Glas

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Primärrohstoffe und GrundstoffeProduktionNutzungRecyclingrohstoff


Primärrohstoffe und Grundstoffe

Glas ist ein vielfältig eingesetzter Werkstoff, den die Menschheit bereits seit Jahrhunderten verwendet.[1] Die Hauptbestandteile von Glas sind Siliziumdioxid (SiO2; z. B. Quarzsand), Flussmittel wie Natriumcarbonat (Soda – Na2CO3) und Kaliumcarbonat (Pottasche – K2CO3) sowie Kalziumkarbonatanteile (Kalk – CaCO3), Feldspat und Dolomit. Für die jeweilige Färbung des Glases können dem Ausgangsrohstoff Metalloxide als Färbungsmittel hinzugefügt werden (vgl. Tabelle 1). [2] Des Weiteren werden für die Glasherstellung noch diverse Zuschlagstoffe wie Läuter-, Färbe- und Entfärbemittel verwendet.[1] Diese Rohstoffe weisen spezifische Eigenschaften auf, die für die Glasherstellung entscheidend sind. Dabei können die Eigenschaften von Glas als Grundstoff über die einzelnen Rohstoffbestandteile eingestellt werden:


Siliziumdioxid

Siliziumdioxid, das dem Prozess als Quarzsand hinzugefügt wird, ist der Hauptbestandteil der Glasschmelze. Dabei dient Quarzsand als Glasbildner, der die molekulare Grundstruktur von Glas formt [2]. Die Schmelztemperatur des Rohstoffes liegt bei 1.860 °C. [2] Quarzsand wird in großen Sandlagerstätten an der Erdoberfläche oder in Sandgruben abgebaut, er entsteht durch intensive chemische Verwitterung von Quarzgestein. Für die Herstellung von Glas müssen die Quarzsande eine Reinheit von 99-99,8% aufweisen.[3]


Natriumoxid

In Form von Natriumcarbonat, umgangssprachlich Soda genannt, wird der Schmelze Natriumoxid zugeführt. Mit einer Schmelztemperatur von 850 °C wird dieser Rohstoff in der Glasherstellung als Schmelzbeschleuniger eingesetzt. [2] Natriumoxid (teilweise auch Kalziumoxid) dient damit als so genanntes Flussmittel, da es die Schmelztemperatur senkt [2]. Soda kann sowohl aus natürlichen Vorkommen abgebaut als auch synthetisch hergestellt werden. In Deutschland wird die synthetische Herstellung betrieben. Die Ausgangsstoffe für die Herstellungsverfahren, wie zum Beispiel das Solvay-Verfahren, sind Kalkstein und Natriumchlorid.[4]


Kalzium- und Magnesiumoxid

Diese Oxide dienen als Stabilisatoren und werden zur Erhöhung der Härte, der Festigkeit und der chemischen Beständigkeit sowie zur Verbesserung der Glaseigenschaften eingesetzt. Die Oxide werden aus dem Kalkgestein Dolomit gewonnen, der auch einen Magnesiumgehalt aufweist. Kalkstein wird in Steinbrüchen abgebaut. Die Schmelztemperatur liegt bei 2.500 °C.[2]


Aluminiumoxid

In Form von Feldspat, zum Beispiel als Tonerde oder Bauxit, gelangt Aluminiumoxid in den Prozess [3]. Durch den Stabilisator werden die thermischen und mechanischen Eigenschaften verbessert. Das Ziel ist die Erhöhung der Festigkeit, der Härte und der chemischen Beständigkeit.[5]


Kaliumoxid

Für eine erhöhte Brillanz des Glases sorgt Kaliumoxid, das der Herstellung mittels Pottasche zugeführt wird.[5] Kaliumoxid wird künstlich aus Kalilauge gewonnen. Die geringe Schmelztemperatur von 890 °C bedingt außerdem eine Nutzung des Stoffes als Flussmittel. [2]


Tabelle 1: Funktion der Glasbestandteile [2]
Rohstoff Stoff Chemische Formel Funktion
Quarzsand (SiO2) Siliziumdioxid SiO2 Glasbildner
Soda (Na2CO3) Natriumoxid Na2O Flussmittel, senkt die Schmelztemperatur
Kalk (Ca2CO3) Kalziumoxid CaO Stabilisatoren zur Erhöhung der Härte, der Festigkeit und der chemischen Beständigkeit
Dolomit (CaCO3 - MgCO3) Magnesiumoxid MgO
Feldspat (NaAlSi3O8) Aluminiumoxid Al2O3
Pottasche (K2CO3) Kaliumoxid K20 Flussmittel, senkt die Schmelztemperatur


Werden die beschriebenen Rohstoffe zusammen eingeschmolzen und anschließend schnell abgekühlt, erstarren sie zum Grundstoff Glas. Dabei bildet sich zwischen den Atomen kein Kristallgitter aus, weswegen Glas zu den amorphen Grundstoffen zählt. Dies führt zu den charakteristischen Glaseigenschaften wie hoher Lichtdurchlässigkeit und Transparenz. Aufgrund der amorphen Struktur besitzt Glas außerdem keinen genauen Schmelzpunkt. Glas zeichnet sich durch eine hohe Resistenz gegenüber chemischen Einflüssen und einen hohen elektrischen Widerstand aus. Jedoch ist Glas spröde, schlagempfindlich und leicht zerbrechlich, was an der geringen Zugfestigkeit und Bruchdehnung des Grundstoffes liegt. Außerdem besitzt Glas eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und dehnt sich unter Wärme nur wenig aus. Die Glaseigenschaften werden zusätzlich durch die chemische Zusammensetzung und Wirkung der Zusätze bestimmt. [1] So weist jede Glassorte eine spezifische Zusammensetzung auf (vgl. Tabelle 2).


