sou · H6B384 · 2018-12-20 00:00:00 — Regeringen har tillsatt en utredning ”Minskad negativ inverkan från plast” (Dir.2017:60) med syfte att studera möjligheterna att minska den negativa miljöpåverkan från plast. Utredningen avser att öka kunskapen om och på en vetenskaplig grund identifiera de miljöproblem som uppstår vid produktion och användning av plast, plastens tillsatser och de konsekvenser som uppstår i avfallshanteringen och materialåtervinningen samt de miljöproblem som orsakas av ökad mängd plast och mikroplast i hav och sjöar. Som en del i direktivet ingår att se över förutsättningarna för att övergå till biobaserad råvara för tillverkning av plast, samt identifiera för- och nackdelar med biobaserad plast i jämförelse med fossilbaserad utifrån ett energi- och miljöperspektiv inklusive avfallshantering och materialåtervinning. Syftet med projektet är att undersöka potential och förutsättningar för att ersätta fossilbaserad plast med biobaserad råvara vid plasttillverkning. Projektet fokuserar på de sex volymmässigt största producerade plastgrupperna i , dvs. Polyeten (PE), Polypropen (PP), Polyetentereftalat (PET), Polyvinylklorid (PVC), Polystyren (PS) och Polyuretan (PUR). Både de tekniska och de miljömässiga förutsättningarna har inkluderats. Den tekniska utvärderingen för övergången till biobaserad råvara har genomförts för dessa sex plastgrupper. Utifrån utvärderingen valdes två av plastgrupperna ut för att med hjälp av livscykelanalys (LCA) undersöka den miljömässiga effekten av ersättning med alternativ biobaserad plast. Utredningen har delats in i två steg: i)Litteraturstudie för att undersöka förutsättningarna för övergång från fossilbaserad till biobaserad råvara vid plasttillverkning för de sex plastgrupperna. ii)Beräkna miljönyttan av övergången med hjälp av LCA. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning För att undersöka utmaningarna och möjligheterna med övergång från fossilbaserad till biobaserad råvara vid plasttillverkning genomfördes en övergripande litteraturstudie som är sammanställd i kapitel 2. Studien har fokuserat på de sex tidigare nämnda plastgrupperna och undersökt vilka möjligheter det finns för att substituera de utvalda plasterna med biobaserade alternativ. Både drop-in plaster samt möjliga ersättningsmaterial har inkluderats i undersökningen. Fokus för litteraturstudien har lagts på råvara för produktion samt hur dagens tekniska möjligheter ser ut för produktion av de biobaserade plaster som studerats. Litteraturstudien ger en sammanställning över dagens möjligheter att substituera de sex volymmässigt största plasterna med biobaserade alternativ samt vilka trender och utmaningar det finns för den fortsatta utvecklingen av biobaserade plaster. Utifrån resultatet från litteraturstudien valdes två av de sex plastsorterna ut för att beräkna miljönyttan med övergången till användning av biobaserad råvara ur ett livscykelperspektiv. En diskussion kring möjliga vägar för avfallshantering såsom materialåtervinning och förbränning har vägts in i analysen. Materialåtervinning av biobaserade ersättningsmaterial till fossilbaserade plaster har i de flesta fall ännu inte utvecklats på grund av bland annat för små materialflöden och de ekonomiska förutsättningarna och har därför inte vägts in i analysen. Antaganden, systemgränser samt information om hur har genomförts presenteras i kapitel 3. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Plast är ett viktigt material för samhället och används i allt från förpackningar, textilier, engångsartiklar till applikationer inom energisektorn, bil- och byggindustrin. Dagens plaster tillverkas främst från fossilbaserad råvara men för att minska klimatpåverkan från plasttillverkning och för att styra mot en bioekonomi har initiativ tagits för produktion och utveckling av plaster från biobaserad råvara. Enligt rapporter från Trucost (2016) och (2016), är en av de viktigaste åtgärderna för en framtida hållbar plastekonomi ett skifte från fossilbaserad till biobaserad råvara vid plasttillverkning. pågår flera initiativ för att minska klimatpåverkan från plast, bland annat startade ett program 2017 där ett av områdena är att öka och fördjupa kunskapen angående miljöpåverkan från biobaserade plaster (, 2017). Nedan följer en sammanställning angående utvecklingen av biobaserade alternativ för de sex volymmässigt största konventionella plaster Polyeten (PE), Polypropen (PP), Polyetentereftalat (PET), Polyvinylklorid (PVC), Polystyren (PS) och Polyuretan (PUR), samt utmaningar och trender inom området. Biobaserade plaster består av polymerer som framställs genom polymerisation av monomerer som helt eller delvis framställs från biobaserad råvara (Cefur, 2016). används även begreppet bioplast vilket definieras som plaster som är biobaserade och/eller bionedbrytbara (European Bioplastics, 2017a). Biobaserade plaster kan delas in i två grupper enligt nedan (se figur 2-1). i)Biobaserade eller delvis biobaserade, icke (bio)nedbrytbara plaster t.ex. biobaserad PE, PP och PET. ii)Plaster som är både biobaserade och (bio)nedbrytbara t.ex. PLA och PHA. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Indelning av olika plaster (baserad på European Bioplastics, 2017a). Biobaserade plaster kan även delas in i två kategorier, drop-in och ersättningsmaterial, beroende på de fysikaliska och kemiska egenskaperna (, 2016). Biobaserade drop-in plaster är identiska med den motsvarande fossilbaserade plasten och har liknande kemiska och fysikaliska egenskaper (t.ex. bio-PET, bio-PE). Biobaserade drop-in plaster kan därför användas för samma applikationer som deras fossilbaserade motsvarigheter. Ersättningsmaterial har däremot inte identiska fysikaliska och kemiska egenskaper som dagens fossilbaserade plaster. står de biobaserade plasterna för av de plast som produceras (European Bioplastics, 2017b; Plastics Europe, 2017). Den globala produktionskapaciteten för biobaserade plaster förväntas att öka från , 2017 till . Störst andel av den globala produktionskapaciteten 2017 hade biobaserad PET (), biobaserad polyamid (PA) () och biobaserad PE (), se figur 2-2. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Den globala produktionskapaciteten för biobaserad plast indelat i olika plastgrupper (baserad på European Bioplastics, 2017b)1. Den största delen av biobaserad plast som produceras används till förpackningsmaterial, textilier och engångsartiklar. Den globala produktionskapaciteten av biobaserad plast 2017 indelat i olika användningsområden presenteras i figur 2-3. Enligt European Bioplastics (2017b) produceras den största delen i (), sedan (), () och (). Den globala produktionskapaciteten för biobaserad plast indelat i olika applikationsområden (baserad på European Bioplastics, 2017b). 1Bio-PUR är inte inkluderad på grund av att det inte finns tillförlitlig data. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Det finns tre olika alternativ för produktion och tillverkning av biobaserade plaster (Eerhart et al., 2012). i)Termokemisk och katalytisk omvandling av biobaserat råvarumaterial till monomerer som genom polymerisation bildar polymer i ett andra steg. ii)Fermentering av biobaserat råvarumaterial till monomerer som genom polymerisation bildar polymer i ett andra steg. iii)Modifiering av naturligt förekommande polymerer. 