Recycling ist wichtig für Ressourcen- und Klimaschutz, aber gleichzeitig
nur eine von vielen Stellschrauben auf dem Weg zu einer nachhaltigen
Produktion und einer zirkulären Wertschöpfung. HSBI-Forschende aus dem
Transferprojekt InCamS@BI treffen sich im Labor der Kunststoffanalytik und
erörtern verschiedene Strategien. Zentral dabei: Den Punkt im Lebenszyklus
von Produkten herausfinden, der die meisten Ressourcen verbraucht und
genau dort ansetzen.

Bielefeld (hsbi). „Kunststoffe werden oft als Problem dargestellt – aber
ohne kommen wir nicht aus, schließlich sind Anwendungen aus Kunststoffen
für viele Probleme die Lösung. Dafür sind sauberes Trinkwasser aus PET-
Flaschen oder steril in Kunststoff verpackte Medizinprodukte nur zwei
Beispiele. Was wir ändern müssen, ist unser Umgang mit Kunststoffen“,
erklärt Dr. Matthias Pieper, während er ein Stück Stoff zerschneidet und
eine Probe davon in ein Infrarotspektrometer einspannt. Der Chemiker ist
Technologiescout in InCamS@BI, dem Innovation Campus for Sustainable
Solutions, einem Transferprojekt von Hochschule Bielefeld (HSBI) und
Universität Bielefeld. Mit seinen Kolleginnen Katharina Schnatmann und
Melina Gurcke spricht er anlässlich des Weltrecyclingtags über Recycling
und weitere Strategien, die für eine nachhaltige Produktion und eine
zirkuläre Wertschöpfung unerlässlich sind. In InCamS@BI arbeiten insgesamt
sieben Forschungsgruppen daran, Ideen für eine Kreislaufwirtschaft der
Kunststoffe zu entwickeln. „In unserer Forschungsgruppe Kunststoffanalytik
und Werkstoffprüfung analysieren wir die Verarbeitung und physikalischen
Eigenschaften von Kunststoffen, denn nur wenn diese passen, können
Rezyklate – also recycelte Kunststoffe – ein hochwertiger Ersatz für
Neuware sein“, so Pieper. Welche Methoden die Kunststofftechniker nutzen,
zeigt er heute im HSBI-Labor für Kunststoffanalytik.

Recycling ist eine Frage der Qualität

Der Weltrecyclingtag wurde erstmals 2018 von der Global Recycling
Foundation ausgerufen. Seitdem wird der 18. März jährlich genutzt, um
weltweit darauf aufmerksam zu machen, dass Recycling unerlässlich für den
Ressourcen- und Klimaschutz ist. Laut der Stiftung können durch Recycling
jährlich weltweit über 700 Millionen Tonnen CO2-Emissionen eingespart,
Arbeitsplätze geschaffen sowie unsere natürlichen Ressourcen Wasser, Luft,
Öl, Erdgas, Kohle und Mineralien geschützt werden.

Effektives Recycling ist jedoch eine Frage der Qualität: „Um sinnvolles
Recycling betreiben zu können, braucht es vorher eine gute Logistik, also
eine sortenreine Trennung der gemischten Kunststoffabfälle“, sagt
Katharina Schnatmann, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der HSBI. „Die
ist häufig nur beim Post-Industrial-Material gegeben, also bei den
Materialüberschüssen und Abfallmaterialien während der Produktion. Da weiß
das Unternehmen natürlich, um welchen Kunststoff es sich handelt, es gibt
noch keine Abnutzungsspuren, Alterung des Materials etc. Ein Recycling
dieses Materials ist also sehr effektiv. Aber der Inhalt des Gelben Sacks
oder der Wertstofftonne, auch Post-Consumer-Material genannt, ist oft
schwer ordentlich zu trennen, da viele Produkte aus Verbundstoffen
bestehen – es kommen sehr unterschiedliche Zusammensetzungen und
Qualitäten zusammen.“ Aus dem Gelben Sack kann dementsprechend nicht alles
recycelt werden: Laut Umweltbundesamt lag die tatsächlich erreichte
Zuführungsquote zur werkstofflichen Wiederverwertung von
Kunststoffverpackungen im Jahr 2022 bei 67,5 Prozent. Da die Qualität
meist deutlich schlechter als die der Ausgangsstoffe ist, spricht man hier
von Downcycling. Es handelt sich also eher um eine Abwärtsspirale als um
einen Kreislauf, denn: Nach mehrmaligem Recycling sind die Kunststoffe oft
nur noch thermisch verwertbar. Mit anderen Worten: Sie werden verbrannt,
um Fernwärme zu erzeugen oder Energie für Zementwerke zu liefern.

