Abbildung des Flachglaswertes

Datum: 9. Februar 2023

Autoren: Rebecca Hartwell, Graham Coult und Mauro Overend

Quelle:Glasstrukturen und Ingenieurwesen (2022)

DOI:https://doi.org/10.1007/s40940-022-00195-9

Glas ist eine der acht energieintensiven Industrien Großbritanniens. Daher wird geprüft, ob das Produktionswachstum von den Treibhausgasemissionen (THG) abgekoppelt werden kann. Recyceltes Glas, auch Glasscherben genannt, benötigt zum Schmelzen weniger Energie als Primärrohstoffe bei der Neuglasproduktion. Der Einsatz von Scherben reduziert somit die Energieintensität pro Produktionseinheit und verringert gleichzeitig den Bedarf an primären Materialressourcen. Allerdings müssen im Vereinigten Königreich noch effiziente Systeme für die Sammlung von Flachglas etabliert werden, was dazu führt, dass für den Flachglasmarkt nur ein begrenztes Angebot an Scherben zur Verfügung steht und Chancen für die Umwelt verpasst werden. Diese Studie identifiziert die bestehenden Lieferkettenineffizienzen in der britischen Glasindustrie in drei Phasen.

Zunächst werden die Massenströme der Materialien innerhalb der drei Hauptglassektoren Behälterglas, Flachglas und Glaswolle von der natürlichen Ressource über die primäre Verwendung bis hin zum anschließenden End-of-Life-Management auf der Grundlage eines Referenzjahres der jährlichen Produktionszahlen abgebildet. Die Karte wird in Form eines „Sankey“-Diagramms dargestellt, das auf verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Ressourceneffizienz aufmerksam macht; nämlich im starken Kontrast der Glassammelquoten zwischen der Flach- und der Behälterglasindustrie. Anhand der gesammelten Daten zu den jährlichen Materialströmen im Flachglas-Teilsektor des Vereinigten Königreichs wird das Einsparpotenzial für Energie (MJ) und Treibhausgasemissionen (CO2-Äq.) durch verbesserte Methoden zur Sammlung am Ende der Lebensdauer auf der Grundlage von drei Kriterien bewertet alternative Wiederherstellungsszenarien. Diese Szenarien berücksichtigen die Verwendung alternativer Verteilungen von wiedergewonnenem Flachglasscherben in den drei Hauptglas-Untersektoren.

Die Emissionseinsparungen, die sich aus jedem Verwertungsszenario ergeben, werden auf der Grundlage der geschätzten Tonnenausbeute der fertigen Flachglasprodukte bewertet. Es zeigt sich, dass die Wiederverwendung von ausgedientem Flachglas als Scherben in der Neuproduktion zusammen mit einer verbesserten Produktionsausbeute die jährlichen Emissionen der britischen Flachglas-Wertschöpfungskette um bis zu 18,6 % reduzieren könnte. Abschließend untersuchen wir die bestehenden Hindernisse für das Recycling verschiedener Glastypen auf der Grundlage von Akzeptanzkriterien und der verfügbaren Rücknahmeinfrastruktur und stellen daher fest, dass die Weiterentwicklung verbesserter Recyclingquoten von der Schaffung von Geschäftsmöglichkeiten und/oder der Unterstützung von Richtlinien zur Entwicklung effizienter Systeme für Flachglas abhängt Glassammlung.

1.1 Glassektor

Die Glasindustrie im Vereinigten Königreich und in Nordirland (UK) war im Jahr 2019 für 0,5 % des gesamten Energieverbrauchs des Vereinigten Königreichs und 0,4–0,6 % der gesamten Treibhausgasemissionen (THG) des Vereinigten Königreichs verantwortlich (Griffin et al. 2021; Ireson et al. 2019). ; WSP Parson Brinkerhoff und GL 2015). Damit wird es neben Eisen und Stahl (3,6 % der gesamten jährlichen Treibhausgasemissionen), Chemikalien (2,7 %), Zement (1,1 %) und Aluminium (0,6 %) als einer der energieintensiven Teilsektoren innerhalb des britischen Industriesektors eingestuft (Centre for Low Carbon Futures 2011; Griffin et al. 2016). Die Glasherstellung kann aus mehreren Hochtemperaturprozessen bestehen. Die Glasindustrie hat die Energieintensität der Produktion in den letzten 30 Jahren durch Brennstoffwechsel, Fortschritte in der Ofentechnologie, Verbesserungen der Energieeffizienz vor Ort und Prozesse zur Abwärmerückgewinnung erfolgreich reduziert (British Glass 2021; Griffin et al. 2016; Hammond und Norman 2012; IMPEL 2012; Maria et al. 2013).

Zusätzliche Effizienzsteigerungen auf der Angebotsseite durch den Einsatz alternativer kohlenstoffarmer Energiequellen – wie vollelektrische Schmelze, Wasserstoff und Biokraftstoffe – wurden als Weg für weitere Emissionsreduzierungen in den energieintensiven Teilsektoren der Industrie identifiziert. Es wurde jedoch erkannt, dass die Erreichung der Klimaziele allein durch Verbesserungen der Energieeffizienz auf der Angebotsseite aufgrund der erheblichen Vergrößerung des erforderlichen Energiesystems erhebliche Finanzmittel erfordern wird: Allein im Vereinigten Königreich müsste das Stromsystem seine Leistung vervierfachen (Barrett et al. 2021). Es wurde daher vorgeschlagen, dass dringend Möglichkeiten zur Reduzierung des Bruttoenergiebedarfs durch Materialeffizienzstrategien wie Wiederverwendung und Recycling untersucht werden müssen, um ein kosteneffizientes, zeitnahes und risikoarmes „Netto-Null“-Ziel zu erreichen (Allwood et al. 2013; Barrett et al. 2021; HM Government 2021).

Behälterglas für Flaschen und Gläser (~ 60 %) stellt nach Massenproduktion den größten Glasteilsektor dar, gefolgt von Flachglas für den Architektur- und Automobilsektor (~ 30 %) (BEIS und British Glass 2017). Glaswolle (Isolierprodukte) und andere Anwendungen, einschließlich Haushaltsglas (dekoratives Glas und Haushaltsgeräte), Endlosglasfilamente (faserverstärkte Verbundstoffe und Glasfasern) und pharmazeutische Produkte machen den Rest der Massenproduktion aus (~ 10 %) (BEIS und Britisches Glas 2017).

Das Wachstum der Nachfrage in diesen Sektoren wurde durch die Bestrebungen stimuliert, bestehende ineffiziente Verglasungseinheiten nachzurüsten; Finden Sie vollständig recycelbare Alternativen zu nicht recycelbaren Verpackungsmaterialien. Einhaltung neuer Energieeffizienzstandards durch langlebige und nicht brennbare Glasisolierungsprodukte; und entwickeln glasfaserverstärkte Polymere für Verbundwerkstoffe für Anwendungen mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis wie Automobilprodukte und Rotorblätter für Windkraftanlagen (British Glass 2021). Jedes dieser Produkte liefert innerhalb der Nutzungsphase seiner Anwendung erhebliche Leistungsverbesserungen. Der volle Umweltnutzen dieser Leistungsverbesserungen kann jedoch nur durch konzertierte Anstrengungen zur Reduzierung der gesamten Umweltauswirkungen der Glasbranche erreicht werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das zukünftige Wachstum der britischen Glasproduktion mit der nationalen „Netto-Null“-Strategie (HM Government 2021) im Einklang steht und international wettbewerbsfähig bleibt.

1.2 Umweltkosten der Glasherstellung

Die wichtigsten Umweltaspekte, die bei der Glasproduktion von Interesse sind, sind der Ressourcenverbrauch, die Energieeffizienz der Produktion, Emissionen in die Luft und der Wasserverbrauch.

1.2.1 Rohstoffe

Die Hauptbestandteile von Glas sind: Quarzsand (SiO2), Soda (Na2CO3), Kalkstein (CaCO3), Natronfeldspat (Na2O–Al2O3–6SiO2) und Dolomit (CaMg(CO3)2). Die Anteile der eingesetzten Rohstoffe und Zusatzstoffe variieren bei Flach- und Behälterglasprodukten in geringem Maße (Gaines et al. 1994; Zier et al. 2021). Fasern für Glaswolleprodukte verwenden eine ähnliche Rohstoffzusammensetzung mit einem geringeren Anteil an Quarzsand, der durch einen größeren Anteil an Kalkstein, Soda und, in immer geringeren Anteilen, Boroxid ausgeglichen wird (Gaines et al. 1994; Zier et al . 2021). Die Beschaffung und Verarbeitung dieser Rohstoffe erfordert Energie. Soda ist der energieintensivste Rohstoff für die Herstellung.

Es wird üblicherweise nach dem Solvay- (synthetisch), Hou- (synthetisch) oder Trona- (natürlichen) Verfahren hergestellt. Es wird geschätzt, dass 99 % der im Vereinigten Königreich und in der Europäischen Union (EU) produzierten Soda über das Solvay-Verfahren hergestellt werden (Belis und Tuokko 2016; Brunner Mond 2008). Dieser Prozess erfordert 6,1–10,0 MJ/kg produziertes Soda, was 0,7–1,0 kg CO2-Äq/kg produziertes Soda entspricht (Belis und Tuokko 2016; Brunner Mond 2008). Insgesamt erfordert die Beschaffung aller Primärrohstoffe für die Glasproduktion 3,8–4,8 MJ/kg geschmolzenes Glas, wodurch 0,33–0,35 kg CO2-Äquivalent/kg geschmolzenes Glas erzeugt werden (Guardian Europe 2021; Guardian Europe 2012; Usbeck et al. 2014; Vitro 2022). . Der Energieeinsatz und die entsprechenden Emissionen im Zusammenhang mit der Rohstoffbeschaffung, -verarbeitung und der Glasproduktion sind in Abb. 1 dargestellt.

1.2.2 Glasherstellung

Alle in Abb. 1 hervorgehobenen Formen des Energieeinsatzes erzeugen entsprechende Treibhausgasemissionen, die von der Art der Energiebereitstellung und den eingesetzten Rohstoffen abhängen. Die Energieversorgung der Glasproduktionsstätte erfolgt direkt durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, durch Elektrizität oder durch eine Kombination beider Quellen. Der erste Schritt in der Glasproduktion für alle Glasprodukte ist die Chargenvorbereitung, bei der alle Rohstoffe sorgfältig auf die gewünschte Zusammensetzung gemischt werden. Der Schmelze wird auch recyceltes Glas, auch Glasscherben genannt, zugesetzt. Anschließend werden die Ausgangsmaterialien im Glasofen auf hohe Temperaturen (~ 1500 °C) erhitzt, um geschmolzenes Glas herzustellen. Bei diesem Schritt entstehen Treibhausgasemissionen durch die Verbrennung von Brennstoff – typischerweise Erdgas – zum Antrieb des Glasofens. Darüber hinaus entsteht beim Schmelzprozess Kohlendioxid (CO2) als Nebenprodukt.

Diese CO2-Emissionen werden oft als Prozessemissionen bezeichnet und entstehen durch die Zersetzung von Carbonat-Rohstoffen. Anschließend wird die Glasschmelze von Blasen befreit, die ursprünglich durch chemische Reaktionen beim Schmelzen der Rohstoffe entstanden sind, und in einem Prozess namens „Schönung“ homogenisiert (Müller-Simon 2011). Geschmolzenes Glas wird auf hoher Temperatur gehalten und anschließend auf ein geschmolzenes Zinnbett im Floatglastank (Flachglas) gegossen; in eine Form geleitet und geblasen (Behälterglas); oder geblasen, gesponnen und mit Bindemittel (Glaswolle und Endlosfaserglas) verschmolzen.

