BAUM Green Office Day Endres Print

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
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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)
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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
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19
Incineration with energy recovery
Endres, Siebert-Raths:
Technische Biopolymere
Hanser Verlag 2009
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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
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21
Auch zukünftig weiteres Wachstum des
Kunststoffverbrauchs (ca. 5% jährlich)
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22
11
Zurück zum Solarzeitalter
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23
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres
24
12
Lack of data
(quality, quantity and comparability)
Manufacturers
of
Biopolymers
Manufacturing
Industry /
User
Databank
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25
Biopolymer Database
– Comparison of materials and properties
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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
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27
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres
28
14
Die Bedeutung der Kommunen
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29
See www.nawaro-kommunal.de and www.fnr.de
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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
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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
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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
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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
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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
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