Gleiche Produkteigenschaften – aber mit nachwachsenden Rohstoffen bei der Herstellung chemischer Produkte über den Massenbilanzansatz

Autoren: Dr. Daniela Klein, Business Management Construction, BASF Polyurethanes GmbH Lemförde, und Dr. Sabine Frietsch, New Market Development, BASF SE, Ludwigshafen, beide im Bereich Performance Materials

Die BASF hat Nachhaltigkeit in ihrem Unternehmenszweck „We create chemistry for a sustainable future“ verankert. Da erneuerbare Rohstoffe hier einen Beitrag leisten können, hat das Unternehmen die Forschung und Entwicklung für Produkte und Herstellprozesse, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, im Jahr 2014 weiter intensiviert. Fossile Ressourcen werden aber trotzdem ein wichtiger Rohstoff der chemischen Industrie bleiben. Dennoch will die BASF dem steigenden Kundeninteresse an Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen künftig noch mehr als bisher gerecht werden. Ein wichtiger Baustein im Konzept zur Ressourceneffizienz ist das Verbundprinzip, das an sechs Standorten betrieben wird. Bei der sogenannten integrierten Produktion des BASF-Verbundes können Nebenprodukte oder Abwärme einer Fabrik an anderer Stelle als Einsatzstoffe eingesetzt werden und tragen so zur Rohstoffeffizienz bei.

Das im Folgenden beschriebene neue Verfahren, bei dem das Verbundprinzip und der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffe kombiniert werden, ist ein weiterer Schritt, mit dem BASF zu einer nachhaltigen Entwicklung in der chemischen Industrie beiträgt.

BASF-Massenbilanzverfahren
Viele BASF-Kunden wünschen sich Produkte, die verstärkt fossile Ressourcen schonen. Um diesem Wunsch nachzukommen, wurde 2014 ein für die chemische Industrie neuartiges Konzept, das sog. Massenbilanz-Verfahren, weiter vorangetrieben. Entwickelt hat es das Unternehmen gemeinsam mit dem TÜV SÜD für den flexiblen Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen im Produktionsverbund.

Im Zuge dieses Massenbilanzverfahrens werden erneuerbare Rohstoffe wie Bio-Naphtha oder Biogas bereits bei der Herstellung von Grundprodukten gemeinsam mit fossilen Rohstoffen eingesetzt. Der Bioanteil wird dann nach einer zertifizierten Methode bestimmten Verkaufsprodukten rechnerisch zugeordnet.

Das vom TÜV zertifizierte Verkaufsprodukt ist chemisch identisch mit seinem herkömmlichen, fossilbasierten Pendant. Daher ergeben sich keine Qualitäts- oder Eigenschaftsunterschiede. Die Kunden erhalten eine Lösung, die auf alle bestehenden Prozesse, Zulassungen und Zertifikate übertragbar ist, also eine echte Drop-In-Lösung. Da bestehende Infrastrukturen bei BASF und den Kunden  genutzt werden, also keine neuen Anlagen oder Technologien aufgebaut werden müssen, kann diese innovative Methode  schon heute angewendet werden und einen Beitrag zur Nachhaltigkeit liefern.

BASF setzt ausschließlich Rohstoffe ein, die nach EU-Definition im Bereich der Biokraftstoffe (RED[1]) bei Verbrennung gegenüber ihren fossilen Pendants mindestens 35% weniger CO2 emittieren. Daher kann für Massenbilanz-Produkte ebenfalls eine entsprechende Reduktion von Treibhausgasen gutgeschrieben werden.  Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen im Zug des Massenbilanzverfahrens trägt also nicht nur zur Schonung fossiler Ressourcen bei, sondern auch zur Reduktion von Treibhausgasemissionen.

Vergleichbar mit der Nutzung von Ökostrom
Das Prinzip der Massenbilanz  ist keine neue Erfindung der BASF und wird bereits an vielen Stellen wie beispielsweise im Bereich von Bioenergie, dem Forest Stewardship Council (FSC) für Holzprodukte oder Fair Trade zertifizierter Schokolade eingesetzt [2]. Ein Massenbilanz- Verfahren findet immer dann Einsatz, wenn, wie beispielsweise bei der Einspeisung von Ökostrom ins Stromnetz, zwei Produkte nicht mehr physikalisch trennbar sind, bestimmte Eigenschaften (z.B. Herstellung aus Biomasse) aber dennoch einem Produkt zugewiesen werden sollen.