Beim Formungsprozess von Flachglas können schnelle Temperaturänderungen auftreten, die starke innere Spannungen im Glas hervorrufen. Um diese Spannungen zu vermeiden, wird das Glas durch einen Kühlofen geleitet, bei dem das Glas langsam von 600 auf 60 °C abgekühlt wird. Dies erfordert wiederum Energiezufuhr in Form einer elektrischen Direktheizung. Anschließend kann Flachglas einer Reihe sekundärer Verarbeitungsmethoden unterzogen werden – Stufe 4 in Abb. 1 –, die mit Strom betrieben werden. Zu diesen Prozessen können gehören: Härtebehandlungen, das Aufbringen von Beschichtungen und/oder die Laminierung mit Zwischenschichtprodukten.

1.3 Verwendung von Scherben in der Neuproduktion

Während des gesamten Herstellungsprozesses entstehen Glasreste, die durch Kantenbeschnitte und automatisierte Qualitätsprüfungen entstehen, die inakzeptable optische Mängel und/oder außerhalb der Spezifikation liegende Leistung erkennen. Dadurch werden bis zu 15 % des hergestellten Flachglases gesammelt und als interner Scherben in der Neuglasproduktion verwendet. Die Verwendung von Scherben hat drei Vorteile. Erstens werden Energie und Emissionen eingespart, die mit der Beschaffung und Verarbeitung der entsprechenden Menge an Rohstoffen verbunden sind, multipliziert mit dem Faktor 1,2. Der Unterschied im Gesamtmasseneinsatz von 20 % ist auf die Zersetzungsverluste zurückzuführen, die beim Schmelzprozess der Carbonat-Primärrohstoffe in Stufe 2 entstehen (siehe Abb. 1).

Zweitens erfordert das Schmelzen von Scherben weniger Energie, was folglich den Energieverbrauch der primären Verarbeitungsstufe um 2,5–3,0 % pro 10 % mehr Scherben reduziert (Beerkens et al. 2011). Dies wiederum reduziert die damit verbundenen Verbrennungsemissionen, die in Abb. 1 hervorgehoben sind. Schließlich werden die Prozessemissionen durch den Ersatz von Carbonat-Rohstoffen durch Scherben, die bereits einer thermischen Zersetzung unterzogen wurden, reduziert. Abbildung 2 zeigt die relativen Einsparungen an CO2-Emissionen, die durch die Verwendung von Scherben in jeder Phase der Glasproduktion entstehen. In dieser Studie wird untersucht, inwieweit die primäre Einsparung, die mit dem reduzierten Primärrohstoffverbrauch (Stufe 1 in Abb. 2) verbunden ist, durch die umweltfreundlichen Transport- und Wiederaufbereitungskosten von „ofenfertigem“ Scherben ausgeglichen wird.

Tatsächlich gibt es drei Arten von Scherben, die bei der Glasherstellung verwendet werden. In der Glasproduktionsanlage entstehen interne Scherben aufgrund von Verschnitten, die beim Beschneiden der Glasbandkanten, bei Produktwechseln und bei Glas, das nicht den Spezifikationen entspricht, entstehen. Pre-Consumer-Scherben entstehen durch die nachgelagerte Herstellung glashaltiger Produkte; zu Abfall werden, bevor es jemals den Verbrauchermarkt erreicht. Ein Beispiel für Pre-Consumer-Scherben sind die Reste von Jumbo-Flachglas, die an Glasverarbeiter geliefert werden und dann vor dem erneuten Einschmelzen an den Glashersteller zurückgegeben werden können. Bei Post-Consumer-Glasscherben handelt es sich um Altglas, das entsteht, wenn ein Glasprodukt nach einer bestimmten Nutzungsdauer das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat. Es ist erwähnenswert, dass die Erzeugung von Produktionsabfällen an den Glasproduktionsstandorten (internes Scherbenglas) und/oder nachgeschalteten Herstellern (Pre-Consumer-Glasscherben) die Gesamtproduktion von hergestelltem Flachglas bis zum Endprodukt proportional verringert.

Schmitz et al. führte eine eingehende Analyse des direkten und indirekten Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen (dargestellt als Stufen 2–3 in Abb. 1) der europäischen Glasindustrie auf der Grundlage der Daten des Emissionshandelssystems (ETS) der Europäischen Union (EU) für 2005 durch. 2007 (Schmitz et al. 2011). Im Durchschnitt wurde festgestellt, dass die Teilsektoren Behälterglas (CG) und Glaswolle (GW) einen viel niedrigeren Wert für die Prozessemissionsintensität pro Tonne aufweisen (CG = 0,10 ± 15 % und GW = 0,07 ± 16 %) als der Teilsektor Flachglas (FG = 0,19 ± 17 %) in den damaligen EU25-Ländern (Schmitz et al. 2011). Es wurde daher geschätzt, dass die Teilsektoren GW, CG und FG im Zeitraum 2005–2007 in der EU25 typischerweise zu 55 %, 45 % bzw. 5 % Scherben (intern/vor-/post-consumer) genutzt wurden.

Derzeit gibt es keine gemeinsame internationale Norm oder Spezifikation für Post-Consumer-Scherben. Die GFS-Europäische Kommission (2011) hat einen Leitfaden für die End-of-Waste-Kriterien für wiederaufbereitetes Scherben entwickelt, das auf einer umfassenden Überprüfung der vorhandenen Literatur und Beiträgen von technischen Experten aus der gesamten europäischen Glasindustrie basiert. Dazu gehört eine Zusammenfassung der Mindestqualitätskriterien für „ofenfertiges“ Scherben im Hinblick auf maximal zulässige Werte typischer Verunreinigungen durch Metalle, organisches und anorganisches Material für die Teilbereiche Behälterglas, Flachglas und Glaswolle. Es wurde festgestellt, dass die Qualitätsanforderungen an Scherben für die Verwendung in der Flachglasproduktion deutlich höher sind als an Behälterglas und Glaswolle.

Beispielsweise sind Verunreinigungen aus Nichteisenmetallen bei der Herstellung von Behälterglas und Glaswolle zulässig, wenn ihre Partikelgröße weniger als 0,1 g beträgt und die Gesamtmenge unter 20 g/Tonne (20 ppm) fällt. Bei Flachglas muss der Gesamtanteil an Nichteisenverunreinigungen unter 0,5 g/Tonne (0,5 ppm) liegen. Noch weniger streng sind die Kontaminationsgrenzwerte für Sekundäranwendungen, die kein Umschmelzen erfordern, wie z. B. Sanitärkeramik und Flussmittel für die Ziegelherstellung. Es wurde festgestellt, dass die Verteilung von gewonnenem Scherbenmaterial auf solche Sekundäranwendungen im „offenen Kreislauf“ deutlich geringere Umweltvorteile mit sich bringt (Enviros Consulting Ltd 2003).

1.4 Bemühungen zur Dekarbonisierung der britischen Glasindustrie

WSP Parson Brinkerhoff und GL (2015), Griffin et al. (2021) und British Glass (2021) – die wichtigste Vertretung der britischen Glasindustrie – haben als Reaktion auf die Verpflichtung des Vereinigten Königreichs zu Net Zero (HM Government 2021) Branchenfahrpläne für den Glassektor veröffentlicht, um bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen. Zu den wichtigsten Strategien zur Reduzierung der mit der Glasproduktion verbundenen Emissionen bis 2050, die in diesen Studien vorgeschlagen werden, gehören: alternativer Rohstoffeinsatz zur Reduzierung von Prozessemissionen durch verstärkten Einsatz von Scherben; die Verwendung vorkalzinierter Rohstoffe und/oder alternativer Rohstoffe; die Nutzung alternativer Brennstoffquellen zur Reduzierung der Verbrennungsemissionen wie Oxyfuel-Verbrennung, flüssige Biobrennstoffe, vollelektrische Schmelzöfen, Hybridöfen und/oder Wasserstoff; und Sanierungsoptionen wie Kohlenstoffabscheidung, Nutzung und/oder Speicherung (CCU/CCS) – siehe Anhang A1 (British Glass 2021). Zier et al. stellte einen umfassenden Überblick über die Dekarbonisierungsmöglichkeiten in der deutschen Glasbranche hinsichtlich CO2-Reduktionspotenzial und Wirtschaftlichkeit vor (Zier et al. 2021). Sie untersuchten die verschiedenen bestehenden und zukünftigen Energiequellenoptionen für den Betrieb des Glasofens und kamen zu dem Schluss, dass elektrisches Schmelzen und/oder Wasserstoffverbrennung die vielversprechendsten Optionen zur drastischen Reduzierung der Verbrennungsemissionen seien.

Während die Verbrennungsemissionen durch den Brennstoffwechsel drastisch reduziert werden können, bleiben Prozessemissionen weiterhin eng mit der Rohstoffzusammensetzung von Glasprodukten verbunden. Sofern sie nicht als Nebenprodukte aus anderen Industrien bezogen werden, würde die Verwendung kalzinierter Rohstoffe die Emission von CO2-Emissionen lediglich auf eine andere Stufe der Wertschöpfungskette der Glasherstellung verlagern. Der Prozess könnte möglicherweise ineffizienter werden, wenn die Materialien zweimal erhitzt werden. Emissionssanierungsoptionen wie CCU/CCS-Technologien befinden sich in einem frühen Entwicklungsstadium und müssen sich noch für den Einsatz in Glasöfen erweisen (Anderson und Peters 2016; Butnar et al. 2020; Griffin et al. 2021; The Royal Society). 2021). Der Einsatz von CCU/CCS oder der Verwendung kalzinierter Rohstoffe zur Reduzierung von Prozessemissionen wird daher wahrscheinlich nicht das gewünschte Ergebnis einer mittelfristigen Reduzierung der globalen Treibhausgasemissionen erreichen.

Eine Erhöhung des Scherbenanteils hätte direkte und klare Vorteile für die Reduzierung der Prozessemissionen. Gleichzeitig besteht das Potenzial, die Betriebstemperaturen der Öfen zu senken und so den Bedarf an Energie aus alternativen Brennstoffen zu reduzieren. Bei der Berichterstattung über Strategien zur Emissionsreduzierung bezieht sich die Glasindustrie typischerweise auf die Emissionen, die mit der Primär- und Sekundärverarbeitung von Glas verbunden sind, dargestellt als Stufen 2–4 in Abb. 1. Diese Emissionen werden oft als Scope-1-Emissionen bezeichnet (GHG Protocol Initiative 2012). ). Alternative Brennstoffquellen und Verbrennungsmethoden wie Oxyfuel-Verbrennung, Wasserstoffverbrennung und vollelektrisches Schmelzen haben alle ihre eigenen Energiekosten, die mit der Brennstoffversorgung verbunden sind.

Die entsprechenden Emissionen, die mit der eingekauften Strom- und Brennstoffbeschaffung (Scope 2–3) verbunden sind, werden oft als Well-to-Tank (WTT)-Emissionen bezeichnet (GHG Protocol Initiative 2012). Im weiteren Kontext der Reduzierung globaler Emissionen ist es wichtig, die Umweltkosten aller Prozesse entlang der Glaswertschöpfungskette zu berücksichtigen. Zusätzlich zu den WTT-Emissionen ist es auch wichtig, die Umweltkompromisse bei der Rohstoffbeschaffung und -verarbeitung (Stufe 1 in Abb. 1) für Primärrohstoffe im Vergleich zu Scherben zu berücksichtigen. Dadurch wird eine transparente und umfassende Bewertung des Einsatzes alternativer Rohstoffe und Brennstoffquellen als Weg zur Dekarbonisierung des Glassektors ermöglicht.

1.5 End-of-Life-Anwendungen für Glasprodukte

Glas kann als Primärprodukt vor jeglicher Sekundärverarbeitung ohne Qualitätsverlust recycelt werden. Die bestehenden Verwertungswege am Ende der Lebensdauer für die drei wichtigsten britischen Glasmärkte sind in Abb. 3 dargestellt.

