Biologisch abbaubare Werkstoffe:Eigenschaften, und Anwendungsgebiete bei

ABB Turbo Systems

Eine Semesterarbeit entstanden in Zusammenarbeit von:

ETH Zürich Seed SustainabilityABB Turbo Systems

Autor: Daniel EhererBetreuer: Jens Soth

Seed Koordinatorin: Gabriela WülserKontakt ABB: Hansueli Riesen

Titelbild: Bakterium Ralstonia eutropha, gefüllt mit PHB Körnern

3

Inhaltsverzeichnis1Abkürzungen............................................................................................................................................ 42Einleitung................................................................................................................................................. 5

2.1Biopolymere..................................................................................................................................... 62.2Ökobilanzen......................................................................................................................................62.3Eigenschaften................................................................................................................................... 8

2.3.1Verarbeitung............................................................................................................................. 83Materialien bei ABB Turbo Systems....................................................................................................... 94Stoffe...................................................................................................................................................... 11

4.1Stärke..............................................................................................................................................114.1.1Eigenschaften..........................................................................................................................11

4.1.1.1Loose-Fill........................................................................................................................ 124.1.2Ökobilanz ...............................................................................................................................15

4.1.2.1Betrachtung Teibhauspotential....................................................................................... 164.1.2.2Entsorgung...................................................................................................................... 164.1.2.3Vergleich von Stärke und EPS Loose-Fill...................................................................... 174.1.2.4Blends............................................................................................................................. 19

4.1.3Schlussfolgerungen für ABB Turbo Systems......................................................................... 194.2Poly Milchsäure (PLA)...................................................................................................................21

4.2.1Eigenschaften..........................................................................................................................214.2.2Ökobilanz................................................................................................................................234.2.3Schlussfolgerungen für ABB Turbo Systems......................................................................... 23

4.3PHA (Poly 3-hydroxyalkanoate).................................................................................................... 244.3.1Eigenschaften..........................................................................................................................254.3.2Ökobilanz................................................................................................................................264.3.3Schlussfolgerungen für ABB Turbo Systems......................................................................... 28

1Abkürzungen 4

1Abkürzungen

GMO Gentechnisch modifizierter Organismus

GWP Global warming Potential

KVA Kehrichtverbrennungsanlage

LCA Life Cycle Assessment

LDPE Low Density Poly Ethylen

LLDPE Linear Low Density Poly Ethylen

MIT Massachusetts Institute of Technology

PHA Polyhydroxyalkanoate

PLA Polylactic acid

PP Polypropylen

PVC Polyvinylchlorid

r.H. Relative Luftfreuchte

TPS Thermoplastische Stärke

2Einleitung 5

2Einleitung

Die folgende Arbeit handelt es sich um eine Semesterarbeit an der ETH Zürich, die in Kooperation mitHerrn Hansueli Riesen von ABB Turbo Systems geschrieben wurde. Die von ABB Turbo Systems produzierten Turbolader, und die entsprechenden Ersatzteile werden rundum den Globus eingesetzt. Dabei kommen sie sowohl an Land als auch in Schiffen zum Einsatz. Somitwerden auch die Verpackungen dieser Teile in alle Welt versandt. Während an Land jedoch einefachgerechte Entsorgung meist gewährleistet ist, werden auf den Weltmeeren die Verpackungen ofteinfach mit anderem Abfall über Bord geworfen. Da die heute verwendeten Verpackungsstoffe wederphysikalisch noch biologisch abbaubar sind, treiben sie zeitlich beinahe unbeschränkt auf derMeeresoberfläche, und sind damit nicht nur optisch störend, sondern auch eine ernste Gefahr für diemarine Fauna.1 2 3

Um diese Umweltverschmutzung in Zukunft zu verhindern, sucht ABB Turbo Systems nachAlternativen für die heute verwendeten Verpackungen, die unter marinen Bedingungen abgebautwerden um so einer Akkumulation der weggeworfenen Verpackungen entgegenzuwirken.In Kooperation von ABB Turbo Systems, der ETH und der Universität Zürich entstanden daher dreiSemesterarbeiten,zu verschieden Aspekten dieser Problematik. Koordiniert wurden diese Arbeitendurch Gabriela Wülser von der Organisation Seed Sustainability.Ziel der Arbeiten ist es zu untersuchen, ob Alternativen existieren die, bei ähnlichen werkstofflichenEigenschaften, besser abbaubar sind. Dabei soll auch darauf geachtet werden, dass dieUmweltbelastung die über die gesamte Lebensdauer der neuen Werkstoffe geringer ist als bei den heuteeingesetzten.Beinahe alle heute eingesetzten Verpackungen werden aus Kunststoffen auf Erdöl Basis hergestellt.Damit tragen sie nicht nur zu einer Beschleunigung der globalen Erwärmung bei, sondern verbrauchenauch eine Ressource die sich in menschlichen Zeiträumen nicht erneuert und der durch ständigsteigenden Verbrauch möglicherweise schon in den nächsten Jahrzehnten eine merkliche Verknappungdroht.Betrachtet man die Preissteigerungen die eine Verkleinerung des Erdöl Angebots, wie während derÖlkrise in den 70er Jahren, zur Folge hat, wird klar dass bei einem Schwinden des Erdöl Vorrats nebenökologischen auch ökonomische Gründe bei der Suche nach Alternativen für den fossilen Rohstoffimmer mehr zum Tragen kommen werden.Um von Rohöl und den zu erwartenden Preissteigerungen unabhängig zu werden, bieten sichnachwachsende Rohstoffe an, die von Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie produziert werden. DieseRohstoffe gelten nicht nur als umweltfreundlicher, sondern werden auch zeitlich praktisch unbegrenztzur Verfügung stehen.Aus diesen Überlegungen werden im Folgenden ausschliesslich Stoffe untersucht, die auf derGrundlage nachwachsender Rohstoffe produziert werden.Ob dadurch das Ziel, die Umweltbelastung und den Erdölverbrauch durch Verpackungen zu verringern,näher rückt, wird weiter unten behandelt.

1 SPIEGEL ONLINE–24. Februar 2004; http://www.spiegel.de/wissenschaft/erde/0,1518,287757,00.html2 20 Minuten; 03.03.20043 Michael Hopkin; Plastic particles surf polluted waves;7 May 2004 www.nature.com/nsu

2Einleitung 6

2.1Biopolymere

Bei den untersuchten Stoffen handelt es sich um sogenannte Biopolymere, die ähnliche Eigenschaftenwie die heute verwendeten Kunststoff Polymeren haben sollen.Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Biopolymeren.Die Stärke und PHA Polymere werden direkt aus einem Organismus extrahiert, der diese in hohenKonzentrationen in seinen Zellen speichert.Bei der Polymilchsäure (PLA) ist ein zusätzlicher Schritt notwendig, in dem das von Organismen durchFermentation produzierte Monomer Milchsäure zu dem Polymer PLA kondensiert wird.

