Kreislaufwirtschaft Was sich aktuell in puncto Recycling tut

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Es ist unbestritten - Recycling ist ein wichtiger Baustein auf dem Weg zu mehr Ressourceneffizienz. Gut, dass an allen Ecken und Ende geforscht wird. Wir stellen acht aktuelle Forschungsprojekte, Forschungserfolge und Beispiele aus der Praxis vor. Es geht unter anderem um Smartphones, Altreifen, PET-Flaschen, Lithium-Ionen-Batterien und Kleiderbügel.

1. Smartphones umdenken: Modulare Mobilgeräte als Antwort auf den Elektroschrott-Anstieg

Alleine in Deutschland entstehen durch Smartphones circa 1,7 Millionen Tonnen Elektroschrott im Jahr. Vor diesem Hintergrund setzte die Europäische Union im Jahr 2020 einen Aktionsplan für Kreislaufwirtschaft auf, um die Menge des E-Schrotts zu reduzieren. Bei der Kreislaufwirtschaft setzt auch das BMBF-geförderte Projekts Mo-De-St an: Untersucht wird, wie der Lebenszyklus von Smartphones verlängert und die Modularität technisch sowie wirtschaftlich erfolgreich umgesetzt werden kann. Dieser Frage widmeten sich zwei Industriedesigner vom Fraunhofer IZM und präsentieren zwei Entwürfe für langlebige und recyclebare Smartphones mit außergewöhnlichem Design.

Grundlage ist zirkulärer Baukasten

Die Grundlage des Projekts bildet der zirkuläre Baukasten, der am Fraunhofer IZM entwickelt und öffentlich zur Verfügung gestellt wurde. Ausgehend davon haben sich die beiden Industriedesigner Tapani Jokinen und Robin Hoske zum Ziel gesetzt, das Design von Smartphones grundlegend zu überdenken und entwickelten zwei Entwürfe.

• Beim ersten Entwurf, dem so genannten Modest Cube, lag der Fokus darauf, höchste Reparierbarkeit des Geräts umzusetzen. So veranschaulicht der Modest Cube, wie der Produktlebenszyklus durch einfachen und schnellen Hardwarewechsel verlängert werden kann. Modularität erstreckt sich hier also auf das gesamte System.
  Um die funktionellen Anforderungen des Cube festzulegen, wurden Daten zu individuellen Bedürfnissen und Nutzungsverhalten von Konsumenten analysiert und durch gezielte Workshops mit Experten aus den Bereichen Wirtschaft, Umwelt, Konsum und Design verfeinert. Hoske erklärt die entstandene Vision: „Der Modest Cube verkörpert ein Smartphone, das nicht altert, denn mit Hilfe des Mix&Match-Prinzips können Teile der Hardware einschließlich des Bildschirms mühelos ausgetauscht werden. Das ist nicht nur ein Gewinn für die Reparierbarkeit – es eröffnet auch die Möglichkeit, unterschiedliche Anforderungen der Nutzenden zu treffen“.

• Mit dem zweiten Entwurf gehen die Designer noch einen Schritt weiter: Mit einer innovativen Optik erfindet die Modest Arch das mobile Telefon neu und bezieht zusätzlich psychologische Komponenten der Smartphone-Nutzung ein. Die Idee ist es, die Nutzung im Sinne der digitalen Suffizienz zu moderieren, um das mentale Wohlbefinden zu fördern und potenzielle negative Auswirkungen wie verringerte Konzentrationsfähigkeit zu minimieren. Nach dem Motto: „So viel wie nötig, so wenig wie möglich“ werden hierfür Nutzungsmuster hinterfragt, auf das Wesentliche beschränkt und dadurch auch der Material- und Energieverbrauch reduziert.
  Besonders im Design weist die Arch eine kreative Lösung auf, die sich auf die Prognosen zukünftiger Konnektivität der Industriedesigner stützt: „Wir gehen davon aus, dass in den kommenden zehn Jahren viele Anwendungen über Virtual Reality und KI-basierte Sprachassistenten funktionieren werden. Daher haben wir uns für ein kompaktes und minimalistisches Design entschieden, bei dem die Hardware auf ein Minimum reduziert und das Betriebssystem cloudbasiert umgesetzt wird. Das Grundgerüst des Geräts ist damit eigentlich ein Webbrowser in Form eines persönlichen Tokens, der vergleichsweise wenige Bauteile benötigt. Je nach Bedarf können weitere Funktionen konfiguriert werden und die Arch als Schnittstelle für eine vernetzte IoT-Umgebung dienen“, erklärt Jokinen.

