Ökonomische & Ökologische Effizienzsteigerung in der Papierindustrie

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Dr. Jürgen Belle beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Optimierung von Prozessen der Papierherstellung. Dies umfasst die Arbeiten im Bereich Stoff- und Wasserkreislauf, Additivoptimierung, Festigkeitssteigerung ebenso wie die Etablierung von alternativen Rohstoffen für Papierfabrikation. Ein guter Projekteinstieg ist in der Regel eine Systemanalyse. Diese wird am günstigsten mit einer Materialflusskostenanalyse (MFCA) verbunden, weil dadurch nicht nur die Massenströme sondern auch die Kostenströme des Prozesses abgebildet werden können, die in der Standard-Kostenrechnung bislang nicht erfasst werden. Sankey-Diagramme des Prozesses erzeugen dabei eine hohe Transparenz und zeigen graphisch die neuralgischen Punkte.

Die MFCA kann vor diesem Hintergrund als strategisches Instrument für Unternehmensent-scheidungen hinsichtlich Investitionen, Rohstoff- und Additivauswahl genutzt werden. Gleichzei-tig können die Ergebnisse in die Umweltzertifizierung der ISO 14001 ff einfließen.

Methode und Ergebnisse werden am Beispiel der Klingele Papierwerke GmbH & Co. KG im Detail erläutert.

Belle J. 2019. Nachhaltigkeit, Prozessoptimierung und Kostenreduzierung mittels Materialflusskostenanalyse. Paper presented at Papier und Umwelt; 9.-10.4.2019, Darmstadt.

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Belle J, Nuri K. 2018. Survey: Application of Chemical Additives – Retention Aids. Paper presented at Zellcheming EXPO; 26.6.2018, Frankfurt am Main.

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Mit der CEPI Roadmap 2050 hat sich die Papierindustrie in Europa das Ziel gesetzt, den CO2-Fußabdrucks um 80% zu senken. Eine Methode, um die Transparenz in Sachen Energieverbrauch einer Papierfabrik zu verbessern und damit diesem Ziel näher zu kommen, besteht in der stoffstrombezogenen Energieanalyse. Der Vortrag zeigt die Systematik und Ziele auf, die hierbei verfolgt werden. Das Praxisbeispiel, das zusammen mit den Papierwerken Klingele bearbeitet wurde, zeigt die Wirkung des Einsatzes von kationischer Massenstärke auf den Energieverbrauch. Basierend auf einer detaillierten Systemanalyse werden die signifikant prozessrelevanten Zusammenhänge zwischen Produktionsmethoden und dadurch verursachtem Energieeinsatz identifiziert. Damit sind sie für eine Modellierung und Optimierung erschließbar. Zur Erarbeitung der Potentiale ist prozessübergreifendes Know How erforderlich, da bei Prozessveränderungen zuverlässige Abschätzungen der direkten und indirekten Auswirkungen erforderlich sind.

Im aktuellen Beispiel wird gezeigt, dass der Einsatz von kationischer Massenstärke nicht nur zur Festigkeitssteigerung, sondern auch zu signifikanter Senkung der Trocknungsenergie beiträgt. Damit kann der CO2-Fußabdruck des Werkes verbessert und die Papierqualität gesteigert werden. Da eine Einsparung von Energie aber nicht unbedingt eine Gesamteinsparung darstellt, weil zum Beispiel die zusätzlichen Additivkosten den Wert der Einsparung übersteigen können, ist eine im Modellierungsprozess mitgeführte Kostenbetrachtung einer der weiteren Vorteile der Methode. Die Anwendung der Stoffstromsystematik unter Einbeziehung aller relevanten Stoff- und Energieströme und der verbundenen Kosten ist ein weiterer nützliche Baustein auf dem Weg zu einer wertstofforientierten Prozessführung.

Belle J, Wischeropp T, Michels M, Maur B. 2017. Transparenz durch stoffstrombezogenen Energieanalyse. Paper presented at VPM und Zellcheming Bezirksgruppentagung Norddeutschland; 10.11.2017, UPM Nordland Papier GmbH, Dörpen.

Die Theorien zur Faser-Faser-Bindung lassen unterschiedliche Modellvorstellungen zu. Bislang war es nicht möglich, diese Theorien durch Aufnahmen des tatsächlichen Zustandes zu belegen. Dies war einerseits in der Probenvorbereitung begründet, die in aller Regel das Bindungs-gefüge der Fasern beeinträchtigt, andererseits konnte bisher ohne Probenvorbereitung nur mit zu geringer Auflösung gearbeitet werden.

Um dieses Problem zu lösen, wurden in der vorliegen Arbeit zunächst Blätter mit ungemahle-nem Faserstoff und unterschiedlichen Feuchten hergestellt. Die Proben wurden schockgefroren und anschließend gefriergetrocknet, um mit hochauflösender Raster Elektronen Mikroskopie Technik Bilder generieren zu können.

Die Auswertung der Bilder zeigt das Verhalten von Mikrofibrillen während der Blattbildung und Trocknung. Die Fibrillen stehen von der Faser in das sie umgebende Wasser ab und interagie-ren auf diese Weise mit benachbarten Fibrillen und Fasern.

Die Aufnahmen zeigen schon bei hohem Wassergehalt die Abläufe der Annäherung der Fasern und Fibrillen aneinander und belegen somit verschiedene Modellvorstellungen, die bislang nur hypothetisch erklärt werden konnten.

Belle, J. and S. Kleemann (2017). „Neue Einblicke in die Ausbildung von Festigkeiten im Papier.“ Wochenblatt fuer Papierfabrikation 145(12): 805-809.