pool-in-loop: Entwicklung eines energieeffizienten Depolymerisationsverfahrens für polyolefinhaltige Kunststoffabfälle mit Hilfe von Katalysatoren zur direkten Herstellung von Polymeren für Kunststoffneuware

Der Innovationsansatz

Die Partner von „pool-in-loop“ haben sich zusammengefunden, um polyolefinische Kunststoffabfälle, die bisher thermisch verwertet werden, chemisch zu recyceln. Zielprodukte sind Monomere, die direkt nach der Umsetzung der Kunststoffabfälle ohne aufwändige Zwischenstufen wieder für die Kunststoffherstellung verwendet werden können. Die Verfahrensentwicklung birgt Vorteile sowohl für die Abfallwirtschaft als auch für die Kunststoffhersteller. Zum einen können minderwertige Reststofffraktionen der rohstofflichen Verwertung zugeführt, zum anderen CO2-arme „recycelte Basischemikalien für die Kunststoffherstellung bereitgestellt werden. Dafür wird im Projektverlauf der Technologiereifegrad von aktuell 4 (Labormaßstab) auf 7 angehoben. Diese Entwicklung wird durch eine stetige Analyse möglicher Entwicklungspfade begleitet, wobei die ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen in die Betrachtungen mit einfließen.

Einordnung der katalytischen Spaltung in das übergeordnete Technologiefeld (© Prof. Mathias Seitz Hochschule Merseburg)

Innovationsgrad

Zur Entwicklung des Verfahrens ist eine eduktspezifische Anpassung der Katalysatoren sowie eine spezielle Formulierung dieser essenziell notwendig. Durch deren Einsatz werden hauptsächlich Gase unterschiedlicher Zusammensetzung mit kurzkettigen Olefinen wie Ethen, Propen und Butenen als Hauptkomponenten erzeugt. Diese lassen sich leicht über geeignete Verfahren von störenden Heteroatomen wie Chlor, Stickstoff-, Schwefel- und Sauerstoffkomponenten aufreinigen. Die übliche Aufreinigung der Pyrolyseprodukte durch eine Hydrierung und der damit verbundene Verlust der Olefine, sowie die Spaltung in einem Steam-Cracker-Ofen können so entfallen. Auf Grundlage von Versuchen im Labormaßstab konnte durch Berechnungen abgeschätzt werden, dass so eine deutliche Erhöhung der Ausbeute an Wertprodukten um 46 % und eine Einsparung von Treibhausgasen von 44 % möglich ist. Eine weitere Verbesserung der Treibhausgasemissionen kann über eine lastflexible Fahrweise erreicht werden. Je nach Angebot regenerativ erzeugter Energie können entsprechende Sortierfraktionen als Einsatzstoff, durch Anpassung der Fahrweise, zu Produkten mit unterschiedlicher Zusammensetzung umgesetzt werden.

Gesellschaftlicher Mehrwert

Die katalytische Spaltung hat, wie bereits dargestellt, das Potenzial, als nachhaltige und energieeffiziente Methode des chemischen Recyclings für polyolefinreiche Kunststofffraktionen etabliert zu werden. Sie zielt auf Reststofffraktionen (Post-Consumer) ab, die thermisch verwertet werden müssen, und stellt Ausgangsstoffe für die Chemie und die Kunststoffindustrie bereit. Das in "pool-in-loop" forcierte Verfahren ergänzt damit das werkstoffliche Recycling und ermöglicht die effiziente Schließung von Stoffkreisläufen. Durch die stoffliche Verwertung bislang nur thermisch genutzter Kunststoffabfälle werden Stoffströme in den Kunststoffkreislauf einbezogen, die bisher verloren gegangen sind. Damit werden die prioritären Ziele der Fördermaßnahme einer verbesserten Kreislaufführung für Kunststoffe und die damit verbundene Erhöhung der Wirtschaftlichkeit mit diesem Projekt direkt adressiert und verfolgt.

Mit dem geplanten Projekt soll die innovative Technologie der katalytischen Spaltung in einen industriellen Maßstab überführt werden, wobei Partner entlang des gesamten Wertschöpfungsnetzwerks am Projekt beteiligt sind.

Fortschritte und Ergebnisse der ersten Projektphase (Stand April 2025):

• Erfolgreiche Katalysatorenentwicklung: Um Polyolefine in Monomere, wie Propen, Butene und Aromaten zu spalten, müssen maßgeschneiderte Katalysatoren eingesetzt werden. Sie zeigen zum einen eine hohe Aktivität als auch eine gute mechanische Stabilität für die Wiederverwendung und die Abtrennung von Reststoffen. Im Labor konnten entsprechende Katalysatorsysteme formuliert werden, die keine nennenswerten Aktivitätseinbußen gegenüber reinem Katalysatorpulver zeigten. Auch die mechanische Stabilität konnte als geeignet eingestuft werden, sodass eine Skalierung auf über 100 kg pro Charge in einer industriellen Anlage erfolgreich durchgeführt werden konnte. Im weiteren Projektverlauf soll die Formulierung weiter optimiert und für andere Abfallströme angepasst werden.

• Kontinuierlicher Betrieb ermöglicht Prozessoptimierung: In einer Batchanlage im Labor wurden unterschiedliche Abfallchargen getestet, wobei selbst Abfälle mit einem hohen Fremdstoffanteil (Heizwert ca. 25000 MJ/kg) mit einer annehmbaren Produktausbeute umgesetzt werden konnten. In einer kontinuierlichen Laboranlage konnten die Ergebnisse verifiziert werden. Die Gasreinigung wurde im Labor erprobt und bestätigt die Umsetzbarkeit des Konzepts. Damit kann nun aufbauend eine Prozessoptimierung hinsichtlich der Einflussgrößen und der Katalysatorformulierungen erfolgen.

• Modellierung zeigt Chancen auf: Durch eine systematische Erfassung der Prozessdaten aller benötigten Teilschritte bis hin zum einsatzfähigen Monomer konnte der ökologische Mehrwert im Vergleich zu thermischen Pyrolyseverfahren ermittelt werden. Bezogen auf den Heizwert des Abfallstoffs können durch die katalytische Spaltung eine um 50% gesteigerte Ausbeute erreicht werden, weil energetisch aufwändige Prozessschritte der Aufbereitung entfallen können. Eine Validierung insbesondere der bisher getroffenen Annahmen soll durch die Inbetriebnahme einer Kleinanlage ab 2026 durchgeführt werden.