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Hans-Josef Endres 1
Nachhaltigkeit und Verfügbarkeit biobasierter Werkstoffe
Festsymposium zum 20-jährigen Bestehen des Beirates für Nachwachsende Rohstoffe am Niedersächsischen Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft
und Verbraucherschutz Hannover, 24. Oktober 2013
Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres
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Hans-Josef Endres 2
Name: Hans-Josef Endres Familienstand: 48 Jahre, verheiratet, 2 Töchter (19 und 14 J.) Wohnort: Barsinghausen (bei Hannover)
Studium: Maschinenbau (Ruhr-Universität Bochum) mit Vertiefungsrichtung Werkstofftechnik
Berufliche Erfahrungen: • Ca. 9 Jahre Industrietätigkeit,
zuletzt Bereichsleiter (230 Mitarbeiter) bei Thyssen-Krupp • Berufsbegleitende Promotion • Seit 1999 Professur an der Hochschule Hannover • Aufbau: - verschiedener neuer Studiengänge
- einer umfangreichen Fachhochschulforschung - eines neuen Hochschulinstituts IfBB - eines Fraunhofer Anwendungszentrums HOFZET - Erhalt des niedersächsischen Wissenschaftspreis in 2012 - Erhalt einer Forschungsprofessur (Freistellung)
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Hans-Josef Endres 3
IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Derzeit ca. 30 wissenschaftliche Mitarbeiter/innen Jahresumsatz ca. 3 Mio. Euro Umfangreiche Ausstattung im Bereich der Kunststofftechnik und Material-
prüfung (Technika für Herstellung und Verarbeitung, Labore für Werkstoffuntersuchungen, …)
Durchführung zahlreicher Drittmittelvorhaben sowie viele direkte Koop. mit der Industrie im Bereich der Biokunststoffe u. Verbundwerkstoffe
Fotos: David Carreno Hansen
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Hans-Josef Endres 4
Aufbau eines neuen Fraunhofer Anwendungszentrum für Holzfaserforschung (HOFZET)
an der Hochschule Hannover
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Hans-Josef Endres 5
Source: VW, Peter Helmke
Weight Costs
Golf 1 Golf 6
Kunststoffe – Werkstoffe der Zukunft
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Hans-Josef Endres 6
Zukunft der Kunststoffe?
Bevölkerungswachstum (Annahme: Europäischer pro Kopf Kunststoffkonsum in Indien und China Verdopplung der weltweiten Kunststoffproduktion erforderlich)
Umweltproblematische Förderung und Entsorgung (bei globaler Betrachtung)
Konsum 5.000.000 x höher als Regeneration bei Energie zukünftig eher Umwandlungsproblem der Ressourcen, aber bei Kunststoffen Verfügbarkeitsproblem!
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Hans-Josef Endres 7
Harze Elastomere,TPE
Was sind Biokunststoffe?
BIO- KUNSTSTOFFE
„New Economy“
Bioabbaubar (kompostierbar)
Langzeitbeständig (biobasiert)
Chem. neuartig z.B. PLA, Stärke, PTT, PBS, PBAT
Biobasiert „Drop-Ins“ z.B. Bio-PE
Bio-PET, Bio-PA
Biobasiert (teilw. o. vollst.)
