Chemisches Recycling von Kunststoffen

1. Warum ist das Recycling von Kunststoffen so schwer und was könnte chemisches Recycling leisten?

Kunststoffe bestehen aus langen Molekülketten, so genannten Polymeren. Deswegen beginnt der Name von vielen Kunststoffen auch mit „Poly-„ wie etwa Polyethylen oder Polystyrol. Polymere setzen sich zusammen aus Kohlenstoffen und Wasserstoffen und teils auch Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Chlor, Fluor oder Phosphor. Um verschiedene Eigenschaften zu erfüllen wie zum Beispiel Biegsamkeit, Dehnbarkeit oder Feuerbeständigkeit werden dem Kunststoff Zusatzstoffe beigefügt, so genannte Additive.

Diese Additive verhindern oder erschweren oft hochwertiges werkstoffliches Recycling. Etwa durch Farbpigmente, die beim Recyclingprozess das Rezyklat zu einem unschönen Grau verschmelzen und dadurch optisch nicht mehr den Kriterien eines neuen Produktes entsprechen. Zudem enthalten Kunststoffe  giftige Chemikalien, etwa bromierte Flammhemmer in Elektroaltgeräten. Diese Stoffe möchte man z.B. nicht durch Recycling weiter im Kreislauf führen. Schließlich gibt es Additive, die hormonell wirksam oder gar krebserregend sind. Auch diese können sich durch den Recyclingprozess lösen und erschweren damit das Recycling.

Ähnliche Probleme für das mechanische Recycling verursachen etwa dünne, mehrschichtige Folien (wie für Wurst- und Käseverpackungen). Deren unterschiedliche Kunststoffschichten im mechanischen Verfahren können nicht voneinander getrennt werden und werden daher heutzutage verbrannt. Außerdem verkürzen sich die Molekülketten bei jedem Recyclingkreislauf, so dass man Kunststoff nicht beliebig oft mechanisch recyceln kann.

Hier setzt das chemische Recycling an. Es verspricht, entweder Additive von den Kunststoffen oder mehrere Schichten unterschiedlicher Kunststoffe voneinander trennen zu können oder diese wieder in einzelne Moleküle zerlegen zu können. So könnte aus Kunststoffen, die heute verbrannt werden müssen, wieder neuer Kunststoff hergestellt werden. Voraussetzung dafür sind Verfahren, die im industriellen Maßstab genutzt werden können und die nicht zu energieintensiv sind. Diese Herausforderungen sind bis heute nicht erfüllt.

2. Welche Verfahren des chemischen Recyclings gibt es und welche technischen Herausforderungen gehen mit diesen Verfahren einher?

Generell wird zwischen drei verschiedenen Verfahren unterschieden.

Lösemittelbasiertes Verfahren:

Vorbemerkung: Das Verfahren ist streng genommen kein chemisches Recycling, weil die chemische Struktur der Kunststoffe unberührt bleibt. Es operiert unterhalb der für Kunststoffe typischen Schmelztemperaturen und sollte nicht mit der Solvyolyse/chemischen Depolymerisation (siehe unten) verwechselt werden.

Die Kunststoffe werden durch Bäder in Lösemitteln von bestimmten Additiven gereinigt. Dadurch kann Plastik etwa von Farben getrennt werden und man erhält einen „sauberen“ Kunststoff, der ähnliche Qualitäten besitzt wie neuer Kunststoff. Wegen ihrer Zusammensetzung kommen vor allem die Kunststoffe Polyvinylchlorid oder PVC (Kabel und Rohre), Polystyrol oder PS (Dämmstoffe, Verpackungen) und Polyolefine (Verpackungen) für diese Art der Behandlung in Frage.

Wie beim mechanischen Recycling hängt die Qualität der Rezyklate von der Qualität des Inputmaterials ab, das heißt welche Abfälle in den Recyclingprozess gehen. So muss ein hoher Sammel- und Sortieraufwand betrieben werden, um gute Qualitäten zu gewährleisten. Zudem besteht das Risiko, dass Rückstände der Lösemittel am Kunststoff verbleiben. Es ist unklar, wie die restlichen Lösemittel, welche die Additive und andere Verunreinigungen enthalten, behandelt und entsorgt werden und welche Umweltauswirkungen das nach sich zieht. An die Grenzen kommt das Trennverfahren bei besonders vielschichtigen Kunststoffen. Je komplexer der Kunststoff, desto größer der Aufwand von Zeit, Energie und Verfahrenstechnik.

