BMBF-Studie zur Steigerung der Ressourceneffizienz bei der Herstellung von PET-Flaschen

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Erste Ergebnisse des Forschungsprojekts

Deniz Ulutürk*
Matthias Gernhuber**

Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz bei Produktionsprozessen – ein Themenbereich, der für Forschung, Industrie, Handel und Konsumenten gleichermaßen von hohem Interesse ist. Aus Gründen der Ressourcenschonung und der damit verbundenen sozialen Verantwortung gegenüber nachfolgenden Generationen ebenso wie aus Gründen der Nachhaltigkeit und aus Kostenaspekten. Jahr für Jahr fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Industrieprojekte in einem bestimmten Umfang. Für eine solche Förderung bewarben sich 2009 Experten entlang der Streckblasprozesskette. Mit dem Ziel, die Energie- und Ressourceneffizienz bei der Herstellung von PET-Flaschen zu steigern. Mit im Team: das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), KHS Corpoplast, AdPhos Innovative Technologies sowie der Okertaler Mineralbrunnen. Die Projektgruppe erhielt den Zuschlag zur Durchführung des anvisierten Projektes, das mit Mitteln des BMBF innerhalb des Forschungsprogramms „KMU (Kleine und mittelständische Unternehmen)-innovativ: Produktionsforschung“ gefördert sowie vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe bis zu dessen Abschluss im Jahr 2011 betreut wird. Dieser Artikel beleuchtet Schritte, die ganz an der vorgegebenen Themenstellung orientiert zu einer Optimierung bei der Herstellung von PET-Flaschen führen. Dabei geht es zunächst um eine Definition von Kennzahlen, anschließend um Möglichkeiten zur Verbesserung der Eigenschaften des PET-Werkstoffes, die energetische Bewertung einer Streckblasmaschine, die Prüfung neuer Technologien zum Beheizen von Kunststoffen sowie die Einbindung einer Streckblasmaschine in ein unternehmensweit etabliertes Energiemanagementsystem.

Vier Projektpartner mit klarer Aufgabenteilung

Zwischen den Projektpartnern herrscht klare Aufgabenteilung. Die Koordination und wissenschaftliche Betreuung der Forschungsaktivitäten liegt beim IKV.

*Diplom-Ingenieur Process Engineering, KHS Corpoplast 
 GmbH & Co. KG, Hamburg, Tel.: 0 40/6 79 07-4 50
**Produktmanager Bottles & Shapes, KHS Corpoplast GmbH & Co. KG, 
   Hamburg, Tel.: 0 40/6 79 07-4 42


Gleichzeitig unterstützt das IKV das Projekt mit der durchgängigen Simulation sämtlicher Prozess-Schritte. KHS Corpoplast liefert als Spezialist für die Herstellung von PET-Flaschen umfassendes Know-how zu Maschinentechnik, zum Verfahrensablauf, zu Materialeigenschaften und zur Optimierung von PET-Flaschenvarianten. Das auf thermische Prozesse ausgerichtete Unternehmen
AdPhos Innovative Technologies, Entwickler der NIR-Aufheiztechnologie, erarbeitet Ansätze zur Steigerung des energetischen Wirkungsgrads bei der Preformerwärmung. Gewonnene Erkenntnisse werden in der Praxis auf einer KHS Corpoplast Streckblasmaschine InnoPET Blomax Serie III beim Okertaler Mineralbrunnen umgesetzt, analysiert und optimiert.

Weltweite Produktion von 500 Milliarden PET-Flaschen/Jahr

Wie wesentlich die Durchführung des beschriebenen Projekts ist, verdeutlicht die enorme Menge an PET-Flaschen, die Jahr für Jahr zum Konsumenten gelangt. Allein in Deutschland werden jährlich etwa 25 Milliarden PET-Flaschen produziert. Weltweit sind es um die 500 Milliarden PET-Flaschen. Das lässt den Aspekt der Verantwortung gegenüber der Umwelt besonders hervorstechen, wird der Werkstoff PET, dessen Moleküle ausschließlich aus Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen, doch aus Erdöl gewonnen. Zur Herstellung eines Kilogramms PET benötigt man ca. 1,9 Kilogramm Erdöl und einen Energieeinsatz von 23 kWh. 

