Ökobilanzen von Packstoffen

Ökobilanzen von
Packstoffen
Speziell: Verpackungen aus Plastik
Hausarbeit im Rahmen der Vorlesung INU
4. Semester EUM
Betreuer:
Prof.-Dr. Jens Born
Erabeitet von:
Benn Jasper Boehme
Nicolai Herrmann
Matthias Junge
Sebastian Keichel
Lena Kitzing
Johannes Schaefer
Lutz Wülfing

Inhalt
1. Einführung
1.1 Verpackung
1.2 Ökobilanzen
1.3 Stufen der Ökobilanzierung
1.4 Zu den Daten der BUWAL-Studie
1.5 Die Stufen unserer Ökobilanzierung
2. Eigenschaften der betrachteten Kunststoffe
2.1 Eigenschaften von Polyethylen (PE)
2.1.1 Polyethylen niedriger Dichte (LD-PE)
2.1.2 Polyethylen hoher Dichte (HD-PE)
2.2 Eigenschaften von Polypropylen (PP)
2.3 Eigenschaften von Polyethylentherephthalat (PET)
3. Die Prozesse der Kunststoffherstellung
3.1 Raffinerie und Cracking - vom Rohöl zum Monomer
3.1.1 Destillation
3.1.2 Cracken
3.2 Prozesse der PP- und PE-Herstellung – Polymerisation
3.3 Prozesse der PET-Herstellung
3.3.1 Die Prozesse zwischen Steam-Cracking und Polykondensation
3.3.2 Vom Ethylen zum Ethylenglykol
3.3.3 Vom Pyrolysebenzin zum Dimethyltherephthalat
3.3.4 Die Polykondensation
4. Energetische Fließschemata
4.1.1 Zum Aufbau der Fließschemata
4.1.2 Umrechnungen
4.1.3 Energiemix

4.1.4 Feedstock
4.2 Vergleich des Energieaufwands zur Herstellung der
betrachteten Kunststoffe
4.3 Vergleich einiger Luftschadstoffe bei der Herstellung der
betrachteten Kunststoffe
4.4 Vergleich einiger Wasserschadstoffe bei der Herstellung

1. Einführung
1.1 Verpackung
Die Verpackung im Allgemeinen dient der sicheren Güterverteilung durch Raum
(Transportverpackungen) und Zeit (Produktverpackungen zur sicheren und
frischhaltenden Lagerung). Verpackung kann als Schutz von Produkten oder bei
Gefahrstoffen auch als Schutz der Umwelt vor Produkten benutzt werden. Die
Hauptfunktionen, die dabei erfüllt werden sollen, sind sichere Lagerung und sicherer
Transport. Des Weiteren ist Verpackung ein Informationsträger, zum Beispiel für
Informationen über das enthaltene Produkt.
Kunststoff ist eins der bedeutendsten Packstoffe der Welt. Denn Kunststoffe können
in den verschiedensten Bereichen der Verpackung verwendet werden. Sie dienen
nicht nur als Produktverpackungen oder Sammelverpackungen, sondern auch als
Transportverpackungen, Packhilfsmittel oder zur Etikettierung.
Da bei der Kunststoff-Herstellung eine Vielzahl von Prozessen stattfindet und viele
Zwischen- und Endprodukte entstehen, war es uns unmöglich, jeden der Stoffe zu
betrachten. In dieser Arbeit beschränken wir uns daher (wie vereinbart) auf die
Herstellung von Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat
(PET), die die Grundlage für die als Packstoff benutzten Kunststoffe bilden, die uns
im Alltag am häufigsten begegnen.
1.2 Ökobilanzen
Eine Ökobilanz ist eine Methodik zur Ermittlung, Analyse und Bewertung von
Umweltbelastungen und Umwelteinwirkungen bestimmter Stoffe:
Definition Ökobilanz (BUWAL-Studie 1991, Seite 132):
„Beschreibung und Auflistung von primären Auswirkungen von bestimmten
Prozessen – verursacht durch den Menschen – auf Umwelt, d.h. auf Luft, Wasser,
Boden. Zusätzlich wird auch der Energie- und Rohstoffbedarf berücksichtigt.“

Ökobilanzen gingen im Wesentlichen aus der Lebenszyklus-Betrachtung, die im
angelsächsischen Raum durchgeführt wird, hervor:
Definition „life cycle assessment“:
„Process to evaluate the environmental burdens associated with a product, process
or activity by identifying and quantifying energy and materials used and wastes
released to the environment to assess the impact of those energy and material uses
and releases to the environment and to identify and evaluate opportunities to affect
environmental improvements.”
Das Erstellen von Ökobilanzen sollte einer Methodik folgen, wie im Folgenden
aufgelistet ist, um die Zielerreichung zu gewährleisten und Resultate transparent und
nachvollziehbar zu machen:
1.3 Stufen der Ökobilanzierung
i) Zieldefinierung (BASIS):
- Zweck, Adressat, zu bilanzierendes System, Präzisionen,
Bezugsgröße = funktionale Einheit festlegen
- Rahmenbedingungen (örtliche, zeitliche Gültigkeit)
� Systemgrenzen
ii) Inventarisierung:
Umwelteinwirkungen über das Bilanzgebiet
- Festlegen der zu erfassenden Umwelteinwirkungen
(Umweltparameter)
- Sammeln der relevanten Daten über Stoff- und Energiebilanzen
- Beziehen auf funktionale Einheit
� Aufteilen in Untersysteme (Module)
- Sachbilanz über Input/Output-Methode
- Ursachen: Herstellprozesse, Energiebereitstellungsprozesse,
Transportprozesse

