Mit InCamS@BI, dem InnovationCampus for Sustainable Solutions, positioniert sich die HSBI als innovativeTransferakteurin im Feld der Kreislaufwirtschaft. In dem fächerübergreifendenProjekt werden Ideen generiert und Lösungen entwickelt, um Kunststoffe undderen Handhabung für eine Kreislaufwirtschaft zu optimieren. Mit innovativenFormaten und einem interdisziplinären Team gestaltet InCamS@BI den Austauschzwischen Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. In dem Projekt werdenforschungsbasierte Transferstrukturen systematisch entwickelt, aufgebaut underprobt. InCamS@BI wird im Rahmen der Bund-Länder-Initiative „InnovativeHochschule” von 2023 bis 2027 gefördert. Weitere Informationen:  www.hsbi.de/incamsbi  

Der Weltrecyclingtag wurde erstmals 2018 von der Global Recycling Foundationausgerufen. Seitdem wird der 18. März jährlich genutzt, um weltweit daraufaufmerksam zu machen, dass Recycling unerlässlich für den Ressourcen- undKlimaschutz ist. Laut der Stiftung können durch Recycling jährlich weltweitüber 700 Millionen Tonnen CO2-Emissionen eingespart, Arbeitsplätze geschaffensowie unsere natürlichen Ressourcen Wasser, Luft, Öl, Erdgas, Kohle undMineralien geschützt werden.



Effektives Recycling ist jedoch eine Frage der Qualität: „Um sinnvolles Recycling betreiben zu können, braucht es vorher eine gute Logistik, also eine sortenreine Trennung der gemischten Kunststoffabfälle“, sagt Katharina Schnatmann, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der HSBI. „Die ist häufig nur beim Post-Industrial-Material gegeben, also bei den Materialüberschüssen und Abfallmaterialien während der Produktion. Da weiß das Unternehmen natürlich, um welchen Kunststoff es sich handelt, es gibt noch keine Abnutzungsspuren, Alterung des Materials etc. Ein Recycling dieses Materials ist also sehr effektiv. Aber der Inhalt des Gelben Sacks oder der Wertstofftonne, auch Post-Consumer-Material genannt, ist oft schwer ordentlich zu trennen, da viele Produkte aus Verbundstoffen bestehen – es kommen sehr unterschiedliche Zusammensetzungen und Qualitäten zusammen.“ Aus dem Gelben Sack kann dementsprechend nicht alles recycelt werden: Laut Umweltbundesamt lag die tatsächlich erreichte Zuführungsquote zur werkstofflichen Wiederverwertung von Kunststoffverpackungen im Jahr 2022 bei 67,5 Prozent. Da die Qualität meistdeutlich schlechter als die der Ausgangsstoffe ist, spricht man hier von Downcycling. Es handelt sich also eher um eine Abwärtsspirale als um einen Kreislauf, denn: Nach mehrmaligem Recycling sind die Kunststoffe oft nur noch thermisch verwertbar. Mit anderen Worten: Sie werden verbrannt, um Fernwärme zu erzeugen oder Energie für Zementwerke zu liefern.

Die drei Technologiescouts Pieper, Schnatmann und Gurcke beobachten, wie dasSpektrometer kurz summt und nur Sekunden später auf dem Bildschirm einKurvendiagramm erscheint. Pieper selbst ist Chemiker und erläutert seinenKolleginnen, die beide Elektrotechnikerinnen sind, die Ergebnisse: Bei derroten Stoffprobe handelt es sich aller Wahrscheinlichkeit nach umPolyethylenterephthalat, kurz PET, das Material aus dem Flaschen, Folien undTextilfasern hergestellt werden. Die Probe des Stoffs kommt vom BielefelderTextilhersteller fast52, der mit InCamS@BI gemeinsam daran arbeitet, seineMaterialien künftig kreislauffähig zu gestalten. Für fast52 ist es zentral,Textilreste und Rückläufer zu recyceln. Dafür muss man die Eigenschaften desMaterials aber genau kennen. „Eine hundertprozentige Sicherheit haben wir miteiner einzelnen Methode in der Regel nicht – die Analytik ist sehr aufwendig“,berichtet Pieper und fügt schmunzelnd hinzu: „Was man aus Fernsehsendungen wie CSI Miami kennt, funktioniert in der Wirklichkeit leider nicht: Es ist nichtmöglich, eine Probe an nur einem Gerät zu untersuchen und sofort zu wissen, umwelches Material es sich handelt und wo das Produkt herkommt. Damit dasfunktioniert, bräuchten wir einen digitalen Produktpass.“ Ein solcher Passkönnte eine Grundlage für maßgeschneidertes Recycling sein und ist eine derIdeen, die im Projekt Smart Recycling Factory verfolgt werden.



