Einführung

Unter Kaskadennutzung versteht man die Nutzung von Rohstoffen und Produkten in aufeinanderfolgenden Schritten mit jeweils verringerten Anforderungen an die Eigenschaften. Das Ziel ist es, Rohstoffe und Produkte möglichst lange im System zu halten, sodass ein hohes Wertschöpfungsniveau bestehen bleibt. Damit kann das Abfallaufkommen im Betrieb verringert- und die Ressourceneffizienz gesteigert werden. [1, S. 49] Die Kaskadennutzung selbst stellt zwar keine echte Kreislaufführung dar. Sie kann jedoch sehr gut als unterstützendes Element einer hochwertigen Kreislaufführung dienen.

Generell lässt sich die Kaskadennutzung innerhalb eines Betriebes in drei Schritte unterteilen („3R-Prinzip“): Wiederverwendung (Reuse), stoffliche Verwertung (Recycling) und energetische Verwertung (Recovery) [2, S. 10]. In der Kreislaufführung von Produkten können auch die „R-Prinzipien“ Repair, Remanufacturing und Refurbishment zum Einsatz kommen. Findet eine mehrmalige stoffliche Verwertung der Rohstoffe statt, spricht man von einer mehrstufigen Kaskadennutzung [1, S. 49].

Mehrstufige Kaskadennutzung [2, S. 10], eigene Darstellung

In vielen Fällen ist es möglich, den verwendeten Rohstoff restlos zu recyceln. In diesem Fall entfällt der energetische Verwertungsschritt und die mehrstufige Kaskadennutzung wird zum Modell für einen geschlossenen Kreislauf des Rohstoffes. Kaskadennutzung stellt jedoch in der Regel vor allem ein Downcycling dar. Lediglich eine stoffliche Aufbereitung (Remanufacturing) am Ende der Kaskaden mit der Option der Verwendung analog zum ursprünglichen Primärrohstoff spiegelt eine echte Kreislaufführung wider. Die thermische Verwertung ist nicht Teil einer Kreislaufführung und sollte möglichst vermieden werden. Auch eine Vermischung, und damit Verunreinigung, von Rohstoffen sollte bestmöglich verhindert werden, um die Kaskadennutzung zu ermöglichen und kein Hindernis bei der Aufarbeitung und Aufbereitung darzustellen, ebenso wie ein ökoeffizientes Recycling zu ermöglichen. Die metallurgische Verwertung von Fahrzeugteilen stellt beispielsweise keine Kaskadennutzung dar, da diese in der Schmelze mit anderen Produkten vermischt werden und somit keine gezielte Schmelze von unterschiedlichen Bestandteilen und Materialien (z. B. zwischen Fahrzeugteilen und anderweitigen Bauteilen, z. B. Computerteilen) vorgenommen wird/vorgesehen ist [3, S. 178].

Kaskadennutzung von Rohstoffen und Endprodukten

Besonders weit verbreitet ist die Kaskadennutzung in der Holzverarbeitung. So können z. B. die Zellulosefasern, die bei der Bearbeitung von Holzplatten anfallen, in einem nächsten Kaskadenschritt zu Taschentüchern verarbeitet werden. Diese werden dann in einem letzten Schritt energetisch verwertet. [2, S. 9 f.] Idealerweise sollte ein Weg gefunden werden, um den Kreislauf stofflich zu schließen. In manchen Fällen ist dies jedoch aufgrund technischer oder wirtschaftlicher Kriterien nicht möglich.

Mehrstufige Kaskadennutzung Holz [2, S. 9], eigene Darstellung

Allgemein lässt sich sagen, dass der Begriff der Kaskadennutzung im Zusammenhang mit Biomasse am häufigsten fällt. In diesem Bereich gewinnt die Kaskadennutzung zunehmend an Bedeutung, da inzwischen auch Biopolymere in Kunststoffen verwendet werden. Die stoffliche und energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe kann jedoch unter Umständen in Nutzungskonkurrenz zu land- und forstwirtschaftlichen Produkten stehen [4, S. 157]. Dementsprechend ist eine nachhaltige und kaskadierende Nutzung von Polymeren unerlässlich für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft.