Hersteller von Flachglas (FG) verwenden in der Regel 10–25 % des Scherbens für die Neuglasproduktion. Bei der überwiegenden Mehrheit dieser Scherben handelt es sich um internes bzw. Pre-Consumer-Glasscherben: Es wird geschätzt, dass die Produktion von neuem Flachglas im Vereinigten Königreich nicht mehr als 1 % des Post-Consumer-Flachglases enthält. Produkte, die Flachglas enthalten, weisen häufig Beschichtungen, Fritten und Schnittstellen mit anderen Materialien wie Klebstoffpolymeren und Metallteilen auf (DeBrincat und Babic 2018). Das Haupthindernis für die Erhöhung der Post-Consumer-Recyclingraten ist die effektive Rückgewinnung von Flachglasscherben, die frei von Verunreinigungen sind, eine akzeptable Qualität haben und zu angemessenen Kosten anfallen. Die Akzeptanzschwellen für den Einsatz von Scherben in der Neuproduktion von Flachglas liegen sehr hoch, um Produktionsverluste zu minimieren, die Einhaltung relevanter Produktnormen zu gewährleisten und insbesondere optische Mängel zu minimieren (JRC European Comission 2011).

Die Behälterglasindustrie (CG) hat erhebliche Anstrengungen unternommen, um ihre Produkte über ihre erste Verwendung hinaus zurückzugewinnen, um die gesammelten Scherben in der neuen Produktion zu verwenden und so den Abfall auf Deponien zu reduzieren. Dies wurde durch ein gut etabliertes System der Sammlung gemischter wiederverwertbarer Abfälle über Flaschencontainer oder durch die Haushaltssammlung erreicht. Das gesammelte CG wird dann in einer Materialrückgewinnungsanlage abgetrennt und dann an einen Wiederaufbereiter geschickt, wo die Scherben sortiert und auf eine Qualität weiterverarbeitet werden, die den Kundenspezifikationen entspricht. Es werden Qualitätsprüfungen durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Scherben die gewünschte Spezifikation erfüllen. Dazu können Kontrollen gehören zu: maximal zulässigen Grenzwerten für Eisenmetalle, Nichteisenmetalle, anorganische und organische Stoffe; Scherbengröße; Feuchtigkeitsgehalt; und optische Qualität.

Das Vereinigte Königreich erreichte im Jahr 2019 eine Quote von 76,5 % des zum Recycling gesammelten Behälterglases, was dem europäischen Durchschnitt entspricht (British Glass 2020; FEVE 2018). Daher enthalten neue CG-Produkte im Durchschnitt typischerweise etwa 50–52 % Altglas aus britischen Quellen (Close the Glass Loop 2020; Lee et al. 2019). Der Prozentsatz des recycelten Inhalts variiert zwischen den Glasprodukten, da ein erhebliches Ungleichgewicht zwischen den Anteilen des produzierten Klar-, Grün- und Braunglases im Vergleich zu den im Vereinigten Königreich verbrauchten Mengen besteht (McCoach et al. 2019; Valpak 2012).

Norman (2013) erläuterte detailliert die Treiber und Hindernisse für die Verbesserung der Energieeffizienz in den energieintensiven Teilsektoren der britischen Industrie und betonte die Notwendigkeit, die Informationen über den Energieverbrauch und die Beweggründe für dessen Reduzierung in der gesamten Wertschöpfungskette zu verbessern. Hartwell et al. (2021) hat eine branchenübergreifende Untersuchung zu den Hindernissen und Beweggründen für die Verwirklichung der Kreislaufwirtschaft bei der Gestaltung von Fassadensystemen, einschließlich Architekturglas, abgeschlossen. Es wurde festgestellt, dass ein besseres Verständnis des Umweltwerts von Wiederverwendung und Recycling ein entscheidender Hebel für die Beeinflussung von Designentscheidungen wäre, die die Umweltleistung über den gesamten Lebenszyklus besser berücksichtigen und/oder finanzielle Investitionen in effektive Rücknahmelieferketten rechtfertigen.

Mehrere Studien haben die Herausforderungen der Einbeziehung von Post-Consumer-Scherben in die Produktion neuer Frischkäse hervorgehoben und bessere Sammel- und Sortierpraktiken gefordert (DeBrincat und Babic 2018; Edgar et al. 2008; Leong und Hurley 2004; WSP Parson Brinkerhoff und GL 2015). Die Möglichkeiten in Bezug auf: die gesamte Wertschöpfungskette der Glasbranche; Einfluss sekundärer Verarbeitungsmethoden; verfügbares Scherben im Vereinigten Königreich; alternative Wege zur Genesung; und die daraus resultierenden Energie- und Emissionseinsparungen im Glassektor wurden noch nicht bewertet. Zu diesem Zweck versucht diese Studie, die Umweltauswirkungen der Verwendung von Post-Consumer-Flachglasscherben in der Neuglasproduktion auf der Grundlage bestehender Ressourcenströme und alternativer Szenarien für das End-of-Life-Management zu bewerten.

1.6 Ressourcenflüsse für Flachglas

Es ist bekannt, dass die Nachfrage nach Scherben aus den Sektoren FG, CG und GW steigt. Die Verfügbarkeit von „ofenfertigem“ Scherben ist eine wesentliche Voraussetzung für den verstärkten Einsatz von Scherben in der Neuglasproduktion. Das vorhandene Wissen über die Bruttoverfügbarkeit von Flachglasscherben im Vereinigten Königreich und seine Eignung für Sekundäranwendungen ist begrenzt. Ein weiterer wichtiger Faktor, der weiterhin unklar ist, sind die tatsächlichen Energiekosten und/oder Einsparungen im Zusammenhang mit Glasabfällen, die als interner und/oder nachgelagerter Produktionsabfall anfallen und später als Scherben in der neuen Produktion verwendet werden. Cullen und Allwood haben informative Karten der weltweiten Stahl- und Aluminiumproduktion erstellt, die auf Massentonnagezahlen basieren, von den Rohstoffen bis zum Ende der Lebensdauer, um so vermeidbare Ertragsverluste zu identifizieren und Vorschläge für relevante Materialeffizienzstrategien zu liefern (Cullen et al. 2012; Cullen und Allwood 2013). Coenraad et al. hat eine ähnliche Karte für die Flach- und Behälterglasmärkte nach Masse erstellt, die einen nützlichen Überblick über die weltweiten Produktionszahlen bietet (Westbroek et al. 2021).

Der teilsektorübergreifende Einsatz von Altglas wurde jedoch nicht berücksichtigt. Darüber hinaus ist die Segmentierung des Flachglassektors nach Produkttyp; relevante Energieeinträge; und entsprechende Emissionen wurden ausgeschlossen. Souviron und Khan (2021) bewerteten den ökologischen Fußabdruck des Architekturflachglassektors in Belgien, Frankreich und der EU. Sie bieten einen nützlichen Überblick über: Tonnageströme von Rohstoffen; Energiemix; Energie-; und CO2-Intensität im Verhältnis zu Scope-1-Emissionen allein im FG-Sektor in den letzten 75 Jahren in diesen Regionen.

1.7 Ziel dieser Studie

Diese Studie untersucht die bestehenden und potenziellen zukünftigen Verwertungswege für Flachglas am Ende der Lebensdauer im Vereinigten Königreich und das damit verbundene Potenzial zur Reduzierung der CO2-Emissionen durch eine erhöhte Verwendung von Scherben durch:

2.1 Massefiguren zusammenbauen

Zahlen und Verteilungen der Glasproduktion nach Produkttyp im Vereinigten Königreich wurden anhand einer Literaturrecherche zusammengestellt und anschließend zusammen mit den jährlichen Produktionsproduktionsdaten von (ONS 2021) überprüft, die von der Eurostat ProdCom-Umfrage erfasst werden, die aus einer Stichprobe von etwa 21.500 Unternehmen stammt, die 240 Teilsektoren abdecken in den Sektoren Bergbau, Steinbrüche und verarbeitende Industrie. Einige Produktleistungen in der ProdCom-Datenbank werden in kategorialen Einheiten und nicht auf Massenbasis gemessen, sodass sie neben den anderen unterstützenden Referenzen nur als Leitfaden nützlich sind. Die Referenzen für die für diese Studie ermittelten Zahlen zur Glasproduktion sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die jährlichen Tonnagen werden im Verhältnis zur Endverwendung angegeben, dh die Tonnage der Neuglasproduktion wird als „Zufluss“ bezeichnet und die Tonnage des erzeugten Altglases pro Jahr wird als „Abfluss“ bezeichnet. Die Produktionszahlen wurden aus einer umfassenden Literaturrecherche und direkter Kommunikation mit der Glaswertschöpfungskette zusammengestellt.

Tabelle 1 Datenquellen für die Glasproduktion und Glassammlungszahlen im Vereinigten Königreich –Tisch in voller Größe

Die in Tabelle 1 zusammengestellten Daten wurden in einem Sankey-Diagramm (Abb. 5) in Python unter Verwendung von frei verfügbarem Plotly-Code (Plotly Technologies Ltd. 2015) dargestellt. Die im Sankey-Diagramm dargestellten Knoten repräsentieren ein Produkt oder eine Verarbeitungsstufe. Die Breite der gerichteten Pfeile zwischen den Knoten ist proportional zu den Massenströmen zwischen den einzelnen Produkten und/oder Verarbeitungsstufen. Die ausgehenden Ströme (von links nach rechts) geben den Bedarf an Primärrohstoffen an; sukzessiver Vertrieb von Endprodukten innerhalb ihrer relevanten Teilsektoren; und anschließender Verwertungs-/Entsorgungsweg über die erste Anwendung hinaus. Die Rückströme (von rechts nach links) stellen die Materialmenge dar, die zurückgewonnen und in der Neuproduktion für eine Sekundäranwendung genutzt wird.

2.2 Energiebilanz der Flachglasproduktion zu Sekundäranwendungen

2.2.1 Hauptanwendung

Es wurde ein Energieflussdiagramm erstellt, um die Aufmerksamkeit auf die Energieein- und -ausgänge zu lenken, die mit der Produktion von 1 kg Flachglas in einer Hauptanwendung (Architekturverglasung oder Automobil) verbunden sind. Die mit 1 kg Flachglasproduktion verbundene Energie wird auf der Grundlage einer Verteilung der primären FG-Produkte berechnet. Die Verteilung der primären FG-Produkte wurde auf der Grundlage typischer Produktionsleistungen in der EU geschätzt (Kellenberger et al. 2007; Maria et al. 2013) und ist in Abb. 4 dargestellt.

2.2.2 Sekundäre Anwendungswiederherstellungsszenarien

Die drei in Abb. 4 dargestellten alternativen Verwertungsszenarien wurden erstellt, um die Auswirkungen der Umleitung von Altglas in neue Produkte in unterschiedlichen Anteilen zu vergleichen und zu bewerten, darunter: unbeschichtetes Flachglas (UFG); Behälterglas (CG); Glaswolle (GW); minderwertige Zuschlagstoffprodukte (AGG); und/oder Deponie (LA). Die proportionalen Verteilungen des zurückgewonnenen Produkts zur Sekundäranwendung sind in Abb. 4 dargestellt und in Tabelle 2 detailliert aufgeführt. Szenario 1 ist repräsentativ für die bestehenden Ströme am Ende der Lebensdauer von Flachglas. Die Szenarien 2 und 3 wurden entwickelt, um den Fall darzustellen, dass Verbesserungen an bestehenden Sammelinfrastrukturen es ermöglichen, dass ein größerer Anteil von ausgedientem Flachglas wiederaufbereitet und in neuen Glasprodukten verwendet wird. Anschließend wurden der Energieverbrauch und die Energieeinsparungen im Zusammenhang mit der Verwendung von Altglas (d. h. Altglasbruch) in den drei alternativen Verwertungsszenarien bewertet.

