elements36 - Evonik

elements36
Quarterly Science Newsletter Ausgabe 3|2011
Energieeffizienz
Ionische Flüssigkeiten:
kühlen und heizen mit Wärme
Ressourceneffizienz
Hochleistungspolymere
erzeugen Biomethan

2 Inhalt
12
22
32
elements36 Ausgabe 3|2011
tItelmotIv
Lohnenswerter Blick ins Detail: Verteilersystem und
Kühlschleife einer Absorptionskältemaschine
n e W S
4 Dr. Peter Nagler zum Chief Innovation Officer ernannt
4 Neue Monosilananlage in Japan
5 Erfolgreiche Zusammenarbeit mit Unilever verlängert
5 Lupinesse: Eiszeit für Milchallergiker
ReSSoURCeneFFIZIenZ
6 Hochleistungspolymere erzeugen Biomethan
eneRgIeeFFIZIenZ
12 Ionische Flüssigkeiten: kühlen und heizen mit Wärme
neWS
18 Evonik-Mitarbeiter erhält Preis für herausragende Dissertation
18 Wärmedämmen mit hinterschäumtem PLEXIGLAS®
19 Neue Faserverbundwerkstoffe für leichtere Autos
KatalYSe
20 Lindlar-Katalysatoren: die bleifreie Alternative
ÖKobIlanZ
22 Präziser Blick aufs Ganze
Life Cycle Thinking: Eigenes Expertenteam bewertet bei
neuen Produkten und Prozessen den gesamten Lebenszyklus
n e W S
30 Zahnersatz auf Basis von VESTAKEEP® PEEK auch für
Allergiker geeignet
30 Neue Liner-Technologie spart bis zu 50 Prozent Kosten
30 Neues 0W-20 Motorenöl reduziert Kraftstoffverbrauch
und CO 2 -Ausstoß
31 Kapazität für Glycin erweitert
CoatIng & bonDIng teChnologIeS
32 UV-härtende Lacke: Mehr Spielraum bei der Mattierung
n e W S
39 SEA LIFE Speyer: seltene Kuba-Krokodile hinter
PLEXIGLAS® zu bestaunen
39 Impressum

Neuland
Was passiert, wenn Sie etwa 15 Forscher aus unterschiedlichen Disziplinen in einen
Raum stecken mit der Aufgabe, eine neue Technologieplattform zu entwickeln,
und mit drei Jahren Zeit, sie zu lösen? Werden sie es schaffen oder scheitern? Vor
elf Jahren ist Evonik dieser Frage erstmals nachgegangen – mit der Gründung des
Projekthauses Nanomaterialien.
Insbesondere die Befristung auf drei Jahre, die verhindern sollte, dass sich
Projekte zur Never-Ending Story entwickeln, rief die Kritiker auf den Plan. Sie sind
mittlerweile deutlich leiser geworden, weil sich dieser damals sehr ungewöhnliche
Blick über den Tellerrand hinaus als überaus erfolgreich erwiesen hat. Neun Projekthäuser
haben wir bisher gestartet, und sie haben zahlreiche innovative Produkte
und Prozesse hervorgebracht. Beispielsweise wäre unser Joint Venture Li-Tec, in
dem wir gemeinsam mit Daimler Lithium-Ionen-Batteriezellen für Elektroautos produzieren,
nicht möglich gewesen ohne die neue keramische Membran, die Anode
und Kathode trennt. Für die Realisierung hat das damalige Projekthaus Nanomaterialien
einen entscheidenden Beitrag geleistet. Andere Beispiele sind die Fermentationstechnologie,
mit der wir Spezialaminosäuren produzieren, oder – um ein
aktuelles Arbeitsgebiet aus dem noch laufenden Projekthaus Systemintegration zu
nennen – serientaugliche Prozesse zur wirtschaftlichen Herstellung von Leichtbauteilen
aus PLEXIGLAS® und ROHACELL® für automobile Anwendungen.
Weil sich die Märkte stetig ändern, passen wir auch unser Konzept stetig an.
Beschäftigten sich die ersten Projekthäuser noch mit der Erforschung von technischen
Grundlagen und der Entwicklung von Technologieplattformen, so wird im
Projekthaus Systemintegration ganzheitlich in Systemen gedacht. Es geht nicht
mehr nur um ein isoliertes Produkt, sondern auch um die dazugehörige Prozess-
und Verarbeitungstechnik.
Noch einen Schritt weiter geht unser neuestes Projekthaus Light & Electronics,
das als erstes Projekthaus außerhalb Deutschlands buchstäblich Neuland betritt.
Light & Electronics hat sich jetzt im ITRI (Industrial Technology Research Institute)
in der taiwanesischen Stadt Hsinchu angesiedelt. ITRI ist das führende Forschungsinstitut
Taiwans und gilt als die Keimzelle der starken Elektronikindustrie des Landes.
Hier soll das Projekthaus an Displays, Fotovoltaik und Beleuchtung arbeiten,
Forschungskooperationen anstoßen und uns einen neuen Zugang zum Elektronikmarkt
verschaffen.
Die Rahmenbedingungen sind gut: Das ITRI, das seit den 70er Jahren industrienahe
Elektronikforschung betreibt, beschäftigt 6.000 Mitarbeiter, von denen
mehr als 60 Prozent einen Abschluss als Master oder einen Doktortitel besitzen.
Seit seinem Bestehen hat ITRI über 10.000 Patente geschrieben, 70 Geschäftsführer
bzw. Vorstände hervorgebracht und war an der Gründung von 165 Unternehmen
beteiligt – Zahlen, die die Innovationskraft des Instituts eindrucksvoll belegen.
Langfristig soll aus dem neuen Projekthaus in Taiwan, mitten in einem der
wichtigsten Elektronikmärkte der Welt, ein neues F&E-Kompetenzzentrum hervorgehen.
Ich bin optimistisch, dass wir auch das schaffen werden – und dass sich
unser Projekthaus einmal mehr als erfolgreiches Forschungskonzept erweisen wird.