2.2Ökobilanzen

Eine Ökobilanz dient dazu, die mit einem Produkt verbundenen Umweltbelastungen möglichst in ihrerGesamtheit abschätzen zu können.Dafür muss der gesamte Lebenszyklus des Produktes, von der Produktion bis zur Entsorgung betrachtetwerden, auch unter Einbezug eventueller Vorprodukte und Transportwege.Die in der Bilanz errechneten Emissionen werden dabei immer auf eine funktionelle Einheit bezogen.Dies kann eine Stückzahl eines Produktes sein, ein Masse oder ein Volumen. Durch die Normierungauf eine funktionelle Einheit lassen sich Vergleiche zwischen Produkten, die in der gleichen Ökobilanzbehandelt wurden, im Bezug auf ihre Umweltbelastung anstellen.Da eine umfassende Ökobilanz sehr aufwendig und teuer, oder bei neu entwickelten Produktenaufgrund fehlender Daten schlicht unmöglich ist, beschränken sich viele Bilanzen auf ein paarUmwelteinwirkungen, von denen angenommen wird, dass sie den Grossteil der Belastung ausmachen.Des weiteren werden in verschiedenen Studien Belastungen unterschiedlich gewertet. Je nachdemwelche Art von Umweltverschmutzung den Autoren wichtig ist, fliessen Beeinträchtigungen derBiodiversität, der menschlichen Gesundheit oder Emissionen von Treibhausgasen in unterschiedlichemMass in die Bewertung mit ein.Aufgrund dieser Annahmen, die bei jeder Ökobilanz anders getroffen werden, sind direkte Vergleichezwischen verschiedenen Bilanzen nur begrenzt zulässig. Vergleichbar sind aber Reihungen gleicherProdukte in verschiedenen Bilanzen. Ergibt sich in mehreren Ökobilanzen ein ähnliches Bild, kann mithoher Wahrscheinlichkeit angenommen werden, dass die tatsächlichen Umweltbelastungen gutabgebildet wurden.Einige der in dieser Arbeit verwendeten Ökobilanzen beschränken sich auf nur wenige Leitstoffe, odergehen nicht über die gesamte Lebensdauer des Produktes. Trotzdem lassen sich einige interessanteTendenzen identifizieren, die in allen Untersuchungen übereinstimmend zu finden sind.Das wohl am meisten überraschende Ergebnis ist, dass der Verbrauch an fossilen Energieträgern beiBiopolymeren höher sein kann, als bei ihren Pendants, die auf Erdöl Basis produziert werden. Insbesondere bei den PHAs ist man weit von einer CO2 neutralen Produktion entfernt. Dieser hohe Verbrauch von fossilen Energieträgern, der Ökobilanzen für Kunststoffe ausnachwachsenden Rohstoffen schlechter als Bilanzen für konventionelle Polymere ausfallen lässt, isteinerseits auf den hohen Energieverbrauch bei der Extraktion der Polymere aus den Organismen, undandererseits auf die energieintensive Landwirtschaft, zurückzuführen. Bei der Landwirtschaft, die dieRohstoffe zur Produktion der Biopolymere liefert, macht sich vor allem der Einsatz schwererLandwirtschaftlicher Maschinen, und von Düngern deren Herstellung ebenfalls grosse Mengen anEnergie verschlingt.

2Einleitung 7

Neben dem Erdöl Verbrauch fällen auch noch die hohen Emissionen an Treibhaus Gasen auf, die überdie Lebensdauer der Biokunststoffe entstehen. Diese stammen, neben den Emissionen die bei derEnergieproduktion aus Erdöl anfallen, vor allem von der Stickstoffdüngung, bei der das Treibhaus GasN2O freigesetzt wird, und der Entsorgung. Besonders schlecht ist das GWP, wenn die Biopolymere inDeponien mit anaeroben Bedingungen landen. Dann nämlich werden sie zu dem sehr klimaschädlichenMethan abgebaut.Will man die Ökobilanz der Biopolymere verbessern, setzt man besten an den oben beschriebenenProzessen an, die die meiste Energie verbrauchen, und den grössten Anteil der Umweltverschmutzungverursachen.Bei der Landwirtschaft können Verbesserungen durch extensiven Anbau erreicht werden, oder indemman auf Pflanzen umsteigt, deren Anbau weniger Energieaufwand erfordert.Bei den PAHs bestünde zudem die Möglichkeit gänzlich auf landwirtschaftliche Produkte zuverzichten, und die als Rohstoff benötigten Zucker aus organischen Abfällen zu gewinnen4. Die wohl grössten Verbesserungen der Ökobilanzen können durch die Verwendung von Energie ausnachwachsenden Rohstoffen erreicht werden. Dadurch würde sich der Erdölverbrauch massiv verringern, und auch die Emission an Treibhaus Gasenwürde kleiner.Da bei der Produktion von Biopolymeren viel organische Abfälle entstehen, liegt es nahe diese zurEnergieerzeugung zu verwenden.Auch bei der Entsorgung bietet sich an die in den Kunststoffen gespeicherte Energiezurückzugewinnen. Dies setzt allerdings ein funktionierendes Sammelsystem voraus, das nur schwerverwirklichbar sein wird.Ein Grund dass Biokunststoffe gegenüber konventionellen Kunststoffen eher schlecht abschneiden,liegt auch darin, dass sehr neue Produktionsverfahren zum Einsatz kommen, die noch viel Potenzial fürEinsparungen bieten. Hingegen ist die Produktion der petrochemischen Kunststoffe nach vielen Jahrender Entwicklung stark optimiert, und arbeitet mit dem geringst möglichen Ressourcen und EnergieVerbrauch. Erreicht die Fertigung von Biopolymeren in den nächsten Jahren einen ähnlichen Grad anAusgereiftheit, werden die Vorteile der nachwachsenden Rohstoffe voll zur Geltung kommen können,und einen wichtigen Beitrag zur Erhaltung fossiler Ressourcen leisten.

4 Guochen Du, Lilian X. L. Chen, and Jian Yu; High-Efficiency Production of Bioplastics from Biodegradable OrganicSolids; Journal of Polymers and the Environment, Vol. 12, No. 2, April 2004

2Einleitung 8

2.3Eigenschaften

Verpackungen die bei ABB Turbo Systems zum Einsatz kommen, müssen hohen Belastungenwiderstehen können. Ersatzteile müssen bis zu zehn Jahren auf Schiffen lagerbar sein. Dabei sind dieVerpackungen neben der hohen Luftfeuchtigkeit und dem Salzgehalt der Luft auch in denLagerräumen herrschenden hohen Temperaturen, die bis zu 70 °C betragen können, ausgesetzt. Diese extremen Bedingungen stellen eine grosse Herausforderung für die Suche von Alternativen ausnachwachsenden Rohstoffen dar, da diese meist eine geringere Temperaturtoleranz aufweisen.Ausserdem sind die heute verfügbaren Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen fast durchgehenddarauf ausgerichtet unter jeder Bedingung abgebaut zu werden. Wegen der langen Lagerfristen, ist einsofortiger Abbau der Verpackungen bei ABB Turbo Systems aber nicht immer erwünscht. Wie esbewerkstelligt werden kann, dass Stoffe längere Zeit gelagert werden können ohne dass ihremechanischen Eigenschaften darunter leiden, und trotzdem nach ihrer Entsorgung möglichst schnellabgebaut werden, untersucht Frau Kathrin Michel in einer separaten Arbeit.Bei der Datensammlung für die Arbeit hat sich gezeigt, dass ein grosses Interesse an Stoffen ausnachwachsenden Rohstoffen und abbaubaren Verpackungen besteht. Dies äussert sich in einer grossenAnzahl an Publikationen, Richtlinien und Labels die sich mit diesen Stoffen befassen.Dass dabei auch die Verschmutzung der Weltmeere ein Thema ist, zeigt das „U.S. Navy’s WasteRemoval Afloat Protects the Sea“ (WRAPS) Programm der U.S. Marine.Viele der laufenden Projekte, stecken jedoch noch im Entwicklungsstadium, und es ist unklar, ob ausihnen jemals Produkte entstehen werden, die mit heutigen Kunststoffen konkurrieren können.Biopolymere können durch leicht veränderte Produktionsbedingungen sehr unterschiedlicheEigenschaften bekommen. Obwohl dies einen grossen Vorteil darstellt, da sie dadurch ein breites Spektrum an Anwendungenfinden können, gerät es bei der Entwicklung neuer Stoffe doch schnell zu einem Nachteil, da bis diegewünschten Eigenschaften erreicht werden, die Forschungskosten schnell ins unermessliche wachsenkönnen.Dies vermindert die Konkurrenzfähigkeit gegenüber herkömmlichen Kunststoffen stark, da diese schonsehr optimiert hergestellt werden können, ihre Eigenschaften vorhersagbar sind und dieEntwicklungskosten sich längst amortisiert haben.