Tabelle 2 Produktzielort für 1 kg Flachglasproduktion, die am Ende der Lebensdauer in den drei konstruierten Verwertungsszenarien gesammelt wurde –Tisch in voller Größe

2.2.3 Energieeinträge

Die mit den Stufen 1 und 4 verbundenen Energieeinträge und entsprechenden Emissionen – dargestellt in Abb. 1 – wurden aus bestehenden Umweltproduktdeklarationen und der EcoInvent-Datenbank zusammengestellt (Wernet et al. 2016). Die Daten für die Produktionsstufen 2–3 stammen von (Schmitz et al. 2011), die eine detaillierte Analyse des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen von 450 europäischen Glasanlagen auf der Grundlage von EU-ETS-Daten für den Zeitraum 2005–2007 durchgeführt haben. Die kraftstoffquellenspezifischen Umrechnungsfaktoren (BEIS 2020) der britischen Regierung wurden angewendet, um die mit der Kraftstoffversorgung verbundene Energie zu berücksichtigen (d. h. um die gesamte gelieferte Energie in Primärenergie umzuwandeln – siehe Anhang A2). Die vorhandene Literatur liefert Daten zur grauen Energie und zum grauen Kohlenstoff von Glasprodukten mit einer Reihe von Recyclinganteilen (RC). Wo keine Daten für 0 % RC verfügbar waren, wurden die Werte für die graue Energie und den grauen Kohlenstoff in Tabelle 3 auf der Grundlage der äquivalenten Energie- und Emissionseinsparungen (Beerkens et al. 2011) skaliert, die sich in Phase 1 und 2 durch die Verwendung von Scherben in neuem Zustand ergeben Produktion für UFG, CG und GW.

Tabelle 3 Verteilung des Energieeinsatzes und des äquivalenten verkörperten Kohlenstoffs für die wichtigsten Verarbeitungsschritte von Flachglas, Behälterglas, Glaswolle und Zuschlagstoffprodukten –Tisch in voller Größe

Die Rohstoffzusammensetzung für FG und CG ist ähnlich. Für GW ist die Zusammensetzung etwas anders (Kellenberger et al. 2007; Zier et al. 2021). Für die Zwecke dieser Studie wurde angenommen, dass die mit der Primärrohstoffbeschaffung und dem Transport für jedes Glasprodukt verbundene Energie 4,05 MJ/kg geschmolzenes Glas und 0,32 kg CO2-Äquivalent/kg geschmolzenes Glas beträgt. Diese Zahlen stammen aus einer Umweltproduktdeklaration für Flachglas, in der 0 % RC angegeben wurde (Guardian Europe 2012).

Um Scherben einer für neue UFG-, CG- und GW-Produkte akzeptablen Qualität zu erzeugen, ist ein Zwischenschritt der Wiederaufbereitung erforderlich. Dies erfordert einen zusätzlichen Energieeinsatz und einen entsprechenden nicht rückgewinnbaren Energieverlust. Die Angaben zu verkörperter Energie und Kohlenstoff für die Gewinnung von Scherben stammen von Beerkens et al. und die EcoInvent-Datenbank (Beerkens et al. 2011; Wernet et al. 2016). Die Zahl der verkörperten Energie stimmt gut mit der Energie überein, die mit der äquivalenten Produktion von Scherben verbunden ist, die in einer Materialrückgewinnungsanlage behandelt wird, wo ähnliche Verarbeitungsaktivitäten stattfinden (Denison 1996). Eine Schätzung für den Transport von Scherben vom Verwendungsort zurück zum Wiederaufbereitungs- oder Zuschlagstoffmarkt wurde auf 800 km bzw. 100 km geschätzt, basierend auf den Standorten bestehender Produktions- und Wiederaufbereitungsstandorte im Vereinigten Königreich. Die äquivalenten Zahlen zu grauer Energie und Kohlenstoff für den Transport wurden auf der Grundlage der Treibhausgas-Berichtszahlen des Vereinigten Königreichs berechnet (GOV.UK 2021). Die direkte Verwendung von Glas in der Zuschlagstoffproduktion erfordert in der Regel keinen Wiederaufbereitungsschritt. Die relevanten Berechnungen für den Energieeinsatz, der mit jeder Produktionsstufe verbunden ist, sind in Anhang A2 aufgeführt.

Tabelle 3 verdeutlicht den Unterschied in der Energieintensität zwischen unbeschichteten Flachglasprodukten und Glaswolleprodukten. Die Herstellung des endgültigen Glaswolleprodukts ist aufgrund des zusätzlichen Zerfaserungs- und Aushärtungsprozesses, der für Glaswolleprodukte erforderlich ist, energieintensiver (IMPEL 2012; Maria et al. 2013). Sekundärprozesse können die graue Energie von unbeschichtetem Flachglas deutlich erhöhen. Es wurde festgestellt, dass Beschichtungs-, Laminierungs- und Vorspannprozesse einen zusätzlichen Energieeintrag verursachen, der 10 %, 49 % bzw. 49 % der grauen Energie von unbeschichtetem Flachglas entspricht (Guardian Europe 2021; Guardian Europe 2012).

2.2.4 Erneuerbare Energie

Energie- und Emissionseinsparungen durch die Verwendung von Scherben in der Produktion von neuem Flachglas ergeben sich aus den Phasen der Rohstoffbeschaffung und des Glasschmelzens. Basierend auf den in Tabelle 3 aufgeführten und in Anhang A3 näher erläuterten Zahlen würde der Ersatz von 100 % Primärrohstoffen durch 100 % Post-Consumer-Scherben zu einer Gesamtenergieeinsparung von 27 % und einer Gesamtemissionseinsparung von 41 % bei der Rohstoffbeschaffung führen bis hin zur Produktion zum endgültigen unbeschichteten Flachglasprodukt. Diese Werte werden als maximale für die Rückgewinnung verfügbare Energie (MRE) und maximales Emissionseinsparpotenzial (MESP) verwendet. Alle anderen Energieeinträge, einschließlich derjenigen, die für die Bereitstellung zusätzlicher Verarbeitungsmethoden für die Flachglasproduktion wie Beschichten, Laminieren, Vorspannen und die Verarbeitung zu einer Verglasungs- und/oder Automobileinheit erforderlich sind, werden als Energieverluste bewertet, die nicht durch Recycling regeneriert werden können.

Nach der primären Verwendung in Architekturverglasungen oder Automobilprodukten kann Glas auf die Mülldeponie verbracht oder einer von vier Sekundäranwendungen zugeführt werden: neues unbeschichtetes Flachglas (FG), Behälterglas (CG), Glaswolle (GW) oder Zuschlagstoff (AGG). Bei der Deponierung werden 0 % des MRE verwertet. Für die sekundären Anwendungen kann die Energie in unterschiedlichem Ausmaß zurückgewonnen werden, abhängig von der äquivalenten rückgewonnenen Energie (RE), die durch die Verwendung von Scherben innerhalb dieser sekundären Anwendung erzielt wird.

2.2.5 Produktionserträge

Die Produktionsausbeute stellt den Prozentsatz an fehlerfreiem Glas dar, der in die nächste Stufe der Glasproduktion gelangt. In den fünf in dieser Studie erstellten Szenarien werden zwei potenzielle Ertragsraten bewertet, die in Tabelle 4 dargestellt sind. In den Szenarien 1A, 2A und 3A wird ein Ertrag berücksichtigt, der repräsentativ für die aktuelle Praxis der Flachglasherstellung ist und auf Schätzungen aus der Kommunikation mit Glasherstellern basiert. Die Szenarien 1B, 2B und 3B gehen von einer ehrgeizigeren Schätzung der Renditen aus.

Tabelle 4 Bestimmungsort der Ausbeuten und Ausbeuteverluste für jeden Verarbeitungsschritt der Flachglasproduktion –Tisch in voller Größe

2.2.6 Energieflüsse von der Primär- zur Sekundäranwendung

Die entsprechenden Energieflüsse, basierend auf der Massenverteilung des Glasprodukts vom Rohmaterial bis zur primären und anschließenden sekundären Anwendung, wurden in Sankey-Diagrammen (Abb. 6 und 7) dargestellt, um eine Visualisierung der mit der Produktion verbundenen Energieverluste und Äquivalente zu ermöglichen Einsparungen, die sich aus der Wiederverwertung von Scherben nach ihrer primären Verwendung ergeben. Daraus lassen sich folgende Werte abschätzen: Primärenergieverluste bei der Herstellung von unbeschichtetem Flachglas und nachfolgenden Verarbeitungsverfahren; Sekundärenergieverluste bei der Herstellung sekundärer Anwendungsprodukte; insgesamt zurückgewonnene Energie (TRE); und gesamte nicht zurückgewonnene Energie (TNRE). Eine Zusammenfassung der Berechnungen zur Bewertung dieser Faktoren finden Sie in Anhang A3.

2.3 Energie- und Emissionseinsparpotenziale

Der Flachglasmarkt ist in den letzten 20 Jahren stetig gewachsen. Ein Abfluss von 600 kt und 200 kt Flachglas im Jahr 2021 (dem Referenzjahr für die Analyse) wurde als obere und untere Schätzung auf der Grundlage der jährlichen Produktionsraten im Jahr 1996 und einer 25-jährigen Lebensdauer von a angenommen Verglasungseinheit und stetiges Wachstum im Automobilglasmarkt (Hestin et al. 2016; Kellenberger et al. 2007; Maria et al. 2013). Diese beiden Zahlen wurden verwendet, um einen Indikator für das entsprechende Energie- und Emissionsminderungspotenzial zu liefern, das durch die Einbeziehung von Post-Consumer-Flachglas in die Produktion neuer Glasprodukte erreicht werden könnte.

3.1 Karte der britischen Glasproduktionsströme und der damit verbundenen CO2-Emissionen

Die Herstellung von Glas verbraucht erhebliche Mengen an natürlichen Ressourcen. Die Massenflüsse der Glasproduktion von der natürlichen Ressource über die primäre Verwendung bis hin zur Verwertung in die sekundäre Verwendung sind in Abb. 5 dargestellt.

Die in Abb. 5 dargestellten Massenströme basieren auf den eingehenden und ausgehenden Ressourcenströmen, die mit der Gesamtproduktion an Fertigprodukten in jedem Glasmarkt (Flachglas, Behälterglas, Glaswolle und andere Glasprodukte) im Jahr 2019 verbunden sind. Die Gesamttonnageproduktion des fertigen Produkts in jedem Markt ist in Tabelle 5 aufgeführt.

Tabelle 5 Gesamttonnage und CO2-Emissionen im Zusammenhang mit jedem Glas-Teilsektor vom Rohstoff bis zur primären Anwendung –Tisch in voller Größe

Aufgrund der Beschaffenheit der Rohstoffzusammensetzung verursacht jedes Glasprodukt CO2-Emissionen durch die thermische Zersetzung von Carbonat-Rohstoffen. Der Anteil an Abfallnebenprodukten in Form von CO2-Emissionen, in Tabelle 5 auch als Prozessemissionen bezeichnet, ist umgekehrt proportional zum prozentualen Einsatz von Scherben in den Chargenrohstoffen.

3.2 Energiebilanz der Flachglasproduktion

Die Abbildungen 6 und 7 wurden grafisch dargestellt, um eine Visualisierung der Energiebilanz der Wiederherstellungsszenarien 1 und 2 auf der Grundlage derselben konservativen Produktionsausbeute (A) bereitzustellen, die in Tabelle 4 aufgeführt ist.

In Tabelle 6 sind die Energieeinträge, die damit verbundenen Energieverluste, die zurückgewonnene Energie (RE) und die nicht zurückgewonnene Energie (NRE) für die fünf in Abschn. 1 vorgestellten Szenarien aufgeführt. 2.2.

Tabelle 6 Energieeinsatz und äquivalente rückgewinnbare und nicht rückgewinnbare Energieströme für 1 kg Primärprodukt unter Bezugnahme auf die 5 vorkonstruierten Szenarien –Tisch in voller Größe

3.3 Emissionseinsparungen im Glassektor

Tabelle 7 stellt das Emissionseinsparungspotenzial jedes Rückgewinnungsszenarios dar, wobei jedes Rückgewinnungsszenario repräsentativ für eine bestimmte Verteilung der Primärproduktion auf die Sekundäranwendung ist (siehe Abbildung 4 und Tabelle 4). Die gesamten jährlichen Emissionseinsparungen für jedes Rückgewinnungsszenario wurden unter Bezugnahme auf die in Tabelle 5 aufgeführten grundlegenden jährlichen Tonnagezuflüsse von Glasprodukten berechnet. Das angestrebte Ertragsszenario führt zu einer Reduzierung der jährlichen Gesamtemissionen um 2,7 % im Vergleich zum konservativen Ertragsszenario. Die in Tabelle 7 dargestellten äquivalenten Emissionseinsparungen wurden unter Bezugnahme auf (i) die konservative Ertragsbasislinie für die FG-Produktion und (ii) die angestrebte Ertragsbasislinie für die FG-Produktion berechnet.

