Im Auftrag der Fraunhofer-Gesellschaft erforschen sechs Fraunhofer-Institute am Beispiel Kunststoff, wie sich eine gesamte Wertschöpfungskette unter Prinzipien der Kreislaufwirtschaft transformieren lässt. Dafür arbeiten sie im Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE zusammen. Die Fachleute betrachten auch die ökonomischen und sozialen Wirkungen einer zirkulären Kunststoffwirtschaft in den nächsten Jahrzehnten. Aktuell gibt der CCPE in einem Positionspapier einen Überblick über den Stand von Wissenschaft und Technik bei Recyclingtechnologien für Kunststoffe. Den Schwerpunkt haben die Forscher auf chemische Recyclingverfahren gelegt.
Recycling auf der Basis von chemischen Aufbereitungstechnologien
Die Partner um Cluster stellen werk- und rohstoffliche (chemische) Aufbereitungstechnologien für Kunststoffe vor, die sich derzeit in der Entwicklung befinden und noch nicht zum Stand der Technik zählen. Insbesondere ordnen die Autoren so genannte chemische Recyclingverfahren ein. Dabei geht es um den technischen Entwicklungsstand der Verfahren, die jeweiligen Vor- und Nachteile, die regulatorischen und gesetzlichen Rahmenbedingungen, die ökonomische Machbarkeit sowie Potenziale für den Umwelt- und Klimaschutz.
Eine Marktübersicht zeigt darüber hinaus, welche Projekte seitens der Industrie im Bereich chemischer Recyclingverfahren derzeit laufen, welche Abfallstoffe behandelt werden und welche Anlagenkapazität vorhanden oder auch geplant ist.
Kunststoffrezyklate sind gefragt
Prof. Matthias Franke, Leiter des Institutsteils Sulzbach-Rosenberg von Fraunhofer Umsicht, entwickelt vor allem pyrolysebasierte Recyclingtechnologien. Er fasst die Ergebnisse zusammen: „Die Nachfrage nach hochwertigen Kunststoffrezyklaten nimmt derzeit zu.“ Hintergrund seien einerseits die Selbstverpflichtungen der Hersteller, andererseits die Vorgaben der Europäischen Union zum Rezyklateinsatz.
Mit Rezyklateinsatzquoten und steigenden CO2-Preisen werde die Wettbewerbsfähigkeit von Rezyklaten gegenüber Primärware gestärkt, und die Abhängigkeit vom Rohölpreis aufgehoben. Dies schaffe Investitionssicherheit für das Recycling. „Neuartige Recyclingtechnologien sind nach unserer Einschätzung technisch in der Lage, die zusätzliche Nachfrage nach hochqualitativen Rezyklaten zu bedienen“, so Franke. Entwicklungsbedarf gebe es vor allem bei komplexen Abfällen wie zum Beispiel Verbundmaterialien. Auch eine ökologische Gesamtbewertung der Verfahren stehe noch aus.
Ausgehend vom derzeitigen Entwicklungsstand schätzen die Fraunhofer-Forschenden die Potenziale von alternativen Recyclingtechnologien insgesamt positiv ein, wenn man sie als Ergänzung zu etablierten werkstofflichen Verfahren einsetzt. Sie seien technisch machbar und beherrschbar, heißt es. Sie könnten dazu beitragen, die Kreislaufführung von Kunststoffen zu verbessern und hochqualitative Sekundärrohstoffe für die Industrie bereitzustellen. Vor allem die rohstofflichen/chemischen Verfahren könnten ein ergänzender Baustein für höherwertiges Kunststoff-Recycling sein, besonders bei bisher schwer behandelbaren Abfallströmen.
Sechs Positionen zum Stand des Kunststoffrecyclings
Die Positionen des Fraunhofer CCPE lauten im Einzelnen:
- Werkstoffliche Verfahren sind für sortenreine Kunststoff-Fraktionen (Thermoplaste) die beste Wahl.
- Mit zunehmender Heterogenität, Verschmutzung oder Kontamination von Kunststoffabfällen kommt das werkstoffliche Recycling an seine Grenzen. Füll-, Stör- und Schadstoffe lassen sich in Sortier-, Wasch- und Extrusionsanlagen oft nicht vollständig ausschleusen. Bestimmte Kunststoffsorten sind werkstofflich kaum verwertbar.
- Um die Kreislaufführung von Kunststoffen zu steigern, müssen alternative Prozesse und Prozess-Kombinationen die werkstofflichen Verfahren ergänzen.
