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Höhere Effizienz in der Papierindustrie

Ressourcen im Kreislauf

Holz, Wasser und Energie sind die wichtigsten Grundlagen der Papierindustrie. Doch sie sind begrenzt und damit teuer: Sie müssen effizient und nachhaltig eingesetzt werden. Die  Papiertechnische Stiftung (PTS) arbeitet unter anderem an Lösungen für die Schonung der wertvollen Ressourcen – nicht nur für die Papierindustrie.

Im Dauereinsatz – 24 Stunden am Tag läuft eine Maschine in der Papierfabrik – das ganze Jahr über. Das macht auch kleine Einsparungen bei Rohstoffen und Energie interessant. (© Papiertechnische Stiftung) vergrößern

Im Dauereinsatz – 24 Stunden am Tag läuft eine Maschine in der Papierfabrik – das ganze Jahr über. Das macht auch kleine Einsparungen bei Rohstoffen und Energie interessant. (© Papiertechnische Stiftung)

Effizienz lohnt sich – besonders in der Papierindustrie. Die ressourcen-, kapital-, und energieintensive Branche ist anfällig für Preisschwankungen. Vor allem die hohen Kosten für Rohstoffe und Energie fallen ins Gewicht. Letztere machen bei der Produktion von Papier, Pappe und Karton mehr als zehn Prozent der Gesamtkosten aus. Effizienzsteigerungen zahlen sich deshalb aus: „Die Papierfabriken produzieren fast das ganze Jahr über, 24 Stunden am Tag. Und der Umgang mit großen Mengen macht auch geringe Einsparungen wirtschaftlich attraktiv“, erklärt Dr.-Ing. Johannes Kappen, Bereichsleiter für Ressourcenmanagement der Papiertechnischen Stiftung (PTS). Das Brancheninstitut unterstützt Unternehmen durch Forschung, Beratung, Messtechnik und Weiterbildung.

Zellstoff von der Rolle – Über 20 Millionen Tonnen Papier werden jährlich in Deutschland produziert. (© Verband deutscher Papierfabriken)

Energieeffiziente Wasserreinigung

„Wir forschen etwa an der Erhöhung der Wertschöpfung durch innovative Produkte und neue faserbasierte Lösungen“, erläutert Dr.-Ing. Jean-Yves Escabasse. Der European R&D Manager koordiniert bei der PTS verschiedene multinationale Forschungsprojekte. „Und ein Schwerpunkt ist die Einsparung von Wasser, Energie und Rohstoffen.“ Denn die Papierindustrie ist zum Beispiel eine der wasserintensivsten Branchen.

Der Großteil fließt in die Aufbereitung der Fasern, die aus Holz oder Altpapier gewonnen werden. Aus dem dabei entstehenden dünnflüssigen Brei werden die Fasern mit riesigen Sieben abgeschöpft und der Großteil des verbleibenden Wassers zwischen Walzen herausgepresst.

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Wasserrückgewinnung schon enorm verbessert: Während 1950 noch 167 Liter Abwasser für die Produktion eines Kilogramms Papier anfielen, sind es heute nur noch rund elf Liter. Der Rest wird gereinigt und wieder in den Zyklus eingespeist.

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Ein Schwerpunkt der PTS: Einsparung von Wasser, Energie und Rohstoffen

„Auch der geschlossene Kreislauf ist möglich“, so der Verfahrenstechniker Kappen. „Das ist aber wirtschaftlich und ökologisch häufig nicht sinnvoll. Zu viel Energie müsste in die vollständige Wiederaufbereitung gesteckt werden.“ Einige der von der PTS koordinierten Forschungsprojekte beschäftigen sich daher mit der Entwicklung neuer und optimierter Technologien zur Wasseraufbereitung ohne zusätzlichen Energieaufwand. Zum Beispiel das Projekt „ALBA QUA “: Dabei wurde ein Reinigungsverfahren mit Hilfe von Mikroalgen entwickelt. Sie liefern den nötigen Sauerstoff für Bakterien, die Abwässer von organischen Bestandteilen befreien, und konnten in Pilotversuchen die mechanische Belüftung ersetzen – sie macht etwa die Hälfte der Energiekosten in Abwasserreinigungsanlagen aus.

Für eine industrielle Umsetzung sind allerdings noch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten nötig. Doch schon jetzt sind Nahrungsmittelhersteller und kommunale Kläranlagenbetreiber an der Technologie interessiert. Die Partner des vom europäischen Cornet-Programm geförderten Projekts kamen aus Deutschland, Belgien, Slowenien und Ungarn. Gerade in der Vorbereitung der Forschungsprogramme schätzt die PTS die Netzwerkkompetenz von Bayern Innovativ: „Über das Netzwerk gewinnen wir Partner nicht nur in Bayern, sondern europaweit, aus Forschung und Industrie“, so Kappen.

