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1 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 1 Biokunststoffe – nachhaltige Werkstoffe der Zukunft oder Modetrend www.ifbb-hannover.de H.-J. Endres B.A.U.M.-Thementag „Green Office Day“, Frankfurt, 29. Januar 2013 Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 2 Name: Hans-Josef Endres Familienstand: 46 Jahre, verheiratet, 2 Töchter (18 und 13 J.) Wohnort: Barsinghausen (bei Hannover) Studium: Maschinenbau (Ruhr-Universität Bochum) mit Vertiefungsrichtung Werkstofftechnik Beruf: Ca. 9 Jahre Industrietätigkeit, zuletzt Bereichsleiter (230 Mitarbeiter) bei Thyssen-Krupp Berufsbegleitende Promotion Seit 1999 Professur an der Hochschule Hannover Aufbau: - verschiedener neuer Studiengänge - eines neuen Hochschulinstituts für Biokunststoffe IfBB - eines Fraunhofer Anwendungszentrums für Holzfaserforschung (HOFZET)

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 1

Biokunststoffe – nachhaltige Werkstoffe der Zukunft oder Modetrend

www.ifbb-hannover.de

H.-J. Endres

B.A.U.M.-Thementag „Green Office Day“, Frankfurt, 29. Januar 2013

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 2

Name: Hans-Josef Endres

Familienstand: 46 Jahre, verheiratet, 2 Töchter (18 und 13 J.)

Wohnort: Barsinghausen (bei Hannover)

Studium: Maschinenbau (Ruhr-Universität Bochum) mit Vertiefungsrichtung Werkstofftechnik

Beruf:

• Ca. 9 Jahre Industrietätigkeit, zuletzt Bereichsleiter (230 Mitarbeiter) bei Thysse n-Krupp

• Berufsbegleitende Promotion

• Seit 1999 Professur an der Hochschule Hannover

• Aufbau: - verschiedener neuer Studiengänge

- eines neuen Hochschulinstituts für Biokunststoff e IfBB

- eines Fraunhofer Anwendungszentrums für Holzfaserforschung (HOF ZET)

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 3

Quelle: VW, Peter Helmke

KOSTEN

GEWICHT

Golf 1 Golf 6

Kunststoffe im Automobil

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 4

Growth of population(Expectation: plastic consumption per head in India and China as high as in Europe)���� Worldwide production of plastics has to be doubled!

Issue for environment: critical exploitation of oil with increasing ecological impacts and littering of plastics (globally considered)

Consumption of crude oil 5.000.000 x higher than its rate of regeneration ���� future problem only to convert energy, but to meet the increased quantity requirements for plastics will become a feedstock problem!

The future of plastics?

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 5

Historical development of Biopolymers

Non degradable

Petro-based

Degradable

Bio-based

Bio-degradable

Source: Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths;Engineering Biopolymers, Carl Hanser-Verlag, 2011

1. Cellulose AcetatesRubber, Casein…

4.Polylactide,

Starch blends,Cellulose Hydrates,

Polyhydroxyalkanoate

2.Polyethylene

PolypropylenePolyvinylchloride

3.PolycaprolactonePolyvinyl alcoholPolyester (PBAT,

PBS,..)…

5.Bio-PA, Bio-PE

Bio-PET, PTT,…

Bio-degradable and bio-basedBio-based

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 6

Applications of Biopolymers

NonBiodegradable

Petro-chemicalFeedstock

Bio-degradable

Bio-basedFeedstock

Source: BASF

Source: Coca Cola

Conventional plastics

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 7

Current Stage of Development and Production Scale of Thermoplastic Biopolymers (2012)

Source: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths; Engineering Bioplymers, Carl Hanser-Verlag, 2011, modifiziert

Durables Degradables

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 8

Global production capacity of bioplastics

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 9

Mögliche biobasierte FasernEinsatz nachwachsender

Rohstoffe möglich

Keramikfasern

Kohlenstofffasern

Glasfasern

Synthesefasern

Borfasern

Naturfasern tierisch

pflanzlich

Bio-PE

Bio-PA

Bio-PET, PTT

Faserarten

RayonLignin

C-Fasern auf Cellulose-

oder Ligninbasis

Bio-Ethanol aus Zuckerrohr

Einsatz von Rizinusöl z.B.

