Recykling chemiczny
Niezbędny element Gospodarki Obiegu Zamkniętego i Europejskiego Zielonego Ładu
W obliczu zagrożeń środowiskowych Europa, jako lider światowych zmian, przyjęła dwa niezwykle
ambitne strategiczne programy. Ich celem jest ochrona zasobów naturalnych poprzez zwiększenie wykorzystania już używanych surowców (zawracanie materiałów do obiegu – Circular Economy) oraz przeciwdziałanie - lub przynajmniej zahamowanie - gwałtownych zmian klimatycznych, jakie zachodzą pod wpływem szybkiego rozwoju gospodarczego w ostatnim stuleciu (Europejski Zielony Ład - European Green Deal). Oba te programy w istotnym stopniu uwzględniają wykorzystanie tworzyw sztucznych, materiałów, które zawojowały wiele dziedzin życia z powodu swojej niewiarygodnej wszechstronności i dostępności i które stały się w ostatnich dziesięcioleciach symbolem nowoczesności, wygody i postępu.
Prognozy wskazują, że niemożliwe jest utrzymanie aktualnego modelu wykorzystania w światowej gospodarce materiałów i surowców z uwagi na znaczne uszczuplenie tych zasobów w środowisku naturalnym. Dotyczy to również tworzyw sztucznych – wytwarzanych ciągle jeszcze z nieodnawialnych zasobów naturalnych (ropa naftowa, gaz). Równie ważne jest ograniczenie marnowania zasobów, jakie stanowią dzisiaj tworzywa sztuczne i wyroby z nich wykonane oraz zatrzymanie zanieczyszczania środowiska, zwłaszcza wodnego, odpadami tworzyw, które w niektórych regionach świata osiągnęło już katastrofalne rozmiary.
Już teraz postuluje się konkretne działania, aby przeciwdziałać tym wyzwaniom. Przede wszystkim należy:
tam, gdzie to jest możliwe i ekologicznie uzasadnione, odchodzić od wyrobów jednorazowych na rzecz trwałych wyrobów wielokrotnego użycia,
zmienić podejście przy projektowaniu wyrobów tak, aby możliwe były naprawy wyrobów (np. łatwa wymiana modułów), a po zakończeniu etapu użytkowania wszystkie materiały konstrukcyjne tych wyrobów można było poddać recyklingowi,
poprawić systemy zbiórki selektywnej odpadów i ich sortowania,
udoskonalać technologie recyklingu; zwiększać ich wydajność i poprawiać jakość odzyskanych surowców,
promować i nagradzać używanie surowców wtórnych odzyskanych w recyklingu (recyklatów),
nienadające się do recyklingu mechanicznego odpady tworzyw sztucznych poddać procesom recyklingu chemicznego.
Rozwój nowoczesnych technologii i poszukiwanie nowych źródeł surowców do produkcji tworzyw to ważny elementów osiągnięcia celów strategii Circular Economy i European Green Deal. W tym kontekście kluczowy jest recykling chemiczny.
Czym jest recykling chemiczny?
Najczęściej przyjmuje się definicję, że proces recyklingu tworzyw można uznawać za odmianę recyklingu chemicznego, jeżeli w jego wyniku zachodzą reakcje chemiczne i powstają nowe substancje. W wyniku tych chemicznych przemian polimery degradują się do substancji prostszych: oligomerów, małych cząsteczek węglowodorów, czy wręcz monomerów bądź innych prostych substancji, jak tlenek węgla czy wodór. Przy takiej definicji recyklingiem chemicznym nie są rozpuszczalnikowe metody recyklingu, w których za pomocą specjalnych rozpuszczalników rozpuszcza się polimery oddzielając je od zanieczyszczeń, po czym polimery ulegają ponownemu wytrąceniu. Z kolei, w recyklingu mechanicznym występują tylko procesy fizyczne (oddzielanie tworzyw od zanieczyszczeń, separacja poszczególnych polimerów, mycie itp.) i nie prowadzi się operacji mających na celu przekształcanie cząsteczek polimerów.
