Trotz jüngster technologischer Fortschritte und der schrittweisen Entwicklung von Kreislaufwirtschaftskonzepten befinden sich die Märkte für Reifenpyrolyseprodukte noch in den Anfängen. In diesem Artikel geben wir eine Einführung in die Natur von Ruß, erläutern die Anwendungsgebiete von Primärruß und wagen eine Einschätzung des Potenzials von recyceltem Ruß, sein umweltschädliches Primärmaterial zu ersetzen.

Am Ende dieses Artikels schätzen wir das mögliche jährliche Marktvolumen für recycelten Ruß ab, wobei wir vorsichtig von einer Substitutionsrate von 20 % für Primärruß ausgehen. Hinweis: Die Zahlen deuten darauf hin, dass die Produktion von recyceltem Ruß ein profitables Geschäft mit vielfältigen Möglichkeiten ist.

Ruß: Einführung und Definitionen

Traditionell wurde Ruß sowohl als Verstärkungsmittel als auch als Füllstoff in Autoreifen eingesetzt. Dank eines besseren Verständnisses seiner einzigartigen Materialeigenschaften findet er heute in einem viel breiteren Anwendungsspektrum Verwendung – beispielsweise in Autoreifen, Förderbändern, Druckfarben, Kunststoffrohren, Gummimatten und Schuhsohlen. Reiner Ruß enthält nur Spuren von Verunreinigungen und sein Kohlenstoffgehalt liegt bei nahezu 100 %.

Reiner Ruß (vCB) ist ein feines, schwarzes Pulver, das durch die unvollständige Verbrennung schwerer Erdölprodukte wie FCC-Teer, Steinkohlenteer oder Ethylen-Cracking-Teer entsteht. Ruß ist eine Form von parakristallinem Kohlenstoff mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, das jedoch geringer ist als das von Aktivkohle. Hauptsächlich wird Ruß als Verstärkungsfüllstoff in Gummiprodukten, insbesondere Reifen, eingesetzt. Während reines Styrol-Butadien-Kautschuk eine Zugfestigkeit von maximal 2 MPa und eine vernachlässigbare Abriebfestigkeit aufweist, verbessert die Beimischung von 50 Gew.-% Ruß seine Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit.

Pyrolysekohle (CC) oder roher, gewonnener Ruß (rCB) ist eines der unmittelbaren Produkte der Pyrolyse. Dieses Material ist von geringem Wert und hat nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise zur Energiegewinnung in Zementöfen. Um als technisches Produkt in hochwertigen Anwendungen Verwendung zu finden, muss Pyrolysekohle daher entsprechend den Anforderungen der Märkte und der jeweiligen Endanwendungen aufbereitet werden.

ASTM International – eine Normungsorganisation, die wichtige Definitionen von Produkten und Materialien einführt und weltweit über 12.800 ASTM-Normen in Arbeit hat – hat kürzlich eine erste Norm für recycelten Ruß (rCB) veröffentlicht.

DerASTM-Ausschuss D36 für recycelten Ruß (rCB)wurde 2017 gegründet, um die aufstrebende rCB-Industrie hinsichtlich der Qualität und Sicherheit ihrer Produkte zu unterstützen. Mehrere Unterausschüsse sind für die Entwicklung von Standards für Terminologie, Leitlinien, Verfahren und Testmethoden zuständig.

Die neue ASTM-Norm (D8178) erfüllt den Bedarf an einheitlichen Begriffen zur klaren Unterscheidung von rCB und Kohlenstoffkohle (CC). Darüber hinaus erleichtert sie die Kommunikation über die Leistungsfähigkeit von rCB in geplanten Anwendungen. D8178 verdeutlicht die Unterschiede zwischen Kohlenstoffkohle, Ruß (gemäß ASTM-Norm D3053), rohem, gewonnenem Ruß und gewonnenem Ruß (rCB).

Am wichtigsten ist jedoch, dass die Produktbezeichnung „recovered Carbon Black“ (rCB) nur dann Anwendung finden sollte, wenn der Rohruß von Metallen und Fasern befreit und vermahlen wurde, da er sonst in Kautschuk typischerweise halbverstärkende Eigenschaften aufweist.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Veredelung und Wertsteigerung von rohem rCB (CC) entsprechend den Endproduktanforderungen. Dies kann sich auf die Siebung nach Korngröße und die Abtrennung von Fremdstoffen (Metallen und Fasern) beschränken oder die Entfernung bestimmter Bestandteile mittels Chemikalien oder anderer Verfahren umfassen. Raffinierter Kohlenstoff aus der Reifenpyrolyse kann als rCB bezeichnet und mit verschiedenen Verfahren für die Teilefertigung aufbereitet sowie für die chemische Industrie als Pigment und Füllstoff in Tinten, Farben und anderen Materialien weiterverarbeitet werden.

