Kleiner Einsatz, große Wirkung EPS – ein nachhaltiger Werkstoff?

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In unserer heutigen Gesellschaft gehen Schüler weltweit für den Klimaschutz auf die Straße. Politik und Gesellschaft debattieren lebhaft über die Folgen der globalen Erwärmung. All das zeigt: Im kollektiven Bewusstsein sind die Themen Energieeinsparung und Umweltschutz tief verankert. Ein großes Potential zur Energieeinsparung liegt dabei im Gebäudebestand, auf den in Deutschland 35 % des gesamten Energieverbrauchs entfallen. Eine der wirkungsvollsten Maßnahmen im Rahmen der energetischen Sanierung von Gebäuden ist die Wärmedämmung – vom Dach über die Fassade bis zur Kellerdecke. Expandiertes Polystyrol (EPS), ein Hartschaumstoff mit vorwiegend geschlossenzelliger Struktur, dessen Volumen zu 98 % mit Luft gefüllt ist, ist dabei eines der bedeutendsten Materialien.

Seit Jahren werden die Umweltwirkungen von EPS kontrovers diskutiert. Gegenstand der Debatte sind der Energieaufwand für die Herstellung von EPS-Formteilen, das über viele Jahre eingesetzte Flammschutzmittel Hexabromocyclododecan (HBCD) sowie die Entsorgungs­problematik für diese Abfälle. Tatsächlich wurde der Hartschaum kontinuierlich weiterentwickelt und ist eine moderne, nachhaltige Dämmstofflösung. Dieser Artikel beschreibt zahlreiche aktuelle Innovationen entlang der gesamten Prozesskette und zeigt, dass die Branche sich stets technisch weiterentwickelt und damit sicherstellt, dass dieser Hartschaum auch für die Zukunft ein wichtiger Leistungsträger zum effizienten Minimieren des Energiebedarfs im Gebäudesektor sein wird.

Innovationen in der Rohmaterialentwicklung

Der Ausgangsstoff für EPS ist Styrol, welches aus Erdöl gewonnen, zu Polystyrol polymerisiert und gleichzeitig mit Treibmittel beaufschlagt wird. Typischerweise wird der fossile Rohstoff Naphtha zum Herstellen des treibmittelbeladenen Polystyrol-Mikrogranulats verwendet, doch inzwischen existieren verschiedene Typen, in denen ein Teil des Naphtha durch erneuerbare Rohstoffe substituiert ist – und dies bei unveränderten Produkteigenschaften. [1] Das Styrol wird hierbei aus Biomasse wie pflanzlichen Abfällen, Ölen und Gasen gewonnen. [2] Ein relevanter Ausgangsstoff für biobasiertes EPS ist Lignin, welches als Abfallprodukt bei der Papierherstellung anfällt und nicht als Futtermittel oder anderweitig wirtschaftlich nutzbar ist.  Der Energieeinsatz dieser Quelle ist noch Gegenstand aktueller Forschungen.

Energieeffiziente dampflose Verarbeitungstechnologien

Das Mikrogranulat wird industriell heute zunächst mittels Wasserdampf vorgeschäumt, wobei eine Volumenexpansion der Partikel um das 40- bis 50-fache stattfindet. Im Anschluss werden die vorgeschäumten Schaumperlen mit überhitztem Wasserdampf (100 bis 120 °C) zu Formteilen oder Blockware verschweißt. Die notwendige, industrielle Dampfperipherie hierfür ist jedoch in der Anschaffung sehr kostenintensiv und bietet Potential zur Energieeinsparung.

