Biowerkstoffe im Fokus: Nachhaltigkeitsbewertung von biobasierten Kunststoffen

Transkript

1 Biowerkstoffe im Fokus: Nachhaltigkeitsbewertung von biobasierten Kunststoffen Ein Webinarreihe der Forschernachwuchsgruppe an der Hochschule Hannover Teil Dezember 2016 Venkateshwaran Venkatachalam M.Sc., V.-Prof. Andrea Siebert-Raths IfBB Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 1

2 1. FORSCHERNACHWUCHSGRUPPE AM IFBB 2. NACHHALTIGKEITSBEWERTUNG 3. ÖKOBILANZ - DEFINITION 4. METHODIK ZUR ÖKOBILANZIERUNG 5. ÖKOBILANZ VON BIOBASIERTEN KUNSTSTOFFEN 6. ÖKOBILANZ DER FNG MATERIALIEN 7. AUSBLICK 8. ZUSAMMENFASSUNG

3 ForscherNachwuchsGruppe am IfBB ForscherNachwuchsGruppe (FNG) Systematische Identifizierung sowie praktische Umsetzung von Synergien im Bereich der Biopolymere, Biopolymerfasern und Naturfaserverbundwerkstoffe inklusive der Optimierung der zugehörigen Prozesstechnik und Verarbeitung zur anwendungsorientierten Weiterentwicklung und Marktetablierung neuartiger Bioverbundwerkstoffe Phase I: Laufzeit: Phase II: Umsetzung in die Praxis! Laufzeit: Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 3

4 ForscherNachwuchsGruppe am IfBB II Phase II Unternehmerische Umsetzung Ökologische und ökonomische Produktabschätzung Ökobilanz (LCA) von FNG Materialien Lebenszykluskostenrechnung (LCC) der Wertschöpfungskette Produktkommunikation Durchführung von Leitfadengesprächen und Gruppendiskussionen sowie weitere Analysen Handlungsempfehlungen zur Umsetzung in die Praxis Zielgerichtete Kommunikationsstrategie Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 4

6 Nachhaltigkeitsbewertung Nachhaltig ist eine Entwicklung, die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen und ihren Lebensstil zu wählen. [Brundtland Report 1987] Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 6

7 Nachhaltigkeitsbewertung II Klimawandel Ressourcen verbrauch Wasserverbrauch Versauerung Eutrophierung Sommersmog Landnutzung/Biodiversität Toxizität Ökologie Ökonomie Kosten Preise Perspektive (Kunden/Produzenten) Soziales Kinderarbeit Unfallrisiko Qualifikation Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 7

8 Nachhaltigkeitsbewertung III Ökologie Ökonomie Soziales LCSA = LCA + LCC + SLCA Life Cycle Sustainability Assessment Life Cycle Assessment Life Cycle Costing Social Life Cycle Assessment Ökobilanz Lebenszykluskostenrechnung Sozialbilanz Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 8

9 Nachhaltigkeitsbewertung IV Methodik und Normen zur ökologischen Nachhaltigkeitsbewertung Umweltkennzeichnung Ökobilanzen EPD DIN EN ISO 14020, DIN EN ISO (EPD) DIN EN ISO 14040/14044 LCA PCR Produktkategorieregeln ILCD Handbuch Öko-Profil Product Environmental Footprint PEF CPC 374 DIN EN Biobasierte Produkte Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 9

11 Ökobilanz - Definition Eine Ökobilanz ist ein Umweltmanagement Instrument zur Bestimmung der potentiellen Umwelteffekte, die mit einem Produkt oder einem Prozess unter Einbezug des gesamten Lebenszyklus verbunden sind. Rohstoffbereitstellung Verwertung Entsorgung Ökobilanz Nutzung Herstellung Verarbeitung Quelle: Modifiziert nach LBP Universität Stuttgart 2015 Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 11

12 1. FORSCHERNACHWUCHSGRUPPE AM IFBB 2. NACHHALTIGKEITSBEWERTUNG 3. ÖKOBILANZ DEFINITION 4. METHODIK ZUR ÖKOBILANZIERUNG 5. ÖKOBILANZ VON BIOBASIERTEN KUNSTSTOFFEN 6. ÖKOBILANZ DER FNG MATERIALIEN 7. AUSBLICK 8. ZUSAMMENFASSUNG

