Plastikabfall zu Kerosin und emissionsarm damit kochen

Eine Familie in einem Bergdorf in Nepal verursacht im Schnitt etwa 20mal weniger nicht kompostierbare Abfälle als eine Familie in Deutschland. Da es jedoch in ländlichen Gebieten Nepals keine organisierte Müllentsorgung gibt, sind insbesondere Plastikabfälle allgegenwärtig in der Landschaft. Alles, was nicht verrottet oder verbrannt wird, fliegt wild in der Natur herum. Plastiktüten, Wasserflaschen, Verpackungen aller Art, Wasserschläuche, zerfetzte Reissäcke und dergleichen.

Alle Arten von Kunststoffen werden bis auf wenige Bio-Ausnahmen aus Erdöl hergestellt. Dieser Prozess jedoch ist auch umkehrbar. Mittels Pyrolyse lassen sich aus Plastik wieder flüssige Kohlenwasserstoffe wie Diesel und Kerosin gewinnen. Dieselbe Pyrolysetechnologie, die auch zur Erzeugung von Pflanzenkohle verwendet wird, kann auch Plastik wieder in niedermolekulare, flüssige Bestandteile zerlegen, letztlich also in die üblichen Treibstoffe wie Kerosin oder Diesel.

Plastikpyrolyse zur Treibstoffgewinnung

Dank der Zusammenarbeit mit der amerikanischen Stiftung „Engineers for Sustainable Energy Solutions“ (ESES) kann das Ithaka Institut im Januar 2022 erstmals Kleinstanlagen für die Umwandlung von Plastikabfällen in Treibstoff für die Praxis zur Verfügung stellen. Der so gewonnene Treibstoff lässt sich unmittelbar in standardmäßigen Kerosinkochern einsetzen.

Der von ESES entwickelte Pyrolysereaktor ist ein knapp 1 m hoher Stahlbehälter mit einem Durchmesser von ca. 60 cm (Abb. 3). Dieser gut isolierte Behälter wird mit dafür geeigneter Plastik befüllt und luftdicht verschlossen. Ein elektrisches Heizelement mit einer Leistung von 1,5 KW (vergleichbar mit der Leistung eines Haartrockners) beheizt den Behälter unter Luftabschluss auf 350 °C. Aus 1 kg Kunststoffabfall wird so in einer Stunde rund 1 Liter Heizöl, was ausreicht, um gut 6 Stunden lang zu kochen. Das Verfahren ist so kostengünstig, einfach und sicher in der Anwendung, dass es auch in abgelegenen Dörfern eingesetzt werden kann. Eine Person kann quasi nebenbei ca.10 kg Plastikabfälle zu rund 10 Liter Heizöl pro Tag verarbeiten.

Plastik-Pyrolyse in Nepal

In Nepal wird pro Haushalt im Schnitt etwa 3 Stunden pro Tag auf offenen Feuern gekocht (Das et al., 2019). Da zum Garen aber vergleichsweise wenig Hitze benötigt wird, was sich am offenen Holzfeuer schlecht regulieren lässt, wird dabei viel Holz verbraucht. Vor allem aus diesem Grund beträgt die Energieeffizienz des Kochens am offenen Feuer (Drei-Stein-Herd) auch nur 10%, während die von Kerosinkochern bei über 80% liegt (Hafner et al., 2020). Auch lässt sich mit Kerosinkochern deutlich schneller Teewasser zum Kochen bringen, da nicht erst ein Feuer entfacht werden muss, welches dann nach dem Aufkochen ebenso rasch wieder gelöscht werden müsste. Insgesamt lässt sich mit Kerosinkochern die tägliche Kochzeit auf durchschnittlich 2 Stunden reduzieren.

Das beschriebene Gerät zur Plastikpyrolyse lässt an einem Tag den Treibstoff zum Kochen für einen Monat herstellen. Da das Gerät leicht zu tragen ist, kann es von Tag zu Tag jeweils zum nächsten Haus gebracht werden. So könnten pro Monat 30 Haushalte den Treibstoff für jeweils einen Monat selbst herstellen, oder eine Person betreibt das Gerät gewerblich und verkauft das Kerosin an die Haushalte. Pro Jahr könnten so rund 7 Tonnen Plastikabfälle verarbeitet und 28 Tonnen Holz bzw. 56 Tonnen CO₂eq pro Jahr eingespart werden, da derzeit im Schnitt 2,6 kg Holz (TS) pro Haushalt zum Kochen verbraucht werden (Das et al., 2019).

