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Fraunhofer Interview “Circular Plastics Economy: Plastic as a Valuable Commodity – Too Good for the Garbage Can”

Plastic waste is a growing problem. However, if plastic is used as a raw material for new products, it's not just good for the environment, but also could go a long way toward solving our resources problem. Pascal Spano, Head of Research at Metzler Capital Markets, spoke with Prof. Eckhard Weidner, Head of Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT, about the shift towards a more sustainable, circular economy.

Spano: Professor Weidner, how do you define the term “circular economy”?

Weidner: For the purposes of the Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE, we at Fraunhofer Institute UMSICHT define a circular economy as an economy in which the materials used remain in a materials cycle after the lifecycle of the goods has come to an end. Waste, emissions, environmental losses and extraction of raw materials from natural sources are to be reduced as much as possible.

Spano: What mechanisms can be used to achieve this?

Weidner: Important aspects for implementing a circular economy include reusing and recycling goods, recycling materials and substances, and designing goods that can be recycled without loss of quality. Also, enrichment with certain substances, e.g. pollutants, makes recycling more difficult and must be avoided. Furthermore, goods should be used as long as possible and then returned to the cycle in a timely manner. A high-quality circular economy requires the least energy possible to maintain the cycle – ideally coming from renewable energy sources. Materials particularly susceptible to wear and tear should biodegrade rapidly and with minimum environmental impact.

Spano: Why is a circular economy so important for plastics in particular?

Weidner: Almost 400 million metric tons of plastic are produced worldwide every year – and the trend is still rising. Due to its light weight, plastic is irreplaceable for resource-efficient products. Nevertheless, despite its economic and ecological relevance as proven by studies, plastic has also become a symbol of our throwaway society.

The plastics situation has a number of parallels to the climate problem. The increasing amount of plastics in the environment is, like the increase in greenhouse gases, directly linked to the consumption of fossil resources, and it’s virtually impossible to account for all sources of emission. Pressure is growing on industry and science to rethink plastics. The time for transformation is ripe: awareness, the economy and handling of plastics must change, and the plastics economy must become circular. The result of this transformation will be a circular plastics economy in which natural resources and energy are provided in a resource-saving, renewable and efficient manner.

Spano: In that case, the carbon footprint of recycled plastics should be better than that of new plastics.

Weidner: It’s hard to give a blanket answer for "plastics" and "recyclates". It depends on the specific plastic or recyclate and how much CO2 can be saved in its particular manufacturing process compared to primary production. In a lifecycle assessment study in 2019, for example, Fraunhofer UMSICHT evaluated the different processes for producing various regranulates from plastic waste collected in households in Germany. The results showed that the use of recyclates reduces climate-damaging emissions. In addition, consumption of primary energy can also be reduced.

Spano: There are different methods for recycling plastics. Where does the focus lie for Fraunhofer’s research?

Weidner: We develop physical, chemical, biological and thermochemical conversion processes. The aim is to obtain pure polymer fractions, i.e. basic chemicals that are suitable for producing virgin-quality plastics. Another option, which has been the subject of increasing research in recent years, is enzymatic recycling. Here, the depolymerization of the plastic takes place by means of special enzymes.

Spano: But even in a circular economy, not everything can be 100 percent recycled and reused. How closed would a circular plastics economy really be?

Weidner: Experience shows we’ll hardly be able to achieve a completely closed circular plastics economy. This would only be possible in an ideal world where no one throws waste into the countryside, lakes, rivers or oceans, and where waste separation and recycling systems are established in all countries and operated 100 percent correctly by all players. There will therefore always be losses. But the goal must be to realize a cycle and keep losses to a minimum. Chemical recycling is particularly important here because it’s required for returning contaminated and problematic plastic waste that is not suitable for mechanical recycling back into the cycle in the form of basic chemicals, thus significantly reducing the amount of raw materials that have to be introduced into the cycle. For example, at Fraunhofer UMSICHT we have developed a thermochemical process for recycling medical masks and FFP2 masks.

