Bioplastik als Alternative?

Neben den traditionellen Werkstoffen wie Holz, Glas oder Metall spielen vor allem Biokunststoffe bei der Transformation zu einer Kreislaufwirtschaft bzw. einer Plastikmüllfreien Produktion eine wichtige Rolle. 

Für ein erstes Verständnis, was Biokunststoffe sind, lassen sie sich am besten folgendermaßen unterteilen (siehe auch Abbildung: © Ple210Biokunststoffe FinalCC BY-SA 4.0):

  • biologisch abbaubare Kunststoffe (Polymere), die erdölbasiert oder aus nachwachsenden Rohstoffen (biobasiert) sind und
  • nicht biologisch abbaubare Polymere, die aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen
Kategorien_Plastik
Quelle: Ple210, Biokunststoffe Final, CC BY-SA 4.0
  • Eine guten Überblick über Biokunststoffe liefert auch das Fraunhofer Institut für Umwelt- , Sicherheit- und Energietechnik (UMSICHT), die sich auf die Entwicklung spezieller Biokunststoffe für die Industrie spezialisiert haben (siehe Forschungsfeld Biokunststoffe vom Fraunhofer-Institut UMSICHT). Denn für die industrielle Produktion ist es entscheidend, dass die nachhaltigen Alternativen zu Plastik mindestens die gleichen Vorteile wie Plastik mit sich bringen und den Produktionsprozess nicht verkomplizieren. Die Industrie unterscheidet bei Biokunststoffen daher vor allem zwischen   

  • biobasierten Drop-in-Lösungen, die erdölbasierte Kunststoffe in ihren Eigenschaften ein zu eins ersetzen und

  • Biokunststoffen mit neuen chemischen Strukturen und neuen Eigenschaften

Erstere ersetzen erdölbasierte Kunststoffe mit einem biobasierten Kunststoff (z.B. Bio-PET und Bio-PVC), sind aber ebenfalls nicht biologisch abbaubar. Sie werden aus nachwachsenden Rohstoffen wie Stärke, Glukose, pflanzlichen Ölen und Zellulose hergestellt. Da sie lediglich einen anderen Ausgangsstoff haben, aber identische Eigenschaften, können für die Produktion bestehende Anlagen zumeist weiter verwendet werden.

Anders sieht es bei neuartigen Biopolymeren aus. Sie haben andere Eigenschaften, weshalb der Produktionsprozess auf sie meist aufwendig neu abgestimmt werden muss. Durch innovative Eigenschaften ermöglichen sie aber ganz neue Anwendungsgebiete.

Biokunststoffe, die der zweiten Gruppe zuzuordnen sind

  • Thermoplastische Stärken (TPS) und Stärkeblends (Stärkegewinnung z.B. aus Mais, Kartoffeln, Yams oder Zuckerrohr) können vor allem herkömmliche Verpackungskunststoffe wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) ersetzen und werden beispielsweise für Beutel, Netze oder auch Babywindeln eingesetzt.
  • Polymilchsäurenpolymer (PLA) wird z.B. als Mulchfolien in der Landwirtschaft verwendet. Ihr Vorteil: Landwirte können die Folie nach der Nutzung einfach unterpflügen statt wie vorher die Polyethylen Folien entsorgen zu müssen. Da auch der menschliche Organismus PLA abbauen kann, wird PLA auch als Nahtmaterial in der Medizin verwendet.
  • Ligninbasierte Kunststoffe eigentlich ein Abfallprodukt der Papierindustrie kann Kleb- und Schaumstoffe, aber auch z.T. notwendige Mikroplastikpartikel in Peelings oder Zahncreme ersetzen
  • andere faserhaltige Werkstoffe
  • bakterienbasierte Kunststoffe wie Polyhydroxyalkanoate (PHA) oder Polyhydroxyfettsäuren (PHF) haben eine gute Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und sind nicht toxisch, weshalb sie sich für Lebensmittelverpackungen oder Folienbeschichtungen eignen.

