Stand der Technik und Potentiale zur Senkung der VOC-Emissionen aus Anlagen zur Reinigung von Oberflächen

Zusammenfassung

Flüchtige organische Verbindungen (VOC) sind maßgeblich an der Bildung von boden­nahem Ozon beteiligt. Höhere Ozonkonzentrationen schädigen die menschliche Gesundheit und wirken auf Pflanzen wachstumshemmend. Um das Umweltziel der dauerhaften Unterschreitung von 110µg/m3 Ozon in der Luft zu erreichen, ist eine Verminderung der VOC-Emissionen gegenüber 1990 um 70-80% notwendig. Haupt­verursacher von VOC-Emissionen ist in Deutschland die Lösemittelanwendung, zu der u.a. die Oberflächenreinigung mit halogenfreien organischen Lösemitteln gehört.

Der vorliegende Forschungsbericht ermittelt für die Oberflächenreinigung erstens aktuelle statistische Daten über Verbräuche, Luftemissionen und Entsorgung halogenfreier organischer Lösemittel (Istzustand) und zweitens Minderungspotentiale für VOC-Emissionen auf betrieblicher Ebene (Sollzustand). Dies geschieht in jedem Sektor der Oberflächenreinigung, wobei die Primärresultate auf Vor-Ort-Recherchen beim Anwender sowie auf der Direktbefragung von Experten aus Lösemittelhandel, Anlagenbau, Verbänden, Fachjournalismus, Wissenschaft usw. basieren.

Der politische Kontext der Studie ist die im März 1999 erlassene „ Richtlinie 1999/13/EG des Rates über die Begrenzung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen, die bei bestimmten Tätigkeiten und in bestimmten Anlagen bei der Verwendung organischer Lösemittel entstehen“ (EU-Lösemittelrichtlinie - VOC-RL), die innerhalb der nächsten 2 Jahre in deutsches Recht zu überführen ist.

1. Bestandsaufnahme: Von 63 7000 t Lösemitteln emittieren fast 50%

Anwendungstruktur und Istzustand der gesamten Oberflächenreinigung mit halogenfreien organischen Lösemitteln zeigt Tabelle 1 für 1998.

Insgesamt werden jährlich ca. 63 700 t Frischware auf Basis brennbarer Kohlenwasserstoffe (KW) den Betrieben zum Zweck der Oberflächenreinigung zugeführt. Davon emittieren 49%, über 31 000 t, bei Anwendung in die Luft. Die anderen 51% werden entsorgt. Von den ca. 32 500 t entsorgter KW-Reiniger werden rd. 6300 t extern zum Wiedereinsatz rückgewonnen und bilden wieder einen Teil (10%) der Jahreszufuhr. Rund 2300 t werden für mindere Einsatzzwecke (Universalverdünner, Frostschutzmittel u. dgl.) aufgearbeitet. Etwa 1000 t (sauerstoffhaltige KW-Derivate) gelangen mit Spülwasser in die Kanalisation und werden in der Kläranlage abgebaut. Der größte Teil der Altware, etwa 23 000 t (70%), wird unter Energienutzung verbrannt.

Die allgemeine Verwendungsstruktur der Lösemittel ist in den sechs Haupteinsatzbereichen halogenfreier Lösemittelreiniger jeweils verschieden.

1. Dienstleistungen außerhalb der Industrie

Im Dienstleistungsbereich mit Schwerpunkt Kfz-Handwerk wird nicht seriell gereinigt, sondern diskontinuierlich und manuell. Dafür werden einfachen Reinigungstischen 6000 t KW-Reiniger der VbF-Klasse A-III zugeführt, vor allem von Händlern, die die verschmutzte Ware zur Aufarbeitung abholen. Darum ist der Regeneratanteil an der Zufuhr (46%) hoch. Die diffusen Luftemissionen liegen bei 20% der Einsatzmenge. Außerdem werden aus Spraydosen zum Reinigen von Fahrzeugen und Geräten 5000 t Lösemittel der VbF-Klassen A-I und B appliziert, die zu 100% verdunsten.

