Alkalische thermische Behandlung (ATT) macht aus Kunststoffen PET, PE und PP Wasserstoff

Wenn eine wissenschaftliche Neuerung eines der drängendsten Umweltprobleme entschärfen kann, ist das schon ein grosser Erfolg. Gelingt es dabei sogar, gleich zwei Herausforderungen anzugehen, umso mehr.

Eine neue Studie beschreibt ein Verfahren, mit dem sich drei der am häufigsten verwendeten Kunststoffe in Wasserstoff umwandeln lassen – einen Energieträger, der künftig das Potenzial hat, eine saubere und reichlich verfügbare Energiequelle zu sein.

Besonders bemerkenswert: Für die Methode ist keine Sortierung der Kunststoffe nötig. Genau dieser Schritt ist in der Recyclingkette teuer und zeitaufwendig – und trägt mit dazu bei, dass derzeit nur 9 Prozent der Kunststoffe recycelt werden.

"Wir lösen zwei dringende globale Probleme gleichzeitig", sagt Ah-Hyung Park, Chemie- und Biomolekularingenieurin an der University of California, Los Angeles (UCLA), die die Studie gemeinsam mit Forschenden in Südkorea leitete.

"Plastikabfälle häufen sich in alarmierendem Tempo, und sauberer Wasserstoff ist entscheidend für die Dekarbonisierung der Energieversorgung. Diese Technologie geht beide Herausforderungen auf kreative und skalierbare Weise an."

Wasserstoff aus Kunststoffabfällen mit alkalischer thermischer Behandlung (ATT)

Das Verfahren heisst alkalische thermische Behandlung (ATT). Teile des Teams hatten ATT zuvor bereits entwickelt, um Algen (Seetang) in hochreinen Wasserstoff umzuwandeln.

ATT nutzt Natriumhydroxid und Wärme, um die Wasserstoffproduktion anzutreiben.

In Versuchen mit einem Gemisch aus Kunststoffabfällen – darunter Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) – erzeugte ATT Wasserstoffgas mit Reinheiten von über 90 Prozent, ohne dass zuvor sortiert werden musste.

Ergebnisse: niedrigere Temperaturen und gebundener Kohlenstoff

Gegenüber gängigen Verfahren zur Wasserstoffherstellung zeigte ATT zwei zentrale Vorteile: Zum einen lief der Prozess bei Temperaturen, die etwa 300–400 °C (572–752 °F) niedriger lagen als bei alternativen Ansätzen. Zum anderen wurde der Grossteil (75 Prozent) der kohlenstoffhaltigen Nebenprodukte als Feststoff gebunden, statt diesen Kohlenstoff als Kohlendioxid in die Luft abzugeben.

"Die deutliche Reduktion direkter CO₂-Emissionen deutet darauf hin, dass eine ATT-basierte Wasserstoffproduktion im Vergleich zu konventionellen Prozessen umweltseitig wettbewerbsfähig sein könnte", schreiben die Forschenden in ihrer veröffentlichten Arbeit.

Um die Ausbeute zu erhöhen, wurden die PE- und PP-Kunststoffe vorab behandelt, indem man sie erhitzte und oxidierte. Dadurch wurde Sauerstoff in die Polymerketten eingebracht, was die Materialien reaktiver machte.

Normalerweise führt der Sauerstoffmangel in PE und PP dazu, dass diese Kunststoffe gegenüber chemischer Verarbeitung besonders widerstandsfähig sind – ein weiterer Grund, weshalb bestehende Technologien bei gemischten, unsortierten Kunststoffströmen nur schwer vorankommen.

"Durch die Kombination aus Betrieb bei niedrigeren Temperaturen, der Fähigkeit zur Kohlenstoffbindung und den Vorteilen bei gemischten Kunststoffen bietet ATT einen praktikablen Weg, Kunststoffabfälle höherwertig zu verwerten und in sauberen Wasserstoffbrennstoff zu überführen", schreiben die Forschenden in ihrer veröffentlichten Arbeit.

Weg zur Praxis: Skalierung und Optimierung

So vielversprechend der Ansatz ist, bis zur kommerziellen Nutzung bleibt noch Arbeit.

Die grösste Aufgabe besteht nun darin, das Verfahren so zu skalieren, dass es über die Grenzen eines Laboraufbaus hinaus funktioniert – in der Studie wurden nur sehr kleine Proben eingesetzt.

Für dieses Ziel sei weitere Forschung nötig, um ATT so zu optimieren, dass die Wasserstoffausbeuten steigen, Kohlenstoffemissionen weiter sinken und die Temperaturen vergleichsweise niedrig bleiben, so das Team.

Bei den im Rahmen der Studie untersuchten Kunststoffen handelt es sich um Materialien, wie sie etwa in Strohhalmen, Tüten, Behältern und Getränkeflaschen vorkommen. Gemeint sind also weit verbreitete, aus Rohöl hergestellte Kunststoffe – und damit wichtige Treiber der Plastikverschmutzung.

Einordnung: Wie „sauber“ Wasserstoff wirklich ist

Die Arbeit bringt die Forschung auch einem nachhaltigeren Wasserstoffangebot näher.

Wasserstoff wird oft als „sauberer“ Brennstoff bezeichnet, weil bei seiner Nutzung lediglich Wasserdampf entsteht. Wie klimafreundlich er tatsächlich ist, hängt jedoch davon ab, wie er produziert wird. Derzeit wird der meiste Wasserstoff aus Erdgas – einem fossilen Brennstoff – in einem energieintensiven Prozess hergestellt, der grosse Mengen CO₂ freisetzt; zugleich entwickeln Forschende alternative Wege.

Indem ATT Kunststoffabfälle als Ausgangsstoff nutzt, den Kohlenstoff einfängt und Wasserstoff erzeugt, könnte das Verfahren – sofern es skalierbar ist – zu einem starken Kandidaten werden, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.

"Indem die Sortierkosten und die Prozesskomplexität reduziert werden, die bislang grosse Hürden für die Kommerzialisierung waren, hat diese Technologie das Potenzial, zu einer Kerntechnologie der nächsten Generation zu werden, die sowohl die Wasserstoffwirtschaft als auch die Kreislaufwirtschaft unterstützt", sagt der Chemieingenieur und Materialwissenschaftler Woo-Jae Kim von der Ewha Womans University in Südkorea.

Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.

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Dieser Artikel wurde von Rachel Garner auf Fakten geprüft und von Clare Watson redigiert. Auch wenn wir Wert auf unseren Prozess legen, sind wir nur Menschen. Wenn Ihnen ein Fehler auffällt, geben Sie uns bitte Bescheid.