(Wer mehr wissen will: Einen umfangreichen Überblick gibt es auf der sehr informativen Webseite von bioökonomie.de, eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung)

 

Derzeit machen Biokunststoffe etwa ein Prozent der jährlich knapp 400 Millionen Tonnen Kunststoff aus.[1](Eine Übersicht über aktuellen Marktzahlen gibt es unter anderem vom European Bioplastics e.V. Siehe auch Abbildung: © European Bioplastics, nova-Institute (2019)). Da die Nachfrage steigt und immer ausgefeiltere Biokunststoffe mit individuellen Eigenschaften entstehen, wächst und diversifiziert sich der Markt für Biokunststoffe kontinuierlich. Vor allem der Marktanteil der Drop-in Lösungen wächst stark an.[2] Die Fortschritte der Forschung sorgen zudem dafür, dass alternative Werkstoffe günstiger zu produzieren und damit attraktiver für die Wirtschaft sind. Interessant dabei ist: Damit steht die Entwicklung der Biokunsstoffe heute genau an dem Punkt, an dem schon die Karriere von Plastik vor gut 100 Jahren ihren Lauf nahm.  

 

[1] Vgl. European Bioplastics: Bioplastics market data (abgerufen am 08.06.2020)

 

[2] Ebd.

Bioplastik-Kapazitäten
Quelle: European Bioplastics, nova-Institute (2019)

Wie nachhaltig sind Biokunststoffe?

Mit Blick auf die Nachhaltigkeit von Biokunststoffen sollte immer klar sein: Nicht alle Biokunststoffe sind biologisch abbaubar. Manche als Biokunststoff deklarierte Polymere sind weiterhin erdölbasiert, auch wenn sie aufgrund ihrer chemischen Struktur unter bestimmten Bedingungen biologisch abgebaut werden können. Zudem sind Biokunststoffe von so geringer Relevanz für die Abfallentsorgung, dass es noch keine eigenen Sortierungs- und Recyclingprozesse für sie gibt bzw. keine Recyclingquoten gesetzlich vorgeschrieben sind. 

Ein Diskussionspunkt rund um Biokunststoffe sind dabei die Ökobilanzen. Damit sind sowohl die Ressourcen- und Energiebilanzen bei der Herstellung als auch die Frage nach der Nutzung von eigentlich für die Lebensmittelproduktion notwendigen Agrarflächen gemeint. So steht beispielsweise Bio-PET in der Kritik, da einige für die Herstellung benötigten Pflanzen wie Zuckerrohr unter Pestizideinsatz und in Monokulturen angebaut werden.[3] Schwierig bei diesen durchaus ernstzunehmenden Einwänden ist die Vergleichbarkeit der Ökobilanzen. Bislang gibt es keine einheitliche Lebenszyklusanalyse (siehe Diskussionsaufruf zum Life Cycle Assessment). Einen Ansatz zur Berechnung der Flächennutzung liefert die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR), der zufolge aktuell ca. 0,016 % der weltweiten Agrarfläche genutzt werden, um nachwachsende Rohstoffe für die Biokunststoff-Produktion bereitzustellen. Nach einem vom gleichen Institut berechneten Szenario, könnte dieser Anteil auf 4-7 Prozent der weltweit zur Verfügung stehenden Landwirtschaftsfläche anwachsen, wenn die weltweite Kunststoffproduktion weitestgehend auf biobasierte Kunststoffe umgestellt würde. Dieses Szenario berücksichtigt allerdings noch nicht den zunehmenden Trend bei der Biokunststoffproduktion auf Rest- und Abfallstoffe aus der Land- und Forstwirtschaft zurückzugreifen wie Maisstroh, Sägemehl oder Kartoffelschalen.

Weitere Zahlen liefert das Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Hannover unter anderem in der Broschüre „Biopolymers – facts and statistics“ (Ausgabe 2019) , in der die Prozessrouten sowie der Wasser- und Ressourcenverbrauch unterschiedlicher Biokunststoffe beschrieben werden.

