Leistungsfähige Kunststoffe gehören zu den weltweit wichtigsten Werkstoffen und machen viele Anwendungen erst möglich, die für die industrielle Nutzung ebenso wie für unseren Alltag erhebliche Vorteile bringen. Allerdings werden sie meist aus fossilen Rohstoffen hergestellt, was entsprechende CO₂-Emissionen mit sich bringt. Zudem fallen allein in Deutschland pro Jahr mehr als 6 Millionen Tonnen kunststoffhaltiger Abfälle an, die rund zur Hälfte derzeit noch verbrannt statt werkstofflich verwertet werden.

»Der Ansatz, den im Kunststoff enthaltenen Kohlenstoff als Ressource zu betrachten und weiter zu nutzen, drängt sich deshalb auf. Voraussetzung für die Etablierung einer solchen Kreislaufwirtschaft ist es, kohlenstoffhaltige Bestandteile im Abfall besser zu erkennen, besser zu verwerten und daraus wieder hochwertige Ausgangsmaterialien für die Industrie zu machen. Mit unseren gebündelten Kompetenzen haben wir dafür im Leitprojekt individuelle und innovative Lösungen für sehr unterschiedlich zusammengesetzte Abfallströme gefunden«, sagt Prof. Dr. Erica Lilleodden, Gesamtprojektleiterin »Waste4Future« und Leiterin des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das die Federführung im Projekt hatte. Die Fraunhofer-Fachleute konzentrierten sich insbesondere auf die Nutzung von Kunststoffabfällen, die bisher nicht weiterverwertet werden können, und setzten dazu die sechs Forschungsschwerpunkte Bewertungsmodell, Sensortechnik, Sortiertechnik, werkstoffliches Recycling, chemisches Recycling und Fomulierungsentwicklung.

Um die neuen Möglichkeiten zu demonstrieren, haben sie eine Stuhlschale aus recyceltem Polyamid hergestellt. Der Kunststoff wurde automatisiert aus einem Abfallstrom heraussortiert, anschließend aufbereitet und dann im Spritzguss verarbeitet. Das Bauteilverhalten wurde mit Neuware sowie anderen verfügbaren Rezyklaten verglichen. Ergebnis: Die Recycling-Sitzschale ist in allen wichtigen Aspekten konkurrenzfähig. »Wir haben den Fokus auf Polyamid gelegt, weil es hier insbesondere eine hohe Nachfrage aus der Automobilindustrie gibt und der Bedarf in den kommenden Jahren durch strenge Regulierung noch steigen wird«, sagt Prof. Dr. Maik Feldmann, Technischer Projektleiter von »Waste4Future«. »Mit dem Demonstrator konnten wir im Konsortium den gesamten Weg vom komplexen Abfallstrom aus einer Schredderleichtfraktion über hochwertige Rezyklate bis zum neuen Produkt nachzeichnen und aufzeigen, in wie vielen Bereichen wir dabei gemeinsam Fortschritte erzielt haben.«

Herauszuheben ist die Entwicklung von Grundlagen für ein ganzheitliches Modell, das eine (Echtzeit)-Bewertung von (Kunststoff-)Recyclingprozessen nach ökologischen und ökonomischen Kriterien erlaubt. Das Modell ermöglicht Aussagen darüber, welche Qualität ein Abfallstrom hat und wie sich seine einzelnen Bestandteile mit möglichst hochwertiger Nutzung weiterverwerten lassen. »Wir haben durch digitale Zwillinge von Prozessen und Materialien eine Interaktionsmöglichkeit zwischen realer und virtueller Welt geschaffen«, sagt Dr. Gert Homm, Leiter des Teilprojekts »Entropiebasiertes Bewertungsmodell«. Dabei wurden auch ein Sortierdemonstrator (Multi-Sensor-System mit KI-basierter Datenauswertung) entwickelt und die grundsätzliche Eignung der THz-Sensortechnologie für die bisher kaum mögliche Sortierung schwarzer Kunststoffe nachgewiesen, die für die Sortierung realer Abfall-Fraktionen allerdings noch weiterentwickelt werden muss.

Erhebliche Fortschritte wurden bei der Bewertung von Rezyklaten (z. B. Alterungsprozesse) und in der Rezepturentwicklung (z. B. Additivierung) erzielt. So wurde die Online-Rheologie als schnelles Diagnose-Tool zur Rezepturentwicklung wie dem Einsatz von Prozess-Stabilisatoren bei Polyolefinen und Koppleradditiven zum Molmassenaufbau bei Polyamiden entwickelt. Bei Polyolefinen hat das Projektteam sogenannte Kipp-Punkte als Sortierkriterium für die kaskadierte Aufbereitung identifiziert. Mittels lösemittelbasierten Recyclings wurde die Herstellung hochreiner Kunststoffrezyklate erfolgreich umgesetzt. Es wurden geeignete Verwertungspfade für Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) und Polyamid (PA) aus Schredderabfällen konzipiert und dabei auch Massenbilanzen stark inhomogener Abfallströme (post-industrial und post-consumer Kunststoffabfälle) erstellt.

Für das chemische Recycling (Pyrolyse, Gasifizierung) ermöglicht das neuartige Entropiemodell eine ganzheitliche Bewertung kunststoffhaltiger Abfallströme. »Wir konnten zeigen, dass durch Gasifizierung und Pyrolyse auch Polyamid-haltige Fraktionen verwertet werden können, die nicht mehr mechanisch recycelbar sind«, sagt Dr. Jörg Kleeberg, Leiter des Teilprojekts »Chemisches Recycling«. Die Ergebnisse bilden die Basis für eine ASPEN-Modellierung, die auch als Grundlage für die Synthese völlig neuer Kunststoffe genutzt werden kann.

Bei allen Aktivitäten hatten die Projektpartner im Blick, dass innovative Lösungen nicht nur im Labor funktionieren müssen, sondern sich auf den Bedarf der Industrie skalieren lassen. Entsprechend nutzten die beteiligen Institute ihre erstklassige technische Ausstattung, um in vielen Bereichen bis in den Demonstrator- und Pilotmaßstab zu arbeiten. Dr. Elke Metzsch-Zilligen, Leiterin des Teilprojekts »Werkstoffliches Recycling« betont abschließend: »Wir haben stets das gesamte System betrachtet, einschließlich der ökonomischen Bewertung und regulatorischen Rahmenbedingungen. Die erzielten Optimierungen bei Sortierung, Aufreinigung, Verarbeitung recycelter Kunststoffe in hoher Qualität und Identifizierung passender Verwertungspfade bieten sehr attraktive neue Möglichkeiten etwa für die Abfallwirtschaft und die Chemieindustrie, bis hin zur Entwicklung ganz neuer Geschäftsmodelle.«

Die im Leitprojekt beteiligten Institute waren:

Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV

Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS

Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF