Biokunststoffe: Alternative mit Zukunft?

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1 Presse Biokunststoffe: Alternative mit Zukunft? Kunststoffe bieten ein großes Eigenschafts- und Anwendungsspektrum und sind heute wichtiger Werkstoff für viele Industriezweige. Die weltweite Nachfrage steigt stetig und mit ihr die Anforderungen an das Leistungspotenzial dieser Werkstoffgruppe. In den letzten Jahren haben steigende Rohölpreise das Bewusstsein um limitierte fossile Ressourcen und den Wunsch nach mehr Klimaschutz und Nachhaltigkeit erhöht. Dabei wurde das Interesse auf eine besondere Art dieser Werkstoffgruppe gelenkt: die Biokunststoffe. Sie scheinen als Ergänzung und teilweise Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen ein logischer und notwendiger Schritt für eine moderne und zukunftsgerichtete Kunststoffindustrie. Und natürlich werden sie auf der K 2013 vom 16. bis 23. Oktober in Düsseldorf ihren Platz haben. Eine Diskussion um das Für und Wider, die zukünftige Rolle und das Marktpotenzial von Biokunststoffen lässt sich ohne eine vorherige klare Begriffsdefinition rund um die Vorsilbe bio nicht führen, gibt Prof. Dr.- Ing. Christian Bonten vom Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart zu bedenken. Denn genau hier liegt der Knackpunkt. Eine Vorsilbe, zwei Bedeutungen: Biologisch abbaubare und bio-basierte Kunststoffe Biologisch abbaubare Kunststoffe Bis auf geringe Substanzmengen bestehen biologisch abbaubare Kunststoffe ausschließlich aus bioabbaubaren Polymeren und Zusatzstoffen. Spezielle Bakterien und ihre Enzyme wandeln bioabbaubare Kunststoffe nachweislich zu Biomasse, CO 2 oder Methan, Wasser und Mineralien um, nachdem zuvor die Makromoleküle durch andere Abbaumechanismen stark fragmentiert wurden. Damit sich ein Kunststoff in Europa kompostierbar nennen darf, muss er unter klar definierten Bedingungen nach spätestens 12 Wochen zu mindestens 90 Prozent in Fragmente zerfallen sein, die kleiner als 2 mm sind. Nur so ist der wirtschaftliche und stö- 1

2 rungsfreie Betrieb einer Kompostieranlage gewährleistet. Um in den Boden gelangen zu dürfen, muss zudem belegt werden, dass eine bestimmte Schwermetallkonzentration nicht überschritten und der Boden in seiner Fruchtbarkeit nicht eingeschränkt wird. Produkte, die in Europa der Norm DIN EN entsprechen, dürfen nach Zertifizierung mit dem Keimling, dem europäischen Logo für Kompostierbarkeit, gekennzeichnet werden. Auch in den USA gibt es eine Norm für nachweisliche Kompostierbarkeit, die sich im Wesentlichen an der europäischen Norm orientiert. Entgegen der Meinung vieler sind biologisch abbaubare Kunststoffe nicht zwingend aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt; sie können auch aus Erdöl gewonnen werden. Biologische Abbaubarkeit hängt somit nicht vom Rohstoff, sondern vielmehr von der chemischen Struktur eines Kunststoffs ab. Beispiele für biologisch abbaubare Polymere sind Polylactide (PLA), auch Polymilchsäuren genannt, Polyhydroxyalkanoate (PHA), Cellulosederivate, Stärke, aber auch Erdöl basiertes Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) und Polybutylensuccinat (PBS). Nicht biologisch abbaubar sind hingegen z.b. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyamide (PA). Differenziert wird auch bei der Verwendung der Bezeichnung bioabbaubar. Es gibt herkömmliche Kunststoffe, die nur mit geringen Mengen biologisch abbaubarer oder anderweitig rasch zerfallender Substanzen versetzt sind. Sie zerfallen unter geeigneten Bedingungen lediglich in kleinere, kaum sichtbare Bestandteile. Eine vollständige Verstoffwechselung kann hier jedoch nicht stattfinden, und die Fragmente reichern sich im Laufe der Zeit in Boden und Nahrungskette an. Nur die Tatsache allein, dass ein Produkt biologisch abbaubar ist, löst auch nicht die Problematik der Vermüllung der Landschaft, auch Littering genannt. Selbst bioabbaubare Werkstoffe brauchen Wochen, um unter definierten Bedingungen Mikroorganismen, Temperatur und Feuchtigkeit zu verrotten. Ohne diese Bedingungen ist der Kunststoff sehr resistent und die biologische Zersetzung kann mehrere Jahre dauern. 2

