Kunststoffe recyceln 06.05.2023, 11:05 Uhr

Was ist eigentlich chemisches Recycling und welche Risiken gibt es?

Chemisches Recycling könnte eine Möglichkeit sein, die Problematik der Kunststoffabfälle zu lösen. Doch die Umweltverbände warnen. Lernen Sie die Vor- und Nachteile von chemischem Recycling kennen.

Plastikmüll

Plastikmüll ist ein großes Problem, chemisches Recycling kann eine Lösung sein.

Foto: Panthermedia.net/raulmelldo (YAYMicro)

Plastikmüll ist ein großes Problem unserer Zeit – er verdreckt unsere Weltmeere und an Land sieht es nicht besser aus. Die Forschung sucht zweifelhaft nach Lösung, um diese wachsende Vermüllung unserer Natur zu stoppen. Eine dieser Lösungen für eine Kreislauftwirtschaft von Kunststoffen könnte chemisches Recycling sein. Doch was bedeutet das überhaupt und welche Risiken gibt es dabei? In diesem Beitrag finden Sie die Antworten.

Eine Welt aus Plastik

Die Hinterlassenschaften aus Kunststoff haben unseren Planeten stark verändert – und die alleinige Schuld daran tragen wir Menschen. Ein internationales Forschungsteam hat zum Beispiel in einem chinesischen Bach Felssteine entdeckt, die mit Mikroplastik chemisch reagiert und eine irreversible Umwandlung in eine neue Kunststoffart erfahren haben. Die Studie wurde von der Tsinghua Universität in Peking durchgeführt und in der Fachzeitschrift „Environmental Science and Technology“ veröffentlicht. Insgesamt wurden in vier Proben solche Verbindungen nachgewiesen.

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Fernanda Avelar Santos, eine Geologin an der Federal University of Paraná in Brasilien, hat auf der abgelegenen Insel Trindade Plastikgestein entdeckt. Diese Felsen leuchten blau-grün, da das über Millionen von Jahren entstandene Gestein mit angeschwemmtem Plastik verklumpt ist. Trindade liegt im Atlantischen Ozean, etwa 1.200 Kilometer von der brasilianischen Küste entfernt. Die Insel wird nur gelegentlich von Forschern und dem Militär besucht. Trotzdem ist die Insel so stark mit Plastikmüll verschmutzt, dass neue „Felsformationen“ entstanden sind.

In den Gewässern des Pazifiks zwischen Kalifornien und Hawaii fanden Forschende eine Gemeinschaft von Krustentieren, die sich auf schwimmenden Plastikabfällen angesiedelt haben. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden in der Fachzeitschrift „Nature Ecology and Evolution“ veröffentlicht und beschreiben eine vielfältige Gemeinschaft von Meeresbewohnern, darunter Krebstiere und Seeanemonen. Insgesamt wurden 37 wirbellose Arten auf diesen treibenden Müllinseln festgestellt. Diese Tiere ernähren sich von dem Schleim aus Bakterien und Algen, der den Plastikmüll bedeckt. Ursprünglich stammen die Tiere aus Küstengebieten in Japan, nun haben sie jedoch auf diesen von Menschen geschaffenen Inseln eine neue Heimat gefunden.

Die drei Beispiele zeigen, wie dringlich es ist, sich dem Kunststoffproblem anzunehmen. Neben der Vermeidung von Kunststoffen, der Verwendung von Biokunststoffen und dem mechanischen Recycling  rückt seit wenigen Jahren das chemische Recycling in den Fokus. Da dieses Verfahren noch nicht so bekannt ist, wollen wir uns einmal genauer anschauen, um was es sich dabei handelt.

Warum ist Kunststoff-Recycling so schwierig?

