From the Sector

The DITF is leading the joint project "DACCUS-Pre*". The basic idea of the project is to develop a new building material that stores carbon in the long term and removes more CO₂ from the atmosphere than is emitted during its production.       

In collaboration with the company TechnoCarbon Technologies, the project is now well advanced - a first demonstrator in the form of a house wall element has been realized. It consists of three materials: Natural stone, carbon fibers and biochar. Each component contributes in a different way to the negative CO₂ balance of the material:

Two slabs of natural stone form the exposed walls of the wall element. The mechanical processing of the material, i.e. sawing in stone cutting machines, produces significant quantities of stone dust. This is very reactive due to its large specific surface area. Silicate weathering of the rock dust permanently binds a large amount of CO₂ from the atmosphere.

Carbon fibers in the form of technical fabrics reinforce the side walls of the wall elements. They absorb tensile forces and are intended to stabilize the building material in the same way as reinforcing steel in concrete. The carbon fibers used are bio-based, produced from biomass. Lignin-based carbon fibers, which have long been technically optimized at DITF Denkendorf, are particularly suitable for this application: They are inexpensive due to low raw material costs and have a high carbon yield. In addition, unlike reinforcing steel, they are not susceptible to oxidation and therefore last much longer. Although carbon fibers are more energy-intensive to produce than steel, as used in reinforced concrete, only a small amount is needed for use in building materials. As a result, the energy and CO₂ balance is much better than for reinforced concrete. By using solar heat and biomass to produce the carbon fibers and the weathering of the stone dust, the CO₂ balance of the new building material is actually negative, making it possible to construct CO₂-negative buildings.

The third component of the new building material is biochar. This is used as a filler between the two rock slabs. The char acts as an effective insulating material. It is also a permanent source of CO₂ storage, which plays a significant role in the CO₂ balance of the entire wall element.

From a technical point of view, the already realized demonstrator, a wall element for structural engineering, is well developed. The natural stone used is a gabbro from India, which has a high-quality appearance and is suitable for high loads. This has been proven in load tests.  Bio-based carbon fibers serve as the top layer of the stone slabs. The biochar from Convoris GmbH is characterized by particularly good thermal insulation values.

The CO₂ balance of a house wall made of the new material has been calculated and compared with that of conventional reinforced concrete. This results in a difference in the CO₂ balance of 157 CO₂ equivalents per square meter of house wall. A significant saving!

* (Methods for removing atmospheric carbon dioxide (Carbon Dioxide Removal) by Direct Air Carbon Capture, Utilization and Sustainable Storage after Use (DACCUS).

Ein neuartiges, ebenso umweltfreundliches wie kostensparendes Verfahren zur Herstellung von Carbonfasern aus Lignin ist an den DITF entwickelt worden. Es zeichnet sich durch hohes Energiesparpotential aus. Die Vermeidung von Lösungsmitteln und die Nutzung natürlicher Rohstoffe machen das Verfahren umweltfreundlich.

Carbonfasern werden im industriellen Maßstab gewöhnlich aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellt. Die Stabilisierung und die Carbonisierung der Fasern geschieht dabei mit langer Verweildauer in hochtemperierten Öfen. Das erfordert viel Energie und macht die Fasern teuer. Dabei entstehen giftige Nebenprodukte, die aufwendig und energieintensiv aus dem Herstellungsprozess abgetrennt werden müssen.

Ein neuartiges, an den DITF entwickeltes Verfahren ermöglicht hohe Energieeinsparungen in all diesen Prozessschritten. Lignin ersetzt dabei das Polyacrylnitril für die Herstellung der Präkursorfasern, die in einem zweiten Prozessschritt zu Carbonfasern umgewandelt werden. Lignin als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Carbonfasern hat bisher kaum Beachtung in der industriellen Fertigung gefunden. Lignin ist ein günstiger und in großen Mengen verfügbarer Rohstoff, der als Abfallprodukt in der Papierproduktion anfällt.

Im neuen Verfahren zur Herstellung von Ligninfasern wird zuerst Holz in seine Bestandteile Lignin und Cellulose getrennt. Ein Sulfit-Aufschluss ermöglicht die Erzeugung von Lignosulfonat, das in Wasser gelöst wird. Die wässrige Lösung von Lignin ist das Ausgangsmaterial für das Spinnen der Fasern.
Der Spinnprozess selbst erfolgt im sogenannten Trockenspinnverfahren. Dabei presst ein Extruder die Spinnmasse durch eine Düse in einen beheizten Spinnschacht. Die entstehenden Endlosfasern trocknen im Spinnschacht schnell und gleichmäßig. Das Verfahren benötigt weder Lösungsmittel noch giftige Additiven.

