Das Projekt Green Feedstocks for a Sustainable Chemistry (GreenFeed) ist eine Zusammenarbeit des DBFZ mit dem Wuppertal Institut, dem Kassel Institute for Sustainability sowie dem KIT Institut für Technische Chemie (ITC). Ziel des Projekts war es, Wege von der derzeit petrochemisch dominierten Kunststoffindustrie hin zu einer zirkulären und klimaneutralen Kunststoffindustrie in den Chemieregionen Deutschland und Westeuropa aufzuzeigen. Hierzu wurden verschiedene technische Optionen wie mechanisches und chemisches Recycling, Biopolymere, CO₂-basierte Polymere, Carbon capture and usage sowie Carbon capture and storage (CCU und CCS, Kohlenstoffabscheidung und -nutzung bzw. -speicherung) untersucht.

Im Weiteren fokussieren wir ausschließlich auf die Herstellung von Biopolymeren. Biopolymere können aus verschiedenen Ausgangsstoffen, wie z. B. nachwachsenden Rohstoffen, Holzreststoffen oder auch Rest- und Abfallstoffen hergestellt werden. So können perspektivisch die bisher hauptsächlich aus fossilen Rohstoffen hergestellten Polymere teilweise ersetzt werden.

Um den ökologischen Nutzen, aber auch ökologische Risiken darzustellen, wurden im Rahmen des GreenFeed-Projekts für ausgewählte Biopolymere Ökobilanzierungen (LCA = Life Cycle Assessments) durchgeführt. Die Auswahl der Biopolymere erfolgte anhand von drei Kriterien: dem Technologiereifegrad (TRL; Ausschluss bei TRL <5), der Möglichkeit, petrochemisch erzeugte Polymere für die Kunststoffherstellung zu ersetzen (Ausschluss von Polymeren mit anderem Einsatzgebiet) sowie der erwarteten globalen Produktionskapazität für 2027. Aus diesen Produktionskapazitäten ergab sich folgendes Ranking:

Zudem wurden nur Biopolymere betrachtet, für die in 2027 eine größere jährliche Produktion als 1 kt prognostiziert wurde.

Bewertungsmethodik

Die ökologische Bewertung erfolgte nach der in den DIN-Normen 14040, 14044 und 16760 standardisierten Methode der Ökobilanzierung. Es wurden die Auswirkungen der Biopolymere im Hinblick auf ihr Erderwärmungspotenzial, den potenziellen Flächenverbrauch, Frischwasserverbrauch, Verbrauch fossiler Ressourcen, Eutrophierung, Versäuerung und Ökotoxizität betrachtet.

Biogenes Kohlendioxid wird gemäß der ISO 14067 bewertet, d. h. es erhält ein Treibhauspotenzial von ‑1 für 1 kg CO₂ bei Entnahme aus der Atmosphäre und +1 für 1 kg CO₂ bei Freisetzung in die Atmosphäre am Lebenswegende. Die LCA wurde für die cradle-to-gate-Bilanzgrenze berechnet, endet also mit der Herstellung des jeweiligen Materials. Das darin gebundene Kohlendioxid wird mit ‑1 kg CO₂-Äquivalent pro kg CO₂ angerechnet. Die zugrunde gelegte funktionale Einheit ist 1 kg des Biopolymers. Die Ergebnisse jedes Biopolymers wurden dann anwendungsspezifisch mit dem jeweiligen fossilen Referenzpolymer, welches ersetzt werden soll, verglichen. Die verwendeten Datengrundlagen waren Massen- und Energiebilanzen für die Polymerherstellung, die der fachspezifischen Literatur entnommen wurden, sowie die Emissionsdatenbank ecoinvent 3.10. Die Berechnung erfolgte mit der Software Umberto (Version 11.12.1).

Grundsätzlich ist ein Vergleich der Biopolymere aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen anwendungsspezifischen Einsatzmöglichkeiten schwierig. Im Folgenden werden deshalb nur die vier Biopolymere PLA, HDPE, PP und PET, die in der Lebensmittelverpackungsindustrie beispielsweise als Flaschen- oder Bechermaterial eingesetzt werden, betrachtet. Sie werden jeweils mit ihrer fossilen Referenz verglichen. Diese betrachteten Biopolymere werden auf Zuckerbasis aus verschiedenen Ausgangsstoffen (hier: Zuckerrüben, Mais und Holzreststoffen) hergestellt.

Erkenntnisse aus der Bewertung

Die Ergebnisse der LCA zeigten, dass alle Biopolymere deutlich Treibhausgase gegenüber ihren fossilen Vergleichspolymeren einsparen. Das höchste Einsparpotenzial zeigte sich beim Bio-Polypropylen aufgrund der geringsten Treibhausgasemissionen im Verarbeitungsprozess und der höchsten CO₂-Aufnahme und -Speicherung im Polymer. Hier könnten 179 % Treibhausgase gegenüber fossil basiertem Propylen eingespart werden.

Neben diesen deutlichen Einsparungen wird auch bei allen anderen Biopolymeren der Verbrauch fossiler Ressourcen gegenüber den jeweiligen fossilen Referenzen reduziert. In den anderen Umweltwirkungskategorien schneiden die Biopolymere je nach eingesetztem Ausgangsstoff unterschiedlich ab.

Insgesamt sind Biopolymere, die Zucker direkt aus zuckerhaltiger Biomasse wie Zuckerrüben einsetzen, in den untersuchten Wirkungskategorien vorteilhafter. Der zusätzliche Aufwand zur Extraktion von Zucker aus anderer Biomasse (z. B. stärke- oder lignozellulosehaltige Biomasse) führt zu höheren Umweltwirkungen.

Im direkten Vergleich der vier Biopolymere schneidet PLA am besten ab: Neben den deutlichen Einsparungen bei den Treibhausgasemissionen und beim Verbrauch fossiler Ressourcen weist es auch ein geringere Ökotoxizität als die fossile Referenz PET auf. Im Fall von PLA auf Zuckerrübenbasis ist auch das Eutrophierungspotenzial geringer als bei PET (siehe Abbildung). Bei allen betrachteten Biopolymeren besteht aber noch Optimierungspotenzial. So könnten die Umweltwirkungen weiter reduziert werden, wenn für die Energieversorgung ausschließlich erneuerbare Energien eingesetzt werden, Wärme und Hilfsstoffe rückgewonnen werden und auch umweltfreundlichere Hilfsstoffe/Chemikalien eingesetzt würden.