13 Methodik zur Ökobilanzierung Rahmen der Ökobilanz (nach DIN EN ISO 14040) Festlegung des Zieles und Untersuchungsrahmens Direkte Anwendungen Sachbilanz Wirkungsabschätzung Auswertung Verbesserung von Produkten Strategische Planung Öffentliche Entscheidungen Politische Entscheidungen Marketing Sonstiges Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 13

14 Methodik zur Ökobilanzierung II Systemgrenzen - Ökobilanz Quelle: Modifiziert nach LBP Universität Stuttgart 2015 Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 14

15 Methodik zur Ökobilanzierung III Wirkungskategorien Midpoint Wirkungskategorien Umweltschadenkategorien Humantoxizität Unfälle Lärm Menschliche Gesundheit Sachbilanz CH 4 CO 2 SO 2 NH 3 No x Sachbilanz Ergebnisse Bildung von Photooxidantien Ozonzerstörung Klimaänderung Versauerung Eutrophierung Ökotoxizität Flächeninanspruchnahme Zerstreuung von Spezies und Organismen Abiotische Ressourcenzerstörung Biotische Ressourcenzerstörung Biotische & abiotische natürliche Umwelt Biotische & abiotische natürliche Ressourcen Biotische & abiotische Kulturlandschaft Quelle: Modifiziert nach Jolie.et.al Midpoint Damage Framework Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 15

17 Ökobilanz von biobasierten Kunststoffen Wertschöpfungskette Biobasierte Kunststoffe Umweltauswirkungen Rohstoffbereitstellung und Herstellung Verarbeitung Nutzung End of Life Biomasse Biointermediates Biopolymer Bio- Kunststoff Bio- Kunststoff Produkt Rezyklat Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 17

18 Ökobilanz von biobasierten Kunststoffen II Wertschöpfungskette - Konventionelle Kunststoffe Umweltauswirkungen Rohstoffbereitstellung und Herstellung Verarbeitung Nutzung End of Life Erdöl Intermediates Polymer Kunststoff Kunststoff Produkt Rezyklat Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 18

19 Ökobilanz von biobasierten Kunststoffen III Treibhausgaspotential (GWP) [kg CO 2 Äquiv.] 1 0,16 0,15 0,10 0,18 Treibhausgaspotential (GWP) kg CO2 Äq/kg Polymer ,12 3,50 5 4,60 Mais (PLA) Zuckerrübe (PLA) Zuckerrohr (PLA) Erdöl (ABS) Erdöl (PE) Erdöl (PP) Erdöl (PS) Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 19

20 Ökobilanz von biobasierten Kunststoffen IV 3,5 3,22 Treibhausgaspotential (GWP) [kg CO 2 Äquiv.] 3 Treibhausgaspotential (GWP) kg CO 2 Äq/kg Polymer 2,5 2 1,5 1 0,5 1,70 2,21 2,22 0,59 0 Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) Polypropylene (PP) Polystyrene (PS) Polyvinylchloride (PVC) Polylactide (PLA) Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 20

21 Ökobilanz von biobasierten Kunststoffen V Treibhausgaspotential (Wiege bis zur Bahre) kgco 2 Äq. /kg Biopolymer Konventionelle Polymere. Daten aus PlasticsEurope Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 21

22 Ökobilanz von biobasierte Kunststoffe VI Charakterisierungsfaktor Energieverbrauch Treibhausgaspotential Abiotische Ressourcenverbrauch Eutrophierungspotential Versauerungspotential Tendenz zu Biopolymeren Begründung seitens der Biopolymere Unterschiedlicher Energieverbrauch für verschiedene Biopolymere Hohe CO 2 Aufnahme während des Pflanzenwachstums Bio-basierte (erneuerbar) Verbrauch von Düngemittel und Pflanzenschutzmittel Verbrauch von Düngemittel und Pflanzenschutzmittel Begründung seitens der konventionellen Polymere Unterschiedlicher Energieverbrauch für verschiedene konventionelle Polymere Hohe CO 2 Emission während thermischer Verwertung Erdöl-basierte (endlich) Nicht notwendig Nicht notwendig Landnutzung Agrarfläche notwendig Keine Agrarfläche notwendig Wasserverbrauch Prozesswasser und Wasser für die Bewässerung Nur Prozesswasser Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 22

23 Ökobilanz von biobasierten Kunststoffen VII 0,035 Eutrophierungspotential (EP) [Mole of N Äquiv.] Eutrophierungspotential (EP) Mole of N Äq./kg Polymer 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0,0233 0,0071 0,0107 0,0122 0, Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) Polypropylene (PP) Polystyrene (PS) Polyvinylchloride (PVC) Polylactide (PLA) Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 23