Recycling verändert die Eigenschaften des Materials

Die drei Technologiescouts Pieper, Schnatmann und Gurcke beobachten, wie
das Spektrometer kurz summt und nur Sekunden später auf dem Bildschirm ein
Kurvendiagramm erscheint. Pieper selbst ist Chemiker und erläutert seinen
Kolleginnen, die beide Elektrotechnikerinnen sind, die Ergebnisse: Bei der
roten Stoffprobe handelt es sich aller Wahrscheinlichkeit nach um
Polyethylenterephthalat, kurz PET, das Material aus dem Flaschen, Folien
und Textilfasern hergestellt werden. Die Probe des Stoffs kommt vom
Bielefelder Textilhersteller fast52, der mit InCamS@BI gemeinsam daran
arbeitet, seine Materialien künftig kreislauffähig zu gestalten. Für
fast52 ist es zentral, Textilreste und Rückläufer zu recyceln. Dafür muss
man die Eigenschaften des Materials aber genau kennen. „Eine
hundertprozentige Sicherheit haben wir mit einer einzelnen Methode in der
Regel nicht – die Analytik ist sehr aufwendig“, berichtet Pieper und fügt
schmunzelnd hinzu: „Was man aus Fernsehsendungen wie CSI Miami kennt,
funktioniert in der Wirklichkeit leider nicht: Es ist nicht möglich, eine
Probe an nur einem Gerät zu untersuchen und sofort zu wissen, um welches
Material es sich handelt und wo das Produkt herkommt. Damit das
funktioniert, bräuchten wir einen digitalen Produktpass.“ Ein solcher Pass
könnte eine Grundlage für maßgeschneidertes Recycling sein und ist eine
der Ideen, die im Projekt Smart Recycling Factory verfolgt werden.

Weiter geht es zur nächsten Station, der thermogravimetrischen Analyse.
Mit einem Brenner reinigt Matthias Pieper den winzigen Probenbehälter,
einen Tiegel. Nachdem dieser ausgebrannt ist und damit frei von
Rückständen, kann die Probe – wieder ein kleines Stück des Stoffes – mit
einer Pinzette im Tiegel platziert werden. Der Tiegel selbst sieht aus wie
ein winziger Korb, der anschließend mechanisch an einen Haken gehängt
wird, bevor er in einem kleinen Ofen auf 750 Grad Celsius hochheizt. Die
Probe wird jetzt vollständig verbrannt, und das Gerät misst den
Massenverlust. Der wiederum verrät dem Wissenschaftler, bei welcher
Temperatur niedermolekulare Verbindungen verdampfen oder Abbaureaktionen
stattfinden. „Was wir mit dieser Methode auch sehen können, ist, ob
Hilfsstoffe wie Glasfasern in dem Kunststoff verarbeitet sind, weil diese
nach der Verbrennung übrig bleiben“, sagt Pieper. Eine weitere Hürde, die
das Recycling erschweren kann.

Die drei wechseln jetzt zur letzten Station in diesem Labor: der
Dynamischen Differenzkalorimetrie. Hier erfahren die Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftlern mehr über Temperaturfenster, in denen physikalische
und chemische Prozesse stattfinden, die Energie benötigen oder freisetzen.
Damit können für die Untersuchung wichtige Kenngrößen wie die
Glasübergangs- und Schmelztemperatur der Kunststoffprobe bestimmt werden.

Was sich in allen Analysen zeigt: Jedes Recycling verändert die
Eigenschaften der Kunststoffe. Mechanisches Recycling oder thermische
Belastungen wie Einschmelzen oder Zusammenmischen mit Additiven verkürzen
die langen Polymerketten, aus denen Kunststoffe bestehen, wodurch sich die
Verarbeitungstemperaturen oder die Viskosität ändern. Auch mechanische
Kennwerte wie Zugfestigkeit oder Schlagzähigkeit ändern sich. All diese
Eigenschaften sind jedoch enorm wichtig für die verschiedenen
Produktionsprozesse.