Abwassermenge – Mittlere Abwassermenge in der deutschen Papier- und Zellstoffindustrie in Litern pro Kilogramm (© Quelle: Wasser- und Abwassersituation in der deutschen Papier- und Zellstoffindustrie – Ergebnisse der Wasserumfrage 2010)

Einsparungen bei Energie und Wasser

Nicht nur an der Wasserreinigung, auch an der Rückgewinnung wird gearbeitet. Im laufenden Projekt CapWa entwickelt ein Konsortium aus 14 internationalen Partnern ein Membransystem: Es filtert aus industrieller Abluft Wassermoleküle heraus. „CapWa ist ein typisches Beispiel für die Arbeit der PTS “, erklärt Kappen. Denn die Filtermembranen werden nicht neu entwickelt, sondern bestehende Systeme verbessert: „Wir beobachten, was auf dem Markt an Technologie verfügbar wird. Und wir überlegen, wie sie für unsere und andere Branchen als Lösung nutzbar werden könnten“, so Kappen.

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Neue Technologien für die Papierindustrie und andere Branchen nutzbar machen

Gerade die Membranen haben großes Potenzial für die Papierindustrie. Bei der Trocknung der Faserbahnen geht viel Wasserdampf verloren: Pro Tonne Faserstoff muss ein Kubikmeter Wasser mit Wärme verdampft werden. Die PTS hat bei CapWa die Randbedingungen für den Einsatz der Membranen geklärt. Unter welchen Umständen ist ihr Einsatz wirtschaftlich, und welche Probleme können im Betrieb auftreten?

Und die Branche will integrierte Lösungen: „Nicht nur das Wasser soll wiedergewonnen werden, sondern auch die Energie, die in den Verdampfungsprozess fließt“, erklärt der PTS-Spezialist Escabasse. Daher arbeiten die Papierexperten zusätzlich an einem Prozess, über den die heiße Abluft zur Trocknung zurückgeführt wird. Das verbesserte Membransystem wird bereits in vier unterschiedlichen Industrien weltweit getestet.

Ressourcenschonung bedeutet auch, Holz zu sparen. Mittlerweile besteht das in Deutschland hergestellte Papier nur noch zu 30 Prozent aus frischem Holz. Der Rest ist recyceltes Altpapier. Mit dieser Quote liegt Deutschland über dem europäischen Durchschnitt von 50 Prozent Altpapiernutzung. „Je mehr Altpapier wieder in den Kreislauf eingebracht wird, desto weniger Holz ist nötig“, so Kappen. „Und das senkt auch den Energie- und Wasserverbrauch.

Denn um die Fasern zu gewinnen, wird das Holz chemisch oder mechanisch aufgeschlossen – beide Prozesse benötigen Energie und verursachen Abwasser.“ Die Weiterverarbeitung von Altpapier ist weniger energieintensiv. Jährlich werden über 16 Millionen Tonnen davon gesammelt. Fast alles wandert in die Herstellung neuer Papiere. Allerdings müssen zunächst unerwünschte Stoffe wie organische Abfälle, Textilien und Kunststoffe herausgefiltert werden. Häufig wird das Altpapier auch nach Sorten geordnet: Druckerpapier, Magazine und Zeitungen werden wieder für die gleichen Produkte eingesetzt, aus dem Rest wird Verpackungsmaterial.

„Die Sortierung ist aufwendig und die erzielbaren Margen relativ gering“, erläutert Escabasse. In dem Projekt SortIt haben 14 EU-Partner an neuen und effizienten Technologien für nachhaltiges und kosteneffizientes Recycling gearbeitet.“ Die Partner haben unter anderem optimierte Aggregate und Messtechnologien für die Altpapiersortierung entwickelt. Durch die kombinierte Erkennung der Altpapiere mit normalen und Infrarot-Videokameras sowie per Software angesteuerten Ausblasdüsen läuft die Sortierung nun fast vollautomatisch.

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16 Millionen Tonnen Altpapier jährlich: filtern, sortieren, recyceln

„Der Trend ist klar erkennbar: neue Technologien für eine traditionelle Branche“, so Kappen. Seit über 600 Jahren wird in Deutschland Papier hergestellt – mittlerweile über 3.000 Sorten. Und obwohl immer mehr digitale Ausgaben von Büchern oder Zeitschriften erscheinen, ist die Branche über lange Zeit enorm gewachsen. Vor allem die Produktion von Verpackungsmaterialien, Hygieneartikeln und Spezialpapieren hat zugenommen. Allerdings deutet sich beim Bedarf an grafischen Papieren, die zum Bedrucken, Beschreiben oder Kopieren verwendet werden, ein Rückgang an.

„In der Summe wird die Produktion aller Papiersorten in Deutschland aber ungefähr gleich bleiben“, schätzt Kappen. „Die Papierindustrie stirbt nicht, nur weil weniger Zeitungen produziert werden.“ Er sieht die Branche vielmehr als Treiber einer künftig biobasierten Wirtschaft, die als Ziel im achten EU-Forschungsrahmenprogramm „Horizon 2020“ verankert werden soll. Im Fokus steht dabei die nachhaltige Entwicklung. Nach Meinung von Kappen eine wichtige Aufgabe: „Wir bereiten jetzt die Grundlage für eine biobasierte Zukunft.“

Leistungsmaschine – Moderne Papiermaschinen produzieren bis zu 1.800 Meter pro Minute, abhängig vom Papiertyp. (© Verband deutscher Papierfabriken)