Weiter geht es zur nächsten Station, der thermogravimetrischen Analyse. Mit einem Brenner reinigt Matthias Pieper den winzigen Probenbehälter, einen Tiegel.Nachdem dieser ausgebrannt ist und damit frei von Rückständen, kann die Probe - wieder ein kleines Stück des Stoffes – mit einer Pinzette im Tiegel platziertwerden. Der Tiegel selbst sieht aus wie ein winziger Korb, der anschließendmechanisch an einen Haken gehängt wird, bevor er in einem kleinen Ofen auf 750Grad Celsius hochheizt. Die Probe wird jetzt vollständig verbrannt, und dasGerät misst den Massenverlust. Der wiederum verrät dem Wissenschaftler, beiwelcher Temperatur niedermolekulare Verbindungen verdampfen oderAbbaureaktionen stattfinden. „Was wir mit dieser Methode auch sehen können,ist, ob Hilfsstoffe wie Glasfasern in dem Kunststoff verarbeitet sind, weildiese nach der Verbrennung übrig bleiben“, sagt Pieper. Eine weitere Hürde, diedas Recycling erschweren kann.



Die drei wechseln jetzt zur letzten Station in diesem Labor: der DynamischenDifferenzkalorimetrie. Hier erfahren die Wissenschaftlerinnen undWissenschaftlern mehr über Temperaturfenster, in denen physikalische undchemische Prozesse stattfinden, die Energie benötigen oder freisetzen. Damitkönnen für die Untersuchung wichtige Kenngrößen wie die Glasübergangs- undSchmelztemperatur der Kunststoffprobe bestimmt werden. Was sich in allen Analysen zeigt: Jedes Recycling verändert die Eigenschaften derKunststoffe. Mechanisches Recycling oder thermische Belastungen wieEinschmelzen oder Zusammenmischen mit Additiven verkürzen die langenPolymerketten, aus denen Kunststoffe bestehen, wodurch sich dieVerarbeitungstemperaturen oder die Viskosität ändern. Auch mechanischeKennwerte wie Zugfestigkeit oder Schlagzähigkeit ändern sich. All dieseEigenschaften sind jedoch enorm wichtig für die verschiedenenProduktionsprozesse.

In InCamS@BI werden neben dem Recycling jedoch noch weitere Ansätze, sogenannte R-Strategien, betrachtet, mit denen Produkte nachhaltiger gestaltet werden können. Um die Strategien anhand von konkreten Gegenständen zu erörtern, geht die Gruppe in ein Büro der InCamS@BI-Forschungsgruppe Zirkuläre Wertschöpfung, die im ITES, dem HSBI-Institut für Technische Energie-Systeme, angesiedelt ist. Mit Zirkulärer Wertschöpfung (auch Circular Economy oder Kreislaufwirtschaft genannt, siehe Infokasten) setzen sich Melina Gurcke und Katharina Schnatmann nämlich tagtäglich auseinander. Die „R-Strategien“ sind Folgende: Refuse (Verzicht), Rethink (Überdenken), Reduce (Reduktion), Replace (Ersatz), Reuse (Wiederverwendung), Repair (Reparatur), Refurbish (Instandsetzung), Remanufacture (Aufarbeitung), Repurpose (Umnutzung), Recycle (Recycling) und Recover (energetische Verwertung).



Doch was leisten diese Strategien im Einzelfall? Woher weiß man, welche man anwenden sollte? Katharina Schnatmann erklärt: „Wir schauen uns das ganze Leben eines Kunststoffproduktes an und unterteilen hier in drei Phasen: In der Produktion beziehungsweise im Designprozess kommt es darauf an, ein Produkt bzw. Teile eines Produkts entweder verzichtbar zu machen, sie so zu konzipieren, dass sie klüger genutzt werden können oder sie intelligenter herzustellen: Refuse,Rethink, Reduce, Replace. Die Nutzungsphase von Produkten oder von einzelnenBestandteilen kann man entweder verlängern oder ihren Impact auf die Umweltverringern: Reuse, Repair, Refurbish, Remanufacture, Reurpose. Und amProduktlebensende sollte man sich Gedanken darüber machen, wie die einzelnenMaterialien sinnvoll wiederverwendet oder zumindest energetisch verwertetwerden können: Recycle oder Recover. Dabei gilt, je früher im Leben einesProduktes angesetzt wird, desto mehr Energie und Rohstoffe könnenschlussendlich eingespart werden.“



