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Archive for the ‘DECHEMA-Tag 2016’ Category

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DECHEMA-TagKeine Rohstoffknappheit mehr, keine Abhängigkeit von anderen Staaten, keine Müllhalden in Drittweltländern, auf denen mit zweifelhaften Methoden Metalle aus Elektroschrott gewonnen werden, gleichzeitig weiterhin die Annehmlichkeiten der modernen Konsumgesellschaft, und der Klimawandel kann auch noch gestoppt werden. Das sind im Kern die Visionen, die durch eine vollständige Kreislaufwirtschaft verwirklicht werden sollen. Die EU hat sich die Circular Economy auf die Fahnen geschrieben. Doch lassen sich diese Ansprüche wirklich erfüllen? Und was heißt das für Produkte und Dienstleistungen, für Hersteller und Konsumenten? Diese Fragen standen im Mittelpunkt der Diskussion beim ersten DECHEMA-Tag am 1. Juni 2016 in Frankfurt.

Und die Antworten fielen denkbar unterschiedlich aus. Das macht sich schon an Grundlagen der Circular-Economy-Idee wie „Langlebigkeit“ oder „Nachhaltigkeit“ fest: Für Dr. Eric Bischof, VP Corporate Sustainability bei Covestro Deutschland, steht Circular Economy „für den Gedanken, ein Produkt möglichst lange auf einer möglichst hohen Wertschöpfungsstufe zu halten.“ Dazu gehören eine lange Nutzungsdauer, die Reparatur und Wiederverwendung; stoffliches Recycling stelle nur die Ultima Ratio dar.

Für Prof. Dr. Michael Braungart, einen der Entwickler des Cradle-to-cradle-Konzeptes, ist Nachhaltigkeit dagegen keine Lösung, denn sie mache „nur weniger kaputt“. Eine Reduktion von 90 auf 4 Giftstoffe mache ein Produkt nicht ungiftig. Außerdem schließen sich aus seiner Sicht Nachhaltigkeit und Innovation aus: Bei einem Innovationszyklus von 8 bis 9 Jahren ist eine Lebensdauer von 30 Jahren für ein Produkt wie eine Waschmaschine ein Innovationshindernis. Stattdessen plädiert er dafür, Produkte von vornherein so zu konzipieren, dass die verwendeten Materialien und Komponenten vollständig wiederverwertet werden können – entweder im „technologischen Kreislauf“ oder über den Umweg der Kompostierung im biologischen Kreislauf.

Ressourcen ge- statt verbrauchen

Über eines waren sich allerdings alle Experten einig: An veränderten Nutzungskonzepten für Ressourcen führt kein Weg vorbei. Prof. Dr. Gerhard Sextl, Fraunhofer ISC, bringt es auf den Punkt: „Wir müssen lernen, Ressourcen zu gebrauchen statt zu verbrauchen.“ Dazu gehöre auch ein intelligentes Recycling: Es ist nicht notwendig, Materialien jedes Mal auf die Ebene der Elemente zu desintegrieren. Stattdessen können sie auf dem Niveau von Funktionswerkstoffen neu genutzt werden. Damit kann auch das Downcycling vermieden werden.

13 PodiumsteilnehmerAllerdings ist es bis dahin noch ein weiter Weg, denn die derzeit eingesetzten Produkte enthalten eine solche Vielzahl von Werkstoffen und Zusätzen, dass eine sinnvolle Trennung kaum möglich erscheint. Selbst Hersteller wissen oft nicht, welche Materialien sie in Form von Komponenten in ihren Produkten verbaut haben. Gerhard Sextl sieht eine Chance in der Digitalisierung: Jedes Produkt könnte einen „Pass“ erhalten, in dem seine Inhaltsstoffe aufgelistet sind.

Dennoch bleibt die Frage offen, ob es tatsächlich gelingen kann, alle „technologischen Rohstoffe“ vollständig im Kreis zu führen. Sicher lässt sich aus Legierungen reines Kupfer zurückgewinnen, wie Michael Braungart postuliert – allerdings kaum zu 100 %. Alle Formen der Dissipation, sei es Abrieb im Gebrauch, Verluste bei der Verarbeitung beispielsweise beim Schleifen, Bohren oder Fräsen oder eben bei der Aufarbeitung müssten vollständig ausgeschlossen werden. Auch der Ersatz von Materialien erweist sich häufig als mühsam. Prof. Dr. Rainer Grießhammer vom Öko-Institut führt als Beispiel den Recyclingbeton an, bei dem seit Jahren auf einen Anteil von 10 % hingearbeitet wird, der jedoch hartnäckig bei 4 % stagniert. Michael Braungart sieht in der Materialentwicklung eine gewaltige Chance für Chemiker und Verfahrenstechniker. Nach den Unfällen der 80er Jahre, speziell der Sandoz-Katastrophe, sei der Chemie eine ganze Generation von klugen Köpfen verloren gegangen. Die Neuentwicklung von Produkten, Materialien und Nutzungskonzepten mache Chemie und Verfahrenstechnik entscheidend. Dementsprechend wirbt er in seinen  Vorträgen um junge Leute für die Wissenschaft.