R-Strategien für eine nachhaltige Produktgestaltung

In InCamS@BI werden neben dem Recycling jedoch noch weitere Ansätze,
sogenannte R-Strategien, betrachtet, mit denen Produkte nachhaltiger
gestaltet werden können. Um die Strategien anhand von konkreten
Gegenständen zu erörtern, geht die Gruppe in ein Büro der InCamS@BI-
Forschungsgruppe Zirkuläre Wertschöpfung, die im ITES, dem HSBI-Institut
für Technische Energie-Systeme, angesiedelt ist. Mit Zirkulärer
Wertschöpfung (auch Circular Economy oder Kreislaufwirtschaft genannt,
siehe Infokasten) setzen sich Melina Gurcke und Katharina Schnatmann
nämlich tagtäglich auseinander. Die „R-Strategien“ sind Folgende: Refuse
(Verzicht), Rethink (Überdenken), Reduce (Reduktion), Replace (Ersatz),
Reuse (Wiederverwendung), Repair (Reparatur), Refurbish (Instandsetzung),
Remanufacture (Aufarbeitung), Repurpose (Umnutzung), Recycle (Recycling)
und Recover (energetische Verwertung).

Doch was leisten diese Strategien im Einzelfall? Woher weiß man, welche
man anwenden sollte? Katharina Schnatmann erklärt: „Wir schauen uns das
ganze Leben eines Kunststoffproduktes an und unterteilen hier in drei
Phasen: In der Produktion beziehungsweise im Designprozess kommt es darauf
an, ein Produkt bzw. Teile eines Produkts entweder verzichtbar zu machen,
sie so zu konzipieren, dass sie klüger genutzt werden können oder sie
intelligenter herzustellen: Refuse, Rethink, Reduce, Replace. Die
Nutzungsphase von Produkten oder von einzelnen Bestandteilen kann man
entweder verlängern oder ihren Impact auf die Umwelt verringern: Reuse,
Repair, Refurbish, Remanufacture, Reurpose. Und am Produktlebensende
sollte man sich Gedanken darüber machen, wie die einzelnen Materialien
sinnvoll wiederverwendet oder zumindest energetisch verwertet werden
können: Recycle oder Recover. Dabei gilt, je früher im Leben eines
Produktes angesetzt wird, desto mehr Energie und Rohstoffe können
schlussendlich eingespart werden.“

Auf dem Tisch zwischen den drei InCamS@BI-Mitarbeitenden liegen
verschiedene Gegenstände, die teilweise oder vollständig aus Kunststoff
bestehen. Die Gruppe schaut sich die Gegenstände unter dem Gesichtspunkt
des Energieverbrauchs an: ein kleines Plastiktütchen, ein Wasserkocher,
eine Wasserflasche, ein Multimeter und eine Crimpzange. Die Produkte
gehören unterschiedlichen Kategorien an: Einwegprodukte wie das Tütchen
oder die PET-Flasche haben eine sehr kurze Nutzungsdauer. Die langlebigen
Produkte kann man auch nochmal unterteilen: Die Zange hat einen geringen
negativen Einfluss auf die Umwelt, weil sie nur in der Produktion Energie
kostet, danach aber lange genutzt werden kann. Ein Wasserkocher dagegen
verbraucht die meiste Energie während seiner Nutzungsphase und hat damit
einen hohen negativen Impact.
„Besonders gut sind langlebige Produkte mit einem positiven Impact wie zum
Beispiel Photovoltaik-Module. Sie kosten Energie bei der Produktion,
danach erzeugen sie jedoch deutlich mehr – bis zu ihrem Lebensende.
Trotzdem ist es auch hier wichtig, etwaige Probleme, die am Ende ihres
Lebens auftauchen könnten, bereits bei der Entwicklung mitzudenken“,
berichtet Katharina Schnatmann.