2.3.1Verarbeitung

Generell können Biopolymere auf den selben Maschinen wie konventionelle Kunststoffe verarbeitetwerden. Allerdings ist bei ihnen eine genauere Beherrschung der Prozess Parameter notwendig. Diesliegt einerseits daran, dass sie nur in einem kleinen Temperatur Bereich verarbeitbar sind, undandererseits kann eine zu niedrige oder zu hohe Dehnbarkeit Probleme bei Maschinen mit hoherArbeitsgeschwindigkeit verursachen.5

5 HD Dr.-Ing. Günter Bleisch, Dipl.-Ing. Wolfram Küchler, Dipl.-Ing. MarkusSchönfeld; Neue Materialien im Test, Sindflexible Packstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen auf Verpackungsmaschinen

verarbeitbar?; Verpackungs-Rundschau 7/2000

3Materialien bei ABB Turbo Systems 9

3Materialien bei ABB Turbo Systems

Um einen sicheren Transport der produzierten Güter zu gewährleisten, werden bei ABB Turbo Systemsverschiedene Kunststoff Verpackungen eingesetzt.Die untenstehende Liste gibt einen Überblick über die verwendeten Verpackungen und ihre EinsatzGebiete.

Verpackung Verwendung Lagerung Eigenschaften MaterialStyroporSchachteln

Transport-verpackungfür mittelgrosse biskleine Ersatzteile(Turbinenschaufeln,etc.)

Bis zu 10 Jahre

im Betrieb und auf Schiffen, imMaschienenraum (hoheTemperaturen), Lagerräumen(Lösungsmittel, Ölrückstände)

FormbarschockabsobierendÖlresistent

hitzeresistent

EPS

Platten,Stecksystem

Unterlage für Lagerungim Betrieb; sehr hoheBelastungen

Ausschliesslich im Betriebverwendet,

da dadurch eine langeLebensdauer durchWiederverwendung möglich ist,ist ein Abbau nicht erwünscht

Stabil

wiederverwertbar

ölresistent

Folien Schutzverpackung undVCI-Träger für denTransport von grossenTeilen

Im Betrieb, beiZwischenhändlern, an Board,auch Freiluft Lagerung?

VCI-kompatibel

Wasserdicht

UV-beständig

bedruckbar

LLDPE-Coextrusionsfolien

Kunststoff-Beutel

Verpackung und VCI-Träger für Kleinteile

Siehe Styropor Schachteln VCI kompatibelwasserdicht

LLDPE-Coextrusionsfolien

Füllstoff Polsterung undAuskleidung vonLeerräumen, v.a. Für deTransport grosser Teile

Im Inneren derTransportverpackung

bis 10 Jahre

Formbar,schockabsorbierend

VCI kompatibel

Altpapier

(¾ AltpapierAnteil)

KunststoffStrümpfe

Schutz von Achsen, vor Teilweise in zusätzlicherVerpackung?

dehnbar

AbdeckMembranen

Schutz der TurboladerÖffnungen vor demEindringen vonFremdstoffen

Teilweise in zusätzlicherVerpackung?

In/auf Schiffen

Stabil, reissfest

Wasserbeständig/dicht

Ölbeständig

Mit Kleber Verträglich

Bedruck/Beschreibbar

lange Lagerzeit

PVC

Tabelle 1Bei ABB Turbo Systems verwendete Verpackungen

3Materialien bei ABB Turbo Systems 10

Aus der dieser Aufstellung, habe ich drei Verpackungen, die den mengenmässig grössten Anteilausmachen ausgewählt, und versucht alternative Stoffe zu finden.Es handelt sich dabei um die EPS Schachteln, den Füllstoff aus Altpapier und die Verpackungsfolien.Die ebenfalls in grosser Menge und Anzahl verwendeten Kartonschachteln konnten leider ausZeitgründen nicht mehr genauer betrachtet werden.

Verpackung Eigenschaften Material Betrachtete Alternativen Mengen proJahr

StyroporSchachteln

Formbar schockabsobierendÖlresistent

hitzeresistentEPS

Stärke

Thermoplastische Stärke

PLA (Polylactic Acid)

1.1m3

226 kg

Folien

VCI-kompatibel

Wasserdicht

UV-beständig

bedruckbar

reissfest

Kunststoff-Beutel

Reissfest

schockabsorbierend

VCI kompatibel

LLDPE-Coextrusionsfolien

PLA (Polylactic Acid)

PHA (Polyhydroxylalkanoates)

TPS/Stärkeblends

2.5 m3

2.3 t

16´263 m2

1 m3

900 kg

9´643 m2

Füllstoff Formbar, schockabsorbierend

VCI kompatibel

Altpapier

(¾ Altpapier Anteil)

Stärke-Loose-Fill

Padpak:

33'075 m²

5953 kg

Schachteln:

36436 m²

6558 kg

Tabelle 2In dieser Arbeit betrachtete Verpackungen

4Stoffe 11

4Stoffe

4.1Stärke

4.1.1Eigenschaften

Stärke dient als Speicherstoff in beinahe allen Pflanzenarten. Besonders geeignet für die StärkeProduktion sind Kartoffeln, Mais und Weizen.Die Stärke Moleküle sind aus Glukose Einheiten aufgebaut. Dabei unterscheidet man die linaraufgebaute Amylose, und das verzweigte Amylopektin.Der Grossteil der auf dem Markt angebotenen Stärke Produkte besteht heute aus thermoplastischerStärke (TPS) 6. Zur Herstellung von TPS wird die natürliche Stärke mit natürlichen Weichmachern undPlastifizierungsmitteln wie Glycerin oder Sorbitol versetzt. Diese Behandlung verleiht der Stärke bessere physikalische Eigenschaften wie eine höhereReissfestigkeit und eine grössere Hydrophobizität.TPS wird in Form eines Granulats erzeugt, das zu Folien, Formteilen oder Spritzgussteilenweiterverarbeitet werden kann 7.Verwendet werden Stärke Produkte heute hauptsächlich im Catering Bereich, in Form vonkompostierbaren Bestecken und Behältern, als abaubare Kompostsäcke oder als Loose-Fill inVerpackungen.Bei den meisten dieser Anwendungen kommt es besonders auf eine rasche Abbaubarkeit an. So sinddie meisten der handelsüblichen Stärke Polymere auch sehr kurzlebig, auch wenn durch entsprechendeBehandlung der Stärke haltbarere Produkte möglich wären.Generell lässt sich sagen, dass Produkte aus Stärke schlechter bei höheren Temperaturen eingesetztwerden können, als konventionelle Kunststoffe. Dies kann durch die so genannte Vicat-Erweichungstemperatur gemessen werden, bei der ein Probekörper so lange erwärmt wird, bis einnadelförmiger Prüfkopf eine bestimmte Eindringtiefe erreicht hat8.

