Ressourceneffizienz durch Werkstoffsubstitution · a) Technologische Substitution Bei der...

Ressourceneffizienz durch Werkstoffsubstitution

Dezember 2013

VDI ZRE Publikationen Kurzanalyse Nr 4

Kurzanalyse Nr 4 Ressourceneffizienz durch Werkstoffsubstitution

2 Auflage 2016

Diese Kurzanalyse entstand im Auftrag der VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH und wurde durch die VDI Technologiezentrum GmbH erstellt

Autoren und fachliche Ansprechpartner

Dr Heinz Eickenbusch VDI Technologiezentrum GmbH

Dr Wolfgang Luther VDI Technologiezentrum GmbH

Die Kurzanalyse wurde im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative des Bundesministeriums fuumlr Umwelt Naturschutz Bau und Reaktorsicherheit erstellt

Die Kurzanalysen des VDI ZRE geben einen Uumlberblick uumlber aktuelle Entwicklungen des Themas Ressourceneffizienz in Forschung und industrieller Praxis Sie enthalten eine Zusammenstellung relevanter Forschungsergebnisse neuer Technologien und Prozesse sowie Gute-Praxis-Beispiele Damit verschaffen die Kurzanalysen einem breiten Publikum aus Wirtschaft Forschung und Verwaltung einen Einstieg in ausgewaumlhlte Themenfelder der Ressourceneffizienz

Redaktion

VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (VDI ZRE)

Bertolt-Brecht-Platz 3

10117 Berlin

Tel +49 30-27 59 506-0

Fax +49 30-27 59 506-30

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wwwressource-deutschlandde

Satz und Gestaltung Christian Maciejewski

Titelbild Jaqueline Schmid Dreamstime

Druck LASERLINE Druckzentrum Berlin KG Scheringstraszlige 1 13355 Berlin-Mitte

Gedruckt auf umweltfreundlichem Recyclingpapier


Kurzanalyse

Inhaltsverzeichnis

1 ZIELE UND MOTIVATION 6

2 FORMEN DER SUBSTITUTION 7

3 ANWENDUNGSPOTENZIAL VON WERKSTOFFSUBSTITUTIONEN 11

31 Werkstoffsubstitutionen im Maschinen- und Anlagenbau

32 Werkstoffsubstitutionen in der Automobiltechnik

33 Werkstoffsubstitutionen im Bauwesen

12

18

23

4AUSWIRKUNGEN DER SUBSTITUTION AUF DEN LEBENSWEG EINES PRODUKTES 31

5 FAZIT FORSCHUNGS- UND ENTWICKLUNGSBEDARF UND HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN 39

6 ANHANG Abbildungsverzeichnis Fuszlignotenverzeichnis

42 42 43

6 Ziele und Motivation

1 ZIELE UND MOTIVATION

Eine ausreichende Rohstoffversorgung die Herstellung von Werkstoffen und effiziente Werkstoffe spielen im globalen Wettbewerb eine zentrale Rolle Allein die Nachfrage nach Rohstoffen nimmt stetig zu auch aufgrund der fortschreitenshyden Industrialisierung der Schwellenlaumlnder In den letzten 30 Jahren hat sich der Rohstoffverbrauch weltweit verdopshypelt1 was teilweise zu massiven lokalen und globalen Umshyweltbelastungen gefuumlhrt hat Schon heute verbraucht die Welt anderthalbmal mehr Ressourcen als sich erneuern2

Eine zuverlaumlssige Versorgung mit Rohstoffen wie strategishyschen Metallen Edelmetallen und Seltenen Erden ist fuumlr das Exportland Deutschland von houmlchster Wichtigkeit Als rohstoffarmes Land ist die Industrie in Deutschland auf den Import fast aller fuumlr Hochtechnologien wichtigen Ausgangsshystoffe angewiesen Um die Abhaumlngigkeiten und die sich abshyzeichnenden Versorgungsengpaumlsse von Rohstoffen zu vershyringern und den steigenden Rohstoffkosten zu begegnen ist es notwendig vorhandene Wertstoffe sowohl zu recyceln als auch durch neu zu entwickelnde Werkstoffe zu ersetzen Zudem ist es wichtig Rohstoffe so ressourceneffizient wie moumlglich einzusetzen In diesem Sinne muss auch die Vershywendung von Werkstoffen in Produkten entlang der gesamshyten Wertschoumlpfungskette ressourcenschonend und effizient erfolgen Eine vielversprechende Strategie dafuumlr stellt die Werkstoffsubstitution dar mit der verschiedene Ziele vershyfolgt werden

bullUnabhaumlngigkeit von kritischen Rohstoffen

bullVermeidung des Einsatzes toxischerumweltschaumldigenshyder Substanzen

bullEffizienzsteigerungen durch neue Werkstoffe

bullAnpassung an die Aumlnderung von Kundenanforderungen (B2B B2C)

1 Faktor X Umweltbundesamt 26062012 httpwwwumweltbundesamtdethemenabfall-ressourcenressourcenschonung-in-produktion-konsumfaktor-x (aufgerufen am 18122013) 2 2030 brauchen wir eine neue Erde Tagesschaude 15052012 httpwwwtagesschaude

inlandwwf114html (aufgerufen am 18122013)

7 Formen der Substitution

2 FORMEN DER SUBSTITUTION

Generell wird zwischen den drei folgenden Formen der Werkstoffsubstitution unterschieden

a) Technologische Substitution

Bei der technologischen Substitution werden neue Technoshylogien und Verfahren eingesetzt welche eine vergleichbare Funktionalitaumlt und Wirtschaftlichkeit mit geringerem Menshygenbedarf an strategischen Rohstoffen realisieren zum Beishyspiel durch neue Loumlsungen zur Einsparung kritischer Metalshyle und Industriemineralien Ein Beispiel fuumlr die Substitution kritischer Metalle bildet der Einsatz von Aluminium anstelle von Kupfer in der elektrischen Energietechnik und bei Elekshytromotoren Auch Aluminium ergibt einen guten elektrishyschen Leiter ndash bei aumlhnlichen mechanischen Eigenschaften wie Kupfer ndash und ist durch eine angepasste Konstruktion fuumlr die Anwendung geeignet3

b) Funktionale Substitution

Die funktionale Substitution basiert auf Verfahren und Konzepten zur Substitution eines Produkts durch ein anshyderes Produkt oder eine innovative ProduktshyDienstleistung bei gleicher Funktion aber geringerem Bedarf an strategishyschen Rohstoffen Ein Beispiel dafuumlr stellt die Organische Elektronik dar Sie umfasst Lichtquellen photovoltaische Zellen Batterien und den Bereich der gedruckten Elektroshynik Hierbei werden elektronische Komponenten aus orgashynischen Materialien und Polymeren aufgebaut und ersetzen die klassischen anorganischen Elektronikmaterialien Insshybesondere die Umwandlung von Licht in elektrische Enershygie (Photovoltaik) sowie die Umwandlung von elektrischer Energie in Licht durch Leuchtdioden ergeben herausragenshyde Anwendungsschwerpunkte die grundlegende oumlkonomishysche und oumlkologische Vorteile in Aussicht stellen Aber auch hinsichtlich weiterer Anwendungspotenziale im Bereich der Energiewandler oder als Designelemente zum Beispiel als

3 Faulstich M et al bdquoInnovative Technologien fuumlr Ressourceneffizienzldquo Informationspapier TU Muumlnchen November 2010 httpwwwr-zwei-innovationde_mediaInformationspa-pier_BMBF_Foerdermassnahme_r3pdf (aufgerufen am 18122013)


groszligflaumlchige flexible Beleuchtungen und Displays erweist sich diese Form der Substitution als interessant4

c) Material-Werkstoffsubstitution (Fokus dieser Kurzanalyse)

Bei der Werkstoffsubstitution handelt es sich um ein allshygegenwaumlrtiges Thema Neue Anwendungsbereiche innovashytive Produkte und houmlhere Anforderungen an Lebensdauer Energieeffizienz Umweltfreundlichkeit Wiederverwertbarshykeit oder eine preiswertere Herstellung von Bauteilen oder Werkstoffen erfordern den Ersatz von bisher verfuumlgbaren beziehungsweise eingesetzten konventionellen Materialien durch neue und verbesserte Werkstoffe Da Materialien eishyner permanenten Weiterentwicklung unterliegen entstehen Materialeigenschaften die fuumlr die jeweiligen Anwendungen bdquomaszliggeschneidertldquo werden koumlnnen Die stetige Weiterentshywicklung von Metallen Keramik Glas Kunststoffen Textishylien oder Verbundwerkstoffen bildet die Basis fuumlr vielfaumlltige Werkstoffsubstitutionen ndash etwa in der Automobilindustrie der Luftfahrt dem Maschinenbau der Energietechnik aber auch der Medizintechnik oder im textilen Sektor Dabei ruumlshycken innovative Werkstoffe insbesondere Nanomaterialien und Hybridwerkstoffe ins Blickfeld

Die wachsende Informationsmenge und die komplexe Vielshyfalt von Materialien Fertigungsverfahren und Kompositishyonsmoumlglichkeiten erfordern den verstaumlrkten Einsatz von Softwareshy und Informationstechnologien um optimale Zushysammenstellungen zu erzielen und Moumlglichkeiten fuumlr Subshystitutionen zu erschlieszligen Wichtige Aspekte hierbei sind unter anderem5

bulldie Darstellung des Eigenschaftsspektrums von Werkshystoffgruppen

bullder Vergleich von Werkstoffeigenschaften und shykosten

4 Houmlcker H et al bdquoOrganische Elektronik in Deutschlandldquo Acatech 2011 httpwwwacatech defileadminuser_uploadBaumstruktur_nach_WebsiteAcatechrootdePublikationen Projektberichteacatech_Berichtet-und-Empfiehlt_organische-Elektronik_WEBpdf (auf-gerufen am 18122013) 5 Werkstoffsubstitution IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH

o D httpwwwima-dresdendeindexphpILNK=informationssysteme_loesungen_werkstoffsubstitutionampiL=1 (aufgerufen am 18122013)


bullder Vergleich der Potenziale der Werkstoffgruppen

bulldie Auswahl der Werkstoffgruppen

bulldie Auswahl konkreter Werkstoffe aus den Werkstoffshygruppen

bullDirektvergleich konkreter Werkstoffe

Es wird geschaumltzt dass heute etwa 40000 metallische und ebenso viele nichtmetallische Werkstoffvarianten existieshyren und fuumlr technische Konstruktionen genutzt werden koumlnnen6 Aufgrund der unterschiedlichen massebezogenen Werkstoffkennwerte ergibt sich ein weites Feld von Moumlgshylichkeiten der Substitution spezifisch schwererer durch spezifisch leichtere Werkstoffe Mit der steigenden Zahl von Werkstoffen und Werkstoffvarianten wird es zugleich immer schwieriger die Uumlbersicht uumlber das gesamte Spekshytrum an Konstruktionswerkstoffen und deren Kennwerte zu behalten Im normalen Konstruktionsprozess werden in vielen Faumlllen Werkstoffloumlsungen innerhalb einer Werkstoffshygruppe oder innerhalb einer Werkstofffamilie gesucht Bei der Entwicklung von Leichtbaustrukturen werden haumlufig explizit werkstoffuumlbergreifende Ansaumltze gefordert und der Wettbewerb unterschiedlicher Werkstoffgruppen um das beste materialtechnische Loumlsungskonzept verstaumlrkt

Die im Werkstoffleichtbau verwendeten Konzepte lassen sich hinsichtlich ihres Loumlsungsansatzes in Maszlignahmen zur Werkstoffoptimierung und solche zur Werkstoffsubstitution unterscheiden

Im klassischen Konstruktionsprozess setzt der Konstrukshyteur zur Minimierung des Produktrisikos in der Regel auf Werkstoffe deren Eigenschaften bekannt sind und die sich in dem jeweiligen Anwendungsfall bereits bewaumlhrt haben Impulse fuumlr Werkstoffoptimierungen erwachsen haumlufig aus den Anforderungslisten der Konstruktionsabteilungen und auf Basis der Lastenhefte des Kunden zum Beispiel der Entwicklungsvorgaben der Automobilhersteller Hierbei werden einzelne Werkstoffparameter uumlber die Werkstoffzushy

6 Reuter M Methodik der Werkstoffauswahl Carl Hanser Verlag 2006 ISBN 978-3446-40680-3 S 13


sammensetzung oder die Beeinflussung der Struktur oder Oberflaumlche so angepasst dass sie die Anforderungen des Konstrukteurs besser erfuumlllen als der bisher verwendete Werkstoff Da die uumlbrigen Eigenschaften des Werkstoffs weitgehend erhalten bleiben ist eine erneute Erprobung nur hinsichtlich der veraumlnderten Eigenschaften notwendig Die eigentliche Werkstoffoptimierung findet dabei haumlufig in den Entwicklungslaboren der Werkstoffhersteller statt so dass das Entwicklungsrisiko des Konstrukteurs und seines Auftraggebers verhaumlltnismaumlszligig gering ausfaumlllt

