De populariteit van e-bikes groeit nog altijd sterk. Daarmee neemt ook het gebruik van technische kunststoffen toe. Onderdelen zoals kettingkasten, accubehuizingen en motorafdekkingen worden traditioneel geproduceerd uit nieuwe engineering plastics. Om de klimaatdoelstellingen van zowel Nederland als de Europese Unie te behalen, is echter een omslag nodig naar een circulair gebruik van deze materialen. Het ReCYCLE-project richt zich daarom op het sluiten van de materiaalkringloop voor hoogwaardige technische kunststoffen in e-bikes.
In plaats van direct nieuwe producten volledig opnieuw te ontwerpen, kozen de projectpartners voor een stapsgewijze aanpak. Eerst werd onderzocht of bestaande onderdelen zonder ontwerpwijzigingen konden worden geproduceerd uit honderd procent gerecycled materiaal. Pas wanneer dat niet mogelijk bleek, werden achtereenvolgens materiaaloptimalisaties, ontwerpaanpassingen en uiteindelijk complete herontwerpen uitgevoerd. Zo kon voor elk onderdeel de meest efficiënte circulaire oplossing worden gevonden.
Het onderzoek richtte zich op vijf onderdelen van een elektrische fiets: de kettingkast, de motorafdekking, de accubehuizing, de jasbeschermer en de balhoofdplaat. Voor elk onderdeel werden de technische eisen nauwkeurig vastgelegd. Vervolgens werden prototypes vervaardigd en uitgebreid getest op onder meer mechanische eigenschappen, weersbestendigheid, chemische resistentie, esthetische kwaliteit en montage-eigenschappen.
Een belangrijk resultaat van het project is dat alle vijf de onderdelen uiteindelijk succesvol konden worden geproduceerd met gerecyclede engineering thermoplasten. Zo bleek zwart PCR-ABS een geschikt alternatief voor zowel de kettingkast als de motorafdekking. Dat heeft bovendien als voordeel dat beide onderdelen na gebruik in dezelfde materiaalstroom kunnen worden gerecycled. Voor transparante onderdelen, zoals de jasbeschermer, bleken gerecycled PET en gerecycled polycarbonaat geschikte oplossingen.
Het ReCYCLE-project werd uitgevoerd binnen het Circular Plastics Initiative (CPI). Dit is een samenwerkingsverband tussen het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT) en Dutch Polymer Institute (DPI), waarin kennisinstellingen en bedrijven werken aan industriële toepassingen van circulaire kunststoffen. Partners in ReCYCLE zijn Koninklijke Gazelle, Timmerije, UltraPolymers, Brisk-Kumet en Polymer Science Park. Het project wordt medegefinancierd met subsidie van de Topsector Energie door het Ministerie van Economische Zaken en Klimaatbeleid.
Ook een logistieke uitdaging
Naast de ontwikkeling van de onderdelen brachten de onderzoekers ook de beschikbaarheid van gerecyclede engineering plastics in kaart. Daaruit blijkt dat sommige materialen, zoals PCR-ABS, inmiddels goed verkrijgbaar zijn, terwijl andere gerecyclede kunststoffen nog slechts beperkt beschikbaar zijn. Voor enkele polymeren bestaat zelfs nog nauwelijks een commerciële recyclestroom. Dit onderstreept dat de verdere ontwikkeling van hoogwaardige recycling niet alleen een technische, maar vooral ook een logistieke uitdaging is.
Een vervalmodel
Om inzicht te krijgen in de levensduur van gerecyclede kunststoffen ontwikkelden de onderzoekers bovendien een zogenoemd vervalmodel. Hierbij werd onderzocht hoe gerecycled ABS en polycarbonaat zich gedragen na herhaald mechanisch recyclen en versnelde veroudering. De resultaten laten zien dat de slagvastheid na een recyclingstap weliswaar afneemt, maar dat de meeste andere mechanische eigenschappen grotendeels behouden blijven. Opvallend is dat gerecycled ABS daarbij duidelijk stabieler presteert dan gerecycled polycarbonaat. Ook blijkt het verouderingsgedrag van post-consumer recyclaat sterk overeen te komen met dat van nieuw materiaal.
Wanneer kwaliteitsverlies binnen acceptabele grenzen blijft, kunnen de materialen bovendien meerdere keren opnieuw worden ingezet. Volgens de onderzoekers is ABS geschikt voor vijf tot veertien recyclingcycli, terwijl polycarbonaat twee tot vier keer hoogwaardig kan worden hergebruikt.
Ook vanuit milieuoogpunt levert de toepassing van gerecyclede engineering plastics aanzienlijke voordelen op. Op basis van een levenscyclusanalyse werd voor verschillende onderdelen een CO₂-reductie van circa 55 tot 68 procent berekend ten opzichte van onderdelen uit nieuw materiaal. Wel blijkt uit de studie dat lange transportafstanden van recyclaat de milieuwinst deels kunnen verminderen. Een regionale beschikbaarheid van hoogwaardige recyclestromen blijft daarom belangrijk voor een werkelijk circulaire kunststofketen.