Konsumenten hinterfragen Umweltfreundlichkeit

Konsumenten und damit auch der Handel hinterfragen beim Kauf von Produkten immer deutlicher deren Umweltfreundlichkeit. So ist es durchaus denkbar, dass künftig vor allem Waren, deren Umweltfreundlichkeit explizit ausgewiesen werden kann, hohe Verkaufschancen haben. Folge: Je weniger Energie- und Ressourceneinsatz für die PET-Flaschen-Herstellung nötig ist, umso wahrscheinlicher ist es, dass dieser Verpackung weiterhin ein hohes Maß an Zukunft innewohnt. Zumal die Eigenschaften dieses Werkstoffes eine weitere Verwendung rechtfertigen. Zu erwähnen ist bei einem geringeren Energie- und Ressourceneinsatz zur Herstellung der PET-Flasche ebenfalls ein sich daraus ergebender verminderter CO2-Ausstoß. In diesem Zusammenhang greift nicht nur das Stichwort Umweltfreundlichkeit, sondern ganz genauso ein eventuell denkbares Klima- bzw. CO2-Label, das den so genannten „Kohlenstoff-Fußabdruck“ eines Produktes angibt. Entwickelt wurde das weltweit erste CO2-Label 2006 in Großbritannien. Bislang kommt ein solches Label in den meisten Ländern nicht zur Anwendung. Was sich – und hierfür heißt es vorbauen – auch schnell einmal ändern könnte.

Drei Kennzahlen: Material-, Strom- und Druckluftverbrauch

Das Projekt „Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz bei der Herstellung von PET-Flaschen“ startete mit der Festlegung der zu ermittelnden Kennzahlen. Als erste und wesentlichste Kennzahl wurde das Gewicht des PET-Materials, das für die Produktion einer PET-Flasche erforderlich ist, definiert. Generell sind 70 Prozent der Kosten für eine PET-Flasche auf den Materialeinsatz zurückzuführen. Jeweils 15 Prozent der Kosten betreffen die Herstellung des Preforms und die Herstellung der PET-Flasche. Kostensenkungen lassen sich bei der Produktion von PET-Flaschen immer mit verminderten Energieverbräuchen gleichsetzen. Was bedeutet, dass eine Verringerung des PET-Flaschengewichts durch dessen hohe Gewichtung bei den Kosten gleichzeitig die höchste Gewichtung in Hinblick auf eine  Verbesserung von energetischen Werten einnimmt.

Zweite definierte Kennzahl: der Stromverbrauch, der zum Aufheizen eines Kilogramms PET benötigt wird. Wesentlich hier: Da innerhalb der Streckblasmaschine die Mündung von Preforms nicht erhitzt und damit verbunden nicht verändert wird, ist das Gewicht der Mündung vom Gewicht des gesamten Preforms bei Ermittlung des zu erhitzenden Gesamtgewichts abzuziehen. Wiegt ein Preform beispielsweise 25 Gramm und dessen Mündung 5 Gramm, sind folglich nur 20 Gramm bei Berechnung des zu verarbeitenden PET-Materials „mit ins Kalkül“ einzubeziehen.

Als dritte Kennzahl gilt die zum Aufblasen von PET-Flaschen benötigte Druckluft. Zu beachten: Die erforderliche Druckluft teilt sich in zwei Bereiche auf. Zum einen geht es um den Druckluftverbrauch, der allein für das Ausformen des PET-Behälters notwendig ist. Zum anderen um den Druckluftverbrauch, der durch die Versorgung von so genannten Toträumen entsteht.

Aufnahme des Ist-Zustandes und Ausschöpfung von Optimierungspotenzialen an einer InnoPET Blomax Serie III beim Okertaler Mineralbrunnen

Der nächste Schritt innerhalb des Projektes betrifft die Ermittlung definierter Kennzahlen auf der Streckblasmaschine InnoPET Blomax Serie III beim Okertaler Mineralbrunnen. Im Anschluss daran heißt es, Optimierungspotenziale in vollem Umfang auszuschöpfen. Letztlich geht es darum, Klassifizierungen zu finden, die eine aus energetischer Sicht besonders gute Streckblasmaschine sowie eine aus energetischer Sicht hervorragende PET-Flasche kennzeichnen.

Die InnoPET Blomax Serie III beim Okertaler Mineralbrunnen verfügt über 14 Blasstationen und produziert 25.000 PET-Flaschen/h. Das jährliche Volumen an hergestellten PET-Flaschen liegt bei ca. 100 Millionen 1,5-l-PET-Einweg-Flaschen. Diese sind für eine Befüllung mit kohlensäurehaltigen Erfrischungsgetränken ausgelegt. Das Flaschengewicht beträgt 31 Gramm.



Zügige Materialverstreckung erhöht Festigkeit

Zunächst zur Kennzahl Material, die das höchste Potenzial an möglicher Energie- und Kostenreduzierung in sich trägt: Hier wird geprüft, wie Materialeigenschaften der Okertaler-PET-Flasche bei einer Veränderung der biaxialen Verstreckung (bei der Verstreckung wird das Material in axialer und radialer Richtung verstreckt) des Werkstoffes PET variieren. Ein Teil des Projektes besteht darin, den Werkstoff PET möglichst schnell zu verstrecken, da die Orientierung des Materials bei einer zügigen Verstreckung erfahrungsgemäß am höchsten ist.  Das heißt, dass die Festigkeit des Werkstoffes PET bei schneller Materialverstreckung steigt. Eine höhere Orientierung und die damit verbundene höhere Festigkeit lässt schließlich eine Gestaltung von leichteren PET-Flaschen zu. Geprüft wird für entsprechend leichter gestaltete PET-Flaschen jeweils explizit, ob sich Top-Load (Stapelfähigkeit), Druck- und Temperaturresistenz und die Expansion der PET-Flasche unter vorgegebenen neuen Bedingungen ebenso verhalten wie bislang üblich und gefordert.

Durch ein zügigeres Verstrecken, das zeigen erste Untersuchungen, ist eine Festigkeitssteigerung des Werkstoffes PET von etwa 10 Prozent für die Okertaler-PET-Flasche zu erwarten. Im Rahmen des Projekts wird untersucht, mit welcher Verstreckungsgeschwindigkeit sich die höchstmögliche Orientierung und damit die höchstmögliche Verfestigung des Werkstoffes PET erreichen lässt. Die Prüfung der Festigkeitssteigerung geschieht durch Ermittlung des so genannten Elastizitätsmoduls (E-Modul). Generell ist der Elastizitätsmodul umso größer, je mehr Widerstand ein Material seiner Verformung entgegensetzt. Getestet wird der E-Modul für die Okertaler-PET-Flasche im Labor. Proben aus unterschiedlich verstreckten PET-Flaschen gelangen hier in einen Prüfstand für Zugversuche, der das PET-Material auf seine Reißfestigkeit testet.

Statt 31 nur 30 Gramm PET-Material pro 1,5-l-Flasche

Bestätigen Versuche beim Okertaler Mineralbrunnen eine durch das E-Modul ausgedrückte Festigkeitssteigerung schnell verstreckter PET-Flaschen von 10 Prozent, hätte dies zur Folge, dass 1,5-l-PET-Flaschen dort künftig etwa drei Prozent leichter werden können. Somit würde das Gewicht pro PET-Flasche statt bisherigen 31 Gramm nur noch 30 Gramm betragen. Pro PET-Flasche ein Gramm weniger an Materialeinsatz hätte wiederum zur Folge, dass sich bei einer jährlichen Produktionsleistung von 100 Millionen PET-Flaschen satte 100.000 Kilogramm PET einsparen ließen. Bei einem Marktpreis von 1,20 Euro pro Kilogramm PET würde das die jährliche Kostenreduktion von 120.000 Euro bedeuten.

Werden Okertaler-PET-Flaschen um drei Prozent leichter – und das ist ein weiterer entscheidender Vorteil – verringert sich gleichzeitig der zur Herstellung benötigte CO2-Ausstoß um drei Prozent. Ein Faktor, der insbesondere der Umwelt zugute kommt und für eventuelle Restriktionen rüstet.

