Die Kunststoffwirtschaft wird zirkulär

Wenn sich am Morgen des 1. Januars ein durchschnittlich gewachsener und normal ernährter deutscher Mensch auf die Waage stellt, wird der Zeiger wahrscheinlich irgendwo zwischen 70 und 80 kg [1] stehenbleiben. Je nach eigenem Anspruch und gesundheitlichem Wohlbefinden löst dieser Anblick Zufriedenheit oder tiefe Betroffenheit mit anschließendem Fassen strenger Vorsätze aus. Kaum jemand denkt darüber nach, dass bereits am Ende dieses einen Tages jeder Deutsche Rohstoffe mit einer Masse von etwa der Hälfte seines Körpergewichts verbraucht haben wird. 364 Tage später wird der Rohstoffkonsum das 200-fache seines Körpergewichts überstiegen haben: Mehr als 16 Tonnen werden es dann sein, die wir als Materialrucksack zusätzlich zu unserem Gewicht verursachen [2]. Dazu gehören Rohstoffe, die für die Produktion von Produkten der Endnachfrage (oder auch letzten Verwendung) genutzt, aus denen Lebensmittel erzeugt oder die für das Bereitstellen von Energie für die Sektoren Strom, Wärme und Verkehr umgewandelt wurden.

Die asymmetrische Verteilung des Pro-Kopf-Rohstoffkonsums in Verbindung mit der weiter wachsenden Weltbevölkerung führt zu einer prognostizierten Zunahme des weltweiten jährlichen Rohstoffverbrauchs von heute 90 Mrd. Tonnen [3] auf 150 bis 180 Mrd. Tonnen in 2050 [4]. Die Prognosen beruhen darauf, dass sich immer mehr Länder mit großen Bevölkerungszahlen in Asien und Afrika westlichen Infrastruktur-, Konsum- und Wohlstandsniveaus annähern, dass die Urbanisierung [5] mit extrem rohstoffintensiven Lebensstilen weiter voranschreitet und dass die Zahl der Menschen 2050 wohl die Marke von 9,5 Mrd. deutlich überspringen wird. Aus heutiger Sicht stellt das bezahlbare Versorgen mit Rohstoffen aus ihren natürlichen Quellen – trotz oder gerade wegen des technischen Fortschritts – eine große Herausforderung dar. Dabei geht es nicht nur um Mineralien, Metallerze, Biomasse und fossile Rohstoffe, sondern auch um die Ressourcen Wasser, Luft und Boden, die im anthropogenen Wirtschaftssystem Quellen- und Senkenfunktionen übernehmen. Dies hat die Weltgemeinschaft anerkannt, als sie sich im September 2015 zum Erreichen von 17 globalen Nachhaltigkeitszielen (Sustainable Development Goals SDGs) verpflichtet hat. Neben dem Einhalten von Menschenwürde und Rechtsstaatlichkeit, dem Vermeiden von Armut, Hunger und Diskriminierung zielen SDGs darauf ab, wirtschaftliches Wachstum und Wohlstand von der steigenden Nutzung natürlicher Ressourcen und den daraus resultierenden Folgen für die Umwelt zu entkoppeln [6].

Rohstoffbedarf durch gesteigerte Zirkularität decken

Zum nachhaltigen Management natürlicher Ressourcen hat das Konzept des „zirkulären Wirtschaftens“ (Circular Economy CE) international erheblichen Auftrieb erhalten. Ziel der Circular Economy ist es, die Rohstoffentnahme aus der Umwelt so zu steuern, dass die Quellen und Senken geschont und das aus dem Bevölkerungswachstum resultierende Konsum- und Wohlstandswachstum dauerhaft befriedigt werden kann. Dies soll gelingen, indem bewirtschaftete Materialien effizient verwendet und in anthropogenen Kreisläufen gehalten oder aus erneuerbaren Quellen gespeist werden. Damit ist nicht eine Drosselung der Produktion oder ein Verzicht auf Wachstum beabsichtigt, sondern der Rohstoffbedarf soll statt aus Rohstoffentnahme durch Steigerung der Zirkularität gedeckt werden [7].