Wer mehr über Pro und Kontra rund um Biokunststoffe wissen möchte, findet bei der Initiative Die Debatte einen differenzierten Diskussionsbeitrag und bei der Deutschen Umwelthilfe eine Übersicht über Mythen und Fakten.

[3] Vgl. Heinrich Böll Stiftung / BUND: Plastikatlas – Daten und Fakten über eine Welt voller Kunststoffe. 2019, S. 34

 

Der schwierige Weg von der Forschung in die Supermärkte

Trotz der offenen Diskussionspunkte, verwundert es doch, dass bei unbestreitbaren und offensichtlichen Vorteilen vieler Biokunststoffe, wie z.B.

  • nachwachsende Rohstoffbasis oder biologische Abbaubarkeit
  • neue und innovative Materialeigenschaften
  • vielfältigere Einbindung in die Kreislaufwirtschaft (das Fraunhofer-Institut UMSICHT hat diesen Punkt informativ in diesem Video zusammengefasst)

diese nicht schon eine viel größere Relevanz für die industrielle Produktion haben.

Warum ist die Schwelle für die Produzenten auf Alternativen zu setzen so hoch? Eine große Rolle spielt der Herstellungsprozess: Obwohl sich auch Biokunststoffe durch ähnliche Verfahren herstellen lassen, wie z.B. Extrusion, Blasformen, Spritzguss oder Thermoformung (siehe dazu auch https://www.ifbb-hannover.de/files/IfBB/downloads/Verarbeitung-von-Biokunststoffen-Internet_2016.pdf) müssen Produzenten außer bei den Drop-In Lösungen ihre etablierten Herstellungsprozess meist nicht nur anpassen , sondern vollständig neu erfinden. Denn bis alle Materialeigenschaften (von Fließfähigkeit über Flexibilität bis zur Reißfestigkeit) so eingestellt sind, dass es für den Anwendungsfall passt und auch bei der Verarbeitung der Kunststoff keine Qualitätsmängel zeigt, also z.B. Blasen wirft oder an den Transportbändern klebt, bis also die richtige Rezeptur gefunden ist, kostet es den Produzenten Geld, Zeit, ggf. neue Anlagen und viele Nerven.

Zudem kommen viele neue Materialien trotz ihrer Weiterentwicklung immer noch nicht an die Eigenschaften der Derivate (Abkömmlinge) etablierter Standardkunststoffe (PE/PP/PS/PA) heran, was z.B. die Bruchfestigkeit, Temperatur- und Alterungsbeständigkeit, Sauerstoff- und Wasserdampfbarriere angeht – was insbesondere bei Verpackungen relevant ist. In vielen Fällen ist daher der Einsatz noch nicht möglich oder eine Kombination beider Kunststoffarten notwendig, wie z.B. ein Trägermodul aus Biokunststoff oder Papier mit konventioneller Beschichtungsfolie. Hieraus ergibt sich jedoch das Problem, dass die Materialien damit untrennbar miteinander verbunden sind und statt im Sinne der Kreislauf-Logik sie am Ende nur energetisch verwertet, d.h. verbrannt werden können.

Der Weg zu einer plastikmüllfreien Produktion ist also noch ein weiter und steiniger, aber die ersten Schritte sind gemacht. Um weiter voranzuschreiten, braucht es mehr angewandte Forschung zu Biokunststoffen, die ökologisch sinnvoll sind und die Materialeigenschaften von Standardkunstoffen noch besser ersetzen sowie rechtliche Rahmenbedingungen, die Produzenten in die Verantwortung für den kompletten Lebenszyklus ihrer Produkte nehmen. Darüber hinaus braucht es mutige Produzenten, die auch ohne Zwang durch gesetzliche Vorgaben den Weg in die Zukunft und damit in eine zirkuläre Wirtschaft mitgehen.

 

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