:FutureCarbon. Marcel Weil *, Sascha Crizeli, Stefan Forero. INSTITUT FÜR TECHNIKFOLGENABSCHÄTZUNG UND SYSTEMANALYSE

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1 :FutureCarbon Systemanalyse in der frühen Phase der Technologie- Entwicklung Verantwortungsvolle Entwicklung und Herstellung von Kohlenstoff Nanotube Papieren Marcel Weil *, Sascha Crizeli, Stefan Forero INSTITUT FÜR TECHNIKFOLGENABSCHÄTZUNG UND SYSTEMANALYSE KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 limits/risks potential damage profit potential benefit Environmentalists More worried, than happy Innovationen nur, wenn keine (irreversible) Schäden zu erwarten sind Dr.-Ing. Marcel Weil responsible technology development Potentielle Vorteile und Limitierungen/ Risiken werden betrachtet Technology enthusiast Don t worry, be happy Innovationen sollten vorangetrieben werden, mögliche Schäden werden gemanaged

3 :FutureCarbon CNT Papier Produktion 3

4 Anwendungsgebiete von Kohlenstoff Nanotube Papieren (Bucky Paper) Künstliche Muskeln Leichtbau Heizsystem Leichtbau Kühlsystem Licht absorbierendes Medium Nano- Filtration Elektrische-/elektromagnetische Abschirmung Elektrodenmaterial für Batterien und Superkondensatoren. 4

5 Technische Ziele Ökolögische/ Gesundheitl. Ziele Neue Materialien/ Technologien Optimierung Ökonomische Ziele 5

6 Technische Ziele Ökolögische/ Gesundheitl. Ziele Nano Materialien/ Technologien Optimierung Ökonomische Ziele 6

7 Unbekannte Auswirkungen / Unsichere Daten / Widersprüchliche Ergebnisse Nano particle (CNT) effect on human health Nano particle (CNT) effect on environment 7

8 Unbekannte Auswirkungen / Unsichere Daten / Widersprüchliche Ergebnisse Nano particle (CNT) effect on human health Precautionary Principle Nano particle (CNT) effect on environment the release of nanoparticles to the environment [should be] minimized until these uncertainties are reduced." The British Royal Society and the Royal Academy of Engineering

9 Unbekannte Auswirkungen / Unsichere Daten / Widersprüchliche Ergebnisse Nano particle (CNT) effect on human health Nano particle (CNT) effect on environment Prevent/Reduce emissions 9

10 :FutureCarbon CNT Paper Produktion CNT Synthese CNT Purification CNT Dispersion CNT Paper cut to order CNT Paper Filtering 1 Filtering 2 10

11 Systemgrenzen für die ökonomische und ökologische Analysen resources system boundary catalyst mixing processing MWNT CNT synthesis purification filtration I dispersing filtration II drying bucky paper emissions (air, water, earth) 11

12 Ökobilanz / Life Cycle Assessment 1 Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens 2 Erstellung einer Sachbilanz 4 Auswertung 3 Wirkungsabschätzung 12

13 Ökobilanz / Life Cycle Assessment Systemgrenzen: cradle to gate Ziel: Identifizierung von ökologischen hot spots innerhalb der Herstellungskette der Bucky Papers Wirkungabschätzungsmethode: CML nicht berücksichtigt: human toxicity (of nano particle) eco toxicity (of nano particle) 13

14 Ökobilanz Ausgewählte Wirkungsindikatoren Global Warming Potential (GWP) [kg CO2-equivalents ] (CO2, CH4,...) Photochemical oxidation [kg Ethylenequivalents] summer smog 14

15 Umweltauswirkung Global Warming Potential dispersion Solvent transport of dispersion medium electric energy (mainly for MWNT synthesis) purification transport acid (purification) others 15

16 Umweltauswirkung Photochemical Oxidation dispersion transport of solvent synthesis of MWNT others 16

17 Ökonomische Analysen Betrachtetes System : Herstellungskosten -> ohne Arbeitskosten und Abschreibung der Arbeitsmittel 17

18 Ökonomische Analysen Material Produktionskosten Costs dispersion synthesis MWNT purification catalyst Solvent filtration others 18

19 resources system boundary catalyst mixing processing MWNT CNT synthesis purification filtration I dispersing filtration II drying bucky paper emissions (air, water, earth) 19

20 Optimierungsstrategien Qualität der Bucky Paper Produktionskosten Ökologisches Profil (LCA) 20

21 Nano Partikel Emissions-Quellen CNT Synthese CNT Purification CNT Dispersion CNT Paper cut to order CNT Paper Filtering 1 Filtering 2 21