Patrik Wohlhauser
Mitglied des Vorstandes der
Evonik Industries AG
eDItoRIal 3
elements36 Ausgabe 3|2011

4 neWS
Dr. Peter Nagler zum Chief Innovation Officer ernannt
Zum 1. Juli 2011 h at Dr. Peter Nagler die neu
geschaffene Funktion des Chief Innovation
Officer (CIO) von Evonik übernommen. Damit
setzt Evonik ein klares Signal, das deutlich
macht, dass die gewachsene Innovationskultur
als Spezial chemieunternehmen weiter vorangetrieben
werden wird. Nagler leitet seit
2009 den Bereich Corporate Innovation
Strategy & Management, zu dem die AQura
GmbH, das Intellectual Property Management
und, seit 2009, die Creavis gehören.
In seiner neuen Tätigkeit wird Nagler die
Wachstumspläne von Evonik insbesondere
durch eine adäquate Innovationsstrategie für
den Gesamtkonzern unterstützen. Dazu gehört,
Best-Practice-Erfahrungen aus laufenden
Innovationsprojekten zu verbreitern,
neue Methoden zu implementieren sowie
globale Aktivitäten im Bereich Forschung &
Entwicklung durch zusätzliche Kompe tenzzentren
in strategisch wichtigen Wachstumsregionen
zu fördern. Weitere wesentliche
Arbeitsschwerpunkte in der neuen Funktion
Neue Monosilananlage in Japan
Evonik Industries hat im Juni gemeinsam mit
seinem Partner Taiyo Nippon Sanso Cor poration
(TNSC) im japanischen Yok kai chi, 400
Kilo meter südlich von Tokyo, die neue Verbund
anlage zur Herstellung von Mo nosilan
und AEROSIL® eingeweiht. Damit realisiert
Evonik ein zukunftsweisendes Projekt zur
Nutzung von Solarenergie und investiert
gleichzeitig in den Zu kunftsmarkt Elektronik.
Der Neubau hat ein Volumen von rund 150
Mil lionen € und war im Jahr 2010 das größte
Einzelprojekt des Unternehmens. Mit TNSC
hat Evonik einen langfristigen Liefervertrag
für Monosilan geschlossen. Monosilan wird
bei der Herstellung von Siliziumschichten für
Solarzellen und Flachbildschirme sowie für
Halb lei ter in der Elektronikindustrie verwendet.
AEROSIL® wird beispielsweise in Kunststof
fen, Farben und Lacken verarbeitet.
Klaus Engel, Vorstandsvorsitzender von
Evonik, sagte anlässlich der Einweihungsfeier
in Yokkaichi: „Mit dieser erheblichen Investition
in Japan bauen wir unsere bedeutende
Technologie- und Marktposition im Zu kunftsmarkt
Solarenergie aus. Damit leisten wir zugleich
erneut einen wesentlichen Beitrag zum
globalen Megatrend Ressourceneffizienz.“
Engel zeigte sich betroffen von der gewal-
elements36 Ausgabe 3|2011
des CIO liegen in den Bereichen Wissensvernetzung
mit internen und externen Partnern,
im Schutz geistigen Eigentums sowie
in der gezielten Förderung von Unter neh mertum
und Innovationskultur.
Der promovierte Chemiker Nagler begann
seine Karriere 1986 bei der dama ligen
tigen Naturkatastrophe, die Japan im März
heimsuchte, ebenso wie von den Folgen, die
diese für das Atomkraftwerk Fukushima hatte.
Er betonte: „Umso wichtiger ist es, heute
mit unseren Mitarbeitern, Partnern und Gästen
ein Signal zu setzen und gemeinsam die
neue Anlage einzuweihen.“
Thomas Hermann, Leiter des Geschäftsbereichs
Inorganic Materials, erläuterte: „Das
in Yokkaichi produzierte Monosilan ermöglicht
es uns, an dem insbesondere in Asien
starken Wachstum für Anwendungen in
der Dünnschichtfotovoltaik, bei Flachbildschir
men und Halbleitern teilzuhaben.“ Der
Part ner TNSC ist einer der bedeutendsten
Die neue Monosilananlage
von Evonik
in Yokkaichi (Japan)
De gussa AG. Neben mehreren leitenden
Funk tionen an den Standorten Hanau-
Wolfgang und Frankfurt am Main war er
ab 1993 Corporate De velop ment Manager
und schließlich Ge schäftsführer der Firma
Rexim S.A. in Paris (Frankreich). Zurück in
Deutschland leitete er ab 1997 das Geschäftsgebiet
Fine Chem ic als bzw. ab 1999
das Geschäftsgebiet Advanced Intermed i -
ates bei der damaligen Degussa-Hüls AG in
Frankfurt am Main und übernahm dort 2001
die Leitung des Geschäftsbereichs Fine
Chemicals und anschließend des Ge schäftsbereichs
Exclusive Synthesis & Cata lysts.
Ab dem Jahr 2005 leitete er in São Paulo
(Bra silien) die Region Südamerika. Von hier
aus wechselte er zwei Jahre später erneut an
den Standort Hanau als Head of Research &
Development und war ab Anfang 2008
Leiter Innovation Manage ment des Geschäfts
bereichs Inor ganic Materials in Frankfurt
am Main, bis er seine neue Posi tion
übernahm.
globalen Distributoren für Industrie- und
Spe zial gase, zu denen die Silane gehören,
und beliefert seit vielen Jahren Großkunden
der Elektronikindustrie in Asien.
Evonik hat das Verfahren für die Monosilan
her stel lung selbst entwickelt und betreibt
bereits eine Anlage in Rheinfelden. Die
An lage in Yokkaichi ermöglicht dem Unterneh
men nun die Produktion von Monosilan
mit Elektronikqualität für den asiatischen
Markt. Evonik ist weltweit ein bedeutender
Her steller von Chlorsilanen sowie von Monosilan
und produziert somit entscheidende
Schlüs selkomponenten für die Solarenergie
und die Elektronikindustrie.

Erfolgreiche Zusammenarbeit mit Unilever verlängert
Bereits seit 25 Jahren vertraut die Unilever-
Tochter Lipton, der weltweit führende Anbieter
von Tee, bei der Entkoffeinierung seiner
Schwarz-, Grün- und Coldbrew-Tees auf
das spezielle Know-how des Ge schäfts bereichs
Advanced Intermediates von Evonik
Industries. Lipton ist der globale Marktführer
bei entkoffeinierten Tees, die besonders im
nordamerikanischen Markt stark nachgefragt
werden.
