Polyester Recycling. Neueste Trends bei Entwicklung und Technologie. Dr. Ulrich K. Thiele, Polyester Technology, Bruchköbel

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1 Polyester Recycling Neueste Trends bei Entwicklung und Technologie Dr. Ulrich K. Thiele, Polyester Technology, Bruchköbel 18. Seminar Kunststoffrecycling in Sachsen 04. Mai 2010, Leibnitz Institut für Polymerforschung Dresden e. V. 1

2 Inhalt 1. Einführung 2. Marktentwicklung Welt, Europa, Deutschland 3. PET Flaschenrecycling 3.1 Sammlung 3.2 Aufarbeitung zu PET Flakes und Re Granulat 3.3 Verarbeitung 3.4 Qualität und Qualitätskontrolle 4. Entwicklung der Prozessstufen 5. Entwicklung der Verarbeitungsverfahren 6. Faser / Textilrecycling 7. Ausblick 2

3 Dr. Thiele Polyester Technology Consulting Service seit 1999 E Mail Dr. Ulrich K. Thiele: drthiele@polyester technology.com Tel.: Geschäftsfelder: Forschung & Entwicklung Unterstützung in Polyester Chemie und Technologie Management Consulting und Coaching, Seminare Technischer Experte in Patentstreitigkeiten, Reklamationen und Patentunterstützung Unterstützung in Polyester Chemie Vertriebsunterstützung Konferenzorganisation Polyester Recycling Forum PRF Veröffentlichungen und Patente: Über 55 Patente im Bereich Polyester und Polyamide, neue Anmeldungen laufen Zahlreiche Vorträge auf internationalen Konferenzen und Publikationen (s. pip.com) Buch: Polyester Producing Plants, Verlag Moderne Industrie, 1996, ISBN Buch Polyester Bottle Resins, Production, Processing, Properties and Recycling PETplanet Publisher GmbH, 2007 Heidelberg, Germany, ISBN: Neue Internet Plattform in eröffnet: Chemical Engineering Polyester Information Plattform; URL: pip.com Polyester Recycling Forum Juli 2005 Bangkok Oktober 2006 Sao Paulo Oktober 2006 Washington September 2007 Hangzhou Februar 2008 Moskau September 2008 Shanghai Oktober 2008 Oeynhausen September 2009 Shanghai September 2010 Hangzhou 3 Mehr Informationen und Kontakt unter technology.com CONSULT

4 1. Einführung Um den derzeitigen Umfang des Polyester Recyclings im Weltmaßstab zu verdeutlichen, stelle ich an den Anfang der Betrachtungen die Entwicklung des Weltmarktes. Heute in 2010 hat das Marktvolumen an Polyester Rezyklaten allein auf der Basis gesammelter PET Flaschen mittlerweile die 5 Millionen Tonnen/Jahr Grenze sicher überschritten. Um dieses Marktvolumen in Relation zu setzen, vergleicht man am besten mit den Marktvolumina von Neuware bei Kunststoffen wie Polyamid 6 ~ 5 Mio t/a Polyamid 66 ~ 2,5 Mio t/a Polycarbonat ~ 5 Mio t/a 4

5 Das bedeutet: das Marktvolumen von Polyester Recycling erreicht heute bereits das Niveau der bekanntesten Technischen Kunststoffe. Dabei sprechen wir ausschließlich vom Recycling gebrauchter Getränkeflaschen. Das zum größten Teil interne Recycling bei der Herstellung von Polyesterfasern ist dabei nicht berücksichtigt, zumal dazu auch nur sehr spärliches Zahlenmaterial vorliegt. Auch die in den letzten Jahren zunehmenden Aktivitäten im chemischen Faserrecycling (Teijin) sind darin nicht enthalten, wobei die Mengen im Vergleich zum Flaschenrecycling noch vernachlässigbar gering sind. Als Hinweis dazu: In 2008 wurden etwa 20 Mio t/a Polyester Flaschengranulate weltweit hergestellt, wovon etwa 5 Mio t/a in Recyclingverfahren wiederverwendet werden. Das entspricht einer Recyclingquote von etwa 25%. Demgegenüber werden von den 30 Mio t/a Polyestertextilien bisher nur etwa t mittels chemischen Faserrecyclings aufgearbeitet, was einer % Recyclingquote von gerade mal 0,1 entspricht. 5