Demgegenuumlber steht ein wesentlich houmlheres Entwicklungsshyrisiko bei der vollstaumlndigen Substitution bewaumlhrter Konshystruktionswerkstoffe durch andere und zum Teil neue Werkshystoffe die einen erheblich groumlszligeren Entwicklungsaufwand erfordern und eine umfassende Erprobung vor der Freigashybe fuumlr den Serieneinsatz durchlaufen muumlssen Hilfe bei der Auswahl der in Frage kommenden Substitutionswerkstoffe bieten MaterialshyPropertyshyCharts Werkstoffdatenbanken und Informationen der Werkstoffhersteller Da die Grenzen der Anwendungsbereiche von Werkstoffgruppen durch neue Werkstoffentwicklungen und shyoptimierungen staumlndig weishyter ausgedehnt werden muss der Hersteller eines Produkts eine regelmaumlszligige Uumlberpruumlfung von zur Verfuumlgung stehenshyden Substitutionswerkstoffen vornehmen Insbesondere die intensive Entwicklungstaumltigkeit auf dem Gebiet der Polymershyund Verbundwerkstoffe spielt dabei fuumlr den Werkstoffleichtshybau eine wichtige Rolle

Zum Werterhalt von Guumltern und zum Ressourcenshy und Klimaschutz im industriellen und privaten Bereich koumlnshynen intelligente Materialloumlsungen beitragen Mittel zum Zweck sind zum einen eine gezielte Werkstoffauswahl und shybearbeitung zum anderen eine Funktionalisierung von Produktoberflaumlchen durch Beschichtungstechnologien Beschichtungen umfassen inzwischen sehr verschiedene Funktionen wie den Schutz vor Verschmutzungen Vershyschleiszlig und Korrosion Sie gewaumlhrleisten eine erhoumlhte Abshyriebshy und Kratzfestigkeit sowie die gezielte Veraumlnderung der Gleitfaumlhigkeit Dadurch stellen sie ein Mittel zur Erfuumlllung von Kundeninteressen dar und verbessern die Wertschoumlpshy

Houmlheres Ent-wicklungsrisiko bei vollstaumlndiger Substitution

11 Anwendungspotenzial von Werkstoffsubstitutionen

fungsmoumlglichkeiten Diese Optimierung fuumlr den Einsatzshyzweck kann durch eine Modifikation der Werkstoffoberflaumlshyche selbst erfolgen oder durch die Aufbringung einer neuen Schicht Bei der Modifikation ohne separaten Schichtaufshytrag etwa mittels Nitrieren Randschichthaumlrten Ionenimshyplantation oder Nanomaterialien werden nicht nur das Reibungsshy und Verschleiszligverhalten des Werkstoffs verbesshysert sondern auch seine Oxidationsshy und Korrosionsbestaumlnshydigkeit Grundwerkstoffe erhalten durch neu aufgebrachte Oberflaumlchenschichten wie durch Physical Vapur DepositishyonChemical Vapour Deposition (PVDshyCVDshyBeschichtung) neuartige und auf ein bestimmtes Anforderungsprofil optishymierte physikalische und chemische Eigenschaften7

3 ANWENDUNGSPOTENZIAL VON WERKSTOFFSUBSTITUTIONEN

Das Anwendungsspektrum von Werkstoffsubstitutionen mittels innovativer Materialshy und Oberflaumlchentechnologien insbesondere auf Basis der Nanotechnologie faumlllt sehr breit aus und reicht vom Maschinenshy und Anlagenbau uumlber die Automobilindustrie Kunststoffverarbeitung Stahlindustrie und Medizintechnik bis hin zur Optik

7 Intelligente Materialloumlsungen zum Erhalt von Werten Hessen Nanotech o D httpwww hessen-nanotechdedynasitecfmdsmid=15653 (aufgerufen am 18122013)

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Industrielle Anwend ungsgebiete Branchen

Anwendungs- und Produktbeispiele Werkstoffsubsitution

Maschinen und Geraumlte Bauteile (Lager Getriebekompo-nenten Hydraulik) Werkzeuge

Materialeinsparung durch tribolo-gische Schichten Verschleiszlig- und Korrosionsschutzschichten sowie Hartstoffschichten

Fahrzeuge Karosserie Motor Getriebe hochbelastete Bauteile Werkzeuge Reflektoren Scheiben

Gewichtsreduktion durch Leichtbau-materialien tribologische Schichten Verschleiszlig- und Korrosionss-chutzschichten

Kunststoffe Textilien Consumerelektronik Computer-gehaumluse Moumlbel Haushaltsartikel

Biokunststoffe Nanokomposite Verschleiszligschutzschichten nicht-toxische Materialien

Stahlindustrie Bleche Feinbleche Gewichtsreduktion Korrosionss-chutz neue Legierungen

Medizintechnik Gelenk- und Gefaumlszligprothetik chirur-gische Instrumente Mikrotiterplatten

Biokompatibilitaumlt Ver-schleiszligschutzschichten Sterilisierbarkeit Funktionalisierung

Optik Filter Linsen Brillenglaumlser -fassungen Kaltlichtspiegel Laserspiegel

Transmission Reflexion Verschleiszligschutz

Elektrotechnik EMV-Abschirmungen Schalter elektrische Kontakte Leiterplatten Molded Interconnect Devices

Verbesserung der Leitfaumlhigkeit Verschleiszligschutzschichten Loumltbarkeit

Verpackungsindustrie Folien Papier Pappe Verbesserung der Festigkeit Permeation und Bedruckbarkeit durch Nanomaterialien

Konsumguumlterindustrie Armaturen Schreibgeraumlte Uhren Bestecke Haushaltsgeraumlte wie Kuumlhlschraumlnke Waschmaschinen Toaster etc

Verschleiszlig- und Korrosions-schutzschichten alternative kostenguumlnstige Materialien wie Kunststoffe

Gebaumlude und Bauwerke Architekturglas Fassaden-verkleidungen Baubeschlaumlge Fensterrahmen

Verbesserung der Waumlrmedaumlmmung (Transmission Reflexion) des Korrosions- und Brandschutzes sowie des Gewichtes

Tab 1 Anwendungs- und Produktbeispiele von Werk-stoffsubstitutionen8

Der Nutzen der Werkstoffsubstitutionen wird im Folgenshyden anhand von Anwendungsshy und Produktbeispielen im Bereich des Maschinenshy und Anlagenbaus in der Automoshybiltechnik und im Bauwesen dargestellt


Bei Werkzeugen haben Hartstoffschichten zum Zwecke des Verschleiszligschutzes in den letzten Jahren stark an Bedeushytung gewonnen Durch die funktionelle Ausgestaltung der Oberflaumlchenschicht koumlnnen wesentliche Eigenschaften des

8 Quelle VDI Technologiezentrum GmbH und veraumlndert nach Hessen Nanotech o D http wwwhessen-nanotechdedynasitecfmdsmid=15730 (aufgerufen am 18122013)


Bauteils durch die Hartstoffschicht anstelle des Grundwerkshystoffs bestimmt werden Das beinhaltet neben der hohen Haumlrte bei ausreichender Zaumlhigkeit einen groszligen Verschleiszligshywiderstand sowie thermische und chemische Bestaumlndigkeit Die gute Haftung auf dem Substratwerkstoff ist unabdingshybar9

Diese multifunktionalen Eigenschaften werden mit einem nanoskaligen Schichtaufbau umgesetzt Etabliert sind Hartshystoffschichten aus Diamant und Verbindungen von Uumlbershygangsmetallen wie Chrom Wolfram oder Titan mit Stickstoff (zum Beispiel Titannitride) Kohlenstoff (zum Beispiel Wolfshyramcarbide) oder Sauerstoff (zum Beispiel Zirkoniumoxide) Neuere Entwicklungen betreffen Sulfide (zum Beispiel Moshylybdaumlnsulfide) und Selenide (zum Beispiel Wolframselenishyde) und amorphe Kohlenstoffverbindungen Beim Bohren oder Fraumlsen von harten Werkstoffen wie gehaumlrtetem Stahl fuumlr den Automobilbau wie auch bei der Trockenzerspanung werden aus Kostenshy und Umweltschutzgruumlnden keine Kuumlhlshymittel verwendet Hier ersetzt kubisches Bornitrid Diamantshyschichten da es mit seiner guten thermischen Leitfaumlhigkeit die entstehende Prozesswaumlrme effizient ableitet und zudem oxidationsbestaumlndig und thermisch sehr stabil ist10

9 Verschleiszligschutz durch Hartstoffschichten Hessen Nanotech o D httpwwwhessen-nanotechdedynasitecfmdsmid=15748 (aufgerufen am 18122013)



Abb 1 Strukturaufbau von Nanokomposit-Schichten Sie bestehen aus Aluminiumtitannitrid (AlTiN)-Koumlrnern die in eine Matrix aus Siliziumnitrid (Si3N4) eingebun-den sind Mit diesen extrem harten Schichten werden Bohrer Fraumlser und andere Werkzeuge beschichtet11

Die goldfarbene Werkzeugbeschichtung aus Titannitrid mit erhoumlhter Standzeit hat sich ndash aus dem industriellen Umshyfeld stammend ndash laumlngst bei privaten Endkunden durchgeshysetzt Neu sind superharte nur wenige Mikrometer dicke Beschichtungen auf der Basis von Nanokompositen die nanokristalline Titannitridshy oder TitanaluminiumnitridshyKristalle in eine amorphe SiliziumnitridshyHartstoffmatrix einbetten Eine solche Zweiphasenstruktur entsteht durch gleichzeitiges Abscheiden der Ausgangskomponenten in eishynem kombinierten PVDshy und CVDshyProzess Diese Nanokomshypositstruktur weist eine houmlhere Haumlrte und auch geringere Temperaturleitfaumlhigkeit auf als die kristalline Struktur der Einzelphasen welche das Werkzeugsubstrat gegen die entshystehende Prozesswaumlrme isoliert Nanokompositstrukturen zeigen keine Baufehler wie Versetzungen Mikrorisse oder Korngrenzen so dass ihre Oxidationsbestaumlndigkeit houmlher liegt als die von Diamant Zudem ist bei einem Werkzeug mit Nanokompositbeschichtung eine bis zu fuumlnfmalige Wieshy

11 Quelle PLATIT AG Selzach Schweiz


derbeschichtung moumlglich12

Im Forschungsprojekt bdquoStahlshySchneckeldquo wird ein neues Konshyzept fuumlr Schneckenradgetriebe entwickelt bei dem die bisshyher als reiner Verschleiszligwerkstoff eingesetzte Bronze durch einen konventionellen Stahlwerkstoff substituiert wird Mit der Substitution sollen insbesondere die wertvollen und strategischen Basismetalle Kupfer und Zinn eingespart und durch Stahl ersetzt werden Ziel ist eine drastische Senkung der Produktionskosten bei gleichzeitiger Erhoumlhung der meshychanischen Stabilitaumlt der Bauteile sowie der Arbeitseffizishyenz der Schneckengetriebe13

Abb 2 Technologische Substitution von Bronze durch Stahl in Schneckenradgetrieben14

Wie bdquoharte Werkstoffe und Verschleiszligschutzschichten mit erhoumlhter Lebensdauer auf der Basis neuartiger und recyshycelter Nanomaterialienldquo entstehen untersucht das aktuelle Forschungsprojekt bdquonanoRecldquo15 Im Rahmen dieses Projekshytes sollen insbesondere der Verbrauch kritischer Stoffe wie Wolfram Kobalt und natuumlrlichem Diamant reduziert sowie Einsparshy und Substitutionsmoumlglichkeiten durch Ersatzmateshy


13 Projekt Stahl-Schnecke BMBF MatRessource o D httpwwwmatressourcedeprojekte stahl-schnecke (aufgerufen am 18122013)

14 Quelle Bonfiglioli Innovation Centre 15 Projekt nanoRec BMBF MatRessource o D httpwwwmatressourcedeprojektenano-

rec (aufgerufen am 18122013)


rialien aufgezeigt werden Dabei soll die Verschleiszligbestaumlnshydigkeit der Bauteile und Bauteilbeschichtungen beibehalten bzw weiter verbessert werden Im Fokus stehen neue Vershybundwerkstoffe mit eingelagerten mikroskaligen Hartstoffshypartikeln Diese Partikel weisen polykristalline Strukturen auf die wiederum aus nanoskaligen Kristalliten bestehen Die neuen verschleiszligreduzierten Werkstoffe sollen die Leshybensdauern stark abrasiv beanspruchter Werkzeuge erhebshylich verlaumlngern16

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Bruchzaumlhigkeit (MPa mˆ12)

500 1000 1500 2000 2500

Haumlrte HV10

04 microm 08ndash11 microm 12 ndash14 microm 19ndash24 microm 32 microm L 6 microm

Abb 3 Die im Projekt nanoRec angestrebten Eigen-schaftsparameter17

Bei Baggern und Grabgeraumlten im Bergbau bei Erdarbeiten oder generell bei der Aushebung mineralischen Materials tritt an den Grabwerkzeugen uumlber die Nutzungszeit ein hoher Materialverschleiszlig auf Hier haben sich Hartverbundschichshyten aus metallischen Matrixmaterialien ndash uumlberwiegend auf NickelshyBasis ndash mit eingelagerten Wolframkarbidpartikeln bewaumlhrt Diese Kompositwerkstoffe zeichnen sich durch geringen Verschleiszlig groszlige Bruchzaumlhigkeit und eine lange