Beide Parteien, Lipton und Evonik, setzen
ihre bisherige erfolgreiche Zusammenarbeit
auf Grundlage eines neuen Vertrages nahtlos
fort. „Mit dem Vertrag bauen wir das Tee-
Lupinesse: Eiszeit für Milchallergiker
Wer Laktose oder Milch nicht verträgt, kann
trotzdem unbeschwert Eis schlecken – dank
Lupinesse, einer Neuentwicklung des Fraunhofer-Instituts
für Verfahrenstechnik und
Verpackung IVV in Freising, bei der die CO 2 -
Extraktion des Geschäfts bereichs Ad vanced
Intermediates von Evonik eine wichtige Rolle
spielt. Lupinesse ist ein rein pflanzliches Eis,
enthält Proteine aus den Samen der Süßlupine
und ist völlig frei von Laktose, Gluten,
Cholesterin sowie tierischen Eiwei ßen und
Fetten. Eisliebhaber können Lupi nesse seit
Mai 2011 bei EDEKA Süd bayern und EDEKA
Südwest in den Ge schmacks rich tungen Vanilla
Cherry, Straw berry Mousse, Walnut
Dream und Choco Flakes kaufen.
Die Prolupin GmbH, eine Ausgründung
des Fraunhofer-Instituts, die Lupinesse vermarktet,
verwendet für das Eis die alkaloidarme
Blaue Süßlupine (Lupinus angustifolius),
eine besonders proteinreiche Hülsenfrucht,
die in Deutschland heimisch ist und
seit einigen Jahren verstärkt in Mecklenburg-
Vor pommern gezüchtet und angebaut wird.
Die Lupinen stammen aus kontrolliertem
Anbau und sind frei von Gentechnik.
Verantwortlich für die Cremigkeit des
Eises sind die im Vergleich zu Sojaproteinen
besseren Emulgier- und Schaumeigenschaften
der Lupinenproteine. Sie können deshalb die
tierischen Eiweiße aus der Milch vollständig
ersetzen, ohne dass Cremigkeit und Textur
des Eises leiden. „Das heißt aber auch“, erklärt
Dr. Ralf Kahleyss, der bei Evonik Forschung
und Entwicklung der CO 2 -Extraktionstechnologie
leitet, „dass sich ihre technofunktionellen
Eigenschaften, insbesondere
geschäft mit Lipton in den kommenden
Jahren weiter aus“, erklärte Dr. Manfred
Schmidt, Produktmanager von Evonik.
Mit einem speziellen Verfahren, der Extraktion
mit überkritischem Kohlendioxid unter
hohen Drücken, entfernt Evonik an seinem
oberbayrischen Standort Münchs mün ster
Koffein sowie mögliche Schadstoffe aus
Tee, bewahrt aber zugleich im hohen Maße
dessen geschmacks- und gesundheitsfördernden
Inhaltsstoffe. Gegenüber herkömmlichen
Methoden gilt dieses Verfahren als besonders
schonend, umweltfreundlich und
ressourceneffizient. Die Tee-Entkoffe inie-
die Emulgiereigenschaften, bei der Ex trak tion
aus den Samen nicht verändern dürfen.“
Um die Proteine unverändert und möglichst
vollständig isolieren zu können, muss
man aus den Samen zunächst den Fettan -
teil – er liegt bei rund sieben Prozent – möglichst
schonend entfernen. Übliche Ent -
f ettungs mittel wie Hexan sind ungeeignet,
da sie vergleichsweise hohe Temperaturen
erfordern, die die Proteine schädigen
können. „Einzig die CO 2 -Extraktion ist so
schonend, dass sie das Fett effizient entfernt,
ohne die funktionale Proteinstruktur zu
zerstören“, betont Kahleyss. Zudem gilt sie
als besonders umweltfreundlich und ressourceneffizient.
Prolupin lässt die Samen
deshalb von Evonik entfetten, da das Unternehmen
an seinem Standort Münchsmüns -
ter über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der
CO 2 -Extraktion verfügt.
Dazu werden die aus den Hülsen abgetrennten
Samen geschält, konditioniert, zu
Flocken verarbeitet und in Münchsmünster
neWS 5
rungsanlage am Standort Münchsmünster ist
von der Deutschen Gesellschaft für Qualität
(DGQ) nach dem International Food Standard
(IFS) zertifiziert worden.
„Evonik ist ein seit vielen Jahren äußerst
verlässlicher Partner und liefert entkof feinierten
Tee in höchster Qualität“, sagte
Gil bert Kendzior, Tea and Herbals Supply
Ma nager bei Lipton. Auf dieser Basis planen
beide Unternehmen, ihre Zusammenarbeit
über die Tee-Entkoffeinierung hinaus auf
weitere Produkte und Anwendungen im
Lebensmit telsektor des Unilever-Konzerns
auszudehnen.
Lupinesse, ein neues
Speiseeis mit Lupinenproteinen,
das nach
einem von Fraunhofer­
Forschern entwickelten
Verfahren hergestellt
wird
mit CO 2 entfettet. Prolupin gewinnt daraus
in einer anschließenden Extraktion die Lupinenproteine.
Diese bilden mit anderen
typischen Zutaten die Basis für das rein
pflanzliche Lupineneis.
Entwickelt wurde Lupinesse vor allem für
Menschen mit Laktose- und Glutenunver -
t räglichkeit sowie für Kuhmilch-Allergiker.
Sie könnten künftig auch in den Genuss von
anderen, normalerweise milchhaltigen Produkten
kommen: Prolupin denkt bereits darüber
nach, in weiteren Lebensmitteln Milcheiweiß
durch Lupinenproteine zu ersetzen,
etwa in Joghurt, Pudding und Quark. Ein
Vorhaben, das Evonik mit Interesse verfolgt:
„Milcheiweiß durch Lupinenproteine zu
ersetzen ist ein innovatives Lebensmittel -
kon zept, das dem Verbraucher einen echten
Zu satznutzen bietet“, sagt Dr. Thomas Sauer,
Leiter des Marktsegments Custom Manufacturing
Agro. „Wir sehen darin für unsere
CO 2 -Extraktion einen interessanten Markt
mit viel Potenzial.“
elements36 Ausgabe 3|2011

6 ReSSoURCeneFFIZIenZ
Hochleistungspolymere
erzeugen Biomethan
Neue Polymermembranen machen die Aufbereitung von Biomethan aus nachwachsenden Rohstoffen einfach und effizient
Biogas als umweltverträglicher und heimischer Energieträger wird in Zukunft
eine immer größere Rolle spielen. Für die Aufbereitung und Reinigung des Gases
haben Spezialisten von Evonik hochselektive Polymermembranen entwickelt.