Tabelle 2: Hauptglassorten [5]
Glassorte SiO2 Al2O3 Na2O K2O MgO CaO B2O3 PbO TiO2 Fluoride
Quarzglas 100% - - - - - - - - -
Behälterglas 72% 2% 14% - - 10% - - - -
Flachglas 72% 1,5% 13,5% - 3,5% 8,5% - - - -
Römisches Glas 70% 5% 16,5% 1% 0,5% 7% - - - -
Laborglas 80% 3% 4% 0,5% - - 12,5% - - -
E-Glas 54% 14% - - 4,5% 17,5% 10% - - -
Emaille 40% 1,5% 9% 6% 1% - 10% 4% 15% 13%
Bleikristallglas 60% 8% 2,5% 12% - - - 17,5% - -


Produktion

Um Glas herzustellen, werden die einzelnen Rohstoffe miteinander vermischt und in der sogenannten Schmelzwanne eingeschmolzen. Der Schmelzprozess verläuft kontinuierlich in gasbeheizten Schmelzwannen und wird in die vier Prozessschritte Schmelzen, Homogenisieren, Läutern und Abstehen unterteilt.[1]


Schmelze

Zuerst werden alle Rohstoffe in der Schmelze aufgeschmolzen. Dafür müssen die Rohstoffe zuerst vorbereitet werden, das heißt, sie werden auf eine geringen Korngröße (ca. 20 mm) zerkleinert. Daraufhin werden sie entsprechend dosiert und zu einem sogenannten Gemenge vermischt. Je nach Glassorte werden zum Schmelzen Temperaturen von 900 °C bis 1600 °C benötigt. [6] [7] [8] Ab 900 °C sintern die jeweiligen Komponenten, sie „backen“ zusammen. In dem Schmelzintervall zwischen 1.300 °C und 1.555 °C tritt Glas als dünnflüssige Schmelze auf, wobei die Verarbeitung der Schmelze zu Produkten bei ca. 1.200 °C stattfindet. Bei diesen hohen Temperaturen ist Glas leicht verformbar.[8]


Homogenisierung

Die Homogenisierung wird umgesetzt, damit die Komponente im Gemenge gleichmäßig verteilt werden. Die Schmelze homogenisiert, indem Gemengebestandteile wie Hydrate, Karbonate und Sulfate zersetzt werden und als Gasblasen an die Oberfläche aufsteigen. Die aufsteigenden Gasblasen führen dabei zu der erwünschten Durchmischung der Schmelze. Damit die Schmelze vollständig homogenisiert, wird zusätzlich Luft oder Wasserdampf eingeführt.[8]

Läutern

Das Läutern wird durchgeführt, um noch verbliebene Gasblasen aus der Schmelze zu entfernen. Bei dem Prozess des Läuterns schwimmen die in der Glasschmelze verbliebenen Gasblasen durch Läutermaßnahmen, also die Zugabe von chemischen Läutermitteln, auf. In der Herstellung von Massengläsern kann Natriumsulfat hinzugefügt werden, das ab 1200 °C die Gase SO2 und O2 abspaltet. Diese Gase treffen auf kleinere Gasbläschen und nehmen diese mit, wodurch sich das Volumen vergrößert und zu einer höheren Auftriebskraft zur Oberfläche führt. Im Abstehbereich der Glaswanne wird die Schmelze auf Verarbeitungstemperatur (ca. 1.200 °C) abgekühlt.[8]


Formgebende Glasherstellungs-Verfahren

Der Werkstoff Glas kann entweder geblasen, in Formen gepresst oder unter Zuführung von Hitze gebogen werden. Bei der Glasherstellung wird zwischen formgebenden Prozessen für die Flachglas- und Hohlglasherstellung unterschieden. Für die industrielle Flachglasproduktion gibt es das Gussverfahren, das Ziehverfahren und das Floatverfahren. Industrielles Hohlglas wird durch maschinelle Blasverfahren und Pressen hergestellt; Glasrohre durch das Ziehverfahren. Um qualitativ hochwertige Hohlgläser zu produzieren, wird das Glas nach wie vor traditionell mit dem Mund geblasen.[1] Die verschiedenen Verfahren werden nachfolgend kurz vorgestellt.


Floatverfahren

Das Floatverfahren wird am häufigsten für die Flachglasproduktion verwendet. Es ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem die Glasschmelze bei einer Temperatur von 1.100 °C auf ein Zinnbad gegossen wird. Die Glasschmelze schwimmt auf dem flüssigen Metall, da sie eine geringere Dichte besitzt. Auf dem Zinnbad entsteht eine idealglatte Glasmasse. Damit Luftsauerstoff nicht mit dem flüssigen Zinn reagiert, wird eine Schutzgasatmosphäre aufgebaut. Im Floatverfahren durchläuft das Glas unterschiedliche Temperaturbereiche. Wichtig dabei ist, dass das Glas langsam und spannungsfrei abkühlt. Wenn die Glasmasse auf 600 °C heruntergekühlt ist, wird das Glasband vom Zinnbad entfernt und in einem Kühlofen auf Rollen spannungsfrei und gleichmäßig abgekühlt. Floatglas kann eine Dicke zwischen 0,4 mm und 25 mm und eine Breite von bis zu 3 m aufweisen. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich, das Glas wird abschließend gewaschen und auf die benötigten Formate zugeschnitten. Es weist eine leichte Grünfärbung auf, da im Glas Eisenoxide eingebunden sind. [1]


