Adlerblick auf den Kunststoffsektor
Für manche Kunststoffe lohnt es sich eher, katalytische Recyclingverfahren zu entwickeln, als für andere. Im WSS-Forschungszentrum catalaix identifiziert der Arbeitsbereich «Systembewertung» unter der Leitung von Grit Walther mögliche Anwendungsfelder.
Die Welt des Plastiks ist vielfältig – und ziemlich unübersichtlich. Es existieren Hunderte Kunststoff-Typen für Tausende von Anwendungen, die in Millionen von Produkten stecken. Entsprechend schwierig sind auch die Wege zu verfolgen, auf denen Kunststoffe nach dem Ende ihrer Lebensdauer entsorgt oder rezykliert werden. Diese Abfall- und Recycling-Ströme zu analysieren und zu modellieren ist die Aufgabe des Arbeitsbereichs «Systembewertung» im WSS-Forschungszentrum catalaix.
Geleitet wird der Bereich von Grit Walther, Leiterin des Lehrstuhls für Operations Management an der RWTH Aachen und Mitglied des fünfköpfigen catalaix-Kernteams. «Wir sind im Endeffekt so etwas wie ein Frühwarn- oder Transparenzsystem innerhalb des Forschungszentrums», sagt sie. «Unsere Aufgabe ist es, eine Gesamtsicht über die Herausforderungen im Kunststoffsektor entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu erarbeiten – und den chemisch-naturwissenschaftlich arbeitenden Kolleginnen und Kollegen zur Verfügung zu stellen.» Nur mit diesem Wissen lässt sich entscheiden, welche Technologien vielversprechend sind und welche Forschungsrichtungen wirtschaftliche Chancen haben.
In einem ersten Schritt verschaffen sich die Forschenden einen Überblick über das aktuelle Kunststoffrecycling-System. Sie haben dazu beispielsweise Materialfluss-Analysen im Bundesland Nordrhein-Westfalen durchgeführt. Anhand statistischer Daten aus dem Industrie-, dem Automobil-, dem Bau- oder dem Verpackungssektor untersuchten sie, wie viele Kunststoffe in diese Verarbeitungszweige fliessen – und wie viele davon an ihrem Lebensende verbrannt oder rezykliert werden. «Wir sehen, dass momentan noch sehr wenige Kunststoffe im Kreislauf geführt werden», fasst Grit Walther zusammen.
Modelle und Bewertungen
Bereits solche Materialfluss-Analysen sind äusserst komplex, zumal Kunststoffe global gehandelt werden. Doch sie reichen nicht. Darauf aufbauend führt das Team Technologie- und Nachhaltigkeitsbewertungen durch. Welche Recycling-Techniken sind für welche Kunststoffe erfolgversprechend? Wie kann die Wertschöpfungskette für einen neu entwickelten Katalyseprozess aussehen? Wie viel Energie und Ressourcen sind notwendig, um ihn industriell einzusetzen? Sind neue Vorgaben der Politik zu erwarten? Das sind Fragen, welche die Chemikerinnen und Chemiker im Forschungszentrum interessieren.
Solche Bewertungen seien enorm anspruchsvoll, sagt Grit Walther. «Wir müssen uns dafür auf verschiedenen Ebenen bewegen – von global bis molekular.» So spielt der weltweite Rohölpreis eine entscheidende Rolle für die wirtschaftliche Attraktivität von Kunststoffrecycling. Gleichzeitig hängt die Machbarkeit eines geplanten Katalyseprozesses nicht nur vom Kunststofftyp ab, sondern auch von der Qualität des Abfallstroms – ob das Ausgangsmaterial beispielsweise stark verunreinigt ist oder ob es störende Zusatzstoffe enthält.
Eine konkrete Modellierung hat Grit Walthers Team am Beispiel von Expandiertem Polystyrol (EPS) durchgeführt. Dieser Schaumstoff, bekannt unter dem Markennamen «Styropor», ist ein guter Isolator. EPS wurde Mitte des letzten Jahrhunderts entwickelt und wird in vielen Wohnhäusern zur Dämmung von Böden, Dächern, Wänden und Fassaden eingesetzt. «Es hat eine entsprechend lange Lebensdauer», sagt Grit Walther. «Deshalb werden wir erst jetzt, wegen der Sanierung oder dem Abriss von Häusern, mit der Entsorgung dieses Materials konfrontiert.»
Ein komplexer Materialstrom
Heute wird altes EPS aus Wärmedämmverbundsystemen in der Regel verbrannt. «Die Kapazitäten deutscher Müllverbrennungsanlagen für dieses Material sind aber begrenzt; es hat einen derart hohen Heizwert, dass die Anlagen grössere Mengen nicht zeitgerecht verarbeiten können», sagt Walther. Engpässe sind deshalb programmiert. Eine Studie, die von Walthers Doktorandin Julia Schleier geleitet wurde, kommt zum Schluss, dass im Jahr 2040 deutschlandweit ungefähr 300’000 Tonnen EPS-Altmaterial aus Wärmedämmverbundsystemen anfallen könnten – rund zehn Mal mehr als 2020. Ein klarer Fall also für eine Kreislauflösung? So einfach ist es nicht: Denn EPS aus Wärmedämmverbundsystemen ist ein «komplexer Stoffstrom», wie Grit Walther es ausdrückt. Ältere Dämmplatten enthalten – heute verbotene – bromierte Flammschutzmittel, die entfernt werden müssen. Auch sonst sind es keine reinen Stoffe: Beim Abschälen von der Fassade bleibt beispielsweise Putz am EPS kleben, was auch ein mechanisches Recycling dieses Stoffstroms erschwert.