- Chemische Recyclingverfahren sind in der Lage, Sekundärrohstoffe für die Kunststoffproduktion bereitzustellen. Daher sollte eine technologieoffene Recyclingquote die werkstoffliche Verwertungsquote im Bereich der Verpackungskunststoffe ersetzen. Dies würde technische Innovationen im mengenmäßig dominanten Recycling von Verpackungen fördern.
- Eine gesamtökologische Betrachtung von Recyclingverfahren oder Verfahrenskombinationen für spezifische Altkunststoffe muss noch erbracht werden.
- Eine teilweise Substitution von erdölbasierten Basischemikalien durch chemische Rezyklate zum Beispiel auf Basis von Kunststoffabfällen erscheint technologisch möglich.
Industrie zeigt Interesse an neuen Recyclingverfahren
Zum gegenwärtigen Stand der industriellen Anwendung ergänzt Dr. Alexander Hofmann, Leiter des Research Department Advanced Recycling bei Fraunhofer CCPE: „Die Industrie zeigt mehr und mehr Interesse an neuen Recyclingverfahren. Dies belegt unsere Marktanalyse.“ Allerdings gebe es bisher nur wenige große kommerzielle Projekte. Es fehlten daher Erfahrungswerte zum Langzeitbetrieb von Anlagen, belastbare Daten zu Massen- und Energiebilanzen und zur Wirtschaftlichkeit.
Projekte der Industrie zum chemischen Recycling seien bisher auch auf relativ reine Abfallstoffe ausgelegt. Gemischte Kunststoffabfälle oder Verbundwerkstoffe sind als Einsatzmaterialien bisher seltener im Blick, obwohl auch hier ein beträchtliches Rohstoffpotenzial vorliegt. Hier gebe es noch technischen Entwicklungsbedarf, bis sich aus diesen Stoffströmen hochwertige Rezyklate im großtechnischen Maßstab erzeugen lassen.
Sechs Trends für die Forschung zum Recycling von Kunststoffen
Im Positionspapier stellen die Fachleute vom Fraunhofer CCPE auch eine Forschungsagenda vor. Sie umfasst sechs Aspekte:
1. Analyse von kunststoffhaltigen Abfällen verbessern
Mehr Daten zur Zusammensetzung von Kunststoffabfällen sind erforderlich. Schnellere, genauere und automatisierte Sensorik und Analytik sollten vorangetrieben werden, ebenso die Digitalisierung der abfallwirtschaftlichen Wertschöpfungsketten.
2. Transparenz über ökonomische und ökologische Auswirkungen durch Langzeitbetrieb herstellen
Erst wenn die Anlagen für neue Recyclingverfahren im Langzeitbetrieb gelaufen sind, gibt es belastbare Daten, um die Verfahren zu bewerten. Fördermittel sollten den Bau und Betrieb von Demonstratoren unterstützen.
3. Dynamische Bewertungsmodelle für die Abfallbehandlung entwickeln
Wenn Primärdaten vorliegen, lässt sich bewerten, welche Recyclingtechnologie für welche Abfälle unter welchen Rahmenbedingungen am besten geeignet ist. Zu betrachten sind dabei Stoffstromgrößen, Heterogenität der Abfälle, Kontaminationen, Wirtschaftlichkeit, Ökobilanz und weitere Faktoren. Entsprechende dynamische Bewertungsmodelle gilt es zu entwickeln.
4. Recyclingtechnologien koppeln
Eine Recyclingtechnologie allein kann nicht den gesamten Kunststoffabfall nachhaltig im Kreis führen. Auf Grundlage von Daten und Bewertungsmodellen ist es daher sinnvoll, mehrere Recyclingtechnologien zu integrierten Systemen zu koppeln.
5. Automatisierte, KI-basierte gestufte Recyclingverfahren erforschen
Teilautonome, KI-basierte Systeme und entsprechender Bewertungsmodelle können helfen, die Art der Vorbehandlung von Abfällen zu steuern und zu entscheiden, welche Abfallstoffe über welche Recyclingverfahren verwertet werden. So ist die bestmögliche Energie- und Rohstoffeffizienz erreichbar.
6. Rezyklate und Zwischenprodukte aus den Recyclingprozessen optimieren
Sowohl im werkstofflichen als auch im chemischen Recycling sind Forschung und Entwicklung nötig, um die Qualitäten und Ausbeuten der Recyclingprodukte zu verbessern.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Hartmut Pflaum
Leiter der Geschäftsstelle des Clusters (CCPE)
E-Mail:info@ccpe.fraunhofer.de
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