In der Stadt Bandipur fallen aufgrund vieler Touristen weit mehr als 7 Tonnen Plastikabfälle pro Jahr an. In einem abgelegenen Dorf in den Bergen fallen pro Haushalt vermutlich nur ca.10 kg Plastik pro Jahr an. So würde für die 25 Haushalte im abgelegenen Ratanpur die Plastikpyrolyse nur einmal aller zwei Wochen in Betrieb genommen werden müssen und nur einen Teil des benötigten Treibstoffs zum Kochen produzieren. Aber alle oben genannten Vorteile würden eintreten, die Lebensqualität würde merklich verbessert, der Plastikmüll wäre entsorgt und 2 Tonnen Holz bzw. 4 Tonnen CO₂eq eingespart.

Das klingt nicht nur fast zu gut, um wahr zu sein, sondern es ist bestürzend, wie eine so einfache und effiziente Lösung für die Verbesserung der Lebensqualität der Menschen, für den Natur- und Klimaschutz nicht längst zum weit verbreiteten Standard geworden ist.

Kosten-Nutzen-Rechnung

Die erste mit viel Handarbeit in den USA hergestellte Serie kostet inklusive Transport nach Nepal 2000 US$ pro Gerät. Sobald Ithaka Nepal die Praxistests in Ratanpur und Bandipur abgeschlossen haben wird, planen wir die Herstellung der Geräte zur Plastikpyrolyse in einer Werkstatt in Kathmandu und rechnen mit Kosten von unter 500 € pro Gerät. Das ist zwar trotzdem noch sehr teuer für eine Familie oder Dorfgemeinschaft, wo der Tagelohn unter 10 € liegt, aber wenn man berechnet, wie viel Emissionen dem Klima durch diese Technikkombination erspart bleibt, so könnten die Geräte durch Klimazertifikate vorfinanziert werden. Bei einer monatlichen Einsparung von 3,5 Tonnen CO₂ und einem konservativen Preis von 50 € pro Tonne CO₂, wäre die Investition für die Anschaffung eines Gerätes zur Plastikpyrolyse bereits nach gut 2 Monaten (4.7 t CO₂ * 50 € * 2 Monate = 470 €) amortisiert. Für ein Dorf wie Ratanpur, wo es weniger Plastikmüll zu entsorgen gibt, wäre das Gerät auf diese Weise nach immerhin 3 Jahren amortisiert.

Klimabilanz des Kochens

Die Berechnung der Klimabilanz ist allerdings nicht so einfach. Es kann leicht berechnet werden, wie viel Holz eingespart wird (ca. 2.6 kg Holz (TS) pro Haushalt). Geht man davon aus, dass das Holz nur von abgefallenen Ästen und Zweigen kommt, wäre dieses Holz teil des natürlichen Waldnachwuchses und entsprechend als klimaneutraler Rohstoff anzusehen. Anders ist es, wenn ganze Bäume dafür gefällt werden, was immer noch klimaneutral wäre, wenn der Wald insgesamt nicht weniger wird. Wird aber wie an vielen Orten der Welt tatsächliche abgeholzt und entwaldet, dann wäre das Feuerholz klimanegativ. Hinzu kommt, dass beim Kochen vor allem mit feuchtem Holz der biologisch gebundene Kohlenstoff nicht nur zu CO₂ wird, sondern auch als Methan emittiert wird. Letzteres würde innerhalb der ersten 20 Jahre nach der Verbrennung zu 86mal mehr Klimaerwärmung als durch die gleiche Menge CO₂ führen. Diese Methanemissionen machen jedes offene Holzfeuer klimanegativ (auch das Kaminfeuer im Landhaus oder Chalet).

Der Kohlenstoff, der in Plastikabfällen enthalten ist, stammt aus fossilen Quellen, und für die Herstellung der Kunststoffe wurde fossile Energie verwendet. Die Plastikabfälle gehen folglich als klimanegativ in die Bilanzierung ein. Solang die Kunststoffe nicht verbrannt werden, sondern zum Beispiel in Mülldeponien lagern, wo sie nicht biologisch abgebaut werden, bleibt der Kohlenstoff in den Abfallprodukten erhalten und stellt quasi eine Kohlenstoffsenke dar.