Wird Stärke zu Folien verarbeitet, zeigt sich, dass die Produkte in fast allen Eigenschaften mitherkömmlichen Kunststoff Folien mithalten können. Problematisch in feuchten Umgebungen kann nurdie 10 bis 100 fach höhere Wasserdampf Duchlässigkeit werden.

6 Biologisch abbaubare Werkstoffe, Pflanzen Rohstoffe Produkte, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.,www.fnr.de

7 www.biotec.de 8 http://www.kern-gmbh.de/

Tabelle 3Vergleich einer Mater Bi Folie mit einer Folie aus LDPE

Test Mater Bi LDPE EinheitBruchbelastung 20-50 20-30 [Mpa]Bruchdehnung 200-600 150-600 [%]Zugmodul 100-600 150-300 [Mpa]Start des Einreissens 20-120 70 [N/mm]Weiterreisswiderstand 20-120 70 [N/mm]Wasserdampf Durchlässigkeit 250-1000 15 [gr 30 mm/m2 24h]

4Stoffe 12

4.1.1.1Loose-Fill910

Ein wachsendes Segment amStärkemarkt, stellen die Loose-FillMaterialien dar.Eine umfangreiche Studie die dieEigenschaften von Stärke Loose-Fill und herkömmlichen EPSProdukten vergleicht wurde imJournal of Applied PolymerScience von P. D. TATARKA undR. L. CUNNINGHAMvorgestellt.11

Daraus geht hervor, dass die StärkeProdukte in vielen Bereichendurchaus mit der EPS Konkurrenzmithalten können. So ist die

9 Svoboda Michael A.; Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen ; Dissertation an der Montanuniversität Leoben; 200310 Andrea Hüttenberger; Physikalische Eigenschaften von Werkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen ; Diplomarbeit

Montanuniversität Leoben11 P. D. TATARKA, R. L. CUNNINGHAM; Properties of Protective Loose-Fill Foams; Biomaterials Processing Research

Untersuchte Produkte

EPS:

PELASTAN PAC: (neu gewonnenes PS) American Excelsior Co.EPS FLO-PAK S: (Recycliertes EPS) Free-Flow Packaging Corp.

Stärke:

CLEAN GREEN: Clean Green PackingENVIROFIL: EnPacECOFOAM: American ExcelsiorFLO-PAK BIO 8: Flow Packing Corp.RENATURE: StoropackSTAR-KORE: Uni-Star Industries

Abbildung 1Vergleich der Vicat Erweichungstemperatur von konventionellen und Stärke Kunststoffen; *konvetionelleVergleichs Stoffe 9 10

Spalte B05

101520253035404550556065707580859095

LLDPE M200024 *Polypropylen HF136MO *Polyethylen MG9641A *Mater Bi LF01UBioplast GF 105/30Mater bi YI01U1Bioplast 154001GS0070Bioplast GS902P

°C

4Stoffe 13

Druckspannung (Druck der benötigt wird, den Stoff 3 Millimeter zusammenzudrücken) fast identischmit den EPS Produkten. Dabei bleibt es auch, wenn die Stoffe höheren Temperaturen und höhererLuftfeuchtigkeit ausgesetzt werden.

Die Elastizität ist zwar um ca. 10-20% geringer als bei den EPS Füllstoffen und verschlechtert sich beieinzelnen Produkten bei höherer Luftfeuchtigkeit, ist aber ausreichend, um die Funktionstüchtigkeit zugarantieren.

Unit, National Center for Agricultural Utilization Research, Agricultural Research Service

Abbildung 2Druck der benötigt wird, um den Probekörper um 3 mm zu komprimieren; * EPS Vergleichs Stoffe11

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

Pelasp

an Pac

*

Flo-P

ak S *

Star-K

ore

Flo-P

ak Bio

8

Eco-Foa

m

Renatur

e

Clean G

reen

Enviro

fil

[MPa

]

bei Auslieferung23 °C 20% r.H.23 °C 50% r.H.23 °C 80% r.H.35 °C 50% r.H.

4Stoffe 14

Der Anteil der Füllstoffe der während des Gebrauchs durch Abnutzung verloren geht, ist ein wichtigesMass in der Bewertung eines Polymer Schaums. Die Produkte weisen hier durchgehend ähnliche Werteauf. Die leicht niedrigeren Werte bei Stärke basierten Stoffen, sind aufgrund hoher Varianz bei denTests nicht signifikant.Der Hauptnachteil des Stärke Loose-Fills ist die im Vergleich zu EPS bis zu 3 mal höhere Dichte.

Abbildung 4Anteil des Füllstoffs der durch Abrieb verloren geht

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Pelaspan

Pac

*

Flo-Pak

S *

Star-Kore

Flo-Pak

Bio 8

Eco-F

oam

Renature

Clean G

reen

Envirofi

l

%

bei Auslieferung23 °C 80% r.H.35 °C 50% r.H.

Abbildung 3Elastizität, Prozentsatz, zu dem der Stoff nach Verformung wieder seine ursprüngliche Form annimmt 11

50

55

60

65

70

75

80

85

90

Pelaspa

n Pac

*

Flo-Pak

S *

Star-Kore

Flo-Pak

Bio 8

Eco-F

oam

Renature

Clean G

reen

Envirofi

l

%

bei Auslieferung23 °C 80% r.H.35 °C 50% r.H.

4Stoffe 15

4.1.2Ökobilanz12 13

Die Produktion des Stärke Rohstoff geschieht in zwei Schritten. Dem landwirtschaftlichen Anbau einerStärkehaltigen Pflanze und der Extraktion und Aufbereitung der Stärke.Angebaut werden hauptsächlich Maisstärke, mit Beimengungen an Maisgriess. Es werden aber auchKartoffeln und Weizen zur Stärke Produktion verwendet.In einer Studie des BIfa wird untersucht, welche Auswirkungen die Verwendung dieser verschiedenenStärkepflanzen auf die Umweltbelastung eines Stärke Produktes hat.Verglichen wird Maisstärke, Kartoffelstärke aus zwei verschieden Anbauarten und Weizenstärke ausintensivem und extensivem Anbau.Dabei schneidet der konventionelle Weizenanbau bei fast allen Indikatoren am schlechtesten ab.Besonders bedeutend sind dabei die hohen Beiträge zu den höchst gewichteten KategorienTreibhauspotential, terrestrisches Eutrophierungspotential und Versauerungspotential.Knapp danach folgt das Szenario der Maisstärke, mit nur gering besseren Werten bei den Indikatoren

