Aus der Branche

Butadien ist eine wichtige Plattformchemikalie, um Polymere – u.a. für die Produktion von Autoreifen – herzustellen. Bislang wird das Monomer aber meist auf Basis von Erdöl gewonnen. Eine alternative Syntheseroute haben Forschende des Fraunhofer UMSICHT im Rahmen des Projektes Power2C4 untersucht. Im Fokus: ein katalytisches Verfahren unter Einsatz regenerativ erzeugten Stroms.

»Butadien spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Polymeren«, ordnet UMSICHT-Wissenschaftler Marc Greuel ein. Neben Polybutadien, das in Autoreifen Anwendung findet, können Polytetrahydrofuran (PTHF), Polybutylenterephtalat (PBT) und Polybutylensuccinat (PBS) aus dem Monomer erzeugt werden. »Der Haken: Aktuell wird Butadien zu 95 Prozent als Nebenprodukt beim thermischen Zersetzen von Rohbenzin zu Ethen gewonnen – unter Ausstoß von Kohlendioxid. Zudem werden die Preise für Butadien perspektivisch ansteigen, da sich die Rohstoffbasis für Ethen immer mehr in Richtung Schiefergas verschiebt und dadurch die Produktionskapazität für Butadien sinkt.« Das Interesse an einem alternativen Herstellungsprozess ist also nicht nur aus Klimaschutzgründen groß.

Die Frage, wie eine nachhaltigere, emissionsärmere und auch günstige Syntheseroute aussehen kann, stand im Zentrum des Projektes Power2C4. Angesiedelt im Kompetenzzentrum »Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme« hat es Expertinnen und Experten des Fraunhofer UMSICHT, des Gas- und Wärme-Instituts Essen e.V., des Energiewirtschaftlichen Instituts an der Universität zu Köln, des Forschungszentrums Jülich, der Ruhr-Universität Bochum, des Wuppertal-Instituts und des ZBT Duisburg zusammengeführt. Ihre Zielsetzung: Flexibilitätsoptionen vor dem Hintergrund der Energiewende zu untersuchen. Im Fokus des Teilprojekts Power2C4 stand ein neues katalytisches Herstellungsverfahren unter Einsatz regenerativ erzeugten Stroms. Ausgangspunkt ist Ethanol, das zum Beispiel im Zuge einer Hydrierungsreaktion aus CO2 und elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff gewonnen wird. Dieses Ethanol dient in einem zweiten Schritt zur Synthese von Butadien mittels des sogenannten Lebedev-Prozesses.

Vielversprechendes Katalysatorsystem identifiziert
Da der erste Schritt bereits Gegenstand zahlreicher Forschungsaktivitäten ist, konzentrierten sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Weiterveredlung des Ethanols zu Butadien und die Verfahrenskopplung beider Schritte. »Wir haben u.a. ein neues Katalysatorsystem auf Basis eines synthetischen Saponiten identifiziert und anschließend synthetisiert«, erklärt Dr. Barbara Zeidler-Fandrich vom Fraunhofer UMSICHT. Die Testung der katalytischen Aktivität erfolgte in einer eigens konstruierten Versuchsanlage. »Aufbauend auf einem ersten Screening haben wir aussichtsreiche Materialien weiter optimiert. Das Ergebnis: Verglichen mit dem unmodifizierten Ausgangsmaterial lässt sich die Butadien-Selektivität im Rahmen der Katalysatoroptimierung deutlich erhöhen. Allerdings ist auch klar geworden, dass noch weiteres Potenzial zur Verbesserung der Katalysatorperformance besteht.«

Nachhaltigkeitsbewertung des Power-to-Butadien-Prozesses
Wie nachhaltig dieser Power-to-Butadien-Prozess wirklich ist, haben Dr. Markus Hiebel und Dr. Daniel Maga vom Fraunhofer UMSICHT in einer Life Cycle Analysis (LCA) untersucht. Beleuchtet haben sie dabei – neben unterschiedlichen Katalysatoren – die Herstellungsmethode von Ethanol und die Relevanz der eingesetzte Energiequelle. »Wir konnten zeigen, dass der Lebedev-Prozess je nach verwendeter Ethanol- und Energiequelle das Potenzial hat, Butadien und damit auch Styrol-Butadien-Kautschuk aus biobasiertem Ethanol oder CO2-basiertem Ethanol herzustellen und CO2-Emissionen zu reduzieren«, so Daniel Maga. »Damit ermöglicht der Power2C4-Prozess die Nutzung alternativer Kohlenstoffquellen.« Besonders die Nutzung von Ethanol aus Restbiomasseströmen wie Bagasse oder Stroh eröffne Wege, Treibhausgasemissionen von Butadien deutlich zu reduzieren. Zudem führe ein Strommix mit immer höheren Anteilen an erneuerbaren Energien zur Möglichkeit, Treibhausgasreduktionen über Carbon-Capture-and-Utilization-Prozesse (CCU) zu realisieren.
 