- betroffene Kompartimente: Luft, Wasser, stoffliche und energetische
Ressourcen
� Produkte (1)
Input � Prozess � verwertbare Abfälle (2)
� Abfälle (3)
� Stoffliche Emissionen
iii) Bewertung:
Umweltschädlichkeit der einzelnen Umwelteinwirkungen
verschiedene Methoden (Praktikabilität, Bewertungsbasis, Transparenz)
iv) Interpretation:
Auswertung der Ergebnisse von Bewertung etc.
Aufbereitung, damit Entscheidungsgrundlagen für ökologische
Belange gegeben werden können
1.4 Zu den Daten der BUWAL-Studie
Unsere Arbeit basiert im Wesentlichen auf den Daten der schweizer BUWAL-Studie,
deren Datenerhebung zwischen 1993 und 1995 erfolgte. Die Daten für Energie und
Transporte gehen sogar auf 1990 zurück.
Als Grundlage für Daten über Kunststoffe dient der BUWAL-Studie eine Sammlung
von Berichten der Association of Plastics Manufacturers in Europe (APME). Die
Daten dieser Berichte wurden verwertet und erweitert.
Die Daten der BUWAL-Studie beschränken sich auf Ökoinventare, das ist lediglich
eine Stufe (ii) der gesamten Ökobilanzierung! Ökoinventare sind Bilanzsysteme, die
alles bilanzieren von der Rohmaterialgewinnung über Herstellungsprozesse bis hin
zum Packstoff.

Ökoinventare sind also „notwendige Bausteine, die im konkreten Anwendungsfall
durch den Anwender mit situativen Daten hinreichend zu einem Lebenszyklus zu
ergänzen sind“.
Getrennt ausgewiesen werden Umwelteinwirkungen durch Energiesysteme,
Herstellung der Hilfsstoffe, sämtliche Transporte, ausgesuchte
Weiterverarbeitungsprozesse. Es fehlen jedoch einige Daten, die zur Erstellung von
vollständigen Ökobilanzen notwendig sind, zum Beispiel Aktivitäten im
Zusammenhang mit dem Bau der Infrastruktur. Das größte Problem für die Erstellung
von Ökobilanzen für Kunststoffe basierend auf der BUWAL-Studie bereiten jedoch
die fehlenden Massenströme der jeweiligen Prozesse!
„Im Allgemeinen sind die Materialinputs für einzelne Prozessschritte nicht aufgeführt.
Demzufolge ist es nicht möglich, für einzelne Kunststoffe Massenbilanzen zu
erstellen.“ (BUWAL-Studie).
Auch anfallende Abfälle und Emissionen klammerten wir wie vereinbart aus der
Betrachtung aus, deshalb mussten wir uns im Folgenden bei der Prozessbetrachtung
weitestgehend auf Energiebilanzen beschränken. Daher ist es nicht möglich,
vollständige Ökobilanzen mit Interpretation der Stoffströme zu erstellen. Dies hätte
ohnehin wegen der komplexen Prozesse und differenzierten Verfahren bei der
Herstellung von Kunststoff-Verpackungen den Rahmen dieser Arbeit gesprengt. Da
jedoch auch unsere Zielsetzung nicht unbedingt das Erstellen von vollständigen
Ökobilanzen notwendig machte, waren wir in der Lage die Aufgabenstellung zu
bewältigen.
1.5 Die Stufen unserer Ökobilanzierung
i) Zieldefinierung
Hauptziel dieser Arbeit war für uns, Struktur und Form von Ökobilanzen zu verstehen
und die Datengrundlagen (Ökoinventare) verarbeiten und überprüfen zu lernen.

Um die Daten für Ökoinventare in verständliche und leicht anzuwendende Form zu
überführen, sollte eine Zuordnung der Tabellendaten der BUWAL-Studie zu
einzelnen Prozessen geschehen, wodurch wir Kennzahlen über einzelne Prozesse
herausbekamen und diese dann mit den entsprechenden Grenzen und
Randbedingungen graphisch in Fließschemata verarbeiteten. Dies lösten wir über die
Umrechnung in äquivalente Energieinhalte, da so ein leichter Bezug zu den
einzelnen Ländern und Anlagen hergestellt werden kann, und die Daten somit im
Anwendungsfall leichter und verständlicher benutzt werden können.
Zeitlicher und räumlicher Bezug wurden bereits in der BUWAL-Studie festgelegt: Die
Daten gelten für Westeuropa (ausgewählte, repräsentative Anlage) zu Beginn bis
Mitte der neunziger Jahre der letzten Jahrhunderts.
Als funktionale Einheit haben wir sinnvollerweise die 1000 kg übernommen, die der
BUWAL-Studie zugrunde gelegt wurden.
Das ursprüngliche Ziel, Input-Prozess-Output-Schemata zu erstellen und über
Massenanteile die Prozesswege zu bestimmen, mussten wir aufgrund der fehlenden
Daten für Massenströme bei Kunststoffen leider zurückstellen.
ii) Inventarisierung
Die zu erfassenden Umwelteinwirkungen beschränkten sich somit bei uns auf die
energetisch und rohstofflich benötigten Energiemengen im Herstellungsprozess.
Diese wurden dann von uns zuerst modularisiert, das heißt auf die einzelnen
Prozesse heruntergebrochen, und danach im Fließschema wieder auf das
gewünschte Endprodukt bezogen. Eine ausführliche Erläuterung folgt im Hauptteil.
iii) Bewertung und Interpretation
Eine Bewertung oder Interpretation von Umweltwirkungen der betrachteten
Packstoffe wurde durch die fehlenden Stoffströme natürlich ungemein schwierig,
gerade da Energieflüsse oft nicht viel über die Umweltqualität der Erzeugung
aussagen. Die Prozesse zur Kunststoff-Herstellung sind zudem sehr energieintensiv,