2. Pkw-Entkonservierung

Zur Entwachsung fabrikneuer Pkw dienen 6600 t KW (VbF: A-III) im Gemisch mit 95% heißem Wasser. In großem Maßstab (Verbrauch > 2 t/a) erfolgt dies automatisch in 29 Anlagen von Spediteuren und manuell in über 200 Autohäusern. Die teils gefaßten Abgasemissionen und teils diffusen Emissionen betragen zusammen 1225 t.

3. Allgemeine industrielle Metallentfettung

Der Haupteinsatz halogenfreier KW-Oberflächenreiniger ist mit 27 200 t die allgemeine Metallentfettung in der Industrie. Sie wird standardmäßig mit entaromatisierten KW betrieben, die den VbF-Klassen A-II und A-III angehören, d.h. einen Flammpunkt oberhalb 21°C bzw. 55°C besitzen. Sie ersetzen zum Teil frühere chlorierte Kohlenwasserstoffe. Zu 90% werden KW für die manuelle Reinigung mit Pinsel und Lappen benutzt, die diskontinuierlich und kalt erfolgt: in Industriewerkstätten und an Produktionsanlagen, außerdem an Produkten, die in keine Waschanlage passen wie großvolumige Teile mit niedrigem Durchsatz, kleine Restteile von geringer Stückzahl, Meß- und Kontrollteile zur Zwischenreinigung. Zehn Prozent der KW-Zufuhr geht in Reinigungsmaschinen für den seriellen Betrieb. Neben 250 Anlagen, die kalt reinigen und nur warm trocknen, gibt es bereits über 300 geschlossene KW-Anlagen, die dank Vakuumtechnik hohe Reinheitsgrade erzielen, da sie mit heißem Lösemittel und Dampf entfetten können. Ihre Abgasemissionen sind dank Tiefkühlkondensation niedrig.

4. Industrielle Spezialanwendungen

Organische Reiniger mit verstärktem Lösevermögen (Ester, Ketone, Aromaten, Spezialbenzin, Alkohole, Glykolether) kommen im Umfang von 12 000 t zum Einsatz, wo Verschmutzungen gegen einfache KW beständig sind. Typische Verunreinigungen sind nicht Fette und Öle, sondern Polymerisate wie Kleb- und Dichtstoffe, Harze, Farben u.dgl. Diese sind häufiger von Produktionsmitteln (Auftragsgeräten) als von Produkten abzureinigen. Die - meist manuell-offene - Reinigung findet stets ohne Erwärmung statt. Diese verbietet die leichte Entzündlichkeit der A-I- und A-II-Formulierungen. Aus ihrer Leichtflüchtigkeit folgt außerdem, daß die diffusen Emissionen in die Umgebungsluft mit etwa 72% sehr hoch sind.

5. Feinreinigung

In Elektronik, Optik und Feinmechanik wurden FCKW häufig durch milde Lösemittel ersetzt, die hohe Oberflächenreinheit garantieren und schnell trocknen: Cyclohexan, Isopropanol, Aceton. Da diese alle leicht entflammbar sind, benötigen sie explosionsgeschützte Anlagen, die aus Sicherheitsgründen der Dauerabsaugung unterliegen. Dadurch steigen die ohnehin hohen Emissionen auf über zwei Drittel des Einsatzes. Diese Emissionsrate gilt auch für die in der Feinoptik weit verbreitete manuelle Alkohol-Reinigung. Die Emissionen wären noch höher, wenn nicht in jüngerer Zeit viele hochflüchtige Lösemittel durch schwerflüchtige wie Glykolether oder N-Methyl-Pyrrolidon (NMP) ersetzt worden wären. Gesamter Lösemitteleinsatz: 4400 t.

6. Entlackung

Zur Entlackung fehlbeschichteter Teile aus Aluminium oder verzinktem Metall dienen organische Lösemittel wie Glykolether und NMP. Diese sind in der Lage, bei 50-60 °C den Lack anzuquellen und zu lösen. Die diffusen Luftemissionen betragen ca. 15% (370 t) der 2500 t eingesetzter Lösemittel. Über 700 t werden wäßrig abgespült und erst im Abwasser der Kläranlage abgebaut. Etwa 1100 t werden aus dem Lackschlamm für frische Entlackungsmittel zurückgewonnen.

