Das PFAS-Dilemma: Warum Ersatz und Ausstieg zum Generationenprojekt werden

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (kurz: PFAS) umfassen eine Klasse von über 10'000 künstlich hergestellten Chemikalien mit einer äusserst starken Bindung zwischen Fluor und Kohlenstoff. Da das Leben auf Kohlenstoff aufgebaut ist, können PFAS leicht mit Flora und Fauna wechselwirken. Die Fluor-Kohlenstoff-Bindung ist deutlich stabiler als fast alle anderen organischen chemischen Bindungen und verleiht den Stoffen einzigartige Eigenschaften. PFAS sind hitzebeständig, chemisch inaktiv, dielektrisch, reibungsarm, biokompatibel sowie wasser-, fett- und schmutzabweisend. Dadurch kommen sie in Konsumgütern wie Outdoor-Bekleidung, Teflonpfannen, Kosmetika und Feuerlöschschäumen, in der Medizintechnik bei Implantaten und Kathetern und genauso in Schlüsseltechnologien wie Halbleiter und Energiewende-Komponenten – beispielsweise EV-Batterien und Elektrolyseure – zum Einsatz.

Die starke Fluor-Kohlenstoff-Bindung ist zwar für die herausragenden Eigenschaften der PFAS verantwortlich, macht sie aber auch persistent, sodass sie in der Umwelt de facto nicht abgebaut werden können und über Jahrhunderte im Ökosystem verbleiben. Die drei Experten Manfred Heuberger (Empa), Martin Scheringer (ETH Zürich) und Dominique Werner (Scienceindustries) erläutern im Gespräch mit der SATW, welche die grössten Herausforderungen im Umgang mit PFAS sind und entwerfen mögliche Szenarien für die Zukunft.

Worin liegen die Schwierigkeiten beim Ersatz von PFAS?

Scheringer: Der Verzicht auf PFAS bringt zwei Hauptschwierigkeiten mit sich. Erstens macht die enorme Vielfalt der Anwendungen den Ersatz komplex. Es gibt keine einzelne Substanz, die als Alternative für alle Anwendungen infrage kommt; es muss für jeden Verwendungszweck eine individuelle Lösung gefunden werden. Das ist durch Forschung und Entwicklung machbar, und die Alternativen sind oft sogar leistungsfähiger. Zweitens erfordert der Wechsel oft Anpassungen bei Ausgangssubstanzen oder Prozessen. Diese Anlagenumstellung ist zwar möglich, bedeutet jedoch zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand.

Werner: Die Herausforderungen liegen auf mehreren Ebenen. Neben bekannten Konsum- und Industrieprodukten stecken PFAS oft in versteckten, aber funktionskritischen Anwendungen. Beispiele hierfür sind Beschichtungen von Hochdruckpumpen in Kaffeemaschinen, Dichtungen in Wärmepumpen, Membranen in E-Bike-Batterien oder Wärmetransfermedien in Lokomotiven. Nutzende erwarten diese Produktleistungen, ohne den PFAS-Zusammenhang zu erkennen. Daher muss zunächst analysiert werden, wo und warum PFAS eingesetzt werden. Ein Ersatzmaterial, sei es ein Werkstoff in technischen Systemen, eine Chemikalie in der Produktion oder ein Wirkstoff in Medikamenten, zu finden, ist umso schwerer, je mehr der einzigartigen PFAS-Eigenschaften gleichzeitig benötigt werden. Ist diese Hürde genommen, muss die Alternative vier weitere Kriterien erfüllen: Sie muss ökologisch besser abschneiden, industriell verfügbar, wirtschaftlich tragbar und gesellschaftlich akzeptiert sein.

Für welche Anwendungen gibt es bereits Ersatz?

Scheringer: Für Hunderte von Anwendungen existieren bereits Alternativen. Da jedoch kein vollständiges Inventar existiert, ist eine lückenlose Aufzählung unmöglich. Wichtige Quellen für eine Übersicht sind die ZeroPM Alternative Assessment Database sowie die Publikation von Ateia & Scheringer. Nahezu alle Imprägniermittel lassen sich inzwischen ersetzen; und für Feuerlöschschäume entwickelte die Firma 3M bereits 2003 PFAS-freie Varianten, die genauso leistungsfähig sind.

Ein zentraler Ansatz beim Verzicht auf PFAS ist jedoch, dass es oft gar nicht um den reinen Austausch von Chemikalien geht, sondern um Prozess- und Designänderungen. So kann in hochgiftigen Chromierungsbädern das PFAS-basierte Antischaummittel eingespart werden, indem man die Bäder stattdessen in einer Umgebung mit Unterdruck betreibt. Ein weiteres Beispiel ist Backpapier: Dessen Fettundurchlässigkeit lässt sich ohne jede Imprägnierung rein mechanisch durch einen speziellen Aufschluss des Holzes in der Papiermühle erzielen – ein Verfahren, das in Schweden bereits vor über hundert Jahren und damit lange vor der Erfindung von PFAS erfolgreich angewendet wurde.