Beim BASF-Massenbilanzverfahren werden zu Beginn der Produktionskette erneuerbare Rohstoffe gleichzeitig mit fossilen Rohstoffen eingesetzt und miteinander vermischt (Abb. 1). Ein sequenzieller Einsatz der Rohstoffe wäre aus ökologischen und ökonomischen Aspekten nicht sinnvoll, da Rohstoffe für An- und Ausschaltprozeduren verbraucht würden, ohne bereits Produkte zu produzieren, was einem nachhaltigen Einsatz entgegenwirkt.

Die verwendete Menge an nachwachsenden Rohstoffen kann dann nach Massenbilanzprinzipien einem bestimmten Produkt entsprechend dessen individueller Rezeptur, also unter Berücksichtigung aller Ausbeuten und Verluste, zugeordnet werden (Abb. 1). Es handelt sich daher um eine bilanzielle Allokation der Verwendung nachwachsender Rohstoffe für ein bestimmtes Produkt. Wer also ein massenbilanziertes Produkt kauft, trägt dazu bei, dass die BASF entsprechende Mengen fossiler durch erneuerbare Rohstoffe ersetzt. Dabei kann der zertifizierte Rohstoffanteil, je nach Kundenwunsch, zwischen 25 und 100% liegen.

 

Abb_1-185489_MassBalanceAbb. 1: Funktionsweise des Massenbilanzansatzes 


Anforderungen an den Rohstoff

Die BASF stellt sehr hohe Anforderungen an die im Massenbilanzverfahren verwendeten Rohstoffe: Sie müssen nachweislich aus einer umwelt- und sozialverträglichen Produktion stammen und zur Treibhausgasminderung beitragen. Derzeit wird bereits Biogas, das aus landwirtschaftlichen oder Küchenabfällen hergestellt wird, sowie als nachhaltig zertifiziertes Bio-Naphtha eingesetzt. Bio-Naphtha ist ein paraffiner Kohlenwasserstoff ähnlich dem fossilbasierten leichten Naphtha, es entsteht aus Pflanzenölen und organischen Reststoffen. Im Einklang mit international anerkannten Nachhaltigkeitskriterien (z.B. ISCC[3], RSPO[4] oder weiteren von der RED[1] anerkannten Zertifizierungssystemen) werden die Rohstoffe gemeinsam mit den BASF- Lieferanten auch im Hinblick auf die Nachhaltigkeit weiterentwickelt. Zu diesen Nachhaltigkeitskriterien gehören neben der Treibhausgasreduzierung auch die nachhaltige Flächennutzung, der Schutz des natürlichen Lebensraums und die soziale Nachhaltigkeit.

Nachweis und Zertifizierung
Parallel zum Massenbilanzverfahren bietet BASF ihren Kunden auch Produkte aus dedizierten Verfahren an, bei denen Biomasse fermentativ oder durch chemische Umwandlung in ein biobasiertes Produkt überführt wird (z.B. BDO, Ultramid Balance). Da diese Verfahren nur begrenzt im Produktionsmaßstab zur Verfügung stehen, können Massenbilanz-Produkte diese Ansätze ergänzen oder gar die einzige Möglichkeit zur Herstellung eines Produktes aus Biomasse sein. Dedizierte Verfahren erlauben einen qualitativen Nachweis der Herkunft des beinhaltenden Kohlenstoffes aus Biomasse im Endprodukt (14C Radiocarbon-Methode). Bei Produkten auf Basis des Massenbilanzansatzes ist dies nicht erforderlich. Es steht vielmehr die in der Produktion eingesetzte Menge nachwachsender Rohstoffe und die dadurch mögliche Einsparung fossiler Ressourcen im Vordergrund.