Tabelle 7 Äquivalentes Emissionseinsparpotenzial alternativer Verwertungsszenarien basierend auf dem geschätzten jährlichen Abfluss von Flachglas –Tisch in voller Größe

4.1 Bestehende End-of-Life-Routen

Der in Abb. 5 dargestellte Ressourcenfluss bietet eine klare Visualisierung der bestehenden Verwertungswege für Glasprodukte am Ende ihrer Lebensdauer und des Ausmaßes, in dem jeder Glasmarkt die Verwendung von recyceltem Scherben in den relevanten Glasproduktionsprozessen nutzt . Mehrere externe Faktoren haben in den letzten 25 Jahren zu einem erheblichen Anstieg des Anteils von Post-Consumer-Scherben geführt, der in der Produktion neuer CG-Produkte verwendet wird. Die Einführung eines Systems der erweiterten Herstellerverantwortung (EPR) im Jahr 1997 mobilisierte erhebliche Investitionen in wirksame Mechanismen für die Sammlung von Behälterglas, einschließlich der Sammlung am Straßenrand und in Flaschencontainern.

Durch diese Programme werden mittlerweile 76,5 % des Behälterglases im Vereinigten Königreich zum Recycling gesammelt (British Glass 2020). Technologische Fortschritte bei Materialrückgewinnungsanlagen haben die effektive Sortierung gemischter Haushaltsabfälle zur Gewinnung von Containerglasscherben ermöglicht, die anschließend in einer für den CG-Markt akzeptablen Qualität wiederaufbereitet werden können. Der CG-Markt verwendet somit etwa 55 % Post-Consumer-Scherben in der Neuproduktion, was im Durchschnitt europäischer Glashersteller liegt (FEVE 2018).

Folglich verringert sich die Nachfrage nach primären Rohstoffressourcen, die im Fall von CG bis zu 28 % des Energieeinsatzes ausmachen können (siehe Tabelle 3). Es besteht jedoch ein erhebliches Ungleichgewicht zwischen den produzierten CG-Typen und den verbrauchten und anschließend gesammelten Glasarten im Vereinigten Königreich (Edgar et al. 2008; Lee et al. 2019). Die britische Produktion von klarem CG ist mehr als doppelt so hoch wie die von grünem oder bernsteinfarbenem Behälterglas (Edgar et al. 2008; WRAP 2008a; WSP Parson Brinkerhoff und GL 2015). Gesammeltes Scherbenmaterial aus der Grün- oder Bernsteinsammlung kann nicht in die Produktion von klarem Behälterglas zurückgeführt werden und wird häufig auf externe Märkte exportiert (Beerkens et al. 2011; JRC European Comission 2011).

Der Flachglasmarkt machte im Jahr 2019 etwa 23 % der britischen Glasproduktion aus. Schätzungen von Wiederaufbereitern im Vereinigten Königreich zufolge werden pro Jahr etwa 80–100 kt Flachglas getrennt von anderen Abfallmaterialien zum Recycling gesammelt (Potters Ballotini Ltd. Reprocessors, Telefonkommunikation, 7. Dezember 2020; Potters Ballotini Ltd. Reprocessors, E-Mail-Kommunikation, 30. Juni 2022; URM Ltd. Reprocessors, Telefonkommunikation, 29. November 2021). Trotz seiner Recyclingfähigkeit wird Altbauglas selten zu neuen Flachglasprodukten recycelt (siehe Abbildung 5). Alternativ wird gesammeltes und sortiertes Post-Consumer-Flachglas für andere Anwendungen wiederaufbereitet.

Wiederaufbereitetes Scherbenmaterial, das einer akzeptablen Qualität entspricht, wird in den Behälterglasmarkt zurückgeführt, wo weniger strenge Akzeptanzkriterien gelten als auf dem Flachglasmarkt (JRC European Comission 2011). Scherben, die nicht den Qualitätsanforderungen entsprechen, werden auf alternative Märkte verkauft, beispielsweise auf den Zuschlagstoffmarkt oder auf den Glasperlenmarkt. Durch private Kommunikation mit Glaswiederaufbereitern im Vereinigten Königreich und in den Niederlanden wurden die vorhandenen Möglichkeiten zur einfachen Wiederaufbereitung von Post-Consumer-Flachglas für die Märkte für Behälterglas und Glaswolle offengelegt (Shark Solutions 2022) (URM Ltd. Reprocessors, Telefonmitteilung, 29. November 2021; Maltha Glasrecycling Nederland BV, E-Mail-Kommunikation, 31. Dezember 2021).

Einige FG-Hersteller haben in jüngerer Zeit Partnerschaften mit lokalen Installateuren von Isolierverglasungseinheiten aufgebaut, um gebrauchtes FG zur Verwendung als Scherben in der neuen FG-Produktion zurückzugewinnen (Saint Gobain 2020; Morley Glass & Glazing 2019). Flachglas, das am Verwendungsort von anderen Baustoffen getrennt wird, wird entweder durch Zerkleinerung zusammen mit anderen inerten Baustoffen zur Verwendung in der Zuschlagstoffproduktion/Hartkern vor Ort recycelt oder der Deponie zugeführt. Die Entsorgung auf einer Deponie ist aufgrund der inerten Eigenschaften von Glas möglich: Für Glas gilt der niedrigere Satz der britischen Deponiesteuer (3,15 £/Tonne statt 98,60 £/Tonne). Daher sind die Kosten für die Entsorgung von Flachglas oft günstiger als die Kosten für die getrennte Sammlung und Aufbereitung des Flachglases, um es für das Recycling geeignet zu machen.

Die Nachfrage nach Glasfasern für die Glaswolleproduktion ist in den letzten 20 Jahren gestiegen. Dies ist größtenteils auf die höhere Nachfrage nach Dämmprodukten zurückzuführen, die die Energieeffizienzziele von Gebäuden erfüllen. Bei der Glaswolleproduktion werden in der Regel bis zu 55 % des Pre- und Post-Consumer-Scherbens in die Neuproduktion einbezogen. Scherben zur Verwendung in der Glaswolleproduktion müssen ebenfalls strenge Akzeptanzkriterien erfüllen, wenn auch weniger strenge als der Flachglasmarkt (JRC European Comission 2011). So handelt es sich bei einem Großteil des bei der Glaswolleproduktion eingesetzten Scherben um internes Scherben und wiederaufbereitetes Pre-Consumer-Scherben aus dem Flachglasbereich (Knauf Insulation 2021).

4.2 Energiebilanz & Emissionseinsparpotenzial

4.2.1 Die Auswirkung von Ertragseinbußen

Scherben, die durch Ertragsverluste in den verschiedenen Phasen der Glasproduktion entstehen, werden als interne und/oder vorverbraucherfähige Scherben in die Neuglasproduktion eingearbeitet. Diese Ausbeuteverluste werden entweder direkt in die Glasschmelze zurückgeführt oder, wie es bei einem kleinen Teil der Reste aus der Flachglasherstellung der Fall ist, zunächst wiederaufbereitet, bevor sie in den Flachglas- oder Glaswollemarkt zurückgeführt werden.

Eine nützliche Erkenntnis aus Abb. 6 und 7 sowie Tabelle 6 ist, dass bei gleicher Endproduktionseinheit die Verwendung von Pre-Consumer-Scherben in der Neuproduktion nicht zwangsläufig zu einer Verringerung der Nachfrage nach Primärrohstoffen aus natürlichen Ressourcen führt. Tatsächlich erhöht es die Gesamtenergie und die Emissionen pro Produktionseinheit, wenn es sich bei der Produktionseinheit um ein Produkt handelt, das eine primäre Anwendung erfüllt. Die in Tabelle 6 als konservativ (A) und ehrgeizig (B) dargestellten Alternativrenditen liefern hierfür weitere Belege. Basierend auf dem konservativen Ertragsszenario (A) entspricht die Produktion von 1 kg Flachglasproduktion (für Glas- und Automobilanwendungen) einem Energieverbrauch von 25,9 MJ/kg Produktion und 1,76 kg CO₂-Äq/kg Produktion, was 9,2 % und 8,0 % entspricht % höher als im angestrebten Ertragsszenario (B), bei dem die gleiche Verteilung von Glasprodukten mit höheren Erträgen (d. h. geringerem Produktionsabfallaufkommen) berücksichtigt wird. Diese Marge kann sich weiter erhöhen, wenn die Energiekosten berücksichtigt werden, die mit dem Rücktransport von Pre-Consumer-Scherben zu den Glasherstellern verbunden sind.

Die Sensitivität von Energieeinsparungen gegenüber Ertragsänderungen unterstreicht, wie wichtig es ist, potenzielle Ertragsverluste zu berücksichtigen, wenn die Vorteile der Verwendung größerer Anteile von Post-Consumer-Recyclingglas bewertet werden (Beerkens et al. 2011). Wenn höhere Anteile an Post-Consumer-Scherben zu einem geringeren Ertrag führen, kann die damit verbundene Energieeinsparung geschmälert werden. Daher sollten die Ausbeuten weiter optimiert werden mit dem Ziel, den Energieeinsatz zu reduzieren und die Ressourceneffizienz entlang der gesamten Glaswertschöpfungskette zu steigern.

4.2.2 Verwendung von Post-Consumer-Flachglasscherben in Sekundäranwendungen

Der Einsatz von Scherben in der Neuproduktion gilt seit langem als vorteilhaft im Hinblick auf einen geringeren Energieeinsatz und die damit verbundenen Prozess- und Verbrennungsemissionen. Die bestehende Infrastruktur zur Sammlung von Altglas aus Altglas ist unzureichend ausgebaut, was dazu führt, dass diese Vorteile oft ungenutzt bleiben: Ein großer Teil des Flachglases landet als Zuschlagstoff oder auf der Mülldeponie. Die mit dem bestehenden typischen Verwertungsweg für Flachglas verbundene Energiebilanz wurde anhand von Szenario 1A demonstriert (siehe Abbildung 4 und Tabelle 6 für die sekundäre Anwendungsverteilung). Es wurde festgestellt, dass in Szenario 1A 0,4 % der bei der Neuproduktion eingesetzten Energie durch die Wiederverwendung von Altglas zurückgewonnen werden, wobei 74 % des gesammelten Glases als Gesamtprodukt enden.

Es wurde festgestellt, dass der mit dem Transport und der Wiederaufbereitung des gesammelten Glasbruchs verbundene Energieaufwand nicht vernachlässigbar ist. Die in den Tabellen 6 und 7 dargestellten Ergebnisse basieren auf einem Gesamtenergieeintrag von 2,66 MJ/kg Scherben und 0,17 kg CO₂/kg Scherben, bezogen auf eine Gesamttransportstrecke von 800 km und einer Schätzung der Wiederaufbereitungsmethoden zur Bereitstellung von Scherben geeigneter Qualität für FG, GW oder CG basierend auf Beerkens et al. (2011), Denison (1996) und GOV.UK (2021). Diese Zahlen sind immer noch geringer als die Energie und Emissionen, die mit der Beschaffung und dem Transport von Primärrohstoffen verbunden sind und bei der Produktion von Soda bei 4,05 MJ/kg bzw. 0,316 kg CO₂-Äq/kg liegen der Hauptverantwortliche.

