Aus der Branche

Vom Biomasseanbau und der energetischen Nutzung über das Herstellen von Zwischenprodukten bis hin zum Verwenden biogener Ressourcen in langlebigen Verbraucherprodukten: die Bioökonomie umgibt uns schon heute tagtäglich. Doch welche Innovationen zeichnen sich ab, um die Wirkung biogener Ressourcen im Sinne des Klimaschutzes zu maximieren? Das war Thema beim Online-Werkstattgespräch Bioökonomie der Zuse-Gemeinschaft am 6. Oktober.

CO₂ einsparen durch biogene Schäume und Fasern für den Auto-Innenraum
Wie textile Anwendungen aus der Bioökonomie verstärkt in einem Schlüsselbereich der Energiewende - der Mobilität - zum Zuge kommen können, berichtete Dr. Frank Meister, Abteilungsleiter Chemische Forschung beim Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung (TITK) anhand des von der Europäischen Union geförderten Projekts BioMotive.

Das TITK ist dort eingebunden in die Entwicklung biogener Fasern und neuer Leichtbauwerkstoffe für den Auto-Innenraum, wo sie z.B. für Sitze, Armaturenbrett oder Türinnenverkleidung gebraucht werden. Unter anderem entwickelten die Forschenden neue sogenannte Lyocellfasern aus modifizierten Papierzellstoffen. Der besondere Vorzug am TITK: An dem Thüringer Institut konnten die neu entwickelten Fasern in einer kleintechnischen Versuchsanlage im Maßstab von mehreren 100 kg hergestellt werden. Das erhöht die Vergleichbarkeit mit den Realitäten der Industrie und war Design-Basis für eine unlängst errichtete Demo-Anlage der Metsä-Tochter MI Demo im finnischen Äänekoski. „Lyocellfasern als biogener Werkstoff vermeiden Umweltbelastungen wie sie bei anderen Materialien durch die Risiken von Mikroplastik entstehen. Hinzu kommt als Klima-Plus: Durch die von uns mit entwickelten und bewerteten Fasern und Verfahrensprinzipien lässt sich der CO₂-Fußabdruck bei der Produktion von Fahrzeugen spürbar verringern“, erklärt Meister.

Kombination von CO₂-Elektrolyse und Biotech-Wertstoffsynthese
Dass mithilfe von Bioökonomie-Lösungen CO₂ nicht nur eingespart werden kann, sondern auch negative Emissionen des Klimagases erreichbar sind, deutete Dr. Markus Stöckl vom DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) an. In seinem Vortrag „Mit Strom und CO₂ zum Biokunststoff“ zeigte er auf, wie die Elektrolyse dazu genutzt werden kann, Erneuerbare Energien „lagerbar“ zu machen. Der Ansatz: Aus Kohlendioxyd so genanntes Formiat zu produzieren, das als Feststoff lagerbare Salz der Ameisensäure, das Mikroorganismen als Energie- und Kohlenstoffquelle dienen kann, die wiederum daraus den Biokunststoff Polyhydroxybutyrat (PHB) herstellen. Durch die elektrochemische Herstellung des Zwischenprodukts Formiat können unterschiedliche Mikroorganismen eingesetzt werden.

Trützschler Nonwovens und Voith unterstützen das indische Unternehmen Tufropes, seine Pentamer-Technologie zu realisieren. Die neue Vliesstoffanlage wird in der Lage sein, fünf verschiedene umweltfreundliche, wasserstrahlverfestigte Produkttypen herzustellen.

Die von Tufropes zum Patent angemeldete Pentamer-Technologie basiert auf Trützschler/Voith-Kernkomponenten zum Nasslegen und Kardieren der Fasermaterials sowie zur nachfolgenden Wasserstrahlverfestigung des Vlieses. Zusätzliche Eigenentwicklungen werden die Herstellung sehr unterschiedlicher, wasserstrahl-verfestigter Vliesstoffe ermöglichen – insbesondere umfasst das Produktspektrum biologisch abbaubare, umweltfreundliche Hochleistungsvliesstoffe. Das erste industrielle Vliesprojekt auf Basis der Pentamer-Technologie von Tufropes wird nächstes Jahr in Gujarat in Betrieb genommen.