Die pyrolytische Umwandlung in Kerosin und die Verbrennung des Kerosins in effizienten Kochern beruht im Grunde also auf fossilem Kohlenstoff und kann an sich nicht als klimapositiv angesehen werden. Hier allerdings stellt sich die Frage der Systemgrenze: Die Klimabilanz der Plastikprodukten wird in der Regel den Produkten und nicht dem Müll dieser Produkte zugeschrieben. Auch wird ein Großteil des Plastikmülls eben doch auf den größeren oder kleineren Müllhalden verbrannt, wobei viel größere Mengen Methan als bei der Verbrennung des pyrolystisch hergestellten Kerosins in die Atmosphäre entweicht. Zudem wird das CO₂ aus der Verbrennung des Holzes eingespart.

Insgesamt gelangen durch diese Methode weniger Treihausgase in die Atmosphäre, aber es ist nicht so einfach, für jede Stunde des Kochens mit Kerosin aus Plastik, anstatt mit Feuerholz eine pauschale Klimabilanz zu berechnen. Trotzdem liegen die großen Vorteile sowohl für das Klima als auch für die Gesundheit der Menschen und den Umweltschutz auf der Hand.

Vorteile des Kochens mit Plastik-Kerosin im Vergleich zum offenen Holzfeuer

Plastikmüll, der nicht entsorgt oder wenigstens sicher deponiert wird, wird von Wind, Wetter, UV-Licht und mechanischer Beanspruchung nach und nach in immer kleinere Teile zersetzt, bis schließlich nur noch Mikro- (0.1 – 5 mm) und Nanopartikel (< 100 nm) übrigbleiben, die so klein sind, dass sie in die Nahrungskette übergehen. Nanoplastik wird nicht nur von Fischen, sondern auch von Bodenorganismen und schließlich sogar Pflanzenwurzeln aufgenommen (Sun et al., 2020).

Die Vermeidung von Plastikmüll in der Natur schützt Böden und Biodiversität. Die Verarbeitung zu flüssigen Brennstoffen reduziert den Holzbedarf und damit den Druck auf Wälder. Frauen und Kinder, die je nach Klimazone und Vegetation in der näheren Umgebung ihrer Dörfer mehrere Stunden täglich aufwenden, um Feuerholz zu sammeln (Das et al., 2019), können die gewonnene Zeit anderen Tätigkeiten und nicht zuletzt der Schulbildung widmen. Der größte aller Vorteile aber ist, dass die allgegenwärtigen Atemwegserkrankungen gemindert werden können, weil nicht mehr am offenen Holzfeuer gekocht werden muss.

Weltweit wird die tägliche Mahlzeit von 2,6 Milliarden Menschen noch immer an offenen Feuern zubereitet (GIZ, 2017; WHO, 2021). Jeder dritte Mensch weltweit atmet täglich Rauchgase von offenen Küchenfeuern ein. Diese Rauchgase enthalten eine Vielzahl toxischer Substanzen wie beispielsweise polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). So atmet eine Frau, die täglich das Essen für ihre Familien am Holzfeuer zubereitet, jeden Tag so viel krebserregendes Benzo(a)pyrens ein wie beim Rauchen von 450 filterlosen Zigaretten entsteht (Smith, 1990). Jedes Jahr sterben fast 4 Millionen Menschen vorzeitig an Krankheiten, die mit ineffiziente Kochpraktiken am offenen Feuer in Verbindung gebracht werden. Die Luftverschmutzung durch Kochen an Holzfeuern führt zu Krankheiten wie Schlaganfall, Herzkrankheiten, chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) und Lungenkrebs. Nahezu die Hälfte der Todesfälle aufgrund von Lungenentzündung bei Kindern unter 5 Jahren wird durch Feinstaub (Ruß) verursacht, der durch Rauchgase in Wohnräumen eingeatmet wird (WHO, 2021).

Das aus Plastik hergestellte Kerosin weist keine Verunreinigungen auf und verbrennt entsprechend viel sauberer als Kerosin, das üblicherweise aus Erdöl gewonnen wird und erhebliche Mengen z.B. an Schwefel, Stickstoff und Quecksilber enthält.

Die solare Alternative

Angesichts der Tatsache, dass ein Drittel der Menschheit noch heute täglich die Gesundheit gefährdet, weil das Essen in geschlossenen Räumen am offenen Feuer zubereitet wird, obwohl dieses Problem eigentlich vergleichsweise einfach zu lösen wäre (Solarstrom, Biogas, synthetisches Methanol, ja selbst fossiles Propan und Butan), drängt sich große Skepsis auf, dass es der Weltgemeinschaft gelingen wird, den Klimawandel mittels Pyrolyse von spezifisch dafür angebauten tropischen Biomassen signifikant zu bremsen (siehe 400.000 Anlagen Artikel).