Werner: Eine Studie der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz SCNAT aus dem Jahr 2025 untersuchte rund 250 gewerbliche und industrielle PFAS-Anwendungen, stellte jedoch nur für circa 16 Prozent davon Alternativen fest. Aus industrieller Sicht erfüllen zudem selbst in dieser Gruppe nicht alle Ersatzstoffe die notwendigen Kriterien. So wird für F-Gase in Starkstromschaltanlagen teils SF₆ vorgeschlagen, obwohl F-Gase erst eingeführt wurden, um das äusserst hohe Treibhausgaspotenzial von SF₆ zu senken. Ähnlich verhält es sich bei Hunderttausenden Schweizer Wärmepumpen: Die oft propagierten Alternativen zu PFAS existierten zwar bereits früher, bringen aber neue Risiken mit sich. Ammoniak ist toxisch und explosionsfähig, Propan und Butan sind leicht brennbar, und CO₂ arbeitet nicht unter allen Betriebsbedingungen energieeffizient.

Ein PFAS-Ersatz ist daher am ehesten dort realisierbar, wo nicht das gesamte Eigenschaftsspektrum benötigt wird. Bei Outdoor-Ausrüstung etwa muss das Material zwar wasser- und schmutzabweisend sein, elektrische Isolation oder Chemikalienbeständigkeit sind jedoch irrelevant. Deshalb gibt es hier bereits Alternativen. Die Analyse für den PFAS-Ersatz muss für jede Anwendung separat durchgeführt werden, sonst laufen wir als Gesellschaft Gefahr, die Situation zu verschlimmbessern.

Wie sieht es bei den Alternativen in Bezug auf eine «Regrettable Substitution» aus?

Scheringer: Potenzielle Alternativen werden mithilfe standardisierter Methoden wie dem Assessment of Alternatives systematisch auf Risiken geprüft. Insgesamt ist das Risiko einer flächendeckend problematischen Substitution aus drei Gründen gering: Erstens enthalten alternative Stoffe definitionsgemäss keine Fluor-Kohlenstoff-Bindungen. Da diese äusserst stabile Bindung die Hauptursache für die Langlebigkeit und die damit verbundene Problematik von PFAS ist, sind fluorfreie Alternativen biologisch wesentlich leichter abbaubar. Zweitens gibt es keine universelle Ersatzstoffklasse, die PFAS in allen Bereichen eins zu eins ersetzen kann. Stattdessen kommen viele verschiedene, anwendungsspezifische Lösungen zum Einsatz. Dadurch wird verhindert, dass sich eine einzelne Substanz erneut flächendeckend in Umwelt und Alltag anreichert. Und drittens gibt es bereits etablierte und nachweislich sichere Lösungen wie beispielsweise unbeschichtetes Backpapier, Polypropylen in der Medizintechnik oder fluorfreie Kältemittel wie Propan/Butan in Wärmepumpen.

Werner: Alternativen müssen in der ökologischen Gesamtbetrachtung besser abschneiden als die zu ersetzende Substanz. Weil diesem Aspekt in der Vergangenheit mitunter nicht genügend Aufmerksamkeit beigemessen wurde, kam es zu sogenannten «Regrettable Substitutions». Beispielsweise wurden in grossen Elektro-Antriebssystemen, in Transformatoren und Kondensatoren, wie sie in den bekannten blauen Lokomotiven des Zürcher Verkehrsverbundes ZVV verbaut sind, die zuvor verwendeten polychlorierten Biphenyle (PCB) durch Öle ersetzt, die unter die PFAS-Definition fallen. Aus heutiger Sicht eine «Regrettable Substitution».
Und auch bei Wärmepumpen ist festzuhalten, dass die wieder propagierten Alternativen, die sogenannten natürlichen Kältemittel wie Propan-Butan-Mischungen, Ammoniak oder CO₂, schon lange vor den heute häufig verwendeten fluorhaltigen Gasen verfügbar waren. Diese waren die Alternativen, um andere Risiken wie Brand- und Explosionsgefährlichkeit, akute Toxizität oder ungünstige Energieeffizienz zu minimieren. Hinzu kommt, dass Wärmepumpen, die mit natürlichen Kältemitteln betrieben werden, auch nicht vollständig auf PFAS verzichten können, zum Beispiel in Form von stabilen und langlebigen Dichtungssystemen aus Fluorpolymeren.

Für welche Anwendungen gibt es momentan noch keine Alternative? Weshalb nicht?

