Edler Tropfen

Kunststoffe spielen im Frankfurter Industriepark Höchst seit fast 100 Jahren eine Rolle. 1928 begann die Firma Hoechst hier mit der Produktion von Polyvinylacetat. Später kam unter anderem Polyethylen (PE) hinzu, ein Polymer, das sich bis heute in vielfältiger Form in jedem Haushalt findet. 

Kreislaufwirtschaft – oder Circular Economy – stand in der Vergangenheit nicht im Fokus der Kunststoffwelt. Dass sich das gerade ändert, kann man auch im Industrie­park Höchst beobachten. Bei der seit 2021 hier ansässigen Firma Arcus Greencycling Technologies fahren regelmäßig Lkw vor und laden Big Packs mit zusammengepressten Kunststoffabfällen ab. „Das ist unser Rohstoff“, erklärt Geschäftsführer Daniel Odenthal. Die Schnipsel in den Ballen enthalten zum Beispiel das, was Haushalte über die in Deutschland übliche gelbe Tonne entsorgt haben und für das mechanische Recycling ungeeignet ist. Aber auch Industrieabfälle wie ausgediente Folien aus der Landwirtschaft oder Produktionsausschüsse nimmt Arcus gern.

In Deutschland landen derlei Abfälle bisher allerdings größtenteils in Verbrennungsöfen, anderswo auch auf Deponien. Arcus will sie so recyceln, dass andere Unternehmen daraus wieder neue Kunststoffe herstellen können – ein wichtiger Beitrag zur Circular Economy. Damit diese Verarbeitung gelingt, muss die Qualität der Zwischenprodukte gesichert sein. Und hier spielt Evonik eine wichtige Rolle.

Noch sind die Recyclingquoten bei Plastik sehr gering. Von den 2024 weltweit produzierten 431 Millionen Tonnen Kunststoff stammte nicht einmal jede zehnte aus wiederverwertetem Material. Dabei sind die Mengen an Kunststoffabfall gewaltig: 2022 etwa fielen weltweit fast 270 Millionen Tonnen an, davon gut ein Zehntel in der Europäischen Union. Nur knapp 38 Millionen Tonnen wurden davon global recycelt. Dagegen wurden 90 Millionen Tonnen thermisch verwertet – also zur Energiegewinnung verbrannt. Gut 103 Millionen Tonnen fanden ihr Ende auf einer Deponie.

Nur wenige Kunststofftypen werden sortenrein gesammelt und zurückgegeben. Getränkeflaschen aus Poly­ethylen­terephthalat (PET) sind eine der seltenen Ausnahmen. Bei ihnen gelingt es recht gut, das Material im Kreislauf zu halten, indem alte Exemplare gereinigt, geschreddert, geschmolzen und so zur Herstellung neuer Flaschen genutzt werden. Fachleute sprechen von mechanischem Recycling, wenn das Material im Zuge der Wiederverwendung chemisch unverändert bleibt.

Der große Rest gemischter Kunststoffabfälle, die nicht für das mechanische Recycling geeignet sind, ist ein Fall fürs chemische Recycling. Dabei werden die Polymere in Bestandteile zerlegt, aus denen man wieder neue Kunststoffe gewinnen kann.

Bisher spielt diese Technik mengenmäßig kaum eine Rolle, aber Firmen wie Arcus wollen das ändern. Dafür schlagen sie sich mit bunten Kunststoffgemischen herum, die nicht nur diverse Polymerklassen enthalten, sondern auch Zusätze wie Farbstoffe, Stabilisatoren, Weichmacher oder Flammschutzmittel. Hinzu kommen Verunreinigungen sowie Metalle oder Papier aus Verschlüssen und Etiketten. Ein chemisches Allerlei, das für mechanisches Recycling völlig ungeeignet ist.

Bei Arcus behandelt man solche Gemische mit Stickstoff und befördert sie dann per Saugschlauch in den Pyrolyseofen, das Herzstück der Anlage. Hier wird das ausgediente Polymer-Schnipsel-Gemisch unter Luft­abschluss auf mehrere Hundert Grad Celsius erhitzt. Weil Sauerstoff fehlt, werden die langen Molekül­ketten in kleinere Bausteine zerlegt, ohne zu verbrennen. So erhält man am Ende einer Pyrolyse ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, die, je nach Kettenlänge, als Gas, Flüssigkeit oder Feststoff anfallen.