Obrazowo, recykling chemiczny często przedstawia się jako jeden z obszarów obiegu zamkniętego, następny za recyklingiem mechanicznym. W praktyce stosuje się podział technologii recyklingu chemicznego na procesy rozkładu termicznego polimerów (piroliza, zgazowanie) i rozkładu polimerów za pomocą polarnych substancji chemicznych (np. rozpuszczalników) – w tym przypadku używa się terminu chemoliza.[1]
Dlaczego recykling chemiczny jest konieczny?
Można przypuszczać, że procesy depolimeryzacji zachodzące w recyklingu chemicznym (zwłaszcza w metodach termicznej degradacji polimerów) będą wymagać większego wkładu energii w porównaniu do recyklingu mechanicznego. Dlatego preferowaną metodą odzysku tworzyw sztucznych jest recykling mechaniczny, którego koszty (ekonomiczne i środowiskowe) są zwykle niższe niż recyklingu chemicznego. Należy pamiętać, że na całkowite koszty recyklingu wpływają koszty przygotowania do recyklingu, w tym zbiórki odpadów i ich rozsortowania, w tym odseparowania różnych polimerów. Dla pewnej części odpadów, np. mocno zanieczyszczonych, odpadów o małych rozmiarach (np. opakowania batonów, cukierków) czy wreszcie złożonych opakowań wykonanych z kilku polimerów (np. folie barierowe) te koszty przygotowania mogą urosnąć do tak wysokiego poziomu, że recykling mechaniczny może okazać się nazbyt kosztowny i w efekcie nieopłacalny. Ponadto nawet przy najlepszych systemach selektywnej zbiórki, zawsze powstaje pewna ilość odpadów (w tym np. część odpadów z konsumpcji, zwłaszcza żywność na wynos), które nie trafią do pojemników selektywnej zbiórki, tylko wylądują w koszach zbiórki mieszanej czy wręcz w środowisku jako śmieci. I tutaj rozwiązaniem staje się recykling chemiczny, dla którego odzyskanie wartości surowcowej takich odpadów nie jest problemem. Co więcej, w niektórych technologiach procesom depolimeryzacji można poddać odpady różnych polimerów i materiały złożone (wielopolimerowe). Dodatkową zaletą recyklingu chemicznego jest najwyższa jakość otrzymywanych produktów. Pozwala to wyeliminować jedną ze słabości recyklingu mechanicznego, którą jest zwykle gorsza jakość recyklatów w porównaniu z surowcami virgin. Ma to ogromne znaczenie dla akceptacji recyklatów do produkcji wyrobów, które mogą mieć kontakt z żywnością, jak np. opakowania produktów spożywczych. W obecnej sytuacji w krajach Unii Europejskiej mamy duży problem z zastosowaniem na większą skalę dostępnych na rynku recyklatów do produkcji opakowań żywności. Pomimo nacisku ze strony społeczeństwa, ekspertów od zrównoważonego rozwoju i NGO, a także ambitnych celów legislatorów europejskich, zbyt mało recyklatów trafia do sektora produkcji opakowań żywności. Podstawową przyczyną jest troska o zachowanie bezpieczeństwa żywności i napojów i wymóg stosowania do produkcji wyrobów mających kontakt z żywnością tylko takich materiałów (recyklatów), które spełniają najwyższe normy jakościowe i nie spowodują zanieczyszczenia żywności. Idealnym rozwiązaniem są systemy recyklingu w zamkniętej pętli (closed- -loop recycling), gdzie system zbiórki odpadów i recyklingu jest tak zorganizowany, że zużyte opakowania przerabiane są na recyklat, który jest używany następnie do produkcji nowych opakowań, najczęściej takich samych. Przykładem recyklingu closed-loop są systemy zagospodarowania butelek, w tym butelek HDPE na mleko w Wielkiej Brytanii, czy butelek PET na napoje i wodę. Częstą niedogodnością systemów closed-loop jest konieczność zorganizowania oddzielnego systemu zbiórki tych opakowań, które mają być poddane operacjom closed-loop recycling, by wyeliminować możliwość zanieczyszczenia strumienia odpadów. Z tego względu systemy recyklingu w pętli zamkniętej nie reprezentują obecnie głównego modelu zagospodarowania odpadów[2]. Wydaje się jednak, że rozwój recyklingu w kierunku systemów zamkniętej pętli jest jak najbardziej wskazany. Z kolei, z obawy o możliwe zanieczyszczenie recyklatów do kontaktu z żywnością, funkcjonujący obecnie w Unii Europejskiej system opinii EFSA[3] na temat użycia konkretnych technologii do wytwarzania takich recyklatów, dotyczy w przeważającej większości jedynie jednego polimeru – PET[4].