Gussverfahren

Beim Gussverfahren wird die flüssige Glasmasse zwischen zwei mit Wasser gekühlten Formwalzen geformt, sodass sowohl glatte als auch strukturierte Glasoberflächen hergestellt werden können. Bei der Gussglastechnik werden durchscheinende, aber blickdichte Flachgläser mit einer Lichtdurchlässigkeit zwischen 50% und 80% hergestellt.[1]


Ziehverfahren

Beim Ziehglasverfahren wird ein Glasband durch eine feuerfeste Düse aus der Glasschmelze durch sich drehende Walzpaare nach oben in einen Kühlschacht gezogen, wo es erstarrt und langsam abkühlt.[1] Zur Herstellung von Flachglas wurde das Ziehverfahren hauptsächlich vom Floatverfahren verdrängt, es wird nur noch zur Herstellung von Dünngläsern eingesetzt. Es wurde verdrängt, da es nach dem zweiten Weltkrieg einen großen Bedarf an Flachglas gab und für die Massenproduktion ein Verfahren für einen größeren Glasdurchsatz benötigt wurde. Daher wurde das Floatverfahren entwickelt, bei dem das Endprodukt nicht aufwendig geschliffen oder poliert werden muss. [9] Um Glasrohre (Hohlglasherstellung) herzustellen wird das Danner-Verfahren eingesetzt. Dabei wird kontinuierlich Glasschmelze auf ein sich langsam drehendes Tonrohr (die sogenannte Dannerpfeile) aufgetragen und durch eine Luftzufuhr wird die zähflüssige Masse am unteren Ende ausgezogen. Diese Hohlform erstarrt schließlich zu einem Rohr. [1]


Maschinelle Blasverfahren

Beim maschinellen Blasverfahren wird die Glasmasse durch Pressluft in Form geblasen. Der Prozess ist zweigeteilt. Zuerst wird ein Vorformling erstellt, der bei der endgültigen Werkzeugformung erneut erwärmt und in die gewünschte Form geblasen wird. Dabei wird zwischen drei Verfahrensvarianten unterschieden: dem Blas-Blasen (vgl. Abb. 2), dem Saug-Blasen (vgl. Abb. 3) und dem Press-Blasen (vgl. Abb. 4). Beim Prinzip des Blas-Blasens wird ein vorgeformter Glasposten in eine Vorform gefördert und eine Rohflasche wird geblasen, die im weiteren Schritt in einer Fertigform fertiggeblasen wird. Das Blas-Blas-Verfahren ist das traditionelle Verfahren zur Hohlglasherstellung. Beim Saug-Blasen wird die Schmelze aus dem Glasbad angesaugt und anschließend mit Pressluft in Form geblasen. Beim Press-Blasen wird ein vorgeformter Glasposten in einer Vorform durch einen Stempel zu einem Rohgefäß gepresst. Dieses Rohgefäß wird in einer Fertigform fertiggeblasen.[1]


Pressen

Beim Glaspressen wird die Glasschmelze zwischen zwei Werkzeugformhälften in die vorgegebene Form gepresst.[1]

  • Abbildung 1: Glasherstellung, eigene Darstellung nach [7]

    Abbildung 1: Glasherstellung, eigene Darstellung nach [7]

  • Abbildung 2: Blas-Blas-Verfahren, eigene Abbildung nach [10]

    Abbildung 2: Blas-Blas-Verfahren, eigene Abbildung nach [10]

  • Abbildung 3: Saug-Blas-Verfahren, eigene Abbildung nach [10]

    Abbildung 3: Saug-Blas-Verfahren, eigene Abbildung nach [10]

  • Abbildung 4: Press-Blas-Verfahren, eigene Abbildung nach [10]

    Abbildung 4: Press-Blas-Verfahren, eigene Abbildung nach [10]


Neben dem Herstellungsprozess ist auch der Abkühlvorgang für die Eigenschaften des Glases entscheidend. Wenn das Glas zu langsam abgekühlt wird, können lokale Kristallisationen auftreten, wodurch eine Trübung des Glases entsteht.[1] Nachdem die fertiggestellten Gläser abgekühlt sind, wird eine Qualitätssicherung durchgeführt, bei der Scherben zurücklaufen und Gläser, die die Qualitätsanforderungen nicht erfüllen, aussortiert werden. Anschließend wird das Glas verpackt und zum Lager versendet.[1]

Glassorten

Es gibt verschiedene Glassorten, aber keinen einheitlichen Ansatz, der den Werkstoff in unterschiedliche Glassorten einteilt. Glassorten können nach ihrer chemischen Zusammensetzung, nach ihrem Fertigungsprinzip und ihrer Lieferform oder nach ihrer Verwendung eingeteilt werden. Die wichtigsten Glassorten nach der chemischen Zusammensetzung machen mit insgesamt 95% der jährlichen Produktion Kalknatrongläser, Bleigläser und Borosilikatgläser aus. Spezialgläser haben spezielle chemische Eigenschaften und werden für bestimmte Anwendungen hergestellt. Technische Gläser können sowohl oxidische (z. B. Quarzglas) als auch nicht oxidische Glassorten (z. B. Fluoridglas) sein (vgl. Tabelle 3). Die wichtigsten Glassorten nach Fertigungsprinzip sind Hohlgläser, die teilweise auch Behälterglas genannt werden (60% aller Glasprodukte), Flachgläser (25% aller Glasprodukte) und Glasfasern (5% aller Glasprodukte). Die Einteilung nach Verwendung teilt die Gläser in Verpackungs- und Wirtschaftsgläser, Sicherheitsgläser, Schutz- und Isoliergläser, Baugläser, optische Gläser und Sondergläser ein.[1]