Szenario 2A ist ein Beispiel für die damit verbundenen Vorteile verbesserter Sammelpraktiken, die es ermöglichen, einen höheren Prozentsatz an Flachglas zu Scherben aufzubereiten, das für andere Glasmärkte geeignet ist. Durch eine verbesserte Sammlung und Verteilung an hochwertige Glasmärkte steigt der Prozentsatz der verfügbaren rückgewinnbaren Energie von 0,4 % (S1A – 11 % des gesammelten Glases werden zu ofenfertigem Scherben wiederaufbereitet) auf 14,2 % (S2A – 90 % des gesammelten Glases werden zum Ofen wiederaufbereitet). -bereites Scherben). Diese Zahl ist mit der verfügbaren Literatur vergleichbar. Beispielsweise wurden in einer Studie die energetischen Auswirkungen des Recyclings von Glasbehältern in den USA einschließlich der Transportentfernungen untersucht und berechnet, dass der gesamte Primärenergieverbrauch sinkt, wenn der Prozentsatz des recycelten Glases um eine maximale Einsparung von 13 % steigt (Gaines et al. 1994). Alternative Transportmethoden und Transportentfernungen für gesammeltes Glas bleiben ein Schlüsselfaktor, den es zu überwachen gilt, um die Empfindlichkeiten bei den berechneten Energie- und Emissionseinsparungen zu beurteilen. Weitere Untersuchungen zu den Standorten von Wiederaufbereitungsanlagen, Sammelstellen und Glasherstellungsanlagen im Vereinigten Königreich sowie ihren relevanten Produktionskapazitäten und Wiederaufbereitungserträgen wären wertvoll.

In den Szenarien 2A und 2B werden Wiederherstellungsrouten am Lebensende berücksichtigt, die sich von den Szenarien 1A und 1B unterscheiden. In den Szenarien 2A und 2B werden 30 % des gesammelten Flachglases auf den CG-Markt geleitet. Der Rest wird zu 30 %, 30 % bzw. 10 % an FG, GW und AGG verteilt. Szenario 3B berücksichtigt eine Situation, in der 90 % der gesammelten Scherben zu FG und 10 % zu AGG abgesaugt werden. Die Szenarien 2B und 3B ergeben einen Anteil der zurückgewonnenen Energie von 15,5 % bzw. 16,4 %. Der geringfügige Unterschied macht deutlich, dass die Verwendung von gesammeltem FG in alternativen Märkten, in denen weniger strenge Anforderungen an die Scherbenqualität gelten, dennoch erheblich zur Reduzierung des Energiebedarfs der Glasbranche insgesamt beitragen könnte.

Es wird prognostiziert, dass der Flachglasmarkt aufgrund der anhaltenden Bemühungen, bestehende Gebäude zu sanieren, um neue Energieleistungsziele zu erreichen, wachsen wird: Schätzungen zufolge sind 44 % des vorhandenen Glasbestands in der EU einfach verglast (Glas für Europa). 2018). Abbildung 5 zeigt ein repräsentatives Beispiel bestehender Sammelpraktiken für Flachglas basierend auf einem geschätzten Abfluss von 485 kt. Diese Schätzung wurde als angemessen erachtet, basierend auf der Flachglasproduktionszahl von 690 kt im Vereinigten Königreich im Jahr 1996 (Kellenberger et al. 2007; Maria et al. 2013) und unter Berücksichtigung der Schätzung (Kellenberger et al. 2007), dass IGUs zwischen 40 und 100 kt ausmachen –50 % der Masse des Marktes für Architekturverglasung mit einer typischen erwarteten Lebensdauer einer Isolierverglasungseinheit (IGU) beträgt 25–30 Jahre.

Der in Abb. 5 dargestellte geschätzte Abfluss von 485 kt stimmt somit in gewissem Maße auch mit der von (Hestin et al. 2016) ausgewerteten Abflussvorhersage von 215 kt für das Jahr 2025 überein, bei der sie eine Top-Down-Methode zur Schätzung des Glasbestands verwendeten die typische Masse isolierter Glaseinheiten (IGUs) allein, d. h. wo diese als 40–50 % des gesamten Architekturglasmarktes angesehen werden könnte. In Tabelle 7 wurden zwei alternative Schätzungen für den Abfluss von Flachglasbeständen pro Jahr berücksichtigt, basierend auf den Produktionszahlen für Flachglas im Jahr 1996 und dem Energie- und CO2-Emissionseinsparpotenzial für die verschiedenen in dieser Studie erstellten Szenarien. Der geschätzte Abfluss am unteren Ende von 200 kt würde für Szenario 2A zu Einsparungen von 1,9 % der CO2-Emissionen im gesamten Glassektor und 5,5 % Einsparungen allein im Flachglassektor führen. Für das gleiche Szenario würde die High-End-Abflussschätzung von 600 kt zu Emissionseinsparungen von 5,6 % im gesamten Glassektor und 16,5 % allein im Flachglassektor führen. Der Übergang zu einer anspruchsvolleren Fertigungsausbeute (B) könnte die Emissionen um weitere 1–2 % senken.

Eine Bottom-up-Untersuchung des vorhandenen Glasbestands ist erforderlich, um Prognosen zu Glasabflüssen zu formalisieren. Die Zahlen in Tabelle 1 basieren auf den endgültigen Glasprodukten, die auf den Markt kommen. Es ist zu beachten, dass die Produktion von Autoglas nicht im Vereinigten Königreich stattfindet: Die Flachglasprodukte für die Automobilindustrie werden zur Verarbeitung in ihre endgültige Produktanwendung importiert. Dennoch werden die fertigen Automobilglasprodukte auf den Markt gebracht und daher in dieser Studie berücksichtigt. Genaue Werte für Zu- und Abflüsse von Glasprodukten aus Importen und Exporten wurden in diese Studie nicht einbezogen. Es wurde festgestellt, dass die Importe und Exporte der EU-27 10–20 % der Flachglasproduktion und des britischen Flachglasverbrauchs ausmachen (Glass Alliance Europe 2021).

4.3 Hindernisse für die Verwendung von Post-Consumer-Scherben

Befürchtungen hinsichtlich der Verwendung von Altglasbruch in der Flachglasproduktion sind auf Bedenken hinsichtlich einer Kontamination durch Glaskeramik, organische Materialien und Metalle zurückzuführen. Der Einbau unbekannter und unkontrollierter Scherbenzusammensetzungen kann zu hohen Produktionsausfällen führen und die Flachglasproduktion um mehrere Tage verlangsamen. Zu diesen Problemen können gehören: Störungen des Glasschmelzens durch Schaumbildung oder eingeschränkte Wärmeübertragung in die Glasschmelze, verursacht durch einen veränderten Kohlenstoffgehalt des eingehenden Scherbens über Polymere; die Bildung keramischer Einschlüsse, die sich in der Glasschmelze nur sehr langsam auflösen; die Bildung von Nickelsulfid-Einschlüssen, die durch die Verunreinigung der Glasschmelze durch Edelstahlflocken entstehen; Reduzierung von Siliziumdioxid zu Siliziumeinschlüssen aufgrund der reduzierenden Wirkung von Aluminiumverunreinigungen; und/oder Abwärtsbohren von Schmelzen von Metallen, die in den Scherben vorhanden sind (Beerkens et al. 2011; IMPEL 2012).

Solche Probleme können zu Schwierigkeiten bei der Verfeinerung führen; verkürzte Ofenlebensdauer; Farbveränderungen des Produkts; verringerte mechanische Festigkeit aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Glas und Einschlüssen; Dämpfe durch organische Verunreinigungen; und Emissionen von Partikeln, die hauptsächlich aus der Verflüchtigung und anschließenden Kondensation flüchtiger Chargenmaterialien entstehen (Maria et al. 2013). Die Auswirkungen von Polymerverunreinigungen auf den veränderten Kohlenstoffgehalt der Glasschmelze können bis zu einem gewissen Grad durch die Zugabe von Natrium- oder Kaliumnitrat als Oxidationsmittel zur Stabilisierung des Redoxzustands des Glases abgemildert werden (Beerkens 1999; Maria et al. 2013; Zier et al. 2021). Dies führt jedoch zu einem Anstieg der Stickoxidemissionen (NOx) (Maria et al. 2013).

Um diesen Problemen vorzubeugen, ist normalerweise eine Vorreinigung und Sortierung von Post-Consumer-Scherben erforderlich (Maria et al. 2013; Zier et al. 2021). Dies kann eine Reihe von Wiederaufbereitungsschritten umfassen: Altglas wird durch eine Reihe von Trenntechniken geleitet, darunter Magnete, Siebe, Zyklone, Wirbelstromabscheider, Kameras und Röntgengeräte, um die Qualität des wiederaufbereiteten Scherbens zu sortieren und einzustufen. Die erforderlichen Wiederaufbereitungsmethoden und die daraus resultierende Scherbenqualität können erheblich variieren und hängen stark davon ab, welche Sekundärprozesse eingesetzt wurden und vom Zustand bei der Sammlung. Beispielsweise kann sauber gesammeltes gehärtetes Glas ohne Grenzflächenmaterialien problemlos wiederaufbereitet und zu „ofenfertigem“ Bruchglas recycelt werden. Alternativ lässt sich Keramikglas nur schwer recyceln, da die hohe Schmelztemperatur der Keramik zu keramischen Einschlüssen im endgültigen Glasprodukt führt.

Bedenken hinsichtlich der Wiedereinführung von Verbundglas direkt in den Floatglastank sind darauf zurückzuführen, dass die organische Polyvinylbutyral-Zwischenschicht – die bis zu 7 Gew.-% der Verbundglasscheibe ausmachen kann – den genau kontrollierten Redoxzustand des Glases verändert ( Beerkens et al. 2011; Beerkens 1999). Daher erfordert Verbundglas speziellere Aufbereitungstechniken, um das Glas vor der Verwendung von der Polymerzwischenschicht zu trennen. Dies beinhaltet in der Regel das Aufbrechen des Glases mithilfe einer Walze oder einer ähnlichen mechanischen Aktion und die anschließende Entfernung des Glases (Fernández Acevedo et al. 2008; Tupy et al. 2014). Jeder weitere Aufbereitungsschritt kann zu Mehrkosten und Ertragseinbußen führen. Optionen für alternative Sekundäranwendungen umfassen Schaumglas, Glasstrahlmittel und Glasperlen, bei denen weniger strenge Qualitätsanforderungen gelten (Brusatin et al. 2004; JRC European Comission 2011; Kasper 2006; Lebullenger und Mear 2019). Es wurde jedoch festgestellt, dass diese Anwendungen deutlich weniger Umwelteinsparungen bringen als höherwertige Glasanwendungen (Enviros Consulting Ltd 2003; Hartwell und Overend 2019).

Ein besseres Verständnis der Möglichkeiten zur Verbesserung der Sammlung und Wiederaufbereitung von Post-Consumer-Glas für die wichtigsten Glasmärkte ist von entscheidender Bedeutung. Auch wenn die bestehenden Mengen an Altglasscherben auf allen Glasmärkten nach wie vor relativ niedrig sind, wäre es von Vorteil, eine Sortierung von Altglasscherben in Erwägung zu ziehen, um sie dann auf der Grundlage der Qualität an relevante Märkte zu verteilen. Die Wiederaufbereitungsausbeute, die mit der Erzeugung von „ofenfertigem“ Scherben aus verschiedenen Flachglasprodukttypen verbunden ist, bedarf weiterer Forschung. In der Zwischenzeit würden technische Methoden, die dazu beitragen, die Effizienz der Sortierung und Wiederaufbereitung von Flachglasprodukten, die anhaftende Polymere/Dichtstoffe enthalten, zu steigern, dazu beitragen, die Ausbeute an wiederaufbereitetem Scherben zu erhöhen.

Eine konsistente und zuverlässige Versorgung mit wiederaufbereitetem Scherben von akzeptabler Qualität wird von entscheidender Bedeutung sein, um das Risiko zu mindern, das mit der Einbeziehung von Verunreinigungen in die Neuglasproduktion verbunden ist, und um anschließend den Übergang zu einem höheren Anteil an Post-Consumer-Glas zu erleichtern. Aus der in Tabelle 6 dargestellten Differenz des Gesamtenergiebedarfs pro Produktionseinheit im konservativen (25,9 MJ/kg Output) und angestrebten (23,7 MJ/kg Output) Ertragsszenario wird deutlich, dass es nicht zu einem Anstieg des Post-Consumer-Scherbenanteils kommen darf zu Lasten erhöhter Ausbeuteverluste bei der Glasherstellung.