Die Flüssigkeit, das Pyrolyseöl, macht dabei den Großteil aus und ist ein wichtiges Zwischenprodukt des chemischen Recyclings. „Aus einer Tonne Abfall erhalten wir abhängig vom Feedstock etwa 600 bis 650 Kilogramm Öl“, erklärt Dr. Marco Tomasi Morgano, der Technische Direktor (CTO) von Arcus. Mit dieser schwarzen Flüssigkeit verdient Arcus sein Geld. Abnehmer sind Betreiber von Steamcrackern, die damit einen Teil ihres erdölbasierten Rohstoffs er­setzen können.

In Steamcrackern entsteht das, was man für die ­Synthese neuer Kunststoffe benötigt, zum Beispiel ­Ethylen und Propylen. Diese Stoffe bilden nicht nur die Bausteine von Polyethylen und Polypropylen (PP), sondern sind auch an der Herstellung vieler weiterer Polymere beteiligt, etwa Polyvinylchlorid (PVC) oder Polystyrol (PS). Das Öl aus den Schnipseln alter Joghurtbecher oder Seifenspender liefert so das Ausgangsmaterial für neue Joghurtbecher und Seifenspender.

Steamcracker werden normalerweise mit Naphtha betrieben, einer bestimmten Fraktion aus der Erdöl­raffination. Prinzipiell können Steamcracker auch Pyrolyseöl verarbeiten. Allerdings bedarf dies einer Vorbehandlung. Das liegt daran, dass gemischte Plastikabfälle keine reinen Kohlenwasserstoffe sind. Ist etwa PVC enthalten, findet sich auch Chlor im Öl. Stickstoff wiederum kann über Polyamide, Polyurethane oder ABS-Copolymere eingetragen werden. Polycarbonate und Polyester bringen Sauerstoff mit, Silicone Silicium. Außerdem enthalten die Kunststoffabfälle Verunreinigungen wie zum Beispiel Lebensmittelreste.

Doch dabei wird es kaum bleiben. Das chemische Recycling von Plastik dürfte weiter an Bedeutung gewinnen, weil die politischen Rahmenbedingungen die Abkehr von fossilen Rohstoffen verlangen. Zudem ist es für viele Unternehmen attraktiv, mit einer hohen Recyclingquote ihres Produkts zu werben. Wer etwa sein Shampoo in eine Flasche abfüllt, deren Polypropylen zu 20 Prozent auf pyrolysierten Kunststoffabfällen basiert, darf diese Quote auch für sein Produkt reklamieren.

Hendrik Rasch, der sich bei Evonik als VP Circular Packaging & Plastic Recycling des Globalen Next Markets Programs mit Kreislaufkonzepten für die Kunststoffbranche beschäftigt, rechnet daher auch mit einer zunehmenden Verfügbarkeit von Pyrolyseöl. „Derzeit entstehen weltweit viele neue Pyrolyseanlagen“, so Rasch. Damit steige auch der Anreiz für die Betreiber von Steamcrackern, Pyrolyseöl aus Plastikabfällen in größeren Beimengungen einzusetzen.

Doch es bedarf neuer technischer Lösungen, denn die Verunreinigungen sind für die Betreiber ein Risiko. „Wenn ein Cracker stillsteht, kostet das Millionen Euro pro Tag“, stellt Rasch klar. Es gilt also, störende Verunreinigungen aus Pyrolyseölen herauszuholen. „Genau dafür haben wir Produkte entwickelt“, sagt Rasch.

Mit „wir“ meint er vor allem ein Evonik-Team im fast 8.000 Kilometer entfernten Little Rock. Die Kollegen in der Hauptstadt des US-Bundesstaats Arkansas befassen sich schon seit vielen Jahren mit Katalysatoren und Adsorptionsmaterialien. „Pyrolyseprozesse sind im Trend, und daher haben wir uns vor einigen Jahren gefragt, ob wir mit unserer Expertise nicht auch etwas zur Behandlung von Pyrolyseölen bereitstellen können“, erinnert sich Dan Miskin, Evonik-Chemie­ingenieur in Little Rock. „Eine Umfrage unter Pyrolysebetreibern zeigte dann, dass die Verunreinigung mit Chlor deren größtes Problem ist.“

Zwar gibt es schon lange Produkte, die Chlorverbindungen aus Flüssigkeiten oder auch aus Gasströmen abtrennen. Auch Evonik hat mit Chlorocel eine eigene Produktlinie dazu. Doch in Pyrolyseölen liegt das Chlor organisch gebunden vor, und da kommen herkömmliche Chlorfänger an ihre Grenzen.