FÖRDERHINWEIS
Das Kompetenzzentrum »Virtuelles Institut – Strom zu Gas und Wärme« wird gefördert durch das »Operationelle Programm zur Förderung von Investitionen in Wachstum und Beschäftigung für Nordrhein-Westfalen aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung« (OP EFRE NRW) sowie durch das Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen.

Das 16. Symposium TEXTILE FILTER des Sächsischen Textilforschungsinstituts e.V. (STFI) fand am 14. und 15. März 2023 im Hotel Chemnitzer Hof, Chemnitz, statt. Mussten vor drei Jahren wegen coronabedingter Reisebeschränkungen noch einige Vorträge über Videokonferenz gehalten werden, konnten in diesem Jahr knapp 100 Teilnehmer in Präsenz vor Ort sein. Im Rahmen des Symposiums wurden insgesamt 18 Vorträge und vier Pitch-Vorträge gehalten. Parallel wurde das Symposium von einer Fachausstellung begleitet, in der zehn Aussteller ihre Produkte und Services zeigten.

Der erste Vortragskomplex widmete sich den Themen Nachhaltigkeit, Kreislaufwirtschaft und Life Cycle Analysis (LCA). Herausgestellt wurde dabei, dass zum Vergleich der Prozesse, Materialien und Produkte die nationale und internationale Normung und Standardisierung sowie für die wirtschaftliche Durchführung die Automatisierung der LCA grundlegende Voraussetzungen sind. Außerdem wurde klargestellt, dass ein ehrlicher Vergleich der existierenden Vor- und Nachteile der biobasierten gegenüber den erdölbasierten Rohstoffen erforderlich ist.

Während der Coronakrise kam es auch in der Textilindustrie zu einem Zusammenbruch der Lieferketten. Die Lieferketten erholen sich, dafür wird die Wirtschaft gegenwärtig durch eine Energiekrise gebeutelt. Alternative Energiequellen wie Wasserstoff sind leider noch nicht ausgereift und stehen für eine umfassende Nutzung nicht bereit. Ansätze, um Energie einzusparen, sind Minimalauftragsverfahren in der Ausrüstung, die Wärmerückgewinnung, das Recycling oder die Einsparung von Verpackungen für den Transport.

Ein weiter Themenkomplex des Symposiums widmete sich der Normung und Standardisierung der Filterprüfungen. Zu erwähnen sind hier die Prüfung von Luftfiltern in Kombination mit Brandschutz für Züge, die Prüfung von Luftfiltern für Haushalt, öffentliche Räume und Industrieanlagen oder die Entwicklung von Labortestverfahren zur beschleunigten Alterungsprüfung von mobilen Entstaubungsanlagen.

Mehrere Vorträge hatten die Modellierung und Simulation von Prozessen der Vliesstoffherstellung (z. B. die virtuelle Produktion, Beeinflussung der Wolkigkeit von Extrusionsvliesstoffen oder die Verteilung von Spinnfasern und -filamenten), den Aufbau und die Charakteristik von Filtervliesstoffen (z. B. Flächenstruktur, Druckverlustkurve, Partikeltransport und -adsorption) sowie die Aerosolverteilung bzw. die Filtereffektivität in Abhängigkeit der Platzierung der Luftfilter im Raum zum Inhalt.

Auf dem Symposium wurden zudem auch verschiedene neue Materialien und Produkte vorgestellt. Dabei sind besonders hervorzuheben:

• Flüssigkeitsgefüllte Hohlfasern für die Abwasserreinigung
• Neue Spezialpapiere für Luftwärmeüberträger, bei dem ein kräuselfähiges Mikro-/Nanofasermu-
• ltifilamentgarn mit Einzelfaserdurchmessern von < 1,0 μm Fasern nach dem Island-in-the-Sea Schmelzspinnverfahren hergestellt werden
• 3D-Absorbervliesstoffe mit integrierter Gassensorik (PAKs) für die Schutzbekleidung von Einsatzkräften im Bereich Feuerwehr
• Getuftete Filterstrukturen kombiniert mit leitfähigen Interdigitalstrukturen für die Luftfiltration
• Kompakte Luftfilterelemente und deren Optimierung
• Einsatz von Ionisatoren für die Aerosolabscheidung im Filter

Abschließend stellte das STFI in eigener Sache geplante bzw. bereits realisierte Investitionen vor, die die technisch/technologische Basis und die Prüfkompetenz des Institutes erweitern. In Kurzvorträgen wurde die Errichtung einer Nassvliesanlage mit 600 mm Arbeitsbreite vorgestellt, die besonders für den Filterbereich und das Forschungsfeld Textilrecycling neue Entwicklungen ermöglichen wird. Für den Bereich Nähwirktechnik wurde eine neue Maliwatt- Maschine mit optimierter Arbeitsstelle investiert. Die Errichtung eines Prüfstandes für FFP2-Masken, der auch für die Prüfung von Filtern eingesetzt werden kann, erweitert die Prüfkompetenz des Hauses erheblich. Sein variabler Aufbau ermöglicht auch die Prüfung von neuentwickelten Vliesstoffen, deren Konstruktion durch Simulation optimiert wurde.

