„Der Klima­schutz ist die größte Heraus­for­derung des 21. Jahrhun­derts.“

- Angela Merkel | Bundeskanzlerin, 2007


Abutilon – Faser­nutzung

Notwendiger Wandel – Die Bedeutung nachwachsender Rohstoffe

Der Klimawandel ist nicht mehr nur eine düstere Zukunftsvision. Wir alle bekommen die Auswirkungen inzwischen täglich zu spüren: Seit Beginn der Wetteraufzeichnungen hat sich die Erde im Mittel um knapp 0,85 Grad Celsius erwärmt. Der Kohlendioxid-Gehalt in der Atmosphäre ist seit der Industrialisierung um mehr als 40 Prozent gestiegen und auch der Meeresspiegel steigt bedrohlich – 21cm zwischen 1880 bis 2009. Grund für den Klimawandel ist die intensive Nutzung von fossilen Rohstoffen. Sie haben die industrielle Revolution und damit unseren modernen Lebensstandard ermöglicht. Doch nicht nur Industrie und Mobilität basieren auf fossilen Rohstoffen. Viele Produkte des täglichen Gebrauchs, von Kosmetika über Medikamente bis hin zu Farben und Kunststoffen, werden auf Erdölbasis hergestellt. Der hohe Verbrauch belastet nicht alleine das Klima: Erdöl und Erdgas werden in den kommenden Jahrzehnten immer knapper. Um den Klimawandel zu bekämpfen und vor der Verknappung gewappnet zu sein, ist also ein Umdenken erforderlich. Die biobasierte Wirtschaft ist eine Lösung. „Auf Dauer kann nichts ökonomisch und sozial erfolgreich sein, was ökologisch schädlich ist.“, sagte zuletzt Anton Hofreiter, Fraktionschef der Grünen. Um den Kohlendioxid-Ausstoß zu senken, müssen demnach auch fossile Kunststoffe durch nachwachsende ersetzt werden. Hier setzt die Forschung der Technischen Hochschule Bingen an: Mit dem Projekt Abutilon.

Abutilon – Natur­stoffe für den Fahrzeu­gin­nenraum

Das Projekt

Der Name ist Programm: Abutilon ist ein nach der Schönmalve (Abutilon theophrasti) benanntes interdisziplinäres Forschungsprojekt der Technischen Hochschule Bingen. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von biogenen Kunststoffen als Alternative zu erdölbasierten Werkstoffen für die Automobilindustrie. Seit einiger Zeit ist hier eine Trendwende hin zu Werkstoffen aus Naturfasern zu erkennen. Denn die Kunden interessieren sich zunehmend für klimaschonende Fahrzeuge. Für die CO2 Bilanz eines Fahrzeugs ist aber nicht nur dessen Verbrauch ausschlaggebend, sondern auch die Fertigung. Allein bei der Produktion eines herkömmlichen Autos fallen rund vier Tonnen CO2 an. Deshalb werden in modernen Autos vermehrt Naturfasern eingesetzt. Doch im Gegensatz zu den etablierten Pflanzen Kenaf und Hanf, bilden die einheimischen Pflanzen Schönmalve und Leindotter die Grundlage der Forschung an der TH Bingen. Unter der Verantwortung der Professoren Dr. Jan Petersen und Dr. Oliver Türk wird die ganzheitliche Nutzung der beiden Pflanzen für Automobilinnenraumteile angestrebt. „Der Charme der Abutilon Pflanze ist, dass man nicht nur die Fasern nutzen kann, sondern auch die Frucht. Daraus können wir ein Öl gewinnen, um die Kunststoffmatrix herzustellen. Das heißt in dem Projekt liefert uns die Pflanze alles was wir brauchen: Nicht nur die Faser, nicht nur das Öl, sondern idealerweise beides“, betont Professor Dr. Türk.

"Wir sagen: Lasst uns die Reststoffe doch verbrennen!"


Daneben spielt die Ganzheitlichkeit der biogenen Werkstoffe eine wesentliche Rolle. Wird eine nachwachsende Pflanze für die Produktion von Innenraumteilen von Automobilen genutzt, beispielsweise Türinnenverkleidung, Hutablage und Kofferraumboden, kann sie an ihrem stofflichen Lebensende energetisch genutzt werden. „Wir sagen: Lasst uns die Reststoffe doch verbrennen! Wenn ein Innenraumteil 15 Jahre im Auto rumgefahren ist, hat es seine stoffliche Aufgabe erfüllt und kann einer energetischen Nutzung zugeführt werden. Das ist in erster Näherung dann CO2 bilanziell neutral, denn es wird nur so viel Kohlendioxid freigesetzt, wie die zugrundeliegenden Pflanzen während des Wachstums gebunden haben“, erklärt Prof. Türk den Ansatz.

Vorteile nachwachsender Rohstoffe

Jeder zehnte Liter Erdöl wird als Basis für industrielle Produkte verwendet. Indem man fossile Rohstoffe durch nachwachsende ersetzt, kann man den Verbrauch wesentlich reduzieren und trägt so zum Klimaschutz bei. Denn bei der energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe werden deutlich weniger Treibhausgase freigesetzt. Produkte daraus sind oftmals weniger (öko-) toxisch und ihre Herstellung weniger energieaufwändig. Ein weiterer Aspekt ist die Endlichkeit der Erdölvorkommen. Besonders ein eher rohstoffarmes Land wie Deutschland profitiert von dem Umdenken in der Industrie und der Förderung alternativer Rohstoffquellen.  

Noch ist die Anbaufläche für Industriepflanzen gering. Gerade mal 400.000 Hektar, das entspricht rund drei Prozent der Agrarfläche in Deutschland, werden hierfür genutzt. Dabei liegen darin bedeutende Wachstumschancen. Wenn die heimische Land- und Forstwirtschaft die Rohstoffpflanzen nicht nur erzeugt, sondern auch weiterverarbeitet und verbraucht, bleibt die gesamte Wertschöpfungskette im Land und schafft neue Arbeitsplätze. Insbesondere für den ländlichen oder strukturschwachen Raum bietet das ungeheure Potenziale. Allerdings, betont Professor Dr. Türk, müsse dabei unbedingt eine Nahrungsmittelkonkurrenz vermieden werden.

Rohstoffe in der biogenen Werkstatt

„Sie wächst auf heimischen Böden, muss also nicht um den halben Globus geschifft werden.“

Die Zielsetzung

„Die ganzheitliche Nutzung einer Pflanze für Faser und Kunststoffmatrix, die auf nicht extensiv bewirtschafteten Böden - salopp ausgedrückt, schlechten Böden wächst - um Nahrungsmittelkonkurrenz zu vermeiden“ – so fasst der Projektverantwortliche Professor Oliver Türk die Zielsetzung des Projektes zusammen. Denn anders als sogenannte naturfaserverstärkte Kunststoffe, die meist eine Kombination aus Naturfasern mit traditionellen erdölbasierten Kunststoffen sind, soll Abutilon möglichst vollständig auf Basis nachwachsender Rohstoffe aus heimischer Produktion gefertigt werden.        

Das Vorgehen

Das Team der Fachbereiche Biogene Werkstatt und Agrarwirtschaft befasst sich zunächst intensiv mit den verschiedenen Anbaumethoden der Pflanzen. In drei Feldversuchen werden die Auswirkungen von Düngung, Reihenabstand und Saatstärke auf die Ölqualität der Samen, insbesondere das Fettsäurespektrum, untersucht. Anschließend wird das Öl aus den Samen gewonnen, um, gereinigt und chemisch weiterverarbeitet, ein Bindemittel zu erhalten. Aus den händisch gewonnen Fasern wird unterdessen von einem externen Textilforschungsunternehmen Faserhalbzeug hergestellt. Aus diesem Vlies und dem Bindemittel entsteht dann ein Formteil, ein sogenanntes Biokomposit, das auf seine Einsatzmöglichkeiten im Innenraum eines Fahrzeugs getestet werden muss. „Eine große Herausforderung ist die Feuchtigkeitsbeständigkeit. Es wäre schlecht, wenn das Bauteil aufquillt oder die Form und Stabilität verliert. Wir müssen gewisse Festigkeitswerte erreichen, um im Automobil zugelassen zu werden“, erklärt Professor Türk. Wie es dann mit dem neuen Bioverbundwerkstoff weitergeht, ist auch für Professor Türk absolut spannend, denn „erstmal ist das angewandte Forschung. Es geht darum, die Werkstoffe in ihren Grundlagen kennenzulernen. Und wenn rauskommt, dass durch die relativ geringe Anzahl an Doppelbindungen, die das Abutilon-Öl mit sich bringt, sich die Werkstoffeigenschaften fundamental ändern – also nichts Hartes, Biegesteifes dabei herauskommt, dann bin ich persönlich auch sehr neugierig und offen dafür, dass aus Abutilon etwas mit Elastomer-Charakter, plakativ Schuhsohlen, wird.“

In einem letzten Schritt sollen die bei der Herstellung anfallenden Reststoffe auf ihre Eignung zur energetischen und stofflichen Verwertung geprüft werden.

Die Rohstoffe: Schönmalve und Leindotter

Abutilon theophrasti – die Schönmalve – wurde schon im 18. Jahrhundert als Faserpflanze nach Deutschland eingeführt, geriet dann aber in Vergessenheit. Nun ist sie wieder auf dem Vormarsch als Industriepflanze. Ihr Vorteil: „Sie wächst auf heimischen Böden, muss also nicht um den halben Globus geschifft werden“, schwärmt der am Projekt beteiligte Doktorand Urs Brand.

Kenaf als Naturfaser hingegen ist gleich mehrfach problematisch. Die Pflanze stammt aus Bangladesch, hier vorherrschende Witterungsextreme führen zu Unsicherheiten in der Produktion und Schwankungen der Faserqualitäten. Die Ausweitung des Anbaus von Faserpflanzen in Ländern der Dritten Welt verstärkt zudem die Ernährungsprobleme der Bevölkerung.

Außerdem ist die Schönmalve eine eher anspruchslose Alternative. Sie gedeiht auf nährstoffarmen Böden, „wo kein Landwirt auf die Idee käme mit einer ökonomischen Gewinnerzielungsabsicht Nahrungsmittel anzubauen“, erklärt Professor Oliver Türk. Somit tritt sie nicht in Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau.

Auch der als Bindemittel verwendete Leindotter wächst auf schlechten Böden und tritt anders als Sonnenblumenöl oder Rapsöl nicht in Nahrungsmittelkonkurrenz.

Entwicklungsstand

Das Forscherteam arbeitet seit Januar 2015 an der Entwicklung des neuen Faserverbundwerkstoffs. Aktuell sind erste Feldversuche mit den Pflanzen Abutilon und Leindotter abgeschlossen. In Schnelltests wurden die Samen der Pflanzen hinsichtlich Ölqualität bei Veränderungen der Anbaubedingungen untersucht. Hier zeigte sich, dass Faktoren wie Düngung oder Saatstärke keinen Einfluss auf das Fettsäurespektrum haben. Jedoch müssen noch weitere Feldversuche folgen, um abschließende Aussagen zu treffen.

Das Öl aus dem Samen der Schönmalve und des Leindotters wurde mit Hilfe einer Ölpresse gewonnen und gereinigt. „Wir müssen das Öl nun noch fertig charakterisieren. Es gibt bestimmte Parameter, um eine Aussage über die Qualität zu treffen. Damit sind wir zu 4/5 fertig. Parallel fangen wir mit dem nächsten großen Schritt an – das Öl chemisch zu verändern“, erklärt Doktorand Urs Brand. Durch diese chemische Veränderung kann das Öl seine Funktion als Bindemittel erfüllen und mit Härtern reagieren, um einen festen Werkstoff zu erhalten.

„Aber den VW Golf können wir nicht gleich damit ausstatten.“

 

Gleichzeitig müssen nach der ersten Ernte die Fasern der Abutilon Pflanze gewonnen werden. „In so einem Forschungsprojekt ist das eine hochgradig händische Angelegenheit. Wir werden die Fasern entweder per Hand abtrennen oder frisch geerntet kann man das auch mit einem Hochdruckreiniger machen“, erklärt Professor Türk den aufwendigen Prozess. „Aber den VW Golf können wir nicht gleich damit ausstatten.“ Erst wenn diese Arbeitsschritte abgeschlossen sind, kann das Faserhalbzeug hergestellt und anschließend das Biokomposit gefertigt werden.

Forschung und Politik

Das Abutilon-Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms „Forschung an Fachhochschulen“ gefördert. Knapp 600.000 Euro erhielt das Team für sein nachhaltiges Projekt, in dem zwei Doktoranden eingebunden sind. Für Urs Brand, der im Bereich Biogene Werkstoffe promoviert, ist die Förderung durch den Bund ein großer Motivator: „Wenn man sieht, dass auf höchster Ebene darüber nachgedacht wird und dass sie unser Projekt als förderungswürdig empfinden, zeigt das, dass in diesem Bereich Interesse besteht und dass die Ideen, die man in den Antrag schreibt, Gefallen finden.“ Das BMBF will mit dem Förderprogramm forschungsstarke Nachwuchsteams an Fachhochschulen etablieren und unterstützen. Das ist wichtig, denn oft fehlen die nötigen Gelder für arbeitsintensive Forschungsprojekte. „Es ist absolut wichtig Drittmittel einzuwerben, damit wir kontinuierlich Leute wie Herr Brand beschäftigen können. Über die Hochschule selbst, über die Stellen die einem zur Verfügung stehen, ist das leider nicht möglich“, unterstreicht Professor Türk die Bedeutung der Förderung. Doch noch eine weiterer Aspekt ist von Bedeutung: „Das ist toll für die Reputation. Ein solches Forschungsprojekt, das man dann auch auf Messen oder Tagungen mit Vorträgen vorstellen kann, ist für die Außenwirkung eminent wichtig.“


Projektverantwortliche
  • Prof. Dr. Oliver Türk , Nachwachsende Rohstoffe, Biobrennstoffe, industrielle Biotechnik
  • Prof. Dr. Jan Petersen , Acker- und Pflanzenbau
  • M.Sc. Maria Scheliga
Beteiligte Disziplinen

Projekte erarbeiten und Ideen umsetzen.

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