Biokunststoffe nachhaltige Werkstoffe der Zukunft oder Modetrend
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- Harry Falk
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1 Biokunststoffe nachhaltige Werkstoffe der Zukunft oder Modetrend H.-J. Endres B.A.U.M.-Thementag Green Office Day, Frankfurt, 29. Januar 2013 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 1 Name: Hans-Josef Endres Familienstand: 46 Jahre, verheiratet, 2 Töchter (18 und 13 J.) Wohnort: Barsinghausen (bei Hannover) Studium: Maschinenbau (Ruhr-Universität Bochum) mit Vertiefungsrichtung Werkstofftechnik Beruf: Ca. 9 Jahre Industrietätigkeit, zuletzt Bereichsleiter (230 Mitarbeiter) bei Thyssen-Krupp Berufsbegleitende Promotion Seit 1999 Professur an der Hochschule Hannover Aufbau: - verschiedener neuer Studiengänge - eines neuen Hochschulinstituts für Biokunststoffe IfBB - eines Fraunhofer Anwendungszentrums für Holzfaserforschung (HOFZET) Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 2 1
2 Kunststoffe im Automobil Golf 1 Golf 6 KOSTEN GEWICHT Quelle: VW, Peter Helmke Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 3 The future of plastics? Consumption of crude oil x higher than its rate of regeneration future problem only to convert energy, but to meet the increased quantity requirements for plastics will become a feedstock problem! Growth of population (Expectation: plastic consumption per head in India and China as high as in Europe) Worldwide production of plastics has to be doubled! Issue for environment: critical exploitation of oil with increasing ecological impacts and littering of plastics (globally considered) Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 4 2
3 Historical development of Biopolymers Non degradable Bio-based 1. Cellulose Acetates Rubber, Casein 5. Bio-PA, Bio-PE Bio-PET, PTT, 2. Polyethylene Polypropylene Polyvinylchloride Bio-based Bio-degradable and bio-based 4. Polylactide, Starch blends, Cellulose Hydrates, Polyhydroxyalkanoate 3. Polycaprolactone Polyvinyl alcohol Polyester (PBAT, PBS,..) Degradable Petro-based Source: Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths; Engineering Biopolymers, Carl Hanser-Verlag, 2011 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 5 Applications of Biopolymers Bio-based Feedstock Non Biodegradable Source: Coca Cola Conventional plastics Biodegradable Biodegradable Petro-chemical Feedstock Source: BASF Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 6 3
4 Current Stage of Development and Production Scale of Thermoplastic Biopolymers (2012) Durables Degradables Source: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths; Engineering Bioplymers, Carl Hanser-Verlag, 2011, modifiziert Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 7 Global production capacity of bioplastics Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 8 4
5 Mögliche biobasierte Fasern Faserarten Einsatz nachwachsender Rohstoffe möglich Keramikfasern Rayon Lignin C-Fasern auf Celluloseoder Ligninbasis Kohlenstofffasern Glasfasern PLA-Faser Polylactid aus Maisstärke Bio-PE Bio-Ethanol aus Zuckerrohr Synthesefasern Borfasern Bio-PA Bio-PET, PTT Regenerat Einsatz von Rizinusöl z.b. Biobasierter Alkohol Chemische Lösung und Fällung von Cellulose Naturfasern Quelle: H.-J. Endres, T. Koplin, C. Habermann; Technik und Umwelt vereint?; Kunststoffe 06/2012 tierisch pflanzlich Seide, Schafwolle, Kaschmir Samenfasern, Bastfasern, Fruchtfasern, Hartfasern, Holzfasern Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 9 Acreage competition Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 10 5
6 Yields of renewable raw materials (not biomass) 25,0 20,0 [t /(ha*a)] 15,0 10,0 5,0 0,0 Sugarcane Sugar-beet Corn Potato Wheat Rice Palm Jatropha Coconut Castor Rape Sunflower Soya Wood Pulp Wheat straw Hemp Flax Cotton Sugar Starch Vegetable Oils Cellulose(fibers) Source: Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths; Technische Biopolymere, Carl Hanser-Verlag, Juni 2009 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 11 Starch, Glucose Vinyl acetate Cyclohexanone Starch Fermentation Polymerization Peroxxyacetic acid Starch, Glucose, Vegetable oil, Organic acids Lactic acid Conversion Fermentation Oligomerization Synthesis Polyvinyl acetate Lactide ε-caprolactone Fermentation/ Denature/ Fillers Isolation of biopolymer Polymerization Transesterification Ring-opening Polymerization Compounding and granulation PLA PVOH (PVB) PCL Starch-based biopolymers PHA (PHB) (bio-based) Caprolactam Ring-opening Polymerization Vegetable oil/fat Amino carboxylic acids Bio-based dicarboxylic acids Ammonia Petro-based Diamines Condensation Condensation Bio-PA Vegetable oil/fat Biogenic polyols multivalent oil alcohols (dicarboxylic acids) Petro-based Isocyanates Polyaddition Bio-PUR Cellulose Cellulose Petro-based fatty acids acid anhydrides Caustic Alkalization soda Alkalization Alkali cellulose Esterification Alkali cellulose Sulfidation Plasticizer Etherification Cellulose- Xanthogenate Cellulose Derivates Polymerization Cellulose Ester Cellulose Ether Regenerate Cellulose Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 12 6
7 Theoretical minimum and maximum yields per acreage of bioplastics [t Biopolymer/(ha*a)] Source: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths, Engineering Biopolymers, Hanser Verlag 2011, modified Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 13 Land use of bioplastics (2016) Annual plastics production [10 6 t] Annual bioplastic production in 2016 [10 6 t] Land use for bioplastic production in 2016 (assumption 0,5 kt BP/km 2 ) [km 2 ] Arable land [km 2 ] World million EU million Germany million Lake Constance 540 Land use for the annual bioplastic production in 2016: < 0,1 % of the global arable land. Full replacement of petro-based plastics of the automotive industry with bioplastics requires < 0,3 % of the global arable land. Full replacement of petro-based plastics of the packaging industry with bioplastics requires < 2% of the global arable land. Full replacement of total petro-based plastics with bioplastics requires < 5 % of the global arable land. Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 14 7
![Hans-Josef Endres 13 Land use of bioplastics (2016) Annual plastics production [10 6 t] Annual bioplastic production in 2016 [10 6 t] Land use for bioplastic production in 2016 (assumption 0,5 kt](/docs-images/41/7542229/images/page_7.jpg "BP/km 2 ) [km 2 ] Arable land [km 2 ] World 265 5.8 11.500 14 million EU 60 0.3 1.000 1.1 million Germany 20 0.15 500 0.")
