Plastikmüll gilt als eines der am schwersten recycelbaren Materialien überhaupt, weil fast jedes Verfahren zuvor eine saubere Trennung nach Kunststoffsorten verlangt. Genau diesen Schritt lässt ein neu vorgestellter chemischer Prozess aus. Ein Gemisch aus PET, Polyethylen und Polypropylen wandert dabei in einen einzigen Reaktor und verlässt ihn als Wasserstoff mit über 90 Prozent Reinheit. Die Reaktion läuft bei einer Temperatur, die 300 bis 400 Grad Celsius unter der klassischen Wasserdampfvergasung liegt.
Weltweit wird nur etwa jede elfte Tonne Plastikmüll tatsächlich stofflich verwertet. Rund 79 Prozent landen auf Deponien, weitere zwölf Prozent werden verbrannt, wobei der im Kunststoff gebundene Kohlenstoff als Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt. Der Grund für diese niedrige Quote liegt weniger in der Chemie als in der Logistik: Die gängigen Massenkunststoffe verhalten sich beim Aufschmelzen und beim chemischen Abbau völlig unterschiedlich, weshalb sie getrennt erfasst, sortiert und gereinigt werden müssen. Dieser Schritt ist personal- und energieintensiv und macht das Recycling in vielen Regionen unwirtschaftlich. Verfahren, die auf ein sortenreines Ausgangsmaterial verzichten können, gelten deshalb als besonders aussichtsreich, auch wenn sie technisch anspruchsvoller sind als das klassische Einschmelzen sortenreiner Fraktionen.
Die verwendete Methode trägt den Namen alkalische Thermalbehandlung. Dabei reagiert Natronlauge, also Natriumhydroxid, unter Hitze mit organischem Material und setzt Wasserstoff frei. Ursprünglich hatten die beteiligten Arbeitsgruppen dieses Prinzip entwickelt, um Biomasse wie Algen in Wasserstoff umzuwandeln. Der entscheidende Unterschied zur herkömmlichen Vergasung liegt im Umgang mit dem Kohlenstoff: Statt als Gas zu entweichen, wird er im alkalischen Milieu chemisch gebunden und bleibt als fester mineralischer Rückstand im Reaktor zurück. Die Kohlenstoffbindung ist damit kein nachgeschalteter Abscheidungsschritt, sondern Teil der Reaktion selbst. Zugleich sinkt der Temperaturbedarf deutlich, was den Energieaufwand senkt und die Anforderungen an die Werkstoffe der Anlage entschärft.
Im Laborversuch führte das Team gemischte Proben aus PET, Polyethylen und Polypropylen zu, also aus jenen drei Polymeren, die den größten Teil des Verpackungsaufkommens ausmachen. PET lieferte dabei die höchste Wasserstoffausbeute, weil es Sauerstoff im Molekül trägt und unter alkalischen Bedingungen leicht angreifbar ist. Polyethylen und Polypropylen bestehen dagegen ausschließlich aus Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen und reagieren zunächst kaum, wie die Gruppe um Ah-Hyung Park von der UCLA und Woo-Jae Kim von der Ewha Womans University in den Proceedings of the National Academy of Sciences berichtet. Erst eine chemische Vorbehandlung machte auch diese beiden Kunststoffe für die Reaktion zugänglich.
Klassische Vergasungsverfahren arbeiten mit Wasserdampf bei sehr hohen Temperaturen und benötigen entsprechend viel Prozessenergie, teure hitzebeständige Werkstoffe und lange Anfahrzeiten. Eine Absenkung um 300 bis 400 Grad Celsius verändert diese Rechnung erheblich, weil sowohl der Energieeinsatz als auch der Verschleiß sinken und sich der Prozess leichter an dezentrale Standorte anpassen lässt. Für die Bewertung als Klimatechnologie ist zusätzlich entscheidend, dass der Kohlenstoff den Reaktor nicht als Treibhausgas verlässt. Damit unterscheidet sich das Verfahren grundlegend von der Verbrennung, bei der Plastikmüll zwar Energie liefert, der gebundene Kohlenstoff aber vollständig freigesetzt wird. Andere Ansätze setzen an derselben Stelle mit anderen Mitteln an, etwa Verfahren, die Kunststoffe mit Sonnenlicht in Treibstoffe umwandeln.
Bislang stammen alle Ergebnisse aus Laborexperimenten mit definierten Kunststoffgemischen. Realer Abfall enthält jedoch Farbstoffe, Weichmacher, Flammschutzmittel, Etiketten, Klebstoffe sowie Verunreinigungen aus Lebensmittelresten, die Reaktionen stören oder Katalysatoren belegen können. Offen ist außerdem, wie stabil der Prozess über lange Betriebszeiten läuft, wie sich der mineralische Feststoff verwerten oder dauerhaft lagern lässt und wie viel Natronlauge pro Tonne Abfall verbraucht wird, denn deren Herstellung ist selbst energieintensiv. Ebenso müssen Reinigungsschritte für den erzeugten Wasserstoff kalkuliert werden, weil viele Anwendungen deutlich höhere Reinheiten verlangen als 90 Prozent. Die beteiligten Forscher sehen ihre Arbeit deshalb als Machbarkeitsnachweis, nicht als fertige Technologie. Wie unterschiedlich die chemischen Wege aus demselben Rohstoff sein können, zeigt ein älteres Verfahren, das aus Polyethylen innerhalb von Stunden Kerosin erzeugt.
Proceedings of the National Academy of Sciences, Selective and direct hydrogen generation from mixed plastic waste via alkaline thermal treatment with inherent carbon storage; doi:10.1073/pnas.2537552123