Uhl�kov� stopa vstrekovac�ch strojov - Arburg dok�e vypo��ta� uhl�kov� stopu svojich produktov

Na základ� normy ISO TS 14067:2018, která definuje emise skleníkových plyn� produktu neboli uhlíkovou stopu produktu (Product Carbon Footprint, PCF), studuje spole�nost Arburg mo�nosti výpo�tu PCF a specifických energetických nárok� svých vst�ikovacích stroj�.

Zelená dohoda Evropské unie se výrazn� zasazuje o sni�ování uhlíkové stopy firem a jejich produkt�. Aby byly firmy schopny splnit p�ísné právní po�adavky a dosáhnout do roku 2050 klimaticky neutrální výroby, budou muset do budoucna podstatn� zvýšit svoji energetickou ú�innost a efektivitu vyu�ití zdroj�. Udr�itelnost je proto v sou�asné dob� pro celou �adu evropských zpracovatel� plast� d�le�itou strategickou otázkou.

Zakotveno v zákon�: uhlíková neutralita N�mecka do roku 2045

N�mecký zákon o ochran� klimatu jde ješt� dál a po�aduje 65% sní�ení emisí CO₂ do roku 2030 a uhlíkovou neutralitu do roku 2045. Mezinárodn� uznávaný standard pro stanovení emisí CO₂ – Protokol o skleníkových plynech – zohled�uje jiné oblasti (t�ídy) emisí. Vst�ikovací stroje jsou za�ízení spadající do t�ídy 3, do ní� pat�í i nep�ímé emise z proces� probíhajících p�ed a po samotné výrob�. Jako výrobce stroj� se spole�nost Arburg v�nuje aktivn� a komplexn� výpo�t�m emisí CO₂ tak, aby získala spolehlivé a srovnatelné ukazatele a dodr�ela tak ambiciózní klimatické cíle. Sv�d�í o tom i její nadpr�m�rné skóre „B“, které obdr�ela v rámci projektu CDP (Carbon Disclosure Project).

PCF – uhlíková stopa produktu

Na rozdíl od uhlíkové stopy podniku (Corporate Carbon Footprint – CCF), která se ka�doro�n� vypo�ítává pro spole�nost jako celek, uhlíková stopa produktu (PCF) zahrnuje mno�ství skleníkových plyn� vypušt�ných a uvoln�ných za celou dobu �ivotnosti daného produktu. Vyjád�íme-li hodnotu PCF jako ekvivalent emisí CO₂, m��eme ji vyu�ít jako d�le�itý ukazatel p�i posuzování �ivotního cyklu. Postupy pro kvantifikaci a vykazování stanovuje mezinárodní norma ISO TS 14067:2018.

První d�le�itou otázkou z hlediska vst�ikovacích stroj� je uhlíková stopa v okam�iku, kdy je vyrobený stroj dodán do výrobního podniku. Spole�nost Arburg vymezuje ve svojí „cradle to gate“ analýze tuto fázi jako proces od t�by surovin p�es fázi výroby a� po fázi, kdy výrobek opouští bránu továrny. Na tuto fázi ale spadá pouze asi p�t procent emisí CO₂. Vezmeme-li v úvahu celý �ivotní cyklus produktu („cradle to grave“), je v�tšina PCF vygenerována b�hem provozu u zákazníka; dále musíme zahrnout i emise vzniklé b�hem distribuce a likvidace.

Spole�nost Arburg eviduje emise CO₂ a� do okam�iku dokon�ení vst�ikovacího stroje ve �ty�ech procesních krocích: lakování nebo nát�r, mechanické obráb�ní a zpracování, elektrická výroba a montá�. Pou�ité suroviny a p�íslušnou spot�ebu elektrické energie je mo�né zahrnout do této provozní fáze i do dalších fází �ivotního cyklu produktu (obr. 1).

Obr. 1: Ve svojí analýze „cradle to gate“ zohled�uje spole�nost Arburg emise CO2 svých vst�ikovacích stroj� Allrounder od pou�itých surovin p�es výrobní proces a� do okam�iku dodání.