und gerade bei der Elektrizitätserzeugung herrschen in Europa große Unterschiede,
wie zuvor schon erwähnt.
Emissionen sind spezifische Werte, die für jede Anlage unterschiedlich sind, und die
Mittelwerte der in der BUWAL-Studie angegebenen Daten sind ohnehin nicht mehr
repräsentativ, da sich die Gernzwerte und somit die Emissionen seit Anfang der
neunziger Jahre stark verändert haben. Somit sind Umwelteinwirkungen ohne
vollständige Daten schwierig und nur sehr ungenau zu beschreiben und zu bewerten.
2. Eigenschaften der betrachteten Kunststoffe
2.1 Eigenschaften von Polyethylen (PE)
2.1.1 Polyethylen niedriger Dichte (LD-PE)
LDPE besitzt eine stark verzweigte, gering kristalline Struktur. Es ist transparent,
wachsartig, schweißbar und nach Vorbehandlung klebbar. Aus mechanischer Sicht
ist es flexibel, unzerbrechlich, ähnlich LLDPE jedoch mit verbesserten Eigenschaften.
Die Reißdehnung liegt bei 500 - 650%, die Kristallit-Schmelztemperatur um 105 –
115 °C, die Schmelztemperatur bei 105 – 115 °C.
LDPE weist eine chemische Beständigkeit gegenüber Salzlösungen, Säuren und
Laugen auf. Unbeständig ist LDPE gegenüber Benzin, aromatische
Kohlenwasserstoffe und chlorierte Kohlenwasserstoffe.
Die maximale Gebrauchtemperatur liegt bei 60 °C, kurzzeitig auch bis 90 - 100 °C.
Mittels Spritzguss, Extrusion, Blasformen, Thermoformen kann Low Density
Polyethylen bei 160 – 240 °C verarbeitet werden. In den Handel kommt meist es
unter den Namen Hostalen LD, Lupolen und kostet pro Kilogramm ab 0,90 €.
Verwendung findet es in der Produkten von Folien, Verpackungsbehälter,
Haushaltsartikel, Rohre, Hohlkörper. LDPE zählt zur Gruppe der

Standardkunststoffe. Der weltweite Marktanteil von LLDPE/LDPE beträgt etwa 19,5
%.
Pro kg Low Density Polyethylen ist ein durchschnittlicher Energieaufwand von 85,8
MJ erforderlich, wobei eine Spanbreite von 69 – 107 MJ/kg möglich ist.
2.1.2 Polyethylen hoher Dichte (HD-PE)
HDPE besitzt eine gering verzweigte, hoch kristalline Struktur. Aus mechanischer
Sicht ist es steif, zäh und unzerbrechlich. Die Reißdehnung liegt bei 500 - 800%, die
Kristallit-Schmelztemperatur um 124 bis 133 °C, die Schmelztemperatur bei 130 °C.
HDPE weist eine chemische Beständigkeit gegenüber Salzlösungen, Säuren und
Basen, Speiseöle, Fette sowie Waschmittel auf. Unbeständig ist HDPE gegenüber
oxidierende Säuren, Halogene, Chlorkohlenwasserstoffe und aromatische
Kohlenwasserstoffe.
Die maximale Gebrauchtemperatur liegt bei 70 bis 80 °C, kurzzeitig auch bis 90 bis
120 °C. Mittels Spritzguss, Extrusion, Blasformen, Thermoformen kann High Density
Polyethylen bei 190 bis 280 °C verarbeitet werden. In den Handel kommt meist es
unter den Markennamen Hostalen, Lupolen, Vestolen, Novolen, GUR (PE-UHMW,
Ticona) und kostet pro Kilogramm ab 0,95 €. Verwendung findet es in der Produkten
von Haushaltsartikel, Verpackungs- und Transportbehälter, Rohre, Armaturen,
Tafeln, Folien, gereckte Folienstreifen, Monofile. HDPE zählt zur Gruppe der
Standardkunststoffe. Der weltweite Marktanteil von HDPE beträgt etwa 14,3 %.
Pro kg High Density Polyethylen ist ein durchschnittlicher Energieaufwand von 85,8
MJ erforderlich, wobei eine Spanbreite von 69 – 107 MJ/kg möglich ist.
Polyethylen gehört zu dem meistverwendeten Kunststoffen weltweit.
2.2 Eigenschaften von Polypropylen (PP)
Polypropylen besitzt eine gering verzweigte, hochkristalline Struktur. Es ist schwach
transparent, schweißbar und nach Vorbehandlung klebbar. Aus mechanischer Sicht