Spano: So-called “bioplastics” made from renewable raw materials are being offered more and more and could also be added. What are the advantages of these bio-based plastics?

Weidner: Bio-based plastics are an important building block for using fewer fossil resources in the chemical industry. Products made from bioplastics represent the sustainability commitment of innovative companies aiming to secure and improve their future market opportunities. However, the environmentally friendly potential of bioplastics will not be fully exploited until they can be recycled.

Spano: So there‘s no recycling process for bioplastics as yet?

Weidner: The question of whether bioplastics are recyclable was examined more closely by experts from the Fraunhofer Institute UMSICHT in the position paper "Recycling of Bioplastics". In principle, this question was answered with "yes". However, technically, economically and ecologically sensible approaches and solutions still need to be developed and established. It’s the only way to meaningfully increase the share of sustainable plastics in our value chain.

Spano: At what point does it make economic sense to recycle plastics?

Weidner: That depends strongly on various boundary conditions. Recycled plastics usually have to be cheaper than fossil resources but of the same quality. This is true, for example, in PET recycling. Here, this requirement was met until about three years ago.

Spano: And that has changed?

Weidner: Yes, because since then the demand for recycled PET has increased so much that it can no longer be met by existing production capacities worldwide. This has led to an increase in prices, and recycled PET is currently more expensive than new materials. This is a very good example of how commonplace market mechanisms can work in favor of recycled goods. However, as far as I know, PET is also the only example of this, mainly because hardly any other types of polymers have entered the cycle.

Spano: But what about other types of plastic? It seems questionable whether market momentum alone can lead to a more sustainable solution here.

Weidner: For other polymers, we must succeed in following a similar path. For purely market-driven investment decisions in recycling plants, the availability of sufficient quantities and high prices for fossil resources are desirable, if not necessary, conditions. Due to very large fluctuations in crude oil prices, it’s unlikely that fossil resources will remain more expensive than recyclates long enough for an investment decision and its implementation. Under these boundary conditions, polymers would continue to be burned, thus fueling global warming.

Spano: Should incentives be created to speed up the circular economy? Or should we seek to commit the industry to producing recyclable plastics?

Weidner: It’s important for the circular economy to be tackled cooperatively and implemented jointly by all players along the value chain, i.e. in the cycle. More and more companies have already recognized which way the wind is blowing and are beginning to think “in circles” rather than along a straight line – and they’re starting to adapt their production processes and products accordingly. Incentives can help push the undecided in the right direction, but legislation can also create the appropriate framework conditions. Germany’s new coalition agreement provides for both. It rewards resource-efficient, recycling-friendly packaging and the use of recyclates, but it also defines higher recycling quotas – including via chemical recycling – and a product-specific minimum quota for using recycled materials.

Spano: In some industries, recycling is already the standard, e.g. for steel and aluminum or paper and glass. Are there any areas where you see even greater potential?

Weidner: In the construction sector in Germany, for example, around 600 million metric tons of mineral raw materials are used annually. A large portion of these construction raw materials is covered by using primary raw materials. There is currently no other way to do this, as only 81 million metric tons of construction waste are recycled annually and returned to the construction industry as high-quality products for construction purposes.

Spano: The concept of a closed-loop materials cycle also has a geopolitical aspect, especially in resource-poor countries.

Weidner: Generally speaking, it would make sense to consider where there might be unused potential for a circular economy in all sectors. This would promote technological sovereignty in the EU and Germany. This would also mean no longer exporting valuable materials to distant countries as waste. For this purpose, stakeholders from the economy and society as a whole and under the leadership of acatech have drawn up a circular economy roadmap for Germany. Even though only small quantities of input materials are currently circulated in some sectors, it’s important to take the first step.

Spano: Professor Weidner, thank you for the interview!

