Aus der Branche

Textilien für technische Anwendungen erhalten ihre besondere Funktion meistens durch eine Beschichtung. Sie macht Textilien zum Beispiel wind- und wasserdicht oder abriebbeständiger. Üblicherweise kommen dabei auf Erdöl basierende Stoffe wie Polyacrylate oder Polyurethane zum Einsatz. Mit diesen werden jedoch endliche Ressourcen verbraucht und die Materialien können durch unsachgemäßen Umgang in die Umwelt gelangen. Die Deutschen Institute für TextiI- und Faserforschung Denkendorf (DITF) forschen deshalb an Materialien aus nachwachsenden Quellen, die recyclingfähig sind und nach Gebrauch die Umwelt nicht belasten. Interessant sind hier Polymere, die aus Bakterien hergestellt werden können.

Diese Biopolymere haben den Vorteil, dass sie in kleinen Laborreaktoren bis hin zu großen Produktionsanlagen hergestellt werden können. Zu den vielversprechendsten Biopolymeren zählen Polysaccharide, Polyamide aus Aminosäuren und Polyester wie Polymilchsäure oder Polyhydroxyalkanoate (PHA), die alle aus nachwachsenden Rohstoffen stammen. PHA sind ein Überbegriff für eine Gruppe biotechnologisch hergestellter Polyester. Diese Polyester unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Wiederholungseinheit. Bisher wurden sie vor allem für medizinische Anwendungen untersucht. Da PHA-Produkte am Markt zunehmend verfügbar sind, können Beschichtungen aus PHA in Zukunft auch verstärkt im technischen Bereich eingesetzt werden.

Die Bakterien, aus denen die PHA gewonnen werden, wachsen mithilfe von Kohlenhydraten und Fetten als auch durch eine erhöhte CO₂ Konzentration und Licht mit angepasster Wellenlänge.

PHA sind in ihren Eigenschaften durch die Variation der molekularen Struktur der Wiederholungseinheit anpassbar. Dadurch stellen Polyhydroxyalkanoate eine besonders interessante Verbindungsklasse für die Beschichtung technischer Textilien dar. Aufgrund der wasserabweisenden Eigenschaften, die schon vom Molekülaufbau herrühren, und der stabilen Struktur haben Polyhydroxyalkanoate ein großes Potential für die Herstellung wasserabweisender, mechanisch belastbarer Textilien, wie sie beispielsweise im Automobilbereich und auch bei Outdoor Bekleidung gefragt sind.

Die DITF leisteten hierzu bereits erfolgreiche Forschungsarbeiten. So zeigten Beschichtungen auf Garnen aus Baumwolle und Gewebe aus Baumwolle, Polyamid und Polyester glatte und recht gut haftende Beschichtungen. Die PHA-Typen für die Beschichtung wurden sowohl am freien Markt beschafft als auch vom Forschungspartner Fraunhofer IGB hergestellt. Es zeigte sich, dass durch Extrusion das geschmolzene Polymer durch eine Ummantelungsdüse auf Baumwollgarne aufgetragen werden kann. Die Beschichtung des geschmolzenen Polymers auf Gewebe gelang mithilfe einer Rakel. Die Länge der molekularen Seitenkette des PHA spielt bei den Eigenschaften des beschichteten Textils eine wichtige Rolle. So sind zwar PHA mit mittellangen Seitenketten besser geeignet, um eine geringe Steifigkeit und einen guten textilen Griff zu erzielen, jedoch ist ihre Waschbeständigkeit gering. PHA mit kurzen Seitenketten sind dafür geeignet eine hohe Wasch- und Scheuerbeständigkeit zu erreichen, jedoch wird der textile Griff etwas steifer.

Aktuell untersucht das Team, wie die Eigenschaften von PHA verändert werden können, um die gewünschten Beständigkeiten und die textilen Eigenschaften gleichermaßen zu erreichen. Des Weiteren ist die Formulierung wässriger Rezepturen für die Garn- und Textilausrüstung geplant. Damit können wesentlich dünnere Beschichtungen auf die Textilien aufgebracht werden als dies mit geschmolzenem PHA möglich ist.

