BAUM Green Office Day Endres Print
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Biokunststoffe – nachhaltige Werkstoffe der Zukunft oder Modetrend www.ifbb-hannover.de H.-J. Endres B.A.U.M.-Thementag „Green Office Day“, Frankfurt, 29. Januar 2013 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres Name: 1 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 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 5.000.000 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 Historical development of Biopolymers Bio-based Bio-based 1. Cellulose Acetates Rubber, Casein… 5. Bio-PA, Bio-PE Bio-PET, PTT,… Non degradable Bio-degradable and bio-based 4. Polylactide, Starch blends, Cellulose Hydrates, Polyhydroxyalkanoate Degradable 3. Polycaprolactone Polyvinyl alcohol Polyester (PBAT, BioPBS,..) degradable … 2. Polyethylene Polypropylene Polyvinylchloride … 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 Biodegradable Source: Coca Cola Conventional plastics Source: BASF Petro-chemical Feedstock Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 6 3 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 Mögliche biobasierte Fasern Einsatz nachwachsender Rohstoffe möglich Faserarten Rayon Lignin Keramikfasern C-Fasern auf Celluloseoder Ligninbasis Kohlenstofffasern PLA-Faser Glasfasern Bio-PE Bio-PA Bio-PET, PTT Synthesefasern Regenerat Borfasern tierisch Naturfasern Quelle: H.-J. Endres, T. Koplin, C. Habermann; Technik und Umwelt vereint?; Kunststoffe 06/2012 pflanzlich Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres Polylactid aus Maisstärke Bio-Ethanol aus Zuckerrohr Einsatz von Rizinusöl z.B. Biobasierter Alkohol Chemische Lösung und Fällung von Cellulose Seide, Schafwolle, Kaschmir Samenfasern, Bastfasern, Fruchtfasern, Hartfasern, Holzfasern 9 Acreage competition Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 10 5 Yields of renewable raw materials (not biomass) 25,0 [t /(ha*a)] 20,0 15,0 10,0 Sugar Starch Vegetable Oils Cotton Flax Hemp Wheat straw Wood Pulp Soya Sunflower Rape Castor Coconut Palm Rice Wheat Potato Corn Sugar-beet Sugarcane 0,0 Jatropha 5,0 Cellulose(fibers) Source: Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths; Technische Biopolymere, Carl Hanser-Verlag, Juni 2009 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres Starch, Glucose Vinyl acetate Cyclohexanone Fermentation 11 Lactic acid Polymerization Peroxxyacetic acid Starch Oligomerization Synthesis Polyvinyl acetate Conversion Polymerization Transesterification ε-caprolactone Ring-opening Polymerization Fermentation Isolation of biopolymer (bio-based) Caprolactam Compounding and granulation Ammonia Condensation Bio-based dicarboxylic acids Petro-based Diamines Condensation Vegetable oil/fat Biogenic polyols multivalent oil alcohols (dicarboxylic acids) Petro-based Isocyanates Polyaddition Cellulose Petro-based fatty acids acid anhydrides Caustic Alkalization soda Cellulose Alkali cellulose Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres PVOH (PVB) PCL PHA (PHB) Ring-opening Polymerization Amino carboxylic acids Alkalization PLA Starch-based biopolymers Fermentation/ Denature/ Fillers Starch, Glucose, Vegetable oil, Organic acids Vegetable oil/fat Lactide Esterification Plasticizer Alkali cellulose Etherification Sulfidation CelluloseXanthogenate Bio-PA Bio-PUR Cellulose Derivates Cellulose Ester Cellulose Ether Polymerization Regenerate Cellulose 12 6 Theoretical minimum and maximum yields per acreage of bioplastics [t Biopolymer/(ha*a)] 35 30 25 20 15 10 5 0 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 [106 t] Annual bioplastic production in 2016 [106 t] Land use for bioplastic production in 2016 (assumption 0,5 kt BP/km2) [km2] Arable land [km2] World 265 5.8 11.500 14 million EU 60 0.3 1.000 1.1 million Germany 20 0.15 500 0.12 million Lake Constance Land use for the annual bioplastic production in 2016: < 0,1 % of the global arable land. 540 Full replacement of petro-based plastics of the automotive industry with bioplastics requires < 0,3 % of the global arable land. Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 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. 14 7 End-of-Life Options of Biopolymers Litter Dissolving in (salt) water Chemical Recycling Landfill Metabolization in organism Mechanical Recyling Biopolymer product Neutral Incineration Industrial Composting Anaerobic digestion Domestic ( Bio-methane) composting Decomposition in soil 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 Production waste unalloyed alloys laminates Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres Postconsumer Waste of events Household garbage almost unalloyed, contaminated with food Material mixture, composites, alloys polluted 16 8 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 -1 0 1 Rotational rheometer Melt flow index Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres Injection molding 2 3 4 5 6 & [1/s] Log (γ) Capillary rheometer 18 9 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 Cradle to cradle-LCA of Danone Activia-cup (115 g) of PS and PLA Reference Impact Category PLA PS CO2 C2H4 PO4SO2 kg PM 10 Global Warming Potential (GWP) Ozone Creation Potential (Sumer-Smog) (POCP) Eutrophication Potential (EP) Acidification Potential (AP) Dust + + kg crude oil units GJ m3 m2/Jahr Non Renewable Energy Use (NREU) Comulated Non Renewable Energy Use Water consumption 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 Zurück zum Solarzeitalter Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 23 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 24 12 Lack of data (quality, quantity and comparability) Manufacturers of Biopolymers Manufacturing Industry / User Databank Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 25 Biopolymer Database – Comparison of materials and properties Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 26 13 Für weitere Informationen http://www.hanser.de/buch.asp?isbn=978-3-446-42403-6&area=Technik http://www.hanser.de/buch.asp?isbn=3-446-41683-8&area=Technik Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 27 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 28 14 Die Bedeutung der Kommunen Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 29 See www.nawaro-kommunal.de and www.fnr.de Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 30 15 Beispiel 1 Tastatur ‚Fujitsu KBPC PX ECO‘ • Gehäuse aus Celluloseacetat, beständig • Bürobedarf / Elektroartikel • Keine weiteren Zertifikate • Biobasierter Anteil ~ 45 % • Im Einzelhandel verfügbar • Preis: ab ca. 36,00 € • Quelle: Fujitsu / bdbayershop.de Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 31 Beispiel 2 Öko-USB-Stick ‚Emtec M600‘ • Gehäuse aus PLA, beständig • Bürobedarf / Elektroartikel • Biobasierter Anteil 100 % (Gehäuse) • Keine weiteren Zertifikate • Im Onlineshop verfügbar • Preis: ca. 14,30 € (4 GB) • Quelle: EMTEC / ZBP Media Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 32 16 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, • Bürobedarf Filterfasern aus Recyclingmaterial • Keine weiteren Zertifikate • Biobasierter Anteil >= 70 % • Im Einzelhandel verfügbar • Preis: ab ca. 0,95 € • Quelle: edding AG / bfh24.de Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 34 17 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres IfBB - Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe Hochschule Hannover Fakultät Maschinenbau und Bioverfahrenstechnik Heisterbergallee 12 D-30453 Hannover Tel.: 0049 (0)511-9296-2212 Fax: 0049 (0)511-9296-2210 Email: [email protected] Internet: www.ifbb-hannover.de Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 35 18