Unternehmen müssen anfangen, im Kreislauf zu denken

Das Ziel der Wissenschaftlerinnen ist es, Unternehmen zum Umdenken
anzuregen: „Recycling ist in den wenigsten Fällen die beste Lösung – meist
kostet es sehr viel Energie und führt zu Rezyklat von schlechterer
Qualität, das ‚nur‘ noch in die Produktion von zum Beispiel Blumentöpfen
oder Kunstrasenplätzen eingebracht werden kann“, so Gurcke, deren
Schwerpunkt auf der Energietechnik in der zirkulären Wertschöpfung liegt.
„Ein Unternehmen, das Produkte herstellt – und das bezieht sich nicht nur
auf kunststoffverarbeitende Betriebe – muss sich immer die Frage stellen,
in welcher Lebensphase das Produkt die meisten Ressourcen verbraucht. Zu
Beginn in der Produktion? Während der Nutzung? Oder am Lebensende durch
das Recycling? Und an genau dem Punkt, an dem die meisten Ressourcen
aufgewendet werden müssen, sollte man ansetzen. Recycling kann auch nur
dann nachhaltig sein, wenn das Verfahren effizient ist und die Energie,
die dafür aufgewendet wird, regenerativ erzeugt wird.“ Dafür sind die
R-Strategien eine gute Basis.

Pieper nimmt das Multimeter, ein Messgerät für elektrische Größen, in die
Hand, dreht und wendet es. Das Gehäuse und die Kabelummantelung sind aus
Kunststoff. Welche Strategien könnten hier angewendet werden? Seine
Kollegin Schnatmann ordnet ein: „So ein Gerät hat grundsätzlich eine sehr
lange Lebensdauer. Bis es kaputtgeht, vergehen Jahre oder sogar
Jahrzehnte. Hersteller können hier ansetzen, und das Multimeter so
designen, dass schnell verschleißende Teile wie Druckknöpfe oder Tasten
leicht ausgetauscht und das Gerät immer wieder repariert werden kann. Auch
völlig neue Systeme wie Sharing-Werkzeuge könnte man überlegen – dann
würde die Nutzung der Tools intensiviert werden.“ Der Chemiker schlägt
vor: „Auch die Wahl der Kunststoffe in der Produktion könnte überdacht
werden, um das Recycling am Lebensende des Produkts zu verbessern – müssen
es fünf verschiedene sein oder würden zwei Arten reichen? Das wäre dann
die Rethink-Strategie.“ Ganz gleich, welche der R-Strategien angewendet
wird – alle diese Wege führen in der zirkulären Wertschöpfung zu einem
nachhaltigeren Produkt.

Ein Wirtschaftssystem, das auf Werterhalt basiert

In ihrer Diskussion kommen Pieper, Gurcke und Schnatmann auch immer wieder
auf die Gesetzgebung zu sprechen: Es fehlt zum Beispiel an verbindlichen
Vorgaben und Normen. Das Kreislaufwirtschaftsgesetz regelt in erster Linie
Abfall. Es besteht jedoch Hoffnung, dass die Nationale
Kreislaufwirtschaftsstrategie der Bundesregierung einen ganzheitlicheren
Ansatz verfolgt.

Im Grunde genommen geht es immer um eines: Werterhalt. Für eine wirklich
zirkuläre Wertschöpfung braucht es dieses Umdenken jedoch nicht nur in der
Wirtschaft, sondern auch in der Politik und bei Verbraucherinnen und
Verbrauchern. Denn diese Transformation zu einem neuen Wirtschaftssystem
schafft unsere Gesellschaft nur gemeinsam.

Über InCamS@BI

Mit InCamS@BI, dem Innovation Campus for Sustainable Solutions,
positioniert sich die HSBI als innovative Transferakteurin im Feld der
Kreislaufwirtschaft. In dem fächerübergreifenden Projekt werden Ideen
generiert und Lösungen entwickelt, um Kunststoffe und deren Handhabung für
eine Kreislaufwirtschaft zu optimieren. Mit innovativen Formaten und einem
interdisziplinären Team gestaltet InCamS@BI den Austausch zwischen
Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. In dem Projekt werden
forschungsbasierte Transferstrukturen systematisch entwickelt, aufgebaut
und erprobt. InCamS@BI wird im Rahmen der Bund-Länder-Initiative
„Innovative Hochschule” von 2023 bis 2027 gefördert. Weitere
Informationen: www.hsbi.de/incamsbi