12 Dr. Martin Patel, Dr. Catia Bastioli, Dr. Luigi Marini, Dipl.-Geoökol. Eduard Würd-inger; Environmental assessment ofbio-based polymers and natural fibres

13 Ökobilanz stärkehaltiger Kunststoffe, BUWAL, Schriftenreihe Umwelt Nr. 271 (2 Bände); Bern 1996

Abbildung 5Dichteunterschiede der Füllstoffe. Das Produkt mit der kleinsten Dichte, Pelastan Pac, wurde auf 100%gesetzt. 11

Spalte C100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320

Flo-Pak S *Pelaspan Pac *Flo-Pak Bio 8Star-KoreEco-FoamRenatureClean GreenEnvirofil

%

4Stoffe 16

Treibhauspotential, terrestrisches Eutrophierungspotential und Versauerungspotential.Besser ist das Szenario im Vergleich mit konventionellem Anbau anderer Pflanzen beim Verbrauch anPflanzenschutzmitteln (62%) und beim aquatischen Eutrophierungspotential. Eine Verbesserung desEutrophierungspotentials liesse sich durch die Verregnung des Abwassers aus der Stärke Extraktion aufden Feldern zur Nährstoffrückgewinnung (stellt über die Hälfte der benötigten Nährstoffe bereit)erreichen. Diese Praxis ist allerdings aufgrund der entstehenden Geruchsbelästigung, und der Gefahrder Verunreinigung des Grundwassers bereits wieder eingestellt worden. Bei den beiden Szenarien des Kartoffelanbaus, und dem extensiven Weizenabau ist die Reihungweniger klar, und hängt stark von der Gewichtung der einzelnen Indikatoren ab.So zeigen die Verwendung von Kartoffelstärke Vorteile bei Flächen und Energieverbrauch, währendder extensive Weizenanbau bei der Umweltverträglichkeit punktet, da keine Planzenschutzmittel undkein Mineraldünger verwendet werden. Dadurch schneidet dieses Szenario auch bei den Indikatorenterrestrische Eutrophierung und Versauerung am besten ab.Aus diesen Überlegungen ergibt sich, dass ein extensiver Anbau von Kartoffeln wohl in einerÖkobilanz am besten abschneiden würde. Dies würde zudem auch noch Einsparungen an Anbauflächezwischen 40-60% bringen.

4.1.2.1Betrachtung Teibhauspotential

Obwohl Stärke aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, entsteht dennoch ein recht hoherBeitrag zum Treibhauspotential, da bei der untersuchten Entsorgung über Deponien das starkeTreibhausgas Methan (48 - 57 % der CO2-Äquivalente) entsteht. Daneben tragen auch die Feldarbeitund Stickstoff-Düngung zur Erhöhung des Treibhauspotentials bei.Den Einfluss der Anbaumethode auf das Treibhauspotential sieht man beim Vergleich von extensivemund intensivem Weizen. Der extensive Anbau spart 35,3% des Treibhaupotentials. Dies ist allerdingsimmer noch um 30,4% schlechter als das bessere der beiden Kartoffel Szenarien.Verteilt sich bei den Varianten mit konventionellem Anbau die Bildung des Treibhauspotentials zurHälfte auf den Anbau und die Stärke Produktion, sinkt der Anteil am Treibhauspotential des Anbausbei extensivem Anbau auf 10%.

4.1.2.2Entsorgung

Bei der Entsorgung könnten bis zu 50% Energieeinsparungen durch Wärmenutzung in einer KVA, oderdurch Vergärung und Nutzung des Biogas erreicht werden.Verschlechtert wird die Ökobilanz durch Entsorgung mit dem Kompost, ohne weitere EnergieRückgewinnung, insbesondere durch die Freisetzung von CO2 und dem unter anaeroben Bedingungenentstehenden Methan. Es zeigt sich, dass vorallem die Entsorgung den Beitrag zum Treibhauspotential bestimmt,insbesondere wenn die Stärke anaerob deponiert wird und das entstehende Methan frei in dieAtmosphäre entweichen kann.

4Stoffe 17

4.1.2.3Vergleich von Stärke und EPS Loose-Fill

Verschiedene Studien zu Stärke Polymeren wie die Studie des BUWAL 1996 ergeben relativ klar, dassStärke eine bessere Ökobilanz aufweist als Petrochemische Polymere.13Etwas differenzierter sieht man dies in der Studie des BIfA in der mehrere verschiedene Stärke undEPS Szenarien entwickelt und auf ihre Umweltrelevanz verglichen wurden.

Variiert wurden dabei die Art des Anbaus der Stärke, die Entsorgung mit oder ohneEnergierückgewinnung und die Herkunft des Poystyrols für das EPS Loose-Fill.Besonders überraschend hierbei ist, dass teilweise Stärke Loose-Fill einen höheren Beitrag zumTreibhauseffekt leisten kann, als das aus Erdöl hergestellte EPS.Die Gründe hierfür sind in der Entsorgung zu suchen, bei der das sehr klimawirksame Methanentstehen kann.Des weiteren ist auch der Anbau nicht CO2 neutral, da bei Transport und Düngerproduktion viel fossileEnergie investiert wird.Generell zeigt sich, dass Stärke nur dann einen besseren Wert in der Ökobilanz aufweist, wenn dieStärkepflanzen aus extensivem Anbau kommen, und bei der Entsorgung ein Teil der in der Stärkegespeicherten Energie wieder zurück gewonnen werden kann.Auf der EPS Seite kommt es vorallem darauf an, ob das verwendete Polystyrol neu produziert wird,oder durch recycling gewonnen wird.Bei den EPS Szenarien mit recycliertem PS bleibt noch anzumerken, dass es unklar ist, ob die hoheEffizienz des Recycling die von den Autoren angenommen wird, in der Realität durchsetzbar ist.

Abbildung 6Vergleich der Umweltbelastungen von Stärke und konventionellen Folien 13

Treib-hauspo-tential

Ozon-bildung [kg

Toxizität Luft [a m³]

Eu-trophierungspo-

Versal-zungpo-tential

Deponierte Ab-fälle [10-

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

TPS-FolieRB-36-Folie (Blend)PE-TPS-PELDPE-Folie

4Stoffe 18

Abbildung 7Vergleich der Emissionen von CO2 Äquivalenten bei Stärke und EPS Szenarien12

Treibhauspotential [kg CO2 Äq.] (netto, über den gesamten Lebenslauf)

0250500750

10001250150017502000225025002750300032503500

Stärke IStärke IIStärke IIIStärke IVEPS IEPS IIEPS IIIEPS IV

[kg

CO

2 Äq

.]

