Kunststoffverunreinigungen in sekundären biogenen Stoffen: Indikation und Grenzwerte für die Verwertung durch Co-Pyrolyse (CoPyKu2)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 668.16.21

Schlüsselwörter (Deutsch)

Pflanzenkohle, Pyrolyse, Biomasse, Plastik, Mikroplastik, Grenzwerte, Plastik-Elimination, Aktivkohle, Co-Pyrolyse, Plastik-Verunreinigungen

Kurzbeschreibung (Deutsch)

In der Schweiz darf Pflanzenkohle nur aus unbehandeltem Holz wie zum Beispiel aus dem holzigen Siebüberlauf aus der Kompostierung hergestellt werden. Dieses Material enthält leider fast immer (Mikro)Plastik, das bis jetzt aufwändig von Hand entfernt werden muss oder bis zum zulässigen Grenzwert toleriert wird. In einer UTF-Machbarkeitsstudie (UTF 626.05.20) wurde deshalb untersucht, wie sich die Co-Pyrolyse von Plastik-Verunreinigungen auf das Endprodukt Pflanzenkohle (PK) auswirkt. Es zeigte sich, dass selbst bei 10 – 20 Mal höheren Plastikgehalten, als in der Realität zu erwarten sind, sich keine negativen Auswirkungen auf die PK ergaben.  Im vorliegenden Projekt sollen nun die Grundlagen erarbeitet werden für eine optimale Qualitätssicherung von PK, die mittels Pyrolyse aus mit (Mikro)Plastik kontaminiertem Material hergestellt wurde. Die bestehenden Richtlinien und Methoden, z.B. aus dem Kompostbereich, sollen dafür einbezogen werden. Zuerst wird eine Methode zur quantitativen und qualitativen Bestimmung des Plastikgehalts in Biomasse unterschiedlicher Korngrösse und damit zur Charakterisierung dieser Stoffe entwickelt. Anschliessend soll im Labormassstab auf einer existierenden Anlage (PYREKA-Anlage mit 1kg/h Durchsatz) der Einfluss definierter Polymere (u.a. PE, PS, PVC) auf die PK-Qualität, die Plastik-Elimination und die Möglichkeit der PK-Aktivierung für den Einsatz als Aktivkohle im Gewässerschutz untersucht werden. Die Resultate sollen danach im grosstechnischen Versuch auf der Anlage der IWB (Industrielle Werke Basel) verifiziert werden. Anhand der Resultate und der bereits vorhandenen Vorgaben sollen Mindestanforderungen für den Pyrolyse-Prozess und Grenzwerte für Ausgangsmaterial und Endprodukt entwickelt werden.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 26.04.2021 an der Sitzung der Koko UT vom 19.05.2021 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Die Methoden und zur Bestimmung des Plastikgehalts liegen vor. Meilenstein 1
   
   
2. Die Methoden zur Probenahme liegen vor. Das experimentelle Design der Versuche auf der PYREKA Anlage wurde ausgearbeitet und erste Experimente wurden durchgeführt. Meilenstein 2
   
   
3. Die Versuche auf der PYREKA-Anlage sind abgeschlossen und bezüglich Schadstoffgehalten ausgewertet. Untersuchungen zur Aktivierung der Pflanzenkohle sind abgeschlossen. Die Versuche auf der IWB Anlage wurden durchgeführt und sind analysiert. Meilenstein 3
   
   
4. Die Versuche zur Bestimmung der Umwandlung des Plastiks durch die Pyrolyse auf der PYREKA-Anlage sind ausgewertet. Der Workshop mit der Kompostbranche zur Diskussion der zukünftigen Richtlinie wurde durchgeführt. Meilenstein 4
   
   
5. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4 und dem weiteren Vorgehen sowie ein Entwurf der Richtlinie in Deutsch und Englisch ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
   
   
6. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
   
   
7. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

Die methodischen Grundlagen für die Charakterisierung der mit Plastik kontaminierten Biomassen und deren Behandlung durch Pyrolyse sind erarbeitet. Auf dieser Basis und den bestehenden Vorgaben (Chemikalien-Risikoreduktions-Verordnung ChemRRV, Europäisches Pflanzenkohle Zertifikat EBC) wird der Entwurf einer Richtlinie zum Umgang mit Biomassen, die mit Kunststoffen kontaminiert sind, erarbeitet. Er enthält die erarbeiteten Methoden und Grenzwerte.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Das Projekt CoPyKu2 untersuchte die Co-Pyrolyse von biogenem Reststoffen mit Kunststoffbelastung zur Herstellung von Pflanzenkohle, um sichere und effiziente Verwertungsmöglichkeiten für solche Stoffströme zu entwickeln. Ziel war es, eine kohlenstoffspeichernde, wirtschaftlich attraktive Alternative zur aktuellen Entsorgung in Kehrrichtverbrennungsanlagen zu schaffen, insbesondere für holzige Siebüberläufe aus Kompostierung und Vergärung in der Schweiz und eine Pflanzenkohle zu erzeugen, die den gesetzlichen Anforderungen in der Schweiz und dem European Biochar Certificate EBC entsprechen.