25 Ökobilanz der FNG Materialien Ziel: Ökologische Bewertung der FNG-Materialien (im Vergleich zu konventionellen Materialien) Systemgrenze der Studie: Wiege bis zur Bahre (Cradle to Grave). Berücksichtigte Stufen des Lebensweges sind: Rohstoffbereitstellung (Biomasse Biopolymer) Herstellung des Biokunststoffprodukts (Biopolymer Biokunststoff Produkt) Verarbeitung des Biokunststoffprodukts (Biokunststoffprodukt Endprodukt (Computermaus)) Verwertung/Entsorgung des Endprodukts (Endprodukt Recycling, Verbrennung usw.) Funktionelle Einheit: 1 kg biobasierter Kunststoff (Blend), der für die Herstellung von verschiedenen Produkten wie z.b. Computermäuse, Schreibgeräte oder Sportartikel verwendet wird. Wirkungsabschätzungsmethode: ILCD/PEF Recommendation LCA Software: GaBi Software (thinkstep AG) Version 6 Datenbank: GaBi, Ecoinvent, Literatur und gemessene Daten Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 25

26 Ökobilanz der FNG Materialien II Auswahl der Wirkungskategorien Kategorie Indikator-ergebnis Charakterisierungsfaktor Klimaänderung kg. CO 2 Äq Treibhausgaspotential (GWP) Versauerung Mol H + Äq Versauerungspotential (AP) Eutrophierung Mol. N Äq Eutrophierungspotential (EP) (Salzwasser, Frischwasser, Terrestrische) Sommersmog kg. NMVOC Photooxidantien-Bildungspotential (POCP) Ökotoxizität CTUe Ökotoxizität (Frischwasser) Ressourcenverbrauch m 3 Äq Ressourcenverbrauch - Wasser Ozonabbau Kg CFC-11 Äq Ozonabbaupotential Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 26

27 Ökobilanz der FNG Materialien III Wertschöpfungskette - FNG Materialien Rohstoff- Bereitstellung Biopolymer Herstellung biobasierter Kunststoff Verarbeitung und Nutzung End of Life Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 27

28 Ökobilanz der FNG Materialien IV Wiege bis zum Fabriktor Prozessroute (Rohstoffbereitstellung, Herstellung) Rohstoffbereitstellung Zuckerrohr Zuckerfabrik Milchsäure Polylactide (PLLA) Transport Zuckerrübe Zuckerfabrik Milchsäure PDLA Transport Additiven Hilfstoffe Transport Transport Herstellung von Biokunststoffen (IfBB) Reststoffe Transport Farbe Transport Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 28

29 Ökobilanz von FNG Materialien VI Rohstoffe Transport Rohstoffbereitstellung Additiv 1a Additiv 1 Additiv 1b Additiv 2a Additiv 2 Additiv 3a Additiv 3 Additiv 4 Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 29

30 Ökobilanz der FNG Materialien VII Fabriktor bis zur Bahre - Prozessroute Verarbeitung (Gehäuse) Nutzung End of Life (Recycling, Verbrennung, Kompostierung) Einflussfaktoren Energieverbrauch Verpackung Transport Einflussfaktoren Lebensdauer/Abnutzung Stromverbrauch Ergonomie/Design Einflussfaktoren Rezyklatqualität Energieverbrauch Transport Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 30

31 Ökobilanz der FNG Materialien VIII 0,8 Treibhausgaspotential (GWP) [kg CO 2 Äquiv.] 0,7 Treibhausgaspotential (GWP) kg CO 2 Äq/kg Kunststoffe 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,461 0,224 0,006 Extrusion 0,455? Spritzgieß Homopolymer Additiven Transport Rest 0 0,020 Rohstoffbereitstellung Herstellung Verarbeitung und Nutzung End of Life? Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 31

32 Ökobilanz der FNG Materialien IX Herausforderungen der Ökobilanz von FNG Materialien Einstellung und Auswahl der Systemgrenze Datenqualität (Primär- und Sekundärdaten) Datenverfügbarkeit (Eingeschränkte Verfügbarkeit der Primär- und Sekundärdaten für bio-basierte Kunststoffe gegenüber konventionellen Kunststoffen) Abschneidekriterien und Allokationsverfahren (Umweltrelevanz) Systemerweiterung (Recycling) Zeitliche und räumliche Änderungen (Daten aus verschiedenen Ländern, Zeiträumen) Auswertung der Ergebnisse und Produkt-Kommunikation (ausführlich, transparent) Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 32