Chemische Depolymerisation/Solvolyse:

Im Gegensatz zum lösemittelbasierten Verfahren werden bei der Solvolyse Kunststoffpolymere durch chemische Vorgänge mit Hilfe hoher Temperaturen (150 bis 400  Grad Celsius) und Reagenzien (Methanol, Glykol, Wasser, u.a.) chemisch in kleinere Teile aufgespalten. Die Kunststoffe werden dadurch gereinigt, ohne dass sie sich komplett zersetzen. Das Verfahren ist unter anderem für PET-Kunststoffe (etwa undurchsichtige Flaschen, die heute nicht werkstofflich recycelt werden können) oder Polyurethane (Schaumstoffe in Möbeln und Matratzen) möglich.

Auch bei der chemischen Depolymerisation gibt es einen hohen Bedarf an vorheriger hochwertiger Sortierung und es werden große Mengen an geeigneten Abfällen benötigt. Zudem können durch das Verfahren nur bestimmte Schichten aus Verbundkunststoffen (wie beispielsweise der Folie auf der Wurstverpackung) getrennt werden, es bleiben Restmischungen übrig. Ähnlich wie beim lösemittelbasierten Verfahren ist bisher unklar, was mit den übriggebliebenen Nebenprodukten geschieht. Aufgrund des hohen wirtschaftlichen Aufwands können die mit dem Verfahren erzielten Ergebnisse kaum mit günstigen neuen Kunststoffen konkurrieren. Ökobilanzen von chemischem PET-Recycling weisen nur unwesentlich bessere Ergebnisse als die Verbrennung auf.

Thermische Depolymerisation:

Darunter gefasst sind rohstoffliche Verwertungsverfahren der thermischen Spaltung, bei der Kunststoffe unter Zuführung sehr hoher Temperaturen und Druck in einzelne Moleküle zersetzt werden. Je nachdem, ob beim Verfahren Sauerstoff zugeführt wird, spricht man von Gasifizierung (Erzeugung von Synthesegasen mit Sauerstoff und hohem Druck bei Temperaturen von circa 1300 bis 1500 Grad Celsius) oder Pyrolyse (Zersetzung von Kohlenwasserstoffen unter Luftabschluss bei Temperaturen von ca. 550 bis 1100 Grad Celsius  zu Pyrolyseölen). In diesen besonders energieaufwändigen Verfahren werden die Polymere in eine Bandbreite verschiedener Endprodukte (u.a. Wachse, Öle, Benzine, Schmierstoffe, Basischemikalien) zersetzt und dabei von Additiven und anderen Verunreinigungen befreit. Die thermische Depolymerisation unterscheidet sich von der Solvolyse vor allem durch wesentlich höhere Temperaturen.

Diese Verfahren eignen sich auch für gemischte Kunststoffströme. Die Endprodukte können je nach Verfahren auch zu Brennstoffen umgewandelt werden („plastic to fuel“). Geeignete Kunststoffarten sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) und PMMA (Plexiglas). Die gewonnenen Endprodukte können wie Rohöl wieder zu neuen Kunststoffen verarbeitet werden, ohne dass es dafür neuer Verarbeitungstechnologien bedarf. Wie bei der Verbrennung von Kunststoffen bleiben aber auch bei der Pyrolyse Flugasche, Koks, Reststoffe und Abwasser übrig.

Bei der Gasifizierungstechnik wird Kunststoff für gewöhnlich in einem Cracking-Prozess zu Schweröl und Gasen aufgebrochen („gecracked“) und dann unter Hinzufügen von Sauerstoff und Dampf bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 1500 Grad Celcius in Gas umgewandelt. Der Output besteht aus einer Mischung aus Hydrogen- und Kohlenstoffmonoxid und kleinerer Mengen Methan und Kohlenstoffdioxid. Die Mischung wird Syngas genannt. Weil jedoch im Syngas viele Verunreinigungen wie Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Stickoxide oder Teere enthalten sind, sind weitere Reinigungsstufen vonnöten, die mitunter die größten Kostentreiber des Verfahrens sind. Besonders problematisch ist, wenn Schadstoffe und Emissionen in die Produkte oder Nebenprodukte gelangen und nicht ausgeschleust werden können.

Eine Gasifizierung bei niedrigeren Temperaturen ist technisch möglich und wird angewandt, das produzierte Syngas ist allerdings nur für Anwendungen im Energiebereich nutzbar. Das heißt, der Kunststoff läuft nicht in einen echten Materialkreislauf, stattdessen wird aus ihm Gas zurückgewonnen, das anschließend verbrannt wird.