Daher werden verschiedene neue Prozesse erarbeitet, um ein energieeffizienteres Ver­arbeiten des Partikelschaums zu ermöglichen. So entwickelte Fox Velution, Lichtenfels, zusammen mit Rygol Dämmstoffe, Painten, und Neue Materialien Bayreuth (NMB), Bayreuth, in dem vom Freistaat Bayern im Rahmen des Programms „Neue Werkstoffe in Bayern“ geförderten Projekts IR-Prefoam ein industriell nutzbares Verfahren zum dampffreien Vorschäumen. Dabei setzen die Partner auf das Vorschäumen durch mittel­wellige Infrarotstrahlung (IR). Dieses Verfahren benötigt keinen Wasserdampf, sondern greift auf Strom zurück. Der beim dampfbasierten Vorschäumen verwendete Wasserdampf wird zumeist mit Erdgas erzeugt, da diese Methode verglichen mit Strom deutlich geringere Betriebskosten aufweist. Wenn jedoch der Strom aus regenerativen Quellen bereitgestellt werden kann, trägt dies signifikant zum Minimieren des Verbrauchs fossiler Ressourcen im Verarbeitungsprozess bei. Die pro kg EPS benötigten Energiemengen für das IR-Vorschäumen sind vergleichbar mit dem Stand der Technik des Wasserdampfvorschäumens, wobei die Effizienz des IR-Prozesses im derzeitigen Entwicklungsstadium noch nicht aus­geschöpft ist.

Um die komplette Prozesskette der Partikelschaumverarbeitung dampffrei abbilden zu können, wurden neben dem dampflosen Vorschäumprozess in den vergangenen Jahren innovative Verschweißungsprozesse entwickelt. So präsentierte beispielsweise Kurtz, Kreuzwertheim, auf der K-Messe 2019 erstmals die strahlungsbasierte Formteilherstellung mittels langwelliger elektromagnetischer Strahlen (RF-Technologie). Bei der RF-Technologie wird das Material durch ein elektromagnetisches Wechselfeld erhitzt und verschweißt. So können laut Hersteller bis zu 90 % Energie eingespart werden, indem die für das Verschweißen nötige Energie mit Strahlung direkt in den Schaum eingebracht wird. Das Aufheizen und Abkühlen des Werkzeugs, wie es beim dampfbasierten Prozess erforderlich ist, entfällt im RF-Prozess fast vollständig. [3, 4] Zusätzlich lässt sich EPS in diesem Verfahren mit einem signifikant höheren Rezyklatanteil von über 70 % verarbeiten. Bei herkömmlichen Verfahren hingegen liegt der Rezyklatanteil derzeit bei maximal 20 %.

Für die Entwicklung dieses innovativen und energieeffizienten Prozesses wurde Kurtz der EPS Recycling Award „Excellence in EPS Recycling Award“ auf der Fachkonferenz „EPS Industry Alliance“ im Rahmen der EPS EXPO in Charleston, South Carolina, USA, verliehen. Weitere Beispiele für die dampflose Formteilherstellung sind das Atecarma-Verfahren von Teubert Maschinenbau, Blumberg, bei dem Partikelschaumteile mittels chemischen Hilfsstoffen geformt werden, sowie die variotherme Werkzeugtechnik der Fox Velution.

Wiederverwertung im Anwendungssegment

Die Hauptanwendungsgebiete der hergestellten EPS-Bauteile sind Verpackungen und Dämmstoffe. Flexible Platten werden zudem zur Schalldämpfung, in Fußboden­heizungen, in erdberührenden Mauerschutzplatten oder als Einsätze und Trägermaterialien in Bad und Küche eingesetzt. Auch in Schutz- und Fahrradhelmen, Kindersitzen, Schwimm­westen und Sport-Schutzpolstern verbirgt sich der Partikelschaum als Schockabsorber und sorgt so für Sicherheit.

Aus dem Hochbau sind Wärmeverbunddämmsysteme (WDVS) mit EPS als Hauptkomponente nicht mehr wegzudenken, denn der Schaum allein verfügt bei Dichten von 20 kg/m3 schon über niedrigste Wärmeleitfähigkeiten zwischen 32 und 40 mW ∙ m-1 ∙ K-1. Durch den Einsatz von IR-Absorbern und -Reflektoren wie Graphit kann die Wärmeleitfähigkeit sogar noch weiter herabgesetzt werden, um eine herausragende Isolationswirkung für Decken, Wände, Dächer und Keller zu erzielen. Durch einen verringerten Materialeinsatz bei gleicher Leistungsfähigkeit können so die Rohstoffressourcen noch effektiver genutzt werden.