Die Weiterverarbeitung von Kohlenstoffkohle (CC) zu rCB ist komplex und erfordert kapitalintensive Technologien. Durch die weitere Veredelung dieses Materials werden die Eigenschaften der Kohlenstoffkohle deutlich verbessert, ein sehr hoher Anteil an Fremdstoffen entfernt und sie in ein hochwertiges Produkt umgewandelt, das die Eigenschaften von neuem Ruß weitgehend nachbilden kann. Je nach Anwendung und Leistungsanforderungen kann rCB in verschiedenen Fertigungsprozessen 10 % bis 100 % des reinen Kohlenstoffs (vCB) ersetzen.

Die Reifenindustrie gilt als Königsdisziplin im Bereich der Anwendung von regeneriertem Ruß (rCB). Sie ist für den größten Teil des weltweiten Rußverbrauchs verantwortlich. Allerdings zögert die Reifenindustrie aufgrund regulatorischer Auflagen, Imagebedenken und Lieferengpässen, höhere Anteile an vCB durch rCB zu ersetzen oder größere Mengen in ihre Produktion aufzunehmen. Dennoch zeichnet sich unter Reifenherstellern ein deutlicher Trend zur Akzeptanz von rCB ab. So hat beispielsweise Michelin eine bedeutende Beteiligung an einem schwedischen Unternehmen für Reifenpyrolyse erworben und plant eine rCB-Produktionsanlage in Südamerika.

Übersicht über die Verwendungsmöglichkeiten von Ruß

Reiner Ruß wird seit Jahrzehnten als Verstärkungsmittel in Reifen eingesetzt und hat sich zu einem Schlüsselmaterial für die gesamte Gummiindustrie entwickelt. Dank seiner einzigartigen Eigenschaften findet Ruß in den meisten Bereichen der Reifen- und Nicht-Reifen-Gummiindustrie Verwendung und wird mittlerweile auch als Pigment, UV-Stabilisator und Leitfähigkeitsmittel in einer Vielzahl von Alltags- und Spezialprodukten eingesetzt. Die International Carbon Black Association (ICBA) klassifiziert die Verwendungsmöglichkeiten von Ruß wie folgt:

• Reifen und industrielle Gummiprodukte: Ruß wird Gummi sowohl als Füllstoff als auch als Verstärkungsmittel beigemischt. Bei verschiedenen Reifentypen findet er Verwendung in Innenfutter, Karkassen, Seitenwänden und Laufflächen, wobei je nach Leistungsanforderungen unterschiedliche Rußarten zum Einsatz kommen. Ruß wird außerdem in vielen geformten und extrudierten industriellen Gummiprodukten verwendet, beispielsweise in Riemen, Schläuchen, Dichtungen, Membranen, Schwingungsdämpfern, Buchsen, Luftfedern, Fahrgestellpuffern sowie in verschiedenen Arten von Polstern, Manschetten, Wischerblättern, Förderbandrädern und Tüllen.
• Kunststoffe: Ruß wird heute in großem Umfang für leitfähige Verpackungen, Folien, Fasern, Formteile, Rohre und halbleitende Kabelverbindungen in Produkten wie Müllsäcken, Industriesäcken, Fotobehältern, Mulchfolien für die Landwirtschaft, Stretchfolien und thermoplastischen Formteilen für die Automobil-, Elektro-/Elektronik-, Haushaltsgeräte- und Blasformbehälterindustrie eingesetzt.
• Verbindungen zur elektrostatischen Entladung (ESD): Ruße werden sorgfältig entwickelt, um die elektrischen Eigenschaften von isolierend zu leitfähig in Produkten wie Elektronikgehäusen, Sicherheitsanwendungen und Automobilteilen zu verändern.
• Hochleistungsbeschichtungen: Ruß bietet Pigmentierung, Leitfähigkeit und UV-Schutz für verschiedene Beschichtungsanwendungen, darunter Automobilbeschichtungen (Grundierungen und Klarlacke), Schiffs-, Luft- und Raumfahrt-, Dekorations-, Holz- und Industriebeschichtungen.
• Toner und Druckfarben: Ruß verbessert die Rezepturen und bietet eine hohe Flexibilität bei der Erfüllung spezifischer Farbanforderungen.

Obwohl Ruß vielfältige Verwendungsmöglichkeiten bietet, erfordern unterschiedliche Anwendungen unterschiedliche Rußqualitäten und -eigenschaften.

Die Qualität von Ruß hängt vom Verfahren und der Ausrüstung ab. Daher sollten bei der Auswahl der zu kaufenden Ausrüstung die gewünschte Rußqualität und die Anforderungen der jeweiligen Anwendungen berücksichtigt werden.

Marktpotenzial und wichtigste Nachfragetreiber für rCB

Da rCB in verschiedenen Branchen vCB teilweise oder vollständig ersetzen kann, wird das Marktpotenzial von rCB durch die aktuellen vCB-Märkte bestimmt. Laut Branchenexperten und unseren Schätzungen ist der weltweite Verbrauch von vCB in den letzten fünf Jahren kontinuierlich gestiegen und wird auf 11–13 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt. Dies entspricht einem jährlichen Gesamtmarktvolumen von fast 16 Milliarden Euro.