Aktuell wird weltweit nur ein kleiner Teil des insgesamt verarbeiteten Materials im Kreis geführt: 7 % weltweit, knapp 15 % in der EU [6]. Für die Transformation hin zu einer Circular Economy wird es Recycling nicht allein richten können, weil erstens der Materialverbrauch an fossilen, nicht zirkulären Energieträgern nach wie vor sehr groß ist und zweitens die globalen Materialbestände in langlebigen Produkten und Gebäuden stetig und schnell ansteigen und dieses Material erst zeitverzögert zurückgewonnen werden kann. Der Zugriff auf Materialbestände (anthropogene Lager) erfordert zu jedem Zeitpunkt genügend Informationen über den verbauten Materialmix und Materialmengen. Zirkuläre Produktsysteme zeichnen sich darüber hinaus durch lange Lebensdauer und Reparierbarkeit, Weiterverwendungsfähigkeit, Modularisierung, Komponentenertüchtigung und ein recyclingfreundliches Design aus.

Das Dilemma der Circular Economy – Zielkonflikte

Prinzipien der Circular Economy (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Wenn Zirkularitätsziele keine oder zu geringe wirtschaftliche Vorteile versprechen, wird sich eine Circular Economy unter marktwirtschaftlichen Bedingungen nicht von selbst entwickeln. Neue zirkuläre Lösungen müssen deshalb auf Dauer wirtschaftlich tragfähig sein, auch wenn sie gegebenenfalls zu Beginn durch Regularien und Umlagefinanzierungen stimuliert werden (Initialförderung). Das Dilemma besteht darin, dass viele der heute vom Markt erwarteten Produkteigenschaften und rentablen Geschäftsmodelle einer gesteigerten Zirkularität entgegenstehen. Technologisch führen miniaturisierte Produktgestaltung, vernetzte Werkstoffe, beispielsweise vulkanisiertes Gummi, Werkstoffgemische und Verbundwerkstoffe, unvermeidbare Alterungs- und Abbauprozesse sowie dissipative Verluste durch Verwitterung und Abrieb zu zirkulären Grenzen. Diese technologischen Grenzen können zwar prinzipiell überwunden werden, was aber oft den spezifischen Energie- und Rohstoffverbrauch ansteigen lässt und damit einen ökologischen und ökonomischen Zielkonflikt erzeugt. Abstriche in der Produktperformance zugunsten von Recyclingfähigkeit verringern die Wettbewerbsfähigkeit, während eine verbesserte Kreislauffähigkeit heute oft keine verkaufsfördernde Wirkung hat. Zumeist sind die Preise für Sekundärrohstoffe niedriger, da sie nicht die gleichen Qualitäten wie die Primärrohstoffe erreichen. Sinken die Preise für die Primärrohstoffe, werden Verwertungsketten für Sekundärrohstoffe vorübergehend sogar unwirtschaftlich. Steigt die Komplexität der Produkte soweit, dass die Kosten für Recycling höher sind als die Kosten für ein Gewinnen aus Primärmaterialien, so ist eine absolute ökonomische Grenze erreicht. In der Nutzungsphase gehen Stoffe aufgrund fehlender Anreizsysteme, wie zum Beispiel Pfandsysteme oder vereinfachte Sammlungssysteme, und infolge von Konsumentenbequemlichkeit verloren.

Welche Innovationen benötigt die Circular Economy?

Die Circular Economy benötigt die Entwicklung von Innovationsprozessen und Innovationen, die gleichzeitig die Basis für neue Geschäftsmodelle bieten. Der Weg zur Circular Economy ist ein Transformationsprozess, der in etablierte Wertschöpfungsketten eingreift und diese zu kommunizierenden Wertschöpfungsnetzwerken weiterentwickelt.

