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Neue Werkstoffe

Bauer schlägt Sultan

| Redakteur: Jens Badstübner

Als die OPEC Anfang der siebziger Jahre den Ölhahn zudrehte, lag mit einem Schlag die Weltwirtschaft lahm. Damals machte zum ersten Mal das Schreckgespenst die Runde, dass die Erdölressourcen

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Als die OPEC Anfang der siebziger Jahre den Ölhahn zudrehte, lag mit einem Schlag die Weltwirtschaft lahm. Damals machte zum ersten Mal das Schreckgespenst die Runde, dass die Erdölressourcen irgendwann aufgebraucht sind. Zunächst breitete sich Angst aus, die sich zum Glück relativ schnell in die fieberhafte Suche nach beispielsweise neuen Energiequellen, alternativen Treibstoffen oder Biokunststoffen umwandelte, um die westliche Welt so weit wie möglich unabhängig vom schwarzen Gold zu machen.

Das klappte nicht immer, aber einige Alternativen wurden gefunden. Bei der Kernenergie und bei regenerativen Energiequellen funktionierte sogar die Umsetzung recht schnell. Die alternativen Treibstoffe wie Pflanzenöl und Biodiesel mussten hingegen noch 25 Jahre warten, ehe Ende der neunziger Jahre mit steigendem Ölpreis auch für sie der Durchbruch kam. Bliebe noch die bereits 1975 errichtete Biokunststoffproduktion in England. Sie schloss im Jahr 2000 mangels Erfolg. Schade, denn der erneute Höhenflug des Ölpreises könnte nach über 30 Jahren auch den Biokunststoffen zum endgültigen Durchbruch verhelfen. Denn mit dem Rekordhoch des Ölpreises von 78,64 Dollar pro Barrel am 7. August 2006 ist die Angst vor der finale Ölkrise in die Köpfe zurückgekehrt. Daran ändert auch der mittlerweile wieder gesunkene Ölpreis nichts, denn ein Barrel Rohöl kostet etwa fünfmal so viel wie 1973 und die Drosselung der Ölfördermengen vom 1. November 2006 könnte das Werkstoffgemenge im Automobilbau nachhaltig verändern.

„Mit den Rohölpreisen haben auch die Granulatpreise kräftig angezogen und Polypropylen (PP) verteuerte sich beispielsweise zwischen 2002 und 2005 nahezu proportional zum Ölpreis um 100 Prozent“, weiß Andreas Gräf, Berater bei A.T. Kearny. Für ihn ist klar, „dass mit steigendem Ölpreis Alternativen für die Automobilindustrie bei den Standardkunststoffen immer interessanter werden.“ Er will damit keine Angst schüren, denn die Alternativen stehen bereit, allerdings müssen sich die mittelständischen Zulieferer im Kunststoffsektor heute schon überlegen, „ob sie in Zukunft nur auf reines Plastik setzen oder das Produktportfolio nicht erweitern müssen“, rät Gräf.

Die erste Alternative bei steigenden Kunststoffpreisen sind Naturfasern wie Flachs, Hanf, Kenaf usw., die sich als Faserverstärkungen in Verbundwerkstoffen eignen und damit einen Ausweg aus der Preisspirale für erdölbasierte Rohstoffe bieten. Naturfasern können die in der Herstellung sehr energieintensiven Glasfasern ersetzen und gleichzeitig genutzt werden, um den Kunststoffanteil der am häufigsten verwendeten Matrixkunststoffe Polypropylen (PP) und Polyurethan (PU) zu senken. Anwendungsbeispiele dafür finden sich in Türinnenverkleidungen, Teppichmodulen und Hutablagen in nahezu allen Fahrzeugen der Mittel- und Oberklasse. Das Nova-Institut in Hürth prognostiziert, dass in diesem Jahr insgesamt rund 160 000 Tonnen nachwachsende Rohstoffe im Automobilbau in Deutschland eingesetzt werden. Davon entfallen etwa 47 000 Tonnen auf die so genannten naturfaserverstärkten Kunststoffe (NFK).