Seit Jahresbeginn stellt eine Testanlage in Neukirchen an der Vöckla (Österreich)
unter Beweis, dass die Membranen zuverlässig und kostengünstig Rohgas in
hochreines Biomethan verwandeln, das direkt ins Netz eingespeist werden kann.
[ text Dr. Goetz Baumgarten, Dr. Markus Ungerank, Dr. Christian Schnitzer, Dr. Axel Kobus ]
elements36 Ausgabe 3|2011
Anlage zur Erzeugung von Biogas.
Unter den erneuerbaren Energien
besitzt Biogas den Vorteil, dass
es kontinuierlich nutzbar ist. Zudem
kann es nach Aufbereitung zu
Biomethan in das bestehende Erdgasnetz
eingespeist werden

IogaS nImmt Im Reigen der erneuerbaren Energien eine besondere
Stellung ein. Zunächst einmal ist es ein heimischer
Energie träger und ein wichtiger Baustein für dezentrale Versorgungsstrukturen,
der unabhängig von Wind, Wasser oder
Sonne Tag und Nacht genutzt werden kann – sowohl zur Gewinnung
von Strom und Wärme als auch als Kraftstoff oder als
Erdgassubstitut. Außerdem steht Biogas für die höchsten Energieerträge
pro Flächeneinheit und für Umwandlungseffizienz:
Wird Biogas als Kraftstoff genutzt, lässt sich aus einem Hektar
Anbaufläche in einem Jahr so viel Biogas erzeugen, dass ein Auto
damit mehr als 100.000 Kilometer fahren kann. Ein Kilometeräquivalent,
das alle anderen Energiegewinnungsmethoden aus
Biomasse übertrifft – so reicht das aus einem Hektar Anbaufläche
pro Jahr gewonnene Bioethanol nur etwa 70.000 Kilometer
weit. Zusätzlich sind bei der Strom gewinnung aus Sonne und
Wind die Produktionskosten pro Kilowattstunde im Vergleich
zu Biogas wesentlich höher.
Ein weiterer Vorteil bei der Biogasproduktion ist, dass als
Rückstand bei der Biogasproduktion nur geringe Mengen an
Gärgut und Schlamm entstehen. Diese können dann für die Gewinnung
von Humus weiterverwendet werden. Das aus Biogas
gewonnene Biomethan lässt sich zudem gut speichern und kann
einfach über das bestehende Erdgasnetz zum Verbraucher transportiert
werden. Ein weiterer, sehr wichtiger Pluspunkt bei der
Energiegewinnung aus Biogasanlagen ist die CO 2 -arme Energieerzeugung
aus den regenerativen Rohstoffen.
Biogas entsteht durch mikrobielle Vergärung von nachwachsenden
Rohstoffen wie beispielsweise Mais, aber auch von Klärschlamm,
Gülle oder Abfällen der Landwirtschaft. Der entscheidende
Vorteil gegenüber Erdgas liegt darin, dass bei der Verbrennung
von Biogas nur so viel Kohlendioxid freigesetzt wird,
wie die vergärte Biomasse zuvor der Atmosphäre entzogen hat.
Daher setzen sowohl Politik als auch Gasversorger große
Hoffnung in Biogas. Das Integrierte Energie- und Klimaschutzprogramm
(IEKP) der Bundesregierung sieht vor, dass in den
kommenden Jahren mehr Biogas in das deutsche Erdgasnetz eingespeist
und damit breit verfügbar wird. Bis zum Jahr 2020
sollen jährlich 60 Milliarden Kilowattstunden, bis 2030 rund
100 Milliarden Kilowattstunden erzeugt und ins Netz eingespeist
werden. 100 Milliarden Kilowattstunden im Jahr 2030 entsprechen
rund zehn Prozent des aktuellen Erdgasverbrauchs in
Deutschland. Selbstverpflichtungen der Gasversorger sehen im
Kraftstoffsektor sogar Anteile an Erdgassubstituten von zehn
bzw. 20 Prozent für die Jahre 2010 und 2020 vor.
Abbildung 1
Erzeugung von Biogas: Aus nachwachsenden
Rohstoffen wie Mais, aber auch aus Klärschlamm,
Gülle oder landwirt schaft lichen Abfällen entsteht
durch mikrobielle Vergärung in einer entsprechenden
Anlage das Biogas. Nach Abtrennung von insbesondere
CO 2 und verschiedenen Neben bestand teilen
wie etwa Wasserdampf und Schwefelwasserstoff
kann das Biogas dann genutzt werden – im Gasnetz,
in Blockheiz kraftwerken und an Tankstellen
ReSSoURCeneFFIZIenZ 7
Wie entsteht nun das zu verwertende Methan? Bei der Vergärung
setzen Mikroorganismen unter Sauerstoffausschluss die
Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette aus Pflanzen, Gülle oder Klärschlamm
in die Hauptprodukte Methan und Kohlendioxid um.
In Spuren entstehen dabei meist außerdem Wasserstoff, Stickstoff,
Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Die Zusammensetzung
des entstehenden Gases hängt wesentlich vom
Substrat und der Betriebsweise des Faulbehälters ab. Wertvoll
ist immer das enthaltene Methan: Je höher dessen Anteil, desto
energiereicher ist das Gas.
Konventionell wird Biogas direkt am Ort der Erzeugung verstromt.
Dabei können allerdings maximal 40 Prozent der enthaltenen
Energiemenge als Strom genutzt werden, die entstehende
Wärme wird nur in den seltensten Fällen ausreichend
verwertet. Wird das Gas dagegen ins Netz eingespeist, können
mehr als 90 Prozent des Energiegehalts tatsächlich auch genutzt
werden.