Scheringer: Die enorme Vielfalt der PFAS-Anwendungen erschwert den Ersatz. Grundsätzlich ist dann schwierig, Alternativen zu finden, wenn all ihre Eigenschaften gefragt sind. Dies ist zum Teil in der Medizintechnik und in chemischen Anlagen der Fall. Generell kann man sagen, dass es für viele nicht-polymere PFAS Ersatz gibt, dass der Ersatz von Fluorpolymeren hingegen schwierig ist.

Werner: Es ist herausfordernd zu erkennen, in welchen Produktionsprozessen und Produkten für welche Eigenschaften welche PFAS verwendet werden. Das betrifft Artikel und Geräte, die gewerblich oder von Privatpersonen importiert werden. Dazu gehören auch Bauteile für Energie- und Speichersysteme, für Mobiltelefon und Laptops sowie Elektronikkomponenten. Besonders schwierig ist es, Alternativen in stark regulierten Bereichen wie pharmazeutische Wirkstoffe, medizinaltechnische Artikel sowie Analyse- und Diagnosegeräte zu finden und einzuführen.

Wie ist die regulatorische Situation in der Schweiz und in Europa?

Heuberger: In Anlehnung an die Stockholmer Konvention hat die Schweiz wenige Gruppen von akut giftigen PFAS ab dem Jahr 2025 verboten. Verbindliche Grenzwerte für langzeitgiftige PFAS in Wasser und Nahrungsmitteln gibt es noch kaum. Hier kommt jedoch langsam Bewegung ins Spiel, hauptsächlich getrieben von der EU.

Werner: Die Schweiz pflegt ein eigenständiges, wo sinnvoll mit der EU harmonisiertes Chemikalienrecht. Dieses Regulierungsprinzip ergibt weiterhin Sinn, da es erlaubt, hiesige Verhältnisse wie die Qualität der Infrastruktur und das Ausbildungsniveau der Fachkräfte zu berücksichtigen.

Vor dem Hintergrund des EU-Vorschlags für ein umfassendes PFAS-Verbot gilt es für die Schweiz zu berücksichtigen, dass der EU-Entwurf massive Rechtsunsicherheit mit sich bringt und zu einer spürbaren Erosion Europas als Produktionsstandort führt. Die Schweiz tut gut daran, sich zunächst fundiertes Wissen zu erarbeiten, bevor sie Verbote erlässt. Denn umfassende Verbote verdrängen die heimische Wertschöpfung und erhöhen die Importabhängigkeit. 

Weshalb ist es schwierig, PFAS aus der Umwelt zu entfernen? Welche Möglichkeiten gibt es bereits?

Heuberger: Die Möglichkeit, PFAS aus der Umwelt zu entfernen, hängt stark von den chemischen Eigenschaften der jeweiligen Substanz im Vergleich zu ihrer Umgebung ab. Eine Trennung gelingt dann gut, wenn sich das PFAS deutlich vom umgebenden Medium unterscheidet. Häufig sind PFAS jedoch schlecht wasserlöslich und binden stark an Boden oder Nahrungsketten, was deren Entnahme erheblich erschwert. Umgekehrt nimmt das «Baby-PFAS» TFA eine Sonderrolle ein: Es ist wasserlöslich und verteilt sich dadurch rasch im globalen Wasserkreislauf. Weil seine Eigenschaften denjenigen von Wasser sehr ähnlich sind, lässt es sich aber nur schwer entfernen. Manche PFAS lassen sich zwar effizient an Aktivkohle binden, werden dadurch jedoch nur temporär gebunden und nicht zerstört. Um PFAS endgültig unschädlich zu machen, ist ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich: Die stabile Fluor-Kohlenstoff-Bindung muss aufgebrochen und das Fluor in eine gefahrlose, mineralisierte Form überführt werden.

Ersatz und Entfernung von PFAS sind ein Generationenprojekt. Welche Rahmenbedingungen braucht ein solches Projekt?

Heuberger: Eine vollständige globale Reinigung ist aufgrund der extremen Langlebigkeit und flächendeckenden Verbreitung kaum oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich. Wir müssen daher primär Wege finden, den langfristigen Belastungsdruck auf Menschen und Natur zu minimieren. Ein solches Generationenprojekt erfordert nicht nur technische Lösungen, sondern auch gross angelegte, langfristige Studien an breiten Bevölkerungsgruppen. Denn kleinen oder kurzen Untersuchungen fehlt die statistische Aussagekraft, um die chronischen Risiken im Niedrigdosisbereich zu erfassen. Zudem braucht ein solches Projekt Zeit und Geld. Das Hauptproblem ist jedoch, dass unsere heutigen gesellschaftlichen Strukturen wie Legislaturperioden, klassische Projektlaufzeiten oder Finanzierungsrunden nicht auf solch lange Zeitachsen ausgelegt sind. Wir müssen Wege finden, Projekte über Generationen hinweg stabil zu begleiten.