6 2. Marktentwicklung Welt, Europa Globale Trends in PET Flaschen Recycling und Verarbeitung Die präsentierten Zahlen, die von verlässlichen Marktforschungsstudien stammen, beziehen sich auf das Jahr Weltmarkt: Flaschensammlung 2008 (Abb.1) (Quelle PCI) Von den 22,2% Europa = 1,08 Mio t/a entfallen auf Deutschland etwa t/a bei einer derzeitigen Aufarbeitungskapazität von etwa t/a, d.h. z.z. wird lediglich eine Auslastung von etwa 75% erreicht. davon 1,1 Mio t/a Import 6

7 Weltmarkt: Sammelrate in 2008 (Abb. 2) (Quelle PCI) 7

8 Weltmarkt: Trend der Sammelrate bis 2018 (Abb. 3) Sammelrate 2010 etwa 28% (Quelle PCI) 8

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10 3. PET Flaschenrecycling 3.1 Sammlung ~ Weltweit sehr unterschiedliche Sammelsysteme und Vorschriften ~ Führende Sammelnationen sind China, Japan und die Schweiz (1,8 R/Flasche, PRS sammelt), sehr unterschiedliche Triebkräfte und Sammellogistik ~ unübersichtliche Lage in Deutschland durch Pfandbestimmungen, Mehrwegflaschen und Importlizenzen auf Einwegflaschen ohne Pfand, Preis der Sammelware als Triebkraft der Marktentwicklung ~ Viele Supermärkte nutzen mittlerweile hochmoderne Rücknahmeautomaten (z. B. von Tomra), die mittels Materialerkennung eine Trennung am Anfallort gewährleisten 3.2 Aufarbeitung zu PET Flakes und Re Granulat ~ Heute gibt es eine Vielzahl konkurrierender Aufarbeitungsverfahren und Verfahrensanbieter ~ Prinzipiell zu unterscheiden Herstellung von Flakes amorph / feucht diverse Anbieter Flakes kristallin / trocken URRC Feingut kristallin / trocken Phoenix 10

11 Zusammenstellung wichtiger Anlagen und Technologielieferanten (Tabelle 1) Firma Land Internet Sorema Plastic Recycling Italy Systems Amut SpA Italy Herbold Meckesheim Germany GmbH Sikoplast GmbH Germany Krones AG Germany Hunkler Systeme Germany systems.com Retech Recycling Sweden OCI GmbH Navarini Switzerland Zhangjiagang Xinke China Machinery Co., Ltd. RRT Design & USA Construction PPS Recovery Systems Ltd USA ltd.com Polymer Recovery Systems, Inc United Resource Recovery Corp. Phoenix Technologies International Ltd USA USA USA

12 PET Ballen Beispiel einer PET Flaschen-Waschanlage (Quelle Coca Cola, Abb. 5) Etiketten/Papier Andere Polymere Ballenöffnung Heiße Vorwäsche Dampf-Spülung Automatische oder manuelle Sortierung Tenside/Soda/Säure Verschlüsse, PE, PP Etiketten Staub, Feinanteile Nassmühle PET FLAKES Waschen Schwimm-Sink- Trennung Spül-Kessel (einer oder mehrere) Trocknung und Windsichtung Mischsilo Lagersilo 12

13 Automatische Sortierung Besonders wichtig für die Effizienz der Flake Herstellung und Flake Qualität sind die integrierten Sortieranlagen PET Ballen Ballenöffnung Flaschensortierung Flakesortierung Firma Land Internet S&S, Se-So-Tec GmbH Germany Satake USA Inc USA NRT National Recovery Technologies USA MSS Inc USA Hamos GmbH Germany TiTech / Tomra Group Norway PST, Pellenc Selective Technologies USA Mogensen GmbH& Co. KG Germany Trocknung und Windsichtung Sensorsystems GmbH Germany Shanghai Machine Sorting Technology (MST) Co., Ltd China

14 Automatische Sortierung Beispiel einer Flake Sortieranlage von der Firma Unisort GmbH POWERSORT 200 Nassmühle Flakesortierung PET FLAKES Mischsilo Lagersilo 14 Trocknung und Windsichtung

15 Automatische Sortierung Beispiel einer Flake Sortieranlage von der Firma Unisort GmbH POWERSORT 200, einige technische Details Wirkprinzip: Laserspektroskopie hoher Geschwindigkeit Aufteilung des Flake Stroms in Teilströme Laserlicht Scanning Analyse des emmitierten Laserlichtes Fremdstofferkennung über hinterlegten Spektren Atlas Trennung der als Fremdkörper erkannten Flakes mittels Pressluft Bis zu Messungen pro Sekunde