Unter dem Gesichtspunkt von Energieeinsparung und Ressourcenschonung kommt un­weigerlich die Frage auf, was mit den Verschnittresten auf der Baustelle geschieht. Recycling ist in vielen Unternehmen bereits seit Jahrzehnten geübte Praxis. Die Abschnitte, die beim Erstellen von WDVS anfallen, werden in Säcken gesammelt und zum Hersteller zurückgebracht. Um diese Abschnitte stofflich zu verwerten, müssen sie frei von Mörtelresten und sonstigen Fremdmaterialien sein. Beim heutigen Umweltverständnis der Baubeteiligten ist das nahezu immer gegeben. Ein Wegbereiter beim Verwerten von EPS-Verschnitt war die Firma Rygol Dämmstoffe, die bereits in den 1990er Jahren eine Prozesskette zum Wieder­verwerten von Baustellenabschnitten etablierte: Das Material wurde zermahlen, entstaubt und anschließend durch einen Walzenextruder mittels Unterwassergranulierung zu Polystyrolgranulat verarbeitet. Diese Pellets wiederum wurden in Spritzgießprozessen eingesetzt, um daraus Parkbänke, Blumentöpfe oder Zettelboxen, aber auch Schuhsolen herzustellen.

Heute werden daraus Leichtzuschläge, Porosierungsstoffe oder Füllmaterialien hergestellt. Statt Entsorgung auf einer Deponie ermöglicht EPS den Einsatz in neuen Anwendungen und so einen zweiten Lebenszyklus. Die dennoch kontrovers diskutierten Umweltwirkungen müssen hinterfragt werden. Wie eine Studie des Ifeu-Instituts, Heidelberg, und des Vereins Natureplus, Neckargmünd, [5] belegt, zeigt sich das Material, gerade beim Einsatz in Dämmanwendungen, als sehr ökologischer Werkstoff. Verglichen mit anderen plattenförmigen Dämmstoffen wie Holzfaser oder Mineralwolle bieten EPS-Dämmplatten viele Vorteile. Ausschlaggebend dafür sind insbesondere etablierte Recyclingverfahren, welche eine geschlossene Kreislauf­führung des Materials ermöglichen. [6]

EPS-Recycling im geschlossenen Kreislauf

Auch aktuelle Leuchtturmprojekte wie die EU-geförderte Initiative Polystyrene Loop verfolgen das Ziel, EPS-Abfälle zu rezyklieren und damit längerfristig nutzbar zu machen. [7] Im Zuge der Steigerung seiner Kreislauffähigkeit gilt es noch einigen Herausforderungen zu begegnen: Die geringe Dichte der Abfällen bringt noch Einsparpotenzial bei Transportkosten und CO2-Ausstoß mit sich. Das Material muss erst effizient verdichtet werden, um einen Weitertransport, etwa zu einer Aufbereitungsanlage, wirtschaftlich zu machen. [8, 9] Die Forschung in diese Richtung läuft auf Hochtouren, wobei lösungsmittelbasierte Ansätze aus Kanada großes Potential zeigen.

Die größte Hausforderung für das Wiederaufbereiten besteht darin, dass gerade in EPS-Abfällen aus Gebäudesanierungen schwerlösliche Verschmutzungen wie Putz- und Mörtelreste enthalten sein können. Um ein Downgrading des Polymers zu vermeiden, müssen diese Verschmutzungen schonend entfernt werden. Sonst müssten Abfälle aufwendig vorsortiert werden und könnten nur teilweise in den Kreislauf zurückgeführt werden. Vor 2014 hergestelltes EPS enthält zudem HBCD. Dieses Flammschutzmittel erfordert ein gesondertes Behandeln beim Entsorgen, die in der Baseler POP-Richtlinie geregelt ist. HBCD ist fest in die Polymermatrix eingebunden, sodass es nur durch Verbrennen zerstört werden kann. Das führte dazu, dass beim Recycling von Rückbauten, bis dato, die Abfälle ausschließlich thermisch verwertet werden konnten.

