Perspektiven und Herausforderungen beim Einsatz und Recycling von Biokunststoffen Anna Dörgens, IfBB Hochschule Hannover

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1 Perspektiven und Herausforderungen beim Einsatz und Recycling von Biokunststoffen Anna Dörgens, IfBB Hochschule Hannover

2 1. IfBB 2. BIOKUNSTSTOFFE 3. MARKTÜBERBLICK 4. ABFALLAUFKOMMEN 5. RECYCLING 6. FAZIT & AUSBLICK

3 IfBB

4 IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover Gründung: 2011 (Konsequenz stetig gewachsener Forschungsaktivitäten) Leitung: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres (seit 1999 an der Hochschule Hannover) ca. 30 Mitarbeiter Foto: Ksenia Kuleshova ca. 3 Mio. Euro Jahresumsatz enge Vernetzung mit der Industrie Arbeitsschwerpunkte im Bereich Biowerkstoffe Foto: Ksenia Kuleshova

5 Forschungsschwerpunkte Biokunststoffe Materialentwicklung und -charakterisierung Verarbeitungstechnik, Prozessoptimierung Drei Biopolymerdatenbanken End-of-life-Options Ökologische Bewertungen Informationsbereitstellung (Marktentwicklung, Datenbanken, ) Thermoplastische Verbundwerkstoffe Werkstoffrezeptur (Fasern, Haftvermittler, Additive, Matrixpolymere) Verfahrensoptimierung (Compoundierung, Spritzgießen, Up-Scaling) Cellulosebasierte Naturfasern Faser- und Partikelcharakterisierung Einsatz als Verstärkungskomponente in Bioverbundwerkstoffen Foto: David Carreno Hansen

6 BIOKUNSTSTOFFE

7 Was sind Biokunststoffe? Keine neuartige Werkstoffgruppe, sondern Eingruppierung in die Klasse der Kunststoffe Vorteile von Biokunststoffen erneuerbare Rohstoffbasis Rohstofferzeugung für Biokunststoffe erfordert weniger Energie neuartige Werkstoffeigenschaften in Gebrauch und Verwendung vielfältige Entsorgungsmöglichkeiten (Stoffliches Recycling, Kompostierung, klimaneutrale energetische Verwertung) Einteilung Abbaubare petro-basierte Biopolymere Abbaubare (überwiegend) biobasierte Biopolymere Nicht abbaubare, beständige biobasierte Biopolymere In der Marktbetrachtung erfasste Werkstoffe: Blendkomponenten: PBAT, PBS, PCL PLA & PLA-Blends, Stärkeblends, PHA, Celluloseregenerate (CH-Folien), Cellulosederivate (nur abbaubare Typen) Bio-PET 30, Bio-PE, PTT, Bio-PA, PEF, Bio-PC, Bio-TPE/PUR

8 Biokunststoffe basieren auf nachwachsenden Rohstoffen nachwachsende Rohstoffe biobasiert und bioabbaubar Biokunststoffe Biokunststoffe nicht abbaubar konventionelle Kunststoffe petrochemische Rohstoffe Biokunststoffe abbaubar bioabbaubar Quelle: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths; Engineering Biopolymers, Carl Hanser-Verlag, 2011

9 Generationenvergleich Biokunststoffe Old Economy New Economy Kautschuk Celluloseregenerate Celluloseacetate Linoleum etc. Chemisch neu PLA PHA PEF Stärkeblends etc. Drop-Ins Bio-PA Bio-PE Bio-PET Bio-PP etc.

10 Entwicklung der New Economy -Biokunststoffe Quelle: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths; Technische Biokunststoffe, 2-te Auflage, Carl Hanser-Verlag, 2015

11 MARKTÜBERBLICK

12 Trends: Marktsegmente Produktionskapazitäten New Economy-Biokunststoffe 2016 Quelle: Biopolymers facts and statistics, 2017, Herausgeber: IfBB, ISSN: (print), (online)

13 Trends: Marktsegmente Produktionskapazitäten New Economy-Biokunststoffe 2021 Quelle: Biopolymers facts and statistics, 2017, Herausgeber: IfBB, ISSN: (print), (online)