Volgens de projectpartners reiken de resultaten verder dan alleen de fietsindustrie. De ontwikkelde kennis over gerecyclede engineering thermoplasten, ontwerpregels en materiaalgedrag kan ook worden toegepast in sectoren zoals de automotive, elektronica en andere hoogwaardige kunststofproducten. Daarmee vormt ReCYCLE een belangrijke stap richting een bredere toepassing van circulaire engineering plastics in de maakindustrie.
Een ander belangrijk resultaat is de ontwikkeling van een praktische toolbox voor ontwerpers. Deze bevat richtlijnen voor materiaalkeuze, Design for Circularity en Design for Disassembly. Ook zijn de belangrijkste lessen uit de materiaalproeven en een procesmodel voor de ontwikkeling van circulaire kunststofproducten opgenomen. Daarmee kunnen toekomstige producten al tijdens de ontwerpfase beter worden voorbereid op hoogwaardige recycling.
Toch maar virgin materialen?
Dit project laat zien dat er veel mogelijk is als het gaat om het toepassen van gerecycled materiaal, ook wanner het om hoogwaardige toepassingen gaat. Toch lopen lang niet alle opdrachtgevers en met name merkeigenaren hier warm voor. Er zijn aardig wat hardnekkige aannames die de keus dan toch weer doen doorslaan naar virgin materialen. Wij vroegen aan twee projectpartners – fietsfabrikant Gazelle en spuitgietspecialist Timmerije – naar hun ervaringen als het gaat om de overwegingen om al dan niet voor gerecyclede materialen te kiezen. Bij Gazelle kijkt men dan vanuit de rol als OEM, bij Timmerije vanuit de rol als spuitgieter/materiaalverwerker.
Hoe kijken bedrijven op dit moment naar het gebruik van gerecycled plastic voor hoogwaardige toepassingen zoals fietsonderdelen en wat zijn volgens jullie de grootste drempels om ermee te werken?’
Hans Kolnaar, managing director bij Timmerije: ‘De grootste drempel betreft de ontwerpeisen van de original equipment manufacturer (OEM): als deze voor zijn technische kunststofonderdelen op alle fronten dezelfde eigenschappen van het artikel eist als voor virgin materiaal “zoals het altijd al is geweest”, dan is het inzetten van recyclaat meestal beperkt mogelijk. Wat nodig is dat de OEM nagaat wat echt “critical to quality” is. Dit betekent dat alle bestaande eigenschappen eigenlijk ter discussie moeten worden gesteld. Een andere drempel betreft de beschikbaarheid van zuivere engineering plastic recyclestromen. Deze komen niet uit de PMD zak, maar ontstaan bij het disassembleren van voorwerpen zoals auto’s en E&E producten.’
Guido van Rijckevorsel is teamleider Mechanical Engineering bij Koninklijke Gazelle NV: ‘Voor veel fabrikanten (OEM’s), inclusief onszelf aan het begin van dit traject, is het gebrek aan specifieke kennis over gerecyclede technische kunststoffen de grootste drempel. Onbekend maakt onbemind; het voelt al snel ingewikkelder en risicovoller om tijdens de ontwerpfase van een nieuw product voor een gerecycled alternatief te kiezen. Binnen het ReCYCLE-project hebben we deze kenniskloof succesvol weten te overbruggen en laten zien dat de risico’s goed te beheersen zijn.’
‘Er leeft vaak het beeld dat recyclaat duurder is of minder presteert dan virgin plastics. Herkennen jullie dat beeld en waar wringt het dan in de praktijk?’
Hans Kolnaar: ‘Deze beeldvorming is er inderdaad, maar is dikwijls onjuist, zoals is gebleken. We hebben het hier over technische kunststoffen en niet over commodities. Technische kunststof recyclaten hiervan zijn doorgaans goedkoper dan virgin polymeren, waardoor ook een economische drijver ontstaat om onderdelen circulair te maken. De eigenschappen van recyclaten zijn ten hoogste gelijk aan die van virgin polymeren, dus niet alle eigenschappen – zoals de stijfheid – worden minder. Wat het ReCYCLE-project heeft geleerd is dat de mindere eigenschappen vaak gecompenseerd kunnen worden door chemische modificatie (zoals impact modifiers bij ABS) en/of designaanpassingen (zoals lokale verdikkingen) van het kunststofproduct. De designregels voor het inzetten van recyclaat zijn omgekeerd aan die voor virgin. Bij virgin materialen optimaliseer je eerst het ontwerp en zoek je vervolgens de ideale kunststof; bij recyclaten zoek je eerst een goed beschikbare stroom die eigenschappen heeft dichtbij het virgin materiaal. Hierna modificeer je de grondstof of pas je het ontwerp aan om het recyclaat te accommoderen.’