Tabelle 3: Hauptglassorten [5]
Name Gehalt Quarzsand Besondere Zuschlagsstoffe Eigenschaften Verwendung
Kalknatronglas 100% keine Lichtdurchlässig, glatte Oberfläche, dehnt sich bei Hitze schnell aus, hohe chemische Resistenz Getränkeflaschen, Lebensmittelgläser, Flachglas
Bleiglas 54-65% Bleioxid Hohe Lichtbrechung, lässt sich gut schleifen, elektrisch isolierende Eigenschaft. Bleioxidgehalt < 18 Ma.-% = Kristallgläser Hochwertige Trinkgläser, Schalen, Vasen, Aschenbecher, Strahlenschutzgläser
Borosilikatglas 70-80% Bortrioxid Hohe Beständigkeit gegenüber chemischen Einwirkungen und Temperatur, stoßfest, einfach zu verarbeiten Laborgläser, feuerfestes Geschirr, pharmazeutische Industrie, Glühbirnen
Spezialgläser unterschiedlich unterschiedlich Besondere technische und chemische Ansprüche abhängig von unterschiedlicher Zusammensetzung Brillengläser, Ferngläser, Glaskeramik, Sicherheitsglas
Produktionszahlen

Im Jahr 2021 wurde insgesamt 7,8 Mio. Tonnen Glas produziert. Der größte Anwendungsbereich für Glaserzeugnisse stellt die Behälterglasindustrie dar. 2019 betrug der Anteil an Behälterglas an der gesamten Glasproduktion in Deutschland 56%, wobei der Anteil an Flachglas bei 28,8% lag. 2021 wurden rund eine Million Tonnen Glas- und Steinwolle verarbeitet. Die Produktion von speziellen Gläsern für den Haushalt, die Forschung oder die Wirtschaft hatte dagegen nur einen geringen Anteil von 4,7% (vgl. Abbildung 4).[11] Die Glasproduktion stagniert in den letzten Jahren und ging Anfang 2023 im Vergleich zu Anfang 2022 um 0,6% leicht zurück. Ein besonderer Rückgang wies die Herstellung von Glasfasern mit einer Abnahme von 15% auf und die Flachglasherstellung mit minus 10,5%. Die Produktion von Hohlglas stieg wiederum im Januar 2023 im Vergleich zu Januar 2022 um 3,2%.[12]

  • Abbildung 5: Glasproduktion im Jahr 2019 und die Anteile der einzelnen Glasbranchen [11]

    Abbildung 5: Glasproduktion im Jahr 2019 und die Anteile der einzelnen Glasbranchen [11]


Energiebedarf

Für die Glasherstellung sind die örtliche Nähe zu den Hauptrohstoffen (Quarzsand und Altglas), der Zugang zu Energie (für den Schmelzprozess) und die Logistik für den Massenguttransport entscheidend. Die Glasherstellung ist ein energieintensiver Prozess mit hohen CO2- und NOx-Emissionen. Allein im Jahr 2015 hat die Glasindustrie insgesamt 4,9 Millionen Tonnen CO2 emittiert. [13] Der Wirtschaftszweig war 2021 auf Platz vier der energieintensivsten Industriebranchen in Deutschland. Für die Produktion von Glas und Keramik wurden 7,4% der von der Industrie verbrauchten Energie aufgewendet. Dabei macht der Energieverbrauch der Glasindustrie rund 289 PJ aus. Der wichtigste Energieträger bei der Glasherstellung ist mit 38,1% Erdgas.[12] Um dies zu minimieren, ist der Einsatz von Altglasscherben entscheidend. Der Scherbeneinsatz reduziert Rohstoff- und Energieverbrauch, da die Scherben einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Rohgemenge haben und weniger primäre Rohstoffe eingesetzt werden müssen. Durch die niedrigeren Schmelztemperaturen von Altglasscherben im Gegensatz zu dem Rohstoffgemenge bei der Primärherstellung sinkt der Energiebedarf pro 10 M.-% eingesetztem Altglas etwa um 2% bis 3%.[11] Bei einer reinen Scherbenschmelze wird ca. 25% Schmelzenergie weniger verbraucht. Neben der Rohstoff- und Energieeinsparungen ist der Vorteil der Scherbenzugabe auch die Entlastung der Abfalldeponien.[9]


Umsatz der Glasproduktion

Im Jahr 2021 hat die Glasindustrie insgesamt einen Umsatz von 10,2 Mrd. Euro verzeichnet. Die umsatzstärksten Branchen der Glasindustrie in Deutschland sind die Flachglasveredelung mit 39,1% und die Behälterglasherstellung mit 21,3% (vgl. Abbildung 5). Die Glasindustrie hat zwischen den Jahren 2021 und 2022 ein Umsatzplus von fast einem Viertel (24,3%) verzeichnet und im Jahr 2022 somit 12,7 Mrd. Euro erwirtschaftet. Als Ursache für die gestiegenen Umsätze in der Glasindustrie werden gestiegene Energie- und Rohstoffpreise genannt. [14]

