Wenn aus altem Plastik wieder Kraftstoff wird: Was ein neuer Katalysator kann

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Eine Plastiktüte besteht aus langen Kohlenstoffketten, ähnlich wie Benzin, nur viel länger. Forschende in Peking haben 2024 einen Katalysator vorgestellt, der Polyethylen, den am häufigsten produzierten Kunststoff der Welt, bei 240 Grad in Moleküle des Benzinbereichs zerlegt. Er kommt ohne Edelmetall und ohne Wasserstoff aus der Flasche aus.^[1][2]

Das klingt nach einer Lösung für das Müllproblem. Dieser Artikel prüft, was die Studie tatsächlich zeigt, was nur im Labor gilt und warum aus Müll gemachter Kraftstoff rechtlich kein Recycling ist.

Ein Abfallproblem in gewaltigem Ausmaß

Eine Materialflussanalyse der Tsinghua-Universität in Peking beziffert die weltweite Kunststoffproduktion 2022 auf 400 Millionen Tonnen. Im selben Jahr fielen 267,7 Millionen Tonnen Plastikabfall an. Recycelt wurden 37,96 Millionen Tonnen, rund 9 Prozent der Produktion. Etwa 40 Prozent des Abfalls kamen auf Deponien, 34 Prozent in die Verbrennung, und 29,6 Millionen Tonnen wurden nicht ordnungsgemäß entsorgt.^[2]

Die Unterschiede zwischen den Regionen sind groß: Die USA recycelten nur 5 Prozent ihres Plastikabfalls und deponierten 76 Prozent.^[2] Polyethylen ist mit 26 Prozent der Produktion der größte Einzelkunststoff.^[2] Genau hier setzt die Forschung aus Peking an.

Ein Katalysator, der den Wasserstoff aus dem Müll holt

Das Team um Ziyu Cen und Buxing Han vom Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking arbeitete mit Forschenden aus Peking und Manchester zusammen. Die Studie erschien am 9. April 2024 in Nature Chemistry und ist frei zugänglich.^[1]

Der Katalysator ist ein Zeolith, ein poröses Aluminosilikat mit vielen winzigen Hohlräumen. Diese Variante heißt „layered self-pillared zeolite“, also ein geschichteter Zeolith, dessen Schichten sich selbst abstützen. Sie hat viele frei zugängliche Aluminium-Stellen, die den Kunststoff aktivieren, und gut erreichbare saure Stellen, an denen die Ketten brechen und sich umlagern.^[1]

Zeolithe sind aus der Erdölraffinerie bekannt, wo sie beim katalytischen Cracken langer Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Bei gewöhnlichen Zeolithen und bei Raffineriekatalysatoren reichte das hier aber nicht: In den Vergleichsversuchen der Studie zeigten handelsübliche Zeolithe wie HZSM-5 und HY wegen enger Poren und schwer erreichbarer Säurestellen nur geringe Aktivität, und auch Raffineriekatalysatoren setzten das Polyethylen ohne zugesetzten Wasserstoff kaum um.^[1]

Das Kernproblem: Benzinmoleküle enthalten mehr Wasserstoff als Polyethylen. Das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff liegt bei Benzin um 2,2 bis 2,3, bei Polyethylen bei 2,0. Üblicherweise muss deshalb Wasserstoff von außen zugegeben werden, oft über Edelmetallkatalysatoren.^[1] Hier gibt ein Teil des Kunststoffs den Wasserstoff an einen anderen Teil ab. Die Forschenden nennen das eine „selbst gelieferte Wasserstoffstrategie“.^[1]

Der Wasserstoff kommt also nicht aus dem Nichts, er wird innerhalb des Plastiks umverteilt. Das hat einen Preis: Die abgebenden Stücke werden wasserstoffärmer und bleiben als fester Rückstand zurück. Im ersten Durchlauf waren das 18,2 Prozent des eingesetzten Polyethylens. Mischten die Forschenden diesen Rückstand mit frischem Polyethylen, setzte sich ein großer Teil im nächsten Durchlauf ebenfalls um. Nach vier Zyklen lag die Benzinausbeute weiter über 70 Prozent, und 91 Prozent des eingesetzten Materials wurden genutzt.^[1]

Was im Reaktor passiert und was herauskommt

Im Versuch wurden 0,45 Gramm Polyethylenpulver und 0,09 Gramm Katalysator fünf Minuten lang verrieben und in einen zehn Milliliter kleinen Druckbehälter gefüllt. Nach dem Spülen mit Stickstoff erhitzten die Forschenden ihn in 30 Minuten auf 240 Grad und hielten die Temperatur vier Stunden.^[1]

Von dem eingesetzten Polyethylen reagierten 81,8 Prozent. Über 99 Prozent der Produkte hatten vier bis zwölf Kohlenstoffatome und lagen damit im Benzinbereich. Die Ausbeute an Benzin betrug 81 Prozent, nach 24,5 Stunden Reaktionszeit 87,2 Prozent.^[1]

Verglichen mit einem kommerziellen Benzin enthielt das Produkt mehr verzweigte Alkane (72,5 statt 44,1 Prozent), weniger Aromaten (10,1 statt 20,3 Prozent) und weniger Olefine (1,4 statt 7,4 Prozent).^[1]

Die Oktanzahl: 88 ist nicht 91

Die Oktanzahl misst die Klopffestigkeit eines Kraftstoffs. Das Produkt erreichte laut Studie eine Research-Oktanzahl (ROZ) von 88,0, ein kommerzielles Referenzbenzin 86,6.^[1] Dazu zwei Einordnungen.