Prof. Eckhard Weidner, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Der Druck auf Industrie und Wissenschaft wächst, Kunststoffe neu zu denken.
Prof. Dr. Ing. Eckhard Weidner
Leiter des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Spano: Warum ist die Circular Economy insbesondere für Kunststoffe so interessant?

Weidner: Weltweit werden pro Jahr fast 400 Mio. Tonnen Kunststoff produziert – mit weiter steigender Tendenz. Kunststoffe sind wegen ihres geringen Gewichts unersetzlich für ressourceneffiziente Produkte. Dennoch sind sie – trotz ihrer durch Studien belegten ökonomischen und ökologischen Relevanz – auch zu einem Symbol der Wegwerfgesellschaft geworden.

Die Situation der Kunststoffe weist Parallelen zur Klimaproblematik auf: Der steigende Verbleib von Kunststoffen in der Umwelt ist – wie die Zunahme der Treibhausgase – direkt mit dem Verbrauch fossiler Rohstoffe verknüpft, und die Vielzahl emittierender Quellen ist kaum zu erfassen. Der Druck auf Industrie und Wissenschaft wächst, Kunststoffe neu zu denken. Die Zeit für eine Transformation ist reif: Wahrnehmung, Wirtschaften und Umgang mit Kunststoffen müssen sich wandeln, die Kunststoffwirtschaft muss zirkulär werden. Das Ergebnis dieser Wandlung ist eine „Circular Plastics Economy“, in der Rohstoffe und Energie ressourcenschonend, erneuerbar und effizient bereitgestellt werden.

Spano: Dann dürfte die CO2-Bilanz von Rezyklaten folglich besser sein als die von neuen Kunststoffen.

Weidner: Hier ist es schwer, eine pauschale Antwort für „die Kunststoffe“ und „die Rezyklate“ zu geben. Es hängt jeweils vom konkreten Kunststoff oder Rezyklat und seinem Herstellverfahren ab, wie viel CO2-Emissionen im Vergleich zur Primärproduktion eingespart werden können. In einer Ökobilanz-Studie hat Fraunhofer UMSICHT beispielsweise im Jahr 2019 unterschiedliche Verfahren zur Herstellung verschiedener Regranulate bewertet, die auf Kunststoffabfällen aus der haushaltsnahen Sammlung in Deutschland beruhen. Die Ergebnisse zeigten, dass durch den Einsatz von Regranulaten klimaschädliche Emissionen reduziert werden. Zudem lässt sich dadurch auch der Verbrauch an Primärenergie senken.

Spano: Es gibt unterschiedliche Verfahren, Kunststoffe zu recyceln, wo liegt bei Fraunhofer der Forschungsfokus?

Weidner: Wir entwickeln physikalische, chemische, biologische und thermochemische Konversionsverfahren. Ziel ist es, reine Polymerfraktionen zu gewinnen, also Grundchemikalien, die für die Produktion von Kunststoffen in Neuware-Qualität geeignet sind. Eine weitere Möglichkeit, an der seit einigen Jahren verstärkt geforscht wird, ist das enzymatische Recycling. Hierbei erfolgt die Depolymerisation der Kunststoffe jeweils mittels spezieller Enzyme.

Spano: Aber auch in einer Kreislaufwirtschaft kann nicht alles zu 100 Prozent wieder- und weiterverwertet werden. Wie geschlossen wäre eine Circular Plastics Economy wirklich?