In weiteren Forschungsteams der DITF wird untersucht, ob PHA auch für die Herstellung von Fasern und Vliesstoffen geeignet sind.

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.

In ihrem aktuellen Positionspapier bezieht die Industrievereinigung Chemiefaser e.V. Stellung zu den intensiven Diskussionen um ein Embargo gegen russische Erdgaslieferungen. Der Verband sieht nur in einem starken Industriestandort Deutschland die wirtschaftliche und weltpolitische Zukunft des Landes gesichert und könne deshalb unter Abwägung aller Positionen und Einflussfaktoren sowie der Bewertung von arbeits- und marktwirtschaftlichen Folgen ein kurzfristiges Erdgasembargo gegen Russland nicht befürworten.

Bei einer Unterbrechung der ständigen Versorgung mit Erdgas entstünden immense Verluste für die Chemiefaserbetriebe, die bis zur Vernichtung der Branche in Deutschland führen können. Die Verluste setzen sich zum einen aus den technischen Schäden bei einem unkoordinierten Herunterfahren von Anlagen und zum anderen aus marktbedingten Folgeschäden zusammen, die aufgrund ausgefallener Produktion und fehlendem Produktverkauf entstehen.

Je nach Standort und Anlagengröße würde ein kurzfristiger Ausfall aufgrund von Erdgasmangel im Mittel zu Schäden in Höhe von 5 Mio. EUR/Anlage führen. Zusätzlich wäre mit einem laufenden täglichen Verlust zu rechnen, der je nach Standort in einer Größenordnung von z. B. 250 000 EUR/Tag/Anlage liegen könnte. Darüberhinaus sei ein Wiederanfahren der Anlagen fraglich, wenn Lieferketten nicht mehr bedient werden könnten und sich Kunden global zwischenzeitlich anders orientiert hätten. Bei einem Weltmarktanteil Chinas an der Chemiefaserproduktion von mehr als 70 % sei ein Szenario mehr als realistisch, dass China auch diese Lieferketten übernehmen werde, was damit zu einer noch größeren Abhängigkeit von China führen würde.

Die überwiegende Mehrzahl der zur Chemiefaserproduktion eingesetzten Kraftwerke, speziell die mit Wirkungsgraden von 90 % hocheffizienten auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung basierenden GuD-Kraftwerke, ist ausschließlich für den Einsatz von Erdgas ausgelegt. So gibt es vielfach keine technischen Einrichtungen, Gasturbinen oder Dampfkessel mit einem alternativen Brennstoff als Erdgas zu betreiben. Nur in Ausnahmefällen könnte auf Erdöl gewechselt werden. Allerdings ist auch in diesen Fällen die entsprechende Vorratshaltung mit Erdöl nur für einen kurzzeitigen Ausfall der Gasbrenner ausgelegt. Eine Änderung hin zur Grundlastversorgung mit Erdöl könnte je nach Anlagentyp unter Berücksichtigung genehmigungsrechtlicher Vorgaben ein Zeitfenster zwischen 3 und 56 Monaten in Anspruch nehmen. Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger ist nur sehr langfristig möglich. In den wenigen Fällen, in denen Erdgas substituiert sei, könnten je nach Emissionsgrad der umgerüsteten Anlage Investitionskosten in Höhe von 250 Mio. EUR/Anlage anfallen.

Ein von der Europäischen Union ausgesprochenes Erdgasembargo gegenüber der Russischen Föderation würde nicht nur für die Chemiefaserhersteller die Einstellung der Produktion und das Aus bedeuten, so der IVC-Geschäftsführer Dr. Wilhelm Rauch. Auch für andere Branchen wie die Grundstoffchemie, die Papierindustrie, die Metallerzeugung und die Glas- und Keramikherstellung sowie die mit ihnen verbundenen Industrien gelte das, stellt das Institut der Deutschen Wirtschaft Köln e. V. (IW Köln) in seinem Kurzbericht 40/2022 im April 2022 abschließend fest: „Niemand kann genau vorhersagen, welche Zukunft diese Betriebe dann noch in Deutschland hätten. Es wäre ein beispielloser Vorgang.“