16 Projekt nanoRec BMBF MatRessource o D httpwwwmatressourcedeprojektenano-rec (aufgerufen am 18122013)

17 modifiziert nach Quelle Volkmar Richter Fraunhofer IKTS


Lebensdauer aus Wolfram zaumlhlt jedoch zu den sogenannten kritischen Rohstoffen die entweder selten vorkommen oder deren Versorgungssicherheit laumlngerfristig mit Unsicherheishyten versehen ist Ziel des Projektes bdquoSubsTungsldquo ist die Subshystitution von Wolfram in Verschleiszligschutzschichten durch kostenguumlnstige und ausreichend verfuumlgbare Hartstoffe wie etwa Siliziumkarbid oder oxidische Materialien Zusaumltzlich sollen die bisher verwendeten NickelshyMatrices durch solshyche auf EisenshyBasis ersetzt werden Die Entwicklungsarbeit erfordert umfangreiche Analysen und Tests der Materialshybindungen und geeigneter Fertigungsverfahren sowie die Uumlbertragung der Laborergebnisse auf reale Praxisbedinshygungen18

Abb 4 Werkstoffsubstitution zur Entwicklung wolf-ramfreier Hartverbundschichten fuumlr Schaufelradbagger und Grabgefaumlszlig mit Schneiden19

Beim Umformen hochfester Bleche treten groszlige Druumlcke und Flaumlchenbelastungen auf Die eingesetzten Werkzeuge muumlsshysen deshalb sehr stabil sein Die Automobilindustrie setzt zur Teilefertigung Tiefziehwerkzeuge ein die aus Hochshyleistungswarmarbeitsstahl bestehen Dennoch weist dieshyser Werkstoff einen erheblichen Verschleiszlig auf der unter anderem zu hohen Umruumlstkosten fuumlhrt Die Verschleiszligfesshytigkeit von Umformwerkzeugen laumlsst sich durch Materialshyund Oberflaumlchentechnologien jedoch erheblich verbessern So fuumlhrt eine Kombination aus Plasmanitrieren und PVDshyBeschichtungen aus Chrom(III)shynitrid zu einer optimierten Festigkeit die die Standzeit der Werkzeuge um das Achtshy

18 Projekt SubsTungs BMBF MatRessource o D httpwwwmatressourcedeprojektesubs-tungs (aufgerufen am 18122013)

19 Quellen RWE Power AG [links] Vattenfall Europe Mining AG [rechts]


fache erhoumlht20 Auch im Bereich der kunststoffshy und elasshytomerverarbeitenden Industrie haben sich die PVDshyHartshystoffschichten als Verschleiszligschutz und zur maximalen Optimierung der Standzeiten von Verarbeitungswerkzeushygen bewaumlhrt21


Ressourceneffizienz und verringerte Emissionen stellen die groszligen Herausforderungen dar denen sich die Automoshybilbranche stellen muss Zugleich steigen die Anforderunshygen an Sicherheit und Fahrkomfort Leichtbaumaterialien und multifunktionale Werkstoffe koumlnnen hier wertvolle Beishytraumlge liefern Die Substitution konventioneller Werkstoffe wie Stahl durch leichte Materialien wie Aluminium Magshynesium oder Polymere bzw Verbundwerkstoffe steht im Foshykus der Motorenshy und Karosserieentwicklung Neben dem geringen Gewicht und der houmlheren spezifischen Festigkeit muumlssen jedoch weitere Anforderungen wie zum Beispiel Korrosionsshy und Verschleiszligbestaumlndigkeit erfuumlllt werden Moderne Kompositwerkstoffe weisen hier haumlufig groszlige Poshytenziale auf Bei ihrer Fertigung werden Partikel oder Fashysern wie Kohlefasern Glasfasern Naturfasern etc in Kerashymikshy Metallshy oder Polymermatritzen eingelagert Durch die Wechselwirkung des Fuumlllstoffes mit dem Matrixmaterial ershyzielt der Gesamtwerkstoff houmlherwertige Eigenschaften wie geringeres Gewicht optimierte Festigkeit oder verbesserte Verschleiszligbestaumlndigkeit und erfuumlllt damit oft mehrere vershyschiedene Funktionen Faserverstaumlrkte Werkstoffe finden bereits heute eine vielfaumlltige Verwendung etwa als Leichtshybaumaterial fuumlr Windturbinen in der Luftshy und Raumfahrt oder in der Automobiltechnik22 Autohersteller wie BMW und VW haben damit begonnen Kohlenstofffasern fuumlr

Moderne Komposit-werkstoffe weisen haumlufig Korrosions- und Verschleiszligbe-staumlndigkeit auf

20 Verschleiszligschutz in der Fertigungstechnik Hessen Nanotech o D httpwwwhessen-nanotechdedynasitecfmdsmid=15764 (aufgerufen am 18122013)

21 Effiziente Beschichtungs-Systeme fuumlr Kunststoffverarbeitungswerkzeuge Pressebox 04092009 httpwwwpresseboxdeinaktivsulzer-metaplas-gmbhEffiziente-Beschich-tungs-Systeme-fuer-Kunststoffverarbeitungswerkzeugeboxid286720 (aufgerufen am 18122013)

22 Werkstoffe der VerkehrstechnikUniversitaumlt Erlangen-Nuumlrnberg Department Werkstoff-wissenschaften o D httpwwwwwuni-erlangendeforschungshtml (aufgerufen am 18122013)

Anwendungspotenzial von Werkstoffsubstitutionen 19

CFKshyBauteile und vollstaumlndige Karosserien einzusetzen23

Aufgrund des hohen Fertigungsaufwandes werden CFKshyMashyterialien aber zunaumlchst nur im hochpreisigen Fahrzeugsegshyment angesiedelt sein In der Eisenbahntechnik kommen moderne keramische Faserverbundmaterialien zum Einsatz aber auch zum Beispiel als Hochleistungsbremsscheiben in modernen Hochgeschwindigkeitszuumlgen

Sie zeichnen sich durch verbesserte Bremswirkung und hohe Verschleiszligfestigkeit und damit durch eine laumlngere Leshybensdauer aus In Automobilen lieszligen sich Laufleistungen von 300000 Kilometern mit einem Bremsensatz erzielen Aufgrund der hohen Kosten ist jedoch erst laumlngerfristig mit Einfuumlhrung im automobilen Massenmarkt zu rechnen24

Bei einem anderen Leichtbauansatz werden konventionelle Werkstoffe durch Schaumstrukturen ersetzt Sie sind durch hohe Biegesteifigkeiten gute Daumlmpfungseigenschaften und ein groszliges Energieabsorptionsvermoumlgen gekennzeichnet Aus solchen Schaumlumen lassen sich sehr steife Strukturen aber auch gute Energieabsorber herstellen Letztere vershyfuumlgen uumlber Anwendungspotenziale als passive FahrzeugshySicherheitskomponenten etwa zum Aufprallschutz fuumlr Schienenfahrzeuge oder in typischen Knautschzonen in Automobilen25

Der Leichtbau steht auch im Fokus des aktuellen Projekshytes bdquoRADIKAL ndash Ressourcenschonende Werkstoffsubstishytution durch additive und intelligente EisenshyAluminium (FeAl)shyWerkstoffshyKonzepte fuumlr angepassten Leichtshy und Funktionsbauldquo Ziel ist die Substitution von Edelstaumlhlen und sogenannte bdquoSuperlegierungenldquo die haumlufig kritische Rohstoffe wie Kobalt Niob Tantal oder Wolfram enthalshyten durch preiswerte EisenshyAluminiumshyLegierungen Die FeshyAlshyLegierungen sind inzwischen so weit fortgeschritten

23 Weltpremiere des BMW i3 ndash stabil sicher und ohne B-Saumlulen Springer 30072013 http wwwspringerprofessionaldeweltpremiere-des-bmw-i3-stabil-sicher-und-ohne-b-saeu-len4592144html (aufgerufen am 18122013)

24 bdquoNeue Dimension Material ndash Funktionelle Beschichtungen amp keramische Verbundwerk-stoffeldquo Produktbroschuumlre Clariant International AG 2007 httpwwwclariantde C12575E4001FB2B8vwLookupDownloadsPublication_Clariant_NeueDimensionMaterial pdf$FILEPublication_Clariant_NeueDimensionMaterialpdf (aufgerufen am 18122013)

25 httpwwwclariantdeC12575E4001FB2B8vwLookupDownloadsPublication_Clari-ant_NeueDimensionMaterialpdf$FILEPublication_Clariant_NeueDimensionMaterialpdf (aufgerufen am 18122013)

Fe-Al-Legierungen koumlnnen in vielen Anwendungen Chrom-Nickel-Staumlhle ersetzen


dass sie sich auch bereits fuumlr bdquomechanisch thermisch und korrosiv hochbelastete Bauteile und Aggregateldquo26 eignen Zudem sind Eisen und Aluminium in ausreichender Menshyge verfuumlgbar Perspektivisch koumlnnen FeshyAlshyLegierungen in vielen Anwendungen ChromshyNickelshyStaumlhle ersetzen In der technischen Materialentwicklung bestehen jedoch noch verschiedene Huumlrden So ist die Verformbarkeit (Duktilitaumlt) von FeshyAlshyLegierungen sehr begrenzt was vor allem auf die Grobkoumlrnigkeit dieses Werkstoffes nach dem Gieszligverfahren zuruumlckgefuumlhrt wird Neue Fertigungsverfahren wie Selectishyve Laser Melting (SLM) Electron Beam Melting (EBM) und Laser Metal Deposition (LMD) erlauben jedoch erheblich feinere Koumlrnungen bis hin zur Mikrostrukturebene Diese Verfahren sollen nun ebenfalls auf FeshyAlshyLegierungen angeshywandt werden Es wird erwartet dass sich auch in diesem Werkstoff kleinere Korngroumlszligen erzielen lassen und die Dukshytilitaumltseigenschaften verbessert werden koumlnnen Mit einer anwendungsspezifischen Kombination der drei genannten Verfahren lassen sich vielfaumlltige Materialverarbeitungsshymoumlglichkeiten erschlieszligen27

Beschichtungen spielen eine bedeutende Rolle bei Verbrenshynungsmotoren So nutzt die Firma Mahle bei AluminiumshyZylinderlaufflaumlchen die galvanisch aufgetragene eisenparshytikelverstaumlrkte Beschichtung FerroTec um einen Leichtbau durch die Kombination von Aluminiumkolben mit Motorshybloumlcken aus Aluminium zu ermoumlglichen Nanokristalline KompositshyBeschichtungen werden bei der General Motors PowertrainshyGermany GmbH untersucht um fuumlr Zylindershylaufbahnen in Leichtkurbelgehaumlusen aus Aluminium vershybesserte Verschleiszligbestaumlndigkeiten und niedrige Reibkoefshyfizienten zu erzielen28

Auch mit reibungsarmen und hydrophilen Kohlenstoffshyschichten lassen sich die tribologischen Eigenschaften von Antriebskomponenten in Fahrzeugen hinsichtlich Effizienz

26 Projekt RADIKAL BMBF MatRessource o D httpwwwmatressourcedeprojekteradi-kal (aufgerufen am 18122013)


28 Beschichtungen fuumlr Antriebe Hessen Nanotech o D httpwwwhessen-nanotechde dynasitecfmdsmid=15762 (aufgerufen am 18122013)


und Langlebigkeit verbessern Der Einsatz reibungsarmer Kohlenstoffschichten fuumlhrt ebenso zu einer Reduktion der erforderlichen Schmierstoffmenge So zeichnen sich diashymantaumlhnliche Kohlenstoffschichten kurz DLC (DiamondshyLike Carbon) durch hohe Mikrohaumlrte und einen aumluszligerst niedrigen Gleitreibungskoeffizienten aus

Abb 5 Diamantaumlhnliche Kohlenstoffschichten kombi-nieren hohe Haumlrte mit geringer Reibung Dadurch hal-ten Nockenwellen laumlnger Weniger Verschleiszlig und Erhouml-hung der Motorleistung sind die Folgen29

Das zunehmende Interesse der Automobilindustrie an Leichtbaumaterialien sowie die steigenden Sicherheitsanshyforderungen im Fahrzeugbau ruumlcken warmumformbare Stahllegierungen mit Mangan und Bor in den Fokus der Werkstoffentwicklung Sie weisen deutlich verbesserte Festigkeiten auf erfordern allerdings auch die Entwickshylung neuer Korrosionsschutzsysteme Im Verbundvorhashyben bdquoKoWUB ndash Neuartige Korrosionsschutzsysteme fuumlr zukuumlnftige Karosseriekonzepteldquo werden solche Korrosionsshyschutzsysteme auf der Basis von ZinkshyEisenshy(Aluminium)shyLegierungen adressiert Die Schichtsysteme sollen zudem fertigungstechnische Vorteile wie kurze Prozesszeiten und

29 Quelle pro-beam AG amp Co KGaA httpwwwpro-beamcom


verbesserte Umformeigenschaften ermoumlglichen Untersucht werden Beschichtungsverfahren wie Schmelztauchen und Dampfspritzen sowie deren skalierbarer Herstellungsproshyzess in praxisorientierten Pilotanlagen30

Ein Beispiel fuumlr eine durch Umweltaspekte angetriebene Werkstoffsubstitution ist der Einsatz piezoelektrischer Keshyramiken ohne toxisches Blei Piezoelektrische Keramiken koppeln elektrische und mechanische Groumlszligen Wird ein meshychanischer Druck auf sie ausgeuumlbt reagieren sie mit dem Aufbau elektrischer Spannungen