Weidner: Eine komplett geschlossene Circular Plastics Economy wird man nach aller Erfahrung kaum erreichen können – dies wäre nur in einer idealen Welt möglich, in der niemand einfach Abfälle in die Landschaft, Seen, Flüsse oder Meere wirft und in allen Ländern Mülltrennungs- und Recyclingsysteme etabliert sind, die von allen Akteuren zu 100 Prozent korrekt bedient werden. Es wird daher immer Verluste geben. Das Ziel muss es aber sein, die Nutzung in Zyklen zu realisieren und Verluste auf ein Minimum zu reduzieren. Gerade das chemische Recycling ist dabei ein wichtiger Baustein. Es ist notwendig, um auch verunreinigte und problematische Kunststoffabfälle, die für das mechanische Recycling nicht geeignet sind, in Form von Grundchemikalien wieder in den Kreislauf zurückzuführen und so die Menge der Rohstoffe, die dem Kreislauf neu zugeführt werden muss, deutlich zu reduzieren. Beispielsweise haben wir beim Fraunhofer-Institut UMSICHT ein thermochemisches Verfahren entwickelt, mit dem sich medizinische Masken und FFP2-Masken recyceln lassen.

Spano: Neu zugeführt werden könnten auch sogenannte Bio-Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, die vermehrt angeboten werden. Welche Vorteile haben diese biobasierten Kunststoffe?

Weidner: Biobasierte Kunststoffe sind ein wichtiger Baustein, um weniger fossile Rohstoffe in der Chemie einzusetzen. Produkte aus Biokunststoffen stehen für das Nachhaltigkeitsengagement innovativer Unternehmen, indem sie deren zukünftige Marktchancen sichern und verbessern. Das umweltschonende Potenzial von Biokunststoffen wird aber erst dann vollständig ausgeschöpft, wenn es gelingt, diese zu recyceln.

Spano: Es gibt also noch keine Recyclingverfahren für diese Biokunststoffe?

Weidner: Die Frage, ob die Materialgruppe der Biokunststoffe kreislauffähig ist, haben Experten vom Fraunhofer-Institut UMSICHT im Positionspapier „Recycling von Biokunststoffen“ genauer betrachtet. Grundsätzlich wurde diese Frage mit „ja“ beantwortet. Es müssen aber noch technisch, ökonomisch und ökologisch sinnvolle Lösungsansätze entwickelt und etabliert werden. Nur so lässt sich der Anteil nachhaltiger Kunststoffe in unserer Wertschöpfungskette sinnvoll steigern.

Spano: Ab wann lohnt es sich mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit, Kunststoffe zu recyceln?

Weidner: Diese Frage ist stark von verschiedenen Randbedingungen abhängig. Üblicherweise wird gefordert, dass im Kreislauf geführte Kunststoffe bei gleicher Qualität billiger sein müssen als fossile Rohstoffe. Ein Beispiel, bei dem diese Forderung erfüllt wird, ist die Kreislaufführung von PET. Hier war die oben geschilderte Forderung bis vor etwa drei Jahren erfüllt.

Spano: Und das hat sich geändert?

Weidner: Ja, denn seither ist die Nachfrage nach recyceltem PET so stark gestiegen, dass sie durch die weltweit bestehenden Produktionskapazitäten nicht bedient werden konnte. Dies führte zu einem Preisanstieg, derzeit ist recyceltes PET teurer ist als neues Material. Ein sehr gutes Beispiel dafür, dass gängige Marktmechanismen auch für recycelte Ware funktionieren können. Allerdings ist PET nach meiner Kenntnis auch das einzige Beispiel dafür – vor allem, weil kaum andere Polymerarten in diesen Kreislauf eindringen.

Spano: Was ist aber mit den anderen Kunststoffarten? Es erscheint unsicher, ob alleine die Eigendynamik des Marktes hier zu einer nachhaltigeren Lösung führen kann.

Weidner: Für andere Polymere muss es gelingen, einen ähnlichen Weg zu beschreiten. Für rein marktgetriebene Investitionsentscheidungen in Recyclinganlagen sind die Verfügbarkeit ausreichender Mengen und hohe Preise für fossile Rohstoffe wünschenswerte, wenn nicht gar notwendige Bedingungen. Aufgrund der sehr starken Schwankungen der Rohölpreise ist es unwahrscheinlich, dass es für eine Investitionsentscheidung und deren Umsetzung ausreichend lange Zeiträume geben wird, in denen fossile Rohstoffe teurer sind als Rezyklate. Unter diesen Randbedingungen würden weiterhin Polymere verbrannt werden und damit die Klimaerwärmung befeuert.