Zu den Eigenarten der halogenfreien KW-Oberflächenreinigung gehört der hohe Anteil des manuellen Betriebs. Von den 63 700 t Lösemittel werden fast 50 000 t manuell angewendet, weniger als 14 000 t gelangen in Anlagen. Davon wiederum werden rund 10 000 t erwärmt. KW-Reinigung ist in erster Linie manuelle Kaltreinigung.

Die Zahl der Betriebe mit KW-Oberflächenreinigung beträgt rund 100 000. (Dabei sind die jährlich nur je 30-35 kg und insgesamt 4000 t verbrauchenden 120 000 industriellen Tampondrucker [manuelle Klischeereinigung] nicht mitgerechnet.) Betriebe, die pro Jahr mehr als 2 t Lösemittel verbrauchen, gibt es allerdings nur etwa 3000. Deren Masse, ca. 2100, ist in der allgemeinen Metallentfettung angesiedelt. Auf jene 3% der Anwender entfallen aber über 60% der gesamten Lösemittelzufuhr zur Oberflächenreinigung und knapp 45% der VOC-Emissionen (ohne Tampondruck).

2. Emissionsminderung: 30% realistisch, nach Stand der Technik mehr möglich

Da die Studie im Kontext der EU- Lösemittelrichtlinie (VOC-RL) entstand, deren Ziel eine nachdrückliche VOC-Emissionssenkung ist, wird das Potential zur Emissionsminderung erörtert. In jedem Teilbereich der Oberflächenreinigung wird gefragt: Welchen Effekt auf die Emissionen hat die VOC-RL, wenn ihr Instrumentarium für die Tätigkeit "sonstige Oberfächenreinigung" in den Betrieben vollständig oder, salopp formuliert, 1 : 1 umgesetzt wird? Dieses Instrumentarium besteht im wesentlichen aus dem Grenzwert für diffuse Emissionen von 20% auf die Einsatzmenge und dem Grenzwert für gefaßte Emissionen von 75 mg C pro Kubikmeter Abgas. Beide gelten ab einem Schwellenwert, den die EU auf 2 t/a Lösemittelverbrauch festgesetzt hat.

Unabhängig von den Emissionssenkungen aufgrund der VOC-RL ist zu fragen: Wie groß ist generell das Minderungspotential für VOC-Emissionen aus der Oberflächenreinigung nach dem Stand der Technik? Die Tauglichkeit der VOC-RL zur Reduzierung von VOC-Emissionen mißt sich daran, inwieweit sie dieses Minderungspotentiale ausschöpft, soweit das finanziell zumutbar ist. Tabelle II enthält nicht nur die Emissionssenkungen durch 1 : 1-Umsetzung der VOC-RL, sondern auch Emissionssenkungen nach dem Stand der Technik, soweit sie darüber hinausgehen.

1. In drei Teilbereichen zeigt die VOC-RL praktisch keine emissionsmindernde Wirkung. Bei Dienstleistungen (Tab. II, Zeile 1) und bei der Entlackung (Zeile 6) wird der 20%-Grenzwert für diffuse Emissionen eingehalten, während die Entkonservierung (Zeile 2) wegen des niedrigen KW-Gehalts der Reinigungsflüssigkeit durch Sonderklausel von der Erfüllung der festgelegten Grenzwerte ausgenommen ist.

Die Ausschöpfung des Minderungspotentials nach Stand der Technik, unabhängig von der VOC-RL, senkt dagegen die Emissionen deutlich: bei Dienstleistungen um 2900 t, wenn die Betriebe über 20 Beschäftigte allgemein wäßrige Warmreinigung einführen; bei der Pkw-Entkonservierung um 1125 t, wenn infolge von mehr unbewachsten Neuwagen weniger gereinigt wird und wenn, dann in Anlagen mit zeitgemäßer Abgasreinigung; in der Entlackung um 70 t, wenn organische Lösemittel auf materialbedingt notwendige Anwendungen (Aluminium) beschränkt werden.