22 Optimierungsstrategien Qualität der Bucky Paper Produktionskosten Ökologisches Profil (LCA) Emissionen von Nano Partikeln (Wasserpfad) 22

23 Optimierungsstrategien 100% Solvent (Reference) Solvent replacement by 100% alternative solvent Solvent replacement up to 30% by water Solvent replacement by 100% water/tensidex1 mixture Solvent replacement by 100% water/tensidex2 mixture Solvent replacement by 100% water/tensidex3 mixture Recycling of reference solvent A A/B B/C B C C A 23

24 Optimierungsstrategien 100% Solvent (Reference) Solvent replacement by 100% alternative solvent Solvent replacement up to 30% by water Solvent replacement by 100% water/tensidex1 mixture Solvent replacement by 100% water/tensidex2 mixture Solvent replacement by 100% water/tensidex3 mixture Recycling of reference solvent Quality bucky paper A A/B B/C B C C A Economic profile C A/B B A/B A/B C A/B Ecological profile C C B A/B A/B A/B A/B CNT emissions (to water) C C C C C C A/B 24

25 Vorteile der Option Recycling Solvent Bis zu 70 % des Lösungsmittels ist rezyklierbar Geringe Aufwendungen für die Aufbereitung des rezyklierten Lösungsmittels Ökonomische und Ökologische Einsparungen Verhinderung von Nano Partikel Emissionen (Wasserpfad) Keine Qualitätsprobleme bei der Herstellung der Bucky Papers (auch bei kontinuierlichem Recycling) Geringere Transportaufwendungen und Lagerungskosten 25

26 Quantitativer Effekt % - 59% - 100% reference recycling solvent reference recycling solvent reference recycling solvent Global Warming Potential Production Material Costs CNT Emissions to Water (Dispersion) 26

27 Zusammenfassung Eine verantwortungsvolle Entwicklung von Nanotechnologien ist durch die Berücksichtigung des Vorsorge Prinzips (Vermeidung potentiell toxischer Emissionen) möglich Das Vorsorge Prinzip kann innerhalb eines multikriteriellen Optimierungsprozess Eingang finden In der frühen Phase der Technologieentwicklung erscheint die Kombination aus quantitativen und qualitativen Methoden vorteilhaft Bei einer höheren Reife der Technologie müssen vergleichende Analysen über den gesamten Lebensweg durchgeführt werden 27

28 limits/risks potential damage profit potential benefit Environmentalists More worried, than happy Innovationen nur, wenn keine (irreversible) Schäden zu erwarten sind 28 responsible technology development Potentielle Vorteile und Limitierungen/ Risiken werden betrachtet Technology enthusiast Don t worry, be happy Innovationen sollten vorangetrieben werden, mögliche Schäden werden gemanaged

29 Entscheidungsunterstützung in der frühen Phase der Technologieentwicklung Vielen Dank 29

30 Emergente Technologien Knowledge Situation Great Uncertainty Uncertainty Quantifiable Risks + Environment/ Health Impact Manner Care / Circumspection Precautionary Prevention Risk Prevention Load Reduction Qualitative Methods Quantitative Methods 30

31 Qualitative Bewertung von Nano Partikeln 31

32 Potentielle toxische Wirkung abhängig von: form (bundels, needles) aspect ratio (ratio of length to width) functionalisation ( ) contamination (catalysts, amorphous C, dispersant) cleaning methode manufacturing method 32

33 CNT Durchmesser 1-50nm Länge xmm 20cm Dichte 1,3 1,4 g/cm³ Zugfestigkeit bis zu 63 GPa (Stahl 2GPa) Hohes Elastizitätsmodul Hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit 33

34 Midpoint Wirkkategorien Humantoxizität Umweltschadenskategorien Unfälle Lärm Bildung von Photooxidantien Menschliche Gesundheit Sachbilanz Ergebnisse Ozonzerstörung Klimaänderung Versauerung Eutrophierung Ökotoxizität Flächeninanspruchnahme Zerstreuung von Spezies und Organismen Abiot. Ressourcenzerstörung Biotische & abiotische natürliche Umwelt Biotische & abiotische natürliche Ressourcen Biotische & abiotische Kulturlandschaft u. -gut 34 Biot. Ressourcenzerstörung

35 Chemical-Vapour-Deposition (CVD) Nanotube Production oven ( C) gas emissions gas mixture glass tube catalyst CNT 35

36 Optimization in early stages of technology development Information Degree of freedom Early stage Late stage Product T M T P [t] Material development Product development 36