Erstens ist der Wert nicht im Motor gemessen, sondern aus der Zusammensetzung vorhergesagt, mit einer Gleichung aus der Fachliteratur.^[3] Zweitens liegt er unter dem, was in der EU für Ottokraftstoff verlangt wird: Die Kraftstoffrichtlinie schreibt eine ROZ von mindestens 95 vor, Mitgliedstaaten dürfen eine herkömmliche Sorte mit mindestens 91 weiter zulassen.^[4]

Ein Medienbericht beschrieb die 88 als nahe an Normalbenzin mit Oktanzahlen von mindestens 91.^[5] Das ist eine Lesart, kein Befund der Studie. Sie vergleicht nur mit dem Referenzbenzin. Als fertiger Kraftstoff an der Tankstelle würde das Produkt so nicht reichen.

Wiederverwendbar, aber nicht von allein

Der Katalysator lässt sich mehrfach nutzen, braucht dafür aber eine Auffrischung: Nach jedem Durchlauf wurde er gewaschen, getrocknet und vier Stunden bei 550 Grad an der Luft ausgeglüht. Über fünf Zyklen blieb die Benzinausbeute bei etwa 80 Prozent.^[1] Diese Mehrfachzyklen wurden mit reinem Polyethylen gezeigt, nicht mit gemischtem Abfall.

Wo die Grenzen liegen

Die Hauptversuche liefen mit reinem Polyethylenpulver aus dem Chemikalienhandel. Die Zusatzdaten enthalten außerdem Tests mit zerkleinertem Recycling-Polyethylen (HDPE und LDPE) eines Kunststoffhändlers. Bei 260 Grad lag die Benzinausbeute dort bei etwa 65 bis 78 Prozent.^[3] Gemischte oder stark verschmutzte Abfälle, wie sie im Alltag anfallen, kamen nicht vor. Auch das Spektrum-Magazin hielt fest, dass dies noch untersucht werden muss.^[5]

Auch andere Kunststoffe wurden nicht getestet. Die Studie schreibt, HDPE und LDPE machten etwa ein Viertel des heutigen Plastikabfalls aus.^[1] Das passt zum Anteil von 26 Prozent an der Produktion.^[2] Drei Viertel bleiben also offen.

Ein Kommentar von Forschenden der University of Washington in derselben Ausgabe hebt hervor, dass das Verfahren ohne molekularen Wasserstoff auskommt, was bisherige Verfahren meist brauchen.^[6] Der Volltext liegt hinter einer Bezahlschranke, geprüft ist nur die frei lesbare Zusammenfassung.

Hinzu kommt der Maßstab. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung in den Zusatzdaten kommt auf einen Gewinn von rund 1.044 US-Dollar je Tonne Benzin. Die Forschenden schreiben aber selbst, dass Stoff- und Wärmetransport im Industriemaßstab darin nicht enthalten sind und die Rechnung nur Laborverfahren untereinander vergleicht.^[3] Ihre Rechnung zu den Treibhausgasen sieht die Herstellung über Polyethylen ebenfalls günstiger als über Rohöl. Sie betrachtet aber die Herstellung des Kraftstoffs, nicht seine Verbrennung.^[3] Eine belastbare Ökobilanz im Industriemaßstab steht aus.

Ist Benzin aus Plastik Recycling?

Nach deutschem Recht nicht. Das Kreislaufwirtschaftsgesetz definiert Recycling als Verfahren, bei dem Abfälle zu Erzeugnissen, Materialien oder Stoffen aufbereitet werden. Ausgenommen sind ausdrücklich die energetische Verwertung und die Aufbereitung zu Materialien, die als Brennstoff genutzt werden sollen.^[7] Ein Kraftstoff ist so ein Material.

In der Abfallhierarchie steht Recycling an dritter Stelle, nach Vermeidung und Vorbereitung zur Wiederverwendung. Die sonstige Verwertung, insbesondere die energetische, folgt danach auf Rang vier.^[8] Der Kohlenstoff im Benzin landet beim Fahren zudem als Kohlendioxid in der Luft. Der Kreislauf schließt sich nicht.

Das Umweltbundesamt hat chemisches Recycling in einem Forschungsvorhaben untersucht, allerdings Pyrolyse und Verölung und nicht dieses Zeolith-Verfahren. Das Fazit: Chemisches Recycling zählt nur dann als Recycling, wenn Rohstoffe für die chemische Industrie entstehen, und es kann eine Ergänzung sein. Das mechanische Recycling sei wegen Energieverbrauch und CO₂-Emissionen zu bevorzugen, wo es möglich ist. In Praxisanlagen für Pyrolyse und Verölung liegen die Ölausbeuten demnach bei 70 bis 80 Prozent, die Ölqualität ist aber teils schlecht, etwa durch Verunreinigungen. Gegenüber der Verbrennung in Müllverbrennungsanlagen und Ersatzbrennstoff-Kraftwerken sieht das Amt dagegen Vorteile des chemischen Recyclings.^[9]