Im Kreis geführt
Recycling allein ist zu kurz gesprungen Veranstaltungsreihe „Materials for the European Green Deal“: Intelligente Wertschöpfungsketten können Ressourcen schonen und Treibhausgase mindern
„Wir stehen nicht nur vor einer Energiewende und einer Verkehrswende, sondern auch vor einer Materialwende“, konstatiert Prof. Anke Weidenkaff, Leiterin des Fraunhofer IWKS in Hanau und Alzenau. Produkte müssen künftig anders produziert, länger verwendet und konsequent verwertet werden. Dafür braucht es Materialien mit hoher Langlebigkeit und Funktionalität, die mit geringem CO2-Fußabdruck produziert werden, die wenig kritische oder giftige Rohstoffe enthalten und sich nach Gebrauch erneut verwenden oder ökonomisch verwerten lassen.
Daher ist Kreislaufwirtschaft mehr als Recycling und Abfallwirtschaft. Sie beginnt beim Design von Produkten und endet im erneuten Einsatz definierter Sekundärrohstoffe, die Teil neuer, hochwertiger Produkte werden. Das „Roundstream“-Konzept fasst die gesamte Wertschöpfungskette ins Auge, nimmt alle Akteure entlang der Kette in die Pflicht, identifiziert und dokumentiert sämtliche Rohstoffe. „Die bloßen Recyclingquoten, die es in der EU und in Deutschland seit Jahren gibt, springen daher viel zu kurz,“ betont Christian Hagelüken, Leiter einer Arbeitsgruppe der Initiative Circular Economy bei der Deutschen Akademie für Technikwissenschaften (acatech).
Neues Leben für Altkunststoffe
Besonders deutlich wird das bei Kunststoffen. Von über 14 Millionen Tonnen, die jährlich in Deutschland verarbeitet werden, ersetzen nur 430 000 Tonnen Altplastik tatsächlich Neuware. Einer der wichtigsten Gründe dafür: Mengen und Qualitäten von Rezyklaten sind starken Schwankungen unterworfen. An diesem Punkt setzt das Fraunhofer LBF in Darmstadt an. Es arbeitet an der Entwicklung neuer Stabilisatoren und Kompatibilisatoren, die Haltbarkeit, Lebensdauer und Morphologie von Rezyklaten und Rezyklatmischungen verbessern. „Unser Ziel sind Sekundärkunststoffe, die so problemlos wie Neuware eingesetzt werden können“, sagt Elke Metzsch-Zilligen, Leiterin der Gruppe Additivierung im Bereich Kunststoffe am LBF.
Auch Biokunststoffe sind laut Metzsch-Zilligen eine Option für mehr Nachhaltigkeit. Dabei ist allerdings entscheidend, dass deren Abbau in der Umwelt kontrolliert werden kann. Das LBF entwickelt derzeit Zusätze, die sowohl einen Stabilisator als auch einen Abbau-fördernden Katalysator enthalten. Das Wirkprinzip: Der Stabilisator im Biokunststoff setzt sich innerhalb einer bestimmten Gebrauchsdauer in eine Säure um und verliert an Wirkung. Die entstehende Säure wiederum leitet den Abbau des Polymers in der Umwelt ein.
„Wir wissen oft gar nicht, welche Stoffe wir eigentlich wegwerfen“, sagt Weidenkaff. Diese Wissenslücken zu schließen, ist umso bedeutsamer, weil neue Technologien wie z.B. Elektromobilität zwar die Emissionen auf der Straße mindern, sie zum Teil aber in die Herstellungsprozesse und Rohstoffgewinnung verlagern.
E-Mobilität geht vor
Möglicherweise gelingt bei der Elektromobilität, was bei Kunststoffen seit Jahrzehnten so schwer fällt: eine konsequente und durchgeplante Rückführung der Rohstoffe. E-Mobilität bringt hochkomplexe Komponenten in den Wirtschaftskreislauf, von denen die meisten kritische und teure Elemente enthalten, deren Rückgewinnung zum einen dringend geboten, zum anderen lukrativ ist. Zahlreiche Unternehmen und Forschungsinstitutionen suchen daher derzeit nach Lösungen für eine Verwertung von Traktionsbatterien, Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen.
Ein Konsortium unter Leitung des Fraunhofer IWKS will im Rahmen des Projekts „BReCycle“ ein Kreislaufwirtschaftskonzept speziell für PEM-Brennstoffzellen entwickeln. Das Besondere dabei ist, dass durch elektrohydraulische Zerkleinerung wertvolle Edelmetalle aus der Elektrodenbeschichtung von den Polymermembranen abgetrennt werden. Da kein Kunststoff in die anschließende metallurgische Aufbereitung gelangt, wird die Entstehung von hochgiftigen Fluorverbindungen verhindert.