Das Verbundprojekt Modest wurde vom BMBF im Rahmen der Maßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Innovative Produktkreisläufe (ReziProK)“ unter dem Kennzeichen 033R231 gefördert.

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2. Rückgewinnen statt schreddern: Batterien effizienter recyceln

Der Markt für E-Autos wächst, wenn auch nicht so schnell, wie gehofft. Dennoch steigt der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Die Elektrifizierung der Mobilität ist ein wichtiger Beitrag, um Deutschlands Klimaschutzziele zu erreichen, und sie stellt dadurch einen Megatrend für die Autoindustrie in Deutschland dar. „Der damit verbundene hohe Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien erfordert nachhaltige und geschlossene Materialkreisläufe – von den Batteriematerialien über den gesamten Lebenszyklus bis zum Recycling – sowie eine kreislauffähige Produktion von Batteriezellen“, so Dr. Marco Gleiß vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, der das Verbundprojekt „Agile Prozesskette zum direkten Recycling von Lithium-Ionen-Batterien und Regeneration der Aktivmaterialien“ (Di-Rec-Reg) auf Seiten des KIT koordiniert. „Indem wir die Wertschöpfungskette schließen, können wir gleichzeitig die Rohstoffabhängigkeit Deutschlands und der Europäischen Union reduzieren“, so Gleiß.

Erhalten statt zerkleinern oder zersetzen

Aktuelle Verfahren zerkleinern die Batteriezellen und lösen die Aktivmaterialien bis auf die Molekülebene auf, um diese später in Form von Metallsalzen aus der Flüssigkeit zu gewinnen. Zwar können so bis zu 90 Prozent der kritischen Elemente, etwa Kobalt, Nickel und Mangan, wiedergewonnen werden, jedoch ist der Bedarf an Energie- und Chemikalien sehr hoch. Aus den gewonnenen Materialien muss zudem unter großem Energieaufwand und Rohstoffeinsatz Batteriematerial komplett neu hergestellt werden. Neuere, vielversprechende Ansätze für Altbatterien und Produktionsausschüsse basieren auf dem direkten Recycling von Aktivmaterialien. „Dabei werden die Aktivmaterialien nicht mehr vollständig aufgelöst. Stattdessen werden sie in die einzelnen Zellbestandteile zerlegt und dann mechanisch getrennt, um sie möglichst rein zurückzugewinnen“, erklärt Gleiß.

Nachhaltigkeit

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Bisher hat sich eine solche Prozesskette zum direkten Recycling in der Industrie jedoch nicht durchgesetzt. Noch lässt sich das Materialverhalten des wiedergewonnenen Rezyklats nicht vorhersagen. Außerdem gibt es keine Kriterien und Regeln, um die Einsatzfähigkeit des gealterten Materials zu beurteilen. Darüber hinaus fehlt es derzeit noch an praxisnahen, wirtschaftlichen Lösungen, um die verschiedenen Batteriepacks ohne großen Aufwand bis hin zu den einzelnen Bestandteilen zerlegen zu können.

„Diese kritischen Punkte greift unser Verbundvorhaben auf und beschäftigt sich primär mit der Entwicklung einer agilen Prozesskette für das direkte Recycling von Lithium-Ionen-Batterien sowie der Regeneration der so wiedergewonnenen Aktivmaterialien“, so Projektkoordinator Dr. Thomas Dreyer von der Weber Ultrasonics AG. Wichtig sei dabei auch, dass der Prozess variabel auf verschiedene Ausgangsmaterialien der Batterieproduktion wie auch für Produktionsausschüsse zugeschnitten ist und unterschiedliche Batterieformate und Bauarten verarbeiten kann. „Ziel ist es zudem, die energieintensiven Prozessschritte der zurzeit eingesetzten Recycling-Verfahren zu ersetzen und nachhaltig recycelte, hochwertige Sekundärmaterialien im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zu liefern“, so Gleiß.

Das Projekt Di-Rec-Reg hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesforschungsministerium mit 2,95 Millionen Euro gefördert.

Recycling

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3. Kreislauffähige Kleiderbügel aus Hopfen und Altpapier

Kleiderbügel als Alltagsgegenstände kennen die meisten Menschen aus den Materialien Metall, Holz und Kunststoff. Doch das steigende Bewusstsein für Nachhaltigkeit führt sowohl im privaten als auch im gewerblichen Bereich zu einer erhöhten Nachfrage für biobasierte und kreislauffähige Produkte. An diesem Punkt setzt auch das Projekt Cell-Form-Design an, das der Kleiderbügelhersteller Mawa GmbH im September 2023 mit dem Institut für Naturstofftechnik der Technischen Universität Dresden unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. André Wagenführ, Inhaber der Professur für Holztechnik und Faserwerkstofftechnik, startete. Ziel des Projektes ist die Entwicklung materialspezifischer Technologien zur Herstellung kreislauffähiger Kleiderbügel auf Naturfaserbasis. Die Arbeiten werden mit finanzieller Unterstützung vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft durchgeführt.

Vakuumpresstrocknung wird weiterentwickelt

Im Rahmen des Projektes Cell-Form-Design werden Materialdesigns – Rezepturen, Strukturen, Modellierung, Eigenschaften – sowie effiziente Verarbeitungs- und Produktionsprozesse entwickelt, evaluiert und Bügel erzeugt, die in relevanter Einsatzumgebung getestet werden. Cell-Form bezeichnet dabei die zellulosebasierte Materialgruppe, die untersucht und zu Bügeln geformt wird. „Aus landwirtschaftlichen Pflanzenresten und -abfällen, zum Beispiel Hopfen, sowie aus Altpapier und Zellstoff wird so ohne den Zusatz von fossilen Polymeren eine biobasierte Faserformmasse hergestellt“, berichtet Michaela Schenk, Inhaberin und Geschäftsführerin der Mawa GmbH, und ergänzt: „Die Naturfasern werden gemahlen, weiterverarbeitet und zu Bauteilen gepresst und getrocknet – am Ende des Prozesses soll unsere neue Eco-Bügel-Serie P-Cycle entstehen.“ Dabei müssen keine kostenintensiven Heißpressanlagen eingesetzt werden, die von der TU Dresden patentierte Vakuumpresstrocknung dient als Verdichtungs- und Trocknungsprozess und wird während des Projekts weiterentwickelt. Durch den Vergleich der Material- und Energieaufwendungen in Herstellungs-, Nutzungs- und Nachnutzungsphase lässt sich auch eine Vergleichbarkeit der Umweltwirkung neu entwickelter gegenüber herkömmlichen Produkten erzielen.

Bügel in der Papiertonne recycelbar

Anhand experimenteller Materialproben und variantenreicher Produktprototypen werden anschließend die Anwendbarkeit, Einsetzbarkeit und Marktfähigkeit der Kleiderbügel versierten Tests und Evaluationen unterzogen und kundenzentrierte Verbesserungspotenziale in einem iterativen Entwicklungsprozess optimiert. „Am Ende des Projektes – im August 2025 – soll so der innovative Eco-Bügel P-Cycle stehen, der durch das Monomaterial-Design eine Kreislauffähigkeit aufweist. Im Privatbereich können diese Kleiderbügel über die Papiertonne recycelt werden. Im gewerblichen Bereich, also etwa im Fashion-Bereich oder in der Hotelbranche, ist ebenfalls eine Rücknahme mit anschließendem Recycling machbar, da größere Produktmengen an einem Ort genutzt werden, das sogenannte Closed-Loop-Recycling. Die hohe Variabilität für Formänderungen bei niedrigen Werkzeugkosten eröffnet zudem Spielraum im Produkt-Design.“

