15 vragen over biobased plastics in een duurzame samenleving

Biobased plastics zijn plastics die volledig of gedeeltelijk worden gemaakt van biologische bronnen zoals duurzaam geteelde biomassa en bioafval. Voorbeelden zijn bio-polyethyleen uit suikerriet of maïs en PLA uit plantsuiker.

Biologisch afbreekbare plastics kunnen door micro-organismen worden afgebroken tot water, kooldioxide (of methaan) en biomassa onder specifieke omstandigheden. Een veelvoorkomend misverstand is dat biobased plastics altijd biologisch afbreekbaar of composteerbaar zijn, maar er bestaan ook niet-biologisch afbreekbare duurzame biobased plastics.

Bijvoorbeeld, een chemische coating voor woningen kan biobased zijn maar niet biologisch afbreekbaar, terwijl voedselverpakkingsmaterialen zoals theezakjes en koffiebekers baat zouden hebben bij biologische afbreekbaarheid.

Biobased plastics kunnen op verschillende manieren worden geproduceerd, namelijk als ‘drop-in’ biobased plastics en ‘nieuwe biobased alternatieven’:

• ‘Drop-in’ biobased plastics zijn plastics waarbij biomassa, materiaal uit plantaardige of dierlijke afkomst, wordt gebruikt om dezelfde chemische bouwstenen en polymeren te creëren die momenteel uit fossiele brandstoffen worden verkregen. Het productieproces is vergelijkbaar, afgezien van de voorbereiding van de grondstof, maar de uiteindelijke plastics zijn identiek aan bestaande materialen.
• Een ‘nieuw biobased alternatief’ is een biobased polymeer met een andere chemische structuur maar met vergelijkbare of betere eigenschappen. Deze vervullen dezelfde functie als bestaande fossiel-gebaseerde plastics. Overigens is de term ‘nieuw’ optioneel, aangezien sommige biobased polymeren, zoals PLA, al in 1920 werden ontdekt.

CO2-gebaseerde plastics gebruiken opgevangen CO2 (gecombineerd met groene waterstof) om dezelfde chemische bouwstenen en polymeren te creëren die momenteel uit fossiele brandstoffen worden verkregen, waardoor het een drop-in route is. Net als synthetische brandstoffen worden polymeren uit CO2 soms ‘synthetisch’ of ‘syn-’ polymeren genoemd.

Biobased plastics zullen naar verwachting een belangrijke rol spelen in de wereldwijde plastic duurzaamheid. Het gebruik van biomassa, een hernieuwbare koolstofbron, voor plastics kan helpen de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en onder bepaalde omstandigheden fungeren als een koolstofput wanneer geïntegreerd in duurzame producten.

Het bepalen van de beste mix van hernieuwbare koolstof (biomassa en CO2) voor duurzame plasticproductie is uitdagend. Niet elke toepassing van hernieuwbare koolstof is automatisch het meest duurzaam, maar productie op basis van fossiele brandstoffen is niet duurzaam. Het aandeel biobased plastics in een volledig niet-fossiel plasticsysteem is moeilijk te voorspellen vanwege afhankelijkheden van regelgeving, goedkeuring, adoptie en het matchen van de juiste grondstoffen en conversietechnologieën met de juiste producten en toepassingen op de juiste locaties.

In onze whitepaper ‘Pathways to sustainable plastics’ delen wel het 3-stappenplan dat gebruikers in staat stelt om hernieuwbare koolstof-gebaseerde opties voor plastics voor specifieke toepassingen te vergelijken. Hierdoor kan worden vastgesteld waar biobased plastics het beste kunnen worden gebruikt en welke kansen deze materialen bieden voor meer duurzame toepassingen.

Recycling speelt een belangrijke rol in het bereiken van plastic duurzaamheid. Het maakt effectief gebruik van plastic afval als grondstof, wat bijdraagt aan het behoud van hulpbronnen. Zowel mechanische als geavanceerde recycling moeten worden gemaximaliseerd.

Echter, zelfs als de wereldwijde recyclingpercentages hun theoretische maximum bereiken, kan slechts ongeveer 60-70% van de totale volumes worden geproduceerd uit gerecycled plastic.

Deze schatting houdt rekening met verliezen tijdens productie, gebruik, verzameling, biodegradatie en opbrengstverliezen in het recyclingproces. Daarom zal er nog steeds aanzienlijke duurzame productie van nieuw plastic nodig zijn om verliezen te vervangen en aan de groeiende vraag te voldoen.