In der Zwischenzeit könnte die Pyrolyse der allgengewärtigen Plastikabfälle jedoch zumindest die Lage für die lokale Bevölkerung verbessern.

Das Kochen mit dem Gas von Plastikmüll kann und soll dabei natürlich nur eine Brückentechnologie sein. Es ist in Nepal wie auch fast überall sonst auf der Welt am effizientesten, billigsten und klimaschonendsten mit Solarstrom und Induktionsherden zu kochen. Momentan sind die Investitionssummen für Solarpanels und Batterien für die meisten Dörfer im tropischen und subtropischen Gürtel noch nicht aus eigener Kraft zu stemmen. Aber mit überschaubaren Vorinvestitionen und Klimazertifikaten könnte das Problem der Feuerholz-Kochstellen, die von rund 2,7 Milliarden Menschen täglich benutzt werden, mit einem beherzten Technologiesprung in den nächsten 10 Jahren gelöst sein.

Für ein Dorf wie Ratanpur mit 25 Haushalten bräuchte es (160 Panels à 250 W =) 40 kW-Solarpanels mit einer Fläche von (1m50 * 1m00 =) 240 m2. Die Kosten für die Panels betragen etwa 25.000 €. Um wenigstens 110 kWh Strom für die Nachtstunden zu speichern, kämen noch 35.000 € Batteriekosten sowie (80 € * 25 Haushalte =) 2000 € für die Induktionskocher hinzu. Die Gesamtkosten für Kochen, Licht, Internet und Kaffeemühle würden für ein Dorf mit 25 Haushalten nicht mehr als 65.000 € als einmalige Investition betragen. Dies würde jedes Jahr rund 50 t CO₂eq einsparen. Bei 100 € pro Tonne CO₂eq wären diese pro Jahr 5000 €, so dass die Investition bereits nach 13 Jahren allein aus den CO₂-Zertifikaten amortisiert wäre. Würde das Dorf ans Stromnetz angeschlossen und damit die Batteriespeicherung obsolet, wäre das Kochen mit Solarstrom schon nach 5,5 Jahren amortisiert.

Müssen wir uns mit der Weltrettung wirklich so schwertun?

Würden wir einfach hin und wieder etwas weiter über unseren Horizont hinausdenken und tun, könnten wir rasch wieder Hoffnung fassen.

Weitere Informationen finden Sie auf den folgenden Webseiten.

https://eses-plastic.org/

https://nepal.ithaka-institut.org/en/

Sie können das Projekt auch gern durch eine steuerlich absetzbare Spende an das Ithaka Institut unterstützen (Link zum Spenden). Das Ithaka Institut überweist alle Spendengelder vollumfänglich nach Nepal, um dort den weiteren Aufbau von Waldgärten, Aufforstung von Kahlbergen, die Diversifizierung der landwirtschaftlichen Produktion und nun auch die Entsorgung von Plastikmüll mittels Pyrolyse zur Kerosinherstellung zu unterstützen.

Quellen

Das, K., Pradhan, G., & Nonhebel, S. (2019). Human energy and time spent by women using cooking energy systems: A case study of Nepal. Energy, 182, 493–501. https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2019.06.074

GIZ. (2017). Solid biomass fuels for cooking-beyond firewood and charcoal. https://www.ccacoalition.org/sites/default/files/resources/2017_solid-biomass-fuels-for-cooking_GIZ.pdf

Hafner, J. M., Uckert, G., Hoffmann, H. K., Rosenstock, T. S., Sieber, S., & Kimaro, A. A. (2020). Efficiency of Three-Stone Fire and Improved Cooking Stoves using on-farm and off-farm fuels in semi-arid Tanzania. Energy for Sustainable Development, 59, 199–207. https://doi.org/10.1016/J.ESD.2020.10.012

Smith, K. R. (1990). Indoor air quality and the pollution transition. In K. H (Ed.), Indoor air quality (pp. 448–456).

Sun, X. D., Yuan, X. Z., Jia, Y., Feng, L. J., Zhu, F. P., Dong, S. S., Liu, J., Kong, X., Tian, H., Duan, J. L., Ding, Z., Wang, S. G., & Xing, B. (2020). Differentially charged nanoplastics demonstrate distinct accumulation in Arabidopsis thaliana. Nature Nanotechnology 2020 15:9, 15(9), 755–760. https://doi.org/10.1038/s41565-020-0707-4

WHO. (2021). Household air pollution and health. https://www.who.int/en/news-room/fact-sheets/detail/household-air-pollution-and-health