Biobasierte Werkstoffe und ihre Förderung durch die FNR

Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) fördert als Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) Forschung und Entwicklung zu biobasierten Werkstoffen seit ihrer Gründung im Jahr 1993. Man unterscheidet im Bereich der biobasierten, also ganz oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen bestehenden Werkstoffe grob drei Gruppen: Biokunststoffe/ Biopolymere, naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) und so genannte Wood- PlasticComposites (WPC). Der Text gibt einen Überblick über diese Werkstoffgruppen und stellt die Förderpolitik der FNR sowie einige konkrete Projektbeispiele vor. Weitere Informationen finden sich auf www.fnr.de, www.biopolymernetzwerk.de und www.biowerkstoffe.info.

Biokunststoffe

Die Geschichte der Biokunststoffe ist lang: In moderner Zeit begann sie im 19. Jahrhundert. Die Entdeckung der Gummiherstellung aus Naturkautschuk, die auf das Jahr 1841 datiert, war eine der frühesten Entwicklungen. Mit Cellulose-Acetat und -Nitrat, Celluloid, Cellophan, Bakelit und Galalith folgte eine Reihe weiterer früher Biopolymere. Nach einer gut 100 jährigen Entwicklungsunterbrechung, bedingt durch die steile Karriere der erdölbasierten Kunststoffe, kam 1988 dann die thermoplastische Stärke auf den Markt, seit 1998 gibt es das als „flüssiges Holz“ bezeichnetet Arboform aus Lignin, seit 2002 Polymilchsäure (PLA) aus Zucker oder Stärke. Aktuell an Bedeutung gewinnen so genannte Drop-In-Kunststoffe, pflanzenbasierte Kunststoffe, die chemisch baugleich mit konventionellen Materialien aus Erdöl sind, wie Bio-PE (Bio-Polyethylen) und Bio-PET (Bio-Polyethylenterephthalat). Weil die Industrie ihre etablierten Verfahren mit diesen Kunststoffen weiter nutzen kann, fragt sie sie zunehmend nach. Aktuell beläuft sich der Anteil von biobasierten Kunststoffen an der Gesamtkunststoffproduktion noch auf ca. 8 Prozent (inkl. Kautschuk, Chemiefasern und Polymere in nicht-werkstofflichen Anwendungen, Quelle: Nova-Institut). Die dafür benötigte Fläche zum Anbau der Rohstoffe liegt weit unter einem Prozent der weltweiten Acker- und Grünlandflächen. Aktuelle Marktstudien wie z.B. vom Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe der Hochschule Hannover (IfBB) (www.downloads.ifbb-hannover.de) oder vom Nova-Institut (www.bio-based. eu/market_study) prognostizieren jedoch in den nächsten Jahren ein Wachstum um ein Vielfaches. Biopolymere gehören wie auch NFK zu den allerersten Themen, zu denen das BMELV über die FNR Forschungsprojekte förderte. „Polymere aus Cellulose: Extrudierbare, kompostierbare, alliphatische Cellulosederivate“ oder „Entwicklung von bioabbaubaren Materialien auf Stärkebasis“ oder „Optimierung von Stärkewerkstoffrezepturen für die praxisgerechte Verarbeitung durch Extrusion und Spritzguß mit Hilfe von DSC- und Exzessvolumenmessungen“ sind Beispiele dafür. Aus diesen Projekttiteln wird zweierlei deutlich: Zum einen lag der Fokus zu Beginn noch stark auf bioabbaubaren Werkstoffen, zum anderen galt es, die Biokunststoffe für die Verarbeitungsverfahren der Kunststoffindustrie weiter zu optimieren. Hier hat sich inzwischen einiges getan: So spielt die Abbaubarkeit heute nur noch da eine Rolle, wo sie sie einen speziellen Mehrwert erbringt, etwa bei medizinischem Material, das nicht nachträglich entfernt werden muss, oder bei Mulchfolien, die auf dem Acker verbleiben können. Die generelle Entsorgung von kompostierbaren Biokunststoff-Verpackungen über die kommunale Bioabfallsammlung und industrielle Kompostierungsanlagen hat sich hingegen nicht durchgesetzt. Heute favorisiert man möglichst langlebige Materialien, die nach Gebrauchsende recycelt bzw. energetisch genutzt werden, zum Beispiel über Müllverbrennungsanlagen mit Kraft-Wärmekopplung. Nicht nur, weil sich die Kompostierung in der Praxis aufgrund ungenügender Verweilzeiten in den Industrierotte-Anlagen als schwer umsetzbar erwiesen hat, sondern auch, weil dabei lediglich Wasser und CO2 frei werden, es zu keiner Humusneubildung kommt und der Energiegehalt der Werkstoffe bzw. die Syntheseleistung der Herstellung verloren gehen.