14 Markttrends Mittleres Wachstum von mehr als 350 %, größtenteils in Asien (> 80 % bis 2021): 2,0 Mio. Tonnen 9,2 Mio. Tonnen Treiber: Biobasiert, nicht bioabbaubar (Bio-PE, Bio-PET 30 etc.): 63 % (2016) 82 % (2021) Bioabbaubaure (PLA, PHA, Stärke-Blends etc.) wachsen stetig: 0,7 Mio. t. (2016) 1,6 Mio. t. (2021) Verpackungen weiterhin wichtigste Biokunststoffanwendung: 70 % (2016) ~ 83 % (2021) Flächenbedarf verdoppelt sich, ist aber insgesamt gering: 0,67 mio. ha (2016) 1,32 mio. ha (2021)

15 ABFALLSTROM

16 Abfallhierarchie Vermeidung Zweck des [Kreislaufwirtschaft]Gesetzes ist es, die Kreislaufwirtschaft zur Schonung der natürlichen Ressourcen zu fördern und den Schutz von Mensch und Umwelt bei der Erzeugung und Bewirtschaftung von Abfällen sicherzustellen Wiederverwendung Recycling Sonstige Verwertung Beseitigung Abfallhierarchien nach 6 KrWG (RL 2008/98/EG)

17 Aktuelle Entwicklungen Zur Einordnung: Bislang hat die Menschheit rund 8,3 Mrd. Tonnen Kunststoffe produziert. Europaweit fallen jährlich knapp 26 Mio. t Kunststoffabfälle an: 30 % >>>>> Recycling 70 % >>>>> Export, Deponierung, energetische Verwertung und Littering Deutschland: 1,5 Mio. t Kunststoffabfall pro Jahr nach China EU-Abfallrichtlinie + Plastikstrategie 2030 der EU-Kommission EU-weite Verpackungs-Recyclingraten bis 2025: 65 % und bis 2030: 70 % Gesamtes Verpackungsmaterial soll bis 2030 recycelbar sein. Förderung biologisch abbaubarer Ersatzprodukte mithilfe von EU-Programmen Einrichtung von Abfallsammelstellen für Schiffe in Häfen (Vermeidung der Entsorgung auf See) Kampf gegen Mikroplastik-Partikel bspw. in Kosmetikpräparaten Verpackungsgesetz ab (ersetzt bisherige Verpackungsverordnung)

18 Aktuelle Entwicklungen 1 Absatz 1 der Verpackungsordnung (VerpackV): wonach nicht-vermeidbare Verpackungsabfälle vorrangig wiederverwendet bzw. verwertet werden sollten VerpackG ( ): deutliche Erhöhung der Quoten für das werkstoffliche Recycling + Verschärfung einiger Pflichten und Definitionen des VerpackG 21 Ökologische Gestaltung der Lizenzentgelte Recyclingfreundliche Verpackungen und die Verwendung von Rezyklaten sowie von nachwachsenden Rohstoffen zu fördern

19 Biokunststoffe & Kommunikation Retten Biokunststoffe die Welt? auf Basis nachwachsender Rohstoffe besteht aus Naturmaterialien aus Zucker, Mais Baumsaft schont die Ressourcen 100 % Nature biobasiert 100 % biologisch abbaubar Alternative zu Plastik kompostierbar 0 % PVC No Plastic schadstofffrei Environmentally safe nachhaltig Ökokunststoff Holz-Kunststoff Biokunststoff Bioplastik Natureline, Raw Earth, Greenline Bildquellen Beispielprodukte: 4e solutions GmbH, Asean Corporation, BioFactur GmbH, Capventure BV, Clipart-Truhe modifiziert nach depositphotos.com, Emtec, fischerwerke GmbH & Co. KG, Haas Bürstenfabrik, IfBB, Matley Srl, Nowaste GmbH, Schüco International KG, PUMA Europe GmbH

20 Biokunststoffe & Kommunikation Wie könnten Biokunststoffe besser vermarktet bzw. kommuniziert werden? Transparent Ehrlich (ggf. mit Label) Genormte Prüfmethoden: Bioabbaubarkeit (DIN EN 13432) C14 - Messungen (ASTM D ) Nachwachsender Rohstoffanteil LCA / Lebenszyklusanalyse (DIN ISO 14040) Ökobilanz und Nachhaltigkeitsbewertung Quelle: European Bioplastics e. V. Quelle: Vinçotte Quelle: Vinçotte Quelle: Vinçotte Quelle: DINCERTCO