 „Erst katalysiert das Material die Abspaltung von Chlorwasserstoff aus den organischen Molekülen“, so Miskin, „und danach wird dieses HCl direkt festgehalten.“ Den zweiten Schritt sofort an Ort und Stelle zu ermöglichen, sei wichtig, so der Chemieingenieur, da das reaktive HCl ansonsten erneut organische Chloride bilden könne. Dann wäre nichts gewonnen.

„Testreihen haben gezeigt, dass Purocel 505 dreimal so viel Chlor aus Pyrolyseölen herausholt wie herkömmliche Produkte“, sagt Hendrik Rasch. Ergänzt wird es im Evonik-Portfolio von Purocel 510 und 515. Für welchen Typ sich ein Anwender entscheidet, hängt von den jeweiligen Anforderungen ab. Purocel 510 ist in Sachen Chlor nicht so leistungsstark wie 505, holt dafür aber auch weitere Verunreinigungen wie etwa Silicium, Stickstoff, Phosphor oder etwaige Säuren aus dem Öl. Außerdem kann man das Produkt bei Raumtemperatur einsetzen und durch starkes Erhitzen wieder regenerieren – und damit erneut einsetzen.

Auf mehreren Kontinenten testen Betreiber von Steam­crackern die neuen Produkte bereits an Pyrolyse­ölen. Für Purocel 510 gebe es dabei auch ein Komplettpaket, so Rasch. „Da bieten wir unsere Rocket-Technologie an. Das sind maßgeschneiderte und vorkonfigurierte Kolonnenmodule mit dem Adsorbens, die wir mitsamt Pumpen und vollständiger Prozesssteuerung liefern.“ Ähnliche Lösungen von Evonik werden bereits in der Ölraffination eingesetzt, etwa um Geruchs- und Farbprobleme zu beheben.

„Heuti­ge Steamcracker wurden über Jahrzehnte optimiert“, so Odenthal, „aber eben für die herkömmlichen fossilen Naphtha-Qualitäten. Nur wenn es uns gelingt, Pyrolyseöle diesen standardisierten Qualitäten bestmöglich anzugleichen, werden sie noch besser akzeptiert werden.“

In der klassischen Petrochemie kennt man noch ein weiteres Verfahren, das das Adsorptionsverfahren bei der Aufreinigung von Pyrolyseölen ergänzen könnte: Hydro­treating. Dabei setzt man Wasserstoff zu, der dann mit chlor-, stickstoff- oder sauerstoffhaltigen Verunreinigungen zu flüchtigen Verbindungen reagiert. Für diese Technologie haben die Evonik-Experten in Little Rock Metallkatalysatoren entwickelt, die inzwischen in der Reihe Purocel H vermarktet werden.

Im Unterschied zu anderen auf dem Markt befindlichen Katalysatoren handelt es sich dabei um recycelte Produkte. Evonik setzt eine eigens entwickelte Technologie ein, die altersschwach gewordene Katalysatoren einer Verjüngungskur unterzieht. Danach stehen die Katalysatoren neuen Exemplaren in ihrer Leistung in nichts nach. Anwender, die auf diese Purocel-H-Typen setzen, sparen gegenüber neu hergestellten Katalysatoren nicht nur Geld, sondern verbessern durch die Wiederverwendung auch ihren CO₂-Fußabdruck.

Es ist also alles vorbereitet, um mit Pyrolyseölen aus Plastikabfällen dafür zu sorgen, dass mehr Kunststoff im Kreislauf bleibt. Das Potenzial wäre riesig: Aus den weltweit gut 200 Millionen Tonnen Kunststoffmüll, die 2022 verbrannt oder deponiert wurden, ließen sich theoretisch etwa 120 Millionen Tonnen Pyrolyseöl gewinnen. Noch fehlen freilich die Kapazitäten für solche Mengen. Arcus etwa verarbeitet derzeit gerade einmal 4.000 Tonnen im Jahr, plant allerdings den Bau einer Anlage mit sechsfacher Kapazität.

Bis auf Weiteres werden die meisten Steamcracker-Betreiber Pyrolyseöl ihrem Naphtha nur beimischen. Hendrik Rasch sieht aber gute Chancen, dass der Anteil weiter steigt: „Ich denke, dass hier mittelfristig zehn Prozent Öl denkbar sind.“ Dass dann Spuren von Chlor, Stickstoff, Sauerstoff oder Silicium keine Spielverderber sind – dafür sorgen Evonik-Produkte.