Verwertung von Kunststoffabfällen

Typen von Kunststoff nach Verwendung und Recyclingkennzeichnung in Deutschland 2017[5]

In Deutschland kamen 6 Millionen Tonnen Plastikmüll im Jahr 2017 zusammen. Die Hälfte davon geht auf Verpackungsmüll zurück. Die andere Hälfte stammt von Gebrauchsgegenständen, aus Elektronikbauteilen, aus dem Bau sowie dem Verkehrssektor. Etwa die Hälfte aller Kunststoffabfälle konnte recycelt werden, während der Rest energetisch (thermisch) verwertet wurde.[2]

Es ergibt sich folgendes Bild, was den Umgang mit dem Kunststoffabfallaufkommen (aus privaten Haushalten und aus dem Gewerbe) angeht: circa 60,1 % wird „energetisch verwertet“, also in speziellen Prozessen (wie etwa in Zementfabriken) verbrannt. Circa 13,3 % wird exportiert. Und circa 26,6 % geht als Input in Recyclinganlagen, wobei circa 9,6 % als zu stark verschmutzt oder (wie etwa bei Schichtverbundmaterialien) als unverwertbar wieder aussortiert und verbrannt wird, während die übrigen circa 17 % tatsächlich in Rezyklat, also in recyceltes Plastik umgewandelt wird. Als Absolutmasse an Rezyklat werden so pro Jahr etwa 0,9 Mio. Tonnen gewonnen (Stand: circa 2018/19).[7] Die Rezyklate werden vor allem im Bau-Bereich eingesetzt, bei der Herstellung von Verpackungen sowie in der Landwirtschaft, im Fahrzeugbereich oder in der Elektro-/Elektronik-Industrie.[8] Für den Lebensmittelbereichen kommen so gut wie keine Rezyklate zum Einsatz, da sie, mit Ausnahme von recyceltem PET (rPET), die von der europäischen Verordnung EG 282/2008 formulierten Bedingungen für diesen Verwendungsbereich nicht erfüllen.[9]

Bis in die 1980er-Jahre gelangten Kunststoffabfälle mit normalen industriellen oder häuslichen Abfällen (Hausmüll) zur gemeinsamen Entsorgung in Müllverbrennungsanlagen oder auf Abfalldeponien. Durch entsprechende Gesetze wurde 1990 in Deutschland (Duales System Deutschland) die getrennte Sammlung eingeführt. Dadurch entstand eine flächendeckende Dienstleistungsindustrie, welche die Aufgabe des Einsammelns, Sortierens und Verwertens von Kunststoffabfällen übernahm. Durch weitere Verordnungen für Verpackungen und Getränkeflaschen wurde das System weiter optimiert (z. B. Getränkeflaschen-Rücknahme).

Laut dem Bundesumweltamt wurden im Jahr 2019 von den Abfällen aus der Kunststofferzeugung 82 % stofflich verwertet, von den Abfällen aus der Kunststoffverarbeitung 94 %, von den Kunststoffabfällen aus dem gewerblichen Endverbrauch 47 % und von den Kunststoffabfällen aus privaten Haushalten 33 %.[10]

Mit Hilfe von fortschrittlichen Laser- oder Infrarot-Sortiertechniken ist es inzwischen möglich, Kunststoffe aus Hausmüll nahezu sortenrein zu sortieren.

Die Schweiz verursacht jährlich rund 790 000 Tonnen Plastikabfälle. Derzeit werden weniger als 10 Prozent dem Recycling zugeführt.[11] Das Sammelgut aus dem Kanton Bern wird zur Sortierung nach Österreich transportiert, rund die Hälfte davon wird jedoch in Kehrichtverbrennungsanlagen und in Zementwerken verbrannt.[12] Der im November 2023 gegründete Verein Recypac will bis 2030 ein schweizweites Sammelsystem aufbauen.[13][14]

Sammeln von Kunststoffabfällen in China

Rund 2,5 Millionen Tonnen Kunststoffabfall pro Jahr wurden aus Europa nach China exportiert, bis China Anfang 2018 den Import von Kunststoffabfällen mit einem Verschmutzungsanteil von mehr als 0,5 Prozent verbot.[15] Wegen des Verbots in China wurden die Kunststoffabfälle vermehrt im südostasiatischen Raum entsorgt. Seit 2019 schicken einige Länder wie die Philippinen und Malaysia den falsch deklarierten Sondermüll in die Herkunftsländer zurück.[16]

