White Paper: Kaffeekapseln aus Holz - eine nachhaltige Werkstoffinnovation

Die beste Verpackung ist gar keine Verpackung – eine an sich schöne Theorie.

Jedoch ist dies für viele Produkte nicht umsetzbar, da diese aufgrund ihrer Beschaffenheit einer Verpackung bedürfen. Das ist nicht zuletzt der Art geschuldet, wie Konsum in unserer heutigen Gesellschaft funktioniert. Nun können Ansätze diskutiert werden, die zu einem nachhaltigen Umdenken in der Konsumgesellschaft führen, wie beispielsweise unverpackte Lebensmittel, oder Mehrwegverpackungen.  

Unsere Mission bei rezemo ist es nicht den Menschen im Hier und Jetzt all das zu nehmen, was unseren Konsum heute ausmacht, stattdessen wollen wir mit unserer Technologie:

1. Die Bereitschaft für Regionales und Frisches stärken, ohne den Verbrauchern dabei wesentliche Änderungen in Ihrem Konsum aufzudrängen; indem wir
2. für bestehende Einwegverpackungen eine ökologisch überlegene Lösung anbieten.

Deshalb beschäftigen wir, von der rezemo GmbH, uns in unserem Stuttgarter Start-up seit mehr als drei Jahren mit Kaffeekapseln.

Was der Verpackungsmarkt bietet oder: „Eine kleine Werkstoffkunde“

Allein in Deutschland werden Jahr für Jahr über 3 Milliarden Kaffeekapseln abgesetzt. Weltweit gehen Branchenschätzungen von rund 59 Milliarden Kapseln aus (AMI Consulting, 2018). Die Kapseln lassen sich dabei, aufgrund ihrer werkstofflichen Zusammensetzung, in die folgenden drei Kategorien Aluminium, Kunststoff und teilweise biologisch abbaubare Verbundstoffe unterscheiden.

Aluminium ist ein High-Tech-Werkstoff, der viele Vorteile, wie z.B. eine gute Verarbeitbarkeit und eine sehr niedrige Permeabilität sowie ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten bietet (House of Switzerland, 2018). Am Markt verfügbares Aluminium lässt sich dabei in zwei Kategorien unterscheiden. Zum einen in sog. Primär-Aluminium – dieses wird z.B. im brasilianischen Regenwald aus dem Aluminiumerz „Bauxit“ gewonnen. Aus dem Bauxit wird in einem mehrstufigen Prozess unter Zugabe verschiedener Prozess-Chemikalien und hohem Energieaufwand sowie unter Entstehung von Abfallstoffen (Stichwort: Rotschlamm) schließlich Aluminium hergestellt.

Rechenbeispiel: Energieverbrauch zur Erzeugung von Primär-Aluminium

Zur Gewinnung einer Tonne Primär-Aluminiums aus Bauxit werden ca. 16.000 kWh Energie benötigt. Eine Aluminiumkaffeekapsel besteht aus ca. 1,1g Aluminium. Gemäß einer Branchenschätzung wurden 2016 weltweit rund 13 Mrd. Aluminiumkapseln abgesetzt. Umgerechnet entspricht dies einem Energieaufwand von rund 223 Mio. kWh. Wollte man diese Energie mittels Photovoltaik erzeugen, wäre dafür, bei einer üblichen Ausbeute von 100 kWh pro Quadratmeter und Jahr, eine Fläche von 2,2 Mio. Quadratmetern notwendig – wohlgemerkt nur für die Gewinnung des Werkstoffs.

Daneben gibt es sog. Sekundär-Aluminium – dieses wird durch Recycling im Rahmen der Kreislaufwirtschaft, z.B. durch das in Deutschland etablierte duale System, aus Abfällen wiederaufbereitet. Das Metall Aluminium lässt sich theoretisch unendlich oft recyceln. Für die Produktion von Kaffeekapseln aus Aluminium wird nach Aussage von Herstellern bis dato ausschließlich Primär-Aluminium verwendet (Welt, 2017).  

Andere Anbieter setzen bei ihren Kapseln auf petrochemische Kunststoffe. Dabei kommt hauptsächlich sog. Polypropylen zum Einsatz. Dieser Standard-Kunststoff ist gut erforscht, breit und kostengünstig verfügbar und lässt sich, z.B. im Spritzguss, leicht verarbeiten. Vor allem aufgrund seiner schlechten Barriere-Eigenschaften (z.B. gegen eindringende Sauerstoffmoleküle) werden die fertigen Kapseln entweder mit einer weiteren Umverpackung (z.B. mit Stickstoff gefüllte Schlauchbeutel, aus Hochleistungskunststoffen oder mit einer Aluminium-Beschichtung) versehen oder dem Polypropylen werden, als schichtweiser Verbund oder als äußere Beschichtung, Hochleistungskunststoffe zugesetzt, um eine entsprechende Barriere zu erzielen.

Reines Polypropylen lässt sich im Rahmen der Kreislaufwirtschaft recyceln – gleichwohl die Recyclingquoten in der Praxis relativ gering ausfallen und bei Kunststoffen, ganz im Gegensatz zu Metallen oder Glas, lediglich down-Cycling – also die Wiederverwertung in einer niederwertigeren Anwendung – möglich ist. Da jedoch in der Regel keine sortenreinen Kunststoffe, sondern jene eben beschriebenen Verbundstoffe für die Kapselproduktion eingesetzt werden und die Kapseln nach Gebrauch mit Kaffeesatz gefüllt und zumeist mittels einer Aluminiumfolie verschlossen sind, kann in der Praxis kein Recycling dieses Kapseltyps stattfinden.