ist es hart, unzerbrechlich und härter als HDPE. Die Reißdehnung liegt bei 500 -
1000%, die Kristallit-Schmelztemperatur um 160 – 165 °C, die Schmelztemperatur
bei 160 – 165 °C.
PP weist eine chemische Beständigkeit gegenüber Salzlösungen, Säuren und
Laugen, Speiseöle, Fette und Waschmittel auf. Unbeständig ist PP gegenüber
oxidierende Säuren, Halogene, Chlorkohlenwasserstoffe, Brom und
Kohlenwasserstoffe.
Die maximale Gebrauchtemperatur liegt bei 100 bis 110 °C, kurzzeitig auch bis 130
bis 140 °C. Mittels Spritzguss, Extrusion, Blasformen kann Polypropylen bei 200 –
270 °C verarbeitet werden. In den Handel kommt meist es unter den Markennamen
Hostalen PP, Novolen, Vestolen P und kostet pro Kilogramm ab 1,05 €. Verwendung
findet es in der Produkten von Haushaltsgeräte, Färbespulen, Teile für Wasch- und
Geschirrspülmaschinen, Elektroartikel, Rohre, Armaturen, Behälter, Tafeln, Folien,
gereckte Folienstreifen für Gewebe- und Seilerwaren sowie technische Hohlkörper.
PP zählt zur Gruppe der Standardkunststoffe. Der weltweite Marktanteil beträgt etwa
18,4 %.
Pro kg Polypropylen ist ein durchschnittlicher Energieaufwand von 80 MJ
erforderlich, wobei eine Spanbreite von 61 – 104 MJ/kg möglich ist.
2.3 Eigenschaften von Polyethylentherephthalat (PET)
Polyethylentherephthalat besitzt eine teilkristalline Struktur. Bis 4 mm Wanddicke ist
es glasklar, darüber hinaus elfenbeinfarben und jederzeit gedeckt einfärbbar. Aus
mechanischer Sicht ist es hart, steif und besitz ein gutes Gleitverhalten. Die
Reißdehnung liegt bei 200%, die Kristallit-Schmelz Temperatur um 255 – 258 °C, die
Schmelztemperatur bei 240 – 258 °C.
PET weist eine chemische Beständigkeit gegenüber verdünnten Säuren und Laugen,
Salzlösungen, Kraftstoffe, Öle und Fette auf, und ist zudem eine besonders gute

CO2-Barriere. Unbeständig ist PET gegenüber Chlorkohlenwasserstoffen, Ester,
Ketone und heißem Wasser.
Die maximale Gebrauchtemperatur liegt bei 100 °C, kurzzeitig auch bis 200 °C.
Mittels Spritzguss, Extrusion, Reckverfahren und Fasern kann
Polyethylentherephthalat bei 260 – 280 °C verarbeitet werden. In den Handel kommt
meist es unter den Markennamen Arnite, Impet (Ticona), Ultradur (PBT, BASF),
Celanex (PBT, Ticona), Vandar (Blends, Ticona), Trevira und Dacron und kostet pro
Kilogramm ab 3,10 €. Verwendung findet es in der Produkten von Flaschen,
Zahnräder, Lager, Gleitelemente, Bedienungsknöpfe, Gehäuseteile und Textilfaser.
PET zählt zur Gruppe der Konstruktionswerkstoffe. Der weltweite Marktanteil beträgt
etwa 4,5 % (ohne Textil), Tendenz steigend.

3. Die Prozesse der Kunststoffherstellung
Im Folgenden werden die Prozesse der von uns betrachteten Kunststoffe vorgestellt.
Dabei haben wir uns an dem Prozessschema orientiert, welches in der BUWAL-
Studie zu finden ist.
Propylen
Polymerisation
Rohöl
Raffinerie
Naphta
Steam- Cracking
Ethylen
Oxydation
Hydratation
Pyrolysebenzin
Reforming
Extraktion
Fraktionnierung
p-Xylol
Oxydation
Veresterung
Ethylenglykol Dimethyltherephthalat
Polykondensation
Polypropylen Polyetyhlen Polyethylentherephthalat

3.1 Raffinerie und Cracking - vom Rohöl zum Monomer
Erdöl (Rohöl) ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Derivaten derselben. Es
hat eine gelbe bis braune Farbe und ist in manchen Gegenden in Poren von
Sedimentgestein angereichert. Durch Bohrungen wird es gefördert, entweder durch
den in der Lagerstätte herrschenden Druck (Wasserdruck oder Gasdruck) oder mit
mechanischer Hilfe. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Erdöl zu fördern, die
Ausbeutegrade der Lagerstätten liegen zwischen 10% (natürlicher Druck) und 40%
(Wasser-, Erdgas-Fluten), mit aufwendigen Verfahren wie Dampffluten oder
Polymerfluten noch höher.
Das Rohöl besteht größtenteils aus Alkanen (Paraffinen), Cycloalkanen (Naphtenen)
und Aromaten. Für die Kunststoffherstellung benötigt man aber Alkene (Olefine), wie
Ethen (Ethylen, C2H4) und Propen (Propylen, C3H6).
Noch auf dem Ölfeld werden in Separatoren niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe,
Sand und Wasser aus dem Rohöl entfernt, bevor es per Tanker oder Pipeline zur
Weiterverarbeitung in die Raffinerie gelangt.
3.1.3 Destillation
Der erste Schritt der Verarbeitung ist die Destillation. Hier wird das Vielstoffgemisch
Erdöl zerlegt in Fraktionen mit verschiedenen Siedebereichen sowie einen nicht
verdampfbaren Rückstand.
Bei der fraktionierten Destillation werden in einer Fraktionierkolonne nacheinander
viele Verdampfungs- und Kondensationsschritte durchgeführt. Durch die
unterschiedlichen Siedepunkte der Stoffe in der Mischung ist im Dampf das
Mischungsverhältnis ein anderes als in der ursprünglichen Mischung, und zwar
zugunsten des flüchtigeren Bestandteils. In der verbleibenden Flüssigkeit ist das
Verhältnis dann umgekehrt.