Die Indorama Mobility Group, ein Hersteller von Industriefasern, Seilen und Geweben, sieht sich seit Jahresbeginn – wie andere Unternehmen - mit erheblichen Preissteigerungen konfrontiert. Die Weltwirtschaft erholt sich 2021 allmählich von den Auswirkungen der COVID19-Pandemie, hat aber immer noch unter sehr volatilen Marktbedingungen zu kämpfen: Der globale Frachtverkehr ist nach wie vor unzuverlässig und teuer, die Kosten für Energie und globale Rohstoffe steigen, und der zunehmende Fokus auf Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit treibt die Kosten für die Einhaltung von Vorschriften in den meisten Teilen der Welt in die Höhe.

Im Einzelnen bedeutet das:

• Energieversorgung: Der Gaspreis hat sich in Europa in den letzten Monaten verdreifacht (von 15 EUR/MWh im 4. Quartal 2020 auf 45 EUR/MWh in jüngster Zeit), während er in den USA um 50% gestiegen ist
• CO₂-Emissionen und Compliance Kosten: Die Preise für CO2-Zertifikate haben sich in Europa fast verdoppelt und nähern sich 60 EUR/Tonne gegenüber 30 EUR/Tonne Ende letzten Jahres, während die Vorschriften den Bedarf an CO₂-Kompensation weiter erhöhen.
• Chemikalien und Zusatzstoffe (Spinfinish, Dipping-, Beschichtungs- und Laminierungschemikalien): Die Kosten sind um 5% gestiegen.
• Verpackung: Die Preise für Standardverpackungsmaterialien sind um mehr als 30% gestiegen.
• Logistik: Trotz unseres lokalen Produktionsstandorts, der nicht vollständig von globalen Frachtproblemen betroffen ist, steigen die regionalen Logistikkosten um bis zu 20% (Straßentransport)

Trotz ständiger Bemühungen um eine Optimierung der Kostenstruktur durch umfassende Initiativen zur Verbesserung der Betriebsabläufe hätten die Kostensteigerungen nun ein Niveau erreicht, so die Gruppe, das nicht mehr ausgeglichen werden könne und an den Markt weiterzugeben sei. Dies sei ein notwendiger Schritt, um weiterhin qualitativ hochwertige Produkte und Dienstleistungen des breiten Produktportfolio anbieten zu können.

• Volle Auslastung der Produktionskapazitäten am Standort möglich
• Neue EU-Umweltauflagen ab 2024 werden zeitgerecht und vollständig erfüllt

Die Lenzing Gruppe, weltweiter Anbieter von holzbasierten Spezialfasern für die Textil- und Vliesstoffindustrie, investiert GBP 20 Mio. (umgerechnet EUR 23,3 Mio.) in die Errichtung einer neuen, hochmodernen Abwasseraufbereitungsanlage am Standort Grimsby, Großbritannien. Das Unternehmen setzt damit eine geplante Maßnahme zur Reduzierung der Abwasseremissionen bis 2022 um.

Lenzing verfügt mit der Implementierung dieses Projekts an allen Produktionsstandorten über biologische Abwasseraufbereitungsanlagen nach dem Qualitätsstandard der besten verfügbaren Technik (BVT, engl. best available techniques = BAT). Das Anlagendesign mit neuer Technologie, die im Rahmen eines Forschungsprojekts entwickelt wurde, erfüllt alle Vorgaben der britischen Regulierung und wird von den lokalen Behörden unterstützt.

Die derzeitige Abwassersituation am Standort entspricht der EU-Wasser-Rahmenrichtlinie sowie sämtlichen lokalen Gesetzen und Vorschriften. Die Genehmigung der Investition durch den Aufsichtsrat stellt sicher, dass noch in diesem Jahr mit dem Bau begonnen und die Inbetriebnahme rechtzeitig vor Inkrafttreten der von Großbritannien ratifizierten EU-Richtlinie1 erfolgen kann. Das Investment ist das größte seit der Inbetriebnahme dieses Lyocellstandortes, der insbesondere Premiumprodukte für technische und innovative Marktsegmente erzeugt.