Textilien für technische Verpackungen von Freudenberg Performance Materials (Freudenberg) haben einen um 35 Prozent reduzierten CO₂-Fußabdruck. Möglich macht das ein hoher Anteil an recycelten Rohstoffen. Eine unabhängige Studie zur Ökobilanz (LCA) von Evolon®-Materialien zeigte zusätzliche Vorteile wie Energieeinsparungen und geringeren Wasserverbrauch. Darüber hinaus verbessert die Haltbarkeit von Evolon® die Nachhaltigkeit der technischen Verpackungen über den gesamten Lebenszyklus.

Mit dem Ersatz von Virgin-PET durch recyceltes PET verringerte sich der CO₂-Fußabdruck von Evolon®-Verpackungstextilien um 35 Prozent. Dies ist das Ergebnis einer Studie eines unabhängigen Beratungsunternehmens für Ökobilanzen (Life Cycle Assessments, kurz LCA) und Ökodesign. Dabei handelt es sich um eine Cradle-to-Gate-Bewertung mehrerer Evolon®-Produkte, die Virgin-PET oder recyceltes PET enthalten. Die Studie erfolgte nach den Normen ISO 14040 / ISO 14044, wobei sie den Empfehlungen des „Product Environmental Footprint“ und der „Circular Footprint Formula“ der Europäischen Union folgt. Die Studie wurde 2022 abgeschlossen.

Evolon®-Mikrofilament-Textilien haben eine geringe CO2-Bilanz, da ihr Herstellungsprozess CO2-arme Energiequellen verwendet. Die Textilien sind leicht und können über die gesamte Produktionsdauer eines zu verpackenden Teils, z.B. in der Automobilindustrie, wiederverwendet werden.  Darüber hinaus enthalten die neuen Evolon® RE-Textilien bis zu 85 Prozent recyceltes PET. Dies wird im eigenen Haus aus Post-Consumer-PET-Flaschen hergestellt.

Durch die Verwendung von wiederverwendbaren Verpackungen aus Evolon®-Textilien werden Einwegverpackungen vermieden. Transportverpackungen aus Evolon®-Textilien bieten kratzfreien, fusselfreien und erstklassigen Oberflächenschutz für Kunststoffformteile, lackierte Teile und andere empfindliche Industrie- und Automobilteile. Dies trägt zur Senkung der Ausschussrate bei und führt sowohl zu finanziellen als auch ökologischen Vorteilen.

Produktionsketten defossilisieren sowie eine zirkuläre, treibhausgasneutrale Stoff- und Energiewandlung etablieren – die chemische Industrie hat sich in Sachen Nachhaltigkeit ehrgeizige Ziele gesetzt. Unterstützung bei diesem Prozess leisten ab sofort neun Institute der Fraunhofer-Gesellschaft: Im Leitprojekt ShaPID wollen sie ihre Forschungsaktivitäten für das Erreichen der Nachhaltigkeitsziele bündeln und gleichzeitig ihre Beziehungen zur Branche stärken.

»Konkret wollen wir zeigen, dass eine nachhaltige, grüne Chemie durch praxisnahe technologische Innovationen möglich ist«, erläutert Prof. Ulf-Peter Apfel vom Fraunhofer UMSICHT, einem der beteiligten Institute. »Auf Grundlage der international anerkannten „12 Principles of Green Chemistry“ wollen wir gemeinsam neue Methoden und Technologien entwickeln.« Im Fokus der Forschende stehen dabei vier komplementäre Bereiche: (1) die Synthese-, Reaktions- und Katalysetechnik, (2) die kontinuierliche Prozess- und Verfahrenstechnik, (3) die Modellierung, Simulation und Prozessoptimierung sowie (4) die Digitalisierung und Automation.