Eine Circular Economy mit diesen Prinzipien eröffnet eine Reihe von konkreten Bedarfen wie beispielsweise:

• Systemische Material- und Produktentwicklung [8] für die Circular Economy sowie Kriterien zur Messung von Zirkularität,
• Systemische Modularisierung von Produktkomponenten, [9]
• Austausch und Synergien zwischen Primär- und Sekundärproduzenten, Grundstoffherstellern, Produzenten, Markenartiklern, Händlern, Industriedesignern und Entsorgern,
• Neuartige Pilot-/Demonstrationsanlagen für heute nicht (wirtschaftlich) recycelbare Stoffströme mit Recyclingpotenzial, [10]
• Effiziente Logistiksysteme auf Basis lebenszyklusweiter Kennzeichnung und automatisiert auslesbarer, zertifizierter Informationen über stofflichen Inhalt von Produkten und Sekundärrohstoffen,
• Aufbau eines digitalen, zeitlichen und räumlichen Katasters des stofflichen Inhalts von langlebigen Produkten („virtual feedstock“). Virtual feedstocks sind quasi die Königsdisziplin, um die Circular Economy mit Digitalisierungstechnologien über den ganzen Lebenszyklus zu verknüpfen.

Warum die Kunststoffwirtschaft zirkulär werden muss

Hohe Stabilität, vielfältige Funktionalität und geringes Gewicht: Das sind Anforderungen an die Werkstoffe für moderne Produkte. Neben Metallen und Mineralien sowie Verbunden daraus komplettieren Kunststoffe mit ihrer enormen Bandbreite den Materialmix unserer Gegenwart und Zukunft. Im Jahr 2017 wurden weltweit fast 350 Mio. Tonnen Kunststoffe produziert [11]. Die Rohstoffbasis beruht auf Erdöl, öffnet sich aber langsam für biogene Quellen. Trotz ihrer unübersehbaren Vorteile erfahren Kunststoffe bei Konsumenten nur geringe Wertschätzung. Dieses schlechte Image liegt auch daran, dass weltweit am Ende ihres Lebensweges zu viele Kunststoffabfälle in der Verbrennung oder in Böden und Ozeanen landen – wegen fehlender oder nicht funktionierender Recyclingsysteme. Rund um den Globus leiten Regierungen und Behörden Maßnahmen gegen eine lineare Kunststoffwirtschaft ein, die EU tat dies Anfang 2018 mit ihrer Kunststoffstrategie. Umweltverbände und andere Stakeholder nehmen Kunststoffmüll in die Liste der großen globalen Umweltprobleme auf und immer mehr Wirkungen von Kunststoffen in der Umwelt werden wissenschaftlich erforscht.

Der Fraunhofer Forschungscluster Circular Plastics Economy

Der Fraunhofer Cluster of Excellence „Circular Plastics Economy“: Struktur und Forschungsagenda (Bildquelle: Fraunhofer Umsicht)

Um Lösungen für diese Transformation zu erforschen, haben sich die fünf Fraunhofer-Institute IAP, ICT, IML, LBF und Umsicht (Leitung) zusammengetan und bauen ein virtuelles Institut für die zirkuläre Kunststoffwirtschaft auf. In den drei Divisions Materials, Systems und Business mit ihren sechs Research Departments wird am Beispiel Kunststoff gezeigt, wie eine gesamte Wertschöpfungskette unter Prinzipien der Circular Economy gestaltet werden kann. Um werkstoffliche Kreisläufe schließen und einen kontrollierten Abbau der Kunststoffe in der Natur erreichen zu können, steht die Entwicklung biogener Rohstoffe und neuer biobasierter Additivsysteme im Fokus. Zudem sollen effiziente Sammel- und Transporttechnologien, neue Recyclingverfahren und digital abgebildete Prozesse zu funktionierenden Wertschöpfungskreisläufen führen. Durch intelligente Erfassungs-, Sortier- und Recyclingtechnologien können Polymere und auch Monomere gewonnen und in die Produktion zurückgeführt werden. Zudem arbeitet der Forschungscluster an innovativen Methoden zur Etablierung einer effizienten Logistik und zur Produktbewertung nach zirkulären Prinzipien. Dazu werden spezielle Systemleistungen über Branchengrenzen hinweg angeboten: Von Bewertungstools, zirkulären Produktdesigns und Prototypen über Recycling bis zu Akzeptanzprozessen und Geschäftsmodellen. Zum Servicepaket gehört, dass Neuentwicklungen mittels zweier Prototypen (Mehrwegtransportverpackung, Autokindersitz) direkt demonstriert sowie dafür passende Vermarktungsstrategien erarbeitet werden.