Abbildung: Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht (Nach Atkins/Beran: Chemie, einfach
alles, 2. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 1998, S. 451)
Siedetemp. T
T (x)
T (A)
reines A y x reines B
T (B)
y = Zusammensetzung des Dampfes x = Zusammensetzung der Flüssigkeit
Rote Kurve: Siedepunkte der Flüssigkeit mit unterschiedlichen Anteilen
Grüne Kurve: Zusammensetzung des Gases für die entsprechende Siedetemperatur
Die Lage von y weiter links auf der Abszisse zeigt den höheren Anteil von A am
Dampfgemisch. A hat den niedrigeren Siedepunkt, wie an der Ordinate ablesbar ist.
Wird dieser Dampf nun abgekühlt und kondensiert, ist der Anteil von A an der neuen
Flüssigkeitsmischung höher als vor der Destillation. Wird diese wiederholt, ist nach
mehrfachem Durchlauf nur noch A in der Vorlage und nur noch B im Rückstand
vorhanden.
Da Erdöl ja aber nicht nur aus zwei Stoffen besteht, lassen sich verschiedene Stoffe
mit unterschiedlichen Siedepunkten trennen. Naphtha (Leichtbenzin) ist außer den
Gasen der flüchtigste Anteil. Es hat einen Siedebereich von 40-100°C (laut Jentsch,
andere Quelle: 65-200°C). In atmosphärischen Destillationskolonnen wird das Rohöl
mit Wärmetauschern und Röhrenofen auf Temperaturen von 350-400°C gebracht.
Leichtbenzin wird so am Kopf zusammen mit dem Gas sowie über den obersten
Seitenstrom entnommen. Der Anteil beträgt etwa 8-10% der gesamten Produkte.

Abbildung: Schema der atmosphärischen Rohöldestillation (aus: Jentsch, Christian:
Angewandte Chemie für Ingenieure, BI-Wiss.-Verl., Mannheim, 1990)
3.1.4 Cracken
Der nächste Verarbeitungsschritt ist das Cracken (Spalten). Man unterscheidet
zwischen katalytischem (mit Katalysator) und thermischem Cracken.
Thermisches Cracken bedeutet die Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe in
kürzere Stücke unter Einfluss hoher Temperaturen. Die Ketten werden an C–C-
Bindungen – bevorzugt an denen, die eine geringe Dissoziationsenergie haben –
gespalten. Die dabei gebildeten Radikale unterliegen der β-Spaltung, das heißt, dass
sich die Ketten zwischen dem 2. und 3. C-Atom nach dem C-Atom mit dem
ungepaarten Elektron aufspalten. Kurzkettige Radikale stabilisieren sich durch
Aufnahme eines H-Atoms, das dann an anderer Stelle (bei längeren Ketten) fehlt und
dort ein neues Radikal bildet. Beim thermischen Cracken bilden sich immer Alkene,
die wir ja für die Kunststoffherstellung haben wollen. Es fallen auch große Mengen
Methan, Ethan und andere gasförmige Kohlenwasserstoffe an, die energetisch
genutzt werden können.

Für uns interessant ist das Steamcracken, das zu den thermischen Crackverfahren
gehört. Die Kohlenwasserstofffraktion (in unserem Fall das Naphtha) wird in
Röhrenöfen zusammen mit Wasserdampf auf 800 bis 850°C erhitzt. Es entstehen vor
allem die von uns gewünschten Produkte Ethylen, Propylen, Pyrolysebenzin (hoher
Benzolgehalt), sowie Butadien, Butylene und o. g. Gase.
Radikalreaktionen, die beim Steamcracken zu Ethylen und Propylen führen:
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 � CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2• + •CH3
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2• � CH3 – CH2 – CH2• + CH2 = CH2
•CH3 + •CH2 – CH2 – CH3 � CH4 + CH2 = CH – CH3
Durch schnelles Abkühlen und Waschen werden nicht gewünschte Neben- und
Rückreaktionen verhindert.
(Quellen: http://www.oc-praktikum.de/nopw/OekobilanzBeisp1.pdf vom 21.07.2003
sowie Jentsch, Christian: Angewandte Chemie für Ingenieure, BI-Wiss.-Verl.,
Mannheim, 1990)
Propylen und Ethylen können direkt polymerisiert werden. Das Ethylen kann nach
Umwandlung zu Ethylenglykol zur Polykondensation von Polyethylentherephthalat
(PET) verwendet werden, dessen anderer Baustein, Dimethyltherephthalat, aus dem
Pyrolysebenzin gewonnen wird. Auf diese Prozesse wird auf den folgenden Seiten
näher eingegangen.
3.2 Prozesse der PP- und PE-Herstellung – Polymerisation
Ausgangsstoffe für die Polymerisation sind ungesättigte Moleküle, d.h. Moleküle mit
Doppelbindungen; hier: Propylen und Ethylen. Zum Starten der Reaktion werden
Aktivatoren zugegeben. Diese bestehen aus labilen Molekülen, die schon bei
geringer Energiezufuhr in zwei Bruchstücke (Radikale) zerfallen, von denen jedes ein
freies Elektron besitzt. Das aggressive Radikal spaltet die Doppelbindung des
Monomers auf und geht mit einem freiwerdenden Elektron eine Elektronenbindung
ein. Das zweite freie Elektron der aufgespalteten Doppelbindung greift nun als neues

Radikal eine weitere Doppelbindung eines anderen Monomers an usw. Der
Polymerisationsvorgang wird beendet, wenn zwei Radikale aufeinander treffen.
Es entstehen lang gestreckte, fadenförmige Makromoleküle; hier: Polypropylen und
Polyethylen.
3.3 Prozesse der PET-Herstellung
3.3.1 Die Prozesse zwischen Steam-Cracking und Polykondensation
Beim Cracken des Naphthas werden viele verschiedene Stoffe erzeugt, darunter
Ethylen und Pyrolysebenzin, welche die Grundlage der PET Herstellung im
folgenden Verlauf bilden. Beide durchlaufen verschiedene Prozesse und die
entstehenden Produkte (Ethylenglykol und Dimethyltherephthalat) werden bei der
Polykondensation zu PET wieder zusammengeführt.
3.3.2 Vom Ethylen zum Ethylenglykol
Ethylenglykol (C6H4(OOH)2 auch 1,2-Ethan-diol) entsteht bei der Oxidation von
Ethylen (C2H4). Dabei wird heute versucht das Ethylen direkt zu Ethylenglykol zu
oxidieren, ohne den Umweg über das Ethylenoxid (C2H4(OH)2) zu nehmen. Dies
zeigt die folgende Reaktionsgleichung:
H2 – C = C – H2 + O2 → HO - CH2 – CH2 – OH
Dennoch wird Ethylenglykol in der Regel durch Hydratation bzw. Hydrolyse
hergestellt. Die Reaktion findet bei 200 °C ohne Einsatz von Katalysatoren statt.
O
/ \
H2C – CH2 + H2O → HO - CH2 – CH2 – OH
3.3.3 Vom Pyrolysebenzin zum Dimethyltherephthalat