Umgekehrt fuumlhrt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer mechanischen Werkstoffausdehnung Piezokerashymiken haben sich inzwischen zu kommerziell erfolgreichen Nischenwerkstoffen insbesondere in der Aktorik Sensorik und Signalwandlung entwickelt Ihr Anwendungsspekshytrum reicht von Praumlzisionsstellmotoren und effizienten Einspritzsystemen uumlber ultrapraumlzise Drucksensoren oder aktive Schwingungsdaumlmpfung bis zu Frequenzfiltern und Schallwandlern im Bereich der IKT und der medizinischen Bildgebung Heute werden uumlberwiegend BleishyZirkonshyTitanat (PZT)shyKeramiken verwendet Wichtige Kennwerte sind bdquodie CurieshyTemperatur des Stoffes oberhalb derer kein Piezoefshyfekt mehr auftrittldquo31 bdquodie Piezoelektrische Ladungskonstanshyte (Piezomodul) die das Verhaumlltnis von erzeugter mechashynischer Dehnung zur anliegenden elektrischen Spannung beschreibtldquo32 sowie der Kopplungsfaktor der die Effizienz der elektromechanischen Energieumwandlung wiedergibt Waumlhrend des Herstellungsprozesses aber auch in der Anshywendungsphase setzen diese Keramiken jedoch toxische bleihaltige Verbindungen frei Ihre Herstellung soll in der Europaumlischen Union langfristig verboten werden PZTshyKeshyramiken gehoumlren seit 2003 zu den offiziell zu substituieshyrenden Stoffen Die Forschungsshy und Entwicklungsaktivishy

Keramiken setzen waumlhrend der Her-stellung toxische bleihaltige Verbin-dungen frei

30 Projekt KoWUB BMBF MatRessource o D httpwwwmatressourcedeprojektekowub (aufgerufen am 18122013)

31 Kohlhoff J et al Bleifreie piezoelektrische Keramiken Werkstoffe in der Fertigung 25052012 httpwerkstoffzeitschriftdeblogwerkstoffebleifreie-piezoelektrische-keramiken (aufgerufen am 18122013)



taumlten zur Entwicklung bleifreier Piezowerkstoffe wurden entsprechend intensiviert Erfolgversprechende bleifreie Keramiken basieren vorwiegend auf Titanaten und Niobashyten Die Entwicklung geeigneter Kompositkeramiken bleibt jedoch eine Herausforderung da die materialtechnische Optimierung eines der genannten Parameter oft mit einer Verschlechterung eines anderen einhergeht Dennoch konnshyten in den letzten Jahren schrittweise Fortschritte erzielt werden Bleifreie piezoelektrische Keramiken eignen sich inzwischen fuumlr ausgewaumlhlte Anwendungen Eine vollstaumlnshydige Substitution von PZT ist jedoch noch nicht absehbar33


Im Bausektor werden innovative Entwicklungen von Nanoshymaterialien unter anderem durch das Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (BMBF) gefoumlrdert Im Fokus steht auch die Erzielung von Produktverbesserungen durch Substitution konventioneller Baustoffe durch nanotechnoloshygische Innovationen Adressiert werden folgende Aspekte34

bullErhoumlhung der Haltbarkeit von Gebaumludeelementen (zum Beispiel Fassaden Fenstern Tuumlren Daumlchern)

bullReduzierung des Energiebedarfs durch nanotechnoloshygische Effekte

bullVerbesserung von Raumklima Wohnkomfort und Sishycherheit

bullVerbesserung der Energieeffizienz und Langlebigkeit zementgebundener Werkstoffe

bullVerbesserung der Bestaumlndigkeit von Straszligenbelaumlgen

Erfolgreich konnte zum Beispiel ein Projekt zur nanoskalishygen Aktivierung von Huumlttensand und Portlandzement mitshytels eines innovativen Mahlverfahrens abgeschlossen wershyden Der dadurch erreichte Hochleistungsbeton erlaubt im Vergleich zu dem uumlblichen PortlandshyZement (OPC) houmlhere


34 Foumlrdermaszlignahme bdquoNanotechnologie im Bauwesen ndash NanoTectureldquo Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (BMBF) 2007 httpwwwbmbfdeenfurtherance10471php (aufgerufen am 18122013)


Druckfestigkeiten und kuumlrzere Abbindezeiten Neben der Herstellung eines neuartigen und verbesserten Werkstoffes koumlnnten damit auch Rohstoffshy und CO2shyEmissionseinsparunshygen geleistet werden Denn wuumlrde der gesamte Zement in der Welt auf Huumlttensandzement umgestellt werden ndash und solcher Huumlttensand ist als Abfallprodukt (zum Beispiel 25 Prozent bei der Stahlerzeugung) in groszligen Mengen vorshyhanden ndash so koumlnnten etwa fuumlnf Prozent des gesamten dershyzeitigen weltweiten CO2shyAusstoszliges eingespart werden Der neue Beton wurde nach dem Projekt als Demonstrator fuumlr ein Bruumlckenelement einer zukuumlnftigen Gehshy und Radwegshybruumlcke eingesetzt35

Abb 6 Hergestelltes Bruumlckenelement bei der Fa Runkel Fertigteilbau GmbH36

Ebenfalls erfolgreich verlief das Projekt bdquoHelioCleanldquo Dieshyses beinhaltete die Entwicklung nanotechnologisch funkshytionalisierter Baustoffoberflaumlchen zur solarkatalytischen Luftshy und Oberflaumlchenreinigung Durch eine katalytische Zersetzung von Luftschadstoffen mittels einer nanotechnoshylogisch funktionalisierten Oberflaumlche konnte Sonnenlicht

35 Projektseite FuturZement Futurzementde 02072010 httpwwwfuturzementdeFu-turZement (aufgerufen am 18122013)

36 Quelle Zoz GmbH


so ausgenutzt werden dass ein Selbstreinigungseffekt ershyzielt und die Bildung von Biofilmen sowie die damit vershybundene Biokorrosion von Baustoffen verhindert wurden Nach Projektende wurde dazu ein Feldversuch fuumlr eine Schallschutzwandbeschichtung an der A1 bei Osnabruumlck zur StickoxidshyReduzierung gemeinsam mit der Bundesanshystalt fuumlr Straszligenwesen (BASt) gestartet37

Abb 7 Photokatalytische Schallschutzwandbeschich-tung zur Selbstreinigung38

In einem weiteren BMBFshyProjekt39 konnte gezeigt werden dass es moumlglich ist eine multifunktionale Fahrbahn aus nashynooptimiertem UltrashyHochleistungsbeton zu gestalten die deutliche Vorteile aufweist Diese hoch tragfaumlhige laumlrmarshyme ressourcenschonende und dauerhafte Betonfahrbahn aus Ultrahochfestem Beton (UHPC) koumlnnte die Lebenszyshykluskosten fuumlr den Bau die Erhaltung und Nutzung senshyken Gleichzeitig laumlsst sich eine Laumlrmminderung um bis zu

37 BASt Test eines die Luft reinigenden Laumlrmschutzes Internationales Verkehrswesen 03032011 httpwwwinternationalesverkehrswesendenewsinternationales-verkehr-swesenartikelidbast-test-eines-die-luft-reinigenden-laermschutzeshtml (aufgerufen am 18122013)

38 Quelle Remmers Baustofftechnik GmbH 39 BMBF-Projekt Multifunktionale Fahrbahn aus nanooptimiertem Ultrahochleistungsbeton

(FKZ 13N 10492-10500)


6 Dezibel (A) erreichen40 was wirksamer als eine vier Meshyter hohe Laumlrmschutzwand ist

Beton stellt generell einen wichtigen mineralischen Baushystoff im Bauwesen dar und wird durch Mischen untershyschiedlicher Typen von Zement sowie grober und feiner Gesteinskoumlrnung und Wasser hergestellt wobei neben diesen Hauptbestandteilen auch weitere Zusatzmittel und shystoffe zum Einsatz kommen Neben der Verwendung von Beton direkt an der Baustelle (Einfuumlllen in die Schalungen) spielt auch vorgefertigter Beton (Betonfertigteile) bei der Bauwerkserstellung eine wichtige Rolle

Abb 8 Mit Nanopartikeln optimierter UHPC-Feinmoumlr-tel mit eingepraumlgter laumlrmreduzierender Textur fuumlr eine Betonfahrbahn-Nutzschicht41

Unter den Betonzusatzmitteln finden sich auch Produkte die Nanomaterialien enthalten So hat beispielsweise der schweizerische Zementproduzent Holcim die sogenannshyte bdquoNanoshyT Technologyldquo entwickelt die darauf abzielt den Kontakt zwischen dem poroumlsen Zementstein und der Geshy

40 Altreuther B Multifunktionale Fahrbahn aus nanooptimiertem Ultra-Hochleistungsbeton Praumlsentation auf der BMBF-Veranstaltung bdquoNeue Werkstoffe und Nanotechnologie fuumlr die Bautechnikldquo am 21112013 in Frankfurt httpwwwinnovationsbegleitungdenanotecture wp-contentuploads201312Altreuther__MC3BCllerBBM_21_11_13_Frankfurtpdf (aufgerufen am 18122013)

41 Quelle Universitaumlt Kassel


steinskoumlrnung zu optimieren Durch das Additiv bilden sich zusaumltzliche Kristallisationskeime aus die zu nanoskaligen Hydratphasen fuumlhren welche die Festigkeit und Lebensshydauer von Zement verbessern42 In aumlhnlicher Weise wirkt das Additiv XshySEEDreg der BASF SE Es besteht aus nanoparshytikulaumlrem Calciumsilikathydrat das dem Beton zusaumltzliche Kristallisationskeime zufuumlhrt und so die Aushaumlrtung bei sonst gleichen oder sogar verbesserten Festigkeitseigenshyschaften beschleunigt Waumlhrend der Bautaumltigkeit lassen sich signifikante Zeiteinsparungen erzielen Hinsichtlich der Nachhaltigkeit wurde ein bdquoXshySEEDreg ndash Betonfertigteilldquo mit einem konventionellen Betonprodukt verglichen Die beschleunigte Aushaumlrtung ergab dabei Vorteile sowohl in der Ressourcenshy als auch in der Energieeffizienz So kann durch den optimierten Haumlrtungsprozess der Klinkeranteil im Zement verringert werden was im Herstellungsprozess zu geringeren Traibhausgasemissionen fuumlhrt Zudem laumlsst sich durch die erhoumlhte Haumlrtungsgeschwindigkeit die Zushyfuhr von Heizenergie verringern Fuumlr einen kontrollierten Abbindeprozess ist das Heizen bei herkoumlmmlichem Beton insbesondere im Winter haumlufig erforderlich In toxikologishyscher Hinsicht sind durch Nanoprodukte dieser Art geringe oder keine Risiken fuumlr Mensch und Umwelt zu erwarten da keine ungebundenen Nanopartikel freigesetzt werden So wird etwa XshySEEDreg als waumlssrige Suspension produziert und vertrieben und ist nach der Aushaumlrtung chemisch fest in den Beton eingebunden43

Nanoinspirierte Sonnenschutzverglasung

In Industrielaumlndern entfallen etwa 40 Prozent des gesamten Energiebedarfs auf Wohnshy und Gewerbegebaumlude Der groumlszligte Teil davon wird fuumlr Beleuchtung Heizung und Klimatisierung und deren Anpassung an die sich im Tagesshy sowie im Jahresshyverlauf aumlndernden Umgebungsbedingungen aufgewendet

42 Schmidt T Lunk P Kurzbeitrag Holcim (Schweiz) AG Nano-Treg Technology 2010 httpwwwzementatServiceliteraturfileuplkoll10_schmidtpdf (aufgerufen am 18122013)

43 Umweltbundesamt 2012 bdquoAnalyse und strategisches Management der Nachhaltigkeitspoten-ziale von Nanoproduktenldquo UBA-Texte 152012 ISSN 1862-4804 httpswwwumwelt-bundesamtdesitesdefaultfilesmedien461publikationen4276pdf (aufgerufen am 18122013)


Wenn Sonnenlicht als Ersatz fuumlr elektrisches Licht genutzt werden kann sich Blendlicht mildern laumlsst und sich gleichshyzeitig der Aufwand fuumlr die Heizung und die Kuumlhlung redushyziert kann der Energieverbrauch eines Gebaumludes erheblich gesenkt werden Entsprechend liegt in der intelligenten Nutzung des natuumlrlichen Lichtshy und Waumlrmeeinfalls und vor allem in der Ausgestaltung von Glasflaumlchen ein groszliges Einshysparpotenzial

Eine normale Gebaumludeverglasung hat jedoch den Nachteil dass sich Raumlume im Sommer sehr stark aufheizen Klimashyanlagen muumlssen dann oft fuumlr Kuumlhlung sorgen Moderne nanoshybasierte Fensterfolien koumlnnen hier innovative Abhilshyfe schaffen Inzwischen kommerziell angeboten werden Folien als Sonnenschutz fuumlr Gebaumludeverglasungen die vor Sonne Lichteinstrahlung und Hitze schuumltzen ndash ohne dabei die Raumlume zu verdunkeln So stellt etwa die Firma 3M etwa 60 Mikrometer dicke transparente Fensterfolishyen her die aus 200 uumlbereinandergeschichteten nanosshykaligen Filmen aus Acryl und Polyester bestehen Durch die Struktur der Folien wird ein groszliger Teil der Waumlrshymeshy und UVshyStrahlung des Sonnenspektrums herausgefilshytert waumlhrend sichtbares Licht kaum beeintraumlchtigt wird