Vom grünen Rohstoff zum grünen Produkt
Die Anwendung der neuen Technologien und Methoden soll im technischen Maßstab an drei Referenzprozessen demonstriert werden, die unterschiedliche Produktsparten der Chemie adressieren: Bei »Green Plastics« geht es um die Gestaltung neuer Polymere aus CO2 und biogenen Rohstoffquellen, während bei »Green Monomers« energieeffiziente Synthesen von Monomeren aus nicht-fossilen Rohstoffen beleuchtet werden. Last but not least wird bei »Efficient Building Blocks« der Einsatz hochreaktiver Moleküle für die atomeffiziente Synthese untersucht. »Alle drei Prozesse beschreiten den Weg vom grünen Rohstoff über eine grüne Prozessführung bis hin zu grünen Produkten«, so Ulf-Peter Apfel. »Die Entwicklung wird eng sowohl von Life Cycle Assessments und Systemanalysen als auch von REACh-Bewertungen und (Öko-)Toxizitätsvorhersagen begleitet.«

Die Forschenden des Fraunhofer UMSICHT konzentrieren sich im Rahmen von ShaPID auf die Etablierung von Demonstratoren im Bereich »Green Monomers«. »Dabei geht es vor allem um die alternative Synthese von 1,4-Butadien und Diolen – allesamt wichtige Verbindungen für die chemische Industrie – aus nachwachsenden Rohstoffen über neue thermische und elektrochemische Pfade«, erklärt Dr. Barbara Zeidler-Fandrich.

• Erste Biomassebilanz-Polyamidgarne für Teppiche
• Teppichhersteller können damit zum reduzierten Einsatz fossiler Rohstoffe, zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und so zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen
• Geeignet für Teppichfliesen, -dielen und -böden im Objektmarkt sowie zur Automobil- und Raumausstattung

Beaulieu Yarns, weltweit aktiver Hersteller hochwertiger synthetischer Polyamid- und Polypropylengarne, ist für die Familie seiner EqoBalance® Biomassebilanz-Garne mit dem Green Product Award 2018 in der Kategorie Material ausgezeichnet worden.

EqoBalance, die ersten Biomassebilanz-Polyamidgarne für Teppiche, gehörten zu einer Vorauswahl von 400 Einreichungen aus 25 Ländern. Rund 100 Kandidaten wurden dann einer internationalen Jury vorgestellt, die sie nach fachlichem Design, Innovation und Nachhaltigkeit beurteilte. In 12 Kategorien wurden schließlich insgesamt 24 Preisträger gekürt. Eine Publikumswertung für den Audience Award findet vom 17. Juli bis zum 17. August statt.

EqoBalance PA6-Garne folgen dem Biomassebilanz-Prinzip, das auf der allerersten Stufe der Wertschöpfungskette in der Produktion von Polymeren zur Garnherstellung die Substitution fossiler Ressourcen durch erneuerbare natürliche Rohmaterialien sicherstellt. Die nachhaltigen Garne entsprechen dem TÜV SÜD Standard CMS 71 zur Zertifizierung des Einsatzes erneuerbarer Rohstoffe. Die Zertifizierung bestätigt die Einsparungen an fossilen Ressourcen. Das Potenzial zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen als Folge der Substitution fossiler Stoffe wird im Rahmen einer Lebenszyklusbewertung (Life Cycle Analysis, LCA) errechnet. Demnach ermöglichen EqoBalance-Garne gegenüber Beaulieu-Garnprodukten auf fossiler Basis eine um bis zu 75 Prozent reduzierte Kohlendioxidäquivalenz (CO2eq/kg).
Emmanuel Colchen, Global Sales Director, Beaulieu Yarns, kommentiert: „Wir freuen uns sehr, diesen Green Product Award für unsere ® Familie zu erhalten. Diese PA6-Garne erschließen Teppichherstellern eine direkte, in Qualität und Leistung gleichwertige Alternative zu fossil basierten Produkten. Mit EqoBalance können sie zum reduzierten Einsatz fossiler Rohstoffe, zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und so zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen.“

Beaulieu Yarns bietet ein breites Portfolio an PA6-Garnen zur Fertigung von Teppichfliesen, -dielen und -böden für den Einsatz in geschäftlichen Büroräumen, Gastgewerbe-, Bildungs- und Gesundheitspflege-Einrichtungen, Kraftfahrzeugen und Wohnbereichen.

Der Green Product Award ist ein jährlicher internationaler Wettbewerb für innovative, nachhaltige Produkte und Dienstleistungen in den Kategorien Architektur, Arbeitswelt, Energie, Elektronik, Mode, Forschung, Freestyle, Kinder, Kommunikation, Konsumgüter, Mobilität, Möbel und Wohnaccessoires. Der Preis richtet sich an etablierte Firmen und Start-ups.

Ziel des Preises ist, eine Sammlung „grüner“ Lösungen für Verbraucher und Einkäufer zu erstellen, die bestehende Produkte nachhaltig substituieren. Seit 2013 hat der Wettbewerb Einreichungen aus über 40 Ländern erhalten. Seitdem wurden die Exponate auf internationalen Fachmessen und Designfestivals mehr als 500.000 Besuchern präsentiert.