Neben der Modernisierung der Abwasseraufbereitungsanlage am Standort Purwakarta (Indonesien) stellt die Implementierung der neuen Anlage in Grimsby eine weitere wichtige Maßnahme zur Reduzierung der gruppenweiten Abwasseremissionen um 20 Prozent bis 2022 (Ausgangsbasis 2014) dar. Der verantwortungsbewusste Umgang mit Wasser ist einer der Kernbereiche der Lenzing Nachhaltigkeitsstrategie „Naturally positive“. Wesentliche Themen dafür sind die effiziente Wassernutzung bei der Produktion und der Einsatz modernster Wasseraufbereitungstechnologien.

Das im Mai 2019 gegründete Unternehmen Teijin Carbon Vietnam Co. (TCV) in Ha Nam, Vietnam hat den kommerziellen Betrieb aufgenommen und Kohlenstofffaserprodukte einschließlich Prepreg – ein mit Matrixharz vorimprägniertes Halbzeug für Verbundwerkstoffe – herstellen. TCV wird zunächst Carbonfasermaterialien für Sport- und Outdoor-Aktivitäten – wie Angel-, Golf-, Fahrrad- und Eishockeyartikel – für die Märkte in Südost- und Südasien sowie im asiatisch-pazifischen Raum produzieren. Der Vertrieb wird über TCV sowie über die in diesen Regionen tätigen Carbonfaser-Vertriebsgesellschaften von Teijin erfolgen.

Die Vertriebsniederlassungen von Teijin in Singapur, Shanghai und Taipeh sind auf der Suche nach neuen Geschäftsbereichen. Interne Kooperationen zwischen diesen Unternehmen und TCV sollen die Präsenz von Teijin in den vor- und nachgelagerten Bereichen der schnell wachsenden Märkte Asiens stärken.

Es wird erwartet, dass die zunehmend strengeren Umweltmaßnahmen und die Aufwertung von Umweltabkommen, wie z. B. die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) und das Pariser Abkommen, den verstärkten Einsatz von leichten und hochfesten Kohlenstofffasern fördern werden. In Asien wächst die Nachfrage vor allem in den Bereichen Sport und Outdoor-Aktivitäten, Industrie sowie Luft- und Raumfahrt. COVID-19 zum Beispiel hat zu neuen Trends bei Sport- und Outdoor-Aktivitäten geführt, wie z. B. ein erneutes Interesse am Angeln, da es mit den sozialverträglichen Bestimmungen kompatibel ist.

Der Maschinenbau ist eine Stärke der deutschen Industrie. In Leitbranchen, deren Produkte in einem globalisierten Umfeld starker Konkurrenz ausgesetzt sind, kann der Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) dazu beitragen, Industriekapazitäten und Knowhow in Deutschland zu halten, im Maschinenbau und nachgelagerten Branchen. Doch erst durch praxisnahe Anwendung in der Industrie kann KI seine Stärken für Unternehmen voll entfalten. Wie das mit dem Beitrag angewandter Forschung geht, zeigen Textilindustrie und -maschinenbau ebenso wie die Kunststoffbranche.

Mit der Corona-Krise sind Vliesstoffe über die Fachwelt hinaus bekannt geworden, denn sie bilden das Ausgangsmaterial für Schutzmasken. Die aufgetretenen Engpässe am Markt 2020 zeigten, wie stark Deutschland hier von Lieferungen aus dem Ausland abhängig ist. Zugleich ist Deutschland in anderen Vliesstoff-Segmenten und bei Maschinen für die Vliesstoffherstellung eine wichtige Größe auf den Weltmärkten. Damit das so bleibt, arbeitet die Branche an Innovationen. Ein zentraler Baustein dafür: Die Nutzung Künstlicher Intelligenz (KI).

