und
mit,
ewAl-Band/ Blech = Produktspezifischer Emissionswert für Aluminium Bänder/ Bleche in tCO2/tAl
ewAl- Platte = Produktspezifischer Emissionswert für Aluminium Platten in tCO2/tAl
Weiterhin sollen an dieser Stelle Einflussgrößen genannt werden die mitunter maßgeblich den zu wählenden Emissionsbereich in unterschiedlichen Produktionsstätten beeinflussen.
Diese wären im Einzelnen,
(1) Technologien der vorhandenen Anlagen. Wesentlich beeinflusst wird der Emissionswert hierbei durch unterschiedliche Schmelzanlagen wie regenerative, rekuperative, Kaltluft- Brenner und induktive Systeme; aber auch verwendete Brennertypen an den eingesetzten Glühöfen.
(2) Technischer Zustand der verwendeten Anlagen. Maßgeblich ist hier der Zustand der Wärmedämmung eingesetzter Ofenanlagen, aber auch der Zustand verwendeter Brenner.
(3) Schmelz- und Glühprogramme nehmen Einfluss aufgrund unterschiedlicher Temperaturverläufe und festgelegter Zeiten. Ausschlaggebend ist an den Schmelzanlagen die vorhandene Fuchstemperatur und die gewählte Überführungstemperatur. Letztere nimmt wiederum Einfluss auf den jeweils nachgeschalteten
Halteofen.
(4) Produktionsspezfische Einflussgrößen wie die Auslastung der unterschiedlichen Anlagen; vorhandene Wartezeiten voneinander abhängiger Anlagen; unterschiedliche Prozessketten.
(5) Legierungen nehmen Einfluss durch Vorgabe der zu wählenden Schmelz- und Glühprogramme, sowie die Bestimmung der notwendigen Walzparameter. Weiterhin sind in diesem Zusammenhang unterschiedliche physikalische Eigenschaften von Bedeutung.
(6) Ausgangsmaterial hat Auswirkungen aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Abmessungen und der hierüber beeinflussten Wärmeübertragungsflächen innerhalb der Öfen, aber auch innerhalb weiterer Prozesse wie z.B. der Walzvorgänge, des Sägens etc.
Abb. 3 Darstellung der Herleitung möglicher Emissionswerte auf Basis der aufgestellten Produktgruppen.
Zu beachten ist, dass die hier abgebildeten Emissionswerte den maximal möglichen Bereich innerhalb der Produktion von Aluminium Walzprodukten angeben. Die oben genannten einschränkenden Kriterien sind folglich bei der Wahl des Wertbereichs heranzuziehen.
Zur Abschätzung der Einflussnahme der Erzeugung von Aluminium- Bändern/ Blechen und -Platten auf die nationale Allokation erfolgte eine Hochrechnung in Anlehnung an die laut Gesamtverband der deutschen Aluminiumindustrie berichteten Produktionsdaten der Aluminium- Halbzeuge. Nachstehend fasst dies Tab. 1 noch einmal zusammen. Analog zu der Produktionsentwicklung erzeugter Bänder/ Bleche und Platten verzeichnet sich ein Anstieg der CO2-Emissionen von 2000 mit max. erwarteten 1.301.464tCO2 auf 2005 mit max. 1.565.127tCO2.
Tab. 1 Zusammenstellung der Ergebnisse der Hochrechnung möglicher CO2- Emissionen produzierter Aluminium Walzprodukte auf Basis der Produktionsdaten von 2000 bis 2005 unter Anwendung der aufgestellten Emissionswerte.
Die Ergebnisse machen deutlich, dass aufgrund des erheblichen Spektrums an möglichen CO2- Emissionen der unterschiedlichen Produkte, es schwer sein wird diese mittels eines gemeinsamen Emissionswertes zusammen zu fassen. Im Rahmen des nationalen Emissionshandels ist es daher fraglich, ob eine Vereinheitlichung bei einer Verpflichtung der Aluminium verarbeitenden Industrie an den CO2- Zertifikatshandel über einen gemeinsamen Produkt-Emissionswert, sprich BVT- Produktbenchmark, erfassbar sein wird. Größere Abweichungen von einem gemeinsamen Emissionswert würden im Rahmen der Zuteilung zu erheblichen Ungerechtigkeiten für einzelne Betreiber führen und somit auch zu einem wirtschaftlichen Ungleichgewicht beitragen. Die politische Tendenz allerdings läuft derzeit stark auf die Vereinheitlichung für unterschiedliche Produkte hin. Für den Aluminium verarbeitenden Prozess bleibt
anzuraten, entweder auf Basis der hier erzielten Ergebnisse und zukünftiger Analysen, einen Benchmarkansatz zu entwickeln der mittels eines Ausgangswerts ein eingeschränkteres Spektrum als das hier ermittelte für eine Zuteilung von CO2-Zertifikaten vorsieht, oder aber es sollte versucht werden über die Festlegung unterschiedlicher Produktgruppen eine Zuteilung zu erzielen.
Auf Basis der hier ermittelten CO2- Emissionen der deutschen Aluminium Walzwerke soll nun der Einfluss auf die nationale Allokation kurz diskutiert werden. Die Anlagen der Aluminium Walzwerke wären in diesem Sinne als zusätzliche Neuanlagen anzusehen. Unter der Annahme eines konstanten Mengengerüsts bei vorangegangener Einplanung dieser Anlagen von rund 11MiotCO2 laut NAP II soll diese Menge für die weitere Beurteilung herangezogen werden. Ebenfalls wird bei der Betrachtung sowohl von den maximal, als auch minimal möglichen CO- Emissionen ausgegangen. Bezieht man diese für 2005 ermittelten CO2- Emissionen von 74.244tCO2 bis 1.565.127tCO2 auf den laut ZUG 2012 vorgegebenen CAP für zusätzliche Anlagen, so ergibt sich ein Anteil von rund 0,67 bis 14,2%. Dies würde bedeuten, dass bei den jährlichen Zertifikatsmengen der Jahre 2008- 2012 für die zusätzlichen Anlagen bis 14,2% der
Mengen auf die deutschen Aluminium Walzwerke entfallen könnten.
Legt man an dieser Stelle das ermittelte Maximum der hochgerechneten CO2- Emissionen für eine Zuteilung zu Grunde ohne die Berücksichtigung etwaiger anteiliger Kürzungen und stellt dieses den übrigen Tätigkeiten nach TEHG 2004 für das Jahr 2005 gegenüber (vgl. Tab. 2), so lässt sich erkennen, dass die angefallenen Mengen, zusammen mit den Emissionen resultierend aus den keramischen Erzeugnissen und der Zellstoffproduktion, im unteren Bereich zu finden sind.
Tab. 2 Gegenüberstellung der maximal erwarteten CO2- Zertifikatsmengen für die Tätigkeit der Erzeugung von Aluminium Walzprodukten im Jahr 2005 zu den weiteren Tätigkeiten im nationalen Emissionshandel nach TEHG 2004.
Hierbei darf nicht außer Acht gelassen werden, dass Tätigkeiten wie die Erzeugung von Zellstoff mit rund 305.828tCO2 bereits am Handelssystem teilnehmen und somit aktiv an der Einhaltung der getroffenen Minderungspflichten mitwirken. Kuhn/ Thielen 2003 berufen sich in diesem Zusammenhang auf die Minderung spezifischer CO2- Emissionen und die hierüber eingehaltene Selbstverpflichtung der Aluminium Industrie am Beispiel der Firma Aluminium Norf GmbH in Neuss. Eine Minderung der CO2- Emissionen bezieht sich im Sinne des nationalen Emissionshandels allerdings nicht auf spezifische CO2- Emissionen sondern stets auf absolute Mengen. Die Senkung der spezifischen CO2- Emissionen ist somit stets der Entwicklung der Produktionsmengen gegenüber zu stellen. Die durchgeführte Bilanzierung am Beispiel des betrachteten Aluminium Walzwerkes hingegen zeigte eine jährliche Zunahme der Gesamt CO2- Emissionen im Mittel der Jahre 2000 bis 2006 von rund 1,4%.