Abb 9 Auf Nanotechnologie basierte Folien als Sonnenschutz44

44 Quelle 3M Deutschland GmbH


Eine elektrisch schaltbare Transparenz kann durch bdquoelekshytrochromes Glasldquo erreicht werden Elektrochrome Materishyalien aumlndern ihre optische Transparenz je nach angelegter Gleichspannung Durch das Anlegen einer geringen Spanshynung von 3 Volt wird eine blaumluliche Faumlrbung erreicht Bei der Abgabe elektrischer Ladungen an mikroshy oder nanoskashylige Duumlnnschichten (zum Beispiel Wolframoxid oder Polyashynilin) werden diese aktiviert und aumlndern ihre Farbe Wird die Polaritaumlt der Spannung geaumlndert wird das Glas wieder farblos Die Steuerung kann manuell oder automatisch ershyfolgen Das Glas benoumltigt Strom nur waumlhrend der Einfaumlrshybungsphase oder beim Herstellen vollstaumlndiger Transpashyrenz Ist keine Spannung angelegt so behaumllt das Glas seine Farbe bei bis erneut Strom zugefuumlhrt wird

Elektrochromes Glas kann teure und stoumlranfaumlllige mechanishysche Sonnenschutzsysteme wie automatische Lamellenvorshyhaumlnge Jalousiensysteme oder zweischalige Vorhangfassashyden sinnvoll ersetzen Mit elektrochromem Glas koumlnnen die Transmission des sichtbaren Lichts und der Gesamtenergieshydurchlass uumlber ein breites Spektrum abgestimmt werden Mit einer Lichtdurchlaumlssigkeit von nur zwei Prozent in voll getoumlntem Zustand laumlsst sich grelles Sonnenlicht blockieren Vor allem in Gebaumluden mit groszligen Glasfassaden koumlnnen dashydurch Energieverluste vermindert werden

Einen Schritt weiter ging Anfang 2013 eine Arbeitsgrupshype am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) in den USA Hier gelang die Entwicklung einer Glasscheibe auf der Basis von Nanokristallen aus IndiumshyZinnshyOxid (ITO) die in eine Glasmatrix aus NiobshyOxid eingebettet wurden Die optischen Eigenschaften des Materials koumlnnen durch die Houmlhe der angelegten Spannung gezielt so veraumlndert wershyden dass sich die Transmission von Waumlrmestrahlung und sichtbarem Licht unabhaumlngig voneinander selektiv schalten lassen So ist es moumlglich etwa Waumlrmestrahlung zu blockieshyren waumlhrend Licht weiterhin ungehindert durch das Glas hindurchtreten kann Die Zukunft des neuen Materials wird als aussichtsreich angesehen allerdings sind die vershywendeten Materialien sehr teuer und werfen fuumlr den flaumlshychendeckenden Einsatz Sicherheitsfragen hinsichtlich ihrer

Mit Nanokristallen kann die Waumlrme-strahlung von Sonnenlicht blockiert werden


chemischen Reaktivitaumlt auf Insofern wird fuumlr eine umfangshyreichere Anwendung nach Alternativmaterialien gesucht45

Nanoporoumlse Daumlmmstoffe

Durch nanotechnologische Neuentwicklungen konnte im zuruumlckliegenden Jahrzehnt das Spektrum der verfuumlgbaren Daumlmmmaterialien deutlich erweitert werden Zu erwaumlhshynen sind hier insbesondere sogenannte Aerogele Diese entstehen durch Vernetzung von SilikatshyNanoteilchen mit organischen Molekuumllen im SolshyGelshyVerfahren Nachdem im Anschluss das Loumlsemittel entzogen wird bildet sich ein transluzentes Gel mit einem Durchmesser von wenigen Milshylimetern welches bis zu 95 Prozent aus Luft besteht Trotz seiner geringen Dichte verfuumlgt das Material uumlber eine hohe Haumlrte Da der Durchmesser der Poren von Aerogelen nur wenige Nanometer betraumlgt werden in dem Daumlmmmaterial die Luftzirkulation und damit die Weiterleitung von Waumlrme und Schall weitgehend unterbunden

Aufgrund seiner Lichtdurchlaumlssigkeit eignet es sich etwa fuumlr Dachkonstruktionen die neben einer effizienten Waumlrmeshydaumlmmung auch Tageslicht in das Innere der Gebaumlude hinshydurchlassen sollen Ein bedeutender Hersteller von Aerogeshylen ist das USshyamerikanische Unternehmen Cabot welches bereits seit 2003 Aerogele im groszligtechnischen Maszligstab am Produktionsstandort in Frankfurt herstellt Urspruumlnglich unter dem Markennamen Nanogelreg kommerzialisiert hanshydelt es sich bei dem Produkt nach den Angaben des Hershystellers um das weltweit leichteste lichtdurchlaumlssige feste Daumlmmmaterial Mit seinem aktuellen Markennamen Lumishyrareg zielt das Aerogel von Cabot vor allem auf den Markt von Tageslichtbeleuchtungssystemen die gleichzeitig einen hohen Umweltstandard erreichen sollen

Als hocheffiziente Daumlmmstoffe sind weiterhin Vakuumisoshylationspaneele zu nennen bei denen das gewoumlhnliche Kernshymaterial Polyurethanschaum durch nanoporoumlses Silica ershysetzt werden kann Ein solches Daumlmmmaterial weist wegen des evakuierten poroumlsen Kernmaterials wesentlich gerinshy

45 B A Korgel bdquoComposite for smarter windowsldquo Nature Vol 500 p 278 15 08 2013

Weiterleitung von Waumlrme und Schall kann weitgehend unterbunden werden

Auswirkungen auf den Lebensweg eines Produktes 31

gere Materialstaumlrken auf als konventionelle Daumlmmstoffe46

Sowohl bei Aerogelen auf Silikatbasis als auch bei Vakushyumisolationspaneelen ist allerdings eine fachgerechte Vershyarbeitung unter Baustellenbedingungen nur schwierig zu gewaumlhrleisten BASF hat daher den flexiblen Kunststoff Poshylyurethan mit einem neuartigen Herstellungsverfahren so aufgeschaumlumt dass die hergestellten Platten mit den darin gebildeten Nanoporen direkt auf der Baustelle verarbeitet werden koumlnnen Sie koumlnnen gesaumlgt gefraumlst gebohrt und geshyklebt werden Eine 15 Zentimeter dicke Hauswand mit dem neuartigen Daumlmmmaterial isoliert genauso gut wie eine fast 50 Zentimeter dicke Hauswand mit konventioneller Daumlmshymung Die nun nanoskaligen Loumlcher im Slentite genannten Daumlmmstoff sind mit 50 bis 100 Nanometern Durchmesser bis zu 1000shymal kleiner als in bisherigen Schaumstoffen und daumlmmen dabei fast doppelt so gut Eine Pilotproduktishyonsanlage wird im Jahr 2014 im Werk Lemfoumlrde bei Osnashybruumlck in Betrieb gehen47

4 AUSWIRKUNGEN DER SUBSTITUTION AUF DEN LEBENSWEG EINES PRODUKTES

Die Auswirkungen von Werkstoffsubstitutionen fallen vielshyfaumlltig aus insbesondere wenn recyclingfaumlhige Werkstoffe betroffen sind Werkstoffsubstitutionen koumlnnen zu umshyfangreichen Produktverbesserungen und einer laumlngeren Lebensdauer fuumlhren Allerdings ziehen Substitutionswerkshystoffe auch eine erhebliche Ausweitung des Guumlterbestandes nach sich Diese in Guumltern gebundenen Materialien stehen kurzfristig nicht als Sekundaumlrrohstoff zur Verfuumlgung Soshymit ist jede Substitution im Hinblick auf das Recycling mit dem Aufbau neuer Werkstoffbestaumlnde verbunden so dass die Vorteile des Recyclings erst zeitverzoumlgert wirken Werkshystoffsubstitution und Recycling stehen in dieser Hinsicht in Konkurrenz um Ressourceneffizienz und Umweltschoshy

Werkstoffsubsti-tutionen koumlnnen den Lebensweg eines Produktes ver-laumlngern

46 Kleinhempel A-K bdquoInnovative Daumlmmstoffe im Bauwesen Forschungsstand und Mark tuumlbersichtldquo Bremer Energie Institut Maumlrz 2005 httpwwwenergiekonsensdecms uploadDownloadsAktuellesInnovative_Daemmstoffe_Bauwesenpdf (aufgerufen am 18122013)

47 Kutter S Pullover fuumlr Haumluser in Wirtschaftswoche Nr 38 (16092013) S 80

32 Auswirkungen auf den Lebensweg eines Produktes

nung48

Dennoch zeigen neue Materialentwicklungen erheblishyche Ressourceneffizienzpotenziale Sie ermoumlglichen neue Leichtbaukonzepte oder koumlnnen verbesserte Verschleiszligfesshytigkeiten bewirken So koumlnnen etwa die Anwendungsbereishyche verschleiszligfester technischer Keramiken erweitert wershyden was insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen zum Tragen kommt In Industrieoumlfen oder im Motorenbau werden solche Werkstoffe bereits erfolgreich eingesetzt Die weitere Verbesserung von Prozesswirkungsgraden ershyfordert jedoch stetig steigende Einsatztemperaturen und damit permanent weiter zu optimierende Werkstoffeigenshyschaften49

Das verwendete Material ist von entscheidender Bedeutung im Hinblick auf die Ressourceneffizienz von Produkten Seine Auswahl geschieht nicht zufaumlllig sondern werkstoffshykundlich fundiert und bildet damit die Voraussetzung fuumlr korrekte Funktionalitaumlten und eine hohe Lebensdauer Die Zahl moumlglicher Werkstoffalternativen ist jedoch meist beshygrenzt und Substitutionen verlangen haumlufig die Neugestalshytung von Produkten Zur Illustration der Werkstoffauswahl koumlnnen beispielsweise Fahrradrahmen dienen In den vershygangenen 15 Jahren hat Aluminium den fruumlher dominierenshyden Stahlrahmen weitgehend abgeloumlst Sehr hochwertige Fahrradrahmen bestehen heute bereits aus kohlefaservershystaumlrktem Kunststoff (CFK) Mit allen drei Werkstoffen lasshysen sich vergleichbare Fahrradrahmen bauen die sich alshylerdings hinsichtlich des Ressourcenverbrauchs sowie des Gewichts und der Menge eingesetzten Materials deutlich unterscheiden (Tabelle 2) So ist der Stahlrahmen zwar am schwersten weist aber den geringsten Ressourcenvershybrauch auf50

48 Ritthoff M Liedtke C Kaiser C Technologien zur Ressourceneffizienzsteigerung Hot Spots und Ansatzpunkte Projektergebnisse bdquoSteigerung der Ressourcenproduktivitaumlt als Kernstrategie einer nachhaltigen Entwicklungldquo S 40 ff Wuppertal-Institut Juni 2007 httpwwwressourcenproduktivitaetdedownloadphpdatei=srcdownloadsAP_23_Tech-nologie_HotSpotspdf (aufgerufen am 18122013)

49 ebd 50 ebd


Stahlrahmen Aluminiumrahmen CFK-Rahmen

Gewicht des eingesetzten Materials 1777 kg 1244 kg 1323 kg

davon Verschnitt 0146 kg 0157 kg 0404 kg

davon Rahmengewicht 1631 kg 1087 kg 0919 kg

Ressourcenverbrauch (abiotisches Material) 25000 kg 56000 kg 49000 kg

Tab 2 Gegenuumlberstellung der Massen fuumlr die drei Fahrradrahmen51

Aumlhnlich verhaumllt es sich mit Roboterarmen Werden Varianshyten aus Stahl und kohlefaserverstaumlrkten Kompositen (CFK) verglichen zeigt sich fuumlr den deutlich leichteren Verbundshywerkstoff ein signifikant houmlherer Ressourcenverbrauch (Tashybelle 3) Die Leichtbauweise allein erweist sich also noch nicht als hinreichend fuumlr gute Ressourceneffizienz Allershydings veraumlndert sich durch die Substitution des Stahlarmes durch das Kompositmaterial auch die Leistungsfaumlhigkeit des Roboters So erlaubt das geringere Gewicht eine schnelshylere Beschleunigung des Roboterarms bei gleicher Antriebsshyleistung womit der Arbeitsdurchsatz erhoumlht werden kann Damit liegt die Ressourceneffizienz der Verbundwerkstoffshyvariante deutlich uumlber der Stahlvariante Bei einer vollstaumlnshydigen Betrachtung nicht nur der Roboterarme sondern des kompletten Robotersystems kann durch den Verbundwerkshystoffarm im Idealfall die Leistung verdoppelt werden52

Verbundwerkstoffversion Stahlversion

Werkstoffbedarf 48 kg 128 kg

Ressourcenverbrauch (abiotisches Material) 1630 kg 760 kg

Tab 3 Werkstoffbedarf und Ressourcenverbrauch fuumlr einen Roboterarm53

51 modifiziert nach Quelle Herzog KLiedtke CRitthoff MWallbaum HMerten T (2003) Der Werkstoff Stahl im Vergleich zu Konkurrenzwerkstoffen ndash Verfahren Ressourcenef-fizienz Recycling Umwelt Forschungsbericht P 559 Duumlsseldorf Studiengesellschaft Stahlanwendung eV