Komisja Europejska próbuje zmienić tę sytuację proponując nowe rozporządzenie w sprawie materiałów do kontaktu z żywnością, w tym recyklatów, które ma zastąpić Rozporządzenie EU 282/2008 i ułatwić stosowanie recyklatów. W tekście proponowanego rozporządzenia, którego publikacja planowana jest w I połowie 2022 r., nie ma bezpośredniego odniesienia do recyklingu chemicznego, ale użyte sformułowania i definicje[5] nie wykluczają stosowania tej technologii.
Recykling chemiczny to technologia sprzyjająca ochronie środowiska
Do szacowania oddziaływania wyrobów na środowisko od dawna używa się narzędzi grupowanych pod nazwą Life Cycle Assessment, LCA (ocena cyklu życia). Opierają się one na bezwzględnej lub względnej (przy porównywaniu dwóch lub więcej wyrobów) wartości parametrów określających obciążenie środowiska przez wyrób w całym cyklu jego życia, od produkcji surowców, poprzez wytworzenie wyrobu, jego fazę użytkową, aż po zagospodarowanie odpadów powstałych na końcu życia wyrobu. Tymi parametrami mogą być np. zużycie energii i emisja gazów cieplarnianych, zużycie wody, minerałów itp. Oceny LCA wykonuje się również do porównania różnych procesów i/lub technologii, dzięki czemu dysponujemy różnymi badaniami porównawczymi wpływu na środowisko różnych metod zagospodarowania odpadów tworzyw sztucznych, np. recyklingu mechanicznego, recyklingu chemicznego, spalania z odzyskiem energii, czy składowania. Ważne jest, by oceny LCA uwzględniały cały cykl życia. Jeśli np. strumień odpadów tworzyw jest poddany recyklingowi chemicznemu, zamiast odzyskać z niego energię, należy uwzględnić „oszczędzone” emisje gazów cieplarnianych, które powstałyby w procesie odzysku energetycznego.
Opublikowane badania porównawcze oddziaływania metod zagospodarowania odpadów tworzyw sztucznych, np. przez BASF[6], CE Delft[7] czy badanie Quantis wykonane przez CEFIC[8] jednoznacznie wskazują, że obciążenie środowiska naturalnego mierzone jako ślad węglowy (carbon footprint – emisja CO2 na tonę odpadów poddanych recyklingowi) dla dojrzalszych technologii recyklingu chemicznego (np. piroliza) jest tylko nieznacznie większe od śladu węglowego recyklingu mechanicznego. Oczywiście, pod tym względem recykling chemiczny jest nieporównywalnie bardziej korzystny od odzysku energetycznego (po pierwsze z powodu emisji CO2 jako produktu spalania i po drugie z tytułu unikniętych emisji CO2 związanych z zaoszczędzonymi polimerami virgin). W konkluzjach raportu CEFIC- -Quantis podkreśla się, że technologie recyklingu chemicznego mają z jednej strony potencjał zwiększania stopnia zawrócenia materiałów do gospodarki (circularity) i oszczędności zasobów naturalnych, a z drugiej potencjał obniżania śladu środowiskowego, a zatem zdążania w kierunku celów Europejskiego Zielonego Ładu - gospodarki niskowęglowej.