3 Biobasierte Kunststoffe Biobasierte Kunststoffe hingegen sind aus der Natur gewonnene, nachwachsende Rohstoffe. Allerdings sind diese nicht zwangsläufig auch biologisch abbaubar. Das Adjektiv biobasiert besagt lediglich, dass die Kohlenstoffatome der Molekülketten aus der heutigen Natur entnommen, also bio sind. Auch die fossilen Kohlenwasserstoffe aus Erdöl, Erdgas und Kohle waren ja einmal Natur. Sie entstanden aus Pflanzen/Algen von vor etwa 500 Millionen Jahren. Durch Austrocknung, bestimmte geologische Rahmenbedingungen und bakterieller Zersetzung unter Sauerstoffabschluss wurden sie einst in flüssige Fossilien, sogenannte fossile Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Die damaligen Bakterien sind andere als jene, die für den biologischen Abbauprozess (s.o.) benötigt werden. Die Verbrennung von fossilem Erdöl, Erdgas und Kohle erzeugt ein Kohlendioxid, welches die Pflanzen vor 500 Millionen Jahren für ihr Wachstum der Atmosphäre entnommen haben. Im Heute jedoch sorgt es für eine über die Maßen aufkonzentrierte Atmosphäre und beschert uns die bekannten Probleme. Es gilt also zwischen dem bösen CO 2 von Gestern und dem guten von Heute zu differenzieren. Forschung und Industrie interessieren sich vermehrt für den Einsatz nachwachsender Rohstoffe, um weniger fossile Kohlenwasserstoffe zu verwenden und somit weniger gestriges CO 2 in die Umwelt einzubringen. Derzeit gewinnt man biobasierte Kunststoffe aus verschiedenen Kohlenhydraten wie Zucker, Stärke, Proteine, Cellulose, Lignin, Bio-Fette oder Ölen. Biobasierte Polymere sind u.a. Polylactidacid (PLA), Polyhydroxybutyrat (PHA), Cellulosederivate (CA, CAB) und Stärkederivate, aber auch z.b. Bio-Polyethylen (PE). Letzteres wird vollständig aus brasilianischem Zuckerrohr gewonnen, hat Eigenschaften wie ein herkömmliches Polyethylen, ist aber nicht biologisch abbaubar. Zu den zumindest teilweise biobasierten, aber nicht bioabbaubaren Polymeren zählen auch naturfaserverstärkte herkömmliche Kunststoffe sowie neue Polyamide und Polyurethane. 3