Bottles & Shapes-Programm im Einsatz

Neben einer Verlinkung von E-Modul mit Gewicht spielt im Szenario Material auch die Kontur der PET-Flasche eine entscheidende Rolle, kann diese doch mit dazu beitragen, eine noch höhere Materialreduktion zu erreichen als die per E-Modul-Steigerung ermittelte. Die Kontur wird für die Okertaler-PET-Flasche innerhalb des Projekts – ebenso wie der E-Modul – auf eine Art und Weise entwickelt, die das von KHS Corpoplast seit vielen Jahren im Einsatz befindliche und äußerst erfolgreiche Bottles & Shapes-Programm vorgibt (Bislang optimierte KHS Corpoplast etwa 9.000 PET-Flaschen mit Hilfe des Bottles & Shapes-Programms). Im Rahmen von Bottles & Shapes erarbeitet KHS Corpoplast  generell nach einer Klärung von Füllgut und zu erwartenden Belastungsfällen Designvorschläge für die PET-Flasche. Die Entwicklung der Behälterkonturen geschieht mittels Computersimulation. Per Finite Elemente-Analyse werden sämtliche bekannten Einflüsse auf die virtuelle Verpackung hin simuliert. Entsprechen die Eigenschaften des simulierten PET-Behälters den Spezifikationsvorgaben des Kunden, fertigt KHS Corpoplast Prototypen der neuen Verpackung an. Nächster Schritt: die Herstellung von PET-Flaschen an einer Labormaschine, die exakt so arbeitet wie die Streckblasmaschine im Praxiseinsatz. Erst wenn Labor-Testergebnisse sämtliche vorgegebene Spezifikationen bestätigen, gibt KHS Corpoplast die Produktionsfreigabe und initiiert daran anschließende Praxistests. Die geschilderte Vorgehensweise innerhalb des Bottles & Shapes-Programms wird im Rahmen des Projekts für die Okertaler-PET-Flasche  in identischer Form praktiziert. 

Projektion von Ergebnissen auf die neue Streckblasmaschinen-Generation InnoPET Blomax Serie IV

Zum Zeitpunkt des Projektstarts hatte der Okertaler Mineralbrunnen mit der dort eingesetzten Streckblasmaschine InnoPET Blomax Serie III eine Streckblasmaschine im Einsatz, die den geringsten Energieverbrauch je streckgeblasenen Behälter unter den innerhalb der Getränkebranche eingesetzten Streckblasmaschinen erzielte. Unter anderem begründet durch den Einsatz einer gepulsten Heizung und den geringsten Abstand der Preforms zueinander. Weitere Eigenschaften der Streckblasmaschine InnoPET Blomax Serie III: die hoch präzise Produktion von Light Weight-PET-Flaschen, beste Prozess-Stabilität sowie hohe Verfügbarkeit. Erst kürzlich brachte KHS Corpoplast mit der InnoPET Blomax Serie IV eine neue Streckblasmaschinen-Generation in den Markt, die Marktforderungen zu Nachhaltigkeit und reduzierten Gesamtbetriebskosten gegenüber der Vorgängergeneration nochmals toppt.

Beispiel Materialfestigkeit: Statt des bei der InnoPET Blomax Serie III realisiertem rein mechanisch gesteuerten Reckvorgangs beim Streckblasprozess innerhalb der Blasstationen wird für die InnoPET Blomax Serie IV ein per Servomotor gesteuerter Reckvorgang praktiziert. Folge: Hier lässt sich die für die Festigkeit des Werkstoffes PET verantwortliche Reckgeschwindigkeit noch flexibler und präziser steuern als bei der Vorgängergeneration machbar. Reduziert sich die Geschwindigkeit der Blasmaschine, kann die Reckbewegung trotz langsamerer Maschinendrehung mit identischer Geschwindigkeit stattfinden wie bei hoher Maschinendrehzahl. Damit ist die vorher erwähnte Abhängigkeit der Materialverfestigung von der Reckgeschwindigkeit auch unabhängig von der Maschinendrehzahl. So werden die auf der InnoPET Blomax Serie III ermittelten Ergebnisse zur Festigkeitssteigerung des Materials direkt auf die neue Streckblasmaschinen-Generation übertragen und dort im Zuge noch höherer Reckgeschwindigkeiten weiter perfektioniert.