Ford verwendet nach eigenen Angaben in seinen europäischen Fahrzeugmodellen bereits über 290 Bauteile aus nachwachsenden Rohstoffen mit einem Gesamtgewicht von 27 000 Tonnen. Volkswagen ersetzt schon in verschiedenen Baureihen die erdölbasierten Polyurethanschäume in den Teppichmodulen der Bodendämpfung durch so genannte Faserabsorber, die der Wittener Lieferant HP Pelzer im Faserflockverfahren aus recycelten Baumwolltextilfasern herstellt. Beim VW Fox aus brasilianischer Fertigung finden sich die exotische Ananasfaser Curauá als Bestandteil des Dachhimmels und Sisalfasern im Schiebedachüberzug. DaimlerChrysler setzt neben Flachs, Hanf, Sisal und Kokos im Innenraum als einziger Hersteller Naturfasern auch im Exterieur ein. Die vom Lieferanten Rieter im Faserformverfahren hergestellte Reserveradmulde der Mercedes A-Klasse enthält knapp 25 Gewichtsprozent Abaca-Bananen-Fasern von der Philippineninsel Leyte. Und im 7er BMW sind rund 24 kg nachwachsende Rohstoffe verbaut, davon 13 kg Naturfasern in den Türverkleidungen und in den Schallisolierungen. Insgesamt benötigte BMW im Jahr 2005 über 10 000 Tonnen Naturfasern für die Fahrzeugproduktion.

Für Bernd-Uwe Wulf, Manager Center‘s of Excellence Products and Materials bei Rieter Automotive Systems in Winterthur, ist das erst der Anfang. Er sieht in diesen Projekten nämlich die Bestätigung dafür, dass es heute möglich ist, nachwachsende Rohstoffe unter Ausschluss ideeller Gesichtspunkte nur aus kommerziellen und technischen Gründen unter dem Preisdruck der Automobilindustrie einzusetzen. „Den Funken muss man jetzt aufnehmen“, fordert Wulf.

Eine fossile PP-Matrix enthalten die NFK-Werkstoffe nämlich noch, damit sind sie weiter vom Erdöl abhängig. Das könnte sich allerdings ändern, wenn die Preise für erdölbasierte Rohstoffe wieder anziehen und dadurch Entwicklungsgelder freisetzen. Dr. Willy Hoven-Nievelstein, Geschäftsführer technische Kunststoffe bei der BASF, zerstreut im Interview auf Seite 39 zwar die Befürchtung, dass der Rohölpreis kurzfristig anzieht, jedoch glaubt auch er nicht an dauerhaft sinkende Ölpreise.

In das Geschäft mit Naturfasern will die BASF trotzdem nicht einsteigen, denn diese verwässern laut Hoven-Nievelstein nur die teure Matrix und damit die Eigenschaften von technischen Kunststoffen, wie sie beispielsweise der Einsatz als Zylinderkopfhaube im Motorraum erfordert. Die BASF-Zukunftsforschung konzentriert sich vielmehr auf die Umstellung der Basislinien und Grundchemie von fossilem Erdöl und Erdgas auf Cellulose, Zucker und Stärke. Das heißt Kohlenstoffaufschluss aus Biomasse und großtechnische Herstellung von Biokunststoffen – auch als Ersatz für die PP- oder PUR-Matrix in NFK-Werkstoffen.

Die Erforschung von Biokunststoffen begann während der ersten Ölkrise in den siebziger Jahren. Heute gibt es im Wesentlichen drei biobasierte Kunststofftypen am Markt: Stärkewerkstoffe, Polymilchsäure (PLA, Polyester) und Cellulosewerkstoffe. Der augenblicklich wichtigste Biokunststoff ist das durchsichtige PLA. Es lässt sich wahlweise schnell biologisch abbaubar oder auch jahrelang funktionsfähig einstellen und eignet sich damit für kurzlebige Verpackungsfolien oder Tiefziehprodukte (Getränke- oder Joghurtbecher) genauso wie für Anwendungen im Automobilbau, allerdings nur bis zu seinem Erweichungspunkt bei etwa 60 °C. 2005 gab es weltweit Kapazitäten für rund 300 000 Jahrestonnen Biokunststoffe, davon stammen allein 140 000 Tonnen vom weltweit größten US-amerikanischen Produzenten Nature Works.