4. Recycelte Seltenerdmagnete erfolgreich in Lautsprechern und Antriebsmotoren getestet

Permanentmagnete auf Basis von Seltenen Erden (SE) sind kritische Komponenten in vielen technologischen Produkten – einige von ihnen sind entscheidend für die Verwirklichung des Europäischen Grünen Deals, wie z.B. E-Fahrzeuge und Windturbinen. Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach Magneten in den kommenden Jahren drastisch steigen wird, während das Angebot erheblichem Druck unterliegt. Die EU ist in hohem Maße von Importen abhängig und geopolitische Spannungen, Umweltprobleme im Zusammenhang mit der Gewinnung dieser Rohstoffe sowie eine unterentwickelte europäische Magnetindustrie stellen große Herausforderungen dar.

Elektrische Antriebstechnik

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Recycling kann ein Teil der Lösung sein, wenn es keine Kompromisse bei der Performance gibt. Auf dem heutigen wettbewerbsorientierten Markt, auf dem Leistung und Qualität zu den wichtigsten Kriterien zählen, stehen Hersteller Sekundärmaterialien jedoch oft skeptisch gegenüber. Zu Recht, denn Abfallmaterialen können stark verunreinigt sein und es ist schwierig, die Qualitätsanforderungen durch effiziente Recyclingverfahren zu erfüllen.

Aufbau einer Kreislaufwirtschaft für Seltenerdmagnete

In diesem Zusammenhang haben Prof. Dr. Carlo Burkhardt von der Hochschule Pforzheim, das Steinbeis Europa Zentrum und das Konsortium des EU Projekts Susmagpro einen Durchbruch erzielt. Susmagpro wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union mit 13 Millionen Euro gefördert und befasst sich mit dem Aufbau einer Kreislaufwirtschaft für Seltenerdmagnete. 18 europäische Projektpartner entlang der gesamten Wertschöpfungskette haben im Pilotmaßstab Lösungen entwickelt, um Seltenerdmagnete leichter zu identifizieren, von Abfällen zu trennen und wertvolle SE zurückzugewinnen sowie funktionstüchtige recycelte SE-Materialen und Magnete in nachhaltigeren Prozessen herzustellen. Die resultierenden Magnete wurden in zwei Demonstrationsanwendungen mit Herstellern getestet: in Lautsprechern und elektrischen Motoren.

• B&C Speakers hat im hauseigenen Audiolabor recycelte Magnete von Susmagpro Partner Magneti Ljubljana in Drehspullautsprechern für professionelle Audioanwendungen getestet. Es konnte eine gleichwertige Leistung ohne Unterschied in der Klangqualität bestätigt werden. In diesem speziellen Fall spart jeder recycelte Magnet 150 g Rohmaterial ein, wobei der Anteil an puren seltenen Erden etwa 50 g beträgt.

• Die vom Projektpartner University of Birmingham mit dem patentierten Hydrogen Processing of Magnet Scrap (HPMS) aus Sekundärmaterial hergestellten Magnete werden derzeit in Rotoren bei ZF Friedrichshafen in Deutschland getestet. Vorläufige Ergebnisse sind sehr vielversprechend, weitere Testläufe sind im Gang.

Susmagpro läuft noch bis Ende November 2023, Folgeaktivitäten in der Industrie und im Rahmen weiterer geförderter Projekte sind bereits eingeleitet worden. Susmagpro wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter Fördervereinbarung Nr. 821114 gefördert.

5. Messwert für die Umsetzung von Prinzipien der Kreis-

laufwirtschaft

Zusammen mit der Boston Consulting Group (BCG) hat die Hilti Gruppe mit BCG’s neuer Circelligence-Methodik einen eigenen Kreislaufwert entwickelt und angewendet. Dieser misst die Umsetzung des Kreislaufwirtschaftsprinzips im eigenen Betrieb. Die Fortschritte werden mit Circelligence ausgewertet und über die SAP Business Technology Platform (SAP BTP) visualisiert, die eine benutzerfreundliche Oberfläche zur Nachverfolgung der Materialien entlang der gesamten Wertschöpfungskette bietet.

