Plastics en duurzaamheid

Plastics worden in het algemeen niet met duurzaamheid geassocieerd. De meeste plastics worden uit fossiele grondstoffen gemaakt en hebben een kort leven in onze weggooimaatschappij: 50% wordt kort, eenmalig gebruikt, bv. als verpakking. Plastic afval eindigt vaak in de afvalverbranding, waarbij het broeikasgas CO₂ ontstaat. Waar plastic niet verbrand wordt maar gedumpt, leidt dat tot veel zwerfafval dat slecht afbreekt, Een deel daarvan vervuilt onze oceanen met macro-, micro- en nano-plastics. Al dit plasticgebruik moet onder het vergrootglas. We moeten beter en gescheiden plastic afval verzamelen, wereldwijd. Dit afval dient gerecycled te worden, naar zo hoogwaardige mogelijk toepassingen. En waar toepassing van plastics problemen blijft geven, dienen ze verboden te worden en vervangen door milieuvriendelijker alternatieven, zoals bioafbreekbare plastics en karton.

Plastics hebben wel hun plaats veroverd in de materialenwereld en zullen niet meer verdwijnen. Soms hebben ze toepassingen waar geen goed alternatief materiaal voor voorhanden is, op basis van bijvoorbeeld waterafstotendheid, laag gewicht, hardheid en slijtvastheid. Soms ook kan een plastic duurzaam zijn op basis van zijn gebruiksduur en recyclebaarheid bij het einde van zijn levensduur. Denk aan PET-flessen of toepassingen in de bouw zoals onderdorpels van HDPE en kozijnen en vloeren van PVC. Onderhoudsvrije PVC-kozijnen concurreren in buitentoepassingen met het biomateriaal hout dat elke 5-7 jaar opnieuw geschilderd moet worden met verf die zijn eigen milieu-impact heeft. Volledige duurzame plastics kunnen koolstofneutraal zijn op basis van fossiele grondstoffen of zelfs koolstofnegatief op basis van groene grondstoffen (als tenminste de productie gebeurt met duurzame energie). LEGO-blokjes zijn ook een voorbeeld van zo’n duurzame plastic.

De geschiedenis van LEGO

Het bedrijf LEGO ontstaat in 1934 vanuit de houtwerkplaats van de familie Christians op basen. In eerste instantie wordt houten speelgoed geproduceerd. Vanaf 1947 wordt ook plastic gebruikt (celluloseacetaat) met behulp van zogenoemde ‘injection moulding’, waarbij mallen gevuld worden met vloeibaar plastic dat vervolgens door koeling stolt. Vanaf 1949 worden hier ook bouwsteentjes van gemaakt. Twee uitvindingen maken LEGO groot. In 1958 wordt een bouwsteen geïntroduceerd met ronde noppen aan de bovenzijde en holle cilinders aan de onderzijde (4). En in 1963 wordt celluloseacetaat vervangen door het vormvaste ABS. Dit leidt tot nieuwe bouwstenen met precies de juiste hoeveelheid ‘clutch power’: stevig onderling contact van de bouwstenen, die vervolgens ook weer goed uit elkaar te halen zijn. LEGO is momenteel een groot, continu innoverend bedrijf, met een omzet van € 8,7 miljard in 2022. De toegevoegde waarde zit niet in de kilogrammen plastic die verkocht worden (met een waarde van ca. € 200 miljoen per jaar), maar in het productconcept. Dit maakt dat LEGO serieus met duurzaamheid aan de gang is gegaan. Kosten spelen daarbij niet de hoofdrol. Doel is een volledig duurzaam product vanaf 2032.