  • Abbildung 6: Umsatzanteile der Glasindustrie in Deutschland nach Branchen im Jahr 2021 [14]

    Abbildung 6: Umsatzanteile der Glasindustrie in Deutschland nach Branchen im Jahr 2021 [14]


Glasprodukte für Privathaushalte und die Wirtschaft haben sich Anfang des Jahres 2023 im Vergleich zum Vorjahresmonat deutlich verteuert. Die Erzeugerpreise für Glas und Glaswaren lagen Januar 2023 26,9% über denen des entsprechenden Vorjahresmonats. Am stärksten haben sich Glasflaschen aus nicht gefärbtem Glas mit 40,2% gegenüber Januar 2022 verteuert. Ein Grund dafür sind höhere Energie- und Rohstoffpreise, die sich besonders auf die Preise von Flaschenglas und Konservengläser auswirken. Soda war im Januar 2023 um 58,5% teurer als im entsprechenden Vorjahresmonat, Quarzsand kostete 30,4% mehr und gemahlener Kalkstein war 27,3% teurer. Die Energiepreise waren im Januar 2023 im Durchschnitt 32,2% höher als im entsprechenden Vorjahresmonat. Der Erzeugerpreisindex ohne Berücksichtigung der Energie stieg im selben Zeitraum um 10,7%. [12]


Nutzung

Durch die gute chemische Resistenz und geringe elektrische Leitfähigkeit ist Glas neben der Verwendung für die Herstellung von Gebrauchsgegenständen auch für technische und chemische Anwendungen gut geeignet. Die Bauindustrie ist mit fast 50% der größte Abnehmer der Glasindustrie. An zweiter Stelle steht die Ernährungs- und Getränkeindustrie. Die Chemie-, Pharma- und Kosmetikindustrie hat einen Anteil von etwa 10%. Der Anteil für Haushalt und Gastronomie mit 4% fällt genauso wie der Anteil der Kunststoff- und Textilindustrie geringer aus (vgl. Abbildung 6).[14]


  • Abbildung 7: Abnehmeranteile der Glasindustrie 2021 [14]

    Abbildung 7: Abnehmeranteile der Glasindustrie 2021 [14]

Einweg- und Mehrwegsysteme

Bei der Entwicklung der Verpackungsabfälle fällt auf, dass die Menge an Glasverpackungen in den letzten Jahren deutlich angestiegen ist; Glasverpackungen substituieren Kunststoffverpackungen. Zwischen 1990 und 2015 war ein gegensätzlicher Trend zu beobachten, in dieser Zeit wurden die schweren Glasverpackungen durch leichtere Kunststoffverpackungen ersetzt. Glasverpackungen können in Einweg- und Mehrwegsystemen als Getränkeverpackung oder Konserven auftreten. Bei der Betrachtung der Ökobilanzen von Glasverpackungen fällt auf, dass es große Unterschiede in den ökologischen Auswirkungen gibt. Allgemein betrachtet sind Glas-Mehrwegsysteme gegenüber anderen Getränkeverpackungen ökologisch vorteilhaft, solange der Transport regional erfolgt. Glas-Mehrwegflaschen, die über das Glasflaschen, die über das Pfandsystem gesammelt wurden, können nach einer gründlichen Reinigung wieder befüllt werden. gesammelt wurden, können nach einer gründlichen Reinigung wieder befüllt werden. Nach etwa 50 Spülvorgängen werden die Optik der Flasche und die Funktion des Verschlusses beeinträchtigt und die Glas-Mehrwegflaschen werden dem Recycling zugeführt.[5] [11] [15] Für die Reinigung der Mehrwegflaschen wird in modernen Waschanlagen ca. 100 bis 120 ml Wasser pro Glasflasche benötigt. Das Prozesswasser kann in der Anlage wieder aufbereitet und in einen Kreislauf geführt werden. Für die Reinigung der Flaschen wird Natronlauge benötigt, die höchstens auf 2% konzentriert ist. Sie wird vor der Entsorgung verdünnt. Da Abwasser standardmäßig einen etwas sauren pH-Wert aufweist, hilft die verdünnte Lösung außerdem, dieses zu neutralisieren. [16] Wenn die Transportstrecken zu lang sind, verschlechtert sich die Ökobilanz von Glas-Mehrwegflaschen aufgrund des hohen Gewichtes von Glasflaschen deutlich. Je schwerer das Eigengewicht der Verpackung, um so aufwändiger und energieintensiver ist die Logistik. Ökologische Nachteile weisen Glas-Einwegsysteme auf, da ein hoher Energieaufwand für das Wiedereinschmelzen benötigt wird. Eine Neuproduktion verbraucht mehr Energie und Ressourcen als der Rücktransport und die Reinigung von Mehrwegflaschen, weshalb die Nutzung von Glas-Mehrwegsystemen als ökologisch vorteilhaft angesehen werden kann. Weiterhin ist auffällig, dass Verpackungsgrößen einen Einfluss auf Ökobilanzen haben. Wenn die Verpackungen größer sind, werden die Volumenvorteil zwischen Verpackung und Inhalt besser.[5] [11] [15] Bei Einwegglas und Mehrwegglas sind die Quellen der CO2-Äquivalente unterschiedlich. Bei Einwegglas liegt der höchste Anteil an kg CO2-Äquivalente bei der Glasproduktion. Bei Mehrwegglas macht das Waschen der Gläser den höchsten Anteil aus. Das Waschen der Mehrweggläser macht im Vergleich ungefähr ein Viertel der CO2-Emissionen von der Einweg-Glasproduktion aus.[16]