3. Was sind die (theoretischen) Vorteile des chemischen Recyclings?

Bestimmte Kunststoffe können aufgrund ihrer Zusammensetzung oder aufgrund schädlicher Additive aktuell nicht mechanisch recycelt werden. Zudem können eigentlich recycelbare Kunststoffe nicht endlos mechanisch recycelt werden. Es bedarf also einer Lösung, die solche zersetzten oder verunreinigten Kunststoffe behandelt, ohne dass es zum Downcycling oder zur Verbrennung kommt. Hier könnte das chemische Recycling einen Ansatz liefern, um zur Schadstoffentfrachtung von Kunststoffen beizutragen und mehr Kunststoffe einem Recycling zuzuführen. Dieses theoretische Potenzial kann allerdings nur genutzt werden, wenn Fragen der Energie-, Umwelt- und Schadstoffbilanz eindeutig beantwortet werden können. Das ist bis dato nicht der Fall (siehe Nachteile des chemischen Recyclings).

4. Was sind die Nachteile des chemischen Recyclings?

Bereits der Begriff des chemischen „Recyclings“ sollte sehr kritisch hinterfragt werden, denn bei der chemischen oder thermischen Depolymerisation handelt es sich um rohstoffliche Verfahren, die unter erheblichem Logistik- und Energieaufwand Kunststoffe wieder in Rohstoffe zurückverwandeln.  Aufgrund der sich anschließenden hohen Kosten ist es unklar, ob diese Rohstoffe dann wieder zu neuen Kunststoffen verarbeitet werden, um den Kreislauf (engl. cycle) zu schließen. Der Begriff „chemische Verwertung“ wäre hier daher angebrachter.

Es gibt noch sehr viele unbeantwortete Fragen zur Umweltwirkung des chemischen Recyclings. Es bestehen kaum Informationen über Energie- und Massebilanzen sowie Emissionen oder über die Herstellung der technischen Hilfsmittel wie den Lösemitteln. Gesundheitsrisiken durch die Emissionen der Anlagen wurden nicht untersucht und die Ökoperformance nur für Pilotphasen aber nicht für den industriellen Maßstab gemessen. Solange diese Fragen nicht beantwortet werden können, sieht der NABU den Einsatz des chemischen Recyclings von Kunststoffen skeptisch:

• Chemische Recycling-Verfahren haben einen sehr hohen Energiebedarf, auch im Vergleich zum mechanischen Recycling.
• Unterschiedlichste Kunststoffabfälle können nicht zusammengeworfen werden, um sie dann im chemischen Verfahren rein zurückzugewinnen. Dafür muss wie beim mechanischen Recycling vorher viel sortiert und gesammelt werden, um homogene Abfallströme und damit ein gutes Inputmaterial zu erhalten. Zudem müssen die Kunststoffe  häufig vorbehandelt werden (waschen, trocknen und zerkleinern), was ebenfalls energieintensiv ist.
• Es ist unklar, wie gefährlich oder umweltschädlich die Entsorgung und Behandlung technischer Hilfsmittel wie etwa den Lösemitteln oder anderer Katalysatoren ist und mit welchem Aufwand diese Behandlung verbunden ist.
• Beim Pyrolyse-Verfahren können chemische Schadstoffe wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und Dioxine entstehen. Gegenüber der reinen Verbrennung von Kunststoffen entstehen zwar weniger Rauchgase, allerdings verbleiben gefährliche Substanzen in den koksartigen Rückständen. Am Ende der Pyrolyse verbleiben immerhin noch 15 bis 20 Prozent Reststoffe (Asche, Koks, Abwasser, etc.), die weiter behandelt und abgelagert werden müssen.

5. Warum könnte chemisches Recycling eine zukünftige Kreislaufwirtschaft behindern?

Aufgrund des erheblichen energetischen und technischen Aufwands benötigt das chemische Recycling, insbesondere das Verfahren der Gasifizierung, große Mengen Kunststoffabfälle, um wirtschaftlich arbeiten zu können. Dies widerspricht der Aussage der Befürworter des chemischen Recyclings, dass das Verfahren lediglich in der Nische der nicht-recyclingfähigen Kunststoffe genutzt werden soll. Eine Konkurrenz zum mechanischen Recycling ist daher nicht auszuschließen und aufgrund der schlechteren Umweltbilanz nicht gewünscht.