Als aussichtsreichen vierten Typ kann man die durch biologische Prozesse erzeugten Polyhydroxyfettsäuren (PHB) hinzurechnen, die dem petrochemisch erzeugten PP sehr ähnlich sind. PHB ist biologisch abbaubar, hat einen Schmelzpunkt von über 130 °C und bildet klare Filme. Weltweit wollen zahlreiche Firmen in die PHB-Produktion einsteigen und Preise von unter 5 Euro/kg realisieren.

BASF hat Ende vergangenen Jahres so genannte Wachstumscluster definiert und will mit 520 Millionen Euro die Rohstoffforschung bis 2008 vorantreiben. Besondere Hoffnungen setzt das Unternehmen in ein Verfahren, mit dem sich biologische Kunststoffe Polyhydroxybutyrat (PHB) chemisch aus Cellulose herstellen lassen. Trotzdem sieht Hoven-Nievelstein die Forschung noch in den Kinderschuhen stecken und prognostiziert mindestens 25 Jahre, ehe die Substitution von fossilen Kunststoffen im anspruchsvollen Automobilbau auf breiter Front einsetzen könnte. „Um die Technologie zu erproben oder als Vermarktungswerkzeug eines Automobilherstellers werden einzelne Biokunststoffteile aber schon deutlich früher in Serie gehen“, sagt Hoven-Nievelstein.

Noch konkreter wird Bernd-Uwe Wulf von Rieter, der das Thema Biokunststoffe schon im mittelfristigen Horizont von etwa drei Jahren auf der Agenda der Automobilindustrie sieht. „In die Entwicklung dieser Werkstoffe sind bereits 10 bis 15 Jahre eingeflossen und unter dem Preisdruck der erdölbasierten Produkte stehen wir jetzt vor einer Schwelle“, glaubt Wulf.

Dass diese Schwelle sehr wahrscheinlich auch im Automobilbau überschritten wird, zeigt der Blick nach Japan: Toyota und Mazda sind den deutschen Konkurrenten nämlich mal wieder einen Schritt voraus. So präsentierte Mazda im Mai dieses Jahres einen umweltfreundlichen Biokunststoff für den Automobilinnenraum, der zu 88 Prozent aus PLA auf Getreidebasis und nur noch zu 12 Prozent aus Erdölsubstanzen besteht. Das Material soll dabei dreimal stoßfester und 25 Prozent hitzebeständiger sein als die bislang auf etwa 60 °C limitierten PLA-Kunststoffe. Im Vergleich zum PP kann der Werkstoff zudem mit 30 Prozent weniger Energieeinsatz produziert werden.

Noch weiter ist Toyota, das bereits seit 1998 auf dem japanischen Markt PLA-Kunststoffe im Armaturenträger der beiden Fahrzeugmodelle Prius und Raum einsetzt. Außerdem betreibt der Hersteller in Japan seit 2004 eine eigene Fermentationspilotanlage mit einer Produktionskapazität von rund 1 000 Jahrestonnen PLA. Diese will Toyota bis 2020 ausbauen und etwa 66 Prozent des weltweiten Bioplastikbedarfs decken. Toyota rechnet damit, dass Bioplastik im Jahr 2020 bereits 20 Prozent der Weltplastikproduktion ausmacht und will in diesem Marktsegment einen Umsatz von etwa 38 Milliarden US-Dollar generieren.

Trotz dieser Marktaussichten braucht sicherlich kein deutscher Hersteller Toyota in die großtechnische Fermentation zu folgen – das können Chemieriesen wie BASF, Degussa oder Bayer hierzulande zweifellos besser. Trotzdem zeigt das Beispiel, dass Biokunststoffe auch im Automobilbau Phantasien wecken. Das Marktpotenzial von nachwachsenden Rohstoffen – egal ob Biokunststoff oder Naturfaser – wird sich immer daran orientieren, ob der Preis konkurrenzfähig ist. Hier bleibt der Ölpreis der entscheidende Faktor.

Einfluß üben auch die großen Rohstofflieferanten wie BASF aus: Sie investieren nämlich auf der einen Seite in Biokunststoffe und wollen auf der anderen Seite den klassischen Markt für fossile Kunststoffe natürlich nicht verlieren. Ab einer bestimmten Investitionssumme werden sie allerdings von steigenden Rohölpreisen profitieren.

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