Die häufigste Anwendung von vCB liegt in der Gummi- und Kunststoffverarbeitung (aufgrund seiner Eigenschaften als Füllstoff und Verstärkungsmittel). Aufgrund seiner Fähigkeit, Gummi zu verstärken, findet es breite Anwendung in der Reifenindustrie. In anderen Gummi- und Kunststoffanwendungen dient es als Füllstoff. Hierbei fungiert der Füllstoff als Verdünnungsmittel und wird primär zur Senkung der Volumenkosten eingesetzt. Diese Anwendungen machen über 95 % des weltweiten CB-Verbrauchs aus. Rund 4 % des CB werden aufgrund seiner hervorragenden Farbeigenschaften als Druckpigmente verwendet, der Rest findet in anderen Anwendungen Verwendung.

Grafik: Endverwendungsmärkte für Ruß

Die Reifenindustrie ist nach wie vor der größte Abnehmer von Primärruß mit einem Gesamtverbrauch von rund 9 Millionen Tonnen in den letzten Jahren. Sie wird von wenigen großen Unternehmen dominiert, die über eine starke Verhandlungsposition gegenüber ihren Lieferanten verfügen. Die Branche ist für etwa 70 % des weltweiten Rußverbrauchs verantwortlich. Innerhalb dieser Kategorie entfallen 45 % auf Pkw-Reifen, 32 % auf Lkw- und Busreifen und 23 % auf sonstige Reifen (z. B. Geländereifen, Motorradreifen, Flugzeugreifen).

Nicht-Reifen-Gummiprodukte stellen mit 20 % den zweitgrößten Anteil am Gesamtverbrauch von Ruß dar, was jährlich etwa 2–2,5 Millionen Tonnen entspricht. Dies umfasst alle Gummianwendungen außer Reifen und Runderneuerungen und ist in verschiedenen Branchen breit gefächert, die Produkte für Gummiriemen, Drähte, Industriegummi und andere Branchen herstellen, die Ruß in ihren Mischungsprozessen verwenden.

Kunststoffe und Druckfarben zählen zu den Spezialmärkten und machen knapp 10 % des vCB-Verbrauchs aus – 1–1,2 Mio. Tonnen pro Jahr. Dieses Segment zeichnet sich durch unterschiedliche Endanwendungen sowie verschiedene CB-Qualitäten und kundenspezifische Formulierungen aus, die für spezifische Leistungsanforderungen benötigt werden. vCB wird in diesem Segment hauptsächlich als Pigment oder Funktionsfüllstoff eingesetzt.

Unsere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass in einigen Anwendungen (z. B. Kunststoff-Masterbatch, Dachprodukte, Druckfarben usw.) bis zu 100 % des Primärrußes ersetzt werden können, während die Werte in anderen Anwendungen deutlich niedriger liegen. Beispielsweise könnten in den Seitenwänden von Pkw-Reifen 30–50 % des Reinrußes durch Recyclingruß ersetzt werden.

Unter der Annahme einer Substitutionsrate von 20 % schätzen wir, dass das jährliche Volumen des globalen rCB-Marktes etwa 3,2 Milliarden Euro betragen kann.

Dies macht die Pyrolysebranche mit Schwerpunkt auf der rCB-Produktion zu einem profitablen Geschäft. Obwohl der Erfolg von verschiedenen Faktoren wie Produktionstechnologie und Produktqualität abhängt, bieten sich Pyrolysebetreibern vielfältige Marktchancen.

Wir sehen zwar Potenzial für recycelten Ruß auf dem globalen Markt, sind aber überzeugt, dass dieses Wachstum aufgrund des anhaltenden politischen Wandels der Industrieländer hin zu nachhaltigen und umweltfreundlichen Technologien unausweichlich ist. Neueinsteiger auf dem Markt haben heute die einmalige Chance, die Branche für recycelten Ruß zu prägen und sie in den kommenden Jahrzehnten anzuführen.

Um das Potenzial der Branche zu steigern, sind konzertierte Anstrengungen erforderlich.

Um den Einsatz von recyceltem Ruß in der Industrie zu steigern und die Entwicklung der rCB-Industrie zu beschleunigen, sind jedoch gemeinsame Anstrengungen aller Beteiligten erforderlich. Die rCB-Industrie ist stark von Regulierungen und Forschung abhängig. Letztere ist notwendig, um Pyrolysebetreibern eine homogenere und stabilere Produktion zu ermöglichen, während erstere die Integration der Industrie in die Kreislaufwirtschaft fördert.

Regulatorische Beschränkungen in großen Industrien waren hauptsächlich auf die fehlende Standardisierung von recyceltem Ruß (rCB) zurückzuführen. Erfreulicherweise macht die ASTM hier Fortschritte und entwickelt spezifische Standards für rCB. Da die üblichen Charakterisierungsmethoden für Ruß, die auf Struktur- und Oberflächenmessungen basieren, die Eigenschaften von recyceltem Ruß in Kautschukprodukten möglicherweise nicht in gleichem Maße widerspiegeln, wird die ASTM die Entwicklung spezifischer Prüfmethoden für rCB vorantreiben. rCB ist jedoch im Sinne der Kreislaufwirtschaft ein nachhaltiges Produkt und bietet je nach Anwendung unterschiedliche Vorteile.