4 Biobasierte Kunststoffe können sicher einen wertvollen, wenn auch nur relativ kleinen Beitrag zur Verbesserung der Umweltbilanz leisten, denn es werden nur wenige Prozent der weltweiten fossilen Rohstoffe zur Herstellung von Kunststoffen verwendet. Mehr als zwei Drittel werden nach wie vor für Energieerzeugung und Transport genutzt. Daran wird auch bereits deutlich, dass biobasierte Kunststoffe keine Nahrungsmittelknappheit bewirken können, doch hierzu später mehr. Biokunststoffe weltweite Produktionsmengen Der Bedarf an Kunststoff steigt stetig. Für das Jahr 2011 bezifferte der Erzeugerverband PlasticsEurope die weltweite Polymerproduktion auf 280 Millionen Tonnen. Rund 235 dieser 280 Millionen Tonnen werden für Kunststoff-Werkstoffen verwendet, Biokunststoffe jedoch spielen in dieser Erhebung bislang noch eine untergeordnete Rolle. European Bioplastics prognostiziert aufgrund des hohen Marktwachstums bis zum Jahr 2016 eine weltweite Produktionskapazität für Biokunststoffe von knapp 5,8 Millionen Tonnen. Noch optimistischer fällt die Studie des nova-institutes vom März 2013 aus. Laut dieser wachsen die Produktionskapazitäten für biobasierte Kunststoffe bis zum Jahr 2016 auf über 8 Millionen Tonnen und bis zum Jahr 2020 auf knapp 12 Millionen Tonnen. Die Herstellung von Kunststoffen auf Basis nachwachsender Rohstoffe ist trotz des im Vergleich zu ölbasierten Kunststoffen niedrigeren Gesamtniveaus sehr schnell gestiegen. Biologisch abbaubare Kunststoffe haben nach Angaben des Erzeugerverbandes European Bioplastics im Jahr 2009 mit einigen Tonnen noch den Löwenanteil an den weltweiten Gesamtkapazitäten für Biokunststoffe ausgemacht. Seit 2010 werden die Wachstumsraten der biologisch abbaubaren Kunststoffe von denen biobasierter Kunststoffe deutlich überflügelt. Verbandsprognosen zufolge sollen sie 2016 trotz eines stetigen Wachstums nur noch rund ein Siebtel der Gesamtproduktion von Biokunststoffen ausmachen. Der weitaus überwiegende Teil der Biokunststoffe wird dann zwar biobasiert, aber nicht bioabbaubar sein. 4

5 Produktionskapazitäten für bioabbaubare und biobasierte Kunststoffe 2011 mit Prognose für 2016 (Quelle: European Bioplastics; Hochschule Hannover, IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe) 5

6 Produktionskapazitäten für verschiedene Biokunststoffe 2011 (Quelle: European Bioplastics; Hochschule Hannover, IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe) Die Marktanteile der Regionen an der Erzeugung von Biopolymeren verschieben sich verstärkt. Während der Anteil Europas an den Produktionskapazitäten im Jahr 2012 noch rund 17 Prozent ausmachte, wird dieser bis zum Jahr 2016 laut einer Studie des Instituts für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) auf knapp 5 Prozent sinken. Das IfBB prognostiziert als Gewinner Asien und Südamerika letzteres mit einem Wachstum der Produktionskapazitäten von rund 30 Prozent in 2012 auf über 45 Prozent in Gestiegene Anforderungen auch an Biokunststoffe Kunststoffe müssen für den vermehrt technischen Einsatz immer höhere Ansprüche erfüllen. Dies gilt auch für Biokunststoffe. In punkto Reproduzierbarkeit gibt es Nachholbedarf, bei Barriereeigenschaften, Langlebigkeit und Kompatibilität mit anderen Biopolymeren und Zusatzstoffen besteht noch viel Verbesserungspotenzial. Doch von den oft wenig überzeugenden reinen Biopolymeren der ersten Stunde ist man heute weit entfernt. Nicht zuletzt werden jedoch Preis, konkurrenzfähige Produktionskapazitäten und die Verlässlichkeit den langfristigen Erfolg der Biokunststoffe bestimmen. 6