Energetische Optimierung beim Aufheizen des Preforms zwischen 15 und 20 Prozent

Immer wirkt sich eine Änderung des Materialverbrauchs pro PET-Flasche auch auf die Größen Stromverbrauch und Druckluftverbrauch in der Streckblasmaschine aus. So benötigt ein leichter gestalteter Preform vergleichsweise weniger Energie zur Aufheizung und weniger Druckluft während des Aufblasvorgangs.

Bei der InnoPET Blomax Serie III des Okertaler Mineralbrunnens befindet sich ein Heizmodul im Einsatz, das mit klassischer Infrarot-Strahlung arbeitet. Innerhalb des Ofens gilt es im Rahmen des Projekts, das in der Preformwand während des Aufheizprozesses entstehende Temperaturprofil zu analysieren und zu optimieren. Die Größen zur Beurteilung des Aufheizprozesses sind dabei der Energieinhalt des Preforms sowie sein axiales Temperaturprofil. Die optimale thermische Profilierung eines Preforms lässt sich mittels unterschiedlich dosierter Infrarot-Wärmestrahlung sowie per einstellbarem Luftstrom zur Kühlung der äußeren Preform-Oberfläche erzielen. Bislang praktizierte Untersuchungen ermittelten für den Aufheizprozess der Preforms eine energetische Optimierungsmöglichkeit zwischen 15 und 20 Prozent. Der Stromverbrauch zur Aufheizung von Preforms sinkt infolge der erwähnten Optimierungen von 0,15 kWh/kg PET auf 0,12 kWh/kg PET. Damit ergibt sich eine jährliche Einsparung von 7.800 Euro bei Zugrundelegung eines Strompreises von 0,10 Euro pro kWh.
 
Klassische Infrarot-Strahlung contra Near Infra Red (NIR)

Die neue Streckblasmaschinen-Generation InnoPET Blomax Serie IV verwendet in Abwandlung der Serie III-Technologie die so genannte „Near Infra Red“ (NIR)-Technologie zur Aufheizung der Preforms. Vorteil dieser Technologie: Es kommt ausschließlich kurzwellige Infrarot-Strahlung zum Einsatz. Das hat eine wesentlich höhere Energiedichte zur Folge. Es findet eine äußerst intensive Durchdringung der Preformwand statt – verstärkt durch die Führung der Preforms innerhalb einer geschlossenen rundum reflektierenden Ofenkammer. Bei Verwendung der NIR-Aufheiztechnologie ergibt sich ein nochmaliges Strom-Einsparpotenzial von bis zu 30 Prozent gegenüber der Serie III-Technologie.

Weitergehende Untersuchung vollkommen neuartiger Beheizungstechnologien

Im Rahmen des Projekts bleibt es nicht nur bei der Betrachtung möglicher Optimierungen des Preform-Aufheizprozesses für die Okertaler-Streckblasmaschine sowie bei der Betrachtung von Strom-Einsparmöglichkeiten durch Einsatz der NIR-Technologie. Hier werden zudem vollkommen neuartige Beheizungstechnologien für Preforms mit ins Kalkül einbezogen. Beispielsweise gehen Forschungen in Richtung Laserbeheizung von Preforms. Von einer Preformerwärmung mittels Diodenlaser erhofft man sich neue Möglichkeiten der Temperaturprofilierung sowohl in axialer Preformrichtung als auch über den Preformumfang hinweg. 

Druckluft-Verbrauchsoptimierung durch neu gestaltete Formen, intelligente Entlüftungen und Recycling