Zaawansowanie technologii recyklingu chemicznego
Technologie recyklingu chemicznego to w większości młode technologie, z których wiele nie osiągnęło jeszcze wielkoskalowej dojrzałości technologicznej. Pomimo tego, firmy z branży tworzyw, zwłaszcza producenci polimerów, są przekonani, że recykling chemiczny jest niezbędnym elementem gospodarki obiegu zamkniętego. Te technologie mogą także stanowić podstawy dla strategii rozwojowej firm w zgodzie z zasadami zrównoważonego rozwoju.
Stowarzyszenie europejskich producentów tworzyw sztucznych, Plastics Europe, które od początku wdrażania strategii Circular Economy i Europejskiego Zielonego Ładu, zaangażowało się mocno w dostosowanie branży do wyzwań obu strategii, np. przez aktywne wspieranie działań w kierunku zwiększenia recyklingu, ponownego użycia recyklatów itp.[9] Firmy członkowskie Plastics Europe dostosowują swoje długoterminowe strategie do wymogów czasu i wszystkie zaakcentowały, że zrównoważony rozwój zarówno firm, jak i produkowanych przez nie produktów będą wspierały nadrzędne cele obu strategii: zamykanie obiegu surowców i zmniejszenie śladu środowiskowego. W kontekście recyklingu chemicznego stowarzyszenie Plastics Europe opublikowało w ubiegłym roku deklarację o podjętych i planowanych do roku 2025 i 2030 inwestycjach w technologie recyklingu chemicznego (tab. 1).
Podobne deklaracje płyną z innych regionów świata. American Chemistry Council, reprezentująca przemysł chemiczny i tworzyw sztucznych w USA, regularnie publikuje aktualizowane dane o inwestycjach w kierunku recyklingu chemicznego (w USA te technologie najczęściej nazywa się advanced recycling). Najnowsze dane wskazują, że od roku 2017 amerykańskie firmy chemiczne zainwestowały lub zadeklarowały inwestycje w technologie recyklingu chemicznego na poziomie 7,7 mld USD[10], co pozwoli na odzysk do recyklingu dodatkowych kilku mln ton odpadów tworzyw sztucznych każdego roku.
W maju 2021 S&P Platts opublikował raport[11] na temat zaawansowania wdrażania technologii recyklingu chemicznego na poziomie globalnym, w którym wskazuje na kilkanaście instalacji budowanych lub już działających. Śledząc na bieżąco dane podawane do informacji publicznej w internecie można potwierdzić, że każdy miesiąc przynosi doniesienia o nowych projektach inwestycyjnych.
W perspektywie celów Zielonego Ładu – roku 2050, eksperci oceniają, że recykling chemiczny jest technologią konieczną do osiągnięcia zeroemisyjności gospodarki unijnej. Wg raportu McKinsey[12], w roku 2050, ok. 30% surowców do produkcji tworzyw będzie pochodziło z procesów recyklingu chemicznego. Z kolei w raporcie Uniwersytetu Cambridge recykling chemiczny jest uwzględniany jako potencjalny czynnik obniżenia emisyjności gospodarki („Chemical recycling will play an indispensable role in a future net-zero emissions plastics system”)[13].
Nie ma odwrotu od recyklingu chemicznego
Patrząc na ogromne zaangażowanie przemysłu i łańcucha wartości tworzyw sztucznych w projekty związane z recyklingiem chemicznym, już teraz te innowacyjne technologie znajdują swoje miejsce w światowym procesie zamykania obiegu tworzyw sztucznych. Podstawowym argumentem za taką tezą jest fakt, że recykling chemiczny rzeczywiście rozwiązuje wiele obecnych problemów z zagospodarowaniem odpadów tworzyw sztucznych, takich jak np. trudności w recyklingu mechanicznym występujące w przypadku tworzyw złożonych (wielopolimerowych), kompozytów, odpadów mocno zanieczyszczonych i innych. Rozwój recyklingu chemicznego będzie przy okazji wpływał na obniżanie emisji gazów cieplarnianych, zagospodarowując surowiec odpadowy, który obecnie jest spalany z odzyskiem energii – jak wcześniej wskazano, przejście od procesów spalania do recyklingu chemicznego skutkuje dużo mniejszą emisją gazów cieplarnianych.