Mehr und mehr Unternehmen haben bereits die Zeichen der Zeit erkannt und beginnen, in Kreisläufen statt linear zu denken und ihre Produktion und die Produkte entsprechend anzupassen.
Prof. Dr. Ing. Eckhard Weidner

Spano: Sollten Anreize geschaffen werden, damit die Circular Economy an Fahrt aufnimmt, oder wäre es auch ein gangbarer Weg, die Industrie zu verpflichten, Kunststoffe recycelbar zu machen?

Weidner: Es ist wichtig, dass die Circular Economy von allen Akteuren entlang der Wertschöpfungskette – bzw. des Wertschöpfungszyklus – gemeinsam angegangen und umgesetzt wird. Mehr und mehr Unternehmen haben bereits die Zeichen der Zeit erkannt und beginnen, in Kreisläufen statt linear zu denken und ihre Produktion und die Produkte entsprechend anzupassen. Anreize können dabei helfen, noch Unschlüssigen einen Schubs in die richtige Richtung zu geben. Aber auch die Gesetzgebung kann entsprechende Rahmenbedingungen schaffen. Der neue Koalitionsvertrag sieht beides vor, beispielsweise die Belohnung von ressourcenschonendem und recyclingfreundlichem Verpackungsdesign und des Rezyklateinsatzes, aber auch höhere Recyclingquoten – auch über chemisches Recycling – und eine produktspezifische Mindestquote für den Einsatz von Rezyklaten.

Spano: In einigen Branchen ist das Recycling bereits an der Tagesordnung. Zu denken ist beispielsweise an Stahl und Aluminium oder auch Papier und Glas. In welchen Bereichen sehen sie noch größeres Potenzial?

Weidner: Im Bausektor der Bundesrepublik Deutschland beispielsweise werden jährlich rund 600 Mio. Tonnen mineralische Baurohstoffe eingesetzt. Ein Großteil dieser Baurohstoffe wird über Primärrohstoffe abgedeckt. Das ist aktuell auch nicht anders zu bewerkstelligen, denn es werden jährlich nur 81 Mio. Tonnen Bauschutt für Bauanwendungen recycelt und als hochwertiges Produkt in die Bauwirtschaft zurückgeführt.

Spano: Das Konzept von weitestgehend geschlossenen Stoffkreisläufen hat doch, insbesondere in ressourcenärmeren Ländern, auch eine geopolitische Dimension.

Weidner: Grundsätzlich wäre es sinnvoll, sich in allen Branchen die Frage zu stellen, wo es Potenziale und Ansätze für eine Circular Economy gibt, die natürlich auch technologische Souveränität in der EU und Deutschland fördert. Dazu gehört auch, wertvolle Stoffströme nicht mehr als Abfall in ferne Länder zu exportieren. Stakeholder aus Wirtschaft und Gesellschaft haben dazu unter Leitung der acatech eine Circular Economy Roadmap für Deutschland erarbeitet.  Auch wenn es vielleicht zunächst in manchen Branchen nur geringe Mengen an Einsatzstoffen sind, die im Kreis geführt werden – wichtig ist es, überhaupt den ersten Schritt zu machen.

Spano: Herr Professor Weidner, vielen Dank für das Gespräch

Plastics recycling

Of the 6.1 million tons of plastic waste generated in Germany in 2017, 2.8 million tons were recycled. 3.2 million tons were converted into energy, i.e. mostly incinerated. This was mainly mixed plastic waste and residues as well as sorting waste from mechanical recycling.

With current technology, mechanical recycling of pure, clean plastic waste is relatively easy. However, most plastic waste in Germany is collected mixed together in yellow bags or sorted out as interfering material from other established waste streams such as construction site waste. The quality or purity of the recycled material is therefore often so poor that established mechanical recycling (shredding, sorting, processing) can be used only for a portion of the waste collected. In addition, there is a large quantity of composite materials that cannot be collected separately or separated by type. A large portion of low-quality mixed plastics, sorted waste and composite materials is therefore usually thermally recycled, i.e. used as fuel in order to utilize the energy it contains.