Biobasierter Alkohol

Seide, Schafwolle, Kaschmir

Samenfasern, Bastfasern, Fruchtfasern, Hartfasern, Holzfasern

RegeneratChemische Lösung und

Fällung von Cellulose

PLA-Faser Polylactid aus Maisstärke

Quelle: H.-J. Endres, T. Koplin, C. Habermann; Technik und Umwelt vereint?; Kunststoffe 06/2012

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 10

Acreage competition

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 11

Yields of renewable raw materials (not biomass)

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

Sug

arca

ne

Sug

ar-b

eet

Cor

n

Pot

ato

Whe

at

Ric

e

Pal

m

Jatr

opha

Coc

onut

Cas

tor

Rap

e

Sun

flow

er

Soy

a

Woo

d P

ulp

Whe

at s

traw

Hem

p

Fla

x

Cot

ton

Sugar Starch Vegetable Oils Cellulose(fibers)

[t /(

ha*a

)]

Source: Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths;Technische Biopolymere, Carl Hanser-Verlag, Juni 2009

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 12

Cellulose Alkalization

Polyaddition

Cellulose

Vegetableoil/fat

SulfidationCellulose-

XanthogenateAlkali

cellulosePolymeri-

zationRegenerate Cellulose

Cellulose Derivates Cellulose

Ether

Cellulose Ester

Alkali cellulose

Esterification

EtherificationAlkalization

Vegetableoil/fat

Biogenic polyolsmultivalent oil alcohols

(dicarboxylic acids)Bio-PUR

Condensation

Condensation

Ring-opening Polymerization

Bio-based dicarboxylicacids

Amino carboxylic acids

(bio-based) Caprolactam

Bio-PA

Starch, Glucose, Vegetable oil, Organic acids

FermentationCompounding

and granulationPHA (PHB)

PCLRing-opening

Polymerizationε-caprolactoneConversion

Peroxxyaceticacid

Cyclo-hexanone

Petro-basedDiamines

Vinyl acetate

Polymerization TransesterificationPolyvinyl acetate PVOH (PVB)

PLALactide PolymerizationFermentationOligomerization

SynthesisStarch,

Glucose Lacticacid

Starch-basedbiopolymers

Starch Fermentation/ Denature/ Fillers

Isolation ofbiopolymer

Ammonia

Petro-basedIsocyanates

Petro-based fatty acidsacid anhydrides

Causticsoda

Plasticizer

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 13

0

5

10

15

20

25

30

35

[t B

iopo

lym

er/(

ha*a

)]Theoretical minimum and maximumyields per acreage of bioplastics

Source: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths,Engineering Biopolymers, Hanser Verlag 2011, modified

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 14

Annual plastics

production[106 t]

Annual bioplasticproduction

in 2016[106 t]

Land use for bioplasticproduction in 2016

(assumption 0,5 kt BP/km2)[km2]

Arable land [km2]

World 265 5.8 11.500 14 million

EU 60 0.3 1.000 1.1 million

Germany 20 0.15 500 0.12 million

Lake Constance 540

Full replacement of total petro-based

plastics with bioplasticsrequires

< 5 % of the global arable land.

Full replacement of total petro-based

plastics with bioplasticsrequires

< 5 % of the global arable land.

Full replacement of petro-based plastics

of the automotive industry with

bioplastics requires < 0,3 % of the global

arable land.

Full replacement of petro-based plastics

of the automotive industry with

bioplastics requires < 0,3 % of the global

arable land.

Land use of bioplastics (2016)

Land use for the annual bioplastic

production in 2016:

< 0,1 % of theglobal arable land.

Land use for the annual bioplastic

production in 2016:

< 0,1 % of theglobal arable land.

Full replacement of petro-based plastics

of the packaging industry with

bioplastics requires < 2% of the global

arable land.

Full replacement of petro-based plastics

of the packaging industry with

bioplastics requires < 2% of the global

arable land.