„Plastic-to-plastic“-Recycling benötigt mehr Verarbeitungsstufen als „plastic-to-gas“-Verfahren. Deshalb besteht die Sorge, dass sich Pyrolyse-Anlagen aus Rentabilitätsgründen nur auf die Herstellung von (sehr energieaufwändigen) Brennstoffen konzentrieren könnten. Der Kunststoff würde somit nicht im Kreislauf geführt, sondern letztlich verbrannt werden.

Es besteht das Risiko, dass das chemische Recycling die Agenda zur Kreislaufwirtschaft und der Dekarbonisierung der Wirtschaft in der EU untergräbt. Denn „chemisches Recycling“ bedeutet, dass weiterhin neue fossile Rohstoffe gebraucht werden, um Kunststoffe herzustellen. Hiermit können die Ambitionen für die Suche nach nachhaltigen Alternativen und nach der Verminderung von nicht recycelbaren Kunststoffen geschwächt werden. Langfristig muss der Kunststoffbedarf durch Rezyklate und biobasierte, nicht fossile Rohstoffe gedeckt werden. „Plastic-to-fuel“-Anlagen können aber nur fossil-basierte Kunststoffe verarbeiten.

Die Erforschung und Weiterentwicklung von Verfahren des chemischen Recyclings bindet erhebliche finanzielle und geistige Kapazitäten, die nach derzeitigem Kenntnisstand sinnvoller in anderen Anwendungsgebieten eingesetzt werden könnten. Die chemische Industrie müsste aber ihr derzeitiges Geschäftsmodell, das auf immer mehr fossilen Rohstoffen basiert, ändern und wesentlich stärker das kreislauffreundliche Design ihrer Kunststoffe in den Fokus nehmen.

6. Welchen politischen Rahmen fordert der NABU für das chemische Recycling?

Damit chemisches Recycling seine ökologischen Vorteile bei der Schließung von Kunststoffkreisläufen auch dort ausspielt, wo werkstoffliche Verfahren scheitern, bedarf es eines guten politischen Rahmens. Das chemische Recycling muss in die generellen Bemühungen zur Vermeidung von Kunststoffen und einem besseren recyclingfreundlichen Design eingebettet werden. Wo der rechtliche Rahmen fehlt, könnte es Einfallstore für nicht gewollte Prozesse des chemischen Recyclings geben. Dort etwa, wo Kunststoffe zu Brennstoffen verwandelt werden oder die ökologischen Nebenwirkungen des Recyclingverfahrens gravierender sind als der Recyclingertrag.

Der NABU fordert, dass

1. die EU im Abfallrecht eine gesetzliche Definition von chemischem Recycling aufnimmt. Diese muss alle Behandlungen ausschließen, in denen Kunststoffe nicht wieder zu Kunststoffen werden. Zudem darf das chemische Recycling nur für die Abfälle angewandt werden, die aktuell und zukünftig nicht mechanisch recycelt werden können. Der NABU folgt den Formulierungsvorschlägen der internationalen NGO Zero Waste Europe: „Chemical recycling means any recovery operation by which waste materials that are unfit to be mechanically recycled are reprocessed into building blocks of a material of higher quality than the waste input.”
2. eine zusätzliche Stufe in der Abfallhierarchie eingeführt wird, die nach dem werkstofflichen Recycling und vor der Verbrennung steht. Diese gilt nur für die Fraktionen, die gemischt anfallen und anderweitig verbrannt werden würden. Dabei sollte nach Art 3.17 (WFD, 2008/98/EC – EU-Abfallrahmenrichtlinie) klargestellt werden, dass chemisches Recycling nur in den Fällen geeignet ist, in denen Kunststoffe zu zersetzt, zu komplex und/oder zu schadstoffbelastet sind, um werkstofflich recycelt zu werden.
3. vor der Zulassung der Anlagen des chemischen Recyclings Vorgaben nach ISO-konformen Ökobilanzen gemacht werden müssen. Denn nur so ist sichergestellt, dass die Technologien nach verschiedenen ökologischen Kriterien wie der CO2-Einsparung oder der Ressourcenschonung bewertet werden können. Dabei sollten nicht nur derzeitige Klimaeffekte gemessen werden, sondern auch Klimaeffekte im Kontext einer zukünftig dekarbonisierten Wirtschaft.
4. mögliche staatliche Förderungen der Chemischen-Recyling-Technologie immer im Einklang mit der Klima- und Kreislaufwirtschaftspolitik der EU stehen müssen und nur für Projekte erfolgen, die als Endprodukt des chemischen Vorgangs erneut Kunststoffe hervorbringen. Zudem sollte der Förderfokus generell stärker auf das mechanische Recycling gelegt werden.