Tabelle 4Beschreibung der in Abbildung7 verwendeten Szenarien

Stärke I: Maisstärke / Einmalige Nutzung / Beseitigungsmix

Stärke II: Weizenstärke (konventioneller Anbau) / Einmalige Nutzung / Kompostierung

Stärke III: Weizenstärke (extensiver Anbau) / Einmalige Nutzung / Vergärung

Stärke IV: Kartoffelstärke (mit Abwasserverregnung) / Einmalige Nutzung / Optimierte KVA

EPS I: Sekundär-Polystyrol (Produktionsabfälle) / Einmalige Nutzung / Beseitigungsmix

EPS II: Primär-Polystyrol / Einmalige Nutzung / Hochofen

EPS III: Sekundär-Polystyrol (EPS-Verpackungen) / Einmalige Nutzung / Optimierte KVA (Separate Erfassung)

EPS IV: Sekundär-Polystyrol (MC-/CD-Hüllen) / Einmalige Nutzung / Werkstoffliche Verwertung (Open-loop) (sehr optimiert, eher unrealistisch)

4Stoffe 19

4.1.2.4Blends

Bei Stärke Blends wird die Stärke zur Verbesserung der werkstofflichen Eigenschaften miterdölbasierten Polymeren vermischt.Sowohl in der Studie des BUWAL als auch in der des BIfa14 ist klar ersichtlich, dass ein Grossteil derverbrauchten Energie und der Emissionen von diesen Zusatzstoffen stammt.15

4.1.3Schlussfolgerungen für ABB Turbo Systems

Produkte aus Stärke bestreiten heute den grössten Anteil des Marktes für BAWs. Sie sind am weitestenentwickelt, und werden zu marktfähigen Preisen angeboten. Auch bei den Ökobilanzen, ergeben sich im Vergleich mit anderen BAWs die grösstenVerbesserungen.Allerdings schränkt die geringe Beständigkeit gegen höhere Temperaturen und Wasser die Anwendungvon Stärke besonders bei Folien stark ein.

14 Projektgemeinschaft BIfa; Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen: Vergleichende Ökobilanz für Loose-fill-Packmittel aus Stärke bzw. Polystyrol

15 Dr. Martin Patel, Dr. Catia Bastioli, Dr. Luigi Marini, Dipl.-Geoökol. Eduard Würdinger; Environmental assessment ofbio-based polymers and natural fibres

Abbildung 8Vergleich von verschieden Stärkeblends 15

TPS (0%) TPS/Polyvinyl Alkohol (15%)

TPS/Polycaprolacton (52,5%)

TPS/Polycaprolacton (60%)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

Cradle-to-factory Energieverbrauch [GJ/t]Cradle-to-grave CO2 Emissions [100kg CO2/t

4Stoffe 20

Die Verwendung als Ersatz für die Styropor Schachteln ist aus den selben Gründen nicht praktikabel. Ausserdem gibt es in diesem Bereich noch keine Produkte auf dem Markt.Eine Möglichkeit trotzdem Stärke einzusetzen, wäre die Schachteln mit einer wasserdichtenSchutzschicht zu versehen, dies würde aber den Preis der Verpackungen in die Höhe treiben.Für ABB Turbo Systems wäre nur der Einsatz von Stärke Loose-Fill Produkten sinnvoll möglich, Dabei muss aber noch abgeklärt werden, inwiefern eine Umstellung technisch machbar ist.Eine weitere offene Frage ist, wie sich eine Behandlung mit VCI Gas auf die Bioabbaubarkeit derProdukte auswirkt. Eine Beeinträchtigung ist zu erwarten, es liegen jedoch noch keine Studien derHersteller vor.

4Stoffe 21

4.2Poly Milchsäure (PLA)

4.2.1Eigenschaften

PLA wird in zwei Schritten hergestellt. Zuerst wird mit hilfe von Mikroorganismen durch Fermentationvon Zucker das Monomer Milchsäure hergestellt. Durch die Chiralität des Moleküls tritt es in zweiIsomeren auf, von denen das von den meisten Bakterien vorwiegend erzeugte L-Isomer bei derWeiterverarbeitung bevorzugt wird. Aus diesen Monomeren wird in einem nächsten Schritt durchPolymerisation die eigentliche PLA hergestellt. Die Eigenschaften des entstehenden Stoffes könnendabei durch Variation des Verhältnisses der beiden Isomere beeinflusst werden.Der Haupt Produzent von PLA ist NatureWorks von Cargill Dow deren Produktionsanlage in Blair,Nebraska jährlich 140`000 Tonnen PLA herstellt.Neben Thermoformen und Fasern, werden aus PLA auch Folien hergestellt.Da diese aber sehr steif sind, eignen sie sich schlecht für Transport Verpackungen.Ein schäumbarer PLA Rohstoff der als Ersatz für EPS dienen kann, wurde von NaturWorks ebenfalls

entwickelt, allerdings sind mir keine genaueren Daten dazu bekannt.Neben der Steifigkeit der PLA Folien sind deren Einsatzmöglichkeiten auch noch durch die ehergeringe Temperaturbeständigkeit eingeschränkt.Auch die Reissfestigkeit der Biaxialen Folien ist im Vergleich zu LLDPE eher beschränkt.16

16 http://www.cargilldow.com/corporate/nw_pack_datasheets.asp

Abbildung 9Vicat Erweichungstemperatur eines PLA Werkstoffes im Vergleich mit konventionellen Kunststoffen; *petrochemische Vergleichsstoffe 9 10

LLDPE M200024 *

Polypropy-len HF136MO

Polyethylen MG9641A *

Biomer L9000

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Vicat Erweichung-stemperatur

[°C

]

4Stoffe 22

Abbildung 10Vergleich der Reissfestigkeit von einer PLA und einer LLDPE Folie 16

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

PLA 4032D PLA MLF100

PLA 4042D LLDPE LL1030XV *

[kps

i] Reissfestigkeit MDReissfestigkeit TD

4Stoffe 23

4.2.2Ökobilanz

Für PLA sind bisher zwei LCAs verfügbar, eine des finnischen „Technical Research Centre of Finland“(VTT) die Babywindeln aus Polyolefinen und PLA vergeleicht, und eine Studie im Auftrag des PLAHerstellers Cargill Dow entstand.17

Die Studie des VTT ergibt für die PLA Version leicht schlechtere Werte als für die Polyolefine. Diese resultieren sowohl aus einem leicht erhöhten Energieverbrauch wie auch in einer leichtenSteigerung des GWP.18

Die Ähnlichkeit der beiden Szenarien könnte, wie die Autoren auch selber einräumen, daraufzurückzuführen sein, dass die Ökobilanz in beiden Fällen von den Polsterungen der Windeln dominiertwird, die 70% des Produktes ausmachen, und in beiden Szenarien aus dem gleichen Stoff bestehen.Ein anderes Bild zeichnet die Studie von Cargill Dow, die sich auf Energieverbrauch und CO2

Emissionen beschränkt.Hiernach wären mit Produkten aus PLA im Vergleich mit herkömmlichen Kunststoffen Einsparungenzwischen 30% und bis über 90% beim Verbrauch fossiler Energieträger. Und die CO2 Emissionennehmen teilweise sogar negative Werte an.Diese extrem positiven Werte, resultieren zum Teil sicher daraus, dass in der Studie dieAbfallverwertung nicht miteinbezogen wurde, die bei allen bisherigen Studien den Grossteil des GWPsverursacht hat. Auch wurden Methan, das in der Studie des VTTs fast die Hälfte des GWPs ausmacht,und N2O aus der Landwirtschaftlichen Produktion nicht miteinbezogen.Die Einsparungen bei den fossilen Energieträgern entstehen durch einen hohen Anteil an erneuerbarenEnergiequellen. Der mindest Anteil der erneuerbaren Energieträger liegt bei 50%, und in dem ammeisten optimierten Szenario, wird beinahe der gesamte Energiebedarf durch Windenergie gedeckt, sodass pro Kilogram PLA nur noch 7 MJ an fossiler Energie verbraucht wird.Auch wenn diese Annahmen äusserst optimistisch sein mögen, geben sie doch einen guten Ausblick,was mit PLA möglich ist, wenn die Produktion umfassend optimiert wird.