Mit dem Cluster „Circular Plastics Economy“ begleitet und gestaltet Fraunhofer einen nachhaltigen Transformationspfad, der auch ökonomische und soziale Fragen der Kunststoffwirtschaft analysiert.

Am Fraunhofer Cluster of Excellence »Circular Plastics Economy« sind beteiligt:

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam

Prof. Dr. Alexander Böker | www.iap.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal
Prof. Dr. Peter Elsner | www.ict.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML, Dortmund
Prof. Dr. Uwe Clausen | www.iml.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
Prof. Dr. Tobias Melz | www.lbf.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, Oberhausen
Prof. Dr. Eckhard Weidner (Leitung des Clusters) | www.umsicht.fraunhofer.de

Literaturquellen

[1] Statistisches Bundesamt (Hrsg.): Ergebnisse des Mikrozensus 2017. Online: https://www.destatis.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Gesundheit/Gesundheitszustand-Relevantes-Verhalten/Tabellen/liste-koerpermasse.html;jsessionid=F68DF9E228D982015D5BC7E4B46C39E5.internet712 [abgerufen am 16.08.2019].

[2] Umweltbundesamt UBA (Hrsg.) (2018): Ressourcenbericht 2018/European Commission (Hrsg.): Raw Materials Scoreboard. 2018.

[3] Online: www.materialflows.net [abgerufen am 13.08.2019].

[4] United Nations Environment Programme UNEP (Hrsg.) (2016): Global Material Flows and Resource Productivity. An Assessment Study of the UNEP International Resource Panel.

[5] Zunehmende Zahl der Menschen, die in Städten leben: 1950 = 30 %, 2008 = 50 %, 2050 (Prognose) = 70 %. Online: United Nations (Hrsg.) (2018): http://www.un.org/en/development/desa/population/publications/pdf/urbanization/population-distribution.pdf [abgerufen am 13.08.2019].

[6] United Nations (Hrsg.): Sustainable Development Goals: Online: www.un.org/sustainabledevelopment [abgerufen am 13.08.2019].

[7] Hiebel, M./Bertling, J./Nühlen, J./Pflaum, H./Somborn-Schulz, A./Franke, M./Reh, K./Kroop, S. (2017): Circular Economy im Hinblick auf die chemische Industrie. In: Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT (Hrsg.), Studie im Auftrag des Verbands der Chemischen Industrie e. V., Landesverband NRW. Oberhausen.

[8] Eine umfassend realisierte Circular Economy führt zur Transformation der Produktgestaltung und hat gleichzeitig das Potenzial, wissensbasierte Fertigungskapazitäten (Robotik, 3D-Druck) in Deutschland neu aufzubauen, die auch vor Ort wertschöpfend sind. Vor allem Produkt- und Industriedesigner, Verarbeiter von Werkstoffen und Produkthersteller würden von dieser Entwicklung profitieren, vgl. Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 30. Oktober 2018, S. 20: Die Roboter vernichten Arbeitsplätze in Schwellenländern.

[9] Die erforderlichen Produktionstechnologien sind hoch entwickelt, die Recyclingtechnologien sind es eher nicht. Auf der Produktionsseite werden ausgefeilte Hightech-Technologien entwickelt und eingesetzt. Diesen stehen auf der Recyclingseite relativ grobschlächtige Lowtech-Technologien (Zerkleinern, Sortieren, Klassieren) gegenüber, die auf einfach zugängliche Massenmaterialien (auch wegen der gesetzlichen Recyclingquoten) ausgelegt sind.

[10] Gerade die chemische Industrie denkt wieder stark über chemisches Recycling nach, um Ansprüche aus Circular-Economy-Konzepten durch „Molekülrecycling“ erfüllen zu können.

[11] PlasticsEurope AISBL and EPRO (European Association of Plastics Recycling and Recovery Organisations) (Hrsg.) (2018): Plastics – The Facts 2018. Online: https://www.plasticseurope.org/application/files/6315/4510/9658/Plastics_the_facts_2018_AF_web.pdf [abgerufen am 13.08.2019].