Für die Verarbeitung sauberer sortenreiner Kunststoffabfälle zu Rezyklaten werden konventionelle Ein- oder Doppelschneckenextruder verwendet. Um hierbei den hohen Qualitätsansprüchen zu genügen, kommt der Polymerreinheit eine große Bedeutung zu. Um möglichst alle Verunreinigungen zu erfassen, geschieht die Trennung im Schmelzstrom (Schmelzefiltration) zwischen Extruder und Extrusionswerkzeug.[17] Oft werden auch verschiedene Trenntechniken vorab benutzt, um Sortenreinheit zu erzielen. Bei der Extrusion können durch Additivierung die Eigenschaften der Kunststoffe verbessert werden durch Polymerentgasung Abbauprodukte und Wasser entfernt werden.[18][19]

Beim Spritzgießen werden Kunststoffpartikel über einen Trichter in den Massezylinder eingeführt. Das Material wird dort aufgeschmolzen und bis zur vollständigen Plastifizierung homogenisiert, wobei Entmischung durch unterschiedliche Wärmebeständigkeit, Viskosität und Verarbeitungstemperatur zu vermeiden ist. Nach dem Verdichten der Schmelze durch die Förderschnecke wird der Kunststoff unter hohem Druck (meist zwischen 500 und 2000 bar) über eine Düse in das geschlossene Werkzeug gepresst. Nach dem Erkalten kann das Formteil aus dem Werkzeug entnommen werden. Wie bei der Extrusion wird auch beim Spritzgießen die Schmelzefiltration zwecks Vermeidung von Verunreinigungen eingesetzt. Mit diesem Verfahren lassen sich dünnwandige Paletten, Pflanztöpfe, Beetumrandungen aber auch Stoßfänger für Automobile herstellen.[17]

Beim Spritzpressen wird hingegen eine offene Form gewählt, in die plastifizierte Masse mit geringem Druck gefüllt wird. Anschließend wird die Befüllöffnung geschlossen und die Presse schließt das Werkzeug. Der plastische Schmelzkuchen fließt dabei in die endgültige Form. Nach Erreichen der Formstabilität kann das Formteil entnommen werden.[17] Dieses Verfahren kann bei der Produktion einfacher dickwandiger Produkte, wie beispielsweise Paletten, angewendet werden.

Die Intrusion stellt eine Kombination zwischen Spritzgieß- und Extrusionsverfahren dar. Hierbei wird das Material nach der Plastifizierung des Kunststoffs in Stahlformen gefüllt und danach bis zur Erstarrung abgekühlt. Je nach Form, geteilt oder ungeteilt, wird das Produkt herausgestoßen oder manuell entnommen. Als Produkte können Bakenfüße, Platten, Bohlen aber auch Pfosten für Straßenschilder, Kilometersteine, reflektierende Pfosten an Straßenecken etc. hergestellt werden. Bei diesem Verfahren können vermischte und verschmutzte Kunststoffe, wie sie bei Haushaltssammlungen anfallen, eingesetzt werden.

Bei diesem Verfahren kann eine große Bandbreite von gemischten und verunreinigten Kunststoffabfällen eingesetzt werden. Diese werden in kassettenförmige Formen eingerieselt. Nach Verschluss der Form durchläuft diese in einem Schachtofen von oben nach unten eine Vorwärmzone, eine Schmelzzone und eine Kühlzone. Dabei erhöht sich der Pressdruck, je weiter die Form im Schachtofen nach unten wandert. Dieses Verfahren ermöglicht ein Aufschmelzen der Kunststoffe, füllen der Formen und verzugsfreies Abkühlen mit der Umgebungsluft. Als Produkte entstehen großflächige Platten mit bis zu 60 mm Dicke.[17]

Bei der Stoffstromvorbereitung unterscheidet man zwischen thermischen und mechanischen Verfahren. Thermische Verfahren (Pyrolyse, Visbreaking u. a.) sind bekannte Verfahren der Petrochemie. Altkunststoffe werden dort mit dem Ziel eingesetzt, die Kettenlänge von Polymeren so zu verkleinern, dass der Output aus der Aufbereitung bei anderen chemischen oder energetischen Prozessen eingesetzt werden können.