Zudem ist der Schaumstoff sehr leicht, hat grosse Volumina und fällt unregelmässig verteilt auf Baustellen in ganz Deutschland an. «Das ist logistisch herausfordernd, man will nicht viel Luft und wenig Gewicht auf Lastkraftwagen Hunderte Kilometer weit herumtransportieren», sagt Grit Walther. Deshalb, und um die nötige Reinheit des Inputstroms zu gewährleisten, braucht es eine Vorbehandlung, bevor die Dämmplatten zu einer Recyclinganlage gebracht werden: Putzreste müssen entfernt, das EPS aufgereinigt und zusammengepresst werden.
Zwei Verfahren verglichen
Walther und Schleier modellierten nun, wie ein funktionierendes Recycling-Netzwerk mitsamt Vorbehandlungsanlagen aufgebaut sein müsste. Dabei zogen sie zwei neue Verfahren in Betracht, die in Pilotanlagen und technischen Untersuchungen ein Potenzial für die Verwertung von EPS zeigen. Das erste ist eine Pyrolyse, bei der EPS unter Sauerstoffausschluss erhitzt wird, um es in seine Bestandteile zu zerlegen. Das zweite ist ein Verfahren, bei dem der Kunststoff mithilfe von Lösungsmitteln aufgelöst und anschliessend gereinigt wird.
Die derzeit in der Industrie diskutierten Pyrolyseverfahren liefern nur eine vergleichsweise geringe Materialausbeute. Beim lösungsmittelbasierten Recycling kann ein deutlich höherer Anteil zurückgewonnen werden. Zudem lassen sich auch Bestandteile der bromhaltigen Flammschutzmittel entfernen.
Allerdings ist die Pyrolyse das weniger spezifische Verfahren, man könnte solche Anlagen vielleicht auch für andere Stoffströme verwenden. Das macht den Aufbau eines Pyrolyse-basierten Netzwerks günstiger. Tatsächlich fanden die Forschenden, dass sich die Investition in lösungsmittelbasierte Verfahren nur dann lohnt, wenn in Zukunft mehr als 50 Prozent des anfallenden EPS aus Verbund-Wärmedämmsystemen diesem Recycling zugeführt werden.
Die Forschenden erstellten ein Standortmodell für ein deutschlandweites Recycling-Netzwerk, das aus Systemsicht in der Lage wäre, mit den erwarteten EPS-Stoffströmen aus Wärmedämmverbundsystemen der Zukunft umzugehen. Für die Abschätzung des Behandlungsbedarfs berücksichtigten sie beispielsweise das Alter und die voraussichtliche Lebensdauer von Gebäuden in bestimmten Regionen. Auch die Kosten für unterschiedliche Transportstrecken flossen in die Analyse ein. So entstand ein Modell, das bis zum Jahr 2040 ein Netzwerk von Recyclinganlagen an mehreren Standorten sowie zahlreiche Vorbereitungsanlagen vorsieht. Den dafür nötigen Investitionsbedarf schätzen die Forschenden als hoch ein – ohne politische Anreize sei das Recycling wirtschaftlich schwierig.
Je weiter ein Modell in die Zukunft reicht, desto grösser die Unwägbarkeiten. Deshalb haben die Forschenden in einem nächsten Schritt auch analysiert, wo die grössten Unsicherheiten im System liegen. Einige, so das Resultat, liegen in der Politik: Wird das Recycling von EPS aus Wärmedämmverbundsystemen obligatorisch? Gibt es neue Dämmvorschriften für Gebäude? Wird die Pyrolyse als materielles Recycling anerkannt? Die Antworten auf solche Fragen sind entscheidend dafür, ob und wie ein Recycling-Netzwerk funktionsfähig und rentabel wird.
Die besten Anwendungsfelder suchen
Unsicher sind aber auch die Märkte – und die Technologie-Entwicklung. In Letzterer liegen aber auch Chancen, bei denen die interdisziplinäre Zusammenarbeit im WSS-Forschungszentrum catalaix ins Spiel kommt: Denn vielleicht gibt es noch ganz andere, effizientere Recycling-Ideen für Dämmmaterialien wie EPS? Methoden, die ein Recycling-Netzwerk plötzlich wirtschaftlich machen?
Genau solche Ideen würden im catalaix-Verbund momentan intensiv diskutiert, sagt Grit Walther. «Ob wir am Ende zum Schluss kommen, dass gerade die Suche nach einer katalytischen Lösung für EPS besonders aussichtsreich ist, muss sich erst zeigen. Wir suchen gemeinsam in der ganzen Breite Anwendungsfelder, in denen das Team der Systemebene Materialien identifiziert hat, die bisher unbehandelt sind, aber von denen in Zukunft grosse Massen anfallen werden.»
Man könnte es so sagen: Grit Walther und ihre Kolleginnen und Kollegen des Systembewertungs-Bereichs halten den Kompass in der Hand, dank dem sich die Chemikerinnen und Chemiker im Dschungel all der verschiedenen Kunststoffe orientieren können.