Recyclingrohstoff

Sammelsysteme

Da die unterschiedlichen Glassorten qualitative Unterschiede aufweisen, verlangt die Glassammlung für ein Recycling eine sortenreine Erfassung und Sammlung von Hohlglas und Flachglas. Seit Mitte der 1970er-Jahre gibt es ein flächendeckendes Sammelsystem mit Altglassammelstellen für Behälterglas. Dafür werden Containersysteme im Bring-System eingesetzt, die zur getrennten Erfassung von Weiß-, Braun und Grünglas dienen. Bundesweit gibt es über 250.000 Altglascontainer. Bei der Flachglassammlung macht die B2B-Sammlung den größten Anteil aus. Dort gelingt eine höhere Sortenreinheit als bei der post-consumer-Sammlung, da der Produktionsabfall nicht durch eine Nutzungsphase und das individuelle Entsorgungsverhalten der Endverbraucher beeinflusst ist. Bei den Sammelcontainern ist keine direkte Kontrolle bei der Sammlung möglich, woher es schnell zu Fehlwürfen kommt, was für die weitere Aufbereitung nachteilhaft ist.[11] [9] Die aussortierten Flaschen können als Altglas in Form farblich gleicher Scherben dem Herstellungsprozess zugegeben werden. Altglas kann aufgrund der Stabilität der Glassilikate unendlich oft zusammen mit den primären Rohstoffen eingeschmolzen werden, ohne dass es an Qualität einbüßt. Die einzige Ausnahme sind mögliche Farbänderungen, weshalb eine farbgetrennte Sammlung erfolgen muss. Obwohl die Behälterglasaufbereitung für die drei Behälterfarben weiß, grün und braun getrennt erfolgt, muss mit einer Fehlfarbenquote von etwa 7% durch Fehlwürfe gerechnet werden.[5] [11]

Recyclingverfahren Behälterglas

Die farblich getrennten Scherben werden zuerst mechanisch aufbereitet. Um Altglas zu recyclen, muss die vorliegende Gebrauchsform des Altglases zuerst zerstört und in eine geeignete Korngröße überführt werden. Das Glas wird dann einer groben Siebung und einer manuellen Vorsortierung zugefügt. Die Fraktion größer 60 mm wird nach der Siebung als grobe Verunreinigungen aussortiert. Je nach Anlagenkonzept besteht die mechanische Aufbereitung zudem aus einer Absaugung, aus einer oder mehreren Magnetabscheidungen, einer Zerkleinerung und Siebungen bei verschiedenen Maschenweiten. Abschließend wird das Altglas einer sensorbasierten Sortierung unterzogen (vgl. Abbildung 7 und 8). [17] [11] Die stellt einen maßgeblichen Schritt in der Altglasaufbereitung dar, da dort die Fremdstoffe und Fehlfarben aussortiert werden. Dies ist sehr wichtig, da an Altglas hohe Anforderungen bezüglich der Reinheit gestellt werden und für die Vermarktung Grenzwerte eingehalten werden müssen. Altglasscherben bestehen aber häufig aus verschiedenen, unbekannten Glassorten sowie aus störenden Beimengungen und Gebrauchsverunreinigungen, die entfernt werden müssen. Metalle werden mithilfe eines Metallabscheiders und Wirbelstromscheiders abgetrennt. Keramik, Steine und Porzellan (die sogenannte KSP-Fraktion) werden mittels optischer Detektoren und einer Ausblas-Vorrichtung mit Druckluft, beispielsweise mit dem Durchlichtsortierer, aussortiert. Organische Stoffe wie Papier und Kunststoffe werden durch NIR-Sensoren detektiert und ausgeschossen oder abgesaugt. Durch weitere sensorbasierte Sortiertechniken (Farbkamera/Röntgenfluoreszenz-Analyse/UV) werden abschließend Fehlfarben ausgeblasen. Zum Schluss werden die Altglasscherben zu den Produktionsstandorten transportier, primären Rohstoffen zugemischt und dem Produktionsablauf wieder zugeführt.[9]

  • Abbildung 8: Beispielhaftes Aufbereitungsverfahren für Altglas [17]

    Abbildung 8: Beispielhaftes Aufbereitungsverfahren für Altglas [17]

  • Abbildung 9: Der Recyclingkreislauf von Glas [18]

    Abbildung 9: Der Recyclingkreislauf von Glas [18]

Qualitätsanforderungen bei Stör- und Fremdstoffen

Wichtig beim Recyclingprozess ist die Abtrennung der Fremdstoffe, da beim Schmelzen eine Abtrennung von Verunreinigungen nicht mehr möglich ist und dann die Verunreinigungen fest in den Werkstoff mit eingebunden werden. Verunreinigungen können beispielsweise dazu führen, dass lokale Kristallisationen auftreten und das Glas instabil wird.[8] Für die Hohlglasindustrie gelten bestimmte Qualitätsanforderungen für Altglas, die im Folgenden spezifiziert werden.