Kunststoffe bestehen aus langen Molekülketten, den sogenannten Polymeren. Daher beginnen viele Kunststoffe mit dem Präfix „Poly-„, wie zum Beispiel Polyethylen oder Polystyrol. Die Polymere bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff, können aber auch Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Chlor, Fluor oder Phosphor enthalten. Um bestimmte Eigenschaften wie Biegsamkeit, Dehnbarkeit oder Feuerbeständigkeit zu erreichen, werden dem Kunststoff Zusatzstoffe, sogenannte Additive, zugesetzt.

Diese Additive erschweren häufig das hochwertige mechanische Recycling. Zum Beispiel führen Farbpigmente während des Recyclingprozesses dazu, dass das Rezyklat eine unattraktive graue Farbe annimmt und somit nicht mehr den visuellen Anforderungen eines neuen Produkts entspricht. Darüber hinaus enthalten Kunststoffe giftige Chemikalien, wie bromierte Flammschutzmittel in Elektroaltgeräten, die im Recyclingkreislauf vermieden werden sollten. Es gibt auch Additive, die hormonell wirksam oder sogar krebserregend sind. Diese Stoffe können sich während des Recyclingprozesses lösen und das Recycling erschweren.

Ähnliche Probleme entstehen beim mechanischen Recycling von dünnen, mehrschichtigen Folien, wie sie für Wurst- und Käseverpackungen verwendet werden. Die verschiedenen Kunststoffschichten können nicht voneinander getrennt werden und werden daher oft verbrannt. Darüber hinaus verkürzen sich die Molekülketten bei jedem Recyclingkreislauf, wodurch der Kunststoff nicht unbegrenzt oft mechanisch recycelt werden kann.

An dieser Stelle kommt das chemische Recycling ins Spiel. Es verspricht, entweder die Additive von den Kunststoffen zu trennen oder die verschiedenen Schichten unterschiedlicher Kunststoffe voneinander zu trennen oder sie in einzelne Moleküle zu zerlegen. Dadurch könnte aus Kunststoffen, die derzeit verbrannt werden, neuer Kunststoff hergestellt werden. Allerdings sind industriell nutzbare Verfahren, die nicht zu energieintensiv sind, für das chemische Recycling noch eine Herausforderung, die bisher nicht vollständig gelöst wurde.

So funktioniert chemisches Recycling

Beim chemischen Recycling werden Kunststoffabfälle durch Veränderung ihrer chemischen Struktur auf ihre ursprünglichen Bausteine (Polymere, Monomere oder Atome) zerlegt. Diese Bausteine können zur Herstellung neuer Kunststoffe, aber auch von Produkten wie Chemikalien oder Kraftstoffen verwendet werden. Prinzipiell lassen sich zwei Verfahren unterscheiden:

  1. Chemische Depolymerisation/Solvolyse
  2. Thermische Depolymerisation

Darüber hinaus gibt es noch die Möglichkeit, Kunststoffe physikalisch zu recyclen, zum Beispiel mit lösemittelbasierten Verfahren. Hierbei werden Kunststoffe mithilfe von Lösungsmittelbädern von bestimmten Additiven gereinigt. Dadurch können beispielsweise Farben vom Kunststoff getrennt werden und man erhält einen „sauberen“ Kunststoff mit ähnlichen Eigenschaften wie neuer Kunststoff.

Chemische Depolymerisation/Solvolyse

Im Gegensatz zum lösemittelbasierten Verfahren erfolgt bei der Solvolyse die Aufspaltung von Kunststoffpolymeren durch chemische Prozesse unter Verwendung hoher Temperaturen (150 bis 400 Grad Celsius) und Reagenzien wie Methanol, Glykol, Wasser usw. Dabei werden die Kunststoffe gereinigt, ohne vollständig zersetzt zu werden. Dieses Verfahren eignet sich unter anderem für PET-Kunststoffe (z. B. undurchsichtige Flaschen, die bisher nicht werkstofflich recycelt werden können) oder Polyurethane (Schaumstoffe in Möbeln und Matratzen).