16 3.3 Verarbeitung Verarbeitung und Endprodukte, im Durchschnitt des Weltmarktes in 2008 (Quelle PCI) (Abb. 6) Fasern 2,8 Mio t/a Sammlung Sortierung 4,9 Mio t/a PET Flaschen Prozessverluste 0,9 Mio t/a Im Markt verfügbare PET Flakes 4,0 Mio t/a Verpackungsbänder 0,2 Mio t/a Folie/Film für Tiefziehen 0,4 Mio t/a Abfall Produktsplit sehr unterschiedlich von Land zu Land, in China z.b. 80% Fasern und 20% andere Anwendungen Flaschen durch Streckblasen 0,5 Mio t/a B2B Prozess Andere Einsatzgebiete 0,1 Mio t/a 16

17 Verarbeitung und Endprodukte, Triebkräfte Fasern 2,8 Mio t/a Hauptsächlich Senkung Rohstoffkosten, heute zunehmend Marketingvorteile durch Umweltfreundlichkeit der Textilien, Folge ist z. B. Änderung der Anwendungsstruktur von PET Flasche zum R PET Textil Verpackungsbänder 0,2 Mio t/a Senkung der Rohstoffkosten ohne Beeinträchtigung der Qualität der Endprodukte Folie/Film für Tiefziehen 0,4 Mio t/a Senkung der Rohstoffkosten Flaschen durch Streckblasen 0,5 Mio t/a B2B Prozess Getränkehersteller wie Coca Cola oder Pepsi Cola zwingen den PEToder Flaschenhersteller zu einer bestimmten Recyclingrate, Triebkraft ist das Getränkemarketing, Coke USA 10% R PET, Coke EU 25% R PET in 2010, Pepsi 10% USA, Wal Mart 5% Verpackung in 2013 Andere Einsatzgebiete 0,1 Mio t/a Senkung der Rohstoffkosten, in vielen Fällen versucht der PET Verarbeiter dem Markt nicht über Regenerat Anteil zu informieren, z. T. negativer Marketingeffekt erwartet 17

18 3.4 Qualität und Qualitätskontrolle Typische Qualitätskennwerte für transparente und farblose Flaschen-Flakes zur Verarbeitung zu Stapelfaser Schüttdichte > 350 kg/m³ Feuchte < 1 % Flake-Größe < 10 mm Metalle < 5 ppm Papier, Holz, Glas < 20 ppm Polyolefine < 10 ppm Andere Verunreinigungen < 25 ppm Farbige Flakes < 500 ppm PVC < 5 ppm Weitere problematische Verunreinigungen: PLA oder PLA-Gemische wie z. B. Ecoflex, PA6, andere Polyamide wie MXD6 18

19 3.4 Qualität und Qualitätskontrolle (Tabelle 1) Methode Method / Standard Dichte DIN ISO 1183 Feuchte (Karl Fischer) DIN 53715/ DIN EN ISO Oberflächenfeuchte DIN / DIN EN ISO 585 Aschegehalt DIN EN ISO 60 / DIN EN ISO 1172 Thermische Analyse mittels DSC DSC-Tg DIN / DIN EN ISO / IEC 006 DSC-Tc DSC-Tm Farbe / Farbort mittels DIN 5033 Spektrophotometer einschließlich Probenvorbereitung Mikroskopische Inspektion MAKSC internal methods Probenvorbereitung einschließlich Bildbeurteilung Kofler Heizbankmikroskop Analyse der Flakegröße DIN Qualitative/quantitative PA MAKSC M1-M3 Verunreinigungen wie PVC Polyolefin Papier / Zellulose Flotierbare Feinanteile IR Spektroskopie DIN pat 3 Schüttdichte DIN Staubgehalt DIN

20 4. Entwicklung der Prozessstufen Traditionell: Sammeln / Sortieren Waschen / Aufarbeiten / Entwässern PET Flakes Kristallisieren der Flakes Trocknen der Flakes Extrudieren und Re Granulieren Kristallisieren Re Granulat Trocknen Re Granulat Extrudieren / Verarbeiten zu Endprodukten Faser, Film, Flasche, Formteil, sonstiges heute: Schmelzetrocknung Sammeln / Sortieren Waschen / Aufarbeiten / Entwässern Extrudieren unter Vakuum bei gleichzeitiger Entgasung / Entwässerung / 20