Fremdfarbenanteil

Eine zentrale Qualitätsanforderung ist der Fremdfarbenanteil, da verschieden gefärbtes Altglas und beigemengte Metalloxide die Schmelze verfärben. Dabei gibt es unterschiedliche Anforderungen für Weißglas, Grünglas und Braunglas. Bei Weißglas ist eine Farbreinheit von 99,7% gefordert, bei Grünglas ist ein Fremdfarbenanteil von bis zu 15% erlaubt, bei Braunglas ein Fremdfarbenanteil von 8%. Bereits eine grüne Sektflasche färbt 500 kg farbloses Glas grünlich ein. Behältergläser in blauer oder roter Farbe müssen zusammen mit Grünglas recycelt werden, da das Grünglas am unempfindlichsten gegenüber Fehlfarben ist.[11] [8]

KSP

Keramische Materialien, die sog. KSP-Fraktion (Keramik, Steine, Porzellan) müssen von den Glasscherben entfernt werden, da sie sich in der Glasschmelze nur sehr langsam auflösen, da sie einen höheren Schmelzpunkt als Glas haben. KSP bilden feine, schwimmende Partikel, die nicht absinken, da sie die gleiche Dichte wie die Glasschmelze haben. Bei der Abkühlung der Glasschmelze kann es durch die feinen Partikel zu Einschlüssen bei den Fertigprodukten kommen. Der maximale Fremdanteil liegt bei KSP bei <20 g/t, es wird aber darauf geachtet, den Anteil so gering wie möglich zu halten, um Einschlüsse vollständig zu vermeiden.[8]

Metalle

Metallische Werkstoffe sind auch Fremdstoffe, da sie der Schmelze und den Schmelzöfen schaden. Metalle wie Zinn, Blei und Kupfer schmelzen bei dem Schmelzprozess und sinken auf den Wannenboden ab, der von den Metallen zerstört wird. Aluminium, Zink und z. T. Eisen werden oxidiert und Aluminium reduziert dabei geringe Mengen von SiO2 zu Si, das als Silizium-Einschluss zum Glasbruch führen kann. Für NE-Metalle sind Fremdanteile von 5 g/t erlaubt.[8]

Organik

Die letzten Fremdstoffe sind organische Stoffe wie Papier, Kunststoffe, Lebensmittelreste. Diese verbrennen überwiegend, wirken sich jedoch auf die Redoxbedingungen in der Schmelze aus. Dies hat keinen großen Einfluss auf die Qualität des Glases, es muss aber mehr Energie für den Schmelzprozess aufgewendet werden.[8]


Da die Qualitätsanforderungen an Behälterglas weniger streng als für Flachglas sind, können Altglasscherben in der Behälterglasherstellung in sehr großen Mengen recycelt werden. Bei Flachglas-Altglasscherben sind die Qualitätsanforderungen höher und technisch aufwendiger und wegen komplizierten Aufbereitungsmethoden teurer. Aus dem Grund hat sich der Einsatz von Flachglas-Altglasscherben bis jetzt nicht durchgesetzt. [8]

Recycling anderer Glassorten

Neben Behälterglas können auch andere Glassorten recycelt werden. Diese Prozesse sind allerdings oft aufwendig und wirtschaftlich nicht rentabel. Bleiglas wird derzeit teilweise als Schlackenbildner in der Bleiindustrie eingesetzt. Es gibt Verfahren, mit denen das Bleiglas eingeschmolzen und das enthaltene Blei durch Reduktion zurückgewonnen wird. So kann aber nur ein kleiner Teil des anfallenden Bleiglasabfalls verwertet werden. Auch der Wiedereinsatz von Bleiglas, zum Beispiel als Scheiben für Röntgenräume, findet kaum noch statt. [19] Auch Flachglas kann gesammelt, eingeschmolzen und erneut zu Flachglas verarbeitet werden. Je nach Reinheit ist auch der Einsatz in der Behälterglasproduktion oder Grundstoff für die Produktion von Dämmwolle, Schmirgelpapier oder Glasbaustein möglich. [20] Auch Reststoffe des Recyclingprozesses können recycelt werden. Hier bietet sich zum Beispiel der Einsatz von Feinkorn als Reflektoren in Straßenmarkierungen, als Dämmstoff oder beim Sandstrahlverfahren an.[5] Das Einschmelzen und Wiederverwenden von Spezialglas wird nur in seltenen Fällen praktiziert. Hier sind die Quoten für den Wiedereinsatz sehr niedrig. [21]

  • Abbildung 10: Verwertungsquote von Verpackungsglas bis 2018 [22]

    Abbildung 10: Verwertungsquote von Verpackungsglas bis 2018 [22]

