Circular Economy – geschlossene Stoffkreisläufe

Die Transformation hin zur einer klimaneutralen Industrie erfordert die Umgestaltung des Wirtschaftens, das heute noch überwiegend linear abläuft. Einen effektiven Lösungsansatz bietet dabei eine ressourceneffiziente und nachhaltige Circular Economy. Sie birgt ein hohes Potenzial für die Einsparung von Ressourcen und Treibhausgasemissionen.

Die Produktion und der Verbrauch von Grundstoffen und Produkten sind für einen bedeutenden Teil der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Beim heute noch dominierenden linearen Wirtschaften werden endliche Rohstoffe nur einmalig gebraucht und nach ihrer Nutzungsdauer entsorgt. Das steht einem nachhaltigen Umgang mit Ressourcen und einer klimaneutralen Zukunft entgegen. Das Konzept der Circular Economy hingegen sieht vor, Produkte, Werkstoffe, Energien, Ressourcen, aber auch Abfälle und Reststoffe nach ihrer Nutzungsdauer wieder in den Kreislauf zurückzuführen, um sie auf diese Weise so lange wie möglich weiternutzen, wiederverwenden und/oder recyceln zu können. Das schont Ressourcen und reduziert häufig Treibhausgasemissionen. Ein weiterer positiver Aspekt: Durch die Verlängerung des Produktlebenszyklus wird gleichzeitig der – vor allem in Kunststoffprodukten gebundene – Kohlenstoff gespeichert, der andernfalls wieder in die Atmosphäre entweichen würde.

Die Circular Economy ist ein systemtransformativer Ansatz. Das bedeutet: Sie fordert Optimierungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette: bei der Sammlung von Materialien, bei Produktentwicklung und -design sowie beim vermehrten Einsatz von Sekundärrohstoffen in der Grundstoffindustrie.

Das Konzept berücksichtigt zwei Hebel: Zum einen werden Produktkreisläufe geschlossen über Repair (Reparieren), Reuse (Wiederverwenden), Remanufacture (Wiederaufbereiten) und Recycling. Zusätzlich gibt es noch einen weiteren effektiven Weg, um Materialien, die der Natur entnommen wurden, möglichst lang und effizient zu nutzen: die „industriellen Symbiosen“ . Dabei verwendet ein Unternehmen Nebenprodukte und vermeintliche Abfälle, die in der Produktion eines anderen Unternehmens anfallen, als Sekundärrohstoff und kann dadurch wertvolle Primärrohstoffe ersetzen.

In der Grundstoffindustrie existieren bereits funktionierende Netzwerke für den Einsatz von Sekundärrohstoffen. Doch um die Stoffkreisläufe weiter zu schließen und Rohstoffe möglichst effizient zu nutzen, müssen neue Ansätze zur Sekundärrohstoffgewinnung und -nutzung entwickelt werden.

 

Industrielle Symbiose – Beispiel Integrierte Chemieparks

  • Kurze Transportwege durch Ansiedlung von Anlagen, die für die Produktion von Grundchemikalien und fertigen Chemieprodukten benötigt werden. Zum Beispiel stehen Elektrolyseure an Chemiestandorten, um den Transport von Chlor zu vermeiden, der für die Polyvinylchlorid-Herstellung benötigt wird. In integrierten Chemieparks werden die Betriebsgase, Wasser und Dampf zentral zur Verfügung gestellt, so dass z. B. ein Dampfkraftwerk mehrere Unternehmen über ein Pipeline-Netzwerk beliefert.
  • Wärmeintegration (d. h. die Nutzung von Wärme aus Abkühlprozessen zum Aufheizen in anderen Prozessen) nicht nur innerhalb von Unternehmen, sondern auch zwischen den Ortansässigen über ein Wärmenetzwerk.