Pyrolysebenzin ist der beim Steam-Cracken entstehende Benzinschnitt. Aus
Pyrolysebenzin können Aromaten (Benzol, Toluol, Xylole) isoliert werden. Das
entaromatisierte Pyrolysebenzin geht an die Mineralölverarbeitung zurück, die es bei
der Herstellung von Ottokraftstoffen mitverwendet.
Im Pyrolysebenzin ist schon etwa 6 % p-Xylol enthalten (Quelle: chemie.unipaderborn.de/arbeitskreise/
oc/ak_fels/f_l/tc2/tc2.html). Im Reformer können diese Anteile
dem Pyrolysebenzin mittels Destillation bzw. Fraktionierung und Extraktion entzogen
werden.
Um Dimethyltherephthalat (DMT; C6H4(COOCH3)2) letztlich zu erhalten, wird p-Xylol
mit Luftsauerstoff mit Hilfe von Kobalt- und Mangankatalysatoren oxidiert. Diese
Reaktion findet bei einer Temperatur um 140 °C statt und einem Druck von 5 bar bis
8 bar statt (vgl.: www.chemie.uni-hamburg.de/bibliothek/
2003/DissertationGrause.pdf).
Das folgende Reaktionsschema verdeutlicht die recht komplexen Vorgänge. Denn
zunächst erhält man nur p-Toluylsäure, die mittels Methanol zu p-Toluylsäuremethylester
(PTME) wird. Durch abschließende Verersterung erhält man
schließlich das gewünschte DMT sowie p-Toluylsäure, die dem Prozess wieder
zugeführt wird.

3.3.4 Die Polykondensation
Bei der Polykondensation vereinigen sich viele Monomere zu Makromolekülen, wobei
bei jedem Reaktionsschritt ein einfaches Nebenprodukt, in diesem Fall Methanol,
abgespalten wird. Damit eine Polykondensation stattfinden kann, müssen die
Reaktionspartner mindestens bifunktionell sein. Aus bifunktionellen Ausgangsstoffen
erhält man lineare Polykondensate, bei mehrfunktionellen entstehen vernetzte
Produkte. Um die Reaktion in Gang zu halten, muss das Kondensat ständig entfernt
werden. (Vgl.: http://www.plex.de/plex/)
Polyethylenterephthalat kann nach zwei verschiedenen Verfahren hergestellt
werden: durch Umestern von DMT mit Ethylenglykol oder durch Veresterung von
Terephthalsäure mit Ethylenglykol oder mit Ethylenoxid. Beide Verfahren können
diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden.
Großtechnisch ist zuerst die diskontinuierliche Umesterung mit anschließender
Polykondensation angewandt worden. Man beginnt mit einer möglichst quantitativen
Umesterung des DMT mit Ethylenglykol im Überschuß bei etwa 180°C:

Dabei entstehen neben dem Biglykolterephthalat auch schon höhere Homologe. Als
Katalysatoren verwendet man meist Zink-, Calcium- oder Manganacetat. Bei höherer
Temperatur beginnt dann die Polykondensation, wobei die Hauptmenge des Glykols
abgeht. Solange die Masse noch dünnflüssig ist, setzt man die eigentlichen
Polykondensationskatalysatoren zu, wie etwa Antimontrioxid oder Oxide ähnlicher
amphoterer Metalle. Dazu kommen noch Phosphorverbindungen als Stabilisatoren,
die den Umesterungskatalysator inaktivieren. Zu diesem Zeitpunkt kann man auch
Titandioxid in glykolischer Suspension als Mattierung beigeben. Abschließend wird
dann bei steigender Temperatur – bis etwa 285 °C – und unter zunehmendem
Vakuum – bis unter 1 mbar – kondensiert.
Als Bruttogleichung ergibt sich:
n DMT + (n+1) Glykol � 2n Methanol + PET
4. Energetische Fließschemata
Die Fließschemata sind als Anhang in der beigefügten Datei „Anhang_Plastik.pdf“ zu
finden. Nachfolgend nun Erklärungen und Erläuterungen.
4.1.1 Zum Aufbau der Fließschemata
Die von uns erstellten Fließbilder stellen den Verlauf der für die Herstellung von
einigen Kunststoffen verwendeten Rohstoffe in der entsprechenden
Hauptproduktlinie dar. Die energetisch benötigten Rohstoffe wurden im Energiemix
(siehe unten) für jeden Prozess ermittelt, die rohstoffliche Komponente, der so

