Henrik Thunman
​Henrik Thunman, professor och avdelningschef för Energiteknik på Chalmers. Foto: Johan Bodell/Chalmers​.

Med rätt kravprofil blir plast en attraktiv råvara

Ryggmärgsreaktionen är att minska användningen av plast i samhället. Men det är att angripa symtomen, istället för roten till problemen. Vi måste sätta upp en kravprofil for polymera material, så att de kan produceras resurseffektivt till låg kostnad och skapa cirkulära system och återanvändas utan att ta ändliga resurser i anspråk. Plast ska vara en attraktiv råvara i ett oändligt kretslopp, skriver professor Henrik Thunman, i årets första nummer av IVA-Aktuellt, nr 1 2020. Länk till hela IVAs magasin i slutet av artikeln.

BIld av Hans Braxmeier från Pixabay Miljökonsekvenserna av dagens plastanvändning har fått allt större uppmärksamhet. Gigantiska öar av plast flyter omkring i våra hav, nedskräpningen av kustområden blir allt värre och kunskapen om mikroplasters påverkan på det marina djurlivet ökar. Världens höginkomstregioner har lämnat ett oerhört arv efter sig. Samtidigt har den globala tillväxten flyttat det huvudsakliga läckaget av plast till låginkomstregioner, där fortfarande två miljarder människor lever utan fungerande system för avfallshantering.

Ryggmärgsreaktionen är att minska användningen av plast i vårt samhälle. Men den utgår från hur vi i dag värderar och använder dessa material. Att minska användningen är därför att angripa symtomen istället för roten till problemet. Problemet är inte plast och andra polymera material, utan samhällets oförmåga att skapa system som gör att material får ett värde efter dess primära användning. 

Vi
måste därför frigöra oss från vår begränsande världsbild och sätta upp kravprofilen för de material som ska bygga vårt framtida hållbara cirkulära samhälle. Kravbilden utmärks av att materialen kan produceras resurseffektivt, till låg kostnad, kan möta samhällets olika behov av material med olika egenskaper samt vara tillgängliga för alla jordens invånare oavsett inkomstnivå. För att göra materialen uthålliga och cirkulära krävs att de kan möta en ökad användning utan att ta ändliga resurser i anspråk. Och när materialen tjänat ut ska de vara en attraktiv råvara för att producera nya material i ett oändligt kretslopp. 

Tar vi till oss denna kravprofil blir slutsatsen att syntetiskt producerade material uppbyggda av kol- och väteatomer mer eller mindre är de enda material som kvalificerar sig. Det innebär plast och andra polymera material. Anledningen är att dessa material bryts ner mycket långsamt, vilket betyder att allt material kan återvinnas och ges egenskaper som gör att de i stort sätt kan möta alla behov vi kan föreställa oss. Dessutom kan vi täcka ett ökande behov med plast som finns lagrad i vårt samhälle, till exempel på soptippar eller öar av skräp i havet.

Om mängden plastavfall inte är tillräcklig, är det naturligt att komplettera detta med biomassa som först har utnyttjats som material i sin ursprungliga form. Alternativet är att täcka expansionen genom att producera plast och andra polymera material via elektrolys och syntes av koldioxid och vatten som fångas in direkt från luften med förnybar el som energikälla. Koldioxiden och vattenångan som en vuxen människa andas ut under dag skulle räcka till att producera ungefär 25 plastbärkassar.


För att skapa en cirkulär användning måste kolet som är lagrat i material ses som just råvara för nya material och inte som bränsle. Och absolut inte något som vi bara kan deponera kontrollerat eller okontrollerat i vår natur. Följaktligen måste vi följa ambitionerna i avfallshierarkin som är implementerad i EU:s avfallsdirektiv och även återfinns i FN:s hållbarhetsmål.

För de stora petrokemiska fabrikerna, där våra plaster och polymera material produceras, betyder detta att de måste byta råvara.

Biflöden från olje- och gasindustrin måste ersättas av biflöden från samhället i form av plastavfall och biomassabaserat avfall. Ett byte som innebär flera stora utmaningar.

Den första är skalan på dessa anläggningar. Ett typiskt petrokemiskt industriellt kluster behöver mer än 1 miljon ton råvara årligen. Detta kan jämföras med den totala mängden plastavfall i Sverige som är i storleksordningen 1,7 miljoner ton per år. 

Den andra stora utmaningen är att skapa tekniska lösningar som kan återvinna material med en så hög återvinningsgrad att avfallsflödena räcker för att driva systemet.

Ser vi till den första utmaningen har vi under de senaste årtiondena tagit viktiga steg. Här har vi framför allt i norra Europa gått före genom att aktivt sortera ut plast ur våra avfallsströmmar. Detta är en förutsättning för en omställning till ett cirkulärt samhälle. I dag återvinns runt 7 procent av det globala plastavfallet till nya produkter. Denna återvinning bygger dock i huvudsak på mekanisk återvinning. I en sådan används mer eller mindre sofistikerade tekniska system för att sortera ut olika plaster och omvandla de renaste fraktionerna till granulat av olika kvalitet. Granulat blir sedan råvara för nya produkter med begränsade kvalitetskrav. För att förbättra situationen höjs kvalitén på granulatet ofta genom inblandning av olika mängder jungfrulig plast. 

Plast och de polymera
material som produceras via mekanisk återvinning kommer alltid vara av lägre kvalitet än de som bygger på jungfruliga material. En stor andel plaster, till exempel härdplaster går dessutom inte att återvinna på detta sätt. För de material som kan återvinnas går det inte att återskapa den stora bredd av olika egenskaper som jungfrulig plast och andra polymera material erbjuder. Dessa återvinningsmetoder bidrar således till en längre livslängd och minskat behov av jungfruligt material, men inte till cirkularitet.

En ytterligare begräsning med denna typ av återvinning är småskaligheten. Lösningarna kan endast dra begränsad nytta av de skalfördelar som gör att dagens produktion av jungfrulig plast och andra polymerer kan förse världen med en nästan oändlig mängd avancerade material till lågt pris.

För att skapa en cirkulär och resurseffektiv produktion av framtida material måste dagens återvinningstekniker kompletteras. Här kommer de kemiska återvinningsteknikerna in. Det är metoder som antingen kemiskt löser upp materialet eller termiskt bryter ned det. Det finns många olika lösningar. De som tillämpas i dag är främst småskaliga. För att vara ett reellt alternativ för omställningen av de existerande storskaliga petrokemiska fabrikerna, måste regelverk som säkerställer råvarutillförseln och nya tekniska lösningar utvecklas.


För existerande storskaliga petrokemiska fabriker finns två huvudspår. Närmast i tiden ligger att omvandla plasten till en dropin råvara som direkt kan blandas med dagens råvara till existerande ångkrackrar. Det innebär en process där dagens råvara hastigt värms upp till mellan 700 och 850 grader i en ångatmosfär vid atmosfärstryck. Sedan kyls den snabbt ned för att producera främst eten, propen och bensen.
Dessa ämnen är basen för den stora volymen av produkter i petrokemiska fabriker som producerar plaster och polymera material. Det andra spåret är att ta fram nya ångkrackningsprocesser som tillåter ett byte av råvaran till plastavfall och biomassabaserat avfall.

Under det senaste året har flera projekt för att producera dropin råvara startas. De flesta är baserade på pyrolys av termoplaster (samma plaster som lämpar sig för den mekaniska återvinningen) i decentraliserade, relativt små anläggningar. I denna process värms plasten upp till cirka 500 grader och bildar en olja och permanenta gaser (cirka 20 procent av ingående energi). Gasen bränns för att förse processen med värme och släpper samtidigt ut koldioxid i atmosfären. Drivkraften för dessa satsningar är främst att producera ett drop-in drivmedel för dieselbränslen. Endast en mindre del blir en drop-in råvara till ångkrackrarna för de petrokemiska klustren.


I dagens samhälle är detta ett attraktivt återvinningsalternativ. Men ser vi det ur ett uthålligt cirkulärt perspektiv är det svårare att försvara: bara 20–30 procent av ingående råvara går till den petrokemiska industrin och endast 40–50 procent blir byggstenar för nya plaster. Återvinningsgraden till ny plast och polymerer begränsas därmed till mellan 10–15 procent. En pyrolyslösning för de petrokemiska industrierna i Stenungsund skulle behöva mellan 5–10 miljoner ton plastavfall för att täcka sitt framtida behov. Detta kan jämföras med omkring 1 miljon ton som är det teoretiska behovet.

För att skapa ett rimligt framtida råvarubehov för existerande storskaliga petrokemiska fabriker i ett framtida cirkulärt samhälle, måste nya processer utvecklas som ger högre återvinningsgrad och kan hantera en bredare råvarubas. En möjlig nyckelprocess är utvecklingen av nya ångkrackrar som klarar avfall från alla typer av plast, polymera material och biomassa. Processen måste kompletteras med processer för koldioxidavskiljning och sådana som kan hantera och syntetisera biflöden med hjälp av förnybar el.

Sommaren 2019 presenterade en forskargrupp från Chalmers i en vetenskaplig publikation i Sustainable Materials and Technologies hur detta ska gå till. Kopplade fluidbäddar används för att ångkracka olika plastfraktioner och biomassa för att värma processen för att bredda råvarubasen och samtidigt möjliggöra nettonegativa koldioxidutsläpp till atmosfären.


I denna teknik används ett fast bäddmaterial i form av sand för att transportera värmen till krackningsprocessen i en reaktor. Samtidigt transporterar bäddmaterialet bort de olika föroreningar och koks som bildas till en andra reaktor, där det värms upp och regenereras. Processen liknar en FCC-pocess (Fast Catalytic Cracking) som används för att öka produktionen av bensin i ett oljeraffinaderi. Den har kombinerats med lösningar från sopförbränningsanläggningar som använder fluidiserade bäddar, samt erfarenheterna från förgasning av biomassa i GoBiGas-projektet i Göteborg. Där användes ett motsvarande kopplat fluidbäddsystem för att industriellt tillverka avancerade biodrivmedel från skogsavfall.

Utvecklingen har skett i Chalmers unika anläggning för att studera industriella fluidbäddprocesser. Denna har tidigare bidragit till utvecklingen och kommersialiseringen av fluidiserad bäddförbränning och fungerade som pilotanläggning i GoBigas-projektet.

Försöken som genomförts har gjorts i skalan 4,8 ton polyeten per dag (motsvarar vikten av 250 000 plastbärkassar, en kommersiell anläggning skulle behöva vara cirka 100 gånger större). Resultaten visar att den föreslagna tekniken skulle vara både tekniskt och ekonomiskt möjlig att implementera i existerande petrokemisk industri. Därmed har den mycket goda förutsättningar att bidra till att skapa en petrokemisk industri för ett framtida hållbart cirkulärt samhälle.

Läs artikeln i sin helhet i IVA-Aktuellt, nr 1 2020
Ladda hem IVA-Aktuellt som PDF​


Läs mer om Henrik Thunmans forskning:
Allt plastskräp kan återvinnas till ny plast​

Henrik Thunman Research​


Publicerad: ti 03 mar 2020.