4.2.3Schlussfolgerungen für ABB Turbo Systems

Produkte aus PLA weisen gleich wie die Stärke Produkte eine geringe Wärmebeständigkeit auf.Ausserdem sind ihre werkstofflichen Eigenschaften generell schlechter als die konventionellerKunststoffe. Das wohl grösste Problem stellt dabei die Steifigkeit der aus PLA gewonnen Folien dar.Dazu kommt, dass zum jetztigen Standpunkt der Technik kein grosser Gewinn bei derUmweltverträglichkeit durch die Verwendung von PLA erzielt werden kann.Aus den oben genannten Gründen, sehe ich kein Potential für eine Anwendung von PLA bei ABBTurbo Systems.Denkbar wäre die Verwendung von PLA Schäumen, allerdings gibt es noch zu wenig Daten für einesinnvolle Aussage.

17 Erwin T.H. Vink,Karl R. Rabago,David A. Glassner,Patrick R. Gruber; Applications of life cycle assessment toNatureWorksTM polylactide (PLA) production; Polymer Degradation and Stability 80 (2003) 403–419

18 Hakala, S., Virtanen, Y., Meinander, K., Tanner, T; Life-cycle assessment, comparison of biopolymer and traditionaldiaper systems; Technical Research Centre of Finland (VTT), Finland

4Stoffe 24

4.3PHA (Poly 3-hydroxyalkanoate)

Die Stoffgruppe der PHAs bildet sich aus einer Vielzahl von Molekülen, die sich in der Länge und Arteiner Seitenkette des Kohlenwasserstoff Gerüstes unterscheiden.In der Natur kommen PHAs in hoher Konzentration in Mikroorganismen vor bei denen sie, ähnlich wieStärke, als Speicherstoff dienen und bis zu 95% des Trockengewichts der Zelle ausmachen können.Neben der natürlichen Produktion in Organismen wie dem Bakterium Ralstonia eutropha19 setzenProduzenten heute auch auf gentechnisch veränderte Organismen um die PHA Ausbeute zu erhöhen.Dabei kommt auch der in vielen pharmazeutischen Anwendungen gebrauchte Stamm E. Coli K12 zumEinsatz. So konnte der Gewinn von ca. zehn Gramm PHA pro Liter auf über 80 gesteigert werden.20

Als zweite Möglichkeit können PHAs auch aus gentechnisch veränderten Pflanzen gewonnen werden.Auch wenn es bisher nicht gelang eine wirtschaftliche Produktion in einer Pflanze zu entwickeln, gehtdie Forschung in diese Richtung weiter. So werden momentan Tabak, Rutenhirse und Alfalfa, einerKleeart als Produktionssyteme untersucht. Bei beiden Produktions Verfahren wird Gentechnik eingesetzt, um zu wirtschaftlichen Ergebnissen zukommen. Der grosse Unterschied besteht jedoch darin, dass bei der Produktion in Mikroorganismen ingeschlossenen Reaktoren gearbeitet wird und diese nicht in die Umwelt gelangen, während beim Anbauvon modifizierten Pflanzen beim heutigen Wissensstand unklar ist, welche Risiken sich für die Umweltund insbesondere für die Biodiversität ergeben.Entwickelt wird die PHA Produktion hauptsächlich von den beiden amerikanischen UnternehmenMetabolix und Nodax (Procter & Gamble) die stark auf Gentechnik setzen, sowohl zur Produktion inMikroorganismen als auch in Pflanzen, und dem deutschen Unternehmen Biomer das ohne Gentechnikarbeitet und sich auf den Bodenorganismus Alcaligenes latus21, der ausschliesslich einen Vertreter derStofgruppe, nämlich PHB, produziert, konzentriert. Besonders in den USA werden hohe Beträge an Forschungsgeldern in die Entwicklung von PHAsinvestiert. Ein Beispiel dafür, ist die Zusammenarbeit von Metabolix mit der U.S. Navy im „U.S.Navy’s Waste Removal Afloat Protects the Sea“ (WARPS) Programm, bei dem marin abbaubareVerpackungen für Lebensmittel entwickelt werden sollen.22

Trotz der hohen Aufwendungen, existieren noch keine kommerziellen PHA Produkte.Am genauesten äussert sich Nodax über den geplanten Markteintritt. Das Unternehmen will 2005 ersteProdukte anbieten.23

Hohe Erwartungen werden in Mischungen von PHAs und anderen Biopolymeren gesetzt. Dies solleinerseits die mechanischen Eigenschaften verbessern, und andererseits den Preis der Produkte senken.Auch die Ökobilanz könnte dadurch verbessert werden, da zum Beispiel Stärke mit wenigerEnergieaufwand hergestellt werden kann.

19 August 20, 2000 How Green are Green Plastics? By Tillman U. Gerngross and Steven C. Slater Scientific American20 www.nodax.com21 www.biomer.de22 www.metabolix.com23 www.nodax.com

4Stoffe 25

4.3.1Eigenschaften

Die werkstofflichen Eigenschaften derPHAs ähneln denen von PP und PE.Jedoch variieren die Eigenschaften sehrstark je nach Verarbeitung. So lässt sichdie Zugfestigkeit allein durch kleineVeränderungen bei der FolienHerstellung um das vierfache steigern.24

Ähnlich wie bei den Stärke Polymerenliegt auch hier die Dichte höher als beikonventionellen Kunststoffen. Sie ist inetwa um 30% grösser als bei vergleichbaren petrochemischen Polymeren, bleibt damit aber immer nochleicht unter anderen BAWs.Untersuchungen zu den thermischen Eigenschaften zeigen, dass PHA im Vergleich mit anderen BAWsam ehesten auch bei höheren Temperaturen mit herkömmlichen Kunststoffen mithalten können.

24 Jenny Josefine Fischer, Yoshihiro Aoyagi, Makiko Enoki, Yoshiharu Doia, Tadahisa Iwata,Mechanical properties and enzymatic degradation of poly([R]-3-hydroxybutyrate-co-[R]-3-hydroxyhexanoate) uniaxiallycold-drawn films, Polymer Degradation and Stability 83 (2004) 453–460

Abbildung 11Zugfestigkeit von PHAs in Abhängigkeit von der Temperatur, im Vergleich mit petrochemischen Stoffen; *petrochemische Vergleichsstoffe 9 10

-30 0 23 60 1000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Biomer P226 AHBiomer P240 HPolyetylen MG9641A *Polypropylen HF136MO *

Temperatur [°C]

[MP

a]

Tabelle 5Vergleich der Eigenschaften von PHB und PP

Eigenschaften PHB PPKristalliner Schmelz Punkt [°C] 175 176Molekular Gewicht [Dalton]Glasübergangstemperatur [°C] 4 -10Dichte [g/cm-3] 1,25 0,91Tensile Stärke [Mpa] 40 38Extension to Break % 6 400UV resistance good poorSolvent resistance poor good