Guido van Rijckevorsel: ‘Dat beeld is heel herkenbaar in de markt, maar als je de tijd neemt om het écht goed te onderzoeken, kom je tot een hele andere conclusie. Binnen het ReCYCLE-project hebben we feitelijk aangetoond dat deze aannames vaak onterecht zijn. Gerecyclede alternatieven hoeven absoluut niet duurder te zijn en de prestaties kunnen ruim voldoen aan strenge kwaliteitseisen.’
‘Dit project laat zien dat samenwerking in de keten cruciaal is. Wat hebben jullie samen onderzocht en waarom was juist die samenwerking nodig om tot deze resultaten te komen?’
Guido van Rijckevorsel geeft aan dat ze bij Gazelle onder de indruk zijn van de gebundelde kennis binnen dit consortium. ‘Iedere deelnemer vertegenwoordigde een andere schakel in de keten. Dat was ook echt cruciaal: om tot een werkbare oplossing te komen, heb je alle perspectieven nodig. Waar de een focust op prijs en beschikbaarheid van het recyclaat, kijkt de ander naar verwerkbaarheid in de spuitgietmachines, naar de matrijseisen of naar mogelijke materiaaltesten. Wij richtten ons als OEM op de finale producteigenschappen, zoals mechanische sterkte, kleur en krasbestendigheid. Door al deze invalshoeken samen te brengen, leerden we veel van elkaar en kwamen we tot een compleet antwoord.’
Hans Kolnaar vult aan: ‘Het verhaal is eigenlijk heel simpel: Om (technische) kunststofproducten circulair te maken heb je kennis nodig van de beschikbaarheid en eigenschappen van recyclaten, materiaaleigenschappen, verouderingsgedrag van kunststoffen, modificeren van materiaaleigenschappen, verwerken van recyclaten, spuitgietmatrijzen, kunststofproducten, de eindtoepassing én de wensen van consumenten. Deze kennis is bij geen enkele afzonderlijke partij compleet aanwezig. Daarom moet je een ecosysteem bouwen om dit mogelijk te maken. Dit ecosysteem kun je bij een volgend project dan weer deels hergebruiken.’
‘Wat zijn de belangrijkste uitkomsten van dit project als het gaat om kosten en functionaliteit van gerecycled engineering plastic ten opzichte van virgin materiaal?’
Hans Kolnaar stelt dat gerecycled engineering plastic goedkoper is dan virgin, maar de efficiency in het spuitgietproces kan wat lager zijn en het gewicht van het product kan wat toenemen. ‘De esthetische eisen van de OEM bepalen bij recyclaat hoeveel uitval er is in het proces. Eigenlijk zou de OEM wat toleranter moeten zijn: hier ligt ook een taak voor de kunststofverwerker. Het vinden van de juiste recyclaatstroom en het inregelen van het proces kosten tijd. Per saldo is het circulaire product competitief met het product gebaseerd op virgin.’
Guido van Rijckevorsel: ‘De belangrijkste conclusie voor ons als OEM is dat er voor het grootste deel van onze toepassingen gerecyclede materialen bestaan die zowel kosteneffectief als technisch geschikt zijn. De meest cruciale les is echter dat de ontwerpaanpak moet veranderen: je moet ontwerpen mét kennis van het gerecyclede materiaal. Dat werkt veel beter dan achteraf een passend materiaal proberen te zoeken voor een al uitgewerkt ontwerp.
‘Wat betekent dit concreet voor eindgebruikers en recyclers in Nederland? En waarom is dit hét moment om te investeren in gerecycled engineering plastics als een rendabele businesscase?’
Guido van Rijckevorsel: ‘Vanuit ons perspectief als OEM zien we een enorme potentie. Nu we hebben bewezen dat het technisch en commercieel haalbaar is, hopen we dat dit de markt stimuleert. Als de beschikbaarheid van deze materialen toeneemt én de kennis erover breder wordt gedeeld, kan gerecycled engineering plastic op veel grotere schaal worden toegepast.’
Hans Kolnaar: ‘Als het gaat om recyclers: er is in Nederland een hub nodig voor het disassembleren van auto’s, witgoed en E&E producten om technische kunststoffen terug te winnen. Nu worden recyclaten nog meestal uit het buitenland gehaald. Naar de eindgebruikers toe: het circulaire verhaal moet beter verkocht worden. Er moet anders naar de waarde van duurzame producten gekeken gaan worden: misschien moeten we meer gaan houden van “perfecte imperfecties”?’
Kolnaar wil ter afsluiting nog iets kwijt over projectpartner Polymer Science Park (PSP). ‘Onlangs is bekend geworden dat PSP Zwolle in een faillissement terecht is gekomen. Hun bijdrage aan het ReCYCLE-project is erg waardevol gebleken. De overheid zou zich in Nederland meer bezig moeten houden met het scheppen – en in stand houden – van de juiste voorwaarden voor een circulaire economie, inclusief een kennisinfrastructuur.’