Petrobasiert (bioabbaubar)
Thermoplaste
„Old Economy“ e.g. Kautschuk,
Viskose, Linoleum, CA, Cellophane
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Hans-Josef Endres 8
Back to the roots - Historische Entwicklung von Biokunststoffen
Bdeständig
Petro-basiert
Abbaubar
Bio-basiert
Bioabbaubar
Source: Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths; Engineering Biopolymers, Carl Hanser-Verlag, 2011
1. Cellulose Acetates Rubber, Casein…
4. Polylactide,
Starch blends, Cellulose Hydrates,
Polyhydroxyalkanoate
2. Polyethylene
Polypropylene Polyvinylchloride
…
3. Polycaprolactone
Polyvinyl alcohol Polyester (PBAT,
PBS,..) …
5. Bio-PA, Bio-PE Bio-PET, PTT,…
Bioabbaubar und biobasiert Biobasiert
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Hans-Josef Endres 9
Möglichkeiten zur Herstellung biobasierter Fasern Possible renewable ressources
Ceramic fibers
Carbon fibers
Glass fibers
Synthetic fibers
Boron fibers
Natural fibers animal
plants
Bio-PE
Bio-PA Bio-PET,
PTT
Fiber grades
Rayon Lignin
C-Fibers based on cellulose or lignin
Bio-Ethanol based on sugar cane
Based on castor-oil
Based on bio-alcohols
Silk, Wool
Wood, Cotton, Hemp, Flax, Sisal, Jute
Regenerat Chemical solution and prcipitation of cellulose
PLA-Faser Polylactide based on corn starch
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Hans-Josef Endres 10
Entwicklung eines cellulosefaserverstärkten PPs für Anwendungen im Automobilbereich Gemeinsames Projekt mit folgenden Projektpartnern: - Volkswagen (Anwendung) - KraussMaffei Berstorff (Compoundierung) - KrausMaffei Technologies (Spritzgusstechn. Verarbeitung) - Hochschule Hannover (Materialentwicklung Promotionsstipendium VW)
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Hans-Josef Endres 11
Weitere Kooperation
Zusammenarbeit mit der Fa. Ford
Erstellung von Fließsimulationen für _naturfaserverstärkte Spritzgießmaterialien
Überführung der Simulationsergebnisse in die _praktische Anwendung
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Hans-Josef Endres 12
Materialkonzepte Biokonzept Car
Kurzfaser (<4mm) Glasfasern Holzfasern
Thermo-
plaste
Petro-basiert
Bio- basiert
Langfasern (Gewebe) Glas-faser
Kohle-fasern
Pflanzen-fasern
Regenerat-fasern
Petro-basiert
Duro- plaste
Bio-
basiert
Bioconcept Car
Adaption
Adaption
Adaption
Adaption
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Hans-Josef Endres 13
Biowerkstoffbauteile im Bioconcept Car
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Hans-Josef Endres 14
End-of-Life Options von Biokunststoffen
Source: H.-J. Endres, A. Siebert, A.-S. Kitzler Biopolymers – a discussion on end of life options Bioplastics Magazine 01/08
Biopolymer product
Landfill
Industrial Composting
Metabolization in organism
Anaerobic digestion
(Bio-methane)
Neutral Incineration
Chemical Recycling
Domestic composting
Dissolving in (salt) water
Litter
Decomposition in soil
Mechanical Recyling
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Hans-Josef Endres 15
Pre- und Postconsumer Recycling - Masterplan 100% für den Klimaschutz, Klimaschutzleitstelle Hannover
Recycling
Preconsumer Postconsumer
Produktions- abfälle
Event- abfälle
Haushalts- müll
sortenrein Gemische, Laminate, Verbünde
meistens sortenrein, mit Lebens- mittelresten
Material- Mischungen, Verbünde,
verschmutzt
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Hans-Josef Endres 16
Umwandlung von Biokunststoffen zu Biogas
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Hans-Josef Endres 17
Verbrennung von Biokunststoffen
Endres, Siebert-Raths: Technische Biopolymere Hanser Verlag 2009
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Hans-Josef Endres 18
AGIP Forschungsschwerpunkt Biohybridwerkstoffe
TP IWerkstoff- und
Bauteilentwicklung(Prof. Endres, Prof. Gusig)
TP IIRecycling
(Prof. Endres, Prof. Loewen,Prof. Lüdersen)
TP IIITechnikfolgen-abschätzung(Prof. Loewen, Prof.