 

Industrielle Symbiose – Beispiel Einsatz von Abfällen aus der Stahlbranche in der Zementindustrie

  • Die Hochofenschlacke, die in der Stahlbranche als Nicht-Eisen-Stoffstrom anfällt und daher in der Stahlproduktion keine Anwendung findet, wird als Rohstoff in der Zementindustrie eingesetzt. Der darin enthaltene Hüttensand ersetzt dabei das CO2-intensive Zwischenprodukt Klinker.
  • Die Transformation der Stahlbranche mit der Umstellung auf DRI-Verfahren sowie die Erweiterung des Stahlrecyclings in Elektrolichtbogenöfen führt dazu, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt wegfällt. Die Nutzungsmöglichkeiten von Elektroofenschlacken als Sekundärrohstoff in der Zementindustrie müssen noch weiter erforscht werden.

Nebenproduktnutzung – Beispiel aus der chemischen Industrie

  • Bei der Herstellung der Basischemikalie Chlor mithilfe der Chlor-Alkali-Elektrolyse fällt Natronlauge als Nebenprodukt an. Um dieses Nebenprodukt nutzen zu können, wurden neue Verfahren entwickelt. So wird Natronlauge heute in der chemischen Industrie als Neutralisationsmittel oder bei der Aluminium- und Glasproduktion eingesetzt. Auch bei der Weiterverarbeitung von Chlor zu Polyurethanen und Polyestern wird Natronlauge als Hilfsmittel genutzt.

Das Schließen von Kohlenstoffkreisläufen ist ein wesentlicher Aspekt auf dem Weg in eine klimaneutrale Zukunft. In einigen Prozessen der Grundstoffindustrie wird CO2 schon lange als Rohstoff eingesetzt, doch im Zuge der Industrietransformation werden neue Technologien und Wertschöpfungsketten entwickelt, die dessen Einsatzmöglichkeiten erweitern können. Das Recycling von CO2 (Carbon Capture and Utilization – CCU) hält das Treibhausgas im Kreislauf und reduziert die zu speichernden Mengen.

Eine besondere Herausforderung besteht darin, die Aufbereitung von genutzten Materialien zu optimieren. Denn die Materialqualität soll über viele Zyklen hinweg erhalten bleiben. Zurzeit kann nicht immer vermieden werden, dass im Recyclingprozess ein minderwertigeres Material als Sekundärrohstoff entsteht und damit ein sogenanntes Downcycling stattfindet. In einem solchen Fall ist für die Herstellung eines hochwertigen Produktes der zusätzliche Einsatz von Primärrohstoff unumgänglich. Daher werden bei vielen Materialien, wie z. B. Kunststoffen, bestehende Verfahren im Bereich mechanisches Recycling weiterentwickelt. Alternativ steht für bisher nicht recycelbare Produkte die Forschung und Entwicklung des chemischen Recyclings im Fokus.

Wiederverwendung und Recycling setzen voraus, dass die Produkte sortenrein getrennt werden können. Während bei der Wiederverwendung die Sortierung nach Produkt oder Produktkomponenten notwendig sind, bedarf es für das Recycling einer Zerlegung und Sortierung auf Material- bzw. Ressourcenebene, um gleichwertige Produkte wiederherstellen zu können. Auch innerhalb einer Materialiengruppe muss weiter getrennt, z. B. Glas farbenrein sortiert werden. Bei Kunststoffen müssen bei der Sortierung hingegen nicht nur die unterschiedlichen Farben berücksichtigt werden, sondern auch verschiedene Polymere (PET, PP u. v. m.) oder Zusatzstoffe, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften für unterschiedliche Anwendungen von Produkten einsetzen lassen.

Wiederverwendung bzw. Sortierungsablauf am Beispiel eines Gebäudes

Bei einem Gebäude können entweder das Gesamtbauwerk oder aber seine einzelnen Bauelemente (z. B. Aufzuganlagen, Wände) wiederverwendet werden. Ist eine Wiederverwendung z. B. aufgrund von Bauschäden nicht mehr möglich, wird das Gebäude abgerissen. Dabei kann eine Sortierung von Stahl, Kunststoffen, Glas und Beton etc. erfolgen, die das Recyceln der Materialien oder deren weitere Zerlegung auf Ressourcenebene ermöglicht.