Abgesehen von den Umweltchancen werden finanzielle Möglichkeiten, die durch Marktmechanismen und/oder externe Gesetzgebung gefördert werden, weiterhin der Haupttreiber für die Einführung des Post-Consumer-Altglasrecyclings sein. Zwei Schlüsselfaktoren müssen bewertet werden, um die Marktchancen für Post-Consumer-Flachglasscherben zu nutzen und die Wettbewerbsfähigkeit mit Primärrohstoffen sicherzustellen. Zunächst müssen die Kosten für Sammlung, Wiederaufbereitung und Transport neben den negierten Kosten für die entsprechende Menge an Rohstoffen bewertet werden. Im Vereinigten Königreich und in angrenzenden europäischen Ländern gibt es mehrere Wiederaufbereitungsstandorte. Die mit der Sammlung und dem Transport zu relevanten Standorten verbundenen zusätzlichen Kosten erfordern weitere Untersuchungen.

Der zweite entscheidende Faktor für den Nachweis der wirtschaftlichen Machbarkeit sind die direkten und indirekten finanziellen Einsparungen, die sich aus der Produktion von Glasprodukten ergeben, bei denen ein höherer Anteil an Altglasbruch verwendet wird. Energiekosten machen einen großen Teil der Betriebsausgaben in energieintensiven Industrien im Vereinigten Königreich aus (Griffin et al. 2016). Durch die Verwendung von Altscherben akzeptabler Qualität werden die direkten Energiekosten aufgrund der niedrigeren Betriebstemperaturen des Ofens gesenkt. Ebenso können durch die Verwendung von Post-Consumer-Scherben vermiedene Emissionen die indirekten Kosten senken, die den Glasherstellern durch das britische Emissionshandelssystem (ETS) entstehen. Die finanziellen Folgen von Energie- und Emissionseinsparungen erfordern weitere Forschung. Dies könnte dazu beitragen, die britische Politik in Bezug auf ETS, CO2-Steuern und notwendige Subventionen/Darlehen zur Unterstützung der notwendigen Rücknahmeinfrastruktur zu lenken (Norman 2013).

Für den Fall, dass die Marktchancen für Scherben nicht ausgeschöpft wurden, sind (freiwillige und/oder unfreiwillige) Überarbeitungen der externen Gesetzgebung erforderlich. Die VlakGlas-Organisation in den Niederlanden ermöglicht ein System der erweiterten Herstellerverantwortung (EPR) für Flachglasprodukte (Vlakglas 2021). Hersteller von Isolierverglasungseinheiten zahlen eine Abgabe auf fertige Produkte, die die Bereitstellung eines Netzwerks von Sammelstellen und unterstützende Logistik unterstützt. Der britische Behälterglassektor hat 1997 die Gesetzgebung zur Herstellerverantwortungspflicht (Verpackungsabfälle) umgesetzt (kürzlich für 2023 aktualisiert), um sie an die 1994 veröffentlichte EU-Richtlinie über Verpackungsabfälle anzupassen. Die Vorschriften legen den Herstellern und Verarbeitern von Verpackungen die Verantwortung auf, diese regelmäßig zu aktualisieren Recyclingziele. Die hohen Recyclingquoten in der Behälterglasindustrie sind teilweise ein Spiegelbild des Erfolgs dieses Programms.

Die Wirksamkeit dieser Regelungen im Kontext des britischen Flachglassektors bedarf weiterer Untersuchungen. Auch zusätzliche Rechtsvorschriften für den Umgang mit Glasabfällen am Ende ihrer Lebensdauer erfordern Aufmerksamkeit. Glass for Europe ist der Ansicht, dass die aktuellen Zielvorgaben für Bauabfälle in der EU-Abfallrahmenrichtlinie keinen ausreichenden Anreiz für das Glasrecycling bieten, da Glas weniger als 5 % des Bau- und Abbruchabfalls ausmacht (Europäisches Parlament und Rat 2008; Glas für Europa). 2018). Sie schlagen materialspezifische Zielvorgaben für Abfälle und/oder die Einführung verbindlicher Vorschriften zur Demontage und Sortierung von Bauglas vor. Die in Großbritannien ansässigen BREEAM-Zertifizierungssysteme verlangen, dass 95 % der Baumaterialien in irgendeiner Form wiederverwendet werden. Derzeit gibt es keine Vorgaben für die Art der Wiederverwendung, daher würde die Verwendung von Flachglas in Zuschlagstoffprodukten die gleiche Anrechnung erhalten wie die Verwendung in höherwertigen Produkten.

Zukünftige Überarbeitungen von Rechtsvorschriften und/oder Akkreditierungssystemen wie BREEAM würden dazu beitragen, die Verantwortung für hochwertiges Recycling in der gesamten Glaswertschöpfungskette zu teilen. Ein solcher Ansatz würde Audits in der Abbruch- oder Sanierungsphase erfordern, um die Art und Abmessungen der Glasprodukte, beispielsweise laminiert oder gehärtet, genau zu bestimmen. Dieser Prozess könnte in Zukunft durch die Implementierung von Materialpässen in BIM-Modellen und/oder RFID-Verfolgung (unter Berücksichtigung möglicher Kontaminationen durch die in RFID-Tags verwendeten Materialien) automatisiert werden, um Details zur Glaszusammensetzung, Verarbeitungsmethoden und Wiederverwendung bereitzustellen. Recyclingpotenzial (Honic et al. 2021; Luscuere et al. 2019; Rose und Stegemann 2018).

Die Zuschlagstoffabgabe ist eine britische Steuer auf die Ausbeutung von Primärrohstoffen. Dies führt unbeabsichtigt zu einem nachfrageseitigen Sog vom Zuschlagstoffmarkt für zerkleinertes Flachglas. Aufgrund seiner inerten Eigenschaften fällt Glas auch unter die niedrigere Deponiesteuer. Es ist ein stärkeres Bewusstsein für die ökologischen und wirtschaftlichen Kosten der bestehenden Verwertungswege für Flachglas zu diesen geringwertigen End-of-Life-Anwendungen erforderlich, um unterstützende Informationen für Änderungen in der Politik bereitzustellen. Die Politik muss sorgfältig so abgewogen werden, dass die inländische Wettbewerbsfähigkeit nicht gemindert oder der internationale Handel in Regionen mit weniger energieeffizienten Herstellungsprozessen gefördert wird (Peters et al. 2011).

4.4 Alternative Wege zur Minimierung des Energieeinsatzes

Die in Tabelle 7 aufgeführten jährlichen Emissionseinsparungen für Szenario 3B zeigen, dass selbst für den Fall, dass 90 % des Flachglases aus einem jährlichen Abfluss von 600 kt gesammelt und wiederverarbeitet werden, die mit der jährlichen Produktion (950 kt) verbundenen Emissionen um a reduziert werden könnten maximal 18,6 %, wenn alle Glasproduktionsstufen (Stufen 1 bis 4) berücksichtigt werden (Abb. 2 und Tabelle 3). Über die Verwendung von Post-Consumer-Schrott hinaus werden weitere Energieeinsparungen von folgenden Faktoren abhängen: Energiequelle; Art des Ofens/Heiztechnik; Wärmerückgewinnungsverfahren für die Primärverarbeitung; und Auswahl sekundärer Verarbeitungsmethoden.

Vorhandene Studien haben den Energieverbrauch und die Dekarbonisierungsoptionen untersucht, die durch Ofentypen und alternative Brennstoffquellen verfügbar sind, darunter: Oxybrennstoffschmelzen, Biokraftstoffe, Wasserstoff, rein elektrische Schmelzöfen und Hybridöfen (Griffin et al. 2021; Ireson et al. 2019). ; Maria et al. 2013; Zier et al. 2021). Es wurde festgestellt, dass Ofentyp, Alter, Kapazität und Durchsatz die Energieeffizienz des Glasofens erheblich beeinflussen (Glass Technology Services Ltd 2004; Maria et al. 2013; Zier et al. 2021). Alternative Brennstoffquellen können den Energieverbrauch vor Ort bei der Glasproduktion senken. Sie müssen jedoch im Hinblick auf Verfügbarkeit, Strombedarf für ihre Erzeugung (Scope-2–3-Emissionen) und andere Umweltkosten/-vorteile sorgfältig abgewogen werden.

Eine Brennstoffquelle, die vor Ort Energie spart, aber indirekt zu höheren Emissionen vorgelagert führt, ist möglicherweise keine günstige Wahl. Beispielsweise wird Elektrizität zur Reinigung von Sauerstoff verwendet, der als Brennstoffquelle genutzt werden soll. Es wurde vermutet, dass die CO₂-Einsparungen durch den Einsatz von Oxy-Fuel-Öfen im Allgemeinen gering sind, wenn man die vorgelagerten Emissionen berücksichtigt (Ireson et al. 2019). Bemerkenswert sind jedoch die stark reduzierten NOx-Emissionen (Zier et al. 2021). Eine bessere Berücksichtigung indirekter CO₂-Emissionen ist im globalen Industriesektor von besonderer Bedeutung, wo sich die Scope-2- und Scope-3-Emissionen zwischen 1995 und 2015 nahezu verdoppelt haben (Hertwich und Wood 2018).

Basierend auf der bestehenden Verteilung von Flachglasprodukten machen die Verluste der primären Anwendungsenergie (PAE) (die aus primären und sekundären Verarbeitungsverfahren resultieren) 70–73 % des gesamten Energieeinsatzes für 1 kg Flachglas in seiner primären Verwendung aus (siehe Abbildungen). . 6 und 7 und Tabelle 6). Primärenergieverluste können durch Wärmerückgewinnungsmethoden zurückgewonnen werden (Maria et al. 2013; Norman 2013; Zier et al. 2021). Etwa ein Drittel der Energiezufuhr zu einem gasbefeuerten Ofen geht als Abwärme in den Rauchgasen verloren. British Glass (2021) hebt hervor, dass die meisten Glasöfen im Vereinigten Königreich über Regeneratoren verfügen, die Abwärme zurückgewinnen, die zum Vorwärmen der Verbrennungsluft verwendet wird. Es wurde vorgeschlagen, diese Abwärme zum Vorwärmen der Rohstoffe mithilfe eines Chargen- und/oder Scherbenvorwärmers zu nutzen und so die Effizienz des Schmelzprozesses zu verbessern (British Glass 2021).

Basierend auf der in dieser Studie bewerteten typischen Verteilung von Flachglasprodukten (siehe Tabelle 6) wurde festgestellt, dass sekundäre Verarbeitungsmethoden bis zu 23 % des ursprünglichen Energieeintrags beitragen. Dies ist vor allem auf die Vorspann- und Laminierprozesse zurückzuführen. Die Herstellung von Polyvinylbutyral ist ein wesentlicher Faktor für die relativ hohen Energiekosten beim Laminieren. Daher sollten Möglichkeiten für den Einsatz dünnerer Zwischenschichten oder alternativer Materialien untersucht werden. Bei gehärtetem Glas sind unvermeidbar hohe Verarbeitungstemperaturen erforderlich. Ein stärkeres Bewusstsein für die Umweltkosten bei der Festlegung sekundärer Verarbeitungsmethoden würde dazu beitragen, sicherzustellen, dass die Designoptionen so optimiert werden, dass bei minimalem Energieaufwand ausreichende Funktionen bereitgestellt werden.

Alternative Optionen zur Materialeffizienz, wie die direkte Wiederverwendung von Flachglas, könnten die PAE-Verluste erheblich reduzieren, indem sie das Umschmelzen von Scherben und energieintensive Sekundärverarbeitungsmethoden vermeiden. Wie jedoch von Afolabi et al. (2016), Datsiou und Overend (2017) können sich während der Lebensdauer von Glas auf freiliegenden Glasoberflächen festigkeitsmindernde Fehler ansammeln. Daher bedarf die Eignung der Wiederverwendung als praktikable Verwertungsoption weiterer Untersuchungen, um mögliche Kompromisse bei der Leistung und möglichen Aufbereitungsmethoden zu bewerten. Auch die mit Transport- und Lagermöglichkeiten zur Wiederverwendung verbundenen Energiekosten müssen berücksichtigt werden.