 

Im Projekt wurden Methoden zur Probennahme und Quantifizierung von Kunststoffen in sekundären Biomassen getestet, um Qualitätssicherungsmaßnahmen für die Herstellung von Pflanzenkohle zu etablieren. Pyrolyse-Experimente bei 450 °C und 600 °C zeigten, dass nahezu alle Kunststoffe bei 600 °C und 20 Minuten Verweilzeit vollständig zersetzt werden. Pflanzenkohlen hielten die Grenzwerte für Schadstoffe wie Dioxine und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe selbst bei hohen Kunststoffanteilen (10 %) ein. Großtechnische Versuche bestätigten diese Ergebnisse. Zudem wurde anhand erster Versuche festgestellt, dass Kunststoffe die Herstellung aktivierter Pflanzenkohle, z. B. für den Einsatz in der erweiterten Abwasserreinigung, erleichtern können, da der zusätzliche Kohlenstoff die Reinigungsleistung steigert.

 

Die Verwertung belasteter Stoffströme durch Pyrolyse reduziert Entsorgungskosten, verhindert die Freisetzung von Plastik in der Umwelt und trägt zur Kohlenstoffspeicherung im Kampf gegen den Klimawandel bei, wenn die erzeugte Pflanzenkohle stofflich verwertet wird, z. B. in der Landwirtschaft oder in Baustoffen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Ergebnisse des Projekts CoPyKu2 ermöglichen eine sichere und effiziente Verwertung von holzigen Siebüberläufen und anderen biogenen Reststoffen mit Kunststoffbelastung durch Pyrolyse. Die gewonnenen Pflanzenkohlen erfüllen alle relevanten Qualitätsanforderungen. Die entwickelten Methoden zur Probennahme und Qualitätssicherung schaffen die Grundlage für die notwendige Qualitätssicherung. Pilot- und Großversuche haben die Praxistauglichkeit bestätigt und ermöglichen nun die Implementierung der Pyrolyse von holzigen Siebüberläufen. Dies erschliesst den Schweizer Pflanzenkohleproduzenten neue, ökonomisch interessante Ausgangsmaterialien.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Auf Basis der Resultate des Projekts CoPyKu2 werden Regelungen und Grenzwerte zur Herstellung von Pflanzenkohle aus biogenem Reststoffen mit Kunststoffbelastung in die Richtlinien des Europäischen Pflanzenkohle Zertifikats EBC vorgeschlagen. Dies umfasst die Methoden zur Bestimmung des Plastikgehalts in der Biomasse, entsprechende Grenzwerte und Mindestanforderungen an den Pyrolyseprozess bei mit Plastik belasteten Biomassen. Die Einführung dieser Änderungen wird von Kommunikationsmassnahmen begleitet, um die Erkenntnisse aus dem Projekt CoPyKu2 der Praxis breit zugänglich zu machen.

Zur Herstellung von Aktivkohle für die erweiterte Abwasserreinigung aus Schweizer Reststoffen muss die geeignete Technologie zur Aktivierung (zweite thermische Behandlung nach der Pyrolyse) identifiziert und ihre Umsetzung auf der notwendigen Grössenskala demonstriert werden. Vorarbeiten wurden dazu bereits in den BAFU-geförderten Projekten «EMPYRION» geleistet, auf deren Basis nun Gespräche mit Anlagenherstellern und möglichen Betreibern erfolgen.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Hilber, I. et al. Biochar Production From Plastic-Contaminated Biomass. GCB Bioenergy 16, e70005 (2024). https://doi.org/https://doi.org/10.1111/gcbb.70005

 

Grafmüller, J., Rathnayake, D., Hagemann, N., Bucheli, T. D. & Schmidt, H.-P. Biochars from chlorine-rich feedstock are low in polychlorinated dioxins, furans and biphenyls. J Anal Appl Pyrol 183, 106764 (2024). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jaap.2024.106764