Auf dem Tisch zwischen den drei InCamS@BI-Mitarbeitenden liegen verschiedeneGegenstände, die teilweise oder vollständig aus Kunststoff bestehen. Die Gruppeschaut sich die Gegenstände unter dem Gesichtspunkt des Energieverbrauchs an:ein kleines Plastiktütchen, ein Wasserkocher, eine Wasserflasche, einMultimeter und eine Crimpzange. Die Produkte gehören unterschiedlichenKategorien an: Einwegprodukte wie das Tütchen oder die PET-Flasche haben einesehr kurze Nutzungsdauer. Die langlebigen Produkte kann man auch nochmalunterteilen: Die Zange hat einen geringen negativen Einfluss auf die Umwelt,weil sie nur in der Produktion Energie kostet, danach aber lange genutzt werdenkann. Ein Wasserkocher dagegen verbraucht die meiste Energie während seinerNutzungsphase und hat damit einen hohen negativen Impact.



„Besonders gut sind langlebige Produkte mit einem positiven Impact wie zum Beispiel Photovoltaik-Module. Sie kosten Energie bei der Produktion, danach erzeugen sie jedoch deutlich mehr – bis zu ihrem Lebensende. Trotzdem ist es auch hier wichtig, etwaige Probleme, die am Ende ihres Lebens auftauchen könnten, bereits bei der Entwicklung mitzudenken“, berichtet Katharina Schnatmann.

Das Ziel der Wissenschaftlerinnen ist es, Unternehmen zum Umdenken anzuregen: „Recycling ist in den wenigsten Fällen die beste Lösung – meist kostet es sehr viel Energie und führt zu Rezyklat von schlechterer Qualität, das ‚nur‘ noch in die Produktion von zum Beispiel Blumentöpfen oder Kunstrasenplätzen eingebracht werden kann“, so Gurcke, deren Schwerpunkt auf der Energietechnik in der zirkulären Wertschöpfung liegt. „Ein Unternehmen, das Produkte herstellt – und das bezieht sich nicht nur auf kunststoffverarbeitende Betriebe – muss sichimmer die Frage stellen, in welcher Lebensphase das Produkt die meistenRessourcen verbraucht. Zu Beginn in der Produktion? Während der Nutzung? Oder am Lebensende durch das Recycling? Und an genau dem Punkt, an dem die meisten Ressourcen aufgewendet werden müssen, sollte man ansetzen. Recycling kann auch nur dann nachhaltig sein, wenn das Verfahren effizient ist und die Energie, die dafür aufgewendet wird, regenerativ erzeugt wird.“ Dafür sind die R-Strategien eine gute Basis.



Pieper nimmt das Multimeter, ein Messgerät für elektrische Größen, in die Hand, dreht und wendet es. Das Gehäuse und die Kabelummantelung sind aus Kunststoff. Welche Strategien könnten hier angewendet werden? Seine Kollegin Schnatmann ordnet ein: „So ein Gerät hat grundsätzlich eine sehr lange Lebensdauer. Bis es kaputtgeht, vergehen Jahre oder sogar Jahrzehnte. Hersteller können hier ansetzen, und das Multimeter so designen, dass schnell verschleißende Teile wie Druckknöpfe oder Tasten leicht ausgetauscht und das Gerät immer wieder repariert werden kann. Auch völlig neue Systeme wie Sharing-Werkzeuge könnte man überlegen – dann würde die Nutzung der Tools intensiviert werden.“ Der Chemiker schlägt vor: „Auch die Wahl der Kunststoffe in der Produktion könnte überdacht werden, um das Recycling am Lebensende des Produkts zu verbessern – müssen es fünf verschiedene sein oder würden zwei Arten reichen? Das wäre dann die Rethink-Strategie.“ Ganz gleich, welche der R-Strategien angewendet wird – alle diese Wege führen in der zirkulären Wertschöpfung zu einem nachhaltigeren Produkt.

In ihrer Diskussion kommen Pieper, Gurcke und Schnatmann auch immer wieder auf die Gesetzgebung zu sprechen: Es fehlt zum Beispiel an verbindlichen Vorgaben und Normen. Das Kreislaufwirtschaftsgesetz regelt in erster Linie Abfall. Es besteht jedoch Hoffnung, dass die Nationale Kreislaufwirtschaftsstrategie derBundesregierung einen ganzheitlicheren Ansatz verfolgt. Im Grunde genommen geht es immer um eines: Werterhalt. Für eine wirklich zirkuläre Wertschöpfung braucht es dieses Umdenken jedoch nicht nur in der Wirtschaft, sondern auch in der Politik und bei Verbraucherinnen und Verbrauchern. Denn diese Transformation zu einem neuen Wirtschaftssystem schafft unsere Gesellschaft nur gemeinsam.