Chemisches Recycling von Kunststoffen

Ein Schwerpunkt der Arbeiten von Fraunhofer UMSICHT im chemischen Recycling liegt auf problematischen, stark verunreinigten oder schadstoffbelasteten Kunststoffen und schwer recyclierbaren Verbundmaterialien, z.B. CFK und GFK (Windräder, Rotorblätter), Duroplaste, Harze oder Rückständen aus der Aufbereitung von Elektronikschrott (z.B. Leiterplatten) und Altfahrzeugen (z.B. Bremsbeläge oder Luftfilter).

Grundchemikalien aus Pyrolyseöl gewinnen

Häufig sind derartige Kunststofffraktionen reich an aromatischen Verbindungen. Diese Aromaten finden sich im Pyrolyseöl wieder, dies konnte durch GC-GC-MS-Analysen mehrfach validiert werden. Unter bestimmten Voraussetzungen ist es wirtschaftlich sinnvoll, diese Chemikalien direkt aus dem Pyrolyseöl zu extrahieren.

Fraunhofer bietet hier Technologieansätze, die vielversprechend sind: Beispielsweise konnte aus glasfaserverstärkten Kunststoffabfällen bereits ein Styrolkonzentrat erzeugt werden, das wieder zu Polystyrol polymerisiert wurde. Aus Leiterplatten konnte ein phenolreiches Öl hergestellt werden, aus welchem Phenol in kristalliner Form (> 99 % Reinheit) zurückgewonnen wurde.

Betreiber von Pyrolyseanlagen für das chemische Recycling von Kunststoffen stehen vor der Herausforderung, eine durchgehende Qualität der Pyrolyseöle sicherzustellen. Die Qualitäts-Schwankungen entstehen hauptsächlich durch die unterschiedlichen Zusammensetzungen der Input-Stoffströme. Es ist daher zielführend, die Abhängigkeit zwischen Input und Produkt kontinuierlich zu analysieren. Auf Basis der Analyseergebnisse können dann gezielte Maßnahmen ergriffen werden, zum Beispiel:

• Erweiterte Vorbehandlungsstufen (Sortieren, Waschen)
• Gezielte Anpassung der Parameter der Kernprozesse
• Optimierung der gesamten Prozessführung (z.B. des Wärmeeintrags) 
• Zusätzliche, nachgelagerte Aufbereitungs- und Reinigungsschritte

Im Bereich der aliphatenreichen Öle (z.B. aus Kunststoffen wie PP, PE ), die in erster Linie für die Herstellung von rohölähnlichen Produkten bzw. für die Kraftstoffsynthese genutzt werden, wird so eine Qualitätsteigerung für die industrielle Weiterverarbeitung angestrebt, z.B. in einem Steam-Cracker.  Anlagenbetreiber können durch diese Schritte die geforderten Spezifikationen der Industrie besser einhalten und damit Effizienz und Wirtschaftlichkeit ihrer Anlagen erhöhen.

Dehalogenierung von Pyrolyseprodukten

Fraunhofer entwickelt Aufbereitungs- und Reinigungsverfahren für Pyrolyseöle, vor allem in Hinblick auf Stör- und Schadstoffentfrachtung. Ein Fokus liegt auf der Eliminierung von halogenhaltigen, organischen Verbindungen (Dehalogenierung). Durch Cracken mit Hilfe von wasserstoffreichen Verbindungen werden beispielsweise Halogen-Kohlenstoff-Bindungen gespalten und schließlich als unschädliche Halogensalze aus dem Pyrolyseöl entfrachtet. Weitere Informationen zum Downstream-Processing von nicht-fossilen Ölen und Gasen finden Sie unter: Downstream-Prozesse

Mit der von Fraunhofer entwickelten iCycle-Plattform werden kunststoffhaltige Feedstocks unter sauerstofffreier Atmosphäre bei Temperaturen über 500°C pyrolysiert. Die zerlegten Polymere lagern sich in den Pyrolyseprodukten Öl und Gas an und können aus diesen extrahiert werden. Mit der iCycle-Plattform für Chemisches Recycling verfügt Fraunhofer über Anlagen im Demonstrationsmaßstab.