genannte Feedstock, wurde jedoch in Form eines Durchschnittswertes (siehe unten)
angenommen.
Die einzelnen Prozesse, die wir als eigenständige Module angesehen haben,
verknüpften wir in unseren Fließbildern, somit ist jedes Flussbildes in seinem Verlauf
in die jeweiligen Prozess-Stufen eingeteilt, wobei bei jedem Prozess erneut ein
Energie-Input hinzukommt.
In den Daten der BUWAL-Studie waren die Rohstoffmengen, die für die Herstellung
der Zwischen- und Endprodukte benötigt wurden, allerdings kumuliert angegeben.
Deshalb mussten wir von den angegebenen Mengen die jeweils in den Prozessen
zuvor schon eingegangenen Energien abziehen, um den zusätzlichen Rohstoffbedarf
dieses einen Prozesses zu erfahren. Danach wandelten wir die Rohstoffmengen in
ihre Energieäquivalente um (siehe Umrechnungen).
So konnten wir ein auditives Schema aufbauen, das einfach und verständlich die
jeweils benötigten Mengen darstellt. War zum Beispiel in den Tabellen angegeben,
dass 100 kg Steinkohle für die Herstellung von Polyethylen benötigt wird, bei der
Herstellung von Ethylen jedoch schon 50 kg eingegangen waren, so addierten wir für
die Prozess-Stufe Polymerisation lediglich 1,4976 Megajoule (das Energieäquivalent
für 50 kg Steinkohle) hinzu, anstatt 2,9952 MJ (was dem Energieäquivalent von 100
kg Steinkohle entspräche). (Anmerkung: Diese Zahlen sind als Beispiel gedacht und
nicht an eines unserer Fließbilder angeglichen.)
Am Ende des Fließbildes ist die gesamte benötigte Energiemenge in einem Balken
angegeben, der sowohl die benötigten Rohstoffe (des Energiemixes!) als auch deren
ungefähre Relation zueinander zeigt. Um diese noch einmal genau herauszustellen
und auch die sehr verschiedenen Energiedichten zu berücksichtigen, fertigten wir
Torten-Diagramme an, die noch einmal genau die Verteilung der benötigten
Rohstoffe deutlich machen.

4.1.2 Umrechnungen
Für die Umrechnung der Masseeinheiten an Brennstoffen in die Energieeinheit J
wurden folgende gemittelte Heizwerte verwendet:
• 1 t Steinkohle: 29,952 GJ; 1 kg = 29,952 kJ
• 1 t Braunkohle: 7,13 GJ; 1 kg = 7,13 kJ
• 1 t Erdöl: 42,614 GJ; 1 kg = 42,614 kJ
• 1 m 3 Erdgas: 31,74 MJ; 1 kg = 31,74 kJ
Als energetische Ressourcen wurden detailliert betrachtet: Rohbraunkohle,
Rohsteinkohle, Rohgas, Rohöl. Für Uran und Wasser lässt sich schwerlich ein
durchschnittlicher „Brennwert“ ermitteln, der auf Einsatz an Rohstoffen und der
daraus erzeugten Energie schließen lässt. Deshalb wurden Uran und Wasser als
Energieträger nicht im Flussbild erfasst. Diese Vernachlässigung schmälert die
Aussagekraft unserer Arbeit, bewegt sich aber im Bereich weniger Prozent.
4.1.3 Energiemix
Der Energiemix als Ganzes summiert sich auf die zur Bereitstellung von energetisch
und rohstofflich verwendeten Energiemengen, die für die Herstellung der
Zwischenprodukte und Kunststoffe benötigt werden. Der von uns verwendete
Energiemix ist ein westeuropäischer Durchschnitts-Energiemix. Vor allem die
Elektrizitätserzeugung der einzelnen europäischen Länder weicht in Rohstoffeinsatz
und Wirkungsgrad erheblich voneinander ab, so dass man davon ausgehen kann in
der Realität nie einen solchen Energiemix zu finden. Deshalb haben wir den
Schwerpunkt unserer Berechnungen auf die Energieinhalte der einzelnen
Energieträger gelegt, so dass gegebenenfalls eine leichte Umrechnung in den
länderspezifischen Energiemix möglich ist.
Die Angaben der Energiemengen, die von den verschieden Energieträgern
bereitgestellt werden, ist also ein theoretischer Mittelwert der gesamten Kunststoff-
Herstellung in Europa. In Norwegen würde somit annähernd die gesamte
Stromerzeugung aus Wasserkraft erfolgen, also die äquivalenten Energiemengen

vom Anteil an Steinkohle oder Erdgas (energetisch verwendet) der Wasserkraft
zugerechnet werden. Dies ist bei unserer Betrachtungsweise sehr leicht möglich.
4.1.4 Feedstock
Materialien, die während des Prozessverlaufes in den Produkten eingebunden
werden sowie deren (brennbare) Energiegehalte, werden Feedstock genannt.
Jeder Prozess, den die Produkte durchlaufen, bedingt eine Änderung des
Feedstocks und damit der eingebundenen Energiemenge. Bei den von uns
verwendeten Daten können die Änderungen des Feedstocks im Prozessverlauf
jedoch nicht aufsummiert werden, da ein korrigierender Faktor einberechnet wurde,
der die Wiederverwendung von Feedstock aus anfallenden Zwischenprodukten als
direkte Brennstoffe berücksichtigt.
Außerdem werden zum Teil Prozessinputs verändert, was die Bestimmung der durch
die jeweiligen Prozesse bedingten Feedstockänderung erschwert. Darüber hinaus
fehlen in den Daten die Massenströme für die Zwischenprodukte und Prozessstufen,
was eine genaue Feedstock-Bestimmung im Zeitverlauf gar unmöglich macht.
Den angegebenen Feedstock (und vor allem dessen Verhältnis von Erdöl zu Erdgas)
nach dem Steamcracking zum Beispiel können wir uns nur dadurch erklären, dass
als Prozessinput ein Teil des Naphthas, das einen sehr hohen Anteil von Erdöl im
Feedstock aufweist, durch Erdgas ersetzt wurde. Diese Prozessführung ist möglich,
wie wir ermitteln konnten. Da jedoch auch hier weitere Daten über die Massenströme
fehlen, ist eine genaue Feedstock-Bestimmung also nicht erreichbar.
Aus diesem Grund setzen wir für unsere Berechnungen einen Durchschnittswert für
den Feedstock an, was jedoch keine überaus verfälschende Vereinfachung ist.
Außerdem weichen die Feedstockänderungen wohl für gewöhnlich nur einige
Prozente vom Anfangswert (dem Feedstock für Naphtha) ab.