Hinzu kommt, dass sich Biokunststoffe heute auch vermehrt Anwendungsbereiche erobern, in denen ein Abbau ohnehin unerwünscht wäre. Beispiel Automobilbau: Biokunststoffe sind hier als Bestandteil von naturfaserverstärkten Kunststoffen im Innenausbau bereits in einigen Modellreihen serienmäßig im Einsatz. Im Rahmen von Pilotprojekten werden sie auch in Außenbauteilen erprobt (siehe Info unten im Kasten). Auch bei der Eignung der verschiedenen Biokunststoffe für industrielle Verarbeitungsverfahren ist die Entwicklung heute im Vergleich zum Beginn der Fördertätigkeit der FNR weit voran geschritten, auch wenn hier noch längst nicht alle Detailprobleme gelöst sind. Grundsätzlich stehen heute jedoch für alle gängigen Verfahren wie Spritzguss, Folienblasen, Spritzblasen, Extrudieren und Kalandrieren geeignete Biokunststoffe zur Verfügung. Aus Industriesicht ist es wichtig, über die Eigenschaftskennwerte der jeweiligen Materialien zu verfügen, um Maschinen und Verfahren optimal anpassen zu können. Noch immer gehört die mangelnde Verfügbarkeit dieser Daten zu den häufigsten Gründen, aus denen auf den Einsatz der neuen Werkstoffe verzichtet wird. Die FNR hat deshalb bereits zwischen 2006 und 2009 die Erstellung einer Kennwerte-Datenbank, der Biopolymerdatenbank, gefördert, die unter www. materialdatacenter.com im Internet frei zugänglich ist, deren Bekanntheit aber noch zunehmen muss.

NFK und WPC

Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) erhalten ihre Stabilität durch eingearbeitete Naturfasern. Bauteile aus NFK weisen hohe Steifigkeiten und Festigkeiten bei geringer Dichte auf. Einfach gesagt: Sie sind mechanisch stark belastbar und gleichzeitig leicht, also ideal geeignet für den modernen Automobilbau. Moderne NFK wurden in den 80er Jahren vor allem in Deutschland entwickelt und ab den 90er Jahren zunehmend von der Automobilindustrie im Innenausbau von Mittel- und Oberklassewagen eingesetzt. Bei der Verarbeitung von NFK dominierte lange Zeit die Form- und Fließpresstechnik. Noch 2005 wurden 96 Prozent aller NFK mit diesem Verfahren hergestellt. Erst seit Mitte des letzten Jahrzehnts ist es möglich, NFK auch im Spritzgussverfahren zu verarbeiten. Das für den Naturfaser-Spritzguss erforderliche Granulat besteht typischerweise aus ca. 30 Prozent Naturfasern, 65 Prozent Polypropylen (PP) sowie fünf Prozent Additiven und Haftvermittlern. Statt eines mineralölbasierten Polymers können auch thermoplastisch verarbeitbare Biopolymere wie Lignin oder PLA (Polymilchsäure) Verwendung finden. Holz-Polymer-Werkstoffe (engl. Wood- Plastic-Composites – WPC) sind Verbundwerkstoffe mit veränderlichen Anteilen von Holz und Kunststoff (meist PE (Polyethylen) oder PVC (Polyvinylchlorid)), die die Eigenschaften beider Bestandteile vereinen. Der Markt in Deutschland ist noch klein und wird auf etwa 20.000 bis 30.000 t WPC mit einem Holzfaseranteil von etwa 12.000 bis 15.000 t (Quelle: nova-Institut) geschätzt. In Deutschland konzentriert man sich auf Anwendungen im Außenbereich wie Terrassenbeläge, Fensterrahmen und Zaunsysteme sowie auf den WPC-Einsatz im automobilen Innenbereich und Konsumgüter und Kleinteile für die Möbelindustrie.