Endres)
TP IVKommunikation
(Prof. Möhring)
TP VInformations-management
(Prof. Lieberam-Schmidt)
TP 0Projektkoordination
(Prof. Endres)
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Hans-Josef Endres 19
Informationslücke erschweren Marktdurchdringung von Biokunststoffen (Qualität, Quantität und Vergleichbarkeit)
Biopolymers
Manufactures Users
Customers Politicians
Data- bases
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Hans-Josef Endres 21
Weitere (technische) Informationen
http://www.hanser.de/buch.asp?isbn=3-446-41683-8&area=Technik
http://www.hanser.de/buch.asp?isbn=978-3-446-42403-6&area=Technik
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Hans-Josef Endres 22
Drei Biokunststoff-Datenbanken unter einem Dach
Biopolymerdatenbank Ingenieure, Konstrukteure, Materialhersteller, Verarbeiter
NawaRo Kommunal Beschaffung, Marketing, Materialhersteller,…
Biokunststoffplattform Marketing, Wissenschaft, Politik,…
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Hans-Josef Endres 23
Biokunststoff Datenbank
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Hans-Josef Endres 24
Biopolymerprodukte für die kommunale Beschaffung
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Hans-Josef Endres 25
Filtern nach Themengebieten Automobilsektor, Catering, Büro- artikel, landwirtschaftlicher Bedarf…
Filtern nach Anbietertyp Hersteller, Händler, Verband, Zertifikataussteller…
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Liste aller Anbieterfirmen / Produkte
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Hans-Josef Endres 26
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 / bdbayer-shop.de
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Hans-Josef Endres 27
Beispiel 2 Maus ‚Fujitsu M440 ECO‘
• Gehäuse aus Celluloseacetat, beständig
• Biobasierter Anteil ~ 45 %
• Preis: ab ca. 17,00 €
• Bürobedarf / Elektroartikel
• Keine weiteren Zertifikate
• Im Einzelhandel verfügbar
• Quelle: Fujitsu
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Hans-Josef Endres 28
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
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Hans-Josef Endres 29
Beispiel 4 Klebeband ‚Scotch Magic – A greener choice‘
• Film aus Celluloseacetat, Klebstoff auf pflanzlicher Basis
• Biobasierter Anteil > 53 %
• Bürobedarf
• Keine weiteren Zertifikate
• Im Einzelhandel verfügbar
• Quelle: 3M
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Hans-Josef Endres 30
Biopolymerprodukte für die kommunale Beschaffung
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Hans-Josef Endres 31
Biopolymer Plattform
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Hans-Josef Endres 32
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Hans-Josef Endres 33
Produktionskapazitäten 2012 und 2016 2012: ca. 1,3 Mio t/a 2016: ca. 5,8 Mio t/a
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Hans-Josef Endres 34
T
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Hans-Josef Endres 35
Kunststoff-Produktion
[106 t/a]
Biokunststoff-Produktion
in 2016 [106 t]
Landbedarf für Biokunstsoffe in 2016
(Annahme 0,5 kt BP/km2) [km2]
Landwirt-schaftliche
Fläche [km2]
Welt 265 5.8 11.500 14 Mio
EU 60 0.3 1.000 1.1 Mio
Deutschland 20 0.15 500 0.12 Mio
Vollständige Substitution petrochemischer Kunststoffe durch
Biokunststoffe erfordert < 5 %
der weltweiten Ackerfläche
Vollständige Substitution petrochemischer Kunststoffe im
Automobilbereich durch Biokunststoffe erfordert
< 0,3 % der weltweiten Ackerfläche
Landbedarf für jährliche Biokunststoffproduktion in
2016: < 0,1 %
der weltweiten Ackerfläche
Landbedarf für Biokunststoffe
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Hans-Josef Endres 36
Landbedarf für Biokunststoffe in 2012 Weltweit: 350.000 ha oder 3.500 km2
Das sind: • Ca. 40% der deutschen Biogasfläche • Ca. 100% der deutschen Bioethanolfläche • Weniger als 0,03% der globalen Ackerfläche • Weniger als 0,1% des Landbedarfs zur
Herstellung nicht verzehrter Nahrungsmittel
Zur theoretischen weltweiten Substitution aller Kunststoffe durch Biokunststoffe wären 10% der “weggeworfenen Fläche” erforderlich!
Biokunststoffe können nach einer (mehrfachen) stofflichen Nutzung zusätzlich energetisch genutzt werden!
Meist sind die Diskussionen um Biokunststoffe mehr durch emotionale als sachliche Aspekte geprägt
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Hans-Josef Endres 37
www.ifbb-hannover.de
IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Hochschule Hannover Heisterbergallee 12 30453 Hannover
Tel. 05 11 / 92 96 – 22 68 Fax 05 11 / 9296 – 99 22 68 E-Mail: [email protected]
Kontakt
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Hans-Josef Endres 38
Danke für die Aufmerksamkeit!
Foto: Ksenia Kuleshova