2. Allgemeine Metallentfettung (Zeile 3) und Feinreinigung (Zeile 5) sind die Bereiche, in denen die 1 : 1-Umsetzung der VOC-RL die größte Wirkung entfaltet. Die Gesamtemissionen von 14 755 t (12 000 + 2755) sinken um 54%, wenn die 2340 Betriebe über 2 t/a Lösemittelverbrauch die Emissionsgrenzwerte einhalten. Die Hauptreduktion kommt vom 20%-igen Grenzwert für diffuse Emissionen auf alle manuellen und anlagebetriebenen Reinigungsprozesse. Zweitwichtigste Maßnahme sind unter dem Druck der niedrigen Abgasgrenzwerte vorgenommene Umstellungen von hochemissiven Anlagen auf KW-Systeme, die entweder geschlossen im Vakuum reinigen oder bei offenem Betrieb schwerflüchtige Lösemittel verwenden.

Die nach Stand der Technik mögliche, aber von der VOC-RL nicht geforderte Emissionssenkung beträgt 1180 t (1080 + 100). Sie resultiert vor allem daraus, daß Betriebe über dem Schwellenwert nicht nur Grenzwerte für KW-Reinigung einhalten, sondern letztere durch wäßrige Verfahren ersetzen. Zweiter Grund ist die Begrenzung von KW-Emissionen auf das technische Minimum auch unter dem 2-t-Schwellenwert.

3. Bei Spezialanwendungen (Zeile 4) ist die emissionsmindernde Wirkung der VOC-RL doppelt begrenzt. Erstens: Oberflächenreinigung (etwa das Säubern von Klebewerkzeugen), die keine eigenständige betriebliche Tätigkeit ist, sondern untergeordneter Prozeßschritt einer anderen von der VOC-RL regulierten Lösemittelanwendung (hier: Klebebeschichtung), wird rechtlich letzterer zugeordnet und gilt nicht als Oberflächenreinigung im Sinne der VOC-RL. Zu ihr zählen von den mit Speziallösemitteln vorgenommenen Reinigungen nur knapp die Hälfte. Zweitens: Die Anwendungen von Speziallösemitteln sind zwar sehr zahlreich, aber in der Regel recht klein. Nur in wenigen Fällen verbrauchen sie mehr als 2 t. Die VOC-RL greift mit ihren für die Oberflächenreinigung geltenden Emissionsgrenzwerten nur in ca. 250 Betrieben und bewirkt dort eine insgesamt mäßige Emissionssenkung um 300 t.

Die von den Begrenzungen der VOC-RL unabhängigen Maßnahmen nach Stand der Technik bewirken eine sieben Mal so große Emissionssenkung. Diese ergibt sich durch schwerer flüchtige Lösemittel zur Werkzeugreinigung im Tampondruck sowie aus baulichen Änderungen zur Verringerung der Lösemittelspülung von Gießanlagen für zweikomponentige Harze. Gleichwohl sind die zusätzlichen Emissionssenkungen mit 2200 t relativ gering, weil die Eindämmung diffuser Emissionen in diesem Sektor besonders schwierig ist.

3. Emissionssenkung nach VOC-RL und nach Stand der Technik: 50%

Durch die 1 : 1 Umsetzung der VOC-RL sinken die VOC-Emissionen aus der Oberfächenreinigung um 8310 t. Bezogen auf VOC-Gesamtemissionen von 31 150 t sind dies fast 27%. Bereinigt um nicht zur Oberflächenreinigung im Sinne der VOC-RL gehörende Teile der VOC-Emissionen aus organischen Spezialanwendungen und die ganzen Emissionen aus der Pkw-Entkonservierung (minus 5525 t/a) machen die Emissionssenkungen durch die VOC-RL über 32% aus. Von der VOC-RL nicht verlangt, aber nach Stand der Technik möglich ist eine zusätzliche Reduzierung der Emissionen im bereinigten Bereich um 5250 t oder fast 17%. Somit beträgt das Minderungspotential der VOC-Emissionen aus der Oberflächenreinigung im engeren Sinne fast 50%.

Angesichts der umweltpolitischen Notwendigkeit nachdrücklicher Senkung der VOC-Emissionen einerseits und der begrenzten Wirkung der VOC-Richtlinie andererseits, bleibt zu überprüfen, inwieweit diese verschärft werden kann.