21 Zur Realisierung der Direktverarbeitung sind effiziente Vakuumentgasungs Extruder erforderlich Mögliche Maschinentypen: Einschneckenextruder mit einer oder mehreren Vakuumentgasungen Doppelschneckenextruder mit einer oder mehreren Vakuumentgasungen Ringextruder mit Vakuumentgasung Multirotationssystem z. B. Erema Effizienz mäßig z. B. Coperion, Berstorff, gute Effizienz z. B. 3+ Extricom, gute Effizienz, analog Doppelschnecke z. B. Gneuß Kunststofftechnik, hohe Effizienz Bei allen Systemen ist das richtige Design der Vakuumanlagen ausschlaggebend für den Erfolg. Weiteres Problem ist die effiziente und leicht handhabbare Abscheidung der anfallenden Oligomeren 21

22 Die bisher neueste Entwicklung am Markt für Entgasungsextruder ist das Multirotationssystem (MRS) von der Firma Gneuß Kunststofftechnik GmbH, das bei geringer Scherung eine hohe Oberflächenerneuerungsrate und eine zum Schneckendurchmesser große Entgasungsöffnung aufweist. Diese Technik erlaubt bereits bei moderaten Vakuum im Bereich von mbar umgebungsfeuchte PET Flakes ohne wesentlichen hydrolytischen Abbau zu extrudieren. Eine kurze Animation gibt etwas Einblick in das Verfahrensprinzip des MRS: mrs.wmv 22

23 5. Entwicklung der Verarbeitungsverfahren ~ Bis auf wenige Ausnahmen werden heute alle Polyester Produkte auch auf der Basis von Rezyklaten hergestellt ~ Folgende Produkte sind derzeitig noch problematisch: Reifencord, z. Z. nur von Teijin auf Basis von chemischem Recycling (hochreine Rezyklate) mechanische Rezyklate: zu hoher Schmutzanteil, Co Monomere Optische und technische Filme, dünne Filme biaxial orientiert: zu hoher Schmutzanteil, Co Monomere Verpackungsbänder höchster Festigkeit: Co Monomere Monofilamente: hohe Festigkeit und Hydrolysestabilität POY und DTY: nur in sehr begrenztem Umfang, problematisch sind Spinn und Texturierfähigkeit FDY: hohe Spinngeschwindigkeit, durch Verschmutzung zu viele Fadenbrüche PET Flaschen mit 100% Rezyklat: nur für geringer wertige Anwendungen 23

24 6. Faser / Textil Recycling ~ Heute vor allem Inhaus Recycling bei den Faser und Garnherstellern, realisiert über mechanische Aufarbeitung, nur Zwischenprodukt Recycling kein echtes Textil Recycling ~ Textil Recycling muss in der gesamten Wertschöpfungskette organisiert werden, vom Textildesign (monopolymere Textilien) bis zu Rücknahmesystemen ~ Erste ernst zu nehmende Projekte von Teijjn in Kooperation mit großen Textilherstellern in China (Yizheng), Großbritannien (Marine Ausrüstungen) und Südamerika (Patagonie Projekt) ~ Es müssen geschlossene Stoffkreisläufe etabliert werden (Credle to Credle oder C2C) ~ Wegen feinster Verteilung der Fremdstoffe (Textilfaser, Schweißrückstände, Staub) nur chemisches Recycling über z. B. Druck Methanolyse DMT und Hydrolyse des DMT PTA 24

25 7. Ausblick ~ Die Polyester Recycling Industrie (Basis PET Flasche) wird weltweit weiter kräftig wachsen. Im Vergleich zum Wachstum bei Neuware mit 4 8 %/a sind Wachstumsraten von 5 15 %/a realistisch. Die heute durchschnittliche Sammelrate von 25% bietet ein gutes Potential. ~ Erfolgreiches PET Recycling wird zunehmend vertikal integriert sein. ~ Der wirtschaftliche Erfolg neuer Anlagen zur Herstellung von Flaschen Flakes wird vor allem von der Flake Qualität und der Anlagengröße bestimmt. ~ In Europa und USA wird vor allem die Wiederverwendung zur Herstellung von Flaschen und Folien im Vordergrund stehen (B2B), wogegen in Asien die Umwandlung zu Fasern und Filamenten weiter dominiert (B2F). ~ Beim Polyester Textil Recycling wird eine wesentlich langsamere Entwicklung erwartet, da die Anpassung ganzer Produkt und Industriestrukturen an einen Recyclingprozess erforderlich ist. 25