Neues Design eröffnet Möglichkeiten

Dank neuer Fügetechniken kann die Demontierbarkeit von wieder nutzbaren Komponenten oder einheitlichen Materialien sicher gestellt werden. Anne Farken, BMW Group Designworks, weist darauf hin, dass das die Rolle der Designer verändert: „Die genaue Kenntnis der Materialien und Technologien ist Voraussetzung für ein intelligentes Produktdesign, bei dem auch das Nutzungsende berücksichtigt wird.“ Bereits heute können 95 % eines Autos recycelt werden. Und sie sieht noch weitere Vorteile für die Produkte: Mit Hilfe eines modularen Aufbaus lässt sich nicht nur die Wiederverwertung am Nutzungsende sicherstellen, er ermöglicht auch Upgrades und Personalisierbarkeit – Produkteigenschaften, die derzeit immer mehr in den Vordergrund rücken. Doch gleich, wie ein Recycling im Einzelnen aussehen soll – erst einmal muss das Produkt zurück zum Hersteller oder hin zum Recycler. Rainer Grießhammer bemängelt die fehlende Rückwärtslogistik für Produkte. Selbst in der öffentlichen Beschaffung werden die entsprechenden Anforderungen bei Ausschreibungen nicht umgesetzt.

Mit dem Ansatz von Michael Braungart stellt sich die Frage nach der Rückführung der Produkte, womöglich noch nach unterschiedlich langen Nutzungsdauern, gar nicht. Denn er plädiert dafür, Verbrauchern nicht Produkte zu verkaufen, sondern Nutzen: Statt einer Waschmaschine bietet der Hersteller also eine definierte Anzahl von Waschgängen, statt eines Autos die gefahrenen Kilometer. Das würde Hersteller auch davon überzeugen, ihre Produkte zu verbessern: „Treibstoffersparnis lohnt sich für den Autohersteller viel mehr, wenn er gefahrene Kilometer statt Autos verkauft.“  Auch der Einsatz besserer Materialien lohne sich, wenn der Hersteller das Eigentum am Gerät oder der Anlage behalte.

Praktische Fragen noch offen

Doch wie lassen sich solche Produkte erfolgreich in den Markt einführen?  Haushaltsgeräte-Hersteller wie Bosch haben dazu schon Versuche unternommen;  bisher sind solche Konzepte allerdings zu teuer.

Und weitere Fragen schließen sich an: Was geschieht  im Fall einer Insolvenz des Unternehmens? Und wie können die Kunden davon überzeugt werden, ihr Geld für Nutzung statt für Produkte auszugeben? Eine „Erziehung der Kunden“ sieht Michael Braungart nicht als notwendig an; er ist überzeugt, dass die Intelligenz des Modells in den Produkten liegt. Eric Bischof ist da skeptischer: „Ein Dienstleistungsmodell kann zu Innovationen führen, muss aber nicht.“ Für Bischof und auch für Anne Farken sind Zukunftsmodelle wie Cradle-to-cradle oder die Circular Economy deshalb eher gedankliche Modelle als eine Lösung für alles. Auch Rainer Grießhammer warnt: „Die Welt ist zu komplex, um sie mit einem einzigen Designprinzip zu ändern.“ Andererseits gebe es Beispiel wie die Energiewende, deren ursprüngliche Idee unter anderem auf eine Studie des Öko-Instituts aus dem Jahr 1980 zurückgeht. Das zeige: Konzepte brauchen lange, können aber viel bewirken.

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bomb-1185720_1920.jpgIm Blog des Guardian ist ein Beitrag der Firma Philips zur Circular Economy erschienen, der einige wesentliche Thesen zusammenfasst. Das ist These Nr. 7:

Rechnen Sie mit drastischen Veränderungen!