7 Biokunststoffe und ihre Anwendungen heute Bioabbaubare Kunststoffe kommen in der Regel dort zum Einsatz, wo sich die Eigenschaft der Abbaubarkeit als besonders nützlich erweist. Das gilt z.b. in der Landwirtschaft für Mulchfolien oder Pflanztöpfe, die nach der Gebrauchsphase nicht eingesammelt und abtransportiert werden müssen, sondern gleich an Ort und Stelle im Boden zu Biomasse verstoffwechselt werden. In Privathaushalten haben sich abbaubare Küchenabfallbeutel einen Markt erobert; sie können gemeinsam mit dem Bioabfall kompostiert werden. Haushalt/ Haushaltsnahe Produkte Bürobedarf Mobiliar Abfallwirtschaft Gießkannen, Schreibgeräte, Stühle (Kompostierba- Staubsauger, Korrekturroller, re) Abfallbeutel Trinkhalme Lineale und -säcke Landwirtschaft/ Garten-und Landschaftsbau Agrarfolien und - vliese, Dispenser, Pflanztöpfe Catering Bauen Elektroartikel Wegwerfbesteck Werkzeuggriffe, Gehäuse für und - Dübel, Bio-PUR- Computermäu- geschirr, Isolierungen, se, Tastaturen, Abfallbeutel Dämmstoffe, Telefone, Mobiltelefone, Terrassenbeläge, Kabel- Teppiche und Bodenbelägisolierungen Aktuelle Anwendungen für Biokunststoffe (Quelle: Hochschule Hannover, IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe) Biobasierte Kunststoffe finden sich inzwischen auch in Konsumelektronik- und Automobilanwendungen. Der Kunststoffanteil in Automobilbau hat sich in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich erhöht. Inzwischen wächst auch der Prozentsatz der dort eingesetzten Biokunststoffe. So hat z.b. Toyota bei seinem nur in Japan erhältlichen Hybrid-Pkw Sai ab dem Modelljahr 2011 eine Innenausstattung realisiert, die zu 80 Prozent auf nachwachsenden Rohstoffen fußt. Möglich wurde dies durch den Einsatz von Bio-PET, einem auf Zuckerrohr basierenden Kunststoff. Er 7

8 biete eine Innenraumtaugliche Temperaturbeständigkeit, geringe Schwindungsneigung und gute mechanische Eigenschaften. Die CO 2 - Bilanz von Bio-PET falle erheblich besser aus als die von konventionellen Kunststoffen auf Erdölbasis. Aber z.b. auch PLA oder Polyurethanschaumstoff (PUR) auf Soja-Basis findet heutzutage in den verschiedensten Automobil-Komponenten Verwendung. Es gibt kaum einen Auto-Hersteller, der völlig auf Biokunststoffe verzichtet bzw. nicht an einem vermehrten Einsatz in seinen Fahrzeugen entwickelt. Wer sich über Potenziale und Chancen, Neuentwicklungen und innovative Anwendungen von Biokunststoffen informieren möchte, findet auf der K 2013 dazu viele Möglichkeiten an den Ständen der Aussteller. Die weltweit bedeutendste Fachmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie findet vom 16. bis 23. Oktober diesen Jahres in Düsseldorf statt. Zudem finden vom 17. bis 19. Oktober, jeweils von 8.00 bis Bioplastics Business Breakfasts statt, Kurzseminare zu ausgewählten Themen der Branche. Mulchfolien aus bioabbaubarem PBAT/PLA-Compound lassen sich nach der Ernte unterpflügen und müssen nicht wie klassische Folie zunächst eingesammelt und dann entsorgt werden (Foto: BASF SE) 8

9 Transparente Lebensmittelfolie aus Bio-Flex A 4100 CL / F 2201 CL / A 4100 CL (Foto: FKuR) Ein mit einer Kunststoffschicht aus PBAT/PLA-Compound überzogener Pappbecher weicht nicht durch und kann industriell kompostiert werden (Foto: BASF SE). Computer-Maus M440 ECO, Gehäuse hergestellt aus Biograde (Quelle: Fujitsu) 9