Das Ziel von mechanischen Verfahren ist, heterogene Abfallströme (z. B. Shredderleichtfraktion – SLF) in einzelne verwertbare Fraktionen aufzutrennen und eine physikalische Konditionierung entsprechend dem angestrebten Absteuerungsweg vorzunehmen. Bei mechanischen Verfahren wird heute zwischen Trocken- und Nassverfahren unterschieden.

• Die Trockenverfahren umfassen üblicherweise folgende grundsätzliche Prozessschritte: Siebung, Vorzerkleinerung, Magnetscheidung (Eisenmetalle), Wirbelstromabscheidung (Nichteisenmetalle), Hauptzerkleinerung sowie eine oder mehrere Sichtungsstufen (je nach Verfahren und gewünschtem Output). Der Output aus Trockenverfahren-Anlagen sind Eisen- und Nichteisen-Metallgemische, eine oder mehrere heizwertreiche Fraktionen sowie eine oder mehrere mineralische Fraktionen. Zu den Trockenverfahren gehören z. B. VW-Sicon, R-Plus, BHS (alle Deutschland).
• Bei Nassverfahren werden im Wesentlichen folgende Aufbereitungstechniken angewandt: Magnetscheidung (Eisenmetalle), Siebung, Schwimm-Sink-Abscheidung. Mit Nassverfahren lassen sich prinzipiell Metalle wie Eisen, Magnesium, Aluminium, Kupfer sowie mineralische Materialien und unterschiedliche organische Fraktionen abtrennen. Verfahrensbeispiele sind Galloo und Salyp (derzeit nicht aktiv).

Darüber hinaus werden andere spezielle Verfahren, wie z. B. Entlackung von Kunststoffteilen, Trennung von Mehrschichtverbunden (nur für Produktionsabfälle) eingesetzt. Inwieweit solche Verfahren auch für demontierte Kunststoffbauteile („Post-consumer“) wirtschaftlich betrieben werden können, ist derzeit offen.

Mit den Modifikationen der Verfahren, die bei der Verwertung sauberer, sortenreiner Abfälle eingesetzt werden (Extrusion, Spritzgieß- bzw. Spritzpressverfahren, Intrusion und Sinterpressverfahren – s. o.), lassen sich heute auch vermischte und verschmutzte Kunststoffabfälle – meist zu dickwandigen Produkten – verarbeiten (Downcycling). So werden z. B. Zweischneckenextruder mit Entgasung für die Verarbeitung mehr oder weniger verschmutzter und vermischter Kunststoffe zu Strangprofilen unterschiedlicher Querschnitte und Formen eingesetzt.

Bei der Solvolyse werden nasschemisch nicht nur Verunreinigungen abgetrennt, sondern über Lösungsmittel auch vermischte Plastiksorten sortiert. Wie auch bei dem mechanischen Recycling bleiben dabei die langen Polymerketten erhalten. Damit bleiben auch die Werkstoffeigenschaften erhalten, sodass die Plastiksorte direkt oder als Beimischung wiederverwendet werden kann.[2]

Unter der rohstofflichen Verwertung versteht man eine Spaltung von Polymerketten durch die Einwirkung von Wärme zu petrochemischen Grundstoffen, wie Öle und Gase, die zur Herstellung neuer Kunststoffe oder andere Zwecke eingesetzt werden können.[20] Wenn die werkstoffliche Verwertung nicht sinnvoll durchführbar ist, bietet die rohstoffliche Verwertung von Altkunststoffen eine weitere Möglichkeit der stofflichen Verwertung. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es sich um kleinteilige, verschmutzte Produkte unterschiedlichen Aufbaus und unterschiedlicher Zusammensetzung handelt.[21]

Folgende rohstoffliche Verfahren können für Recycling von Altkunststoffen eingesetzt werden:

• Vergasen
• Cracking
• Hydrierung

Vergasung, Cracking und Hydrierung gehören zu petrochemischen Verfahren, die die Prozesse der Petrochemie, z. B. Aufbereitung von Erdöl durch Destillation und Cracken, zur Aufspaltung von Altkunststoff-Polymeren nutzen. Bei der Verwertung im Hochofen werden die Reduktionseigenschaften von aus Altkunststoffen erzeugtem Synthesegas genutzt.[22]

Der österreichische OMV-Konzern hat ein sogenanntes „Re-Oil“-Verfahren entwickelt und betreibt es derzeit als Pilot-Anlage, bei dem aus zerkleinerten Plastikabfällen Rohöl und verwertbares Gas hergestellt werden.[23] (siehe unten: Depolymerisation und Gewinnung von synthetischem Rohöl).