Einer der wesentlichen Faktoren für die Circular Economy werden disruptive Innovationen sein – dabei befeuern Durchbrüche bei Technik und Design neue Kreislauf-Handelsmodelle, die bestehende Märkte ablösen und neue schaffen. Unternehmen, die hier die Nase vorn haben, berücksichtigen, dass sie entweder ihre eigenen Geschäftsmodelle von innen aufbrechen müssen, oder sie riskieren, abgelöst zu werden. Wenn Unternehmen gemeinsam neue Ideen entwickeln, stellen sich Fragen nach dem intellektuellen Eigentum, Veröffentlichungen und Wettbewerbsrecht. Der Vorteil, Vorreiter zu sein, kann teuer werden, und die angenommenen Risiken können sich als Stolpersteine erweisen.

Courtesy of Guardian News & Media Ltd – zum vollständigen Beitrag10 things you need to know about the circular economy

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waste-separation-502952_1920Circular Economy – das ist doch das Konzept, bei dem Produkte wie Waschmaschinen, Autos oder T-Shirts möglichst vollständig recycelt werden sollen, um den Abfall zu minimieren. Was hat das mit chemischer Verfahrentechnik oder Biotechnologie zu tun?

Eine ganze Menge, wie die Europäische Pattform für Nachhaltige Chemie SusChem in einem Positionspapier festgestellt hat. Eine tragfähige Kreislaufwirtschaft kann sich demnach nur entwickeln, wenn alle Aspekte der Nachhaltigkeit – positiver Einfluss auf die Gesellschaft, Minimierung der Umweltbelastung und Wirtschaftswachstum- gleichzeitig realisiert werden. Dafürbraucht es aber nicht nur neue Regularien, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle, sondern konkrete technologische Fortschritte. Ziel ist es, vorhandene Ressourcen entlang des gesamten Lebenszyklus besser zu nutzen und  neue Produktions- und Verwertungswege zu entwickeln.

Und das funktioniert nur mit dem Know-How der chemischen Industrie, die als Lieferant von Werkstoffen und technologischen Lösungen die nachgelagerten Wertschöpfungsstufen entscheidend prägt.

Beispiele für Technologien, die zur Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft beitragen können sind u.a.

Die Nutzung alternativer Ressourcen wie nachwachsender Rohstoffe oder CO2 aus Industrieprozessen

CO2 stellt eine erneuerbare Kohlenstoffquelle für die Produktion von Chemikalien, Polymeren und Kraftstoffen dar, seine Nutzung kann zur Kreislaufschließung beitragen. Benötigt werden dafür neue Katalysatoren und effiziente Prozesse für die Abtrennung, Reinigung und Unsetzung – eine große Aufgabe für Chemiker und Verfahrenstechniker.

Die Entwicklung neuer Materialien, die nachhaltige und recyclebare Produkte ermöglichen

Verbundwerkstoffe ermöglichen Leichtbauanwendungen für Transport, aber beispielsweise auch Windkraftanlagen. Sie verbessern unmittelbar die Energieeffizienz. Heutige Kunstharz-Verbundwerkstoffe sind in der Regel nicht recyclierbar. Gesucht werden daher neue Monomere, aber auch Produktionsverfahren und die Möglichkeit, schon in der Designphase mit Hilfe von Simulationen zuverlässige Vorhersagen über das Verhalten der Bauteile zu machen – ein weites Feld für Werkstoffwissenschaftler, Ingenieure und Chemiker.

Effizienzerhöhung der Produktionsprozesse und die Kreislaufschließung in der chemischen Produktion

Die Idee der Kreislaufwirtschaft schließt die Kreislauf-Bioökonomie mit ein. Ein Weg dorthin sind Bioraffinerien, die auf Basis von Biomasse eine Vielzahl chemischer Produkte herstellen. Idealerweise kommen Rest- und Abfallsströme zum Einsatz, die sonst nicht genutzt oder beispielsweise verbrannt würden. Gesucht werden Prozesse, die effizient und wettbewerbsfähig sind. Verschiedene Arten von Biomasse erfodern maßgeschneiderte Prozesse für die Herstellung von Chemikalien, Werkstoffen, Pharmazeutika, Kosmetik, Kunststoffe, Lebensmittel und Futtermittel, Detergentien, Textilien und Bioenergie. Diese Prozesse müssen im industriellen Maßstab durchführbar sein – ein großes Forschungsfeld für Biotechnologen und Verfahrenstechniker.

Doch ist es wirklich realistisch, Kreisläufe vollständig zu schließen? Oder brauchen wir andere Konzepte für den sparsamen Umgang mit Ressourcen? Darum geht es beim DECHEMA-Tag am 1. Juni 2016 – kommen Sie vorbei und diskutieren Sie mit!