Die Industrie mit einbeziehen

Ein zentraler Ansatz der FNR ist es bei den biobasierten Werkstoffen wie auch bei anderen Themen, die Entwicklung gesamter Herstellungsketten „vom Acker bis zur Entsorgung“ zu fördern und dafür möglichst auch die Industrie in Forschungsprojekte einzubinden. Hier haben sich so genannte Verbundprojekte bewährt, bei denen Wissenschaft und Unternehmen jeweils in Teilvorhaben gemeinsame Fragestellungen bearbeiten. Um eine möglichst große Nähe zur Praxis herzustellen und positive Rahmenbedingungen für eine schnelle Markteinführung zu schaffen, haben sich auch die zu einer festen Institution gewordenen „Gülzower Fachgespräche“ als hilfreich erwiesen. Dabei eruiert die FNR gemeinsam mit Wissenschaft und Wirtschaft den Forschungsbedarf innerhalb der einzelnen Teilthemen und veröffentlicht im Anschluss Förderschwerpunkte, um Forschung und Entwicklung gezielt da anzustoßen, wo es noch Hürden für den Durchbruch der neuen Verfahren, Materialien und Produkte gibt. Aktuelle Förderschwerpunkte im Bereich Biowerkstoffe sind „Stärke als chemisch-technischer Rohstoff“, „Stoffliche Nutzung von Lignin“ sowie „Biobasierte Polymere und biobasierte naturfaserverstärkte Kunststoffe“. Die Bekanntmachungen der einzelnen Förderschwerpunkte stehen auf fnr.de – Projekte & Förderung – Nachwachsende Rohstoffe – Förderschwerpunkte bereit.

Lignin

Lignin fällt als Nebenprodukt bei der Zellstoffgewinnung weltweit im Millionentonnenmaßstab an. Im Rahmen von Lignocellulose-Bioraffineriekonzepten dürften zukünftig enorme zusätzliche Mengen zur Verfügung stehen. So wird derzeit mit Förderung des BMELV über die FNR die erste Pilot-Lignocellulose-Bioraffinerie in Leuna errichtet, die die getrennte Gewinnung der drei chemischen Holzfraktionen Cellulose, Hemicellulose und Lignin aus Buchenholz in hochreiner Form ermöglicht. Trotz der großen Verfügbarkeit von Lignin stehen aufgrund verfahrens- und anwendungstechnischer Hemmnisse bis heute nur wenige stoffliche Verwendungs möglichkeiten zur Verfügung. Das Ziel des FNR-Fröderschwerpunktes „Stoffliche Nutzung von Lignin“ ist deshalb die Entwicklung neuer Verfahren zur Ligninkonversion und -modifikation mit Hilfe des gesamten Spektrums chemischer, chemisch-katalytischer und biotechnologischer Methoden.

Biopolymernetzwerk

Neben der klassischen Fördertätigkeit engagiert sich die FNR stark in der Information und auch Kommunikation mit den Akteuren. Mit dem Biopolymernetzwerk bei der FNR nahm 2011 – vom BMELV ins Leben gerufen und unterstützt – eine junge Initiative ihren Anfang. Mit Blick auf aktuelle Themen und Probleme beim Einsatz von biobasierten Werkstoffen und deren Anwendungen spricht das Netzwerk verschiedenste Akteure an, initiiert Diskussionsprozesse und erarbeitet notwendiges Hintergrundwissen. Schwerpunkte der Netzwerkaktivitäten liegen aktuell u.a. auf den Themen ‚Verarbeitung’ und ‚Verwertung & Entsorgung’.