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 15

End-of-Life Options of Biopolymers

Source: H.-J. Endres, A. Siebert, A.-S. KitzlerBiopolymers – a discussion on end of life optionsBioplastics Magazine 01/08

Biopolymer product

Landfill

IndustrialComposting

Metabolizationin organism

Anaerobicdigestion

(����Bio-methane)

NeutralIncineration

Chemical Recycling

Domesticcomposting

Dissolving in (salt) water

Litter

Decompositionin soil

Mechanical Recyling

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 16

Pre- and Postconsumer Recycling

Recycling

Preconsumer Postconsumer

Productionwaste

Waste ofevents

Householdgarbage

unalloyed alloyslaminates

almostunalloyed,contaminatedwith food

Material mixture, composites, alloyspolluted

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 17

Identification of Biopolymers by Near Infrared Spectroscopy (NIR)

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 18

Thermo-mechanical recycling of Biopolymers

Injection molding

Log (η)

(γ) [1/s] &Log -1

Extrusion

Melt flow index

Rotational rheometer Capillary

rheometer

f (T, p, Material)

0 1 2 3 4 5

Shear thinning behavior of biopolymer melts

6

PET PS LDPE HDPEIngeo PLA

Ecoflex Ecovio MaterBi Sorona

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Anaerobic digestion

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 20

Incineration with energy recovery

Endres, Siebert-Raths:Technische BiopolymereHanser Verlag 2009

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 21

Reference Impact Category PLA PS

CO2 Global Warming Potential (GWP) +C2H4 Ozone Creation Potential (Sumer-Smog) (POCP) +PO4- Eutrophication Potential (EP) +SO2 Acidification Potential (AP) +kg PM 10 Dust +

kg crude oil units Non Renewable Energy Use (NREU) +GJ Comulated Non Renewable Energy Use +m3 Water consumption +m2/Jahr Land use +

Cradle to cradle-LCA of DanoneActivia-cup (115 g) of PS and PLA

Source for data: IFEU GmbH

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Auch zukünftig weiteres Wachstum des Kunststoffverbrauchs (ca. 5% jährlich)

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 23

Zurück zum Solarzeitalter

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 24

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 25

Lack of data(quality, quantity and comparability)

Manufacturers of

Biopolymers

ManufacturingIndustry /

UserData-bank

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 26

Biopolymer Database– Comparison of materials and properties

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 27

http://www.hanser.de/buch.asp?isbn=3-446-41683-8&area=Technik

http://www.hanser.de/buch.asp?isbn=978-3-446-42403-6&area=Technik

Für weitere Informationen

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 28

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 29

Die Bedeutung der Kommunen

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 30

See www.nawaro-kommunal.de and www.fnr.de

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Beispiel 1Tastatur ‚Fujitsu KBPC PX ECO‘

• Gehäuse aus Celluloseacetat, beständig

• Biobasierter Anteil~ 45 %

• Preis: ab ca. 36,00 €

• Bürobedarf / Elektroartikel

• Keine weiteren Zertifikate

• Im Einzelhandel verfügbar

• Quelle: Fujitsu / bdbayer-shop.de

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 32

Beispiel 2Öko-USB-Stick ‚Emtec M600‘

• Gehäuse aus PLA, beständig

• Biobasierter Anteil100 % (Gehäuse)

• Preis: ca. 14,30 € (4 GB)

• Bürobedarf / Elektroartikel

• Keine weiteren Zertifikate

• Im Onlineshop verfügbar

• Quelle: EMTEC / ZBP Media

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Beispiel 3Korrekturroller ‚Pritt ECOmfort‘

• Gehäuse aus PLA und Cellulosefasern

• Biobasierter Anteil89 %

• Preis: ab ca. 1,60 €

• Bürobedarf

• 3. Platz als „Biowerkstoff des Jahres“ 2010

• Im Einzelhandel verfügbar

• Quelle: Henkel / karp-shop.de

Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 34

Beispiel 4highlighter edding 24 ‚EcoLine‘

• Gehäuse aus Lignin-derivat, Filterfasern aus Recyclingmaterial

• Biobasierter Anteil>= 70 %

• Preis: ab ca. 0,95 €

• Bürobedarf

• Keine weiteren Zertifikate

• Im Einzelhandel verfügbar

• Quelle: edding AG / bfh24.de

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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 35

Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef EndresIfBB - Institut für Biokunststoffe und BioverbundwerkstoffeHochschule Hannover Fakultät Maschinenbau und Bioverfahrenstechnik Heisterbergallee 12D-30453 HannoverTel.: 0049 (0)511-9296-2212Fax: 0049 (0)511-9296-2210Email: [email protected]: www.ifbb-hannover.de

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