Für den Nachweis der Verwendung von nachhaltig produzierten Bio-Rohstoffen wurde für das Massenbilanzverfahren gemeinsam mit dem TÜV SÜD ein zuverlässiges, unabhängiges Zertifizierungssystem entwickelt. Die TÜV SÜD Industrie Service GmbH verfügt über langjährige Erfahrung auf den Gebieten der Energie- und Nachhaltigkeits-Zertifizierung. Das Zertifizierungsverfahren für Massenbilanz-Produkte beinhaltet alle Schritte zur Herstellung eines Produktes und eine Überprüfung der jährlichen Einsatzmengen an Biorohstoffen. Dies bedeutet, dass alle Einsatzstoffe, also auch die Stoffe, die nicht im Endprodukt auftauchen (z.B. Lösungsmittel), über den gesamten Produktionszeitraum anstelle von punktuellen Stichproben Berücksichtigung finden.

Durch die Kombination von Produkten aus Massenbilanz- und dedizierten Ansätzen (Abb. 2.) hat der Kunde die Möglichkeit im Sinne eines Baukastenprinzips die Vorteile für sein Endprodukt hinsichtlich verschiedenster Kriterien zu optimieren (z.B. maximale CO2-Einsparung, Einsparung fossiler Rohstoffe oder der biobasierte Gehalt  im Endprodukt).


Abb_2-185489_MassBalance_03_dtAbb. 2: Massenbilanz im Vergleich zur dedizierten Produktion
 

Erster Serieneinsatz von compoundiertem Polyamid
Als erster Kunde für compoundierte Kunststoffe der BASF hat die Kunststoffwerk AG Buchs, ein Unternehmen der Wiha Werkzeuge GmbH, den technischen Kunststoff Ultramid B3EG6 MB verarbeitet und zur Herstellung von Zollstöcken der Marke Longlife verwendet. Das hier eingesetzte Polyamid gehört zu den ersten Produkten der BASF, die auf Basis des „Mass-Balance“-Verfahrens bereits serien­mäßig eingesetzt werden (Abb. 3).
 

Abb_3-Zollstock_Ultramid_BalanceAbb. 3: Zollstock von Kunststoffwerk AG Buchs aus Ultramid B3EG6 MB
 

Nach der zertifizierten Bilanzierungsmethode werden 100% der fossilen Rohstoffe, die zur Herstellung von Ultramid B3EG6 MB nötig sind, bereits am Anfang des Produktionsprozesses durch erneuerbare Rohstoffe ersetzt. Die Abkürzung MB kennzeichnet die Berechnung über das Massenbilanzverfahren. Der zertifizierte MB-Kunststoff ist bezüglich Rezeptur und Qualität gegenüber seinem fossilen Pendant unverändert und bereits in kommerziellen Mengen erhältlich. Auch die Kunststoffwerk AG Buchs hat sich bezüglich des Einsatzes von Ultramid B3EG6 MB vom TÜV SÜD zertifizieren lassen. Damit verbunden ist die jährliche Überprüfung der gesamten Wertschöpfungskette anhand hoher Qualitätsstandards bis zum Endprodukt. Für Anbieter ebenso wie für Endkunden bedeutet das hohe Sicherheit bezüglich der Herkunft der Rohstoffe und der Nachhaltigkeit des Konzepts.
Darüber hinaus bietet die BASF im Rahmen des „Mass-Balance“-Konzepts auch Ultramid (Polyamid) für die Herstellung flexibler Verpackungsfolien oder Textilfasern an. Und auch für Superabsorber sowie Dispersionen und einige Zwischenprodukte hat der TÜV SÜD inzwischen Zertifikate ausgestellt (Abb. 4).

 

Abb-4-ULTB3EG6-UN-MBAbb. 4: Die Formulierung auf den Zertifikaten, die TÜV SÜD ausstellt, lautet „Fossile Ressourcen schonendes Produkt.
x % der fossilen Rohstoffe, die für die Herstellung dieses Produkts erforderlich sind, wurden im Produktionsstandort durch nachwachsende Rohstoffe ersetzt”. Die zusätzliche BASF-Selbstverpflichtung umfasst darüber hinaus auch die beim ­Einsatz nachwachsender ­Rohstoffe und Ersatz der fossilen Rohstoffe für dieses Produkt verminderten Treibhausgas­emissionen in ­Tonnen CO2 pro Tonne Produkt. Die Zertifikate werden bei TÜV SÜD in einer Datenbank erfasst
(http://www.tuev-sued.de)