Een klein aandeel kan worden vervangen door natuurlijke biopolymeren zoals cellulose en zetmeel. Productie van biobased plastics op basis van biomassa en CO2 kunnen helpen een kloof te overbruggen tussen de hoeveelheid gerecycled plastic en de totale vraag naar plastic. Ze zijn de enige resterende opties voor duurzame productie van nieuw plastic en spelen een belangrijke rol in de overgang naar een duurzamer en circulair plasticsysteem.

De duurzaamheid van biobased plastics is onderwerp van debat onder experts. Ze zijn divers en kunnen worden gebruikt voor bijna alle bestaande plastic toepassingen. Wij zien met het gebruik van biomassa als belangrijkste voordeel dat het als grondstof voor plastics veelbelovende mogelijkheden biedt om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Daarnaast kunnen biobased plastics onder specifieke omstandigheden ook fungeren als een koolstofput omkoolstof op te slaan in duurzame producten, in plaats van het uit te stoten.

Overwegingen rond het gebruik van biomassa voor plastics omvatten concurrentie met voer/voedsel voor eerste generatie grondstoffen, veranderingen in landgebruik, watergebruik, impact op biodiversiteit, complexiteit in verzameling en logistiek, en concurrentie van brandstoffen en energie. Het is cruciaal dat de grondstof duurzaam wordt verkregen en dat de volledige levenscyclus van deze plastics wordt onderzocht om ervoor te zorgen dat er voordelen zijn naast het verminderen van het gebruik van fossiele grondstoffen.

Er kunnen verschillende soorten biomassa worden gebruikt om bioplastics te produceren. Typisch wordt biomassa grondstof ingedeeld in eerste, tweede en derde generatie grondstoffen:

• De eerste generatie biomassa omvat gemakkelijk fermenteerbare suikers uit eetbare polysaccharide bronnen (bijv. maïs, suikerriet) en eetbare (plantaardige) oliën. Het gebruik van eerste generatie biomassa blijft een onderwerp van debat, voornamelijk vanwege ethische zorgen over concurrentie om voedselbronnen en veranderingen in landgebruik. Sommige studies suggereren echter dat duurzame coproductie van biomassa voor zowel voedsel als materialen mogelijk is.
• De tweede generatie biomassa bestaat uit niet-eetbare biowastes zoals landbouw- en voedselafval (bijv. niet-eetbare oliën, bosresiduen, landbouwresiduen, organisch afval). Tweede generatie biomassa biedt een minder omstreden, goedkopere en breed beschikbare grondstof voor bioplastics, hoewel het wel de uitdagingen van complexiteit en de noodzaak van extra voorbehandelingen met zich meebrengt.
• De derde generatie biomassa verwijst naar nieuwe biomassa grondstoffen die worden onderzocht voor gebruik, zoals algen. Voor de wereldwijde use cases in dit whitepaper zijn voorlopig alle biomassa soorten opgenomen, met de nadruk op het belang van het gebruik van tweede- en derde generatie grondstoffen voor de productie van bioplastics.

Kunststoffen vervullen verschillende functies in de samenleving in verschillende toepassingen, variërend van duurzame bouwmaterialen tot eenmalige verpakkingen en gemengd afval.

Momenteel worden deze functies vervuld door 9 gangbare (fossiele) polymeermaterialen, die 80-90% van het huidige wereldwijde plasticvolume beslaan:

• LDPE (Low-density polyethyleen);
• HDPE (High-ensity polyethyleen);
• PP (Polypropyleen);
• PS (Polystyreen);
• PVC (Polyvinylchloride);
• PET (Polyethyleentereftalaat);
• PUR (Polyurethaan);
• PA (Polyamide);
• ABS (Acrylonitril utadieen Styreen).

Het 3-stappenplan gepresenteerd in het whitepaper kan worden toegepast op al deze materialen om een systemisch overzicht te creëren van routes naar duurzame kunststoffen. Daarnaast is het mogelijk om een polymeermateriaal toe te voegen wanneer relevant.

Het 3-stappenplan kan worden toegepast op jouw situatie. Voor industriële spelers stelt dit hen in staat om de beste route voor hernieuwbare koolstof-gebaseerde productie en materiaalkeuze voor hun producten te bepalen.

Het whitepaper presenteert de toepassing van het 3-stappenplan voor vier wereldwijde use cases, wat laat zien hoe het werkt. Door nauwkeurige invoerparameters en beperkingen te definiëren (zoals beschikbaarheid van biomassa of leveranciersproducten), kunnen belanghebbenden zoals merkeigenaren, polymeerproducenten en plastic compounders geïnformeerde materiaalkeuzes maken.