Doch auch, wenn die Kaskadennutzung in erster Linie im Bereich der nachwachsenden Rohstoffe diskutiert wird und abseits davon weniger Aufmerksamkeit findet, ist in anderen Industriezweigen ebenso Potenzial vorhanden. In der Automobilindustrie lassen sich beispielsweise zahlreiche Anwendungsfälle finden. Einer betrifft die Verwertung von Altreifen. Bei der Altreifenverwertung macht die thermische Verwertung als Brennstoff für Zement-Brennöfen zwar den größten Teil aus (keine Kaskadennutzung im eigentlichen Sinne). Der Idee der Kaskadennutzung folgend können die Reifen jedoch nach ihrer Benutzung zuerst zu Granulaten und Gummimehl verarbeitet werden. Diese wiederum können als Zuschlagsstoffe in den Bereichen Industrie, Chemie, Bau, Freizeit und Sport eingesetzt oder auch wieder in Autoteilen (z. B. in der Schallisolierung und Verkleidung) verarbeitet werden. [3, S. 178 – 180] Es handelt sich in diesem Falle um ein Downcycling, da das Ausgangsmaterial nicht wieder für den gleichen Zweck eingesetzt wird und stetig mit jeder weiteren Kaskade in der Qualität abnimmt. Die Wertschöpfungszeit wird mithilfe dieser Strategie jedoch verlängert und somit werden Primär-Ressourcen geschont. Denkbar ist auch die Runderneuerung (Refurbishment) von alten Autoreifen, solange, bis es technisch nicht mehr möglich ist und sie einer anschließenden Nutzung, z. B. als Reifen für Spielplatzschaukeln oder Ähnliches, dienen können. Am Ende der Kaskadennutzung von Altreifen steht jedoch in der Regel weiterhin die energetische Nutzung in Zementwerken.

Kaskadennutzung von Wasser

Das Kaskadenprinzip lässt sich auch auf Wasser übertragen. Spülvorgänge spielen in vielen Bereichen eine wichtige Rolle, unter anderem in der Galvanotechnik, in der am Ende der Warenbearbeitung ein weitgehend von Chemikalien befreites Produkt vorliegen muss. Solche Spülprozesse benötigen (vor allem, wenn es sich um herkömmliche Einfachspülungen handelt) eine erhebliche Menge an Wasser. Eine mögliche Lösung ist die Kaskadenspülung (auch Mehrfachspülung genannt). In dieser fließt das Spülwasser von einem Becken ins nächste. Die zu spülenden Werkstücke werden im Gegenstrom vom letzten Abteil zum ersten bewegt. Dabei kommen sie nacheinander mit zunehmend saubererem Wasser in Berührung. [5]

Veranschaulichung der Kaskadenspülung


Es wird zwischen zwei unterschiedlichen Betriebsarten differenziert: kontinuierlich und diskontinuierlich. Wenn das Kaskadensystem kontinuierlich betrieben wird, fließt das Wasser aus jeder Gegenstromspülung kontinuierlich in das erste Reinigungsbecken, das zuvor vom Werkstück passiert wurde, und tritt dann in die Prozesswasseraufbereitung ein. Wenn der Kreislauf geschlossen werden soll, wird das Wasser aus dem ersten Becken über den Konzentrator dem Prozesstank oder Speichertank zur vorübergehenden Speicherung zugeführt. Im Falle eines diskontinuierlichen Betriebs wird bei Erreichen einer bestimmten Konzentration in der Endstufe das Wasser aus jeder Spüle in die vorherige Stufe gepumpt. Zunächst wird dazu der Inhalt des ersten Beckens in den Puffer geleitet. [6, S. 379]