Vergasung ist ein Prozess der partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen unter unterstöchiometrischer Sauerstoffzufuhr (die Menge an Sauerstoff reicht zur vollständigen Oxidation – Verbrennung – nicht aus) zu Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂). Die Reaktion verläuft je nach eingesetztem Verfahren bei Temperaturen bis 1.600 °C und unter einem Druck bis zu 150 bar. Das Verfahren ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Ausgangsstoffe für die Vergasung waren zunächst Kohle und Koks, nach dem Zweiten Weltkrieg auch Erdöl und Erdgas.[21]

Im Hochofenprozess wird aus den Eisenerzen metallisches Eisen gewonnen. Als Reduktionsmittel wird dort Kohlenmonoxid, das aus Koks gewonnen wird, eingesetzt. Zur Verringerung des Koksverbrauchs werden Ersatzreduktionsmittel, wie z. B. Kohle oder Schweröl verwendet. In einigen Hochöfen finden auch Agglomerate aus Kunststoffabfällen ihren Einsatz.

Cracking ist ein Spaltungsprozess größerer organischer Moleküle in kleinere Moleküle unter Einwirkung von Druck, Temperatur und ggf. Katalysatoren. Cracking wird in der Erdölverarbeitung zum Gewinnen von Benzin, LPG oder Heizöl eingesetzt. Dabei wird zwischen Steamcracking und Catcracking unterschieden. Der Einsatz hierbei von Kunststoffen wird untersucht (scheint bis zu 20 % möglich).[21]

Für die Rückgewinnung von Erdöl aus Kunststoff muss dieser auf über 400 °C erhitzt werden. Der Kunststoffabfall wird durch Vermischen mit einem heißen flüssigen Lösungsmittel zu einer geschmolzenen Masse. Diese wird zu Gas verdampft, wodurch die langen Molekülketten aufgebrochen und durch chemische Prozesse zu kleineren Ketten zusammengeführt werden – dadurch entsteht praktisch synthetisches Rohöl.[24][25]

Für enzymatische Depolymerisation wird ein Bruchteil der Temperatur benötigt. Hier kommen spezielle Enzyme zum Einsatz, die trotz diesbezüglicher Weiterentwicklung nur bei maximal um die 70 °C funktionieren. Es entstehen keine Gase. Das Endprodukt des Prozesses soll wiederverwendbar sein.[26] Die Wirkungsweise des Enzyms, welches das Polyethylenterephthalat (PET) in Monomere zerlegt, wird hierbei von Carbios als „bakterieller Katalysator“ beschrieben.[27]

Darunter wird im Allgemeinen eine Reaktion von chemischen Verbindungen mit Wasserstoff (H₂) verstanden. Durch hydrierende Spaltung bei hohen Temperaturen (bis ca. 500 °C) und Drücken (bis ca. 300 bar) ist es prinzipiell möglich, aus organischen Verbindungen mit fast beliebiger Kohlenstoff-Kettenlänge im Molekül (u. a. auch aus gemischten Altkunststoffen) Produkte zu erzeugen, die aus für petrochemische Prozesse geeigneten Kohlenwasserstoffen kleinerer Kettenlängen (z. B. Benzin) bestehen.

Die Hydrierung ist seit 1927 als Verfahren zur hydrierenden Verflüssigung von Kohle bekannt.[21] Nach diesem Verfahren wurde in den 1930er und 1940er Jahren Treibstoff produziert. Später wurden Raffinerierückstände damit aufgearbeitet und seit den 1970er Jahren wird dieses Verfahren bei der Verwertung von Reststoffen – vermischte und verschmutzte Altkunststoffe (PVC ≤ 10 Gew.-%), Altgummi u. a. – verwendet.