Abschließend ist zu sagen, dass eine mögliche Teilnahme der Tätigkeiten zur Erzeugung von Aluminium Walzprodukten keine gravierende Auswirkung auf die gesamte nationale Allokation haben wird. So könnte sich diese allerdings in der Anpassung des zu Grunde gelegten Erfüllungsfaktors äußern. Die zusätzlichen Mengen wären mitunter auf die bisher teilhabenden Unternehmen umzulegen. Inwiefern dies hin zu einer verstärkten Verkürzung des Marktes führt, bleibt abzuwarten. Vermutlich werden zusätzlich über CDM- und JI- Maßnahmen generierte Zertifikate, die innerhalb der zweiten Handelsperiode von 2008- 2012 bis zu einem Anteil von 22% (vgl. ZUG 2012 §18 Satz 1) genutzt werden können um die Abgabepflicht zu erfüllen, diesen Verkürzungseffekt ausgleichen.
Eine im Rahmen dieses Projektes entstandene Dissertation mit dem Thema „CO2- Prozessanalyse von Aluminium Walzprodukten und Ansätze für eine CO2 arme Produktion“ /Neumeister 2007/ wird Ende des ersten Quartals 2008 veröffentlicht. Diese beschäftigt sich neben der hier erwähnten Ableitung von Emissionswerten für Aluminium Walzprodukte auch hinsichtlich der Einhaltung des nationalen Klimaschutzziels mit Möglichkeiten der CO2- Minderung innerhalb der Produktionabläufe von Aluminium Walzwerken und berücksichtigt dabei auch erstmals die Anwendung einer CO2- Abscheidung.
+++ Diese Artikel wurde bereits im Rahmen meiner Disseration veröffentlicht. +++
+++ Aktuelle Zahlen können daher von den zuvor genannten abweichen. +++
Quellen:
/ZUG 2007/ „Gesetz über den nationalen Zuteilungsplan für Treibhausgas- Emissionsberechtigungen in der Zuteilungsperiode 2005 bis 2007“ Bundesgesetzblatt Jahrgang 2004 Teil I Nr. 45, Bonn 30. August 2004
/ZUG 2012/ „Gesetz zur Änderung der Rechtsgrundlagen zum Emissionshandel im Hinblick auf die Zuteilungsperiode 2008 bis 2012“ Bundesgesetzblatt Jahrgang 2007, Teil I Nr. 38, Bonn 10. August 2007
/ZUV 2007/ „Verordnung über die Zuteilung von Treibhausgas- Emissionsberechtigungen in der Zuteilungsperiode 2005- 2007“ Bundesgesetzblatt Jahrgang 2004 Teil I Nr. 46, Bonn 31. August 2004
/TEHG 2004/ „Gesetz zur Umsetzung der Richtlinie 2003/87/EG über ein System für den Handel mit Treibhausgasemissionszertifikaten in der Gemeinschaft“ Bundesgesetzblatt Jahrgang 2004 Teil I Nr. 35, Bonn 14. Juli
2004
/Kuhn; Thielen 2003/ „Fachberichte- Energieeinsparung und CO2 Minderung in einem integrierten Aluminium Walzwerk“ P. Kuhn, St. Thielen, in: Gaswärme International Bd. 52 Nr. 8, Gaswärme Institut, Essen 2003, S.508- 514
/EU 2004/ „Entscheidung der Komission vom 29/01/2004 zur Festlegung von Leitlinien für Überwachung und Berichterstattung betreffend Treibhausgasemissionen gemäß der Richtlinie 2003/87/EG des Europäischen Parlaments und des Rates“ Komission der Europäischen Union, Brüssel 29.01.2004
/Neumeister 2007/ „ CO2- Prozessanalyse von Aluminium Walzprodukten und Ansätze für eine CO2 arme Produktion“ J. Neumeister, Eingereichte Dissertation an der Fakultät für Maschinenwesen der Ruhr Universität Bochum, Bochum 2007