10 Nur Biokunststoffe sind die Guten? Bei einer pauschalen positiven Bewertung von biobasierten und bioabbaubaren Kunststoffen wird häufig vergessen, dass auch für deren Herstellung fossil erzeugte Energie verbraucht wird. Sei es bei der Aussaat von nachwachsenden Rohstoffen, über die Ernte, den Transport, die Fermentation usw. Es ist daher unverzichtbar, stets den gesamten Lebenszyklus eines Produktes zu betrachten, denn nur so können wissenschaftlich belastbare Ökobilanzvergleiche vorgenommen und fundierte Aussagen zur Nachhaltigkeit eines Produktes getroffen werden. Diskussionspunkt: Konkurrenz um die Nutzung landwirtschaftlicher Flächen Ob landwirtschaftliche Flächen für etwas anderes als die Produktion von Lebensmitteln genutzt werden sollten, ist ein heiß diskutiertes Thema. Auch hier lohnt eine differenzierte Betrachtung. Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten vom Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart hält Befürchtungen für unbegründet, Lebensmittelverknappungen würden durch die Nutzung der Kohlenhydrate für Biokunststoffe entstehen. Hier wird die Tatsache, dass der Weltenergiebedarf nicht mit pflanzlichen Kohlenstoffquellen gedeckt werden kann, verwechselt mit dem weit geringeren Bedarf an Kohlenhydraten, um Kunststoffe herzustellen, sagt Professor Bonten. Laut dem Erzeugerverband European Bioplastics waren im Jahr 2011 für die Deckung des gesamten weltweiten Verbauchs an Biokunststoffen lediglich 0,05 Prozent der landwirtschaftlich nutzbaren Fläche in der Europäischen Union notwendig. Zudem könnten für die Herstellung von Biokunststoffen zum Teil schon heute Abfälle aus der Agrarwirtschaft genutzt werden. Um auch mittel- und langfristig jegliche Konkurrenzsituation zu vermeiden, müsse diese Rohstoffroute weiter ausgebaut werden. Ähnlich äußert sich Kristy-Barbara Lange, Head of Communication bei European Plastics, in einem Interview mit der Messe Düsseldorf im Mai 2012: Intensive Forschung und Entwicklung findet im Bereich der Bioraffinerien statt, wodurch Rohstoffe der zweiten Generation wie Getreidestroh, Maisstroh oder andere zellulosebasierte Materialien als potenzielle Quellen erschlossen werden können. Sobald diese etabliert seien, werde ein Strom von fermentierbaren Zuckern auf Basis von Nicht- 10

11 Lebensmittel-Kulturpflanzen für Energie, Chemikalien und Polymere nutzbar werden, so Lange. Potenziellen Konflikten bezüglich der Landnutzung für Lebensmittel- oder Rohstoffgewinnung würde damit der Nährboden weiter entzogen. Abschließend bleibt zu konstatieren, dass der Vormarsch der Biokunststoffe, bio-basiert wie bioabbaubar, unaufhaltsam ist. In vielen Bereichen sind Biokunststoffe schon heute eine echte Alternative zu konventionellen Kunststoffen und die Einschätzung, sie seien grundsätzlich (noch) nicht konkurrenzfähig, kann nicht länger aufrechterhalten werden. Ein Allheilmittel zur Lösung jeglicher Umweltprobleme sind sie nicht. Auch die pauschale Darstellung von Biokunststoffen als 100-prozentige Ressourcenschoner ist zum heutigen Zeitpunkt deutlich verfrüht. Sie öffnen aber den Weg in eine Nach-Öl-Ära. Wer sich über Potenziale und Chancen, Neuentwicklungen und innovative Anwendungen von Biokunststoffen informieren möchte, findet auf der K 2013 dazu viele Möglichkeiten an den Ständen der Aussteller. Die weltweit bedeutendste Fachmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie findet vom 16. bis 23. Oktober diesen Jahres in Düsseldorf statt. August 2013 Kontakt: Pressereferat K 2013 Eva Rugenstein/Desislava Angelova Tel.: Fax.: RugensteinE@messe-duesseldorf.de AngelovaD@messe-duesseldorf.de Weitere Informationen unter: bzw. in den sozialen Netzwerken Xing: Facebook: Twitter: 11