Mit der Rückgewinnung von Edelmetallen beschäftigt sich auch Heraeus Precious Metals in Hanau. „Edelmetalle tragen die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette“, betont Philipp Walter, Leiter Innovation bei Heraeus Precious Metals. Sie werden benötigt für die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff, für Transport und Speicherung des Gases und für dessen Nutzung. Da bis 2030 in nahezu allen Regionen der Welt die Kapazitäten für Elektrolyseanlagen deutlich ausgebaut werden, wächst der Bedarf an Elementen wie Iridium und Platin enorm. Daher entwickelt Heraeus Elektroden, die mit weniger Katalysator auskommen. Wird reines Iridium durch Iridiumoxid oder durch Mischoxide ersetzt oder die aktive Platinschicht auf einen Kohlenstoffträger aufgebracht, lässt sich die Edelmetallmenge um den Faktor vier bis fünf reduzieren. „Das senkt die Elektrolysekosten und eine Wasserstoffwirtschaft rückt näher“, sagt Walter.
Lieferkette in Bits und Bytes
E-Mobilität ist auch ein erstes, globales Testfeld für digitale Tools und Geschäftsmodelle, die die gesamten Lieferketten nachhaltiger gestalten. Bis 2025 werden schätzungsweise 100 Millionen Tonnen Lithium-Ionen- Akkus aus E-Fahrzeugen ausgemustert. Aber wie viele kommen wann zurück? In welchem Zustand und mit welchem Wertstoffgehalt? Welche Batterie eignet sich für ein Re-Use, welche muss ins Recycling und wo haben Verwertungsanlagen Kapazitäten frei? Fragen, mit denen sich Automobilhersteller und Zulieferer künftig beschäftigen müssen.
Unterstützung erhalten sie dabei von Startups wie Circunomics aus Mainz. „Der Schlüssel sind Methoden zur Reverse Statistics“, sagt Sebastiaan Wolzak, Mitgründer von Circunomics. Das Mainzer Startup will die Prüfverfahren und Datenerhebung automatisieren und in einem Netzwerk aus Recyclingfirmen und Logistikern Rücklauf, Recycling und Reuse alter Lithium-Ionen-Akkus professionalisieren. Für OEM erstellt das Unternehmen auf Wunsch einen digitalen Zwilling von jeder einzelnen Batterie. Das Startup plant zudem eine Plattform für die Zweitverwertung, beispielsweise als Stromspeicher in Privathaushalten.
Reisepass für Rohstoffe
Ein ähnliches Geschäftsmodell verfolgt das IT-Unternehmen Circulor. Es nutzt Technologien wie Blockchain oder maschinelles Lernen, „um den Weg von Rohstoffen zu verfolgen, die ihren chemischen oder physikalischen Zustand ändern“, erläutert Luise Müller-Hofstede, Strategieentwicklerin bei Circulor. Die gesamte Liefer- und Wertschöpfungskette wird mit Daten unterlegt. Dadurch können Hersteller und Zulieferer den Weg einzelner chemischer Elemente verfolgen, aber auch beispielsweise die CO2-Intensität oder den Wasserverbrauch von Prozessen vergleichen und kommunizieren.
Um das Wachstum bei der E-Mobilität nachhaltig und klimaschonend zu steuern, will die Global Battery Alliance (GBA), eine weltweite Plattform aus Organisationen und Unternehmen, bis 2030 eine nachhaltige Wertschöpfungskette für Traktionsbatterien aufbauen. „Dafür brauchen wir Standards und klare Indikatoren, was Nachhaltigkeit bei Batterien eigentlich heißt“, sagt Torsten Freund, Projektleiter Battery Passport bei der GBA.
Bisher wurden 29 einzelne Indikatoren entwickelt. Am Ende soll jede Batterie einen „Reisepass“, also einen digitalen Zwilling erhalten, der u.a. Daten über Herstellung, Zusammensetzung, Demontage und Verwertung bündelt. Ein solches digitales Abbild ermöglicht einen globalen und sicheren Austausch von Daten und eine Verständigung über allgemein akzeptierte Standards und Verfahren. Geplant ist zudem ein GBA-Qualitätssiegel, das Autohersteller und Autokäufer über die Nachhaltigkeit des Akkus informiert.
„Die Entwicklung von ersten Produktpässen zeigt auch, dass es nicht nur um Tools und Technik geht, sondern auch um Kooperation“, betont Freund. Erst neue Formen der Zusammenarbeit führen zu Roundstream-Denken, bei denen alle Akteure die Kreislaufführung von Stoffen und Produkten von Anfang am mitdenken.
Nächster Termin: Leichtbau
In diesem Jahr laden Technologieland Hessen und Materials Valley e.V. noch zu einem weiteren Termine im Rahmen der Veranstaltungsreihe ein: am 2. Dezember zu Materialinnovationen für Leichtbaulösungen
Text: Dipl.-Ing. Christa Friedl
Materials Valley e.V. ist ein seit 2002 bestehender Verein unter Beteiligung von Industrieunternehmen, Hochschulen, Forschungsinstituten, Institutionen der Länder zur Förderung von Technologie und Wirtschaft und Privatpersonen.
Informieren, Beraten, Vernetzen: Das Technologieland Hessen unterstützt Unternehmen dabei, zukunftsweisende Innovationen zu entwickeln. Umgesetzt wird das Technologieland Hessen von der Hessen Trade & Invest GmbH im Auftrag des Hessischen Wirtschaftsministeriums.