Emise CO₂ související se surovinami

Seznam díl� vst�ikovacího stroje (do posledního šroubu) m��e obnášet a� 11 000 jednotlivých polo�ek. Spole�nost Arburg proto pro lepší p�ehled klasifikuje suroviny do osmi materiálových skupin. Stroj Allrounder se tedy skládá z více ne� 55 % z litiny potahované plastem a z dalších zhruba 35 % z oceli a plechu (�árov� zpracovaného, lakovaného, pota�eného plastem nebo neupraveného). Na plastové díly, pohonné jednotky a elektronické sou�ásti p�ipadá pouze asi sedm procent celkové hmotnosti. Materiálové skupiny se z hlediska emisí CO₂ vznikajících p�i jejich výrob� podstatn� liší. Na základ� rozlo�ení materiál� je ale mo�né ur�it vá�enou st�ední hodnotu. Tento tzv. emisní koeficient u jednoho stroje Allrounder je zhruba roven 1,83 [kg ekvivalentu CO₂ na kg produktu]. Ekvivalent CO₂ pro celý vst�ikovací stroj tedy odpovídá emisnímu koeficientu vynásobenému hmotností produktu uvedenou v katalogovém listu (obr. 2).

Obr. 2: Emise CO2 u stroje Allrounder p�ipadající na suroviny vypo�teme tak, �e jednoduše vynásobíme jeho �istou hmotnost emisním koeficientem 1,83, který na základ� norem stanovila spole�nost Arburg.

Hybridní stroj Allrounder 570 H s uzavírací silou 2000 kN a �istou hmotností 8300 kg tedy p�i výrob� vygeneruje surovinové emise v objemu 15190 kg CO₂. U stroje Allrounder 370 s hmotností 3300 kg s uzavírací silou 600 kN se jedná o ekvivalent CO₂ ve výši cca 6040 kg.

Emise CO₂ z výroby související s elektrickou energií

K PCF p�ispívá ve fázi výroby i spot�ebovaná elektrická energie. Oproti roku 2020 byla jako základ pro standardizovaný výpo�et pou�ita spot�eba elekt�iny ve výši 878,94 kWh na 1000 kg produktu a emisní koeficient 0,366 [kg ekvivalentu CO₂ na kWh], a to pro n�mecký energetický mix (obr. 3).

Obr. 3: Emise CO2 z výroby vst�ikovacího stroje p�ipadající na elektrickou energii lze vypo�ítat na základ� n�meckého energetického mixu (0,366 pro rok 2020).

Na základ� n�meckého energetického mixu �iní spot�eba elektrické energie pro stroj Allrounder 370 H celkem 2900 kWh, co� odpovídá ekvivalentu CO₂ ve výši cca 1160 kg. U stroje 570 H �iní spot�eba elekt�iny 7295 kWh a emise zhruba 2670 kg CO₂.

Tento p�íklad výpo�tu nicmén� nelze jednoduše pou�ít pro celou spole�nost Arburg, proto�e firma sama vyrábí asi 60 procent díl� pro stroje Allrounder. Spole�nost vyrábí svoje produkty výhradn� ve své centrále v n�meckém Lossburgu. Výroba obnáší vyu�ívání uhlíkov� neutrálních obnovitelných zdroj�, tj. fotovoltaiky a v�trné a geotermální energie a kogeneraci tepla a elekt�iny. Od roku 2016 pochází elekt�ina nakupovaná v daném regionu zcela z ekologických zdroj�. To znamená, �e emisní koeficient pro „energetický mix Arburg“ �iní místo 0,366 pouhých 0,17. (Obr. 4).

Obr. 4: Spole�nost Arburg vyu�ívá ve svém centrálním výrobním závodu v Lossburgu do zna�né míry interní výrobu a udr�itelnou energii. Ekvivalent emisí CO2 pro stroj Allrounder je tedy p�ibli�n� o 53 % ni�ší ne� n�mecký pr�m�r.

Konkrétn� to znamená, �e ekvivalent emisí CO₂ p�ipadajících na elektrickou energii u stroje Allrounder 370 H �iní ve skute�nosti pouze 490 kg namísto 1160 kg, zatímco u modelu Allrounder 570 je to pouze 1240 kg CO₂ namísto 2670 kg. Díky vysoké mí�e vyu�ití interní výroby a udr�itelnému energetickému mixu se tedy ve fázi výroby vst�ikovacího stroje Arburg uvolní asi o 53 % mén� emisí p�ipadajících na elektrickou energii, ne� kolik �iní n�mecký pr�m�r.