Reduzieren, Wiederverwenden, Recyceln

Hilti hat eigenen Angaben zufolge als erstes Unternehmen weltweit die Circelligence-Methodik angewendet und evaluiert jährlich die Kreislauffähigkeit seines Produktportfolios. Die im Nachhaltigkeitsbericht veröffentlichten Ergebnisse dienen als Grundlage für die Berechnung der Scope-3-CO₂-Ziele und zur Definition der Initiativen im Rahmen der Verpflichtung zum Netto-Null-Ziel der Science Based Targets-Initiative.

Der Ansatz von Hilti bei der Umstellung auf Kreislaufwirtschaft besteht aus den drei Kernbereichen Reduzieren, Wiederverwenden und Recyceln.

• Eine wichtige Säule ist das Produkt-als-Service-Angebot mit dem Hilti-Flottenmanagement, bei dem jeder Kunde einen eigens auf seine Bedürfnisse zugeschnittenen Gerätepark erhält. Damit ist sichergestellt, dass keine Ressourcen für doppelte, überflüssige oder ungenutzte Geräte verschwendet werden.

• Am Laufzeitende eines Flottenmanagement-Vertrags nimmt Hilti die gebrauchten Geräte zurück und prüft sie in seinen Servicecentern. Geräte in brauchbarem Zustand werden für das Tools-On Demand-Programm zur kurzfristigen Nutzung aufbereitet oder an gemeinnützige Organisationen gespendet.

• Ist keine Wiederverwendung möglich, werden die Geräte demontiert und untersucht, ob Komponenten als Ersatzteile in der Reparatur verwendet werden können.

• Andernfalls werden sie in Recyclingfraktionen getrennt.

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6. Recyclingmodell für die Kunststoffindustrie

Ein nachhaltiges Kreislaufwirtschaftsmodell für die Kunststoffindustrie wollen Prof. Dr. Klaus Kümmerer von der Leuphana Universität Lüneburg und sein Kollege Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres von der Leibniz Universität Hannover entwickeln. Die Volkswagen-Stiftung fördert das auf vier Jahre angelegte Vorhaben mit rund 1,3 Millionen Euro.

Kümmerer und Endres beschäftigen sich mit der Entwicklung von Recycling-Konzepten für kunststoffbasierte Autoteile. Im Fokus stehen dabei komplexe Bauteile, für die es derzeit keine Recyclinglösung gibt. Dazu zählen etwa Unterboden, Motorraumkomponenten, Innenraumteile wie die Mittelarmlehnen und geschreddertes Material aus Abfallströmen mit komplexer Zusammensetzung.

Design for Recycling im Fokus

Der Übergang von einem linearen Produktionskonzept zu einem nachhaltigen Kreislaufwirtschaftsmodell ist für die Kunststoffindustrie mit verschiedenen Herausforderungen verbunden. Zu den Aspekten, die die Forscher bearbeiten wollen, zählen unter anderem die Auswahl geeigneter Recyclingverfahren wie mechanisches, lösungsmittelbasiertes oder chemisches Recycling und die Optimierung der Prozessparameter für die Wiederverwertung von Produkten.

Die Wissenschaftler wollen vor allem die Nachhaltigkeit der einzelnen Prozesse entlang des Lebenszyklus analysieren. Als Ergebnis erwarten sie nicht nur die Bewertung verschiedener Recyclingverfahren, sondern auch Ansätze für ein künftiges „Design for Recycling“, das bereits bei der Herstellung von Produkten der Wiederverwertungsmöglichkeit berücksichtigt.