Bei der Sortierung zur Wiederverwendung von Produktkomponenten oder dem Recycling der Materialien sind nicht nur die Sortiertechnik und die im Prozess verwendeten Sensoren und Analysemethoden entscheidend.  Auch ein zielgerichtetes Produktdesign ist eine wichtige Voraussetzung. Es bestimmt, ob und mit welchem Aufwand die Produktkomponenten bzw. Materialien voneinander trennbar sind. Neben dem Produktdesign ist die Digitalisierung der industriellen Produktion, zum Beispiel durch Tracking von Produktkomponenten, ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Das Tracking ermöglicht die Identifikation der einzelnen Komponenten und stellt damit eine Möglichkeit dar, die Sortierung zu erleichtern. (Quelle: EU-Kommission)

Nachdem eine Sortierung der Abfälle erfolgt ist, werden diese den verschiedenen Recyclingtechnologien der unterschiedlichen Branchen zugeführt. Einige Technologien sind schon seit Jahren etabliert und unterliegen Optimierungen hinsichtlich Effizienz und Verminderung von Verunreinigungen.  In anderen Branchen hingegen werden neue Verfahren erarbeitet und wettbewerbsfähig gestaltet.

In Deutschland werden aktuell 47 Prozent des Kunststoffabfalls recycelt (Quelle: Conversio). Neue Verfahren sollen die Möglichkeiten jedoch erweitern, unter anderem um das Potenzial des vorherrschenden Materialbedarfs zu nutzen: Zurzeit entspricht das gewonnene Rezyklat nur 13,7 Prozent des Materialbedarfs (Quelle: Conversio).

Der restliche Kunststoffabfall wird zu 34,3 Prozent in Müllverbrennungsanlagen und zu 18,5 Prozent als Ersatzbrennstoff in industriellen Prozessen energetisch verwertet, wobei CO2 entsteht. Das Kunststoffrecycling, auch stoffliche Verwertung genannt, erfolgt größtenteils werkstofflich, wobei die chemische Struktur (Zusammensetzung) sortenreiner Kunststoffe erhalten bleibt. Für die aktuell gängigen Verfahren des werkstofflichen bzw. chemischen Kunststoffrecycling wird eine hohe Reinheit der zurückgeführten Kunststoffe benötigt. Neue Recyclingverfahren, die auch gemischte Kunststoffabfälle verwenden können, haben entsprechend das Potenzial, die bisherigen Technologien zu ergänzen. Denn sie helfen dabei, den Anteil des energetisch verwerteten Kunststoffabfalls – und die damit zusammenhängenden CO2-Mengen – zu minimieren und das Rezyklat als Alternative zu fossilen Primärrohstoffen als Kohlenstoffquelle für neue Produkte zu nutzen.

Darstellung der Kohlenstoffkreisläufe im Kunststoffsystem.

Anders als bei CCU-Verfahren, müssen nicht aus einzelnen kleinen Molekülen (CO2 und H2) zunächst Molekülketten hergestellt werden. Vielmehr werden aus dem chemischen Recycling schon Baugruppen, Monomeren oder kurzkettigen Polymere gewonnen.

Überblick über verschiedene Kreisläufe für Plastik in einer Kreislaufwirtschaft. Abgeändert nach Crippa et al. 2019

Einen Überblick über die Technologien des chemischen Recyclings und den Stand der Technik gibt das von der IN4climate.NRW-Arbeitsgruppe Circular Economy erstellte Diskussionspapier „Chemisches Kunststoffrecycling“.

Glossar

Zentrale Begriffe rundum die klimaneutrale Industrie und innovative Zukunftstechnologien kurz erläutert.

Zum Glossar