 

 

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PStefan Heinrichrof. Dr. Stefan Heinrich von der TU Hamburg-Harburg ist der DECHEMA-Preisträger 2015. Die Preisverleihung findet am 1. Juni 2016 im Rahmen des DECHEMA-Tages in Frankfurt am Main statt. Mitglieder und Interessierte sind dazu herzlich eingeladen. Im Interview erzählt Stefan Heinrich vorab, welche Methoden er einsetzt und welche Fragestellungen aktuell bearbeitet werden.

Sie beschäftigen sich mit der Analyse und Simulation der Vorgänge in der Wirbelschicht. Welche Methoden setzen Sie dafür ein?

Um die komplexen Mikroprozesse in der Wirbelschicht zu simulieren, bedarf es multiskaliger Ansätze. Diese reichen von der makroskopischen Beschreibung der Vorgänge auf der Apparateebene mittels Populationsbilanzen und Fliessschemasimulation über mikroskopische Diskrete-Elemente-Simulationen der deterministischen Partikel- und Tropfenbewegungen, die mit der fluiden Phase wechselwirken und über numerische Strömungsmechanik (CFD) berechnet werden, bis zur sub-mikroskopischen Simulation der Partikeleigenschaften selber, die sowohl deren Struktur als auch die mechanischen Festigkeitseigenschaften beinhaltet. Dafür verwende ich Einzelpartikel-DEM sowie Kontinuuumsmechanische Ansätze. Mittendrin befindet sich noch die mesoskalige Ebene mit den einzelnen Transportprozessen, die über semi-empirische Ansätze mit der DEM und Kontinuumstheorie gekoppelt ist.

Generell werden neueste numerische Methoden auf der Basis  kommerzieller Programmsysteme verwendet, aber auch eigene Werkzeuge, wie dynamische Fliesschemasimulationsmethoden und DEM-Kontaktmodelle, weiterentwickelt und ständig angepasst..

Inwieweit sind denn schon Voraussagen möglich?

Wir können heutzutage schon sehr detaillierte zeitlich und örtlich abhängige Temperatur- und Konzentrationsfelder und Bewegungsbahnen der beteiligten flüssigen, festen und gasförmigen Phasen berechnen. Diese Informationen überprüfen wir im Übrigen auch in unseren Labor- und Technikumsanlagen mit zahlreichen Messverfahren.

Ebenso ist es möglich, die ablaufenden Transportprozesse mit kinetischen Ansätzen zu beschreiben und damit relativ genau physikalisch begründete Vorhersagen zu ablaufenden Reaktionen am Partikel, zum Trocknungsverhalten und zum Wachstumsmechanismus  zu treffen.

Und wo stoßen die Verfahren an Grenzen?

color-775209_640Das große Problem besteht in der dispersen Struktur der zu formulierenden Partikel, deren Eigenschaften durch Verteilungen charakterisiert werden. Beispiele hierfür sind Größe, Form, Dichte, Rauhigkeit, Festigkeit, Kompressibilität, Fließfähigkeit, Löslichkeit, Redispergierbarkeit, Retardierung, Quellvermögen, Benetzbarkeit, Porosität, Feuchtegehalt oder Hygroskopizität. In Populationen dieser heterogenen Partikel sind diese Eigenschaften nicht einheitlich, sondern entsprechend ihrer Verteilungsfunktionen mit der Zeit und von den örtlichen Positionen der Partikel anhängig. Diese so genannten eigenschaftsverteilten Systeme werden mittels partieller Integro-Differentialgleichungen mit integralen Randbedingungen beschrieben, wobei die Modellgleichung auch als Populationsbilanz bezeichnet wird.

Die o.g. Teilprozesse, die häufig simultan ablaufen, sind in ihrer Komplexität und ihrem zeitlichen Verhalten bisher unzureichend verstanden.

Und selbst wenn man aus populationsdynamischer Sicht die Partikelbewegung und –charakterisierung verstanden hat, besteht immer noch die Frage nach den Einflüssen der verschiedenen Prozessparameter auf die Dynamik der Wirbelschicht-Sprühgranulation, z.B. das Stabilitätsverhalten oder das Erkennen von Betriebsgrenzen, . Die dazu nötige Modellvalidierung bzw. –anpassung ist ein sehr weites Feld. (mehr …)

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Stefan HeinrichProf. Dr. Stefan Heinrich von der TU Hamburg-Harburg ist der DECHEMA-Preisträger 2015. Die Preisverleihung findet am 1. Juni 2016 im Rahmen des DECHEMA-Tages in Frankfurt am Main statt. Mitglieder und Interessierte sind dazu herzlich eingeladen. Im Interview erzählt Stefan Heinrich vorab, warum die Wirbelschicht-Granulation ein so spannendes Verfahren ist.