Abtrennung von CO 2 wesentlich
für Biogasaufbereitung
Bevor Biogas eingespeist werden kann, sind eine umfangreiche
Reinigung, Trocknung und Konditionierung nötig. Schwefelwasserstoff
und Ammoniak beispielsweise müssen entfernt werden,
damit Korrosion in Motoren und nachgeschalteten Komponenten
wie Wärmetauschern verhindert wird. Auch Wasserdampf
im Biogas kann kondensieren und zu Korrosion führen. Daher
wird das Rohgas getrocknet. Außerdem muss das gereinigte
Biogas bezüglich Trockenheit, Druck und Heizwert präzise auf
das Erdgas im Netz abgestimmt sein. 333
elements36 Ausgabe 3|2011

8 ReSSoURCeneFFIZIenZ
333 Der zentrale Schritt der Aufbereitung ist die weitgehende
Abtrennung des Kohlendioxids. CO2 ist nicht brennbar und mindert
daher den Heizwert. Nach den Vorgaben des Deutschen
Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) muss der CO2-Ge halt von üblicherweise 25 bis 45 Volumenprozent (Vol.-%) auf
unter 6 Vol.-% abgesenkt werden. Je nach Anforderungen der
Netzbetreiber darf der Restgehalt manchmal sogar 2 Vol.-% nicht
überschreiten, damit durch die Einspeisung von Biomethan die
Qualität des Gemischs aus Erdgas und Biomethan nicht unter die
vom Netzbetreiber zu gewährleistenden Werte absinkt.
Konventionelle Anlagen für künftige dezentrale
Energieversorgung oft ungeeignet
Für die Abtrennung des CO 2 haben sich in den vergangenen Jahren
unterschiedliche Verfahren am Markt etabliert. Die Mehrzahl
der Aufbereitungsanlagen nutzt die sogenannte Druckwechseladsorption,
bei der das CO 2 und enthaltene Spurengase an
porösen Materialien adsorbiert werden. Ein weiteres etabliertes
Verfahren ist die Druckwasserwäsche, bei der CO 2 , Schwefelwasserstoff
und Ammoniak in Wasser gelöst und ausgewaschen
werden. Speziell für größere Anlagen wird häufig die Aminwäsche
eingesetzt, bei der das CO 2 mittels einer Waschflüssigkeit
aus Aminverbindungen aus dem Biogasstrom ausgewaschen
Abbildung 2
Übersicht über die verschiedenen
Aufbereitungsverfahren
(in Anlehnung an G. Dachs, C. Zach,
Biogasaufbereitungssysteme zur
Einspeisung in das Erdgasnetz – ein
Praxisvergleich, SEV Bayern,
(2008))
Abbildung 3
Durchtrittsgeschwindigkeiten
unterschiedlicher Gase
in einer Polyimidmembran
Abbildung 4
Gasseparation mit Membranen
Abbildung 5
Funktionsweise
eines Membranmoduls
zur Gastrennung
elements36 Ausgabe 3|2011
H 2O
H 2
CO 2
wird. Eine noch relativ neue Technik im Zusammenhang mit
der Biogasaufbereitung ist die kryogene Gastrennung, die das
Kohlendioxid bei tiefen Temperaturen aus dem Gasstrom ausfriert.
All diese Verfahren haben einige gewichtige Nachteile: Sie
benötigen Energie, Hilfsmittel und Hilfschemikalien. Es entstehen
Abfälle und Abwasser, die aufbereitet und entsorgt werden
müssen. Zudem steht das Biogas nach der Aufbereitung meist
unter geringem Druck und muss für die Einspeisung beispielsweise
in ein Mitteldrucknetz mithilfe eines zusätzlichen Kompressors
auf Drücke von 15 bis 20 bar verdichtet werden.
Daher arbeiten konventionelle Aufbereitungsanlagen meist
erst ab einer Rohbiogasmenge von über 500 Normkubikmeter
pro Stunde (Nm³/h) wirtschaftlich. Das bedeutet: Für eine künftige
dezentrale Energieversorgung mit zahlreichen kleineren
Anlagen sind sie in der Regel ungeeignet.
Mehr Effizienz mit
Membrantechnologie
Weitaus mehr Flexibilität, Energie- und Kosteneffizienz verspricht
die Membrantechnologie, mit der Evonik als Hersteller
von Hochleistungskunststoffen schon seit Jahren Erfahrungen
gesammelt hat. Die Gastrennung mit Polymermembranen nutzt
Verfahren Trenneffekt An/Durch Abtrennung von
Druckwechseladsorption Adsorption Aktivkohle (Molekularsieb) CO 2 H 2 S H 2 O
Druckwasserwäsche Physikalische Adsorption Wasser CO2 H2S NH3 Genosorb® Physikalische Adsorption Genosorb® CO2 H2S NH3 H2O Monoethanolamin­Wäsche Chemische Adsorption Monoethanolamin CO 2 H 2 S
Membranverfahren Permeation Membran CO 2 H 2S NH 3 H 2O
Kryogene Gastrennung Rektifikation Tiefe Temperaturen CO 2 H 2 S
O 2
N 2
CH 4
Schnell Langsam
Biogas
CH 4
Membran
CO 4 NH 3 H 2 S H 2 O
Permeat
Hohlfasermembran
Mit Methan angereichertes Retentat
Mit CO 2 angereichertes Permeat
Biogas Retentat

die Tatsache, dass Gasmoleküle unterschiedlich groß und unterschiedlich
gut im Polymer löslich sind.
Das gilt auch für die Aufbereitung von Biogas: Da CO 2 -
Moleküle kleiner sind als Methanmoleküle und sich zudem in
Polymeren besser lösen, können sie die Mikroporen der Membran
wesentlich schneller durchwandern. An der Hochdruckseite
der Membran sammelt sich somit das Methan an, während
Wasserdampf, Ammoniak, Schwefelwasserstoff und der Großteil
des CO 2 das molekulare Sieb passieren. Da das methanreiche
Gas an der Hochdruckseite abgezogen wird, muss es für die Einspeisung
zudem nicht mehr eigens verdichtet werden.
Robust und selektiv:
Membranen aus Polyimid
Polyimide sind Hochleistungskunststoffe, die sehr druck- und
temperaturbeständig sind. Sie werden beispielsweise seit
Längerem erfolgreich für Filterschläuche in der Zementindustrie
eingesetzt mit dem Ziel, dort den Staub vom heißen Abgas
zu trennen.
Evonik hat in den vergangenen Jahren Membranen auf Basis
von Polyimiden entwickelt. Sie zeigen eine beständig hohe Selektivität
und sind insbesondere für die Trennung von CO 2 und
Methan geeignet. Im Gegensatz zu anderen Polymeren zeigen
Hohlfaserbündel
und Membranmodule
(links) von Evonik
ReSSoURCeneFFIZIenZ 9
die hier eingesetzten Polyimide kaum Wechselwirkung mit Kohlendioxid,
das bei längerer Einwirkung bestimmte Kunststoffmembranen
plastifiziert und dabei deren Selektivität deutlich
senkt.