5*105 2*105

4Stoffe 26

4.3.2Ökobilanz

Ökobilanzen für PHAs sind bisher eher selten. Die mir bekannten beschränken sich zudem aufBetrachtungen des Energieverbrauchs und des GHG Potentials.Problematisch ist dies vorallem dadurch, dass Lösungsmittel, die bei gewissen Produktionsverfahrenzur Extraktion der PHAs verwendet werden nicht berücksichtigt werden.Bei der Betrachtung der Ökobilanzen wird klar, dass die Verwendung von PHA nicht von sich auseinen Vorteil gegenüber herkömmlichen Polymeren bedeutet.So schreiben Tillman et. Al.: „In our most recent study, completed this past spring (2000; Anmerkung), we and our colleagues foundthat making one kilogram of PHA from genetically modified corn plants would require about 300percent more energy than the 29 megajoules needed to manufacture an equal amount of fossil fuel-based polyethylene (PE). To our disappointment, the benefit of using corn instead of oil as a rawmaterial could not offset this substantially higher energy demand.“25

Auch eine Studie des MIT und der Yale University26 zeigt ein ähnliches Bild. Dabei entsteht der grössteTeil des Energieverbrauchs bei der energieintensiven Extraktion des PHAs aus den Speicherpflanzen.

25 August 20, 2000 How Green are Green Plastics? By Tillman U. Gerngross and Steven C. Slater Scientific American26 Kurdikar D. et Al. Greenhouse Gas Profile of a Plastic Material Derived from a Genetically Modified Plant, Journal of

Industrial Ecology Volume: 4 Number: 3 Page: 107 -- 122

Abbildung 12Wärmeformbeständigkeit; * Vergelichsstoffe 9 10

0102030405060708090

100

Biomer

L900

0

Biomer

P266 A

H

Biomer

P240 H

Bioplast

1540

01GS00

70

Bioplast

GS902P

Mater B

i LF0

1U

Mater b

i YI01

U1

Polyeth

ylen M

G9641A

*

Polypro

pylen H

F136M

O *

LLDPE M

2000

24

[°C]

Wärmeformbeständigkeitstemperatur A (Biegebelastung=1,8[MPa])Wärmeformbeständigkeitstemperatur C (Biegebelastung=5[MPa])Vicat-Erweichungstemperatur(50 N, 50°C/h)

4Stoffe 27

Alle mir bekannten Studien beziehen sich dabei auf Mais als PHA Produzent. Ob der Energieverbrauch bei der von Metabolix verwendeten Rutenhirse (Panicum virgatum)besserausfällt ist mir nicht bekannt.Auch bei der Produktion von PHA aus Mikroorganismen kann der Verbrauch an nicht erneuerbarenEnergieträgern höher sein als bei entsprechenden petrochemischen Kunststoffen.27 So verbraucht die PHA Herstellung beinahe gleich viel fossile Energieträger, wie die Hergestellung vonPS.Insbesondere trifft dies zu, wenn als Kohlenstoffquelle für das Bakterienwachstum Methan oderEthanol aus fossilen Energieträgern benutzt wird.Zu einer Ökobilanz die Verbesserungen im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen zeigt, gelangtman nur, wenn die gesamte Prozessenergie ebenfalls aus erneuerbaren Energieträgern gewonnen wird. Da einiges an Biomasse bei der PHA Produktion als Abfallprodukt anfällt, würde es sich anbieten,diese zur Energiegewinnung zu verwenden. Allerdings gilt dies bei den heutigen Preisen für Energie alsnoch nicht ökonomisch. Bei den heute eingesetzten Energiequellen dürfte es in der Praxis schwerwerden, auf den erforderlichen Anteil an erneuerbaren Energieträgern zu kommen.

27 Heyde M. Ecological considerations on the use and production of biosynthetic and and synthetic biodegradablepolymers; Polymer Degradation and Stability, Volume 59, Issue 1, p.3-6

Abbildung 13Energie Input in die Produktion durch Mikroorganismen 27

PHA optimiert

HDPE PS PHA schlechtes-ter Fall

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

66,1 73,891,7

573,2

Benötigte Enegie [MJ/kg Produkt]

[MJ/

kg P

rodu

kt]

4Stoffe 28

Auch bei der Entsorgung können noch beträchtliche Treibhausgas Emissionen entstehen. Besonderswenn in Deponien oder Kompostieranlagen Methan entsteht.Konventionelle Kunststoffe haben hier einen Vorteil da schon eine bessere Infrastruktur zur Sammlungund Wiederverwendung besteht.

4.3.3Schlussfolgerungen für ABB Turbo Systems

Die PHAs zeigen das wohl grösste Potential um als Ersatz für herkömmliche Kunststoffe zu dienen.Durch ihre Vielzahl an verschiedenen Molekülen, lassen sich Stoffe unterschiedlichster Eigenschaftenmassschneidern. Allerdings steckt die Entwicklung noch in den Kinderschuhen, und marktfähigeProdukte sind noch nicht zu finden.Im Moment versuchen drei Firmen konkurrenzfähige Produkte zu entwickeln. Die beiden in Amerikaangesiedelten, Metabolix und Nodax setzen dabei stark auf Gentechnik. Zu unterscheiden ist die hierbei die Produktion in Mikroorganismen die in geschlossenen Reaktorengezüchtet werden, und mit relativ kleinen Veränderungen der Erbsubstanz auskommen, und derProduktion in Feldpflanzen. Bei diesen muss ein völlig neuer Stoffwechsel Mechanismus eingebautwerden, und es besteht ein hohes Risiko, dass es zu Umweltschäden in umliegenden Ökosystemen

Abbildung 14Entsorgungsbedingtes GWP 27

HDPE PS PHB, fossil

PHB, bio0

0,51

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,5

0,510,72

6,3

5,1

3,33,5

1,8

0,09

Deutscher standard Mix100% Verbrennung

[kgC

O2/

kg]

4Stoffe 29

kommt.Ob der Einsatz von GMOs in geschlossenen Reaktoren, der marginale Risiken für die Umwelt darstellt,mit der Konzern Philosophie vereinbar ist, muss ABB entscheiden.Wichtig wird dabei sein, die Öffentlichkeit über die Gefahrlosigkeit der Technik zu informieren.Der dritte Hersteller, die deutsche Firma Biomer, arbeitet ohne Gentechnik, hat aber noch mit extremhohen Preisen seiner Produkte zu kämpfen.Als einziger der drei Hersteller, hat Nodax, mit 2005 schon ein Datum für den geplanten Markt Eintrittangegeben. Das Unternehmen will seine Produkte auch auf den europäischen Markt bringen.Ein weiteres Problem stellt der sehr hohe Energieverbrauch der PHA Produktion dar, der bewirkt, dassPHAs eine schlechtere Ökobilanz als Kunststoffe aus Erdöl aufweisen. Dies wird sich jedoch inZukunft durch optimierte Produktionsverfahren ändern lassen. Damit werden PHAs auch ökologischeine gute Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen darstellen.Auch wenn heute noch keine Anwendungen für ABB Turbo Systems existieren, so könnte es dochlohnend sein, aktiv an der Entwicklung mitzuarbeiten, um in Zukunft eine preisgünstige,umweltfreundliche Alternative zu den heute verwendeten Verpackungen zu erhalten.