Se�teme-li emise p�ipadající na suroviny a elekt�inu, získáme celkový „cradle to gate“ ekvivalent CO₂ ve výši 6 530 kg (Allrounder 370 H) resp. 16 430 kg (Allrounder 570 H) (obr. 5).

Obr. 5: Uhlíková stopa (PCF) stroj� do okam�iku dodání zákazníkovi se vypo�ítává jako sou�et CO2 ekvivalent� p�ipadajících na suroviny a výrobu elekt�iny.

Pro srovnání: V N�mecku generuje ka�dý �lov�k pr�m�rnou uhlíkovou stopu zhruba 12 000 kg ro�n�; hodnota závisí na faktorech, jako je spot�eba, mobilita, bydlení nebo vý�iva. 

Uhlíková stopa dané aplikace v praxi

Zhruba 95 procent hodnoty PCF u vst�ikovacího stroje p�ipadá na vlastní provoz stroje. Skute�ná míra emisí produkovaných v ka�dodenním provozu závisí na mnoha faktorech. D�le�itá rozhodnutí probíhají ji� p�i výb�ru plastu, návrhu produktu a výrob� vst�ikovací formy. D�le�itým parametrem, který souvisí p�ímo s danou aplikací, je m�rná spot�eba energie [kWh na kg], která udává spot�ebu energie na jednotku spot�eby materiálu. Orienta�n� platí, �e �ím kratší doba cyklu a �ím vyšší hmotnost dávky, tím menší je m�rná spot�eba energie a tedy i p�ízniv�jší ekvivalent CO₂.

Zásadní faktor u stroj�

Zásadním faktorem p�i ur�ování m�rné spot�eby energie je fakt, zda má stroj elektrický, hybridní nebo hydraulický pohon. Roli hraje i to, zda je pou�ita jedno�erpadlová nebo dvou�erpadlová technologie �erpadel a zda má stroj dopl�kovou výbavu, jako je servoelektrické dávkování �i vyhazovací systém.

Prvky umo��ující simultánní, dynamické a rychlé pohyby a tedy zkracující dobu cyklu mají p�íznivý vliv na uhlíkovou stopu b�hem provozu stroje. Toté� platí i pro pr�m�r šneku a instalovaný výkon – �ím v�tší hmotnost dávky a �ím menší spot�eba energie, tím lépe. Úhrnem �e�eno – má-li stroj výbavu p�izp�sobenou p�esn� daným po�adavk�m a proces�m, m��e to výrazn� zlepšit jeho energetickou ú�innost. Spole�nost Arburg podporuje svoje zákazníky v t�chto snahách díky hlubokým poznatk�m aplikací a procesní technologie a vyu�ívá výhod modulární technologie stroj�.

M��ení spot�eby energie podle doporu�ení EUROMAP 60.2

Doporu�ení EUROMAP 60.2 p�edstavuje základ pro stanovení energetických po�adavk� vst�ikovacích stroj� p�ímo ve výrobním procesu zákazníka. Aby bylo mo�né objektivn� porovnat r�zné koncepce stroj�, je t�eba provád�t a dokumentovat m��ení p�i pr�m�rné spot�eb� energie p�i jednotných specifikacích v definovaném rozsahu. Hodnoty závisí na technologii stroje i na vytí�ení jeho kapacity a typu aplikace. P�íklad: m�rná spot�eba energie na výrobu technických výlisk� v malých sériích je sama o sob� výrazn� vyšší ne� v p�ípad� výroby rychloobrátkových obal� (obr. 6).

Obr. 6: M�rná spot�eba energie vst�ikovacího stroje ve fázi b�ného provozu závisí na výbav� stroje, na typu aplikace a na spot�eb� materiálu. Obecn� platí, �e �ím lépe je vyu�ita kapacita stroje, tím p�ízniv�jší je jeho uhlíková stopa.

Výsledky m��ení ukazují, �e elektrické stroje spot�ebují zhruba o 50 % mén� energie ne� standardní hydraulické stroje. �ím ni�ší je spot�eba materiálu, tím je tento rozdíl výrazn�jší. Energetickou optimalizací hydraulických stroj� lze ovšem uhlíkovou stopu také výrazn� sní�it.