33 1. FORSCHERNACHWUCHSGRUPPE AM IFBB 2. NACHHALTIGKEITSBEWERTUNG 3. ÖKOBILANZ - DEFINITION 4. METHODIK UND NORMEN ZUR ÖKOBILANZIERUNG 5. ÖKOBILANZ VON BIOBASIERTEN KUNSTSTOFFEN 6. ÖKOBILANZ DER FNG MATERIALIEN 7. AUSBLICK 8. ZUSAMMENFASSUNG

34 Ausblick Aufnahme von Primärdaten in betrachtetes Produktsystem, um die Datenqualität zu erhöhen Abschätzung der Umweltwirkungskategorien entlang der ganzen Wertschöpfungskette Hot-Spot Analyse, um die Signifikanz/Relevanz ausgewählter Wirkungsindikatoren zu ermitteln Daten für Zwischenprodukte werden kostenlos zur Verfügung gestellt (ILCD Format). Szenarienanalyse der verschiedenen Prozessparameter Ökologische Abschätzung der biobasierten Kunststoffe im Vergleich zu konventionellen Kunststoffen Lebenszykluskostenrechnung (LCC) der Herstellung von biobasierten Kunststoffen Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 34

35 1. FORSCHERNACHWUCHSGRUPPE AM IFBB 2. NACHHALTIGKEITSBEWERTUNG 3. ÖKOBILANZ - DEFINITION 4. METHODIK UND NORMEN ZUR ÖKOBILANZIERUNG 5. ÖKOBILANZ VON BIOBASIERTEN KUNSTSTOFFEN 6. ÖKOBILANZ DER FNG MATERIALIEN 7. AUSBLICK 8. ZUSAMMENFASSUNG

36 Zusammenfassung Für die Analyse und Optimierung des Produktsystems aus ökologischer, ökonomischer und sozialer Sicht ist eine Nachhaltigkeitsbewertung erforderlich Die Ökobilanz ist eine standardisierte Methode, um die potenziellen Umweltauswirkungen des Produktsystems zu ermitteln Die Ökobilanz kann für die interne und externe Kommunikation der ökologischen Leistung des Produktsystems verwendet werden Die Herausforderung liegt jedoch in der Auswertung und Kommunikation der Ergebnisse aus der Wirkungsabschätzung in einer Ökobilanz-Studie Sind biobasierte Kunststoffe ökologischer? Keine Ja/Nein-Antwort möglich. Produktbetrachtung notwendig und methodische Lücken noch vorhanden. Die FNG wird versuchen unter Berücksichtigung der allgemeinen Herausforderungen in der Ökobilanzierung eine Bewertung der FNG-Materialien durchzuführen Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 36

37 Zusammenfassung Biowerkstoffe im Einsatz Mai 2017 Überblick und aktuelle Herausforderungen April 2016 Verarbeitung von biobasierten Kunststoffen Juni 2016 Kommunikation September 2016 Heute Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 37

38 Jacek Lecinski Potentialanalysis Marcel Wogram Miriam Jaspersen Communication IfBB Eva Maria Mentzel Public relations Venkateshwaran Venkatachalam Life Cycle Assessment Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe K. Kuleshova Jessica Rutz Processing and Simulation IfBB Daniela Jahn Co-ordination and Material development IfBB Dr.-Ing. Andrea Siebert-Raths Leitung IfBB K. Kuleshova K. Kuleshova Thank you for your attention!! From the FNG team Felix Schweer Mechanical Testing Seite 38

39 Kontakt Andrea Siebert-Raths, andrea.siebert-raths@hs-hannover.de Daniela Jahn, daniela.jahn@hs-hannover.de Jessica Rutz, jessica.rutz@hs-hannover.de Jacek Lecinski, jacek.lecinski@hs-hannover.de Hochschule Hannover Fakultät II IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Heisterbergallee Hannover Tel 0511 / Fax 0511 / Mail info@ifbb-hannover.de Internet Eva Maria Mentzel, eva-maria.mentzel@hs-hannover.de Venkateshwaran Venkatachalam, venkateshwaran.venkatachalam@hs-hannover.de Felix Schweer, felix.schweer@hs-hannover.de Miriam Jaspersen, miriam.jaspersen@hs-hannover.de Hochschule Hannover Fakultät III Expo Plaza Hannover Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Seite 39