Das Auge auf der lernenden Maschine

Am ITA Augsburg hat man dafür Grundlagen in einem Projekt gelegt, auf denen sich nun aufbauen lässt. Die Vision: Die Maschine zur Vliesstoffproduktion passt die Parameter entsprechend den Erfordernissen im laufenden Betrieb autonom an. Etwaig auftretende Fehler werden von der Maschine selbstständig diagnostiziert, die Drehzahlen entsprechend angepasst. „Wir haben im Projekt EasyVlies gezeigt, wie sich mit der Nutzung von Algorithmen für die Vliesstoffproduktion Material- und Energiekosten einsparen lassen. Zusammen mit Partnern aus der Industrie haben wir erreicht, dass die Maschine zentrale Parameter wie Drehzahlen und Abstände, von denen eine große Kombinationsmenge für das Erreichen der gewünschten Produktqualität notwendig sind, durch das entwickelte KI-Modell vorhergesagt werden. „Die Abstände der bis zu 40 Arbeitselemente in der Maschine bestimmen dabei in Kombination mit den Drehzahlen der beteiligten Walzen die Öffnung der Faserflocken bis zur Einzelfaser und die Bildung des Vlieses“, erläutert ITA-Augsburg Geschäftsführer Prof. Stefan Schlichter. Die naturwissenschaftlichen Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den Drehzahlen und den Qualitätsparametern der Vliesstoffproduktion sind nicht eindeutig bekannt. Gerade deshalb kann KI hier seine Vorteile ausspielen. „Denn Künstliche Intelligenz kann auch diffuse Zusammenhänge modellieren und simulieren“, betont Schlichter. Die Algorithmen dafür hat Maschinenbauingenieur Dr. Frederik Cloppenburg aus dem Aachener ITA-Stammhaus entwickelt, 280 Versuche wurden im Zusammenspiel mit der KI-Entwicklung durchgeführt.

In der unternehmerischen Praxis lernen die Algorithmen nun hinzu. Das zeigt  bei einem Vliesstoffbetrieb der Fahrzeugbranche bereits erste Erfolge in der betrieblichen Praxis. Im nächsten Schritt arbeiten die ITA-Forschenden daran, Messtechnik wie Kamerasysteme und strahlungsbasierte Messsysteme für die Gleichmäßigkeit des Vliesstoffs in die Maschinen zu integrieren. Ziel: Fehler so prognostizieren, dass sie gar nicht erst auftreten. Das Aufkommen an Vliesstoff-Ausschuss soll so um 30 bis 50 Prozent sinken. Angesichts von bislang jährlich allein in Deutschland anfallender Ausschussware im Wert von 150 Mio. Euro, das entspricht 10 Prozent des Branchenumsatzes, ein erheblicher Anreiz. „Die hoch qualifizierten Facharbeiter beaufsichtigen sozusagen die lernende Maschine“, erklärt Schlichter.

Industrie 4.0 wird in der Kunststoffbranche künftig auch benötigt, um das Ziel höherer Recyclingquoten zu erreichen. Denn eine weniger einheitliche Rohstoffbasis macht lernende Maschinen noch wertvoller. Das ist auch Ausgangspunkt des vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderten Verbundprojekts CYCLOPS des Kunststoff-Zentrums (SKZ) und namhaften Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft. Durch den Einsatz von KI sollen Materialströme automatisiert klassifiziert werden, damit sie sich optimal verwenden lassen. „Die Maschinen sollen künftig eigenständig erkennen, in welche Anwendungen produzierte Materialien eines bestimmten Typs gehen können“ erläutert SKZ-Gruppenleiter Digitalisierung, Christoph Kugler. Ein Faktor: Die Fließfähigkeit des Kunststoffs, seine Viskosität. Je kürzer die Polymerketten des Materials, desto größer, vereinfacht gesagt, ihre Fließfähigkeit. Für diese Fließfähigkeit spielt andererseits auch das Druckniveau in der Maschine eine Rolle. Hier kommt wiederum die KI ins Spiel: „Durch Künstliche Intelligenz können Materialeigenschaften und selbst lernende Maschinensteuerungen sehr gut ineinanderwirken, so unsere Erwartung“, erklärt Kugler. Grundlage für die angewandte Forschung im Projekt CYCLOPS sind sowohl Prozessdaten aus den Maschinen, welche die Materialqualität beschreiben können, als auch Daten entlang des Lebenswegs von Material und Produkt. Im Rahmen des Projektes werden damit die Transparenz und die Informationsdichte erhöht, welche nach wie vor einige der größten Hemmnisse der Kreislaufwirtschaft sind.