2.2 Råvara för biobaserad plast Flera olika typer av biobaserade råvaror kan användas för att framställa de kemiska byggstenar som behövs vid tillverkning av plast. Biobaserade råvaror för plasttillverkning brukar delas in i första, andra och tredje generationens råvara beroende på utvecklingen inom området. Tabell 2-1 ger en kort beskrivning över de olika generationernas råvara. Första generationens råvara är det vanligaste för tillverkning av biobaserade plaster. Beskrivning av de olika typerna av råvaror för biobaserad plast indelat i första, andra och tredje generationen (European Bioplastics, 2018). Plantor och grödor som är rika på kolhydrater (t.ex. majs och sockerrör) och som används för Råvaran från dessa grödor som används för tillverkning till biobaserade plaster är socker och stärkelse som extraheras från plantan. Avser råvaror som inte används till matproduktion t.ex. cellulosa eller restprodukter från första Biomassa som har tagits fram från alger. De första biobaserade plasterna introducerades och fokus var att de skulle vara nedbrytbara (komposterbara) (Cefur, 2016; Storz & Vorlop, 2013). De nedbrytbara plasterna såsom polylaktid (PLA) baserades på stärkelse. Efterfrågan på biobaserad plast har ökat och eftersom de flesta användningsområden inte kräver att plasten är nedbrytbar har tillverkning av biobaserade icke-nedbrytbara plaster ökat. Dessa plaster benämns drop-in plaster, vilket innebär att den ursprungliga råvaran för plasten ersatts och baseras på biobaserad källa istället för fossilbaserad. På detta sätt blir det en kopia av den fossilbaserade motsvarigheten och plasten får liknande eller identiska egenskaper. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning biobaserade råvaran för drop-in plaster är vanligtvis sockerrör eller majs, dvs. första generationens råvara. För att undvika eventuell konkurrens med livsmedelsproduktionen har det fokuserats på andra och tredje generationens råvara (European Bioplastics, 2017c). av den totala jordbruksmarken används för att producera råvara till biobaserade plaster. Fokus för forskningen är främst på cellulosa från jordbruk och restprodukter från produktion av majs och sockerrör. Det pågår även forskning för att använda restprodukter från skogsbruket för detta ändamål (Raschka et al., 2013). Vidare, finns även en stor del forskning kring hemicellulosa och bakteriell framställning av monomerer samt från andra grödor än majs och sockerrör. Polyeten (PE) är en av de viktigaste konventionella plasterna baserat på den volymmässigt årliga produktionen (Storz & Vorlop, 2013). PE tillhör gruppen termoplaster vilket innebär att de kan värmas upp och omformas utan att egenskaperna förstörs nämnvärt (Plastics Europe, 2017). Det finns främst två olika typer av PE, högdensitetspolyeten (HDPE) och lågdensitetspolyeten (LDPE). Deras olika densitet gör att de har olika egenskaper och de används därför inom olika applikationer. LDPE som är mer flexibel används främst till plastpåsar och plastfilmer och HDPE som är hårdare används bland annat till leksaker, rör och förpackningar. På grund av materialets termoplastiska egenskaper är det möjligt att återvinna genom mekanisk återvinning (et al., 2009b). HDPE och LDPE stod tillsammans för av den totala efterfrågan på plast i (Plastics Europe, 2017). Konventionell PE produceras genom radikalpolymerisation av fossilbaserad eten (Storz & Vorlop, 2013). PE är en av de viktigaste polymererna som tillverkas från eten (et al., 2009b). Även PVC, PET och PS kräver stora mängder eten vid tillverkning. Eten kan även tillverkas från biobaserad etanol som tagits fram från biobaserad råvara. Ett annat tillverkningssätt för eten är från förgasning av metanol (Røyne et al., 2015). Etanol framställs genom fermentering av socker som utvinns från biobaserad råvara och eten kan sedan tillverkas från etanol genom en kemisk dehydreringsprocess (et al., 2009a). produceras bio-PE endast från etanol som tillverkats från sockerrör (et al., 2009a; Babu et al., 2013; Aeschelmann & Carus, 2015). Etanol kan även produceras från andra biobaserade råvaror t.ex. sockerbeta, majs, vete samt stärkelsebaserade grödor (Reddy et al., 2013). De olika stegen för att framställa bio-HDPE och bio-LDPE beskrivs i figur 2-4. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Schematisk bild över tillverkningen av bio-PE (baserad på et al., 2009b; Reddy et al., 2013). Dagens bio-PE är biobaserad och har funnits på marknaden (Aeschelmann & Carus, 2015). Produktionskapaciteten har varit ganska och den fortsatta utvecklingen har stannat av delvis på grund av plötsligt prisfall på fossilbaserad eten på grund av tillgång till skifferolja. Dagens bio-PE tillverkas främst av etanol från sockerrör odlade i . Bio-PE finns tillgänglig från kemiföretagen (, 2014). Braskem i har tillverkat bio-PE från sockerrör (et al., 2009b) och har utvecklat sju olika sorter av HDPE och åtta olika typer av LDPE. Bio-PE är en drop-in plast vilket betyder att den har liknande eller identiska egenskaper som den konventionella motsvarigheten. Polypropen (PP) är en av de största plasterna och tillverkas genom polymerisation av propen som framställs från fossilbaserad råvara (Reddy et al., 2013.) PP är en termoplast och används bland annat till förpackningsmaterial, textilier och till applikationer inom bilindustrin (Plastics Europe, 2017). PP stod för av den totala efterfrågan på plast i (Plastics Europe, 2017). Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Biobaserad PP (bio-PP) är svårare att tillverka jämfört med bio-PE eftersom det involverar flera steg. Produktion av bio-PP utgår från isobutanol som kan framställas från fermentering av socker som utvinns från biobaserad råvara (, 2012). Genom dehydrering av isobutanol framställs buten som tillsammans med eten används för att producera bio-PP (se figur 2-5). Biobaserad isobutanol kan framställas från fermentering av socker från exempelvis majs eller sockerrör. Schematisk bild på produktionen av bio-PP (baserad på Reddy et al., 2013). Bio-PP är under utveckling och finns inte tillgänglig i kommersiell skala utan endast i labbskala (European Bioplastics, 2017b; , 2016). En anledning till att bio-PP inte är kommersiellt tillgängligt ännu är att produktionen är mer tekniskt krävande än för bio-PE (, 2012). Braskem hade planer på att bygga en anläggning med möjlighet att producera biobaserad propen till 2013. Enligt European Bioplastics (2017b) produceras ingen bio-PP men bio-PP förväntas finnas på marknaden . Polyvinylklorid (PVC) är en av de vanligaste konventionella plasterna och används främst till olika typer av rörledningar, fönsterkarmar, regnkläder och till golv (Harmsen et al., 2014). PVC är ett mångsidigt material och den mest använda plasten för applikationer inom bygg och konstruktion (Plastics Europe, 2017). PVC är en termoplast och tillverkas genom polymerisation av vinylklorid. PVC stod för av den totala efterfrågan på plast i (Plastics Europe, 2017). PVC tillverkas genom polymerisation av vinylklorid som produceras från eten och klor (et al., 2009a). Eten är en viktig byggsten för flera plaster och kan som nämnts tidigare produceras från biobaserad etanol från exempelvis majs och sockerrör (et al., 2009b). Klor tillverkas genom elektrolys av natriumkloridlösning. Eten reagerar sedan med klor med hjälp av en katalysator och bildar etendiklorid. Etendiklorid omvandlas sedan till vinylkloridmonomer genom pyrolys som sedan polymeriseras till PVC. En schematisk figur över tillverkningen av bio-PVC presenteras i figur 2-6. är hård och styv, vilket begränsar användningsområden. Därmed används ofta mjukgörare som Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning additiv i PVC. Rapsolja och sojabönor kan användas som biobaserad råvara för tillverkning av vissa additiv till PVC (et al., 2012). Schematisk bild över tillverkningen av bio-PVC (baserad på et al., 2009b). 