ABS

LEGO gebruikt zo’n twaalf verschillende plastics. Een daarvan is polyethyleen, dat sinds 2018 duurzamer wordt geproduceerd in Brazilië, uit bio-ethanol. Maar dit maakt maar 2% van de LEGO-plastics uit. Het belangrijkste plastic is ABS, dat voor de LEGO-bouwsteentjes wordt gebruikt. Dit maakt 80% uit van alle LEGO-plastics. ABS is heel hard, stijf en vormvast en blijft dat gedurende vele tientallen jaren, het breekt of vervormt niet en wordt niet bros. Het bestaat uit zeer hard SAN-plastic (Styreen- AcryloNitril), waarin zo’n 20% rubberachtige polyButadieen-eilandjes zitten, die zorgen voor enige elasticiteit die benodigd is voor de bovengenoemde ‘clutch power’. Steentjes worden gemaakt via ‘injection moulding’; bij afkoelen ontstaat de gewenste vaste vorm. Daarbij krimpt de vorm enigszins, maar dit is beperkt. De afmetingen mogen niet meer dan 5 µm variëren, dat is een fractie van de dikte van een haar (60 µm). Alle steentjes moeten precies op elkaar passen, en dat geldt ook voor de combinatie van een oud steentje uit 1963 met een nieuw steentje uit 2023. ABS heeft meer goede eigenschappen. Zo is het kleurvast en krasvrij, en geeft het glanzende oppervlakken.

LEGO en duurzaamheid

De LEGO-blokjes zijn een mooi voorbeeld van een duurzaam plastic product. Zelden gaan LEGO-producten kapot en komen ze in een afvalbak terecht. Ze worden lang gebruikt en tweedehands doorgegeven naar een volgende generatie. Maar dat is niet voldoende. Het LEGO-bedrijf bestaat bij gratie van het jaar-op-jaar blijven produceren van nieuwe plastic LEGO-producten. Klimaatwetgeving zal leiden tot eisen ten aanzien van de gebruikte grondstoffen. Die zullen een steeds hoger percentage dienen te bevatten van groene of gerecyclede grondstoffen.

Sinds 2015 is het LEGO-bedrijf serieus aan de gang met duurzaamheid. Als onderdeel daarvan wordt alle verpakking uiterlijk 2025 gemaakt uit groene of gerecyclede grondstoffen. Ook heeft LEGO een programma ‘Replay’ om gebruikte LEGO in te zamelen en te distribueren naar liefdadigheidsinstellingen (al actief in Noord-Amerika, binnenkort ook in Europa). Maar dat is niet voldoende, een duurzaam bedrijf dient duurzaam te zijn in het hart, en dat wordt bij LEGO gevormd door de bouwsteentjes.

Onderzoek naar PET als ABS-vervanger

In de zoektocht naar duurzame blokjes komt LEGO in 2018 op het spoor van PET (PolyEthyleenTereftalaat; polyester), als mogelijke vervanger van ABS (1). PET is beschikbaar vanuit gerecyclede PET-flessen. Het is een harde plastic, maar wel zachter dan ABS. Gezien de hoge eisen die gesteld worden in de LEGO-toepassing, blijkt het niet eenvoudig om ABS door PET te vervangen. De eerste berichten in 2021 zijn gematigd positief (2), maar in 2023 wordt het PET-project toch afgeblazen (3). Er zijn zoveel grote investeringen aan het machinepark nodig, dat de ‘carbon footprint’ door PET toe- in plaats van afneemt. Het bedrijf LEGO is niet transparant over de details, maar de volgende zaken kunnen een rol gespeeld hebben:

1. Er moeten meer stoffen (‘additives’) bijgemengd worden om de eigenschappen van PET bij te stellen. Deze worden bovendien niet duurzaam geproduceerd. ‘Impact modifiers’ moeten zorgen voor extra sterkte en vormvastheid. Ook is het lastig om de mate van kristallisatie van PET te controleren. Kristallisatie geeft in het algemeen verbeterde eigenschappen, maar teveel kristallisatie leidt tot een bros product (verlies van slagsterkte). Om dit laatste te voorkomen worden ‘crystallization depressing agents’ toegevoegd.
2. Verschillende oplossingen vragen om extra investeringen. Ten eerste is PET niet erg geschikt voor ‘injection moulding’. Het smeltpunt is aan de hoge kant voor een plastic (260 °C) en bij die temperatuur is PET maar kort stabiel. Dat vraagt om speciale machines. Ten tweede zijn nieuwe machines nodig voor het inmengen van de grote hoeveelheid ‘additives’, het zogenoemde ‘compounding’. Vervolgens is het goed mogelijk dat de krimp na ‘injection moulding’ met PET niet makkelijk te controleren is. Hier is een technische oplossing voor, de zg. ‘additive manufacturing,’ waarbij plastic in meerdere stappen in de mal gebracht wordt. Ook dit vraagt om nieuwe machines. Tenslotte moet PET goed gedroogd worden, tot maximaal 50-100 ppm water, om ontleding en verbrossing te voorkomen. Dit kost veel energie en vraagt om nieuwe drogers.
3. PET zelf is minder stabiel dan ABS. Beide zijn gevoelig voor uv-licht, maar PET is bovendien gevoelig voor water. Mogelijk wordt daardoor de gewenste lange levensduur van tientallen jaren niet gehaald.
4. PET-flessen, hoewel gerecycled, worden vooralsnog nog steeds gemaakt uit fossiele grondstoffen. Bovendien zijn er voldoende andere klanten die recycle-PET willen afnemen, waaronder de flessenindustrie zelf en de kledingindustrie. Zonder LEGO als afnemer blijft de recycle-PET dus niet ongebruikt.

Hoe nu verder?

Sommige journalisten doen heel dramatisch over het falen van het PET-project. Het zou bewijzen dat plastics recyclen moeilijk zo niet onmogelijk is. Maar er is geen man overboord. De praktijk is dat LEGO nu doorgaat op andere paden. Het meest waarschijnlijk is dat ze vasthouden aan ABS, omdat dat verreweg de meeste geschikte plastic blijkt te zijn gezien de buitengewoon hoge eisen die gesteld worden. Daar moeten dan duurzame productieprocessen voor gezocht worden. LEGO is hier al enige tijd mee bezig (5).

Meer inzameling en hergebruik

De basis voor duurzaam LEGO-gebruik ligt in hergebruik van oude LEGO-blokjes. Het huidige ‘Replay’-programma heeft slechts beperkte impact: het is gebaseerd op donatie en heeft tot nu toe slechts 500 ton recycle-LEGO opgeleverd. LEGO zou veel proactiever en uitgebreider dan in ‘Replay’ op zoek moeten gaan naar oude, ongebruikte LEGO-voorraden en deze tegen grondstofkosten (€ 2-3/kg) moeten inkopen. Daar zou een groot ‘takeback’-programma voor moeten worden opgezet. Ingezamelde steentjes, hoe oud ook, zijn nog goed te gebruiken en dienen op soort en kleur gescheiden te worden. Vervolgens kunnen ze direct weer verkocht worden als gerecyclede steentjes of dienen als voeding voor mechanische recycling (zie hieronder). Hoe meer steentjes LEGO inzamelt, hoe minder verse grondstof gebruikt hoeft te worden.

Mechanische recycling

Mechanische recycling is afvalrecycling waarbij stoffen zoals ABS worden teruggewonnen zonder gebruik van chemische methoden. Het gaat hierbij vooral om sorteren en zuiveren. Dit is zeer geschikt voor de grote plastics PET, HDPE (hoge-dichtheid polyethyleen) en PP (polypropyleen). ABS wordt op deze wijze nog maar nauwelijks gerecycled vanuit huishoudelijk afval en is dan van slechte kwaliteit, Bijvoorbeeld het butadieen-gehalte kan aanzienlijk variëren. Ook zijn er scherpe eisen voor het gebruik van dit gerecyclede materiaal voor speelgoed, vanwege verontreiniging met voedsel. Mechanische recycling zal daarom beperkt blijven tot recycling van het fabrieksafval dat LEGO zelf heeft en van steentjes die terugkomen via het ‘takeback’-programma.