Het 3-stappenplan kan worden aangepast aan jouw situatie, waarbij specifieke invoerparameters en beperkingen worden opgenomen. Het stelt bedrijven in staat om de impact van mogelijke veranderingen in hun productieprocessen te beoordelen, bijvoorbeeld door de impact van de overstap van eerste generatie naar tweede generatie grondstoffen voor hetzelfde biobased plastic materiaal te beoordelen.

Om een nieuw biobased alternatieve route te specificeren, is de eerste vraag: ‘Welk nieuw biobased alternatief polymeer kan hier worden toegepast?’. TNO ontwikkelde een methode om de eigenschappen van (nieuwe) biobased polymeren te vergelijken met bestaande polymeerproducten in verschillende toepassingen.

Een lijst van meer dan 1.000 potentiële nieuwe biobased polymeren werd beoordeeld en vergeleken met bestaande fossiele materialen op vijf belangrijke eigenschappen: modulus, treksterkte, rek bij breuk, zuurstoftransmissiesnelheid en slagsterkte. Op basis van een overeenkomst in eigenschappen wordt een nieuw biobased alternatief geïdentificeerd als een nauwkeurige vervanging voor een specifieke producttoepassing.

De eerste analyse toont aan dat nieuwe biobased polymeer alternatieven potentieel de meeste bestaande toepassingen kunnen vervullen, met minstens 90% overeenkomst in eigenschappen. Waar geen geschikt nieuw biobased alternatief bestaat, kan biobased polymeer ontwerp door middel van machine learning worden toegepast.

Ja, om routes te vergelijken op milieuduurzaamheid, werd een duurzaamheidsimpactbeoordelingstool ontwikkeld die Materiaalstroomanalyse (MFA) en LCA-inventarissen combineert. Milieuduurzaamheidsimpact zoals gedefinieerd in deze analyse omvat meerdere duurzaamheidsindicatoren zoals het potentieel voor opwarming van de aarde, cumulatieve energievraag, landgebruik, wateruitputting en benodigde grondstofinvoer. Het is belangrijk om indicatoren naast alleen CO2-uitstoot op te nemen, aangezien biomassa productie als grondstof voor plastics een relatief grote impact kan hebben op watergebruik en biodiversiteit.

Het 3-stappenplan biedt een benadering die toepasbaar is op verschillende scopes. Het kan specifieke situaties of potentiële toekomstige scenario's in termen van productieprocessen, technologie of energie/grondstof inputs incorporeren. Het biedt een robuust hulpmiddel voor het beoordelen van de impact van technische vooruitgang op het plastics productiesysteem.

Naarmate nieuwe productie routes voor biobased of synthetische polymeren ontstaan of worden verfijnd, stelt het 3-stappenplan onmiddellijke beoordeling en vergelijking met bestaande alternatieven mogelijk. Het benadrukt ook niet-levensvatbare of minder duurzame routes, wat inzicht biedt in gebieden die innovatie nodig hebben. Het 3-stappenplan kan de impact van technologische ontwikkelingen of nieuwe innovaties binnen specifieke productiestappen evalueren, waarbij verschillende technologische scenario's zoals leercurves, opbrengstverbeteringen en toekomstige energie mix aannames worden geanalyseerd.

Het toepassen van het 3-stappenplan op alle belangrijke plastic producten in het wereldwijde plasticsysteem kan geoptimaliseerde routes naar een duurzaam circulair plasticsysteem bepalen. Deze benadering stelt belanghebbenden in staat om de meest geschikte hernieuwbare koolstof-gebaseerde productie route voor elk plastic type en toepassing te identificeren, wat duidelijke richtlijnen biedt voor noodzakelijke beslissingen en acties.

Het samenvoegen van de resultaten stelt gebruikers in staat om conclusies te trekken over het totale aandeel biobased versus CO2-gebaseerde plastics en producttoepassingen te identificeren waar bioplastics het meest zinvol zijn, waardoor marktkansen worden ontsloten.

Het 3-stappenplan van TNO, gepresenteerd in dit whitepaper, kan industriële spelers zoals merk eigenaren, chemische producenten en compounders, evenals beleidsmakers ondersteunen in de transitie naar hernieuwbare koolstof-gebaseerde plastics door de meest duurzame en economisch haalbare oplossing voor uw product of scope te vinden.

Praktisch gezien zullen we samenwerken om de drie stappen van het stappenplan voor jouw situatie tijdens een project door te nemen. We zullen bespreken en overeenkomen welke parameters moeten worden ingesteld, welke biomassa types, technologieën en/of materialen moeten worden opgenomen of uitgesloten, en iteratief de te vergelijken waardeketens optimaliseren.

Verder zullen we samen de beperkingen en relevante scenario's bepalen om voor jouw situatie tot een advies te komen over de optimale route voor jouw product(en).