Im Jahr 2019 lag das gesamte Siedlungsabfallaufkommen von Glas in Deutschland bei 2.640.000 Tonnen und machte damit 5,2% des gesamten Abfallaufkommens aus. Davon wurden 1.000 Tonnen durch Ablagerung beseitigt. Ebenfalls 1.000 Tonnen wurden der energetischen Verwertung zugeführt. 2.638.000 Tonnen wurden der stofflichen Verwertung zugeführt. Das entspricht einer Verwertungsquote von fast 100%. [23] Die Verwertungsquote von Glas als Verpackungsmaterial insgesamt lag im Jahr 2018 bei 83% [24]. Im Jahr 2021 lag die Verwertungsquote von Glas bei 80,1% in Europa (EU27). Vorreiter für das Glasrecycling sind die Schweiz und Belgien mit über 95%.[25] In Abbildung 10 sind die Verwertungsquoten in Deutschland der Jahre 1997 bis 2018 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Quote seit 2016 sinkt. Das ist auf den steigenden Preis der Altglasscherben, die hohen Qualitätsansprüche an Altglasscherben und die niedrigen Energiekosten zurückzuführen, sodass der Einsatz dieser nicht mehr ökonomisch vorteilhaft ist. [26] Ab 2022 steigt der Energiepreis wieder an, insbesondere aufgrund des Ukraine-Kriegs. Besonders die Erdgaspreise sind deutlich gestiegen, wodurch die Herstellungskosten in den Glasfabriken ansteigen. 2023 machen die Energiekosten mehr als 40% der Gesamtproduktionskosten aus, wohingegen 2020 diese nur 14% umfassten. Des Weiteren steigen ab Anfang 2023 auch die Rohstoffkosten für die Glasherstellung, weshalb erwartet werden kann, dass der Einsatz von Altglasscherben in Zukunft steigen wird. [13] [27] Bei der Behälterglasproduktion stellen Altglasscherben den wichtigsten Hauptrohstoff dar. Der Einsatz von Altglasscherben unterscheidet sich je nach Glasfarbe. 2006 wurden im Durchschnitt 40% Altglas für die Produktion von Braunglas verwendet, bei Weißglas waren es 57%. Bei der Grünglasproduktion lag der Einsatz von Altglas bei 90%. Bei der Behälterglasindustrie liegt der Einsatz von Altglasscherben bei durchschnittlich 60%.[11]

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Literaturverzeichnis

  1. ↑ 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 Kalweit, A.; Paul, C. & Peters, S. (2012). Handbuch für Technisches Produktdesign - Material und Fertigung Entscheidungsgrundlagen für Designer und Ingenieure. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 Wolfgang Nigischer. Glas und seine Rohstoffe; 2001.
  3. ↑ 3,0 3,1 Elsner H. Quarzrohstoffe in Deutschland. Hannover: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR); 2016.
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  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 Prof. Dr.-Ing. Thomas Pretz. Glas. Aachen; 2018.
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  7. ↑ 7,0 7,1 Sarah Magull. Glas: Herstellung und Analytik; 2018.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6 8,7 8,8 8,9 Martens, H. (2011). Recyclingtechnik - Fachbuch für Lehre und Praxis . Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag.
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 Schaeffer HA, Langfeld R. Herstellung – Schmelzen und Formgebung von Glas. In: Schaeffer HA, Langfeld R, editors. Werkstoff Glas: Alter Werkstoff mit großer Zukunft. Berlin: Springer Vieweg; 2014, p. 131–170.
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 Schaeffer HA, Langfeld R. Herstellung – Schmelzen und Formgebung von Glas. In: Schaeffer HA, Langfeld R, editors. Werkstoff Glas: Alter Werkstoff mit großer Zukunft. Berlin: Springer Vieweg; 2014, p. 131–170.
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 11,5 11,6 11,7 11,8 11,9 Umweltbundesamt (2020): Glas und Altglas (online). Online verfügbar unter: <https://www.umweltbundesamt.de/daten/ressourcen-abfall/verwertung-entsorgung-ausgewaehlter-abfallarten/glas-altglas#massenprodukt-glas>, zuletzt geprüft am 05.10.2021.
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  13. ↑ 13,0 13,1 Kunststoff Magazin (2023): Energiebilanz im Vergleich: Glas oder PET?. Online verfügbar unter https://www.kunststoff-magazin.de/thermoplaste/energie--logistikaufwand--rohstoffe-energiebilanz-im-vergleich--glas-oder-pet-.htm. zuletzt geprüft am 06.11.2023
  14. ↑ 14,0 14,1 14,2 14,3 Bundesverband für Glasindustrie e.V. (2020): Jahresbericht 2022. Online verfügbar unter: https://www.bvglas.de/presse/publikationen/, zuletzt geprüft am 05.10.2021
  15. ↑ 15,0 15,1 Umweltbundesamt: Ökobilanz für Getränkeverpackungen II Hauptteil, UBA-Texte 37/00, Berlin 2000 (https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/1882.pdf)
  16. ↑ 16,0 16,1 https://circujar.com/content/Einweg_vs_Mehrweg_Circujar.pdf, zuletzt geprüft am 10.11.2023
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  24. ↑ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU), www.bmu.de. Verpackungen gesamt: Verbrauch, Verwertung, Quoten 1991 bis 2018 (in Kilotonnen). Online verfügbar unter <https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Abfallwirtschaft/datentabelle_verbrauch_verwertung_quoten_bf.pdf>, zuletzt geprüft am 05.10.2021.
  25. ↑ Close the glass loop (2023): EU’s glass value chain confirms glass collection rate steady progress at 80.1%!. online verfügbar unter: https://closetheglassloop.eu/eus-glass-value-chain-confirms-glass-collection-rate-steady-progress-at-80-1/ zuletzt abgerufen am 06.11.2023
  26. ↑ EU-Recycling: Bedrohlicher Preisdruck für Scherbenaufbereiter. Online verfügbar unter: <https://eu-recycling.com/Archive/15635>, zuletzt geprüft am 05.10.2021.
  27. ↑ FAU (2022): Glas und die Energiewende: nachhaltige Produktion durch Strom? Online verfügbar unter: https://www.fau.de/2022/05/news/wissenschaft/glas-und-die-energiewende-nachhaltige-produktion-durch-strom/ zuletzt geprüft am 06.11.2023
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