8 End-of-Life Options of Biopolymers Metabolization in organism Neutral Incineration Landfill Anaerobic digestion (Bio-methane) Litter Biopolymer product Decomposition in soil Dissolving in (salt) water Chemical Recycling Mechanical Recyling Industrial Composting Domestic composting Source: H.-J. Endres, A. Siebert, A.-S. Kitzler Biopolymers a discussion on end of life options Bioplastics Magazine 01/08 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 15 Pre- and Postconsumer Recycling Recycling Preconsumer Postconsumer unalloyed Production waste alloys laminates Waste of events almost unalloyed, contaminated with food Household garbage Material mixture, composites, alloys polluted Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 16 8
9 Identification of Biopolymers by Near Infrared Spectroscopy (NIR) Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 17 Thermo-mechanical recycling of Biopolymers PET PS LDPE HDPE Ingeo PLA Ecoflex Ecovio MaterBi Sorona Shear thinning behavior of biopolymer melts Log (η) f (T, p, Material) Extrusion Injection molding Rotational rheometer Melt flow index Capillary rheometer 6 Log (γ) & [1/s] Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 18 9
10 Anaerobic digestion Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 19 Incineration with energy recovery Endres, Siebert-Raths: Technische Biopolymere Hanser Verlag 2009 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 20 10
11 Cradle to cradle-lca of Danone Activia-cup (115 g) of PS and PLA Reference Impact Category PLA PS CO 2 Global Warming Potential (GWP) + C 2 H 4 Ozone Creation Potential (Sumer-Smog) (POCP) + PO 4- Eutrophication Potential (EP) + SO 2 Acidification Potential (AP) + kg PM 10 Dust + kg crude oil units Non Renewable Energy Use (NREU) + GJ Comulated Non Renewable Energy Use + m 3 Water consumption + m 2 /Jahr Land use + Source for data: IFEU GmbH Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 21 Auch zukünftig weiteres Wachstum des Kunststoffverbrauchs (ca. 5% jährlich) Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 22 11
12 Zurück zum Solarzeitalter Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 23 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 24 12
13 Lack of data (quality, quantity and comparability) Manufacturers of Biopolymers Databank Manufacturing Industry / User Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 25 Biopolymer Database Comparison of materials and properties Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 26 13
14 Für weitere Informationen Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 27 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 28 14
15 Die Bedeutung der Kommunen Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 29 See and Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 30 15
16 Beispiel 1 Tastatur Fujitsu KBPC PX ECO Gehäuse aus Celluloseacetat, beständig Biobasierter Anteil ~ 45 % Preis: ab ca. 36,00 Bürobedarf / Elektroartikel Keine weiteren Zertifikate Im Einzelhandel verfügbar Quelle: Fujitsu / bdbayershop.de Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 31 Beispiel 2 Öko-USB-Stick Emtec M600 Gehäuse aus PLA, beständig Biobasierter Anteil 100 % (Gehäuse) Preis: ca. 14,30 (4 GB) Bürobedarf / Elektroartikel Keine weiteren Zertifikate Im Onlineshop verfügbar Quelle: EMTEC / ZBP Media Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 32 16
17 Beispiel 3 Korrekturroller Pritt ECOmfort Gehäuse aus PLA und Cellulosefasern Biobasierter Anteil 89 % Preis: ab ca. 1,60 Bürobedarf 3. Platz als Biowerkstoff des Jahres 2010 Im Einzelhandel verfügbar Quelle: Henkel / karp-shop.de Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 33 Beispiel 4 highlighter edding 24 EcoLine Gehäuse aus Lignin-derivat, Filterfasern aus Recyclingmaterial Biobasierter Anteil >= 70 % Preis: ab ca. 0,95 Bürobedarf Keine weiteren Zertifikate Im Einzelhandel verfügbar Quelle: edding AG / bfh24.de Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 34 17
18 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres IfBB - Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Hochschule Hannover Fakultät Maschinenbau und Bioverfahrenstechnik Heisterbergallee 12 D Hannover Tel.: 0049 (0) Fax: 0049 (0) hans-josef.endres@fh-hannover.de Internet: Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 35 18
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