53 Quelle Stiller H (1998) Materialintensitaumltsanalyse von Verbundwerkstoffen nach dem MIPS-Konzept Eine Studie des Wuppertal Instituts fuumlr Klima Umwelt und Energie im Auftrag des Verbundwerkstofflabors Bremen eV Wuppertal 1998


Lebenszyklusbetrachtungen und Oumlkobilanzierung fuumlr nanooptimierte Substitutionsprodukte

Als Querschnittstechnologie bietet die Nanotechnologie viele Moumlglichkeiten um durch Werkstoffsubstitutionen ressourshycenshy und energieeffizientere Produkte und Produktionstechshyniken zu realisieren So koumlnnen nanooptimierte Werkstoffe dazu beitragen beispielsweise den Energieshy und Materialshyverbrauch zu reduzieren toxische Chemikalien und selteshyne Rohstoffe zu ersetzen oder Technologien zur Erfassung und Minderung von Umweltschadstoffen zu verbessern In den vorhergehenden Abschnitten wurden Nachhaltigkeitsshypotenziale von Werkstoffsubstitutionen uumlberwiegend quashylitativ beschrieben Um belastbare Aussagen zu Chancen und moumlglicherweise auch Risiken bei der Werkstoffsubshystitution durch den Einsatz der Nanotechnologie treffen zu koumlnnen sind allerdings eine ganzheitliche Bewertung unter Beruumlcksichtigung saumlmtlicher Lebenszyklusphasen und eine moumlglichst weitgehende quantitative Erfassung von Umweltshyentlastungsshy beziehungsweise Nachhaltigkeitseffekten ershyforderlich

Eine international anerkannte Methode bildet in diesem Zusammenhang die Oumlkobilanzierung gemaumlszlig den ISOshyStanshydards ISO 14040 und ISO 14044 Nach diesem Verfahren werden oumlkologische oumlkonomische und soziale Aspekte von Produkten und Dienstleistungen von der Rohstoffextraktishyon bis zur Entsorgung beziehungsweise Wiederverwertung hinsichtlich relevanter Parameter erfasst ndash und sofern moumlgshylich quantifiziert und bewertet Ein wichtiger Aspekt liegt hierbei darin dass eine Bewertung aufgrund eines fehlenshyden absoluten Maszligstabes fuumlr die Nachhaltigkeit eines Proshyduktes immer nur in Bezug auf ein Vergleichsprodukt oder eine Vergleichstechnologie erfolgen kann Im Falle einer Werkstoffsubstitution waumlre als Vergleichsprodukt demnach das gleiche Produkt unter Verwendung des substituierten Werkstoffes anzusetzen Dabei gilt die Voraussetzung dass das nanotechnologische Produkt uumlber einen mindestens gleich hohen Gebrauchsnutzen wie das Vergleichsprodukt

ISO-Standards un-terstuumltzen ganzheit-liche Betrachtungen des Lebenszyklus


verfuumlgt Das Verfahren der Oumlkobilanzierung ist fuumlr nanoshytechnologische Produkte bislang nur vereinzelt angewendet worden54 55 56 Eine der Ursachen hierfuumlr besteht darin dass Nanotechnologien hinsichtlich des Reifegrades oftmals eher im Prototypenstadium anzusiedeln und wesentliche Parashymeter in Bezug auf Herstellungsprozess und Produktpershyformance noch nicht bestimmbar sind Hinzu kommt dass Nanotechnologien oftmals nur einen Teilaspekt in der Wertshyschoumlpfungskette betreffen was bei der Festlegung der Sysshytemgrenzen der Bilanzierung zu beruumlcksichtigen ist

Um diesen Besonderheiten nachzukommen sind weitere an die Oumlkobilanz angelehnte Bewertungsverfahren und shykriterien entwickelt worden die auch im Entwicklungsshyprozess neuer Produkte zumindest orientierende Aussagen hinsichtlich der Chancen und Risiken nanotechnologischer Produkte ermoumlglichen sollen Zu nennen sind hier der EcoshyIndicator 99 (EI99)57 der NachhaltigkeitsCheck von Nashynoprodukten58 des OumlkoshyInstitutes sowie der bdquoLeitfaden zur Erhebung und Gegenuumlberstellung von Nutzenshy und Risishykoaspekten von Nanoproduktenldquo59

Die Oumlkobilanzierung von Nanoprodukten laumlsst aufgrund der begrenzten Zahl oumlffentlich verfuumlgbarer quantitativer Daten oftmals keine umfassende Bewertung hinsichtlich des Umshyweltshy und Nachhaltigkeitsnutzens zu sondern beschraumlnkt sich uumlberwiegend auf qualitative Angaben und Vergleiche Dennoch geben die nach systematischen Kriterien durchshy

54 Steinfeldt M von Gleich A Petschow U Pade C Sprenger R-U Entlastungseffekte fuumlr die Umwelt durch nanotechnische Verfahren und Produkte Studie im Auftrag des Umwelt-bundesamtes Juni 2010 httpwwwumweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461publikationen3777pdf (aufgerufen am 18122013)

55 Martens S Eggers B Evertz T Untersuchung des Einsatzes von Nanomaterialien im Umweltschutz Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes Juni 2010 httpwwwum-weltbundesamtdesitesdefaultfilesmedienpublikationlong3778pdf (aufgerufen am 18122013)

56 EP 2013 ldquoApplication of Life-Cycle Assessment to Nanoscale Technology Lithium-ion Bat-teries for Electric Vehiclesrdquo EPA 744-R-12-001 httpwwwepagovdfepubsprojectslbnp final-li-ion-battery-lca-reportpdf (aufgerufen am 18122013)


58 Moumlller M Hermann A Pistner C et al Analyse und strategisches Management der Nachhaltigkeitspotenziale von Nanoprodukten ndash NachhaltigkeitsCheck von Nanoprodukten UBA-Texte 152012 httpwwwumweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461pub-likationen4276pdf (aufgerufen am 18122013)

59 BMU (Hrsg) Verantwortlicher Umgang mit Nanotechnologien Bericht und Empfehlungen der NanoKommission der deutschen Bundesregierung 2011 httpwwwbmudefilead-minbmu-importfilespdfsallgemeinapplicationpdfnano_schlussbericht_2011_bfpdf (aufgerufen am 18122013)


gefuumlhrten Bewertungen zumindest einen orientierenden Aufschluss hinsichtlich moumlglicher Chancen und Risiken fuumlr Umwelt und Gesellschaft Einschaumltzungen zu ausgewaumlhlten Nachhaltigkeitsaspekten fuumlr einige Beispiele von Nanoproshydukten geben verschiedene Quellen60 61 62

Als Beispiele mit hohem Substitutionspotenzial sollen bdquoKompositwerkstoffe auf NanocelluloseshyBasisldquo und bdquoNashynooptimierter Betonldquo naumlher beschrieben werden

Beispiel Cellulose-Nanocomposites

Bei Nanocellulose handelt es sich um eine relativ neue Werkstoffentwicklung auf Basis nachwachsender Rohstoffe Es existieren mehrere Varianten des Materials wie mikroshyfibrillierte Zellulose (microfibrillated cellulose shy MFC) oder nanokristalline DraumlhteFasern die sich aus zellstoffhaltishygen Pflanzenabfaumlllen aber auch biotechnologisch durch bakterielle Synthese herstellen lassen Nanocellulose zeichshynet sich durch mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit aus und verbindet diese mit den Vorteilen einer hohen biologischen Vertraumlglichkeit und steuerbaren biologischen Abbaubarkeit Mittlerweile hat die Herstellung von Nanocellulose die Schwelle zur Kommerzialisierung uumlberschritten und wird von einigen Unternehmen in groumlszligeshyrem Maszligstab umgesetzt wie zum Beispiel von CelluForce (Kanada) oder Inventia (Schweden) Auch in Deutschland und der Schweiz gibt es Entwicklungsaktivitaumlten zu Nanoshycellulose wie durch das StartshyupshyUnternehmen Jenpolymer Materials oder das Adolphe Merkle Institute der Universitaumlt Fribourg (Schweiz) das unter anderem an der Entwicklung neuer Hochleistungskomposite aus synthetischen Kunstshystoffen und zellulosen Nanofasern forscht

60 Steinfeldt M von Gleich A Petschow U Pade C Sprenger R-U Entlastungseffekte fuumlr die Umwelt durch nanotechnische Verfahren und Produkte Studie im Auftrag des Umwelt-bundesamtes Juni 2010 httpwwwumweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461 publikationen3777pdf Vier Fallstudien in Kap 4 (aufgerufen am 18122013)

61 Moumlller M Hermann A Pistner C et al Analyse und strategisches Management der Nachhaltigkeitspotenziale von Nanoprodukten ndash NachhaltigkeitsCheck von Nanoprodukten UBA-Texte 152012 httpwwwumweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461pub-likationen4276pdf S 67 Abb 7 S 81 Abb 11 S 82 Abb 12 (aufgerufen am 18122013)

62 Moumlller M Hermann A Gross R Diesner M-O Kuumlppers P Luther W Malanowski N Haus D Zweck A Nanomaterialien Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit Zuumlrich vdf-Verlag 2013 ISBN 978-3-7281-3559-9 httpwwwvdfethzchservice35593560_Nanomate-rialien_OApdf S 110 Tab 14 Veroumlffentlicht unter Creative Commons License CC BY-NC-ND 25 CH httpcreativecommonsorglicensesby-nc-nd25ch (aufgerufen am 18122013)

Nanocellulose zeichnet sich durch Steifigkeit und Festigkeit aus


Das Anwendungsspektrum von Nanocellulose ist sehr vielshyseitig und umfasst beispielsweise Anwendungen als Fuumlllshystoff zur Verstaumlrkung von Papier oder Lebensmittelfolien als Wundauflage und Implantatmaterial oder als Traumlgershymaterial fuumlr pharmazeutische und kosmetische Wirkstoffe Daruumlber hinaus wird Nanocellulose auch als Werkstoff zum Ersatz von Verstaumlrkungsmaterialien entwickelt Kurzshy bis mittelfristig erscheint angesichts der mechanischen Eigenshyschaften unter anderem die Substitution von Glasfasern in Epoxidharzsystemen interessant63 In diesem Zusammenshyhang wurde in einer Studie der TA Swiss im Rahmen einer orientierenden Bilanzierung der CO2shyFuszligabdruck im Vershygleich zu herkoumlmmlichen glasfaserverstaumlrkten Kompositen ermittelt Im Rahmen einer Hochrechnung wurde dabei anshygenommen bdquodass mittelshy bis langfristig durch die verschieshydenen Anwendungsbereiche fuumlr Nanocellulose 25 Prozent der glasfaserverstaumlrkten Kunststoffe durch ZelluloseshyNashynokomposite substituiert werden koumlnnen Ausgehend von dem spezifischen CO2shyEinsparpotenzial in Houmlhe von rund 18 kg CO2shyAumlquivalente pro Kilogramm Glasfaser koumlnnte sich so ein Gesamteinsparpotenzial von knapp einer halshyben Million Tonnen CO2shyAumlquivalente ergebenldquo

64

Beispiel Nanooptimierter Beton

Beton ist der weltweit wichtigste Baustoff und macht aufshygrund der energieintensiven Zementherstellung rund fuumlnf Prozent der globalen CO2shyEmissionen aus65 Nanotechshynologische Entwicklungen koumlnnen erheblich dazu beitrashygen den Beton umweltfreundlicher zu gestalten So kann beispielsweise Ultrahochleistungsbeton durch nanoskalige Zementzuschlaumlge hergestellt werden die die Festigkeit von Beton deutlich steigern koumlnnen Dies fuumlhrt zu erheblichen Potenzialen fuumlr Materialeinsparungen da nicht nur weniger

63 Expo Nano 2014 bdquoKunststoffe mit Cellulose Nanofasern verstaumlrkenldquo Online-Ausstellung zur Nano-technologie Herausgeber Life Science Communication (Zuumlrich) 2013 http exponano chwp-contentuploads201401A4-Nano-Cellulosepdf (aufgerufen am 18122013)

64 Moumlller M Hermann A Gross R Diesner M-O Kuumlppers P Luther W Malanowski N Haus D Zweck A Nanomaterialien Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit S 108 Zuumlrich vdf-Verlag 2013 ISBN 978-3-7281-3559-9 veroumlffentlicht unter Creative Commons License CC BY-NC-ND 25 CH httpcreativecommonsorglicensesby-nc-nd25ch (auf-gerufen am 18122013)

65 Beton wird Hightech Weltde 31072011 httpwwwweltdeprintwamsvermischtes article13517579Beton-wird-Hightechhtml (aufgerufen am 18122013)


Material fuumlr die erforderliche Festigkeit benoumltigt wird sonshydern ultrahochfester Beton auch laumlngere Nutzungsdauern von Gebaumluden und Verkehrswegen ermoumlglicht66 Ein weishyterer Ansatz liegt in der Verwendung nanoskaliger CalcishyumsilikathydratshyPartikel als Kristallisationskeime fuumlr eine beschleunigte Entwicklung der Fruumlhfestigkeit des Betons Im Rahmen des Projekts NanoshyNachhaltigkeitsCheck des OumlkoshyInstituts wurde das Produkt XshySEEDreg der Firma BASF nach Nachhaltigkeitsgesichtspunkten genauer beleuchtet

