nt 02 | 2025 Im Kreis gedacht - Wege zur zirkulären Wirtschaft
Vom Problemstoff zur Ressource: Recycling von PET-Reststoffströmen zu Recycling-Bigbags
Moritz Mager, Nikolai Kuhn, Gerhard Bräuer, Jörg Fischer
Trotz der in den letzten Jahren ausgeprägten Volatilität des europäischen PET-Marktes befindet sich das PET-Recycling im Aufschwung. Mit einer installierten Recyclingkapazität von 3.2 Mt fällt 24 Prozent der gesamten europäischen Recyclingkapazität auf PET, wobei vor allem das Recycling von PET-Getränkeflaschen als Treiber gilt. Ab dem Jahr 2030 sollen verpflichtende Rezyklatgehalte eingeführt werden, die sich stark auf PET konzentrieren, da dieses Material die Möglichkeit bietet, wieder zu lebensmitteltauglichen Produkten recycelt zu werden. Für PET-Getränkeflaschen ist ein Mindestrezyklatgehalt von 30 Prozent vorgesehen, der bis 2040 auf 65 Prozent ansteigen soll.
Statistiken aus dem Jahr 2022 zeigen eine Recyclingrate von PET von 38 Prozent, womit rechnerisch die Anforderungen an den Rezyklatgehalt für das Jahr 2030 bereits erfüllt wären. Betrachtet man ausschließlich PET-Getränkeflaschen, so lässt sich eine Recyclingrate von 29 Prozent berechnen. Obwohl PET-Getränkeflaschen 85 Prozent der zur Wiederverwertung gesammelten PET-Verpackungsprodukte ausmachen, fließen lediglich 47 Prozent des Recyclingoutputs wieder in die Flaschenproduktion zurück. Dies verdeutlicht, dass ein erheblicher Anteil der Flaschenrezyklate nicht im geschlossenen Kreislauf verbleibt, sondern in Open-loop-Anwendungen wie Schalen, Fasern oder Umreifungsbändern verwendet wird. Ein unzureichendes Recycling von PET-Verpackungsprodukten außerhalb des Getränkeflaschensegments könnte daher die bestehenden Recyclingziele erheblich gefährden. Das Potenzial bestehender PET-Ströme bleibt weitgehend ungenutzt, da PET-Restfraktionen vorrangig der thermischen Verwertung zugeführt werden. Dies liegt unter anderem an der Heterogenität, da sich die Fraktionen aus diversen nicht-Getränke Flaschen (z.B. Essig, Öl, Haushaltsreiniger, Waschmittel), Monolayer-Trays (z. B. Schalen für Beeren oder Tomaten) und Multilayer-Trays (z. B. Wurst- und Käseverpackungen) zusammensetzen.
Recycling-Bigbag hergestellt aus der österreichischen PET-Restfraktion. Foto: JKU
Fallstudie im Rahmen des österreichischen Leitprojekts „circPLAST-mr“
Das Leitprojekt circPLAST-mr stellt ein kooperatives Großforschungsvorhaben der Kategorie „Industrielle Forschung“ dar, das im Rahmen der 1. Ausschreibung der FTI-Initiative Kreislaufwirtschaft vom Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK) gefördert und von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) abgewickelt wird. Eine übergeordnete Zielsetzung ist, bisher nicht genutzte Potenziale für das mechanische Recycling zu erforschen, um so einen Beitrag zu signifikant erhöhten Mengen von mechanisch recyceltem Kunststoff in Österreich zu leisten.
Im Zuge von circPLAST-mr wurde eine Fallstudie im Industriemaßstab durchgeführt, die das mechanische Recycling von bestehenden PET-Restströmen aus österreichischen Sortieranlagen und daraus resultierende Rezyklatqualitäten analysierte. Dafür wurden ca. 150 t sortierte PET-Ballen aus vier österreichischen Leichtverpackungs-Sortieranlagen in einer State-of-the-Art Recyclinganlage aufbereitet. Die zentralen Aufbereitungsschritte in der PET-Recyclinganlage waren eine sensorgestützte Nachsortierung auf Objektebene, eine Heißwäsche mit etablierten Trenn- und Zerkleinerungsverfahren (Windsichtung, Swim-Sink, Schneidmühlen) sowie eine Nachsortierung auf Flake-Ebene. Insbesondere die Nachsortierung auf Objektebene trägt entscheidend zur Endqualität bei, da die als Vorkonzentrat zu betrachtende Inputware in einer Rougher-Cleaner-Scavanger-Konfiguration1 aus drei Nahinfrarot-Sortierern aufkonzentriert wurde. Die Zusammensetzung der Reject-Ströme (nicht als Zielfraktion identifiziert) sowie der Eject-Ströme (als Zielfraktion identifiziert) wurde stichprobenartig erfasst, um einerseits die Effizienz der objektbasierten Nachsortierung zu ermitteln und andererseits die inputspezifischen Endqualitäten bewerten zu können. Insgesamt wurden fünf verschiedene PET-Restfraktionen betrachtet, die sich hinsichtlich Sortierort und Sortiercharakteristik grundlegend unterschieden. In diesem Artikel liegt der Fokus jedoch primär auf dem Open-loop-Einsatz der Rezyklate in rPET-Bigbags, wozu speziell Fraktionen mit vermeintlich minderer Qualität zum Einsatz kommen sollten. Somit wurden eine Tray-reiche Inputfraktion (PET-Tray) mit signifikantem Multilayer-Anteil sowie der Reject-Anteil (PET-Reject) einer flakesortierten, gemischten PET-Inputfraktion (PET-Mix) ausgewählt.