Der digitale Produktpass

Ticket zur nachhaltigen Kreislaufwirtschaft

7. Altreifenrecycling mittels Pyrolyse erhöht die Zirkularität und spart CO2

Mit weltweit 1,5 Milliarden Altreifen pro Jahr stellt das Recycling von Altreifen derzeit eine große Herausforderung dar. Abgesehen von der Rückgewinnung von Metallen werden derzeit noch keine Materialien für die Reifenproduktion wiederverwendet, wodurch das Altreifen-Recycling zu den End-of-Life-Behandlungen zählt. Eine neue Technologie bietet allerdings neue Potenziale für eine Kreislaufwirtschaft, da mithilfe der Pyrolyse auch weitere Produkte zurückgewonnen werden können wie Rußersatz und Pyrolyseöl, welches durch die BASF wieder zu Chemikalien verarbeitet wird.

Das Fraunhofer Umsicht untersuchte in einer Ökobilanz (LCA) die Umweltauswirkungen dieser Pyrolysetechnologie des Unternehmen Pyrum Innovations und verglich diese mit herkömmlichen Entsorgungsmethoden für Altreifen in Deutschland wie der Verbrennung in Kraftwerken, Zementwerken oder der stofflichen Verwertung, um beispielsweise Füllmaterial zur Verwendung in Kunstrasen herzustellen.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Pyrolyseverfahren, aber auch alternative stoffliche Verwertungsverfahren, Vorteile insbesondere in den Wirkungskategorien Klimawandel und Schonung fossiler Ressourcen gegenüber den energetischen Verfahren aufweisen. Insgesamt ergibt sich durch das Pyrum-Pyrolyseverfahren (1) eine netto CO₂-Einsparung von 703 kg CO₂-Äquivalent pro Tonne Altreifen. "Das Verfahren erzielt durch die Erzeugung von Produkten wie dem Rußersatz, Pyrolyseöl, der Rückgewinnung von Metallen und der Herstellung von Ersatzbrennstoffen CO₂- Einsparungen in Höhe von 1347 kg CO₂ Äq./t", ergänzt Dr. Daniel Maga, Abteilung Nachhaltigkeit und Partizipation des Fraunhofer Umsicht.

8. Mehr Schwung für das PET-Recycling

Seit einigen Jahren werden immer wieder große Durchbrüche beim Recycling von Polyethylenterephthalat (PET) durch neu entdeckte Enzyme gemeldet, die den Kunststoff in seine Bestandteile zerlegen können. Danach bleibt es aber meist still um die Entdeckung, dabei ist das Problem gigantisch: PET macht 18 Prozent der weltweiten Kunststoffproduktion aus und zählt damit zu den mengenmäßig wichtigsten Kunststoffen.

So baut das Biotech-Unternehmen Carbios im Nordosten Frankreichs bis 2025 eine Anlage auf, die 50.000 Tonnen PET jährlich recyceln soll. Natürlich sind die Carbios-Experten interessiert daran, die bestmöglichen Enzyme für ihre industrielle Anlage zu nutzen, sie stellen aber fest, dass viele Ergebnisse aus der akademischen Laborforschung nicht aufskaliert werden können.

Standardisiertes PET-Hydrolyseprotokoll für Skalierbarkeit

„Manche Enzyme funktionieren super im Laborversuch für wenige Stunden, sie verlieren aber sehr schnell ihre Aktivität und das Substrat wird nicht vollständig abgebaut“, sagt HZB-Experte Gert Weber. Im Reagenzglas im Labor ist das kein Problem, aber für eine Anwendung im großen Bioreaktor schon.

Uwe Bornscheuer und Gert Weber haben daher zusammen mit dem Biotech-Unternehmen Carbios an vier Beispielen demonstriert, wie sich neue Enzyme für den PET-Abbau besser miteinander vergleichen lassen. „Damit später eine Aufskalierung möglich ist, müssen viele Parameter auch schon beim Laborexperiment in einem engen Bereich liegen, das Ausgangsmaterial muss genau definiert sein, die Versuchsprotokolle müssen einheitlicher sein, um die Leistung der Enzyme und ihre Anwendung in großtechnischem Maßstab besser beurteilen zu können“, erklärt Bornscheuer. Daher haben die Forscher ein standardisiertes PET-Hydrolyseprotokoll erarbeitet, das Reaktionsbedingungen setzt, die für eine Hydrolyse in größerem Maßstab relevant sind.

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