Thermische Depolymerisation

Bei der thermischen Depolymerisation werden Kunststoffe durch hohe Temperaturen und Druck in einzelne Moleküle zerlegt. Je nachdem, ob Sauerstoff zugeführt wird, spricht man von Gasifizierung (Erzeugung von Synthesegasen mit Sauerstoff und hohem Druck bei Temperaturen von ca. 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 energieintensiven Verfahren werden die Polymere von Additiven und anderen Verunreinigungen befreit und in eine Vielzahl von Endprodukten wie Wachsen, Ölen, Benzin, Schmierstoffen und Basischemikalien zerlegt. Die thermische Depolymerisation unterscheidet sich von der Solvolyse durch wesentlich höhere Temperaturen.

Das kann chemisches Recycling

Mechanisches Recycling stößt in vielen Bereichen an seine Grenzen, hier kann chemisches Recycling in die Bresche springen. So lassen sich damit zum Beispiel Zusatzstoffe, Duft- und Farbstoffe vom Verpackungsmaterial trennen. Außerdem können kombinierte Materialien und verschiedene Kunststofftypen in einer Verpackung voneinander getrennt werden. Außerdem ermöglicht chemisches Recycling mehr Möglichkeiten für den Einsatz von Recyclat in Verpackungen im Lebensmittelbereich.

Aber nicht nur Kunststoffverpackungen können chemisch recycelt werden. So konzentriert sich das Fraunhofer UMSICHT zum Beispiel auf die Verarbeitung von problematischen, stark verunreinigten oder schadstoffbelasteten Kunststoffen sowie schwer recycelbaren Verbundmaterialien. Beispiele hierfür sind CFK und GFK (verwendet in Windrädern und Rotorblättern), Duroplaste, Harze sowie Rückstände aus der Aufbereitung von Elektronikschrott (wie Leiterplatten) und Altfahrzeugen (z. B. Bremsbeläge oder Luftfilter). Hier erfahren Sie mehr über das Recycling von Windkraftanlagen.

Diese Kunststofffraktionen enthalten oft eine hohe Konzentration an aromatischen Verbindungen. Diese Aromaten finden sich im Pyrolyseöl wieder, was durch wiederholte GC-GC-MS-Analysen bestätigt wurde. Unter bestimmten Bedingungen ist es wirtschaftlich sinnvoll, diese Chemikalien direkt aus dem Pyrolyseöl zu extrahieren.

Herausforderungen des chemischen Recyclings

Chemisches Recycling steckt noch in Kinderschuhen und die Entwicklung ist sicherlich noch nicht vollständig abgeschlossen. Doch bereits jetzt haben sich einige Herausforderungen herauskristallisiert.

So hat sich beispielsweise herausgestellt, dass die für das chemische Recycling benötigten Abfallströme sauberer sein müssen als bisher angenommen. Insbesondere Technologien mit einer hohen CO2-Reduktionsrate stellen höhere Anforderungen an die Qualität der Abfälle. Obwohl neue chemische Recycling-Initiativen im Labormaßstab mit sauberen Materialien als Input gut funktionieren, sind praktische Versuche mit kontaminierten und schwer mechanisch zu recycelnden Abfallströmen nicht immer erfolgreich. Zudem können die gewünschten saubereren Eingangsströme leicht anderweitig genutzt werden.

Zwar stellen Techniken wie Vergasung und Pyrolyse weniger strenge Anforderungen an die Abfallzusammensetzung, allerdings erreichen diese Verfahren auch geringere CO2-Reduktionen. Darüber hinaus ist das chemische Recycling aufgrund der Vorverarbeitung, des Energiebedarfs und des Einsatzes von Chemikalien/Katalysatoren oft kostspielig.