 

Mass Balance und Polyurethane
Viele Polyurethan-Kunden der BASF stellen sich die Frage, ob es auch für ihre Produkte Alternativen auf Basis nachwachsender Rohstoffe mit den gleichen Produkteigenschaften gibt. Bei Thermoplasten wie Polyamiden (PA) stehen heute bereits dedizierte Produktvarianten auf der Basis erneuerbarer Einsatzstoffe, wie Ultramid Balance (PA 6.10) zur Verfügung, das sich teilweise von Rizinusöl ableitet. In der Vergangenheit gab es zahlreiche wissenschaftliche und kommerzielle Ansätze, Polyurethane aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Erfolgreicher waren die Ansätze auf Polyol-Seite. Dort hat man inzwischen zahlreiche kommerziell erhältliche Polyole auf Basis von Ölen oder Zuckern entwickelt. Dazu gehört  z.B. das ebenfalls auf Rizinusöl basierende Lupranol Balance der BASF. Deutlich schwerer tut man sich bei den Isocyanaten. Dort hat man noch keinen wirklichen Ansatz gefunden, die einen Massenmarkt bedienen könnten [5].

Bei vielen dedizierten aus Biomasse hergestellten Produkten ändert sich mit dem Wechsel der Rohstoffbasis auch die Chemie und damit die technische Eigenschaft des resultierenden Polyurethans. Langwierige und teure Anpassungsprozesse für den Anwender sind damit verbunden. Insbesondere bei hochwertigeren Kunststoffen können dennoch nur unter technischen Kompromissen Biokunststoffe eingesetzt werden. Weiterhin ist ein Anteil von 100% nachwachsenden Rohstoffen in der Regel nicht zu erreichen. Damit handelt es sich in diesen Fällen meist um Nischenlösungen. 
 
Mit dem Massenbilanzansatz löst BASF für PU-System und TPU-Produkte genau diese Probleme und stößt damit bei ersten PU-Kunden, die Wert auf Schonung fossiler Rohstoffe und Treibhausgasreduktion legen, auf großes Interesse. Damit ist es den Kunden erstmals möglich, Polyurethanprodukte zu produzieren, bei denen Polyol- und auch Isocyanat-Komponente unter Verwendung von Biomasse hergestellt werden. Die Produkteigenschaften bleiben unverändert, unabhängig davon, ob 25 oder 100 % der fossilen Einsatzstoffe bilanziell ersetzt werden. Ein weiterer Vorteil für die Kunden besteht darin, dass sich die Verarbeitung im bestehenden Maschinenpark ohne Umrüstung bewältigen lässt.

Zu den PU-Anwendungen, die hier in Frage kommen, zählt beispielsweise die Kühlgerätedämmung. Ein Kühlschrank besteht etwa zu einem Drittel aus Kunststoffen. Würde man nur den kompletten Polyurethandämmstoff im Kühlschrank über das Massenbilanzverfahren auf der Basis von Biomasse herstellen, so erreichte der Anteil an erneuerbaren Rohstoffen bereits 50% des Kunststoffgesamtanteils des Kühlschrankes. Durch die Ausdehnung des Ansatzes auf weitere Kunststoffkomponenten, wie z.B. thermoplastische Kunststoffe, kann der Anteil auf über 90% steigen.