Wie effektiv der Kaskadenansatz in diesem Fall konkret ist, zeigt das Fallbeispiel der Carl Zeiss AG, eines Unternehmens, das in der optischen und feinmechanischen Industrie tätig ist. Dort wurden für mehrere Pilotprozesse Stoffstromanalysen durchgeführt und verschiedene Optimierungen herausgearbeitet. Einer dieser Prozesse war der Glasätzprozess. Zur Erzielung bestimmter Oberflächeneigenschaften werden hierbei die Oberflächen optischer Gläser mit verschiedenen Verfahren chemisch behandelt. Zu diesem Zweck wird eine Ätzanlage betrieben. Bei der Stoffstromanalyse wurde neben einer Standzeitverlängerung des Ätzbads auch eine Kaskadenspülung als Optimierung vorgesehen. Verschiedene Verfahren wurden getestet. Das Ergebnis: Schon bei einer 2er-Kaskadenspüle (zwei Spülbecken) lag der Wasserverbrauch bei 1 % der konventionellen Fließspüle, bei einer 3er-Kaskadenspüle sogar nur bei 0,22 % [7, S. 6].

Kaskadennutzung von Abwärme

In der Geothermie versteht man unter Kaskadennutzung die Nutzung von geothermischem Dampf oder geothermischer Wärme für eine Folge unterschiedlicher Einsatzbereiche, wobei von einer Kaskade zur nächsten niedrigere Temperaturen benötigt werden [8]. Dieses Prinzip lässt sich gut auf industrielle Abwärme übertragen.

Veranschaulichung der Abwärmekaskade

Vorrangig sollte Energieverlust durch Abwärme vermieden werden (z. B. durch verbesserte Isolation). Ist dies nicht zu erreichen kann eine Kaskadennutzung der Abwärme zum Einsatz kommen. Diese lässt sich in fünf Abschnitte unterteilen. Die erste Stufe ist die prozessinterne Verwendung der Wärme (z. B. zur Unterstützung interner Heizprozesse). Es folgt die innerbetriebliche Nutzung. Die Abwärme kann in jedem Prozess, der Wärme benötigt, genutzt werden. Sie kann mit Wärmepumpen auf höhere Temperaturen (bis zu 90 °C) angehoben oder sogar mit Absorptions- und Adsorptionskälteanlagen zur Kälteerzeugung genutzt werden. Auch zur Brauchwarmwasserbereitung und -unterstützung kann die Abwärme verwendet werden. Die Abwärme kann bei dem Durchlaufen unterschiedlicher Nutzungsschritte optimiert werden, wenn darauf geachtet wird, die unterschiedlichen Anwendungen geeignet nach Temperatur zu sortieren. Die nächste Stufe ist die innerbetriebliche Verstromung. Wenn bei der Abwärme Temperaturen von über 200 °C zur Verfügung stehen, kann z. B. eine ORC-Anlage (Organic Rankine Cycle) einen Teil der Wärme aufnehmen und mit einem Wirkungsgrad von 15 – 20 % in elektrischen Strom umwandeln (siehe dazu auch den folgenden ZRE-Filmausschnitt). Die Wärme, die innerbetrieblich nicht verwendet wird, kann in einer nächsten Kaskadenstufe auch außerbetrieblich genutzt werden. So kann z. B. die Abwärme des Betriebs in außerbetrieblichen Gebäuden zur Heizung der Räume oder des Brauchwassers verwendet werden. [9]

Kaskadennutzung bei der Kupferherstellung

Ein weiteres Beispiel für die Kaskadennutzung von Abwärme liefert der Kupferhersteller Aurubis in Hamburg. Bei der Kupferherstellung entsteht gasförmiges Schwefeldioxid. Bei dessen Umwandlung in Schwefelsäure entsteht ein hohes Maß an Wärme, die normalerweise ungenutzt bleibt. Etwa ein Viertel der Wärme wird innerbetrieblich verwendet (für die allgemeine Heizung, die Kupferelektrolyse und eine Kupfersalzanlage). Das Unternehmen bringt über einen Wärmetauscher die restliche, freiwerdende Energie auf die übliche Fernwärmetemperatur von 90 °C. Die Wärme wird in die Stadt geleitet und deckt dort insgesamt den durchschnittlichen Wärmebedarf von 8.000 Vier-Personen-Haushalten. Diese Form der Wärmenutzung gilt als nahezu CO2-neutral. [10] [11] Somit können zusätzlich mehr als 20.000 Tonnen CO2 im Jahr eingespart werden [10].

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