Untersucht wurde dabei ein Betonfertigteil das einmal ohne und einmal mit dem nanoskaligen Zusatzstoff hershygestellt wurde Beide Varianten wurden hinsichtlich der Materialeffizienz sowie der Energieeffizienz miteinander verglichen Bei Verwendung des XshySEEDregshyProduktes kann aufgrund des optimierten Haumlrtungsprozesses ein Zementshytyp mit einem geringeren Klinkeranteil verwendet werden der bei der Herstellung weniger Treibhausgasemissionen verursacht Beim Einsatz des Beschleunigers besteht aber auch die Moumlglichkeit den gleichen Zementtyp einzusetzen Dabei kann auf die Zufuhr von Heizenergie bei ansonsten gleicher Haumlrtungsgeschwindigkeit verzichtet und somit Energie eingespart werden Werden die spezifischen CO2shyEinsparungen pro Kubikmeter Beton auf den europaumlischen Markt fuumlr Betonfertigteile hochgerechnet so koumlnnten mit XshySEEDreg jaumlhrlich bis zu rund 27 Millionen Tonnen CO2 eingeshyspart werden Dies beruht auf der Annahme dass bei etwa 90 Millionen Kubikmeter Fertigteilbeton rund die Haumllfte davon bei Verwendung von XshySEEDreg auf klinkerreduzierte Zemente umgestellt werden kann

Geht man von einem anderen Anwendungsszenario aus bei dem XshySEEDreg zur Beschleunigung des Aushaumlrtungsshyprozesses ohne Waumlrmezufuhr eingesetzt wird betraumlgt das CO2shyEinsparpotenzial pro Jahr etwa 12 Millionen Tonnen Diese Zahl errechnet sich unter der Annahme dass rund 25 Prozent der Betonfertigteile in Europa zur Beschleunigung der Erhaumlrtung waumlrmebehandelt werden Vorausgesetzt

66 Juschkus U bdquoZwerge im Betonldquo Nanotechnologie und Ultra High Performance Concrete (UHPC)ldquo in ibr Informationen Bau-Rationalisierung Magazin der RG Bau im RKW Nr 2 Juni 2008 37 Jahrgang S 18 ndash 20

Nanooptimierte Ent-wicklungen koumlnnen die Herstellung von Beton umweltfreund-licher machen

Fazit 39

wird dass tatsaumlchlich auf die Waumlrmezufuhr verzichtet wird Sollte dennoch Waumlrme eingesetzt werden um den Prozess zusaumltzlich zu beschleunigen und dadurch Bauzeiten zu reshyduzieren wuumlrden die CO2shyEinsparpotenziale egalisiert wershyden67

5 FAZIT

In den vorherigen Kapiteln der Kurzanalyse konnte an den beschriebenen Erlaumluterungen und ausgewaumlhlten Beispielen fuumlr Werkstoffsubstitutionen gezeigt werden dass bereits einige dieser Ansaumltze in Produkte umgesetzt worden sind Es ist aber auch offensichtlich dass das Potenzial fuumlr Werkshystoffsubstitutionen bei weitem noch nicht ausgeschoumlpft ist In der Entwicklung neuer Werkstoffe steckt in diesem Sinne ein erhebliches Ressourceneffizienzpotenzial Resshysourceneffizienz bildet dann einen Schluumlssel fuumlr den Erfolg der deutschen Wirtschaft im globalen Wettbewerb wenn es gelingt das Wirtschaftswachstum vom steigenden Resshysourcenverbrauch zu entkoppeln Durch Werkstoffsubstitushytionen kann ein breites Spektrum an neuen Konstruktionsshyund Funktionswerkstoffen erschlossen werden die sich durch verbesserte Materialeigenschaften auszeichnen zum Beispiel in Form von energieeffizienten Leichtbaumaterishyalien verschleiszligfesteren Werkstoffen fuumlr Werkzeuge mit laumlngeren Standzeiten sowie hochtemperaturshy und korrosishyonsfesten Legierungen oder Keramiken zur Wirkungsgradshysteigerung von Energieumwandlungsprozessen

Fuumlr den Wirtschaftsstandort Deutschland ist es zunehmend wichtig Werkstoffe in Produkten entlang der gesamten Wertschoumlpfungskette so ressourcenschonend und effizient wie moumlglich einzusetzen Insbesondere aufgrund zukuumlnftishyger Rohstoffknappheit und aus Umweltshy und Klimaschutzshygruumlnden sind geeignete Werkstoffsubstitutionen verbunshyden mit einer entsprechenden Kreislauffaumlhigkeit zukuumlnftig von groszligem Interesse Auch das Bundesministerium fuumlr Bilshydung und Forschung (BMBF) foumlrdert die Forschung und Entshy

67 Moumlller M Nano-NachhaltigkeitsCheck ndash Integrierte Nachhaltigkeitsbewertung undstrategische Optimierung von Nanoprodukten Oumlko-Institut eV 2011 httpwwwoekode oekodoc11382011-020-depdf (aufgerufen am 18122013)

40 Fazit

wicklung von Werkstoffen fuumlr Produkte und Verfahren mit hoher Materialshy und Ressourceneffizienz Direkte Beispieshyle dafuumlr stellen die aktuell laufenden Foumlrdermaszlignahmen bdquoMatRessourceldquo im Rahmen des Foumlrderprogrammes bdquoWerkshystoffinnovationen fuumlr Industrie und Gesellschaft ndash WINGldquo sowie rsup3shyInnovative Technologien fuumlr Ressourceneffizishyenz ndash Strategische Metalle und Mineralien im Rahmenproshygramm bdquoForschung fuumlr nachhaltige Entwicklungen ndash FONAldquo dar Diese speziellen Foumlrdermaszlignahmen tragen zu einer efshyfizienteren Nutzung von Rohstoffen einer Verringerung der Abhaumlngigkeit von strategischen Metallen sowie zu Werkshystoffsubstitutionen Materialeffizienz Recycling von Nanoshymaterialien und einer Verlaumlngerung der Lebensdauer von Bauteilen und Anlagen bei Der Schwerpunkt liegt auf der Foumlrderung anwendungsshy und wirtschaftsnaher Forschung die besonders innovationstraumlchtig ist Gefoumlrdert werden anwendungsorientierte industrielle Verbundprojekte die ein arbeitsteiliges und multidisziplinaumlres Zusammenwirshyken von Unternehmen insbesondere auch von kleinen und mittleren Unternehmen mit Hochschulen und Forschungsshyeinrichtungen erfordern Die angestrebten Forschungsshy und Entwicklungsprojekte sollen Impulse geben um einen Beishytrag zur Erhoumlhung der Ressourceneffizienz zu leisten

Die Foumlrdermaszlignahme ist auch Bestandteil der Hightechshystrategie der Bundesregierung die sich auf die Innovation und das Wachstum der Industrie in Deutschland ausrichtet Zu dieser Zielsetzung und Foumlrderung sollten weitere Aktivishytaumlten im Bereich Forschung und Entwicklung und spezielle Foumlrderprogramme zu Werkstoffsubstitutionen zukuumlnftig vermehrt aufgelegt werden Dabei muumlssten neben neuen Materialien auch die Beschichtungstechniken weiter entshywickelt werden da es mit ihnen gelingt Funktionen vom Traumlgermaterial zu entkoppeln Da die Funktionsanforderunshygen von der jeweiligen Beschichtung erfuumlllt werden und bei dem ressourcenintensiveren Traumlgershy oder Volumenmaterial entfallen kann sich dessen Materialauswahl und shyentwickshylung staumlrker auf umweltrelevante und nachhaltige Kriterishyen konzentrieren Auch das Potenzial der Nanotechnologie sollte zukuumlnftig fuumlr Werkstoffsubstitutionen staumlrker genutzt

Forschungs- und Entwicklungsprojekte geben Impulse fuumlr Ressourceneffizienz

Fazit 41

werden um ressourcenshy und energieeffizientere Produkte sowie Produktionstechniken zu realisieren So koumlnnen nashynooptimierte Werkstoffe wie beispielsweise KohlenstoffshyNanoroumlhren Graphene und (bakterielle) Nanocellulose sowie deren Komposite dazu beitragen den Energieshy und Materialverbrauch zu reduzieren toxische Chemikalien und seltene Rohstoffe zu ersetzen oder Technologien zur Reduzierung von Umweltschadstoffen zu verbessern

Bisher wurden Nachhaltigkeitspotenziale von Werkstoffshysubstitutionen uumlberwiegend qualitativ beschrieben Um beshylastbare Aussagen zu Chancen und Wirkungen aber auch moumlglicherweise Risiken bei der Werkstoffsubstitution trefshyfen zu koumlnnen sollten zukuumlnftig vermehrt eine ganzheitlishyche Bewertung unter Beruumlcksichtigung saumlmtlicher Lebensshyzyklusphasen und eine moumlglichst weitgehende quantitative Erfassung von Umweltentlastungsshy beziehungsweise Nachshyhaltigkeitseffekten vorgenommen werden Wie bereits am Beispiel der Nanotechnologie gezeigt wurde stellt eine inshyternational anerkannte Methode in diesem Zusammenhang die Oumlkobilanzierung gemaumlszlig den ISOshyStandards ISO 14040 und ISO 14044 dar Da das Verfahren der Oumlkobilanzierung fuumlr Werkstoffprodukte bisher nur vereinzelt angewendet wurde besteht hier im Hinblick auf Werkstoffsubstitutionen noch ein erheblicher Forschungsshy und Entwicklungsbedarf

42 Anhang

6 ANHANG

Abbildungsverzeichnis

Abb 1 Quelle PLATIT AG Selzach Schweiz

Abb 2 Quelle Bonfiglioli Innovation Centre

Abb 3 modifiziert nach Quelle Volkmar Richter Fraunhofer IKTS

Abb 4 Quellen RWE Power AG [links] Vattenfall Europe Mining AG [rechts]

Abb 5 Quelle pro-beam AG amp Co KGaA httpwwwpro-beamcom

Abb 6 Quelle Zoz GmbH

Abb 7 Quelle Remmers Baustofftechnik GmbH

Abb 8 Quelle Universitaumlt Kassel

Abb 9 Quelle 3M Deutschland GmbH

Tab 1 modifiziert nach Quelle VDI Technologiezentrum GmbH

Tab 2 modifiziert nach Quelle Herzog KLiedtke CRitthoff MWallbaum HMerten T (2003) Der Werkstoff Stahl im Vergleich zu Konkurrenzwerkstoffen ndash Verfahren Ressourcenef-fizienz Recycling Umwelt Forschungsbericht P 559 Duumlsseldorf Studiengesellschaft Stahlanwendung eV

Tab 3 modifiziert nach Quelle Stiller H (1998) Materialintensitaumlts-analyse von Verbundwerkstoffen nach dem MIPS-Konzept Eine Studie des Wuppertal Instituts fuumlr Klima Umwelt und Energie im Auftrag des Verbundwerkstofflabors Bremen eV Wuppertal 1998

Anhang 43

Fuszlignotenverzeichnis 1 Faktor X Umweltbundesamt 26062012 httpwwwumweltbundes-amtdethemenabfall-ressourcenressourcenschonung-in-produktion-konsumfaktor-x (aufgerufen am 18122013)

2 2030 brauchen wir eine neue Erde Tagesschaude 15052012 http wwwtagesschaudeinlandwwf114html (aufgerufen am 18122013)

3 Faulstich M et al bdquoInnovative Technologien fuumlr Ressourceneffizienzldquo Informationspapier TU Muumlnchen November 2010 httpwwwr-zwei-innovationde_mediaInformationspapier_BMBF_Foerdermassnah-me_r3pdf (aufgerufen am 18122013)

4 Houmlcker H et al bdquoOrganische Elektronik in Deutschlandldquo Acatech 2011 httpwwwacatechdefileadminuser_uploadBaumstruktur_nach_ WebsiteAcatechrootdePublikationenProjektberichteacatech_Be-richtet-und-Empfiehlt_organische-Elektronik_WEBpdf (aufgerufen am 18122013)

5 Werkstoffsubstitution IMA Materialforschung und Anwen-dungstechnik GmbH o D httpwwwima-dresdendeindex phpILNK=informationssysteme_loesungen_werkstoffsubstitutionampiL=1 (aufgerufen am 18122013)


7 Intelligente Materialloumlsungen zum Erhalt von Werten Hessen Nanotech o D httpwwwhessen-nanotechdedynasitecfmdsmid=15653 (aufgerufen am 18122013)

8 Quelle VDI Technologiezentrum GmbH und veraumlndert nach Hes-sen Nanotech o D httpwwwhessen-nanotechdedynasite cfmdsmid=15730 (aufgerufen am 18122013)





13 Projekt Stahl-Schnecke BMBF MatRessource o D httpwwwmatres-sourcedeprojektestahl-schnecke (aufgerufen am 18122013)

14 Quelle Bonfiglioli Innovation Centre

15 Projekt nanoRec BMBF MatRessource o D httpwwwmatressource

44 Anhang

deprojektenanorec (aufgerufen am 18122013)