Naturschutzverbände warnen vor chemischem Recycling

Naturschutzverbände wie der NABU oder die Deutsche Umwelthilfe (DUH) stehen dem chemischen Recycling eher kritisch gegenüber und warnen davor, chemisches Recycling als Lösung der Kunststoff-Problematik anzusehen. Die DUH spricht von „hochriskanten und unausgereiften Technologien“ der Pyrolyse und Vergasung. Anlass für die Warnung sind zwei neue Studien, die von der Europäischen Kommission beim Joint Research Center (JRC) in Auftrag gegeben wurden. Es wird betont, dass das chemische Recycling einen erhöhten Energieverbrauch aufweist, zu erheblichen Materialverlusten führt und giftige Nebenprodukte erzeugt. Nach Ansicht der DUH sind Investitionen in diese Technologien nicht zielführend und könnten sogar eine umweltgerechte Kreislaufwirtschaft gefährden.

Ähnlich sieht es der NABU: Auf ihrer Website betonen die Naturschützer, dass chemisches Recycling die Agenda zur Kreislaufwirtschaft und der Dekarbonisierung der Wirtschaft in der EU untergraben könnte. Denn chemisches Recycling bedeute auch, dass weiterhin fossile Rohstoffe dafür verwendet würden,  Kunststoffe herzustellen. Ziel solle es eher sein, den Kunststoffbedarf durch Rezyklate und biobasierte, nicht fossile Rohstoffe zu decken. Weiterhin kritisiert der NABU den sehr hohen Energiebedarf, auch im Vergleich zu mechanischem Recycling. Der Naturschutzbund sieht zudem noch viele ungeklärte Fragen hinsichtlich der Umweltwirkung des chemischen Recyclings. So gäbe es zum Beispiel noch keine Untersuchungen bezüglich der Gesundheitsrisiken durch die Emissionen der Anlagen.

Vor- und Nachteile des chemischen Recyclings

Abschließend möchten wir noch einmal kurz die Vor- und Nachteile des chemischen Recyclings zusammenfassen:

Vorteile:

  1. Erweiterte Recyclingmöglichkeiten: Das chemische Recycling ermöglicht die Verwertung von Kunststoffen, die aufgrund von Verschmutzungen, schwierigen Materialkombinationen oder Additiven schwer mechanisch zu recyceln sind. Dadurch können mehr Kunststoffabfälle einer sinnvollen Wiederverwertung zugeführt werden.
  2. Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe: Durch das chemische Recycling können wertvolle Rohstoffe, wie Monomere oder Polymere, aus Kunststoffabfällen zurückgewonnen werden. Diese Rohstoffe können zur Herstellung neuer Kunststoffe, Chemikalien oder Brennstoffe verwendet werden.
  3. Reduktion des CO2-Fußabdrucks: Chemisches Recycling hat das Potenzial, den CO2-Fußabdruck im Vergleich zur Verbrennung von Kunststoffen zu reduzieren. Durch die Rückgewinnung und Wiederverwertung von Kunststoffen können weniger fossile Rohstoffe verwendet und der Bedarf an energieintensiver Kunststoffproduktion verringert werden.

Nachteile:

  1. Hoher Energiebedarf: Das chemische Recycling erfordert oft hohe Temperaturen, Druck und den Einsatz von Chemikalien oder Katalysatoren. Dies führt zu einem erhöhten Energiebedarf im Vergleich zum mechanischen Recycling oder zur Verbrennung von Kunststoffen.
  2. Technologische Herausforderungen: Die Entwicklung und Umsetzung geeigneter chemischer Recyclingverfahren sind komplex und technologisch anspruchsvoll. Es erfordert Investitionen in Forschung und Entwicklung, um skalierbare und wirtschaftlich rentable Verfahren zu entwickeln.
  3. Behandlung von Nebenprodukten und Abfällen: Bei chemischen Recyclingverfahren können Nebenprodukte und Abfälle entstehen, deren Behandlung und Entsorgung weitere Herausforderungen darstellen. Es ist wichtig sicherzustellen, dass diese Nebenprodukte umweltverträglich behandelt werden.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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