Chemische recycling en groene grondstoffen

Chemische recycling, dus met gebruik van chemische methoden, zal voor LEGO veel belangrijker worden. Met name de pyrolyse van gemengd plastic afval is interessant en wordt al op beperkte schaal commercieel toegepast: er ontstaat een pyrolyseolie die via stoomkraken de voor ABS gewenste bouwstenen levert op de juiste kwaliteit (SABIC als pionier): styreen (via benzeen en etheen), acrylonitril (via propeen) en butadieen.

[Daarnaast zijn er ook andere chemische recyclingtechnieken in ontwikkeling. Depolymerisatie van polystyreen levert styreen, en het oplossen van gerecycled ABS met oplosmiddelen zoals aceton levert fracties SAN en polybutadieen die mogelijk beperkt herbruikbaar zijn.]

Naast recycling gaan ook groene grondstoffen een rol spelen. Zo wordt Hydrogenated Vegetable Oil (HVO) geproduceerd uit verse plantaardige oliën en gerecyclede frituurolie (Neste als pionier). Ook wordt houtextractie-olie, bijproduct van de papierindustrie, gehydrogeneerd (UPM met SABIC). Deze oliën kunnen worden gebruikt als brandstof, maar – veel beter – als grondstof. Ze worden, net als de hierboven genoemde pyrolyseolie, al commercieel beperkt toegepast als grondstof voor de bovengenoemde stoomkrakers waarbij de bouwstenen van ABS geproduceerd worden.

LEGO kan nu al contracten afsluiten om een volledig duurzame productieketen te borgen. Onderstaande tabel geeft aan hoeveel duurzame voeding een stoomkraker moet innemen om de grondstoffen voor de gewenste hoeveelheid van 80.000 ton ABS-LEGO-legosteentjes per jaar te maken. De productie van de benzeen-bouwsteen vraagt om de meeste duurzame nafta, een half miljoen ton per jaar oftewel ongeveer 17% van een wereldschaalkraker met een capaciteit van 1 miljoen ton/jaar etheen. Dat is aanzienlijk, maar op basis van de huidige ontwikkelingen komen zowel recycle pyrolyseolie als groene HVO komende jaren op deze grote schaal beschikbaar. 2032 als jaar van afronding van het verduurzamingstraject van LEGO lijkt goed haalbaar.

Tot slot

Duurzaam plastic maken is niet altijd eenvoudig. Bij recycling moet er altijd rekening worden gehouden met de kwaliteitseisen die aan plastic producten gesteld worden. Soms is dat niet zo ingewikkeld, en kunnen met relatief eenvoudige mechanische recycling plastics als PET, HDPE en PP worden teruggewonnen. Soms is het ingewikkelder. LEGO stelt heel hoge eisen aan zijn blokjes, maar ook dan zijn er oplossingen. De grondstoffen voor ABS, dat het meest geschikte plastic blijft voor de LEGO-steentjes, kunnen in de nabije toekomst gemaakt worden door het stoomkraken van groene HVO of recycle pyrolyseolie.

Referenties

1. Lego A/S, patent WO2019106124A1 (ingediend 30-11-2018; gerecyclede PET)
2. ‘The LEGO group reveals first prototype LEGO® brick made from recycled plastic’, persbericht 23-6-2021 (over eerste succes met PET)
3. ‘LEGO drops plans to make bricks from recycled plastic bottles’, interview Financial Times 25-9-2023 (einde van PET-project)
4. Eerste patent (Deens), 28-1-1958; VS patent US3005282A, 28-7-1958 (ontwerp van de LEGO-bouwstenen)
5. Lego A/S, patent WO2021209535A1 (ingediend 15-4-2021; gerecyclede ABS)