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Spritzgießmaschinen: ihr CO2-Fußabdruck beim Nutzen

Elektrische Spritzgießmaschinen wie die Arburg-Baureihe Golden Electric erzeugen im Vergleich zu hydraulisch angetriebenen abhängig von Ausrüstung und Materialdurchsatz einen bis zu rund 50 % geringeren CO2-Fußabdruck. Foto: Arburg

Welchen CO2-Fußabdruck hinterlässt eine Spritzgießmaschine im Laufe ihres Lebenszyklus während der Nutzung? Dies hat Arburg genauer untersucht.

Über den gesamten Produkt-Lebenszyklus (Cradle to Grave) einer Spritzgießmaschine hinweg entsteht 95 % ihres CO2-Fußabdrucks während der Nutzungsphase beim Kunden; der Rest entfällt auf deren Herstellung. Wie viele Emissionen eine Maschine im täglichen Betrieb tatsächlich erzeugt, hängt von zahlreichen Faktoren ab.

Bereits bei der Auswahl des Kunststoffs, dem Produktdesign und der Konstruktion des Spritzgießwerkzeugs werden wichtige Weichen gestellt. Eine wichtige anwendungsbezogene Kenngröße ist hier der spezifische Energiebedarf [kWh pro kg], der sich aus Leistungs­aufnahme pro Materialdurchsatz ergibt. Als Faustregel gilt: Je kürzer die Zykluszeit und höher das Schussgewicht, desto kleiner ist der spezifische Energiebedarf und besser das CO2-Äquivalent.

Die Maschinen-Ausrüstung ist entscheidend

Ein entscheidender Aspekt für den spezifischen Energiebedarf ist, ob die Spritzgießmaschine elektrisch, hybrid oder hydraulisch angetrieben wird. Weiterhin spielt eine Rolle, ob Ein- oder Zwei-Kreis-Pumpentechnik bzw. Hydraulikspeicher zum Einsatz kommen und Optionen wie servoelektrisches Dosieren oder Auswerfen zur Ausstattung zählen.

Positiv auf die CO2-Bilanz während der Nutzung wirken sich Features aus, die gleichzeitige, dynamische und schnelle Bewegungen und somit kurze Zykluszeiten ermöglichen. Das gleiche gilt für den Schnecken­durchmesser und die installierte Leistung – je größer das Schussgewicht und je kleiner die Leistungsaufnahme, desto besser. Zusammengefasst gesagt: Eine punktgenau auf die Anforderungen und Prozesse angepasste Maschinen­ausrüstung kann den Energiebedarf entscheidend verbessern. Bei dieser Aufgabe unterstützt Arburg seine Kunden mit großem Know-how in Anwendungs- und Verfahrenstechnik und nutzt die Vorteile modularer Maschinentechnik.

Messung des Energiebedarfs nach Euromap 60.2

Die Empfehlung Euromap 60.2 bildet die Grundlage für die Ermittlung des Energiebedarfs von Spritzgießmaschinen in einem kundenspezifischen Prozess. Um einen objektiven Vergleich verschiedener Maschinenkonzepte zu ermöglichen, wird bei mittlerer Leistungsaufnahme unter einheitlichen Vorgaben über einen festgelegten Bilanzraum gemessen und dokumentiert. Die Werte hängen dabei sowohl von der Maschinentechnik als auch von Auslastung und Art der Anwendung ab. So ist der spezifsche Energiebedarf zum Beispiel bei der Fertigung technischer Spritzteile in kleineren Stückzahlen per se deutlich größer als etwa bei der Fertigung schnelllaufender Verpackungsartikel.

Der spezifische Energiebedarf einer Spritzgießmaschine in der Betriebsphase hängt ab von der Ausstattung, Art der Anwendung und Materialdurchsatz. Generell gilt: Je besser die Maschine ausgelastet ist, desto günstiger ist ihre CO2-Bilanz. Grafik: Arburg

Die Messergebnisse zeigen: Elektrische Maschinen zeichnen sich gegenüber hydraulischen Standartmaschinen durch einen rund 50 % geringeren Energiebedarf aus. Die Unterschiede sind je signifikanter, desto kleiner der Materialdurchsatz ist. Aber auch energieoptimierte hydraulische Maschinen können den CO2-Fußabdruck deutlich reduzieren.