Die anschließenden Schritte zur Herstellung von Carbonfasern - die Stabilisierung in Heißluft und die anschließende Carbonisierung im Hochtemperaturofen - ähneln denen des üblichen Prozesses bei Verwendung von PAN als Präkursorfaser. Allerdings lassen sich die Ligninfasern im Ofen besonders schnell mit Heißluft stabilisieren und benötigen nur relativ niedrige Temperaturen in der Carbonisierung. Die Energieersparnis in diesen Prozessschritten gegenüber PAN liegt bei rund 50% und bedeutet einen echten Wettbewerbsvorteil.

Aus Wasser gesponnene Ligninfasern bieten Vorteile
Neben der umweltfreundlichen, da lösemittelfreien Herstellung, und der Energieeffizienz bietet das neue Verfahren weitere Vorteile gegenüber PAN: Lignin ist ein überaus günstiger und leicht verfügbarer Rohstoff, der aus Holz gewonnen wird. Die Verwendung eines natürlichen Rohstoffes für die Erzeugung von hochfesten Carbonfasern folgt dem Nachhaltigkeitsgedanken in der Produktion.

Der Trockenspinnprozess erlaubt hohe Spinngeschwindigkeiten. Hierdurch wird in kürzerer Zeit deutlich mehr Material produziert, als es mit PAN-Fasern möglich ist. Das ist ein weiterer Wettbewerbsvorteil, der dennoch keine Kompromisse an die Qualität der Lignin-Präkursorfasern zulässt: Diese sind äußerst homogen, haben glatte Oberflächen und keine Verklebungen. Solche strukturellen Merkmale erleichtern die Weiterverarbeitung zu Carbonfasern und letztlich auch zu Faserverbundwerkstoffen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dem neuen Spinnverfahren gewonnenen Präkursorfasern aus Lignin gegenüber PAN deutliche Vorteile in der Kosteneffizienz und in ihrer Umweltverträglichkeit zeigen. Die mechanischen Eigenschaften der aus ihnen hergestellten Carbonfasern sind hingegen nahezu vergleichbar – sie sind ebenso zugfest, widerstandsfähig und leicht, wie es von marktgängigen Produkten bekannt ist.

Besonders interessant dürften Carbonfasern aus Wasser gesponnenen Ligninfasern für Anwendungen in der Bau- und Automobilbranche sein, die von Kostensenkungen im Produktionsprozess in hohem Maße profitieren.

Indorama Ventures Public Company Limited (IVL), a global sustainable chemical company, announced its inclusion in the Dow Jones Sustainability World Index (DJSI World) and the Dow Jones Sustainability Emerging Markets Index (DJSI Emerging Markets) for the third and fifth consecutive year respectively. The successive years of DJSI inclusion reflect IVL’s strong commitment to sustainability with globally recognized industry best-in-class practices.

This year, 139 chemical companies were selected from more than 11,000 companies from 61 industries and about 5,300 companies eligible for S&P Global ESG indices. IVL ranked in the 97th percentile with full scores in the areas of environmental and social compliance, enabling policies through industry associations, human rights protections in the workplace and value chain, and sustainable water management including forecasting potential water related risks in operations.

Yash Lohia, Chief Sustainability Officer at Indorama Ventures, said, "As a global leader, this is an important milestone in our operations as we transform the chemical industry. Our inclusion in the DJSI for the fifth year running is a tribute to how IVL’s operations are contributing to a more sustainable future. Our strategy includes focusing on climate action, aligning with the world's net zero ambitions, strengthening the circular economy and PET recycling with our ambitious targets, and enhancing shared value with our stakeholders.”

The Dow Jones Sustainability Indices (DJSI) are a global benchmark for sustainability-driven companies, evaluating material governance & economic, environmental and social factors.

Mr Atte Virtanen has been appointed Head of Business Development at the Fortum Bio2X bioeconomy programme as of 1 May 2020. Atte will play a key role in establishing Bio2X partnerships, helping partners to advance more sustainable businesses, as well as developing industrial biorefinery operations together with the programme team.

Before joining Fortum, Atte was working 10 years in the Netherlands for Trespa International B.V and in Italy for Arpa Industriale S.p.A. In both companies, he was leading R&D activities in the areas of cellulose materials and thermosetting resins. In addition, Atte gained experience from production environment during his time at Stora Enso’s Kotka mills, where he worked several years both in paper production and in a paper impregnating plant.

Over the years, Fortum Bio2X has built a team with a focus on research and development, including piloting different production technologies. The programme is now moving on to the next phase by developing competencies in operations and maintenance. As part of this phase, Atte will help to shift the attention to commercializing the biomass fractions.

The Bio2X programme is part of Fortum’s strategy to build options for significant new businesses that improve resource efficiency and provide smart solutions. It aims to be the straw refiner with superior material efficiency and a leading supplier of responsible textile fibres. Bio2X focuses on an efficient use of the cellulose, hemicellulose and lignin fractions in order to replace fossil or otherwise detrimental raw materials in numerous end-use applications.