Neue Expertisefelder wie Erklärbare KI erschlossen

Das SKZ baut mit dem Projekt auf KI-Expertise auf, die über abgeschlossene und noch laufende Projekte erarbeitet wurde. In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt in der Entwicklung sogenannter Softsensoren aus Prozessdaten zur Berechnung komplexer Qualitätskennwerte wie z.B. Viskosität oder Vernetzungsgrad des Kunststoffs. Durch die Weiterentwicklung der Technologie werden neue Expertisefelder erschlossen, so z.B. Optimierung der Prozessmodellierung durch KI, Prognose von Materialverhalten unter Last oder auch erklärbare KI (XAI), sie beschreibt den Weg, auf dem Algorithmen zu ihren Ergebnissen gelangen. In den letzten Jahren wurde ebenfalls der Einsatz von digitalen Technologien und KI im Kontext der Kreislaufwirtschaft am SKZ forciert, so in den noch jeweils bis ins nächste Jahr hinein laufenden Projekten Di-Plast und DiLinK. Während Di-Plast ein EU-Projekt ist, wird DiLink ebenfalls vom BMBF gefördert. Mit dem FIR e.V. ist ein weiteres Institut der Zuse-Gemeinschaft im DiLink-Projektkonsortium vertreten, mit dem Fokus auf dem Thema Geschäftsmodelle. Denn diese verändern sich durch das Vordringen der KI in immer mehr Aspekten des Maschinenbaus.

• CO₂-Emissionen werden um 320.000 Tonnen pro Jahr reduziert
• Erster Anbieter von holzbasierten Cellulosefasern in China mit vollständigem Kohleverzicht
• Anteil umweltverträglicher Spezialfasern wird deutlich erhöht
• Lenzing mit diesen Investitionen strategisch voll auf Kurs

Die Lenzing Gruppe, weltweit führender Anbieter von holzbasierten Spezialfasern, wird mehr als 200 Mio. EUR in ihre Produktionsstandorte in Purwakarta (Indonesien) und Nanjing (China) investieren, um bestehende Kapazitäten für Standardviscose in Kapazitäten für umweltverträgliche Spezialfasern umzuwandeln.

In Nanjing (China) wird mit dieser Investition der erste Produktionsstandort für holzbasierte Cellulosefasern in China geschaffen, der vollständig auf Kohle als Energiequelle verzichtet. Mittels innovativer gasbasierter Blockheizkraft werden über 200.000 Tonnen an CO₂-Emissionen eingespart. Gleichzeitig wird durch die Konvertierung einer Linie von Standardviscose auf 35.000 Tonnen Modalfasern der Marke TENCEL™ per Ende 2022 das gesamtes Portfolio des chinesischen Faserwerks aus nachhaltig erzeugten Spezialfasern bestehen.

In Purwarkata (Indonesien) investiert Lenzing in die Senkung der CO₂-Emissionen sowie der Luft- und Wasseremissionen. Im Zuge dieser Investition wird Lenzing ihre gesamte Viscoseproduktion in Indonesien auf die Standards des EU Ecolabel bringen. Damit wird der Standort in Indonesien per 2023 zu einem reinen Spezialviscose-Anbieter. Die Kapazitäten für Standardviscose werden mit diesem Schritt in Kapazitäten für Fasern der Marke LENZING™ ECOVERO™ für textile Anwendungen und in LENZING™ Viscose Eco Fasern für Körperpflege- und Hygieneanwendungen umgewandelt.

Beide Investitionen stehen im Einklang mit Lenzings Ziel, die Treibhausgasemissionen pro Tonne Produkt bis 2030 um 50 Prozent zu reduzieren. Durch die Investitionen an den beiden Standorten senkt die Lenzing Gruppe ihren Netto-CO2-Ausstoß um mehr als 320.000 Tonnen bzw. 18 Prozent gegenüber 2017. Darüber hinaus werden Schwefelemissionen um mehr als 50 Prozent im Vergleich zu 2019 reduziert.

Gemeinsam mit dem Lyocellprojekt in Thailand wird Lenzing den Anteil der Spezialfasern am Faserumsatz bereits bis 2023 auf deutlich über die angestrebten 75 Prozent steigern, was ein wichtiger Schritt zur Erreichung des EBITDA-Ziels von 800 Mio. EUR bis 2024 ist.