Kemisk återvinning av plast : Teknik, flöden och miljöaspekter

Denna rapport är resultatet av ett projekt utfört av konsortiet SMED, tillsammans med underkonsulter, på uppdrag av Naturvårdsverket. Syfte Det övergripande syftet med uppdraget var att göra en analys av följande aspekter för kemisk återvinning: Vilka resurs-, miljö- och klimateffekter skulle en svensk anläggning kunna innebära, särskilt med avseende på aspekterna farliga ämnen, klimatpåverkan och resurseffektivitet, för olika kemiska återvinningstekniker, flöden och plastsorter? För vilka flöden och plastsorter kan kemisk återvinning vara aktuellt och för vilka plastsorter kan det göra mest nytta? Behövs reglering för att styra det? Vilka problem och hinder i plastflödet kan avhjälpas med kemisk återvinning? Vilka hinder och möjligheter finns med införandet av kemisk återvinning? Metod Projektet genomfördes huvudsakligen under perioden augusti till december 2020. De huvudsakliga momenten i genomförandet av projektet var att Gå igenom litteratur, både vetenskaplig litteratur, andra rapporter och utredningar samt även mer marknadsorienterad information, såsom websidor, för att kartlägga olika tekniker, pilotstudier och anläggningar, och extrahera relevant information. Identifiera och intervjua relevanta aktörer inom forskning, myndigheter och näringsliv med särskild kompetens och insyn i området och sammanställa samt bearbeta informationen från dessa. Hålla ett seminarium med brett urval av deltagare inklusive intervjuade personer för att få ytterligare synpunkter, inte minst inspel till analysen av hinder och möjligheter Bearbeta och sammanställa underlag och resultat samt författa och uppdatera rapport inklusive granskningar och återkopplingar från beställaren. Tekniker för kemisk återvinning Kemisk återvinning av plast är idag under stark utveckling och många anläggningar byggs eller är under projektering, främst på kontinenten. Kemisk återvinning innebär att plasterna genomgår en process eller följd av processer där polymerkedjorna bryts upp till mindre molekyler. Det finns många olika tekniker och varianter av kemisk återvinning, vilket delvis också beror på att det finns många olika plastsorter, och olika tekniker har utvecklats för att passa för olika plasttyper. Vi har här gjort en indelning i sex kategorier av tekniker, där ordningen ungefär motsvarar graden av nedbrytning av polymererna, så att ju längre ner på listan, desto högre grad av nedbrytning. De kategorier av tekniker som beskrivs i rapporten är Upplösning/utfällning Depolymerisering Solvolys Pyrolys Förgasning CCU – koldioxidinfångning och nyttiggörande (Carbon Capture and Utilization) Inom varje kategori finns oftast ett stort antal specifika teknikspår, och kategoriseringen är inte helt enkel. Det finns många olika begrepp som används inom området och terminologin är i dagsläget inte standardiserad. Upplösning/utfällning innebär som benämningen antyder att polymeren löses upp i något lösningsmedium, med avsikt att sedan fällas ut igen efter avlägsnande av oönskade komponenter. Tanken är att separera polymerkedjor, men inte ha sönder dem, vilket dock inte helt undviks. Metoden kan kategoriseras som en fysikaliskkemisk process. Depolymerisering avser i denna studie en kategori av teknologier som innebär att polymerer genomgår en process där de specifikt delas sönder i sina byggstenar, monomerer, som därmed återskapas. Även processer som ospecifikt sönderdelar polymerer till mindre delar kan anses vara depolymerisering. Men enligt praxis avser depolymerisering just processer där återskapande av monomerer avses. Solvolys avser i denna studie en process som utförs i ett vätskeformigt medium vid hög temperatur och högt tryck bryter ned polymerer till en oljeprodukt. Då mediet är vatten kallas det också hydrotermisk förvätskning eller HTL (hydrothermal liquefaction) och sker vid 200-400 grader och 50-250 bar. Pyrolys innebär en process som sker i en syrefri eller syrefattig miljö, där plasterna upphettas och bryts sönder till mindre beståndsdelar, och där man vanligtvis eftersträvar en vätskeformig produkt. Därför används ibland även begreppet termisk förvätskning inom denna kategori. Förgasning innebär att plasterna upphettas och bryts ned, med viss tillförsel av syre, till i huvudsak gasformiga ämnen, däribland kolmonoxid. CCU - Koldioxidinfångning och -nyttiggörande innebär som namnet antyder att koldioxid fångas in och nyttiggörs. I kombination med förbränning av plast skulle CCU vara en form av kemisk plaståtervinning. Egenskaperna hos de olika teknikkategorierna 1–6 har sammanfattats i tabell S1. De huvudsakliga för- och nackdelarna med olika tekniker har sammanställts i tabell S2. Resurs-, miljö- och klimataspekter Resurs- och Klimataspekter Resurs- energi- och klimataspekter är nära sammankopplade då man studerar plaståtervinning. Kemisk återvinning som teknikfamilj intar ett resurs-, energi- och klimatmässigt mellanläge mellan mekanisk återvinning och förbränning. Lokala förutsättningar i det enskilda fallet, såsom tillgång på klimatsnål processenergi, påverkar hur utfallet blir. Utsläppen från mekanisk återvinning är generellt mycket små. Det finns en viss miljöpåverkan, bland annat från produktionen av den elektricitet eller andra energibärare, som behövs för separation och tvättprocesser. Utsläpp från kemisk återvinning för de olika teknikerna är sinsemellan i samma storleksordning, större än de från mekanisk återvinning, då kemisk återvinning kräver mer energi, men mindre än utsläppen från avfallsförbränning. Indirekta effekter, i detta fall främst mängd elektricitet och produktionssätt för denna, samt förhållanden i och kring avfallsförbränningsanläggningar (som är ett alternativt sätt att behandla plastavfall som inte kan återvinnas mekaniskt) kommer att ha stor inverkan på systemets prestanda. Om processen använder energi från koldioxidsnåla källor så kommer den ha en högre klimatnytta än om processen använder fossila energi- och råvarukällor. En del av det gasflödet skulle också kunna återvinnas som produkt, i en storskaligare, mer optimerad anläggning, och där energin istället tillförs från annan källa, som då kan vara en klimatsnål energikälla, till exempel grön el. Farliga ämnen Eftersom det handlar om kemiska processer kan man egentligen aldrig fullständigt garantera frihet från potentiellt riskabla ämnen. Det har varit ganska svårt att få helt klarlagd och likvärdig information för de olika teknikerna och för de olika varianterna av olika teknik, hur de hanterar tillsatser och eventuellt bildade farliga ämnen, delvis för att flertalet tekniker är ganska nya och inte helt utredda. Tillsatsämnen kan delas in i fyra huvudgrupper i form av funktionella tillsatser, färgämnen, fyllmedel och förstärkningar. I dessa grupper finns bland annat flamskyddsmedel, mjukgörare, biocider, färgpigment, talk och glasfiber. Dessa ämnen kan bete sig olika under processer för kemisk återvinning beroende på kemisk struktur, mängd, processegenskaper samt om additiven är inbundna i polymeren. De olika teknikerna har olika karakteristik avseende detta. Genom att kontrollera och eventuellt förbehandla ingående plastavfallsström kan man styra den kemiska nedbrytningsprocessen och minska bildandet av farliga och oönskade ämnen. För processer som sker under lägre temperatur på upp till 250°C, till exempel upplösning/utfällning och depolymerisering, kommer tillsatsämnets kemiska och termiska stabilitet bestämma hur ämnet påverkas. Detta medför att tillsatsämnena kan vara helt eller delvis nedbrutna, eller helt opåverkade. Därför behöver föroreningsprofil och reaktivitet undersökas för att optimera renhet på slutprodukten. Biprodukten i form av urlakade tillsatsämnen behöver också hanteras, exempelvis via destruktion eller återcirkulering. Om tillsatsämnet är klassat som farligt ämne enligt REACH kan detta ge problem i hantering och utökade krav på tillstånd för återvinningsaktörerna. Under högre temperaturer på 300–1000°C, såsom i solvolys, pyrolys, förgasning och förbränning, kommer organiska molekyler påverkas via termisk eller kemisk nedbrytning. En viss bildning av aromatiska strukturer sker i dessa processer, och återfinns typiskt i fraktionerna tjära eller koks. Sådana ämnen kan därmed hittas i produkter från metoder för kemisk återvinning liksom vid förbränning. Tillsatser i form av färgämnen och flamskyddsmedel kan bilda nedbrytningsprodukter som kan störa processen eller bilda nya farliga ämnen. Förenklat kan man säga att allt som följer med in i dessa processer kan också till någon del komma att ingå i reaktionsprodukter. Så om syre, kväve, svavel, klor eller brom följer med in i processen, så kan nya ämnen bildas där dessa ingår, och detta behöver man beakta om man vill undvika sådana ämnen, antingen genom noggrann förseparering, eller lämpliga reningssteg. Variationerna i hur dessa ämnen hanteras är stora, beroende på specifik teknik och processbetingelser. Användarna av produkter från kemisk återvinning vill inte ha med föroreningar av olika slag i sitt råvaruinflöde. Det talar för att man kommer vara tvungen att säkerställa att oönskade farliga ämnen i vid mening undviks i kemiskt återvunna produktflöden. Kemiska återvinningsanläggningar kommer generellt att lyda under liknande miljölagstiftning som kemiindustri. Det talar för att man kan via tillståndsprocesser och miljörelaterad övervakning bevaka potentiella flöden av farliga ämnen. Rätt utförd kemisk återvinning kan därmed ge en ny möjlighet att hantera kontaminerade plastavfallsströmmar vilket skulle minska miljöpåverkan av dessa farliga ämnen. Särskilt intressanta flöden Olika tekniker passar bättre för olika plastsorter. I tabell S1 specificeras under respektive teknik vilka plastsorter som anses vara mest lämpade för den tekniken. Stora flöden har potential att ge stor nytta. Det har därför varit angeläget att belysa vilka plastsorter som finns i vilka flöden i samhället, och vilka mängder av plast det handlar om. Relevanta plastflöden i Sverige undersöktes med avseende på storlek, spridning och metod för avfallshantering. Utifrån den sammanställningen diskuterades flödenas potential för kemisk återvinning samt för vilka flöden som kemisk återvinning skulle göra mest nytta. Flöden med lågt värde inom mekanisk återvinning har potential att vara attraktiva för kemisk återvinning. Genom utökad plastavfallssortering av hushållsavfall (restavfall) och på befintliga återvinningsanläggningar (grovavfall) kan man få ut avfallsflöden där kemisk återvinning skulle kunna appliceras på plastströmmar som är mindre lämpliga för mekanisk återvinning. Fyra sådana strömmar förtjänar att lyftas fram här: polyeten och polypropen i blandat avfall, polystyren, PET-polyester och plast från fordon. Polyeten och polypropen Det finns en stor volymspotential i att öka utsorteringen av polyeten (PE) och polypropen (PP) i olika avfallsströmmar, då dessa är de två vanligaste plastsorterna i samhället. Av de cirka 100 000 ton plastförpackningsavfall som samlas in separat idag är tre fjärdedelar PE och PP. Ungefär dubbelt så mycket PE och PP finns kvar i restavfallet, som idag går till förbränning. SÖRAB har just tagit i drift en försorteringsanläggning i Brista där man avser sortera ut större delen av plasten som finns i restavfallet som kommer dit, och man räknar med att det rör sig om ungefär 20 000 ton per år. Ytterligare fyra anläggningar av den typen och storleken, placerade vid olika andra motsvarande avfallsstationer, skulle därmed ungefär kunna dubblera utsorterad mängd plastförpackningsavfall inklusive av PE och PP. Även om en stor del av den ökade utsorteringen skulle kunna återvinnas mekaniskt så vet vi också att en del av det som redan idag går till utsorteringsanläggningar inte går vidare till mekanisk återvinning men skulle kunna lämpa sig för kemisk återvinning. Sannolikt kan en pyrolys-baserad teknik passa i det fallet, i synnerhet då denna teknik anses klara blandningar och laminat. Uppskattningsvis så är det omkring 400 000 ton PE och PP varje år som inte återvinns från de fem största inhemska flödena av plastavfall; blandat avfall från verksamheter, bygg- och rivningsavfall, restavfall, grovavfall och utsorterade förpackningar. Polystyren Polystyren (PS) finns i tre dominerande avfallsströmmar idag: restavfall (hushåll, PS), grovavfall (återvinningsanläggningar, PS/ABS) och elektronikavfall (PS/HIPS/flamskyddsmedel). De totala volymerna uppskattas till ca 24 000 ton. Det är oklart hur stor mängd som återvinns mekaniskt idag. För den delen som inte återvinns mekaniskt skulle det göra god nytta att etablera kemisk återvinning, antingen genom upplösning/utfällning, depolymerisering och lågtemperatursolvolys, eller en kombination av olika tekniker. PET-Polyester Polyester (specifikt polyetentereftalat, PET) återvinns mekaniskt idag från separat insamlade läskflaskor och liknande. Färgad plast är ej lika attraktiv för mekanisk återvinning på grund av de många olika färgtillsatserna. I det blandade hushållsavfallets restfraktion och även i det utsorterade förpackningsavfallet finns en hel del PET, ofta i starka färger. I Sverige uppskattas det till att ungefär 70 000 ton PET-avfall finns tillgängligt, varav 45 000 ton finns i redan sorterat förpackningsavfall och flaskor och ytterligare 24 000 ton bedöms kunna sorteras ut från en utökad sortering av rest- och grovavfall. Här finns det en möjlighet att kemiskt återvinna en god del av dessa PET- och polyesterprodukter med upplösning/utfällning eller depolymerisering. Dessutom så kan denna typ av process utvecklas ihop med en liknande process för till exempel syntetisk PET (polyester) från textilt avfall. Fordon Polymerer av typ PP (ca 15 000 ton, varav ca 5000 ton fylld PP), PE (ca 8000 ton) och PA6/PA66 (ca 8000 ton) är de större volymerna från fordonsåtervinning. Exempel på andra polymerer och dess blandfraktioner är: ABS, PC+ABS, PC, PMMA, PVC och POM. Förekomsten av många olika plaster komplicerar återvinning, men i sektorn finns delvis redan logistik och demonteringsanläggningar på plats för att återvinna metaller. Denna skulle kunna utökas för att även återvinna polymerer från plastkomponenter. Hinder och möjligheter Idag är det mycket plastavfall som förbränns tillsammans med övrigt avfall i våra många avfallsförbränningsanläggningar. Av det som samlas in separat går också en betydande del som rejekt eller restfraktion till förbränning, eftersom endast den kvalitetsmässigt bästa delen av det insamlade går att avsätta på marknaden. Det finns en stor potential till att utöka sortering av plast för materialåtervinning. Vad kemisk återvinning skulle kunna bidra med är inte minst att öka den totala efterfrågan på insamlad plastavfallsråvara. Idag finns ett moment 22 inom den mekaniska plaståtervinningen: att flödena är för små för att ge en tillräckligt stabil situation för många större potentiella användare. Därmed efterfrågas heller inte återvunnen råvara av dessa och inget tillräckligt incitament kommer från det hållet för återvinnare att öka insamlingen. En eller flera anläggningar för kemisk återvinning skulle åstadkomma en väsentligt ökad efterfrågan och därmed öka incitament för utsortering för återvinning. Kemisk återvinning kan dessutom bidra med att få fram högvärdiga produkter av återvunnet material, vilket den mekaniska återvinningen inte klarar av där den återvunna produkten alltid är av samma eller sämre kvalitet än det ingående materialet. Mekanisk återvinning kan på ett effektivt sätt återvinna plastflöden av hög kvalitet till plastmaterial av något eller betydligt lägre kvalitet. Kemisk återvinning kan på ett mindre effektivt sätt återvinna plastflöden av lägre kvalitet till plastmaterial av högre kvalitet. De har på så sätt en bra potential att komplettera varandra. De huvudsakliga hinder för kemisk återvinning, som uppdagats i denna studie, verkar grunda sig i att det är ett relativt nytt koncept för återvinning. Många lagar och andra styrmedel, men även infrastrukturen, är fortfarande baserade på att plast tillverkas från fossil råvara och ska sedan återvinnas via mekanisk återvinning så långt det är möjligt, eller annars förbrännas. De industriaktörer som har intervjuats under projektets gång pekar framförallt på att det saknas långsiktighet och tydlighet. De vill ha långsiktiga styrmedel som styr från fossila råvaror och från förbränning av plast mot återvunnen råvara och återvinning av plast inklusive kemisk återvinning. De vill också att alla styrmedel som påverkar dem ska vara tydliga i sin utformning, så att det inte uppstår några oklarheter om hur kemisk återvinning kommer in i avfallssystemet och att det är samma regler som i andra länder, särskilt inom EU. Om dessa önskemål uppfylls så finns det en möjlighet att få bort många identifierade hinder för kemisk återvinning. Regleringar och styrmedel Hård reglering för vilka specifika plaster som får eller inte får gå till kemisk återvinning anser vi inte vara en bra väg att gå. Däremot kan det vara lämpligt med olika styrmedel som hjälper marknaden att ”välja rätt”. Många styrmedel för att motverka utsläpp av klimatgaser kommer också att tydligt styra bort plast från förbränning vilket vi ser som ett av de mest effektiva sätten att generera mer tillgänglig plast för både mekanisk och kemisk återvinning. Det som i nuläget förefaller behövas är styrmedel för att öka utsortering och ökat krav på användning av återvunnen råvara. Fortsatt eller utökat stöd till grundläggande och tillämpad forskning kan också behövas och då i första hand till att utveckla återvinningsmöjligheter för kontaminerade strömmar och volymmässigt mindre strömmar, då det kommer vara svårt att bygga ekonomiskt möjliga processer av dessa avfallsströmmar