Rechenbeispiel: Rohölverbrauch zur Erzeugung von Standard-Kunststoffen

Zur Herstellung einer Tonne Polypropylen werden ca. 2.500 Liter Rohöl benötigt. Eine durchschnittliche Kunststoffkaffeekapsel besteht aus ca. 2,5g Kunststoff. Gemäß einer Branchenschätzung wurden 2016 weltweit rund 35 Milliarden Kunststoffkapseln abgesetzt. Umgerechnet müssen dafür rund 219 Millionen Liter Rohöl aufgewendet werden.

Mit der lauter werdenden Debatte über Verpackungsmüll entstehen seit einigen Jahren auch Kapseltypen, die im Markt als besonders ökologisch beworben werden. Meistgenannte Eigenschaft ist die Kompostierbarkeit oder auch Bio-Abbaubarkeit. Hierbei existieren verschiedene Konzepte, bei denen in der Regel ein petrochemischer Standard-Kunststoff anteilig durch bio-basierte Kunststoffe, wie z.B. PLA, substituiert wird. Da sortenreine bio-basierte Kunststoffe über vergleichsweise schlechte mechanische und chemische Eigenschaften verfügen, ist es bisher unabdingbar, dass wesentliche Anteile an petrochemischen Kunststoffen und Hochleistungsadditiven zugesetzt werden, um die Funktion im Zusammenhang mit der technisch anspruchsvollen Umgebung der Kaffeekapselzubereitung (Stichworte: hoher Druck von bis zu 19bar; heißes Wasser mit bis zu 100°C; Lebensmittelkontakt) zu gewährleisten. Ein Recycling dieser Kapseln ist aufgrund deren Materialmix ausgeschlossen. Auch soll hier erwähnt sein, dass die geltenden Normen zur Kompostierung (z.B. DIN EN 13432) sehr weit gefasst sind und danach zertifizierte Verpackungen in aller Regel nicht für die Entsorgung in der BIO-Tonne geeignet sind.

Unsere Lösung: Die rezemo Kaffeekapsel aus Holz

Aus der Vision heraus, petrochemische Kunststoffe und Aluminium vollständig als Ausgangsmaterial für Kaffeekapseln zu ersetzen, haben wir uns der Werkstoff-Frage bei rezemo aus einer anderen Perspektive genähert. Ausgehend von dem Naturmaterial Holz, haben wir den Holzfasern anteilig den bio-basierten Kunststoff PLA beigemischt, bis der entstehende Werkstoff über die notwendigen Eigenschaften zur Verarbeitung und anschließenden Nutzung als Kaffeekapsel verfügte.

In dem von uns eingesetzten Material verbinden sich die Vorteile des Holzes in dessen Beschaffenheit als Fasern mit den Vorteilen des PLAs und kompensieren als Verbund so die auschlaggebenden technischen Nachteile, die die beiden Grundstoffe, jeder für sich betrachtet, aufweisen. Dieser Grundwerkstoff besteht bzw. basiert vollständig auf nachwachsenden Rohstoffen. Das ist einzigartig im Bereich der Kaffeekapseln und durch uns patentiert.

Wir setzen bereits bei den Rohstoffen an. Diese sind nachwachsend und entstammen dem Kreislauf der Natur. Das Holz beziehen wir als Überbleibsel aus der holzverarbeitenden Industrie von der Schwäbischen Alb. Damit müssen nicht extra Bäume gefällt werden. Außerdem können die Holzspäne unmittelbar verarbeitet werden, ohne chemisch verändert oder aufbereitet werden zu müssen. Da die Holzfasern als Restprodukt anfallen – alternativ würden diese z.B. unmittelbar zu Heizpellets verpresst und daraufhin als Brennstoff eingesetzt – schaffen wir für diese eine zusätzliche Wertschöpfungsstufe. Weiterhin ergeben sich durch den regionalen Rohstoff Holz für uns kurze Transportwege zu unserer Produktion in Baden-Württemberg.

Somit gestaltet sich sowohl der von uns eingesetzte Rohstoff als auch die abschließende Entsorgung ökologischer als alle bisher am Markt verfügbaren Lösungen. Damit setzen wir an gleich zwei Punkten im Lebenszyklus der Einwegverpackung „Kaffeekapsel“ an.

Durch unsere stete Entwicklungsarbeit können wir den Anteil der Holzfasern in unserem Werkstoff mit der Zeit weiter erhöhen. Ebenso gehen wir davon aus, die Schichtdicke der Kapseln von aktuell 0,4 mm an der dünnsten Stelle weiter reduzieren zu können – damit lässt sich der Materialeinsatz weiter reduzieren.

Da uns regelmäßig Anfragen zu weiteren Produkten bzw. auch aus anderen Branchen zu unserer Technologie erreichen, planen wir neben unserer Kaffeekapsel zukünftig noch weitere Produkte, die bisher aus petrochemischen Kunststoffen hergestellt und nicht recycelbar sind, durch unsere Technologie ökologischer zu gestalten.

Schlussendlich wollen wir unsere Kapsel und die damit verbundene Technologie zukünftig auch über Deutschland hinaus vermarkten. Gerade in Gegenden, in denen die Entsorgungswirtschaft nicht so gut organisiert ist wie in Deutschland und in denen viel umfangreicher als bei uns auf Deponien in der Abfallbeseitigung gesetzt wird, wollen wir mit unserer Lösung zu merklichen ökologischen Verbesserungen beitragen.