21 Entsorgungsoptionen von Biopolymeren Quelle: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths; Technische Biokunststoffe, 2-te Auflage, Carl Hanser-Verlag, 2015

22 RECYCLING

23 Forschungsverbund,,Nachhaltige Verwertungsstrategien für Produkte und Abfälle aus biobasierten Kunststoffen Trägerschaft und Finanzierung: über Teilvorhaben 4: Aufbereitung und werkstofflicher Wiedereinsatz von biobasierten Kunststoffen aus Produktionsabfällen Bearbeitung: und Das diesem Vortrag zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) unter den Förderkennzeichen , , , , gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

24 PLA-Materialien für Recyclingstudie pre-consumer PLA-Abfall = vor der Gebrauchsphase, Müll/Abfallstoffe, die bereits während des Herstellungsprozess oder Produktion entstehen, idr. niedriger Verunreinigungsgrad PLA Papier Druckfarbe, Kleber post-consumer PLA-Abfall = nach der Gebrauchsphase, vom Endverbraucher erzeugter Müll/erzeugte Reststoffe, idr. hoher Verunreinigungsgrad PLA (73,54%) Fremdpolymere (5% Polyolefine, 1,3% PET) Papier, Druckfarben, Schmutz, Staub, Kleber (22,6%) Foto: Fraunhofer IVV Foto: WKI Anna Dörgens

25 Wieso PLA? Kommerziell verfügbar Preistechnisch konkurrenzfähig Einsatz nachwachsender Rohstoffe Breite Rohstoffbasis Neues Polymer, keine Erfahrungen bzgl. Recycling Polymer Bio-PET 100 Bio-PE PLA Beständigkeit Beständig Beständig Abbaubar Preis X 2,50 2,50 Rohstoffeinsatz pro kg Polymer (Mais) 4,56 kg 7,06 kg 2,39 kg Verarbeitung von Bio-PET und Bio-PE ist identisch zu petro-basierten PET und PE Im Gegensatz zu PET und PE ist PLA ein relativ neuer Werkstoff

26 Erfassung und Sortierung von PLA-Verkaufsverpackungen Erfassung über das Duale System (gelber Sack) Derzeit keine sortenreine Sortierung, da zu wenig PLA im Abfallstrom ist PLA kann durch NIR-Technik von PET und PS unterschieden werden NIR-Geräte können auf PLA-Blends und Verbunde trainiert werden PLA Verpackungen werden derzeit verbrannt oder als Ersatzbrennstoff genutzt

27 NIR-Beispielspektren Inhalte von Fraunhofer IVV erarbeitet siehe Veröffentlichung Bioverpackungen wiederverwerten in Kunststoffe 7/2013 Seite 27

28 Mechanisches Recycling Pre-Consumer Abfälle PLA Joghurt Becher Stanzabfall sortenreiner Kunststoffabfall PLA Regranulat IfBB darin enthalten: Etikettenreste Klebstoffreste IfBB IfBB

29 Ablauf der mechanischen Aufbereitung zu PLA-Rezyklaten IfBB Herstellung von PLA-Joghurtbechern Sammlung und Lagerung der Produktionsreste IfBB Zerkleinern Störstoffabtrennung Siebung IfBB Störstoffabtrennung Windsichtung IfBB PLA-Mahlgut PLA-Regranulat Extrusion inkl. Schmelzefiltration IfBB IfBB IfBB

30 Rezyklat-Stabilität bei Lagerung >3 Jahre Witterung (u.a. UV-Strahlen, Niederschläge, ) Lagerung PLA Regranulat Die witterungsbelastete Lagerung über >3 Jahre hat einen negativen Einfluss auf: mittlere Molmassen um 20 % reduziert veränderte Fließeigenschaften, MFR-Wert steigt um das 2,5-fache an verringerte mechanische Kennwerte bei der nominellen Bruchdehnung (30 %) und der Schlagzähigkeit (25 %) Farbveränderung über die Zeit