16 Projekt nanoRec BMBF MatRessource o D httpwwwmatressource deprojektenanorec (aufgerufen am 18122013)


18 Projekt SubsTungs BMBF MatRessource o D httpwwwmatressour-cedeprojektesubstungs (aufgerufen am 18122013)



21 Effiziente Beschichtungs-Systeme fuumlr Kunststoffverarbeitungswerkzeu-ge Pressebox 04092009 httpwwwpresseboxdeinaktivsulzer-metaplas-gmbhEffiziente-Beschichtungs-Systeme-fuer-Kunststoffverar-beitungswerkzeugeboxid286720 (aufgerufen am 18122013)

22 Werkstoffe der VerkehrstechnikUniversitaumlt Erlangen-Nuumlrnberg Department Werkstoffwissenschaften o D httpwwwwwuni-erlangendeforschungshtml (aufgerufen am 18122013)

23 Weltpremiere des BMW i3 ndash stabil sicher und ohne B-Saumlulen Springer 30072013 httpwwwspringerprofessionaldeweltpremiere-des-bmw-i3-stabil-sicher-und-ohne-b-saeulen4592144html (aufgerufen am 18122013)

24 bdquoNeue Dimension Material ndash Funktionelle Beschichtungen amp keramische Verbundwerkstoffeldquo Produktbroschuumlre Clariant International AG 2007

25 httpwwwclariantdeC12575E4001FB2B8vwLookupDownloads Publication_Clariant_NeueDimensionMaterialpdf$FILEPublication_ Clariant_NeueDimensionMaterialpdf (aufgerufen am 18122013)

26 Projekt RADIKAL BMBF MatRessource o D httpwwwmatressour-cedeprojekteradikal (aufgerufen am 18122013)


28 Beschichtungen fuumlr Antriebe Hessen Nanotech o D httpwww hessen-nanotechdedynasitecfmdsmid=15762 (aufgerufen am 18122013)


30 Projekt KoWUB BMBF MatRessource o D httpwwwmatressource deprojektekowub (aufgerufen am 18122013)

31 Kohlhoff J et al Bleifreie piezoelektrische Keramiken Werkstoffe in der Fertigung 25052012 httpwerkstoffzeitschriftdeblogwerkstof-febleifreie-piezoelektrische-keramiken (aufgerufen am 18122013)

32 Kohlhoff J et al Bleifreie piezoelektrische Keramiken Werkstoffe in der Fertigung 25052012 httpwerkstoffzeitschriftdeblogwerkstof-

Anhang 45

febleifreie-piezoelektrische-keramiken (aufgerufen am 18122013)


34 Foumlrdermaszlignahme bdquoNanotechnologie im Bauwesen ndash NanoTectureldquo Bun-desministerium fuumlr Bildung und Forschung (BMBF) 2007 httpwww bmbfdeenfurtherance10471php (aufgerufen am 18122013)

35 Projektseite FuturZement Futurzementde 02072010 httpwww futurzementdeFuturZement (aufgerufen am 18122013)

36 Quelle Zoz GmbH

37 BASt Test eines die Luft reinigenden Laumlrmschutzes Internationales Verkehrswesen 03032011 httpwwwinternationalesverkehrswesen denewsinternationales-verkehrswesenartikelidbast-test-eines-die-luft-reinigenden-laermschutzeshtml (aufgerufen am 18122013)

38 Quelle Remmers Baustofftechnik GmbH

39 BMBF-Projekt Multifunktionale Fahrbahn aus nanooptimiertem Ultrahochleistungsbeton (FKZ 13N 10492-10500)

40 Altreuther B Multifunktionale Fahrbahn aus nanooptimiertem Ultra-Hochleistungsbeton Praumlsentation auf der BMBF-Veranstaltung bdquoNeue Werkstoffe und Nanotechnologie fuumlr die Bautechnikldquo am 21112013 in Frankfurt httpwwwinnovationsbegleitungdenanotecturewp-contentuploads201312Altreuther__MC3BCllerBBM_21_11_13_ Frankfurtpdf (aufgerufen am 18122013)


42 Moumlller M Hermann A Gross R Diesner M-O Kuumlppers P Luther W Malanowski N Haus D Zweck A Nanomaterialien Auswirkun-gen auf Umwelt und Gesundheit Zuumlrich vdf-Verlag 2013 ISBN 978-3-7281-3559-9 httpwwwvdfethzchservice35593560_Nanomateri-alien_OApdf S 86 Veroumlffentlicht unter Creative Commons License CC BY-NC-ND 25 CH httpcreativecommonsorglicensesby-nc-nd25 ch (aufgerufen am 18122013)

43 Moumlller M Hermann A Pistner C et al Analyse und strategisches Management der Nachhaltigkeitspotenziale von Nanoprodukten ndash NachhaltigkeitsCheck von Nanoprodukten UBA-Texte 152012 http wwwumweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461publikatio-nen4276pdf (aufgerufen am 18122013)


46 Anhang





49 Ritthoff M Liedtke C Kaiser C Technologien zur Ressourcenef-fizienzsteigerung Hot Spots und Ansatzpunkte Projektergebnisse bdquoSteigerung der Ressourcenproduktivitaumlt als Kernstrategie einer nach-haltigen Entwicklungldquo S 40 ff Wuppertal-Institut Juni 2007 http wwwressourcenproduktivitaetdedownloadphpdatei=srcdownloads AP_23_Technologie_HotSpotspdf (aufgerufen am 18122013)

50 ebd

51 ebd

52 modifiziert nach Quelle Herzog KLiedtke CRitthoff MWallbaum HMerten T (2003) Der Werkstoff Stahl im Vergleich zu Konkur-renzwerkstoffen ndash Verfahren Ressourceneffizienz Recycling Umwelt Forschungsbericht P 559 Duumlsseldorf Studiengesellschaft Stahlanwen-dung eV


54 Quelle Stiller H (1998) Materialintensitaumltsanalyse von Verbundwerk-stoffen nach dem MIPS-Konzept Eine Studie des Wuppertal Instituts fuumlr Klima Umwelt und Energie im Auftrag des Verbundwerkstofflabors Bremen eV Wuppertal 1998

55 Steinfeldt M von Gleich A Petschow U Pade C Sprenger R-U Entlastungseffekte fuumlr die Umwelt durch nanotechnische Verfahren und Produkte Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes Juni 2010 httpwwwumweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461pub-likationen3777pdf (aufgerufen am 18122013)

56 Martens S Eggers B Evertz T Untersuchung des Einsatzes von Nanomaterialien im Umweltschutz Studie im Auftrag des Umweltbun-

Anhang 47

desamtes Juni 2010 httpwwwumweltbundesamtdesitesdefault filesmedienpublikationlong3778pdf (aufgerufen am 18122013)

57 EP 2013 ldquoApplication of Life-Cycle Assessment to Nanoscale Techno-logy Lithium-ion Batteries for Electric Vehiclesrdquo EPA 744-R-12-001 httpwwwepagovdfepubsprojectslbnpfinal-li-ion-battery-lca-reportpdf (aufgerufen am 18122013)

58 Martens S Eggers B Evertz T Untersuchung des Einsatzes von Nanomaterialien im Umweltschutz Studie im Auftrag des Umweltbun-desamtes Juni 2010 httpwwwumweltbundesamtdesitesdefault filesmedienpublikationlong3778pdf (aufgerufen am 18122013)

59 Moumlller M Hermann A Pistner C et al Analyse und strategisches Management der Nachhaltigkeitspotenziale von Nanoprodukten ndash Nach-haltigkeitsCheck von Nanoprodukten UBA-Texte 152012 httpwww umweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461publikatio-nen4276pdf (aufgerufen am 18122013)

60 BMU (Hrsg) Verantwortlicher Umgang mit Nanotechnologien Bericht und Empfehlungen der NanoKommission der deutschen Bundesregie-rung 2011 httpwwwbmudefileadminbmu-importfilespdfsall-gemeinapplicationpdfnano_schlussbericht_2011_bfpdf (aufgerufen am 18122013)

61 Steinfeldt M von Gleich A Petschow U Pade C Sprenger R-U Entlastungseffekte fuumlr die Umwelt durch nanotechnische Verfahren und Produkte Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes Juni 2010 httpwwwumweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461 publikationen3777pdf Vier Fallstudien in Kap 4 (aufgerufen am 18122013)

62 Moumlller M Hermann A Pistner C et al Analyse und strategisches Management der Nachhaltigkeitspotenziale von Nanoprodukten ndash NachhaltigkeitsCheck von Nanoprodukten UBA-Texte 152012 http wwwumweltbundesamtdesitesdefaultfilesmedien461publikati-onen4276pdf S 67 Abb 7 S 81 Abb 11 S 82 Abb 12 (aufgerufen am 18122013)

63 Moumlller M Hermann A Gross R Diesner M-O Kuumlppers P Luther W Malanowski N Haus D Zweck A Nanomaterialien Auswirkun-gen auf Umwelt und Gesundheit Zuumlrich vdf-Verlag 2013 ISBN 978-3-7281-3559-9 httpwwwvdfethzchservice35593560_Nanomateri-alien_OApdf S 110 Tab 14 Veroumlffentlicht unter Creative Commons License CC BY-NC-ND 25 CH httpcreativecommonsorglicenses by-nc-nd25ch (aufgerufen am 18122013)

64 Moumlller M Hermann A Gross R Diesner M-O Kuumlppers P Luther W Malanowski N Haus D Zweck A Nanomaterialien Auswirkun-gen auf Umwelt und Gesundheit Zuumlrich vdf-Verlag 2013 ISBN 978-3-7281-3559-9 httpwwwvdfethzchservice35593560_Nanomateria-lien_OApdf S 107 Veroumlffentlicht unter Creative Commons License CC

48 Anhang

BY-NC-ND 25 CH httpcreativecommonsorglicensesby-nc-nd25 ch (aufgerufen am 18122013)

65 Beton wird Hightech Weltde 31072011 httpwwwweltdeprint wamsvermischtesarticle13517579Beton-wird-Hightechhtml (aufgerufen am 18122013)

66 Juschkus U bdquoZwerge im Betonldquo Nanotechnologie und Ultra High Per-formance Concrete (UHPC)ldquo in ibr Informationen Bau-Rationalisierung Magazin der RG Bau im RKW Nr 2 Juni 2008 37 Jahrgang S 18 ndash 20

67 Moumlller M Nano-NachhaltigkeitsCheck ndash Integrierte Nachhaltigkeits-bewertung und strategische Optimierung von Nanoprodukten Oumlko-Institut eV 2011 httpwwwoekodeoekodoc11382011-020-depdf (aufgerufen am 18122013)


VDI Technologiezentrum GmbHim Auftrag der VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH

VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (VDI ZRE)Bertolt-Brecht-Platz 310117 BerlinTel +49 30-27 59 506ndash0Fax +49 30-27 59 506ndash30zre-infovdidewwwressource-deutschlandde








5 FAZIT

Kurzanalyse Nr 4 Ressourceneffizienz durch Werkstoffsubstitution

2 Auflage 2016

Diese Kurzanalyse entstand im Auftrag der VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH und wurde durch die VDI Technologiezentrum GmbH erstellt

Autoren und fachliche Ansprechpartner

Dr Heinz Eickenbusch VDI Technologiezentrum GmbH

Dr Wolfgang Luther VDI Technologiezentrum GmbH

Die Kurzanalyse wurde im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative des Bundesministeriums fuumlr Umwelt Naturschutz Bau und Reaktorsicherheit erstellt

Die Kurzanalysen des VDI ZRE geben einen Uumlberblick uumlber aktuelle Entwicklungen des Themas Ressourceneffizienz in Forschung und industrieller Praxis Sie enthalten eine Zusammenstellung relevanter Forschungsergebnisse neuer Technologien und Prozesse sowie Gute-Praxis-Beispiele Damit verschaffen die Kurzanalysen einem breiten Publikum aus Wirtschaft Forschung und Verwaltung einen Einstieg in ausgewaumlhlte Themenfelder der Ressourceneffizienz

Redaktion

VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (VDI ZRE)

Bertolt-Brecht-Platz 3

10117 Berlin

Tel +49 30-27 59 506-0

Fax +49 30-27 59 506-30

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Satz und Gestaltung Christian Maciejewski

Titelbild Jaqueline Schmid Dreamstime

Druck LASERLINE Druckzentrum Berlin KG Scheringstraszlige 1 13355 Berlin-Mitte

Gedruckt auf umweltfreundlichem Recyclingpapier


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24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0


500 1000 1500 2000 2500

Haumlrte HV10



































































36 Quelle Zoz GmbH







(FKZ 13N 10492-10500)









































nung48




49 ebd 50 ebd










































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Fazit 39


5 FAZIT




40 Fazit




Fazit 41



42 Anhang

6 ANHANG














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36 Quelle Zoz GmbH









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36 Quelle Zoz GmbH







(FKZ 13N 10492-10500)









































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49 ebd 50 ebd










































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Fazit 39


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36 Quelle Zoz GmbH









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(FKZ 13N 10492-10500)









































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49 ebd 50 ebd










































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Fazit 39


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36 Quelle Zoz GmbH









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49 ebd 50 ebd










































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Fazit 39


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36 Quelle Zoz GmbH









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36 Quelle Zoz GmbH









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36 Quelle Zoz GmbH









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