Sukces recyklingu chemicznego jest uwarunkowany poprawą legislacji, w której te technologie zostaną w pełni uznane za część Circular Economy, a „recyklaty” pochodzące z recyklingu chemicznego będą traktowane jak pełnoprawne surowce z recyklingu. Niezbędne jest doprecyzowanie mechanizmu obliczania wykonania poziomu recyklingu chemicznego. Z oczywistych względów nie da się przy rozliczaniu efektów recyklingu chemicznego stosować metod stosowanych w gospodarce odpadowej dla recyklingu mechanicznego. Eksperci wskazują, że należy tu w pełni uprawomocnić mechanizmy rozliczania poziomów recyklingu na podstawie bilansu masowego. Korzystne byłoby sprzężenie tego podejścia z rozwojem digitalizacji zarządzania produkcją i strumieni materiałowych.
Jednocześnie recykling chemiczny nie może być konkurencją dla recyklingu mechanicznego i należałoby rozważyć wzmocnienie tego stwierdzenia w odpowiedniej legislacji europejskiej i krajowej.
dr inż. Kazimierz Borkowski
ekspert ds. zrównoważonego rozwoju współpracujący z Fundacją PlasticsEurope Polska
[1] Rozwój recyklingu chemicznego następuje na bieżąco i w jednostkach R&D pojawiają się coraz to nowe pomysły, które próbuje się przekształcić w funkcjonujące technologie. Za “Chemical Recycling of Polymeric Materials from Waste in the Circular Economy. Final Report prepared for the European Chemical Agency by RPA Europe SRL, August 2021” można tutaj wspomnieć o technologiach, które nie są jeszcze (stan na połowę roku 2021) w fazie komercyjnej dostepności na rynku: „hydrocracking, microwave-assisted pyrolysis, plasma pyrolysis, pyrolysis with online reforming, and plasma gasification”. Z kolei Carbios, opatentował technologie depolimeryzacji PET za pomocą nowoopracowanego enzymu PET-depolimerazy i razem z firmą Michelin inwestuje w instalację produkcyjną o zdolnościach przetwarzania 40 tys. t odpadów PET. https://www.carbios.com/en/enzymatic-recycling/
[2] Wg Tomra, w skali globalnej, tylko ok. 2% odpadów zbierane i przetwarzane jest w pętlach recyklingu z obiegiem zamkniętym. https://newsroom.tomra.com/only-2-plastic-packaging-closed-loop/
[4] https://www.kunststoffe.de/a/fachartikel/lebensmittelechtes-post-consumerrezykla-212520
[5] Np. definicje w Art. 2, p. 3: “‘recycling technology’ means a specific combination of physical and chemical concepts, principles, and practices to recycle a waste stream of a certain type and collected in a certain way into recycled plastic materials and articles of a specific type and with a specific intended use, and includes a decontamination technology”
[6] https://www.basf.com/global/en/who-we-are/sustainability/we-drivesustainable-solutions/circular-economy/mass-balance-approach/chemcycling/ lca-for-chemcycling.html
[7] https://cedelft.eu/wp-content/uploads/sites/2/2021/03/CE_Delft_2P22_ Exploration_chemical_recycling_Extended_summary.pdf
[8] https://cefic.org/app/uploads/2020/12/CEFIC_Quantis_report_final.pdf
[9] Jednym z takich działań jest praca w Circular Plastics Alliance, powołanej przez Komisję Europejską platformy dla stworzenia warunków istotnego zwiększenia wykorzystania recyklatów w gospodarce europejskiej
[10] https://www.americanchemistry.com/better-policy-regulation/plastics/ advanced-recycling
[11] “Chemical recycling: an overview of technology, market growth and environmental impact”, Platts Future Energy Outlook Special Report, S&P Global Platts, May 2021. Skrót raportu dostepny pod https://insight.spglobal. com/story/future-energy-outlooks-special-report-chemical-recycling/page/2/1
[13] Material Economics (2019). Industrial Transformation 2050 - Pathways to NetZero Emissions from EU Heavy Industry.