Polyimide entstehen durch Polymerisation von Carbonsäuredianhydrid
und Diaminen. Das Polymer wird durch den sogenannten
Phaseninversionsprozess zu feinen Fasern gesponnen.
Ein Lösemittel sorgt dafür, dass die Fasern beim Durchgang
durch die Spinndüse ausgehöhlt werden. So entstehen nach
Trocknung und Nachbehandlung dünne Hohlfasern mit einem
Außendurchmesser von wenigen 100 Mikrometern und einer
Membranwandung von weniger als 100 Mikrometer Stärke. Mehrere
1.000 dieser Hohlfasern werden gebündelt, die Enden in ein
Harz eingebettet und das Bündel wird schließlich in ein Metallrohr
eingeführt. Das fertige Modul kann nun mit einem Gasgemisch
unter Druck beaufschlagt werden.
Bisherige Erfahrungen zeigen: Polyimidmembrane zur
Gas trennung sind ein robustes und einfaches Instrument zur
Gasreinigung. Bei ihrem Einsatz in der Biogasaufbereitung
zeigen sie eine höhere Anlagenverfügbarkeit, geringeren Energiebedarf
und niedrigere Wartungskosten gegenüber alternativen
Ver fahren.
Allerdings haben bisher am Markt verfügbare Polyimidmembranen
den Nachteil, dass nennenswerte Mengen 333
elements36 Ausgabe 3|2011

10 ReSSoURCeneFFIZIenZ
333 Methan über den „Schlupf“ verloren gehen, weil ihre Selektivität
nicht groß genug ist. Eine ausreichend gute Trennung von
CO2 und Methan muss daher entweder mit energetisch aufwendigen
hohen Rückführströmen oder mit einer Serienschaltung
mehrerer Mem branen hintereinander erkauft werden – beides
erhöht die Investitions- und Betriebskosten. Oder das Verfahren
benötigt nachgeschaltet eine thermische Verwertung des methanhaltigen
Abgases, was in der Regel ebenfalls hohe Zusatzkosten
verursacht. Durch diese Schwächen waren bisherige
Membrantechnologien im Vergleich zu anderen Trennmethoden
weniger konkurrenzfähig.
Neues Evonik-Polyimid zeigt
optimale Trennleistung
In den vergangenen Jahren gelang es Membranspezialisten und
Polymerforschern von Evonik, besonders selektive Polyimidmembranen
zu entwickeln. Für die neuen Polyimidmembranen
setzen die Polymerchemiker auf eine speziell für die Herstellung
von Membranen optimierte Form des bewährten Polyimid P84®
von Evonik. Mit diesen Membranen wird in nur einem Schritt
Abbildung 6
Der mehrstufige Prozess
zur Aufbereitung
von Biogas von Evonik
Rohbiogas aus Fermenter:
ca. 53 % CH 4 , 47 % CO 2
Kompressor
10 bis 25 bar
Abbildung 7
Rückstrom
Erste Ergebnisse der mit
den Mem branen von
Evonik erzeugten Gas qualitäten:
Das Methan aus
dem Roh gas lässt sich auf
über 99 % aufreinigen
CH4­Produktgas CH4 im Rohgas
CO2 im Rohgas
CH4­Offgas elements36 Ausgabe 3|2011
Mehrstufenmembranverfahren
von Evonik
Gasgehalt [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Produktstrom Biomethan:
(> 97 % Methan) 10 bis 25 bar
Schwachgasstrom,
vorwiegend aus CO 2 :
< 1 % Methan
bereits eine deutlich verbesserte Trennung von Kohlendioxid
und Methan möglich. Sie zeigen auch noch bei CO 2 -Partialdrücken
von bis zu 25 bar – wie sie bei der Biogasaufbereitung vorkommen
– eine stabile Selektivität und unterscheiden sich dadurch
von bisher am Markt verfügbaren Membranen.
Gemeinsam mit Creavis, der strategischen Forschungs- und
Entwicklungseinheit von Evonik, sowie dem Servicebereich Verfahrenstechnik
& Engineering wurde ein Verfahren entwickelt,
das die Trenneigenschaften der Polyimidmembranen optimal
nutzt. Die Module werden seit Kurzem mit zwei unterschiedlichen
Durchmessern und in zwei verschiedenen Längen gefertigt.
Derzeit erproben die Evonik-Experten die Produktionsmodule
im österreichischen Neukirchen an der Vöckla in einer
Testanlage. Das Rohgas stammt aus der Vergärungsanlage eines
Landwirts, der aus nachwachsenden Rohstoffen Biogas gewinnt.
Im vergangenen Herbst wurde in unmittelbarer Nähe zur Vergärungsanlage
ein Container installiert, der die gesamte Technik
zur Biogasreinigung und -anreicherung enthält. Der Prozess
wird von den Entwicklern von Evonik über eine Datenleitung
fernüberwacht und gesteuert.
Seit Anfang 2011 betreibt Evonik im österreichischen
Neukirchen an der Vöckla eine
Testanlage zur Aufbereitung von Biogas
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 1.100 1.200
Zeit [h]

Die Aufbereitungskapazität der Testanlage beträgt 10 Nm³/h.
Das Rohgas kommt als Mischung von CO 2 , Methan und den
typischen Nebenkomponenten aus der Vergärungsanlage an und
wird zunächst mit Aktivkohle entschwefelt, gefiltert und vorgetrocknet.
Das stellt sicher, dass sich kein Kondensat auf der Membran
bildet und sich auch keine Partikel oder Schwefelkomponenten
auf der Membran ablagern können. Das vorgereinigte
Gas wird anschließend mit einem ölfreien Kompressor angesaugt
und auf rund 16 bar verdichtet.
Entscheidend für den Erfolg ist eine geschickte Verschaltung
der einzelnen Module. Wie die Module im Einzelfall verschaltet
werden, hängt von deren Anzahl ab und von den Anforderungen,
die an die Reinheit des Methans gestellt werden. In der Testanlage
in Neukirchen wird ein Teil des Gasstroms von der drucklosen
Permeatseite wieder in das erste Modul zurückgeführt.