Wie funktioniert die Wirbelschicht-Sprühgranulation?

Beim Wirbelschichtverfahren werden Partikel mittels eines meist heißen Luftstroms gewirbelt und somit in einen Flüssigkeits-ähnlichen Schwebezustand gebracht; man spricht auch von fluidisierten Partikeln. Damit werden die Feststoffe flexibler in ihrer Handhabung,  z.B. können chemische Reaktionen intensiver und effektiver ablaufen.

Eine besondere Form ist dabei die Wirbelschicht-Sprühgranulation. Dabei werden Lösungen, die einen Feststoff enthalten,  oder Suspensionen bzw. auch Schmelzen auf die fluidisierten Partikel mittels Düsen in Form von Tropfen versprüht. Der Feststoff lagert sich auf den Partikeln ab, und das Lösungs- bzw. Suspensionsmittel verdunstet. Somit wachsen die Partikel schichtweise, d.h. sie granulieren oder werden ein- oder mehrlagig beschichtet bzw. verkapselt oder immobilisiert. Ebenso ist eine Agglomeration von pulverigen Stoffen oder eine Matrixeinbindung von Wirkstoffen möglich. Prinzipiell können damit Flüssigkeiten in frei fließende, staub- und abriebarme, körnige Feststoffe umgewandelt werden, um vollkommen neue Gebrauchseigenschaften zu erzeugen.

Wo begegnet uns diese Technik im Alltag bzw. welche alltäglichen Produkte werden damit hergestellt?

Die Wirbelschicht-Sprühgranulation findet ihren Einsatz in der chemischen Industrie, der Keramikindustrie, der Pharmazie oder der Lebens- und Nahrungsmittelindustrie sowie in der Landwirtschaft, wo derart hergestellte Partikel beispielsweise als Katalysatoren, Batteriematerialien, Keramik-Polymer-tablets-700670_640Funktionswerkstoffe, Farbstoffe, Waschmittel, Dünge- und Pflanzenschutzmittel, verkapselte Vitamine, feste Arzneiformen oder Adsorbentien für die Luftreinhaltung verwendet werden. Sehr wichtige Anwendungen sind beispielsweise die Retardbeschichtungen auf Arzneipartikeln bzw. –tabletten, um eine verzögerte Wirkstofffreigabe zu steuern, damit die Tablette über einen langen Zeitraum wirkt und gleichzeitigt nicht unkontrolliert Wirkstoff freigibt sowie vor der aggressiven Magensäure geschützt ist.

Was ist das besondere an der Wirbelschichttechnik gegenüber anderen Verfahren, um Partikel herzustellen?

Die Wirbelschicht zeichnet sich als thermisches Behandlungsverfahren für körnige Feststoffe durch eine sehr hohe Kontaktfläche zwischen den Partikeln und dem umströmenden Fluid aus und ist für sehr hohe Wärme-, Stoff- und Impulsaustauschkoeffizienten bekannt. Folglich können zahlreiche Prozesse intensiver ablaufen. (mehr …)

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MatRecource-Logo_4cMit der Verabschiedung des Deutschen Ressourceneffizienzprogramms (ProgRess) durch das Bundeskabinett am 29.02.2012 ist das Themenfeld Ressourceneffizienz in der Forschungsförderung verstärkt in den Fokus geraten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert in unterschiedlichen Rahmenprogrammen zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte aus dem Themenfeld „Ressourcentechnologien“. Das Rahmenprogramm „FONA – Forschung für nachhaltige Entwicklungen“ zielt darauf, dass Deutschland seine Position als internationaler Technologieführer, unter anderem im Bereich nachhaltiges Ressourcenmanagement, weiter ausbaut.

In der Fördermaßnahme „MatRessource – Materialien für eine ressourceneffiziente Industrie und Gesellschaft“ im Werkstoffprogramm „Vom Material zur Innovation“ fördert das BMBF seit 2012 Forschungsprojekte, die untersuchen, wie Ressourcen durch neue oder verbesserte Materialien gewinnbringender und schonender als bisher genutzt werden können. Zu den 3 Themenfeldern der Fördermaßnahme, Substitution und Materialeffizienz,  Korrosionsschutz sowie Katalyse und Prozessoptimierung werden 36 Verbundprojekte mit 181 Projektpartnern mit insgesamt 56 Mio. Euro gefördert, weitere Projekte starten 2016. Die DECHEMA e.V. führt zusammen mit der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde das Begleitvorhaben zu dieser Fördermaßnahme durch.

Unter http://www.matressource.de/start/ gibt es umfangreiche Informationen zur Maßnahme und den Einzelprojekten.

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