P�íklad aplikace

Spole�nost Arburg studovala v rámci praktické aplikace r�zné scéná�e: Byly pou�ity hydraulické a elektrické stroje Allrounder �ady S a Alldrive ve t�ech velikostech – 370, 570 a 820 – s uzavírací silou 600, 2000 a 4000 kN. Dále byly rozlišeny stroje s hydraulickým pohonným systémem s dvouokruhovou technologií �erpadel (T2) a s elektrickým systémem ve výkonové variant� „Comfort“.

Byly zhotoveny dva produkty: technický produkt z materiálu PA66 (GF30) vyrobený s dobou cyklu 30 sekund p�i 50% plastifika�ní kapacit� a obalový produkt vyrobený z PP s dobou cyklu p�ti sekund p�i 100% plastifika�ní kapacit� (obr. 7). Emise CO₂ byly vypo�teny na základ� n�meckého energetického mixu.

Obr. 7: Spole�nost Arburg studovala na praktických p�íkladech emise CO2 stroj� Allrounder ve t�ech velikostech a se dv�ma typy pohonu dle doporu�ení EUROMAP 60.2. P�i zkoušce byl vyroben jeden technický produkt a jeden obalový produkt

P�i vst�ikování obalového produktu produkoval elektrický stroj Allrounder 820 A o výkonu 115,2 kg/h emise ve výši 1,07 kg CO₂ na jeden kg plastového materiálu. Elektrický stroj velikosti 370 produkoval p�i vst�ikování technického produktu s výkonem 4,2 kg/h zhruba dvakrát vyšší emise (2,13). U hydraulického stroje Allrounder 370 S �inila tato hodnota 4,43. 

Tolik tedy vzorová studie. Hodnoty se v praxi mohou lišit podle dané aplikace. Skute�ná spot�eba energie v jednotlivých p�ípadech závisí dob� cyklu, vyu�ití kapacity a ú�innosti p�ipojených zát�í. Tyto faktory jsou pak ovliv�ovány vlastním procesem vst�ikování. Obecn� lze ale �íci, �e spot�eba energie u obou typ� pohonu s rostoucí spot�ebou materiálu klesá. Elektrický stroj ka�dopádn� produkuje asi o 50 % ni�ší emise CO₂. Ke stejnému výsledku dojdeme, kdy� emise po�ítáme CO₂ konzistentn� na základ� spot�eby materiálu.

Emise CO₂ vznikající p�i výrob� plastového granulátu a produkované dalšími zát�emi, jako jsou periferní za�ízení pro regulaci teploty forem nebo klimatizace výrobní haly (odpadní teplo a chlazení), nejsou v této analýze zahrnuty. Spot�eba energie a tedy i emise CO₂ periferních za�ízení prudce rostou – a to zejména u technických produkt� – a mohou dokonce p�ekro�it emise vlastního vst�ikovacího stroje. Zajímavým parametrem je také uhlíková stopa vypo�tená pro jeden zhotovený vst�ikovaný díl. 

Záv�r

U vst�ikovacích stroj� je smysluplné ur�ovat uhlíkovou stopu „cradle to gate“. Suroviny mají na uhlíkovou stopu produktu zhruba desetkrát v�tší vliv ne� spot�eba elekt�iny b�hem fáze výroby. Lokální dodavatelské �et�zce, vysoká míra interní výroby a vyu�ívání obnovitelných zdroj� energie m��e mít na uhlíkovou stopu pozitivní dopad.

Hodnota PCF ve fázi provozu závisí na mnoha faktorech. K jejímu ur�ení je nutná speciální p�ípadová studie. Obecn� platí, �e m�rná spot�eba energie vst�ikovacího stroje klesá s rostoucím vyu�itím jeho kapacity. Elektrické stroje navíc generují a� o 50 % mén� emisí CO₂ ne� stroje s hydraulickým pohonem – zále�í na výbav� stroje a spot�eb� materiálu. Cíl do budoucna spo�ívá v tom, aby bylo mo�né vypo�ítat v�decky podlo�ené, holistické posouzení �ivotního cyklu vst�ikovacího stroje. To ovšem bude vy�adovat ješt� spoustu práce. Práv� na tomto tématu spolupracuje se spole�ností Arburg Institut pro plasty a cirkulární ekonomiku (IKK) na Leibnizov� univerzit� v Hannoveru, v jeho� �ele stojí profesor Hans-Josef Endres.