Praxisbeispiel für die Messung des CO2-Fußabdrucks

Im Rahmen einer Praxisanwendung hat Arburg beispielhaft verschiedene Szenarien untersucht: Zum Einsatz kamen hydraulische und elektrische Allrounder der Baureihen S und Alldrive in den drei Baugrößen 370, 570 und 820 mit Schließkräften von 600, 2.000 und 4.000 kN. Dabei wurde zwischen hydraulischer Antriebstechnik mit Zwei-Kreis-Pumpentechnik (T2) und elektrischer Antriebstechnik in der Leistungsvariante Comfort unterschieden.

Produziert wurde zum einen ein technischer Artikel aus PA66 (GF30) in einer Zykluszeit von 30 s bei 50 % Plastifizier-Auslastung und zum anderen ein Verpackungsartikel aus PP in 5 s Zykluszeit bei 100 % Plastifizier-Auslastung. Die CO2-Emissionen wurden dabei auf Basis des deutschen Strommixes berechnet.

Arburg hat bei Messungen nach Euromap 60.2 beispielhaft die CO2-Emissionen von Allroundern in drei Baugrößen und zwei Antriebsarten untersucht. Gefertigt wurde je ein technisches Teil und ein Verpackungsartikel. Grafik: Arburg

Der elektrische Allrounder 820 A mit einem Durchsatz von 115,2 kg/h verursachte beim Spritzgießen des Verpackungsartikels Emissionen von 1,07 kg CO2 pro kg Kunststoff-Material. Rund doppelt so viel (2,13) emittierte die elektrische Maschine in der Baugröße 370 beim Spritzgießen des technischen Artikels bei 4,2 kg/h Durchsatz. Dieser Wert betrug beim hydraulischen Allrounder 370 S sogar 4,43.

Soweit die exemplarische Betrachtung. Je nach Anwendungsfall kann es zu Abweichungen davon kommen. Die tatsächlich aufgenommene Leistung hängt im Einzelfall von Einschaltdauer, Auslastung und Wirkungsgrad der zugeschalteten Verbraucher ab. Diese Faktoren werden wiederum vom Spritzgießprozess beeinflusst. Generell lässt sich jedoch die Aussage treffen, dass der Energiebedarf bei beiden Antriebsarten mit steigendem Materialdurchsatz sinkt. Eine elektrische Maschine erzeugt in jedem Fall rund 50 % weniger CO2-Emissionen. Dieses Ergebnis zeigt sich auch, wenn die CO2-Emissionen durchgängig über den Materialdurchsatz ermittelt werden.

CO2-Emissionen der Peripheriegeräte können hoch sein

Nicht eingeflossen in diese Betrachtung sind die CO2-Emissionen zur Herstellung des Kunststoff-Granulats und sonstige Verbraucher wie zum Beispiel Peripheriegeräte zur Temperierung der Werkzeuge oder Hallenklimatisierung (Abwärme und Kühlung). Gerade bei technischen Artikeln nehmen der Energiebedarf und damit die CO2-Emissionen der Peripheriegeräte stark zu und anteilig sogar den der Spritzgießmaschine übersteigen. Eine weitere interessante Kenngröße ist der CO2-Fußabdruck umgerechnet auf ein einzelnes Spritzgießteil.

Für Spritzgießmaschinen lässt sich somit eine aussagekräftige CO2-Bilanz „Cradle to Gate“ ermitteln. Während der Herstellungsphase haben die Rohstoffe einen rund zehnfach größeren Einfluss auf den Product Carbon Footprint als der Strom­verbrauch. Lokale Lieferketten, eine hohe Eigenfertigungstiefe und der Einsatz regenerativer Energien können die Bilanz positiv beeinflussen. Mehr dazu lesen Sie hier.

Der PCF während der Nutzungsphase hängt von vielen Faktoren ab. Hier ist eine spezifische Fallbetrachtung erforderlich. In der Regel sinkt der spezifische Energiebedarf einer Spritzgieß­maschine mit ihrer Auslastung. Zudem erzeugen elektrische Maschinen im Vergleich zu hydraulisch angetriebenen abhängig von Ausrüstung und Materialdurchsatz bis zu rund 50 % weniger CO2-Emissionen.

Ziel ist eine ganzheitliche Ökobilanz für Spritzgießmaschinen

Das Ziel für die Zukunft ist, eine wissenschaftlich fundierte, ganzheitliche Ökobilanz für Spritzgießmaschinen ermitteln zu können. Dazu ist ein weit größerer Aufwand erforderlich. Genau damit beschäftigt sich das Institut für Kunststoff- und Kreislauftechnik (IKK) an der Leibniz Universität in Hannover unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres, unter anderem in Kooperation mit Arburg.

Bertram Stern, Sustainability Manager, Arburg