Praxistest erfolgversprechend
Seit Inbetriebnahme der Testanlage im ersten Quartal 2011
arbeitet die Technik störungsfrei. In Neukirchen untersuchen
die Experten von Evonik wesentliche Parameter, beispielsweise
die Kapazitäten verschiedener Module, ihre Langlebigkeit und
die Stabilität der Selektivität. Sie variieren Druck und Stoffströme,
um die optimalen Prozessbedingungen herauszu -
ar beiten. Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend: Das
Methan aus dem Rohgas lässt sich auf über 99 Prozent aufreinigen,
im Abgas sind weniger als 0,5 Prozent Methan vorhanden.
Damit wird nahezu das gesamte Methan aus der Vergärung in
Biomethanqualität gewonnen.
Zudem ist das Biomethan nach dem Aufbereitungsverfahren
mit Membranen bereits trocken und erfüllt die Taupunktanforderung
für die Netzeinspeisung. Da der Schlupf unter 0,5 Prozent
liegt, ist außerdem zur Einhaltung der TA Luft keine zusätzliche
Verbrennung des Schwachgases notwendig. Die Aufbereitung
ist energieeffizient, erzeugt weder Abfälle noch Emissionen
und benötigt keine Hilfsmittel wie Wasser oder
Sorptionsmittel. All diese Vorteile schlagen sich direkt in den
Kosten nieder: Verglichen mit Gaswäsche oder Adsorptionsverfahren
ist eine Biogasaufbereitung mithilfe dieser neuen
Membranmodule speziell bei den typischen Biogasanlagengrößen
signifikant günstiger.
Ein weiterer Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass
nicht zuletzt das Verfahren eine hohe Flexibilität zeigt. Es ist
sowohl für Klein- als auch für Großanlagen anwendbar und kann
an sich ändernde Volumenströme und Gaszusammensetzungen
leicht angepasst werden. Die Anlagen können zudem in kurzen
Intervallen gestartet und gestoppt werden und sind daher ideal
zum Betrieb einer Biomethantankstelle vor Ort geeignet. Die
neuartigen Membranen können aber noch mehr: Sie reinigen
nicht nur schnell und effizient Biogas, sondern gewinnen ebenso
wirksam Stickstoff aus der Luft. Sie reichern Sauerstoff an, und
sie können Wasserstoff aus Synthesegas separieren oder Gase
und Luft trocknen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen: Im Vergleich mit
anderen Prozessen ist die membranbasierte Gasseparation die
meistversprechende Technologie zur Aufbereitung von Biogas.
Auf Basis der bisherigen Testergebnisse kann die Evonik-Membran
aus Polyimid P84® hier einen zentralen und führenden
Beitrag zur heimischen, dezentralisierten und klima verträglichen
Energieversorgung leisten. 777
ReSSoURCeneFFIZIenZ 11
Dr. goetz baumgarten ist in der Wachstumslinie
Fibres and Membranes des Geschäftsgebiets High Per -
formance Polymers verantwortlich für die Geschäftsentwicklung
Membranen. Nach Chemiestudium an
der Universität Hannover und Promotion über die
Behandlung von Deponiesickerwasser mit Membranverfahren
startete er 1997 seine berufliche Laufbahn
bei der Amafilter Deutschland GmbH in Düsseldorf.
Ab 2001 war er als Produktmanager für die Produktsparte
Membrantechnik der gesamten Amafilter-Gruppe
verantwortlich, bis er 2005 zu Evonik wechselte.
Dort leitete er zunächst die Membrantechnik gruppe im
Servicebereich Verfahrenstechnik & Engineering, bevor
er im Juli 2010 in seine heutige Position wechselte.
+49 2365 49-4986, goetz.baumgarten@evonik.com
Dr. markus Ungerank ist als Mitarbeiter der Tochtergesellschaft
Evonik Fibres GmbH in Lenzing (Österreich)
verantwortlich für F&E der Wachstums linie
Fibres and Membranes des Geschäftsgebiets High
Performance Polymers. Nach einem Chemiestudium
an der TU Graz und Promotion über flüssigkristalline
Poly mere startete er 1997 seine berufliche Laufbahn
bei der Evonik Fibres GmbH als Projektleiter Entwicklung
eines P84® Polyimidpulvers. Zwei Jahre später
übernahm er die Leitung des Bereichs F&E und begleitete
die Markteinführung des neuen P84® Polyimidpulvers.
2007 initiierte er zusammen mit Dr. Goetz
Baumgarten die Entwicklung neuartiger Membranen
auf Basis von P84® Polyimid zur Gastrennung.
+43 7672 701-2508, markus.ungerank@evonik.com
Dr. Christian Schnitzer ist im Science-to-Business
Center Eco² der für die dortigen Membranaktivitäten
verantwortliche Projektmanager. Nach dem Studium
des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik an
der Technischen Universität Kaiserslautern und anschließender
Promotion auf dem Gebiet der Mikrofiltration
mit hochfeinen Multifilamentgeweben begann
er 2008 seine berufliche Laufbahn bei Evonik im
Servicebereich Verfahrenstechnik & Engineering,
von wo aus er 2009 zu Creavis wechselte.
+49 2365 49-5527, christian.schnitzer@evonik.com
Dr. axel Kobus ist seit Juli 2010 im Geschäftsgebiet
High Performance Polymers verantwortlich für die
Wachs tumslinie Fibres and Membranes, die sich mit
dem Einsatz von Hoch leis tungspolymeren für energie-
und materialeffiziente Trennungen in der Prozessindustrie
beschäftigt. Nach Studium der Verfahrenstechnik
und Promotion auf dem Gebiet der Absorption und
der thermischen Trenntechnik startete er 1999 seine
berufliche Lauf bahn bei Evonik als Pro zessingenieur
und Technikums leiter der Fluidverfah renstechnik.
Nach einer Station in Elyria (Ohio, USA), wo er das
Supply Chain Manage ment und den strategischen
Einkauf des Bereichs Initiators verantwortete, leitete
er ab 2005 in Hanau die Fluidverfahrenstechnik des
Servicebereichs Verfahrenstechnik & Engineering.
+49 2365 49-5646, axel.kobus@evonik.com
elements36 Ausgabe 3|2011

12 eneRgIeeFFIZIenZ
elements36 Ausgabe 3|2011
Ionische Flüssigkeiten
Kühlen und
heizen
mit Wärme
Absorptionsmaschinen nutzen thermische statt
elektrischer Energie, um Räume zu klimatisieren
oder Industriekälte bereitzustellen – so können
sie zum Beispiel mit Sonnenwärme kühlen.