According to the coalition agreement, chemical recycling is now to be included in the Packaging Act as a recycling option. It offers the option of utilizing mixed plastics, sorting waste and composite materials to recover basic chemical compounds and eventually new polymers. However, current developments and methods in the field of chemical recycling are often aimed at unmixed fractions, as are mechanical recycling processes – and with current technology, such pure waste can often be easily recycled mechanically with less effort.

With chemical recycling, i.e. feedstock recycling, it is possible to recycle even highly contaminated and problematic plastic waste, for example composite materials. It therefore nicely complements mechanical methods for plastics recycling.

iCycle® - Recycling von Verbundmaterialien

Um alte Einweg-Gesichtsmasken zu recyceln, haben Forschende am Fraunhofer UMSICHT ein innovatives Verfahren entwickelt, bei dem aus  den Masken Öl hergestellt wird, aus dem wieder neue Masken entstehen können. Sehen Sie im Video, wie das funktioniert.

Die Fraunhofer-Gesellschaft gehört zu den führenden Einrichtungen für angewandte Forschung in Europa. Die Organisation genießt in Politik, Wirtschaft und Öffentlichkeit einen hervorragenden Ruf als Motor für technologische und unternehmerische Innovationen.

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Prof. Eckhard Weidner, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Professor Eckhard Weidner

studied Chemical Engineering at Friedrich-Alexander-University Erlangen (FAU). In 1985 he obtained his doctorate at the FAU and in 1996 he finished his habilitation there as well. Since 1998 he has held the Chair of Process Technology at Ruhr-University Bochum. In 2004, he was also appointed Director at the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT. Since 2018 he has been heading the Fraunhofer Cluster of Excellence “Circular Plastics Economy CCPE” and since 2021 he has been spokesperson of the newly founded Fraunhofer Group Resource Technologies and Bioeconomy.
During his academic career, Professor Eckhard Weidner has published more than 100 articles, held around 50 invited lectures and filed more than 30 patents. In 2011, he was honored with the Innovation Award of the City of Cologne (Nicolaus August Otto Preis) for environmentally friendly leather tanning.

He was and is member of a number of committees and juries such as the “Green Talents” jury of the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) in 2017 and the juries of the German Federal Environmental Foundation (DBU) for and the Week of the Environment in 2020 and since 2020 for the German Environmental Award. Since 2004 he has been a jury member of the program “EXIST-Forschungstransfer” (Research Transfer) of the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi). In addition, since 2019 he has been a member of the steering committee of the Circular Economy Initiative Germany (CEID).

Pascal Spano

Pascal Spano ist seit 2017 bei Metzler tätig und leitet den Bereich Research im Kerngeschäftsfeld Capital Markets. Vor seiner Tätigkeit bei Metzler war er von 2013 bis 2017 Geschäftsführer des von ihm mitgegründeten FinTech-Unternehmens PASST Digital Services GmbH in Köln. Davor leitete Herr Spano zwei Jahre den Bereich Cash Equities bei der UniCredit Group in München und Frankfurt am Main. Für die Credit Suisse Ltd. verantwortete er von 2007 bis 2010 als Head of German Research die Analyse deutscher Aktiengesellschaften. Zuvor war Herr Spano über zehn Jahre bei der Deutschen Bank im Bereich Global Markets Research tätig und baute für ABN Amro die deutschen Research-Aktivitäten aus Frankfurt und London mit auf. Nach absolvierter Bankausbildung und berufsbegleitendem Studium der Wirtschaftswissenschaften an der FernUniversität in Hagen ist er seit rund 20 Jahren Mitglied der Deutschen Gesellschaft für Finanzanalyse