Inputzusammensetzung, Aufbereitung und Rezyklatqualität
Die Outputqualitäten werden maßgeblich durch die Zusammensetzung des Inputs beeinflusst. In Abbildung 1 sind die Zusammensetzungen der beiden Inputfraktionen nach der objektbasierten Nachsortierung dargestellt. Hierbei ist zu betonen, dass die Zusammensetzung der Inputfraktion PET-Mix lediglich als Indikator für die PET-Reject Outputqualität gewertet werden kann.
Zusammensetzung der Inputfraktionen vor der nassmechanischen Aufbereitung. Quelle: JKU
Die Zusammensetzung der Inputfraktionen für die nassmechanische Aufbereitung ergab einen Tray-Anteil von 70 Prozent für PET-Tray, wovon 21 Prozent auf Multilayer-Trays (zumeist PET/PE) entfallen. Im Vergleich dazu liegt der Tray-Anteil bei PET-Mix bei 24 Prozent (6 Prozent Multilayer). Das sprödere Materialverhalten von Trays im Vergleich zu Flaschen führte in der auf Flaschen abgestimmten nassmechanischen Aufbereitung zu Problemen, was aber durch eine inputspezifische Prozessführung kompensiert werden kann. Insgesamt ist zu erwarten, dass PET-Reject eine höhere Konzentration an Multilayer-Flakes als PET-Mix aufweist, da der Flakesorter unter anderem genau diese Kontaminationen ausschießen soll.
Insbesondere der Multilayer-Anteil ist eine Hürde für Closed-loop-Anwendungen, da dieser sowohl die Transparenz als auch die Aufkondensierung (Polykondensationsreaktion, um Polymerkettenkürzungen durch Prozess und Anwendung zu kompensieren) negativ beeinflusst. Derartige Nachteile sind in der Bigbag-Produktion größtenteils zu vernachlässigen, weil für die Anwendung grundsätzlich keine Transparenz nötig ist, die Möglichkeit der Einfärbung trotzdem gegeben ist, und selbst in der Produktion mit PET-Neuware die Zugabe von Low Density Polyethylen (LDPE) bei der Bändchenextrusion erforderlich ist. Demnach kann unter Umständen der Multilayer-Anteil zum Vorteil genutzt werden.
Für beide Outputfraktionen konnte der Aufbau der intrinsischen Viskosität (iV; Maß für die mittlere Kettenlänge) positiv simuliert werden, wenngleich die Aufbaurate aufgrund der Kontaminationen unter der von konventionellen Flaschenrezyklaten liegt. PET-Tray und PET-Reject wurden auf Flakelevel gemischt und zusammen aufbereitet. Die Polykondensation am Flake war durch den Multilayer-Anteil nicht möglich, da es bei den erforderlichen Prozesstemperaturen zu Agglomerationen kam. Daher wurden die Flakes als Zwischenschritt extrudiert, entgast, filtriert und granuliert, bevor der iV-Wert des Granulats im Solid State Polycondensation (SSP)-Reaktor2 erhöht wurde, um die Verarbeitbarkeit zu ermöglichen.
Durch die finale Herstellung des Webguts und das Nähen des fertigen Produkts konnte erfolgreich die Produktion eines Bigbags mit rPET aus dem PET-Reststrom demonstriert werden. Eine positive Beurteilung der Produkteigenschaften wird erwartet, ist aber derzeit noch ausständig. In weiterer Folge soll eine Lebenszyklusanalyse (LCA) durchgeführt werden, um die Umweltaspekte des in der Studie durchgeführten Recyclingprozesses zu beleuchten. Ein spezieller Fokus gilt dabei dem Vergleich mit konventionellen Flaschenrezyklaten und der Produktion aus Neuware.
Literatur
1Rougher-Einheiten zielen darauf ab, Zielmaterial positiv auszusortieren, während Cleaner-Einheiten Nicht-Zielmaterial aus dem Rougher-Auswurf negativ aussortieren. Scavenger-Einheiten gewinnen Zielmaterial aus dem Rougher- und Cleaner-Auswurf zurück und sortieren die Materialien für eine zweite Chance in den Eingangsmaterialstrom zurück. Definition aus: Xiaozheng Chen, Nils Kroell, Alexander Feil, Kathrin Greiff; Handbook of Recycling (Second Edition), Chapter 9 - Sensor-based sorting, Pages 145-159, Elsevier, 2024, Editor(s): Christina Meskers, Ernst Worrell, Markus A. Reuter, ISBN 9780323855143
2Informationen zum Polykondensations-Reaktor finden sich unter https://www.viscotec.at/our-rpet-product-line/viscostar/
Autor:innen
Dipl.-Ing. Moritz Mager, BSc, Institute of Polymeric Materials and Testing der Johannes Kepler Universität Linz, Österreich, PhD Student. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Nikolai Kuhn, MSc, Lehrstuhl für Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben, Österreich, PhD Student. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing. Dr.techn. Gerhard Bräuer, BSc, Starlinger & Co Gesellschaft m.b.H. viscotec, Österreich. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Jörg Fischer, Institute of Polymeric Materials and Testing der Johannes Kepler Universität Linz, Österreich, Projektleitung von circPLAST-mr. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!