2007 annonserade att de planerade att producera bio-PVC från sockerrör (et al., 2012; et al., 2009b). Bio-PVC finns endast i labbskala (, 2016). Polyuretan (PUR) är en av de vanligaste konventionella plasterna och tillverkas genom polymerisation av polyol och isocyanat (Harmsen et al., 2014). PUR är den sjätte mest sålda plasten i världen och står för av den totala produktionen (et al., 2009b). PUR har ett brett användningsområde på grund av dess fysikaliska egenskaper och används främst till olika ytbehandlingar, lim och till tätningsmedel samt till applikationer inom byggsektorn (Harmsen et al., 2014; Plastics Europe, 2017). PUR är en härdplast vilket innebär att den inte kan upphettas och omformas utan att egenskaperna förstörs (Plastics Europe, 2017). PUR stod för av den totala efterfrågan på plast i . Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Dagens biobaserad PUR (bio-PUR) är delvis biobaserad och framställs från petrokemiskt framställd isocyanat och polyoler som kan framställas från biobaserad råvara (Harmsen et al., 2014). Den totala produktionen av bio-PUR beräknas vara 28 kton. Biobaserade polyoler kan framställas från vegetabiliska oljor från exempelvis solroser, raps och sojabönor samt från socker, adipinsyra eller bärnstenssyra (Harmsen et al., 2014; et al., 2009b). Beroende på vilken byggsten som används till att tillverka polyoler kan de vara biobaserade. Utifrån råvaran som används för polyoler kan tillverkningen av bio-PUR vara biobaserad. En schematisk bild över tillverkningen av bio-PUR finns beskriven i figur 2-7. Schematisk bild över tillverkningen av bio-PUR (baserad på et al., 2009b). Fokus för produktionen av bio-PUR är på framställning av olika typer av biobaserade polyoler men forskning pågår även kring framställning av biobaserad isocyanat (Harmsen et al., 2014). Forskningen har visat att det är möjligt att framställa bio-PUR i labbskala, fortsatt forskning krävs dock för att kunna tillverka bio-PUR i kommersiell skala. Den globala produktionen av bio-PUR och konventionell PUR ökar stadigt och förväntas öka stadigt även (Aeschelmann & Carus, 2015). Ingen information gällande miljöprestandan för bio-PUR jämfört med fossilbaserad PUR finns tillgänglig (et al., 2005). Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Polyetentereftalat (PET) är en av de viktigaste plasterna och har ett brett användningsområde men används främst till förpackningsmaterial för flaskor och textil (Harmsen et al., 2014; Storz & Vorlop, 2013). PET är en termoplast och står för av den årliga efterfrågan på plast i (Plastics Europe, 2017). Konventionell PET tillverkas genom en kondensationsreaktion mellan etylenglykol (EG) och tereftalsyra (TA) (Storz & Vorlop, 2013). Konventionell EG tillverkas genom hydrolys av etenoxid som i sin tur tillverkas från eten. Bio-PET kan produceras på samma sätt som konventionell PET, förutsatt att det finns tillgång på biobaserad eten. Den bio-PET som tillverkas är delvis biobaserad och tillverkas från biobaserad EG och fossilbaserad TA. Bio-PET består av biobaserad råvara (2014; Aeschelmann & Carus, 2015; Storz & Vorlop 2013). En schematisk bild över de olika tillverkningsstegen för bio-PET presenteras i figur 2-8. Biobaserad EG kan tillverkas från fermentering av sockerrör, majs, soja eller andra biobaserade material (, 2014). Produktion av biobaserad TA är inte lika enkel. Forskning pågår och enligt Aeschelmann & Carus (2015) kan biobaserad TA tillverkas i pilotskala men fortsatt utveckling pågår. Schematisk bild över produktionen av bio-PET (baserad på Reddy et al., 2014). Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Bio-PET som produceras av biobaserad EG introducerades av (et al., 2012). Den största delen av den bio-PET som produceras tillverkas i . Bio-PET är en av de största biobaserade plasterna på marknaden och kapaciteten förväntas öka (Aeschelmann & Carus, 2015). Konventionell polystyren (PS) framställs genom polymerisation av styren och används främst som material till kylskåp, förpackningar, kaffekoppar och andra engångsartiklar (Harmsen et al., 2014). En annan form av PS är expanderad polystyren (EPS) som används som förpacknings- och isoleringsmaterial. PS och EPS stod för av den totala efterfrågan på plast i (Plastics Europe, 2017). Styren kan framställas från etylbensen som i sin tur produceras från eten och bensen (et al., 2009). Som nämnts tidigare kan eten tillverkas från etanol som kan produceras från biobaserad råvara. De olika stegen för produktion av PS presenteras i figur 2-9. Schematisk bild över tillverkningen av PS (baserad på et al., 2009a). Enligt Harmsen et al. (2014) och (2016) finns bio-PS endast i labbskala och det finns inga planer på tillverkning av bio-PS i industriell skala. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Förutom drop-in plaster har även flera olika ersättningsplaster till dagens fossilbaserade plaster utvecklats. Nedan presenteras tre exempel på ersättningsplaster. 2.9.1Polyetenfuranoat (PEF) & Polytrimetyltereftalat Ett annat alternativ till fossilbaserad PET som växt fram är Polyetenfuranoat (PEF) (Storz &Vorlop, 2013). PEF produceras från EG och från 2,5 furandikarboxylsyra (FDCA) (se figur 2-10). FDCA kan produceras från biobaserad råvara och kan ersätta fossilbaserad TA. Biobaserad FDCA kan tillverkas från fruktos i majstärkelse och bio-FDCA polymeriseras sedan tillsammans med EG för att tillverka PEF (Eerhart et al., 2012). PEF är biobaserat material, har liknande egenskaper som PET och kan användas för tillverkning av plastflaskor (Aeschelmann & Carus, 2015). Enligt en studie av Eerhart et al. (2012) som undersökte miljöeffekten av att ersätta konventionell PET med PEF kan produktionen av PEF minska GHG-utsläppen (Greenhouse Gas) . PEF förväntas även ha bättre barriäregenskaper än exempelvis PET. Materialet kan återvinnas genom mekanisk och kemisk återvinning (European Bioplastics, 2017b; Furkan & , 2015). Enligt European Bioplastics (2017b) är biobaserad PEF under utveckling och finns inte kommersiellt tillgänglig ännu, men förväntas finnas på marknaden . Schematisk bild över tillverkningen av PEF. Rapport 6007 - Undersökning av förutsättningar för biobaserad råvara vid plasttillverkning Ytterligare ett ersättningsmaterial till konventionell PET är polytrimetyltereftalat (PTT) (Aeschelmann & Carus, 2015). PTT är delvist biobaserat material och tillverkas från biobaserad propandiol och fossilbaserad TA. Biobaserad PTT består av biobaserad råvara och har liknande egenskaper som PET på grund av att båda polymererna tillverkas av TA. Biobaserad propandiol kan tillverkas från majs och produceras PTT av kemiföretaget . PEF och PTT är icke-nedbrytbara material precis som PET. 2.9.2 Polylaktid (PLA) PLA (Polylaktid) är en alifatisk polyester som tillverkas genom polymerisation av mjölksyra (et al., 2009b). PLA kan bland annat tillverkas från majs och sockerrör. PLA är biobaserad och är även nedbrytbar under vissa förhållanden (Aeschelmann &Carus, 2015). Materialegenskaperna, t.ex. mekanisk styrka och elasticitet, liknar till viss del egenskaperna hos syntetiska termoplaster (et al., 2009b). PLA har liknande egenskaper som PET när det gäller hårdhet, styvhet och elasticitet vilket är viktiga egenskaper för tillverkning av flaskor. PLA har god UV-resistans och god resistans mot alifatiska molekyler som olja men dålig resistans mot syror, baser och lösningsmedel. Enligt en studie av et al. (2009b) skulle PLA kunna ersätta PET, HDPE, LDPE och PP. används materialet främst till förpackningsmaterial, textilfibrer, isoleringsmaterial och till elektronik (Harmsen et al., 2014). PLA är ett ersättningsmaterial och inte en drop- in plast. PLA materialåtervinns inte utan går oftast till förbränning efter användning. Mjölksyra framställs främst av socker- och stärkelserik biomassa som sockerrör och majs (Harmsen et al., 2014). PLA tillverkas sedan genom polymerisation av mjölksyra (se figur 2-11). Det finns forskning som inriktar sig på framställning av mjölksyra från lignocellulosa. PLA produceras av flera kemiföretag. Den största producenten av PLA är NatureWorks i (et al., 2012). Efterfrågan på PLA inom är /år och förväntas att nå .