4 regionale Beratungszentren im Aufbau

Mit dem neuen Verbundvorhaben „Verarbeitung von biobasierten Kunststoffen und Errichtung eines Kompetenznetzwerkes im Rahmen des Biopolymernetzwerkes bei der FNR“ soll dem Informationsdefizit vor allem bei klein- und mittelständischen Unternehmen bei der Verarbeitung der neuen Kunststoffe begegnet werden. Ziel ist es, ein bundesweites Kompetenznetzwerk mit vier regional verteilten Zentren zu errichten. Dort setzt man sich das Ziel, die Informationsbasis zur werkstofflichen Verarbeitung von marktgängigen, aber auch von neuen biobasierten Polymeren einschließlich naturfaserverstärkten biobasierten Kunststoffen für Industriepartner wesentlich zu verbessern. Verbundpartner sind das Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) der Hochschule Hannover, SKZ – das Kunststoff-Zentrum, das Fraunhofer Institut für angewandte Polymerforschung (IAP) in Potsdam und die Technische Universität Chemnitz, Professur für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung. Schwerpunkte des Verbundvorhabens liegen nicht nur bei der Datenermittlung und –aufbereitung der vielfältigen Verarbeitungsverfahren, sondern insbesondere auch beim Technologietransfer aus Forschung und Entwicklung hin zu den Verarbeitern von biobasierten Werkstoffen und der fachlichen Vernetzung mit weiteren Partnern. Die Wissensvermittlung umfasst diverse Verarbeitungsverfahren, so z. B. vom Spritzgießen über die Verbindungstechnik bis hin zum Kunststoff-Fließpressen und vielem mehr.

Informationen speziell zu Entsorgung und Recycling

Fachliche Unterstützung im Bereich der Verwertung & Entsorgung von Produkten aus biobasierten Polymeren erhält das Biopolymernetzwerk bei der FNR durch ein aktuelles Vorhaben bei der Knoten Weimar GmbH. Hier soll eine Beratungsstelle aufgebaut und etabliert werden, die sich mit Fragen zum Recycling und Verwerten von Produkten aus biobasierten Polymeren befasst. Bisher spielten biobasierte Kunststoffe aufgrund ihrer geringen Produktions- und damit auch Abfallmengen nur eine untergeordnete Rolle im Bereich des Stoffstrommanagements von Kunststoffen. Doch mit zunehmender Menge und Zahl an Produkten aus biobasierten Kunststoffen sind diese vermehrt im Abfall wiederzufinden. Während sich die chemisch gleichartigen Kunststoffe wie biobasiertes PET oder PE in die bekannten Verwertungskreisläufe integrieren, können neuartige Kunststoffe wie PLA oder Stärkeblends zu Störungen in den etablierten Recyclingprozessen führen. Zusätzlich stellen rechtliche Änderungen wie z.B. das Auslaufen der Ausnahmeregelung für biologisch abbaubare Kunststoffe in der Verpackungsverordnung und eine erhöhte Aufmerksamkeit bei Verbrauchern sowie Umweltverbänden die Unternehmen vor weitere Herausforderungen. Mit dem Aufbau einer Beratungsstelle für die verschiedenen Interessensgruppen – vom Hersteller über den Entsorger bis hin zum Rezyklatverarbeiter und darüber hinaus auch für kommunale Entscheider – steht ab sofort nicht nur ein kompetenter Ansprechpartner zur Verfügung, sondern es werden auch weitergehende Informationen und Handlungsempfehlungen erarbeitet. Die Beratungsstelle unterstützt das Biopolymernetzwerk fachlich in der Thematik Verwertung und Recycling von biobasierten Polymeren.

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