Viele Kühlschrankhersteller haben bereits Unternehmensziele rund um die Themen Ressourceneffizienz und CO2-Einsparungen definiert. Zu den aktuellen Maßnahmen gehören verminderter Materialeinsatz oder Energieeinsparung bei Herstellung oder Betrieb des Kühlgerätes. Der Einsatz von Massenbilanz-Produkten der BASF, in diesem Fall des PU-Systems Elastocool, kann hier einen großen Beitrag zur CO2-Einsparung und Ressourcenschonung darstellen. Auch Büromöbelhersteller bewerten ihre Produkte nach Nachhaltigkeitskriterien. Einige bedienen sich dazu EPDs (Environmental Product Declaration), wodurch sehr schnell ermittelt werden kann, welche Auswirkungen der Ersatz von fossilen Rohstoffen durch Biomasse in der Wertschöpfungskette hat und zu welchen Veränderungen es dadurch bei den Treibhausgas-Emissionen und Ressourcennutzung kommt. Bei einem Bürostuhl, der neben Metall vor allem aus Polyamid und Polyurethankunststoffen besteht, können dann 50–60 % der Kunststoffe im Rahmen des Massenbilanzverfahrens  auf Basis erneuerbarer Materialien gestellt werden. Abb. 5 zeigt einen Bürostuhl, der noch aus fossilen Polyurethan-Rohstoffen besteht.
 

Abb_5-MOVYis3-ultramid_SI_0133Abb. 5: Während Sitzpolster und Armlehnenpolster des Bürostuhls MOVYis3 aus Polyurethan-Systemen wie zum Beispiel Elastoflex bestehen, ist der Lehnenrahmen aus dem technischen Kunststoff Ultramid (Polyamid) gefertigt.
 

Bei Polstermöbeln, Kissen und Matratzen lassen sich im Rahmen des Massenbilanz-Konzepts für die Polyurethananteile bis zu 95% der fossilen Einsatzstoffe ersetzen. Und auch der PU-System- oder TPU-Anteil im Schuh, sei es Freizeit-, Sicherheits- oder Sportschuh, Sandale oder Stiefel, könnte über die Nutzung des Massenbilanzverfahrens der BASF dazu beitragen, dass dieser Schuh die Menge an Treibhausgasen reduzieren hilft. Abhängig von der eingesetzten Elastopan-(PU-System) bzw. Elastollan-(TPU)-Type, und abhängig davon, ob es sich um Außen- und/oder Zwischensohlen handelt, lassen sich mehr als 70% der fossilen Rohstoffe der gesamten Schuhsohle im Rahmen des Massenbilanzansatzes der BASF ersetzen.

 

Abb_6-SicherheitsschuhAbb. 6: Polyurethan-Systeme der BASF finden Einsatz in den verschiedensten Arten von Schuhen.


Ausblick
Mit dem Massenbilanzverfahren bietet BASF eine Lösung für die Kundennachfrage nach Produkten auf Basis erneuerbarer Rohstoffe an, die dieselben Produkt- und Qualitätseigenschaften wie ihre fossilen Produktpendants haben. Damit erweitert BASF ihr Produktportfolio und gibt den Kunden die Möglichkeit,  bis zu 100% der fossilen durch erneuerbare Rohstoffe zu ersetzen. Die Polyurethan-Kunden der BASF haben durch den innovativen Massenbilanzansatz nicht nur die Möglichkeit, sich im Markt zu differenzieren, sondern tragen auch zur Schonung fossiler Ressourcen und  Treibhausgasreduktion bei. Dadurch leisten sie einen Betrag zu einer nachhaltigen Entwicklung. Die technische Umsetzung bei BASF ist vollzogen und erste Produkte stehen in fast allen Branchen zur Verfügung. Nun muss der Markt zeigen, wie schnell und in welchen Größenordnungen sich dieser innovative Ansatz für die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen in der Polyurethanherstellung wie auch in der gesamten chemischen Industrie etablieren kann.


1) RED: EU Renewable Energy Directive (Erneuerbare Energien Direktive), http://ec.europa.eu/energy/renewables/biofuels/sustainability_schemes_de.htm

2) Explanatory Document for the Generic Fairtrade Trade Standard Page 7, October 2011 (http://www.fairtrade.net/fileadmin/user_upload/content/2009/standards/documents/2011-11-02_Explan_Doc_GTS_EN.pdf  April 2014)
3) ISCC: International Sustainability & Carbon Certificate, ­
http://www.iscc-system.org/
4) RSPO: Round table on sustainable palm oil, http://www.rspo.org/
5) Nohra, Candy, Blanco, Guerin, Raoul, Mouloungui, Macromolecules 2013, 46, 3771–3792, Desroches, Escouvois, Auvergne, Caillol, Boutevin, Polymer Reviews, 52: 38–79, 2012

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