Innovative Wärmetauscher-Technologien

Die iCycle-Pyrolyse unterscheidet sich von anderen Pyrolysetechnologien vor allem durch patentierte, neuartige Wärmetauscher-Technologien, die einerseits einen energieeffizienten Betrieb der Anlage sicherstellen, andererseits eine optimale Wärmeübertragung auf das Einsatzmaterial und bestmögliche Temperaturführung ermöglichen.

Vom Abfall zum neuwertigen Produkt: Das Chemische Recycling (auch Rohstoffliches Recycling oder Feedstock Recycling) hat das Potenzial - als Ergänzung zum werkstofflichen Recycling -, eine effizientere, rohstoffliche Nutzung von Kunststoffabfällen zu erreichen. Kunststoffe, die derzeit nicht recycelt werden, können so als Alternative zur Verbrennung wiederverwertet werden.

Ziel ist es, die Wertschöpfungskette vom Kunststoffabfall zur recycelten Neuware zu schließen, vor allem auch für sensible Produktbereiche wie Lebensmittelverpackungen oder Spielzeuge.

Von den im Jahre 2017 in Deutschland angefallenen 6,1 Mio t Kunststoffabfällen wurden 2,8 Mio t werkstofflich recycelt. 3,2 Mio t wurden energetisch verwertet, also größtenteils verbrannt. Hauptsächlich waren dies gemischte Kunststoffabfälle und Rückstände sowie Sortierreste aus dem mechanischen Recycling.

Kunststoff-Verunreinigungen verhindern Recycling

Auch Verunreinigungen der Kunststoffe durch Glas, Metalle, Fasern, Holz, Papier, Pigmente, Additive oder Flammschutzmittel erschweren die Rezyklierbarkeit, weil der Anwendungsbereich der erzeugten Rezyklate stark eingeschränkt wird. Besonders in diesen Stoffströmen sollte ein chemisches Recycling in Betracht gezogen werden, denn es bietet die Chance, aus diesen Fraktionen chemische Grundstoffe für die Kunststoffproduktion zu gewinnen. Gelingt die Bereitstellung der Grundstoffe in Neuwarequalität und frei von jeglichen Stör- und Schadstoffen, können Kunststoffprodukte künftig ohne Zyklenbegrenzung wiederverwendet werden.

Technologieüberblick Chemisches Recycling

Mögliche technologische Verfahren für ein chemisches Recycling sind zum Beispiel Lösungsmittel basierte Prozesse wie die Solvatisierung oder Solvolyse, aber auch hydrothermale Mikrowellen sowie thermochemische Prozesse (Pyrolyse, Vergasung). Die Wahl des jeweiligen Verfahrens hängt stark von der Zusammensetzung und der Verunreinigung des Einsatzmaterials ab.

Pyrolyse ermöglicht dezentralen Anlagenbetrieb

Thermochemische Vorgänge bieten sich für besonders stark gemischte und verunreinigte Stoffströme an. Ein Vorteil speziell der Pyrolyse gegenüber der Vergasung ist die Möglichkeit eines dezentralen Betriebs.

Fraunhofer UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg blickt im Bereich der thermochemischen Verfahren auf eine langjährige Erfahrung zurück. Mit der iCycle®-Technologie ist es bereits gelungen, komplexe Stoffströme wie Elektronikschrott und Verbundmaterialien im Demonstrationsmaßstab (70kg/h) umzusetzen und dabei Fasern, Mineralien und Metalle zurückzugewinnen.

Im Bereich der Biomasse-Konversion steht mit der TCR-Technologie eine Plattform für die Synthese von grünem Rohöl für die Kraft- bzw. Wasserstoffproduktion zur Verfügung.

Advanced Recycling

Im Auftrag der Fraunhofer-Gesellschaft erforscht Fraunhofer UMSICHT zusammen mit fünf weiteren Fraunhofer-Instituten im Cluster Fraunhofer CCPE am Beispiel Kunststoff, wie die nachhaltige Transformation einer gesamten Wertschöpfungskette unter Prinzipien der Circular Economy erfolgen kann. 

Wir nutzen Advanced Recyclingtechnologien wie physikalische Recyclingtechnik, Solvolyse und Pyrolyse, um aus den branchenspezifischen Lebenszyklen des Kunststoffs Polymere und Monomere zu gewinnen, die sofort weiterverarbeitet und für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden können. Mittels Feedstocks, Additiven und Katalysatoren stellen wir die passende Testumgebung bereit.

Hier die Web-App öffnen: Fraunhofer Recyclingkaskade