Dritter Faktor, der innerhalb des Projekts eine entscheidende Rolle spielt: der Druckluftverbrauch einer Streckblasmaschine. Auf die Ist-Aufnahme zum Druckluftverbrauch der Okertaler-Streckblasmaschine folgt auch hier die Abwägung von Optimierungsmöglichkeiten. Generell teilt sich der Druckluftverbrauch, der für das Aufblasen einer PET-Flasche gegeben ist, in die ausschließlich zum Aufblasen der PET-Flasche benötigte Druckluft und in Druckluft-Verluste, die in der Maschinenkonstruktion begründet sind. Eine Reduzierung von Druckluft zum Aufblasen der PET-Flasche kann beispielsweise durch neu gestaltete Formen und die Integration von intelligenten Entlüftungen stattfinden. Des Weiteren steht der Aspekt des Druckluft-Recyclings durch Airback-Systeme im Fokus. Der Okertaler-Mineralbrunnen verfügt über zwei Arten des Air Recyclings. Beim Airback-System 1 wird ein Teil der Druckluft, die sich innerhalb der frisch geblasenen Flaschen befindet, entnommen und für das Vorblasen von weiteren Flaschen in anderen Blasstationen genutzt.  Das Airback-System 2 regelt die Rückführung verbleibender Druckluft in das Druckluft-Netz des Werks. Wie das Optimum bei der Druckluft-Rückführung zu erreichen ist, wird derzeit noch untersucht. Das geschätzte Potenzial liegt bei etwa 31 Prozent Druckluftreduktion. Dazu kommen angenommene weitere fünf Prozent Drucklufteinsparung, die aufgrund einer veränderten Formgestaltung machbar sind. Insgesamt ergäbe sich damit die 36prozentige Verminderung des Drucklufteinsatzes. Das ergibt eine jährliche Kostenreduktion von 26.000 Euro (bei angenommenen 0,10 Cent Kosten pro Kilowattstunde). Gleichzeitig würde auch hier ein nochmals deutlich verminderter CO2-Ausstoß greifen.

Mit der InnoPET Blomax Serie III steht KHS Corpoplast im Bereich der Streckblastechnik bereits an führender Position was den Verbrauch von Druckluft angeht. Bei der neuen InnoPET Blomax Serie IV ist der Verbrauchswert nochmals verbessert. Abhängig vom Flaschenvolumen ist dort eine zusätzliche fünf bis 15prozentige Einsparung von Druckluft gegeben. Verantwortlich dafür ist unter anderem das reduzierte Totraumvolumen.

Prüfung des Inline-Verhaltens der Streckblasmaschine

Ein alles umfassendes Bild liefert im Rahmen des Okertaler-Projekts zudem die Untersuchung des Inline-Verhaltens der Streckblasmaschine bei unterschiedlichen Gesamtanlagenzuständen. Es wird explizit geprüft, wie viel an Strom in bestimmten Anlagenzuständen aufzubringen ist. Verschiedene an das KHS-Anlageninformations-System angeschlossene Mess-Systeme innerhalb der Streckblasmaschine zeichnen Verbrauchswerte bei einzelnen definierten Zuständen innerhalb der Streckblasmaschine auf. Eine Betrachtung von Werten geschieht schließlich wieder unter dem Aspekt einer möglichen Optimierung.

Investition in energetisch besonders vorteilhafte Streckblasmaschinen leicht gemacht

Insgesamt gesehen wird bei dem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt zur nachhaltigen Steigerung von Energie- und Ressourceneffizienz bei der Herstellung von PET-Flaschen vor allem in Zukunftsaussichten für nachfolgende Generationen investiert. Erste Praxisergebnisse lassen erkennen, dass deutliche Einsparungen an Material, Strom und Druckluft machbar sind. Bislang wurden Kennzahlen definiert, es wurde der Ist-Zustand der Streckblasmaschie beim Okertaler Mineralbrunnen aufgenommen, es wurde eine Ausrüstung der Okertaler-Maschine mit modernsten Mess-Systemen vorgenommen und es wurden Verbräuche minimiert. An Projektaufgaben bleiben die weitere Bewertung und Optimierung des Material-, Energie- und Druckluftverbrauchs für PET-Flaschen sowie die Untersuchung neuer Beheizungstechnologien. Alles umfassende Ergebnisse stehen Ende 2011 fest. Ergebnisse, die sich für eine allgemeine Klassifizierung von PET-Flaschen und Streckblasmaschinen trefflich verwenden lassen. Ergebnisse, die künftig auch mit dazu beitragen können, dass Unternehmen energetisch besonders vorteilhafte Streckblasmaschinen im Investitionsfall zügig erkennen.

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