31 Analyse der Störstoffe im PLA-Mahlgut Defekt2 Position [mm] ,6.39,34.25 Volumen [mm 3 ] 1.78 Wahrscheinlichkeit Durchmesser [mm] 6.60 Defekt1 Position [mm] -6.06,8.53,31.13 Volumen [mm 3 ] 4.05 Wahrscheinlichkeit Durchmesser [mm] 5.98 Defekt3 Position [mm] 50.43,6.98,58.39 Volumen [mm 3 ] 0.76 Wahrscheinlichkeit Durchmesser [mm] 4.61 Störstoffanteil beim PLA-Mahlgut = 0,071 % IfBB IfBB

32 Eigenschaften der Mahlgüter

33 Optimierung des Rezyklats durch Schmelzefiltration PLA-Regranulat signifikante Verringerung der Kontaminationen IfBB IfBB PLA-Mahlgut PLA-Regranulat Störstoffanteil beim PLA-Mahlgut = 0,07 % Störstoffanteil beim PLA-Regranulat = 0,01 %

34 Eigenschaften Mahlgut vs. Regranulat IfBB

35 Einfärbung IfBB

36 Beeinflussung der Rezyklat-Qualität sachgerechte Lagerung der Abfälle Recyclingprozess sollte dem Material angepasst sein geringe Eigenfarbe geringer Störstoffanteil Produktdesign Ideal: z.b. gute Trennung von Kunststoff + Etikett

37 Potenzielle Einsatzgebiete Biokunststoff-Rezyklate anhand dieses PLA-Typs in kurzlebigen Produkten: im Garten- und Landschaftsbau im Verpackungs- und Transportsektor für Dekorationszwecke Allgemein gilt bei allen Rezyklaten: keine Zulassung im Lebensmittelbereich

38 Lösemittelbasiertes Recycling Inhalte von Fraunhofer IVV erarbeitet siehe IfBB-Webinar Verwertungsstrategien für PLA in Abfallströmen (Folie 13-24) Alle IfBB-Webinare der Webinarreihe Biowerkstoffe im Fokus! sind online verfügbar. Passwortgeschützte Inhalte werden auf Anfrage freigegeben. Seite 38

39 FAZIT & AUSBLICK

40 Fazit & Ausblick Biokunststoffe im Recycling Marktanteil hat steigende Prognose Biokunststoff-Abfall unterliegt der Abfallhierarchie Wiederverwertung / Recycling Drop-Ins unkritisch bzgl. Recycling (da chemisch identisch) neuartige Biokunststoffe: können mittels NIR-Spektroskopie erkannt werden Werkstoffliches/lösemttelbasiertes Recycling ist möglich können als Rezyklat erneut zum Einsatz kommen sollen vergleichbare Chancen zu konventionellen Kunststoff-Rezyklaten bekommen PLA-Mahlgut PP-Mahlgut IfBB IfBB

41 Veranstaltungshinweise 05. Juni Juni 2018 Englischsprachiges Webinar: Bio-based polymers and composites for technical applications in Zusammenarbeit mit dem Anwendungszentrum HOFZET des Fraunhofer WKI Vorveranstaltung des internationalen Workshops "Biocomposites for technical applications" im Oktober 2018 in London (Kanada). Webinar: Forschungsplattform BiNa Ergebnisvorstellung Das BiNa-Projektteam stellt seine Projektergebnisse vor und geht auf die Frage ein, ob Biokunststoffe in Herstellung, Nutzung und am Ende ihres Lebensweges wirklich nachhaltiger als ihre fossile Konkurrenz sind und welche Rolle Biokunststoffe dabei als Baustein einer Nachhaltigen Wirtschaft spielen können. Jeweils formlose Anmeldung über:

42 Weiterführende Links IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Häufig gestellte Fragen zu Biokunststoffen (FAQ) Link Biopolymers - Facts & statistics 2017 Link Forschungsprojekte des IfBB Link Newsletter des IfBB bestellen Link Bisherige Webinar-Aufzeichnungen des IfBB Link (kostenfrei abrufbar) Verarbeitungs-Datenbank Biopolymerdatenbank

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Anna Dörgens, M.Sc. Verbundprojekt: Funktionsintegrative und ressourcenschonende Leichtbaustruktur für die Luftfahrt, Rheologie, Verfahrenstechnik Extrusion Heisterbergallee 10A Hannover Raum: 4G.0.11 Tel.: