Biobasierte Recyclingwerkstoffe

Die Bauindustrie erzeugt große Mengen an Abfall, weshalb eine große Nachfrage nach erneuerbaren Baumaterialien besteht, die auf breiter und innovativer Basis in der Architektur eingesetzt werden können. Ziel ist es, die auf den heutigen Märkten verwendeten Materialien durch unkonventionelle, biobasierte und recycelte Baustoffe zu ersetzen, die in Preis und Qualität identisch oder vergleichbar sind. Das Themenfeld Biobasierte Recyclingwerkstoffe gibt anhand eines Beispiels für einen biobasierten Verbundwerkstoff namens BioFlexi einen Einblick in die Architektur solcher nachhaltigen Lösungen.

Das bietet WiTra für die Umsetzung von biobasierten Recyclingwerkstoffen

  • Lernen Sie mehr über konventionelle und Bio-Polymere.
  • Erfahren Sie, ob und in welchen Bereichen Bio-Polymere nachhaltiger sind als konventionelle Polymere.
  • Entdecken Sie mögliche Anwendungsfelder für Bio-Polymere.

Bio-Polymere in der Bauindustrie

Aufgrund der großen Abfallmengen, die in der Bauindustrie anfallen, ist es von zentraler Bedeutung, erneuerbare Baumaterialien zu entwickeln, die durch innovative Methoden in der Architektur eingesetzt werden können [Dahy 2019a]. Eines der Materialien mit dem höchsten Potenzial in diesem Bereich sind naturfaserverstärkte Polymere (NFRP), die auch als Biokomposite bezeichnet werden und mit jährlich nachwachsenden Lignozellulosefasern gefüllt oder verstärkt werden. Biobasierte Verbundwerkstoffe haben als Material aufgrund ihrer Verfügbarkeit, Erneuerbarkeit und der umweltfreundlichen Eigenschaften für neue Anwendungen in der Bauindustrie an Attraktivität gewonnen.

Der Einsatz biobasierter Verbundwerkstoffe in der Architektur steigt, die Vergleichbarkeit hinsichtlich der Nachhaltigkeit zu den Standardprodukten ist aber oftmals unzureichend untersucht [Venkatachalam et al. 2018]. Wir wollen Ihnen die Vergleichbarkeit auf unterschiedlichen Ebenen vorstellen.

Deshalb überführen wir die wissenschaftlichen Erkenntnisse hier am Beispiel des Materials Bioflexi – entwickelt von BioMAT – in allgemeine Erkenntnisse zur Nachhaltigkeit biobasierter Recyclingstoffe für Ihr Unternehmen.

System und technische Details

Die Auswahl an unterschiedlichen Systemen biobasierter Recyclingwerkstoffe ist vielfältig. In diesem Bereich analysieren wir das konventionelle Polymermaterial auf Polyurethanbasis (als Referenz bezeichnet) und vergleichen es mit dem biobasierten Verbundwerkstoff BioFlexi. Beide Materialien werden in der Anwendung als Bodenbelag für Sporthallen analysiert. Als funktionelle Einheit wird ein Quadratmeter Bodenbelagsmaterial gewählt. Die Lebensdauer ist mit 20 Jahren definiert und es wird kein Unterschied in der Pflege berücksichtigt [Horn et al. 2018].


In der Nachhaltigkeitsanalyse werden für den Lebenszyklus (von der Herstellung, Nutzung bis zum Lebensende) des Bodenbelags aus BioFlexi vier verschiedene Szenarien untersucht. Im ersten Szenario wird das Material BioFlexi recycelt und für den gesamten Lebenszyklus ein deutscher Strom-Mix angenommen. Für das zweite energetisch optimierte Szenario wird dieser Strom-Mix durch Ökostrom für das recycelte Material BioFlexi ersetzt. Im dritten Szenario wird das Material BioFlexi am Lebensende kompostiert und für dessen gesamten Lebenszyklus ein deutscher Strom-Mix angenommen. Im vierten Szenario wird beim kompostierten BioFlexi dieser Strom-Mix durch Ökostrom ersetzt.

Im Rahmen der Nachhaltigkeitsanalyse werden für den Lebenszyklus (von der Herstellung, Nutzung bis zum Lebensende) des Bodenbelages aus Polyurethan zwei verschiedene Szenarien untersucht. Im ersten Szenario wird für den gesamten Lebenszyklus des Materials ein deutscher Strom-Mix angenommen. In einem energetisch optimierten Szenario wird dieser Strom-Mix durch Ökostrom ersetzt.

Nachhaltigkeitsanalyse

In diesem Dashboard wird die Nachhaltigkeit in den drei Dimensionen Gesellschaft, Umwelt und Ökonomie der untersuchten Produkte dargestellt. Als Referenz dient ein konventionelles Polymer [Technisches Datenblatt], welches mit einem biobasierten Verbundwerkstoff [Technisches Datenblatt] verglichen wird. Über die Auswahl eines oder mehrerer Materialien im Dashboard können Sie direkte Vergleiche unterschiedlicher Materialalternativen betrachten. Die Daten und die Methode stammen aus der Studie von Horn et al. (2018).

Die Bewertung von BioFlexi erfolgt auf der Grundlage eines Modells, das in Analogie zum Sachbilanzmodell der Ökobilanz erstellt wurde. Für die Modellierung wurde die Ökobilanz-Software GaBi verwendet. In Analogie zur Ökobilanz werden das Ziel und der Untersuchungsrahmen definiert. Ziel der Bewertung ist es, die Nachhaltigkeit von BioFlexi in einer Anwendung für Sportstättenböden im Vergleich zu einem konventionellen Referenzsystem zu untersuchen, für das ein Bodenbelag auf Polyurethanbasis ausgewählt wurde.

Ziel und Untersuchungsrahmen

Als funktionelle Einheit wird ein Quadratmeter Bodenbelag gewählt. Da der Aufbau für beide Systeme als ähnlich angenommen wird, beschränkt sich der Vergleich auf die Deckschichtmaterialien, die auch die Grundfunktionen Stoßdämpfung und Dämpfung in vergleichbarer Weise erfüllen. Die Lebensdauer wird mit 20 Jahren definiert, wobei kein Unterschied in der Instandhaltung berücksichtigt wird. Die technische Charakterisierung wurde unter Verwendung von Primärdaten, die von den Herstellern zur Verfügung gestellt wurden, in ein Lebenszyklus-Inventarisierungsmodell übertragen. Da die Technologie zwei Lebenszyklusoptionen bietet, wurden zwei verschiedene Szenarien modelliert (kompostiert und recycelt).

Zusätzlich zu der Studie von Horn et al. (2018) wurden für alle Materialien energetisch optimierte Szenarien modelliert, indem in allen Lebenszyklusphasen Ökostrom verwendet wird. Für die Recycling-Option wurde ein Zerkleinerungsverfahren angewandt, um die Rückführung des Recyclats vor dem Extrusionsprozess zu erleichtern. Der maximale Anteil an Recyclingmaterial wurde in Abstimmung mit dem Hersteller auf 20 Prozent festgelegt. Für die Kompostierungsoption wurde ein industrielles Kompostieranlagenmodell gewählt, um die entsprechende Materialzersetzungsrate in der realen Anwendung abzuschätzen. Da grobes Material entfernt wird, das aufgrund seiner kleinen Oberfläche eine relativ geringe Zersetzungsrate aufweist, wird auch hier ein Zerkleinerungsprozess angenommen. Für die übrigen Materialien wird eine thermische Verwertung angenommen, wobei ein dynamischer Energiemix zur Berechnung des Nutzens über die Systemgrenze hinaus verwendet wird. Das Modell dient als Grundlage für die Durchführung einer Nachhaltigkeitsanalyse nach der beschriebenen Bewertungsstruktur.

Die drei Dimensionen der Nachhaltigkeit

Für die Nachhaltigkeitsanalyse werden die Auswirkungen in allen Lebenszyklusphasen der Materialien (BioFlexi und Referenz) für alle drei Dimensionen (Umwelt, Gesellschaft, Wirtschaft) anhand verschiedener Indikatoren untersucht. Dazu werden Indikatoren wie z. B. Klimaänderung, Eutrophierung oder Ozonabbau verwendet, die mit Hilfe von Normalisierungs- und Gewichtungsfaktoren zu einem Wert pro Schutzgut zusammengefasst werden. Für jede Dimension gibt es zwei Schutzgüter, die dann zu einem Kennwert pro Dimension zusammengefasst werden. In einem letzten Schritt können die Werte der drei Dimensionen zu einem Nachhaltigkeitswert kombiniert werden, um die Gesamtnachhaltigkeit des Materials bewertbar zu machen.

Für die ökonomische Bewertung wird ein vereinfachter Ansatz gewählt, da BioFlexi noch ein Produkt in der Entwicklung ist und viele nicht-materielle Informationen noch nicht verfügbar sind. Die ökonomische Dimension setzt sich aus fixen und variablen Kosten zusammen. Die ökologische Dimension besteht aus den Schutzgütern biophysikalisches System und Rohstoffe. Die gesellschaftliche Dimension setzt sich aus den Schutzgütern Verwirklichung und Gesundheit zusammen. Die Schutzgüter werden aus einzelnen Indikatoren berechnet, die im Dashboard angezeigt werden.

Im Gegensatz zur Studie von Horn et al. (2018) gewichtet dieses Dashboard die einzelnen Schutzgüter bei der Aggregation zu einem Wert pro Nachhaltigkeitsdimension nicht, sondern fasst sie als Durchschnittswert zusammen [übersetzt und verändert aus Horn et al. 2018].

In dieser Studie finden Sie eine genaue Beschreibung der Daten für die einzelnen Materialszenarien.

Entwickeln Sie mit uns interaktive Visualisierungen passend für die individuellen Aufgaben und Rollen in Ihrem Unternehmen.

Kernergebnisse

Der biobasierte und biologisch abbaubare Verbundwerkstoff BioFlexi scheint in Bezug auf Nachhaltigkeit mit seiner konventionellen, fossil-basierten Referenz in der Anwendung konkurrieren zu können.
Das recycelte BioFlexi-Szenario bietet sowohl im Vergleich zum Referenzsystem als auch zum kompostierten BioFlexi-Szenario Verbesserungen der ökologischen und sozialen Dimensionen [Horn et al. 2018].

Die Verwendung biobasierter Recyclingwerkstoffe trägt zur Kreislaufschließung von Stoffströmen bei.
Am Lebensende des Materials kann die Faserplatte entweder recycelt oder kompostiert werden. Durch diese Verwertung kann Müll zweifach vermieden werden [Dahy 2019b].

In der sozialen Dimension wurden die größten Potenziale zur Verringerung von negativen Auswirkungen durch BioFlexi festgestellt.
Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die BioFlexi-Produktion einschließlich der vorgelagerten Materialkette hauptsächlich in Deutschland stattfindet, während das fossile Referenzprodukt einen erheblichen Anteil der Arbeit mit einem höheren Risiko vor allem in den rohstofffördernden Ländern beinhaltet [Horn et al. 2018].

Bio-inspirierte Produkte sind jedoch nicht per se nachhaltig.
Eine Methode zur Analyse von Bio-Inspiration und Nachhaltigkeit kann Optimierungspotenziale bei der Produktentwicklung aufzeigen [Horn et al. 2018].

Der Nachweis der Anwendung der Biokomposite in architektonischen und konstruktiven Systemen erfolgt.
Verschiedene Anwendungen von biobasierten Materialien sind möglich. Dazu gehören Bodenbeläge und Fassadensysteme, Möbelanwendungen sowie tragende Elemente in Tragsystemen [Dahy 2019a].

Anwendungen

BioFlexi und weitere biobasierte Materialien und Recyclingwerkstoffe finden bereits eine breite Anwendung in der Architektur. Eine Auswahl dieser Anwendungen finden Sie in den Abbildungen unten. Wenn Sie auf den Link im Foto klicken, werden Sie zu einer externen Homepage mit weiteren Informationen weitergeleitet. 

Fotos: © BioMat am itke/Universität Stuttgart

Patent: Dahy, H.; Knippers, J. »Flexible high-density fibreboards and method for manufacturing the same (2018).«
Angemeldet als
  –  European Patent (No. EP 14 002 343.3), EP 2 965 882 B1, EP2965882 A1
  –  international Patent (WO2016005026A1)
  –  American US20170144327

Das Produkt Bioflexi ist seit Juni 2019 als Marktname registriert.

Bezug zu den Zielen für eine nachhaltige Entwicklung

Durch seine Nachhaltigkeitspotenziale adressieren innovative, biobasierte Recyclingwerkstoffe, wie BioFlexi, direkt oder indirekt folgende Ziele für eine nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals – SDGs). Dieser Bezug basiert auf einer qualitativen Zuordnung der Autor*innen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

United Nations Sustainable Development – 17 Goals to Transform Our World

Wollen Sie mehr erfahren?

Falls Sie gerne andere Materialien und Konstruktionsarten hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeitsauswirkungen vergleichen möchten, Interesse an biobasierten Recyclingwerkstoffen haben oder eigene Forschungsfragen mit uns diskutieren möchten, melden Sie sich gerne bei unseren Ansprechpartner*innen.

Für weitere Informationen zu verschiedensten Themen rund um Nachhaltigkeit finden Sie hier eine Weiterleitung auf die Webseite des Fraunhofer IBP, Abteilung Ganzheitliche Bilanzierung. Interessieren Sie sich für Themen rund um innovative Materialien und Design, besuchen Sie die Webseite des BioMat oder die Webseite von Juniorprofessorin Dahy.

Unsere Partner