All diese Aufgaben lassen sich auf Laborebene mittlerweile durch das vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV), Freising, entwickelte Crea-Solv-Verfahren lösen. Hierbei werden Polystyrolschaumabfälle lösemittelunterstützt verdichtet (3- bis 4-fach so stark wie bei einfachem Verpressen) und unlösliche Verunreinigungen entfernt. In einem anschließenden Gelierungs- und Extraktionsprozess werden Additive, insbesondere das kritische HBCD, entzogen und das Polystyrol als Granulat wiedergewonnen. Die mechanischen Eigenschaften des Rezyklats sind hierbei von nahezu unveränderter Güte verglichen zum Ursprungs-PS. Nach ersten Untersuchungen wird ein Upscaling im großen Konsortium mit diversen EPS-Herstellern und -Verarbeitern verfolgt. Der effiziente Ausschluss von HBCD im Prozess konnte in Praxistests nachgewiesen werden. Bereits damals konnten 99,7 % des Additivs aus dem Material entfernt werden. [8–10]

Eine nach neuesten Erkenntnissen geplante Pilotanlage wird aktuell in den Niederlanden aufgebaut und bindet darüber hinaus eine Rückgewinnung des im Flammschutzmittel enthaltenen Broms ein. Aktuell kann mit dem Prozess bereits Polystyrolgranulat im Labormaßstab gewonnen werden, welches die Baseler POP-Richtlinien erfüllt, das heißt einen HBCD-Gehalt kleiner 100 mg/kg aufweist. [11] Dies entspricht einer Reinheit von 99,99 %.

Auch hier ist NMB tätig. Unter Koordination des Styrolherstellers Ineos Styrolution, Frankfurt, werden im Projekt Resolve in einem Zwei-Schnecken-Extruder Polystyrol-Abfälle thermisch de-polymerisiert. Das so wiedergewonnene Styrol kann wieder zu Granulat verarbeitet werden und somit später auch zu EPS mit gleichen Eigenschaften. Wie die Forschungen zeigten, spielen hierbei auch Verunreinigungen mit bis zu 10 % Polyolefinen keine Rolle. Mit den bislang erarbeiteten Erkenntnissen geht das Projekt nun in die Pilotphase und auch ein Upscaling wird zeitnah untersucht. [12]

Ökologische Bewertung

EPS wird zwar heute überwiegend aus der fossilen Ressource Erdöl gewonnen, es werden aber nur sehr geringe Mengen benötigt, da es zu 98 % aus Luft besteht. Gepaart mit energiesparendem Verarbeiten benötigt EPS bei gleicher zu erzielender Dämmwirkung weniger Energie beim Herstellen als Alternativen wie Mineralschaum oder Holzfasern. Mit jedem Liter Erdöl, welcher zum Herstellen von Dämmplatten eingesetzt wird, können in der Nutzungsphase bis zu 200 l Heizöl eingespart werden. [13]

Potenzial vorhanden

Seit Jahrzehnten wird der Partikelschaum EPS vor allem aufgrund seiner thermischen Isolationseigenschaften und seines Leichtbaupotentials als Dämmstoff eingesetzt. Dabei erfolgt hinweg eine stetige Optimierung des Dämmverhaltens. Das anschließende Verwerten und Entsorgen der Abfälle stand aufgrund fehlender Mengen hingegen lange Zeit weniger stark im Vordergrund. Erst im 21. Jahrhundert, dem Jahrhundert der Energieeffizienz und erneuerbare Energien, wird zunehmend eine verbesserte Nachhaltigkeit und Optimierung der Ökobilanz gefordert. Dementsprechend wurden und werden innovative Prozesse entwickelt, die eine energieeffizientere Verarbeitung und ein werkstoffliches Recycling ermöglichen. Gelingt es der Branche, die nun vorhandenen Möglichkeiten für eine geschlossene Kreislaufwirtschaft wirtschaftlich und flächendeckend zu etablieren, dann wird EPS in Sachen Ökologie und Ökoeffizienz auch in Zukunft kaum zu schlagen sein.