4.5 Daten- und Umfangsbeschränkungen

Für die Zwecke dieser Studie wurden einige Annahmen getroffen, die sich auf die dargestellten Energie- und CO₂-Emissionseinsparungen auswirken. Wo keine britischen Energiedaten verfügbar waren, basieren die zur Berechnung des Referenzenergieeinsatzes und der CO₂-Äquivalent-Emissionen pro Jahr für jeden Glassektor verwendeten Daten auf einem durchschnittlichen Datensatz für Ofentechnologie in der EU im Zeitraum 2005–2007 (Schmitz et al. 2011). . Die in der Glasindustrie und in den einzelnen Teilsektoren verfügbaren Öfen unterscheiden sich erheblich in Größe, Durchsatz, Schmelztechnik, Design, Alter, verwendeten Rohstoffen und angewandten Emissionsminderungstechniken. Beispielsweise könnte ein ineffizienterer Ofen zu höheren Energieeinsparungen führen. Daher sollten die in dieser Studie berechneten absoluten Werte für zurückgewonnene Energie und Emissionen nicht als erschöpfend betrachtet werden.

Basierend auf (Beerkens et al. 2011) wurde davon ausgegangen, dass der Einsatz von Scherben den Energieverbrauch um 3 % pro 10 % mehr Scherben senkt. In Wirklichkeit kann diese Zahl variieren: Glass Technology Services Ltd (2004) untersuchte die Verwendung von Scherben in Behälteröfen und stellte fest, dass die Energieeinsparungen zwischen 2 und 4 % pro 10 % mehr Scherben lagen, je nach Ofengröße, Alter und Feuchtigkeit Gehalt und Gesamtanteil an Scherben.

Diese Studie liefert Informationen über den Einfluss von Sekundärprozessen auf die verkörperten und End-of-Life-Phasen des Lebenszyklus von Flachglasprodukten. Um eine ganzheitlichere Sicht auf die Kompromisse zwischen Energieeinsatz und Endproduktanwendung und -wiederverwendung zu erhalten, müssen andere Lebenszyklusphasen wie Betrieb und Nutzung berücksichtigt werden, deren Einsatz die betrieblichen Energiekosten in Gebäuden erheblich senken kann , zum Beispiel (Maria et al. 2013; O'neill et al. 2020; Rayment 1989).

Um öffentliche und/oder private Investitionen zur Förderung effektiver Sammel- und Wiederaufbereitungssysteme zu initiieren, ist es von entscheidender Bedeutung, die bestehenden Umweltchancen einer verstärkten Verwendung von Scherben in der gesamten Glaswertschöpfungskette besser zu verstehen. Ziel dieser Studie war es, die britische Glaslieferkette von der Naturressource bis zur Rückgewinnung und Entsorgung am Ende der Lebensdauer abzubilden. Auf dieser Grundlage wurde außerdem versucht, die Umweltkosten der Produktion zu verstehen und die Machbarkeit verbesserter Sammel- und Recyclingraten von Flachglas als Möglichkeit zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen des britischen Glassektors zu bewerten. Anschließend wurden die wichtigsten gesetzgeberischen, technologischen, Lieferketten- und wirtschaftlichen Einflüsse, die zu den großen Unterschieden bei der Verwendung von Scherben anstelle von Primärrohstoffen zwischen den Glas-Teilsektoren führen, kritisch überprüft.

Bei der Betrachtung des Recyclinganteils einer Einheit Flachglasproduktion ist eine klare Unterscheidung zwischen internem/Pre-Consumer-Glasscherben und Post-Consumer-Glasscherben erforderlich. Die Verwendung von Post-Consumer-Scherben ist der einzige Faktor, der das Potenzial hat, bei der Produktion von neuem Flachglas zu Energieeinsparungen zu führen. Während die Verwendung von internem oder Pre-Consumer-Schrott die Menge an Produktionsabfällen auf der Deponie verringert, liefert die Analyse alternativer Produktionsertragsraten (konservativ und angestrebt) Hinweise darauf, dass die Produktion von internem/Pre-Consumer-Abfall den insgesamt erforderlichen Energieeinsatz erhöht Stückproduktion des fertigen Glasprodukts (siehe Tabelle 6). Der zusätzliche Energieaufwand, der auf die Produktion von internem und Pre-Consumer-Abfall zurückzuführen ist, also Glas, das keine Zeit lang verwendet wird, sollte daher in die Berichterstattung über die Gesamtenergie pro Produktionseinheit des fertigen Glasprodukts einbezogen werden.

Die Verwendung von Post-Consumer-Scherben in der Neuglasproduktion ist die einzige technologisch leicht verfügbare Option zur Reduzierung von Prozessemissionen. Weitere Optionen zur Reduzierung von Prozessemissionen wie der Einsatz alternativer Rohstoffe oder Technologien zur Kohlendioxidentfernung (CDR) befinden sich in einem frühen Entwicklungsstadium. Hersteller von Behälterglas verwenden in der Neuproduktion einen relativ hohen Anteil an gebrauchtem Scherben, was auf seit langem etablierte Systeme der erweiterten Herstellerverantwortung und die Unterstützung der Sammelinfrastruktur und Sortierprozesse zurückzuführen ist. Die Sammlung von Flachglasprodukten zum Recycling am Ende ihrer Lebensdauer wird auf schätzungsweise 10 % der Neuproduktion von Flachglas geschätzt.

Mit Ausnahme einiger kleinerer Initiativen gelangt gesammeltes Flachglas kaum wieder in den Flachglasmarkt zurück. Daher arbeiten Glashersteller in der Regel mit weniger als 1 % Altglasbruch. Eine der größten Einschränkungen bei der Einbeziehung eines höheren Anteils an Post-Consumer-Flachglas in die Neuproduktion sind die strengen Akzeptanzkriterien für Scherben, die zur Vermeidung von Ertragsverlusten gelten. Angesichts des bekannten Ungleichgewichts bei den im Vereinigten Königreich produzierten und verbrauchten CG-Typen zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass die Option, gesammeltes Flachglas in Behälterglasprodukte zu integrieren, aufgrund der Marktnachfrage zu erheblichen Energieeinsparungen führen könnte. In dieser Studie wurde festgestellt, dass CO2-Emissionseinsparungen von 5,6 % (30 % zu FG, 30 % zu GW, 30 % zu CG, 10 % zu AGG) und 5,8 % (90 % zu FG, 10 % zu AGG) möglich sind im gesamten Glassektor bzw. 16,5 % bzw. 17,3 % im gesamten Flachglas-Teilsektor erreicht werden, und zwar allein durch eine verbesserte Flachglas-Verwertung.

Diese Zahlen basieren auf einem hoch geschätzten Abfluss von 600.000 Tonnen gesammeltem Flachglas. Es macht darauf aufmerksam, dass durch die Wiederverwendung von Scherben in Behälterglas- und Glaswolleanwendungen erhebliche Energie- und Emissionseinsparungen erzielt werden können, wenn die Akzeptanzkriterien für Flachglas nicht erfüllt werden können. Für Hersteller, die das ursprüngliche Flachglasprodukt hergestellt haben, können entsprechende Anreize erforderlich sein. Alternative Mechanismen für effektivere Flachglas-Sammelnetze sollten untersucht werden. Es wäre von Vorteil, die geborgenen Scherben von den Sammelstellen bis zur Wiederaufbereitung zu verfolgen, um zu verstehen, welche Qualität erreichbar ist, und um so die effektivsten Sammelmethoden zu fördern.

Der Zugang zu Flachglasscherben ist im Vereinigten Königreich derzeit begrenzt. Daher ist ein besseres Verständnis der bestehenden Marktchancen erforderlich, um Verbesserungen bei den bestehenden Dekonstruktions- und Sammelpraktiken voranzutreiben. Diese Studie identifizierte die wichtigsten finanziellen Elemente, die den Übergang von der Verwendung primärer Rohstoffe hin zu höheren Anteilen von Post-Consumer-Scherben beeinflussen werden. Dazu gehören unter anderem: zusätzliche Kosten für den Transport, die Wiederaufbereitung und die Lagerung von Scherben; Einsparungen bei den Primärrohstoffkosten; Einsparungen bei den mit dem CO2-Ausstoß verbundenen Steuern aufgrund reduzierter Produktionsemissionen; und Einsparungen durch vermiedene Deponiesteuern. Weitere Untersuchungen sollten darauf abzielen, ein Wirtschaftsmodell zu entwickeln, das diese Faktoren gemeinsam berücksichtigt, um relevante Investitionen anzuziehen und/oder bei Bedarf Beweise für die Unterstützung der Politik zu liefern. Alle zusätzlichen Kosten für Glashersteller müssen über die gesamte Wertschöpfungskette verteilt werden, um sicherzustellen, dass das Vereinigte Königreich wettbewerbsfähig bleibt und die Förderung von Importen aus weniger energieeffizienten Produktionsbereichen vermieden wird.

Der bestehende Produktionsprozess für Glas erfordert von Natur aus den Einsatz von Energie zum Schmelzen der einzelnen Rohstoffe, einschließlich Scherben. Daher wird eine weitere Reduzierung der Emissionen über das Recycling hinaus zweifellos einen Übergang zu kohlenstoffarmen Energiequellen und neuen Ofentechnologien erfordern. Die Arbeit von Glass Futures UK zielt darauf ab, die Kapazität alternativer Kraftstoffquellen zu erweitern. Die britische Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen wird weiter steigen, da das Vereinigte Königreich eine Dekarbonisierung aller Sektoren anstrebt. Daher müssen alle Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz ganzheitlich betrachtet werden.

Durch die Konzentration auf Dekarbonisierungsoptionen, die sich auf den Energieeinsatz und die Treibhausgasemissionen konzentrieren, die allein mit der Glasproduktion verbunden sind (Scope-1-Emissionen), kann eine direkte Reduzierung durch eine Steigerung in anderen Bereichen der Wertschöpfungskette wie der Kraftstoffversorgung oder der Rohstoffbeschaffung ausgeglichen werden. Dieser „Carbon Leakage“-Effekt kann zu einem allgemeinen Anstieg der globalen Emissionen führen. Aus diesem Grund berücksichtigt diese Studie die Rohstoffbeschaffung/-verarbeitung sowie den Energieeinsatz und die mit der Kraftstoffversorgung verbundenen Emissionen, um die Belastung durch die Nachfrage nach alternativen Energiequellen zu verringern. Weitere wertvolle Ansätze zur Reduzierung des Energieeinsatzes müssen sein: ein besseres Verständnis der Machbarkeit einer Erleichterung der Wiederverwendung von Flachglas, da dadurch die Notwendigkeit eines erneuten Einschmelzens entfällt; Optimierung der Beschaffungswege für Primärrohstoffe, z. B. Beschaffung, Verarbeitung und Transport; und das Bewusstsein und die Verfügbarkeit sekundärer Verarbeitungsmethoden erhöhen, die eine ausreichende Funktionsleistung bei minimalen Umweltkosten bieten.

07. Februar 2023

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1007/s40940-023-00218-z

Diese Arbeit wurde vom UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) für das University of Cambridge Centre for Doctoral Training in Future Infrastructure and Built Environment unterstützt (EPSRC-Fördernummer EP/L016095/1). Die Autoren möchten Dr. José Cruz Azevedo für den Austausch seiner Erfahrungen bei der Kartierung materieller Ressourcenströme in den frühen Entwicklungsstadien dieser Forschung danken.

Autoren und Zugehörigkeiten

Beiträge

Rebecca Hartwell: Konzeptualisierung, Methodik, Materialvorbereitung, Untersuchung, Datenerfassung und formale Analyse, Visualisierung, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Projektverwaltung. Graham Coult: Konzeptualisierung, Methodik, Schreiben – Rezension und Bearbeitung. Mauro Overend: Konzeptualisierung, Supervision, Schreiben – Rezension und Bearbeitung.

Korrespondierender Autor

Korrespondenz mit Rebecca Hartwell.

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel beschriebene Arbeit beeinflusst hätten.

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