Kraftwerk mit zirkulierender Wirbelschicht zur Mitverbrennung von Kunststoffabfällen

Nach allen Bemühungen zur Vermeidung und stofflichen Verwertung bleiben immer noch Fraktionen übrig, deren werkstoffliche oder rohstoffliche Verwertung aus technischen, ökonomischen oder ökologischen Gründen nicht möglich oder nicht sinnvoll ist. Eine Deponierung solcher Stoffe ist seit dem Inkrafttreten der Abfallablagerungsverordnung am 1. Juni 2005 in Deutschland nicht mehr möglich, da nur noch inerte Produkte mit einem Glühverlust < 5 Gew.-% deponiert werden dürfen. In der Schweiz wurden bis 2018 etwa 90 % der Kunststoffabfälle energetisch verwertet.[28] Grundsätzlich können heizwertreiche aufbereitete Abfallströme (als sog. Ersatz- oder Sekundärbrennstoff) in folgenden Anlagen eingesetzt werden:

• Kraftwerke
• Zementdrehrohröfen
• Müllverbrennungsanlagen (MVA) mit Energieauskopplung / Müllheizkraftwerke

Dies wird jedoch in der Praxis durch die hohen Anforderungen von Verbrennungsanlagen an die Beschaffenheit der Brennstoffe begrenzt. In geringerem Maße gilt dies auch für MVA.

Da Kunststoffe aus fossilem Rohstoff – meistens Erdöl – bestehen, trägt bei der energetischen Verwertung das anfallende Kohlenstoffdioxid grundsätzlich zur Klimakrise bei.

Der Energiegehalt von im Abfall enthaltenen Altkunststoffen kann in Kraftwerken bei der Mitverbrennung mit Regelbrennstoffen, wie z. B. Kohle genutzt werden. Falls die Abfälle zur Verwertung direkt mitverbrannt werden, muss die Rauchgasreinigung den Emissionsanforderungen der deutschen 17. BImSchV genügen. Außerdem müssen diese Abfälle die Qualitätsanforderungen von Anlagen an die Brennstoffbeschaffenheit erfüllen.

Zement wird aus dem Vorprodukt Zementklinker gemahlen, der zunächst aus entsprechend aufbereitetem Rohmehl (Kalkmergel) im Zementdrehrohrofen gebrannt wird. Das Mengenverhältnis beträgt 90 % Rohmehl zu 10 % Brennstoff (fest/flüssig/gasförmig). Danach wird der Zementklinker mit Gips als Erstarrungsregler oder anderen Stoffen (Zusätze) gemahlen. Anwendungsbezogen werden sog. Portlandzement oder andere Zementsorten in entsprechender Kornfeinheit produziert.

Das basisch zusammengesetzte Brenngut wird unter hohen Temperaturen (Gastemperatur ca. 2000 °C) und bei einer Verweilzeit von ca. 20 Minuten (zur sog. Mitverbrennung werden mindestens 3 Sekunden gefordert) gebrannt. Dabei liegt besonderes Augenmerk auf der Zusammensetzung und dem Energiegehalt des Brennstoffes bzw. deren Mischung, damit sowohl die Qualitätsanforderungen an den Zementklinker als auch alle gesetzlichen Anforderungen bezüglich der Emissionen und umweltrelevanter Parameter im Zement und in den aus dem Zement hergestellten Produkten erfüllt werden.

Der heutige Hausmüll enthält Altkunststoffe mit einer Schwankungsbreite von 7 bis 15 %.[21] Technisch ist es ohne Weiteres möglich, einen höheren Anteil an Kunststoffen mit zu verbrennen, was in großtechnischen Versuchen im MHKW Würzburg bewiesen wurde.[29] Allerdings führt der hohe Gehalt an mit verbrannten Altkunststoffen in MVAs zu einem reduzierten Durchsatz auf Grund des hohen Heizwerts.

Bei der Mitverbrennung von Altkunststoffen aus technischen Anwendungen, die in Form von z. B. Shredderleichtfraktion (SLF) vorliegen, muss außerdem auf z. B. erhöhte Schwermetallgehalte in der Rostasche geachtet werden. Auch andere betriebstechnische Probleme können hierbei auftreten.

Die Mitverbrennung von Altkunststoffen in MVA könnte wirtschaftlich eine der günstigsten Methoden sein, wenn sie entsprechend als „energetische Verwertung“ anerkannt wäre. Allerdings wird die Anerkennung des Einsatzes in Deutschland je nach Bundesland sehr unterschiedlich gehandhabt.

Alle oben genannte Fakten sind dafür verantwortlich, dass SLF nur mit einem Anteil von ca. 5 % in MVA bzw. MHKW mit verbrannt wird.[30] Laut einer aktuellen Umfrage der Interessengemeinschaft der Thermischen Abfallbehandlungsanlagen können in Deutschland ca. 135.000 Tonnen SLF in 28 deutschen MVA mit verbrannt werden.[31]