4.2 Vergleich des Energieaufwands zur Herstellung der
betrachteten Kunststoffe
Wie zu erwarten war, weist der Prozess zur Herstellung von kristallinem PET
(80933,3 MJ) im Vergleich zu dem von amorphem PET (79113,6 MJ) einen leicht
höheren Energiebedarf auf. Die ist nicht im Herstellungsprozess zu begründen, der
für beide identisch ist, sondern liegt allein im energetischen Mehraufwand der
Kristallisierung amorphen PETs zu kristallinem PET. Der Mehraufwand beträgt
demnach etwa 1819 MJ pro 1000 kg kristallinem PET.
Die gesamten energetisch und rohstofflich (als Feedstockenergie) verwendeten
Energieeinsätze der betrachteten Produktionsprozesse sind nachstehen aufgeführt.
Hierbei sind alle anfallenden Nebenprodukte schon in den Daten des BUWAL über
Allokationen berücksichtigt worden.
• PP: 74621,88 MJ
• PE: 80128,74 MJ
• PET (amorph): 79113,6 MJ
• PET (kristallin): 80933,3 MJ
Vergleicht man die Produkte Polypropylen, Polyethylen und PET, so wird, deutlich,
dass alle drei Kunststoffe ähnlich hohe Beträge des zu ihrer Herstellung benötigten
Energieeinsatzes aufweisen. Die benötigten energetischen Ressourcen liegen alle
etwa in der Höhe von 80.000 MJ pro t hergestelltem Kunststoff. Lediglich die
Herstellung von Polypropylen ist mit rund 75.000 MJ pro t um ca. 7%
energiesparender als die von PE und PET. Es muss allerdings bedacht werden, dass
die Kunststoffe sich meist nicht substituieren lassen, da sie unterschiedliche
Eigenschaften haben. Somit ist es also meistens nicht möglich, Energie einzusparen,
indem ein anderer, in der Herstellung weniger energieaufwändiger Kunststoff
verwendet wird.

4.3 Vergleich einiger Luftschadstoffe bei der Herstellung der
betrachteten Kunststoffe
Im Folgenden werden einige spezifische Luftschadstoffe, die bei der Herstellung von
PE, PP und PET emittiert werden, betrachtet und verglichen. Die Daten sind der
BUWAL-Studien entnommen und verstehen sich wieder pro 1000 kg des
hergestellten Kunststoffs.
Staub/Partikel
Methan
(CH4)
Kohlendioxid
(CO2)
Kohlenmonoxid
(CO)
Stickoxide
(NOx)
Flusssäure
(HF)
Radioaktive
Substanzen
PE 2000 g 4200 g 2200 kg 800 g 11000 g 1 g 290000 kBq
PP 2000 g 3400 g 1800 kg 700 g 10000 g 1 g 190000 kBq
PET 3500 g 3700 g 2200 kg 18000 g 19000 g 5,1 g 140000 kBq
Es ist zu erkennen, dass die Emissionen an Staub, Methan und Kohlendioxid bei der
Produktion der Kunststoffe PE, PP und PET etwa in gleicher Höhe anfallen.
Kohlenmonoxid wird bei der PET-Herstellung in etwa um den Faktor 25 mehr
emittiert als bei Produktion von PE und PP. Stickoxide fallen bei der PET-Produktion
etwa im Verhältnis 2:1 zu den Emissionen bei der Produktion der Kunststoffe PE und
PP an. Flusssäure fällt bei PET etwa fünfmal mehr als bei PE und PP an. Einzig die
anfallenden radioaktiven Substanzen, die in die Luft entweichen, liegen im
Produktionszyklus des PET bei etwa 140000 kBq, die von PE und PP im Vergleich
dazu bei 290000 bzw. 190000 kBq pro t Kunststoff, sind also etwa doppelt so hoch.

4.4 Vergleich einiger Wasserschadstoffe bei der Herstellung der
betrachteten Kunststoffe
Im Folgenden werden einige spezifische Wasserschadstoffe, die bei der Herstellung
von PE, PP und PET freigesetzt werden, betrachtet und verglichen. Die Daten sind
der BUWAL-Studie entnommen und sind wieder pro 1000 kg hergestelltem
Kunststoff zu verstehen.
Aromat.
KW
Nitrat
Stickstoff
gesamt
Phosphat
Anorg. Salze
und Säuren
Aluminium
Radioaktive
Substanzen
PE 14 g 5 g 10 g 5 g 480 g 130 g 2700 kBq
PP 17 g 20 g 10 g 13,5 g 290 g 120 g 1800 kBq
PET 13 g 12 g 30 g 9,6 g 2260 g 160 g 1300 kBq
Vergleicht man die Wasserschadstoffe, die bei Produktion von 1000 kg PE, PP oder
PET anfallen, so wird deutlich, dass sie alle in ungefähr gleicher Höhe emittiert
werden, egal welcher der drei Kunststoffe produziert wird. Lediglich für anorganische
Salze und Säuren weißt PET um etwa Faktor 5 bzw. 8 höhere Emissionsmengen als
PE und PP auf. Die Herstellung von PET ist im Verhältnis zu der von PE und PP also
relativ schadstoffintensiv.