Das Potenzial von Absorptionskältemaschinen
und -wärmepumpen ist bislang jedoch nur unzureichend
ausgeschöpft. Dank eines neuen
Arbeitsstoffpaars auf der Basis von ionischen
Flüssigkeiten, das Evonik Industries entwickelt
hat, könnte sich das zukünftig ändern.
[ text Dr. Matthias Seiler, Marc-Christoph Schneider ]
DeR beRlIneR ReIChStag liefert nicht nur die
Bühne für die Bundespolitik, sondern auch ein vorbildliches
Beispiel für ökologisches Bauen. Eine
spezielle Verglasung und Dämmung verringert Wärmeverluste.
Eine Fotovoltaikanlage und zwei Blockheizkraftwerke,
betrieben mit Biodiesel, können über
drei Viertel des Strombedarfs decken. Und geothermische
Energie aus dem Untergrund dient als Antrieb
für Kälte- und Wärmespeicher. In den Sommermonaten
nutzen Absorptionskälte maschinen einen Teil
der Wärme, den die beiden Blockheizkraftwerke erzeugen,
zur Kühlung der Räume im Reichstag.
Solche Absorptionskältemaschinen tun auch
20 Gehminuten entfernt im Immobilien- und Geschäftskomplex
am Potsdamer Platz ihren Dienst.
Ihre Stärke: Sie verdichten das Kältemittel nicht
mithilfe von elektrischer, sondern von thermischer
Energie – ein dickes Plus in Sachen Nachhaltigkeit.
Weltweit nutzen immer mehr Geschäftsgebäude,
Krankenhäuser und sogar ganze Stadtkomplexe
(District Cool ing), aber auch Flug häfen und selbst der
Vatikan Absorptionskälte maschinen, um nachhaltig
Kälte zu erzeugen – oder bei entsprechender Nutzung
auch Wärme.
Die Thermodynamik des
Arbeitsstoffpaars muss stimmen
Eine Absorptionskältemaschine enthält in einem
geschlossenen Kreislauf zwei gelöste Stoffe, das
Kälte- und das Absorptionsmittel, die das sogenannte
Arbeitsstoffpaar bilden. Der Prozess wird durch
Wärme angetrieben und nutzt die Tatsache, dass die
phy si ka lische Löslichkeit zweier Stoffe unter anderem
temperaturabhängig ist. Allerdings reicht diese
Anforderung an die beiden Stoffe noch nicht aus, um
sie als Arbeitsstoffpaar für eine Absorptionskältemaschine
interessant zu machen. Zusätzlich muss das
Absorptionsmittel das Kältemittel möglichst effektiv
absorbieren können und außerdem niedrigviskos

sein, um einen möglichst guten Wärme- und Stofftransport
zu gewährleisten.
Der Kreislauf einer Absorptionskältemaschine
enthält vier Komponenten: Austreiber, Kondensator,
Verdampfer und Absorber. Im Austreiber trennt die
Absorptionskältemaschine mithilfe von zugeführter
thermischer Energie die beiden Stoffe voneinander;
sie erhitzt also das Arbeitsstoffpaar. Dabei verdampft
das Kältemittel, gelangt in den Kondensator, kühlt
dort ab und wird wieder flüssig. Über eine Drossel
hinter dem Kondensator entspannt die Absorptionskältemaschine
das Kälte mittel auf den Verdampferbzw.
Absorberdruck mit den entsprechend niedrigen
Betriebstemperaturen. So kann das Kältemittel im
Verdampfer bei Aufnahme einer bestimmten Wärmemenge
leicht verdampfen. Diese Wärme entzieht
die Absorptions kältemaschine ihrer Umgebung.
Das verdampfte Kältemittel strömt nun weiter in
den Absorber, wo es vom Absorptionsmittel absorbiert
wird. Anschließend werden beide Kompo-
333
eneRgIeeFFIZIenZ 13
Der Berliner Reichstag.
Absorptionskältemaschinen
sorgen hier
im Sommer nachhaltig
für angenehme Temperaturen,
indem sie die
Wärme aus Blockheizkraftwerken
nutzen
Wird auch mit Absorp­
tionskälte maschinen
klimatisiert: der Changi
Airport in Singapur
elements36 Ausgabe 3|2011

14 eneRgIeeFFIZIenZ
Energieverbund der
Parlamentsbauten in
Berlin mit Kraft­Wärme­
Kältekopplung und
Aquiferspeichern.
Aquifer sind Gesteinskörper
mit Hohlräumen,
durch die Grundwasser
geleitet werden kann
(Quelle Grafik: Die
Woche, 10. Juli 1998)
elements36 Ausgabe 3|2011
Strom
Biodiesel Liefert Strom
Blockheizkraftwerk
Heizwärme direkt
Rücklauf
Heizung
Warmwasser
Warmwasser/Wärme als Antriebsenergie für die Wasserpumpe
Überschüssige Wärme
110 °C
50 Meter Tiefe
300 Meter Tiefe
67 °C
65 °C
Aquiferwärmespeicher
Hier wird warmes Wasser
aus dem Sommerbetrieb für den
Winter zwischengespeichert
45 °C 65 °C
65 °C
333 nenten (das Arbeitsstoffpaar) über eine Pumpe
wieder dem Austreiber zugeführt und der Kreislauf
schließt sich.
Kühlen und heizen mit einem Aggregat
Der thermodynamische Kreisprozess lässt sich auch
als Absorptionswärmepumpe einsetzen, denn er
nimmt Wärme aus seiner Umgebung auf niedrigem
Temperaturniveau im Verdampfer auf und gibt sie
auf einem höheren Temperaturniveau unter Zu fuhr
von thermischer Antriebsenergie wieder ab. Beide
Funktionen – Kältemaschine und Wärmepumpe –
lassen sich prinzipiell in einem Aggregat verwirklichen.
Technisch gesehen konkurrieren solche Absorptionssysteme
mit Kompressionswärmepumpen und
-kältemaschinen. Eine Kompressionswärmepumpe
zum Beispiel verdampft durch Wärmezufuhr auf
niedrigem Temperaturniveau ein Kältemittel, das
einen niedrigen Siedepunkt hat. Anschließend verdichtet
sie mechanisch das gasförmige Kältemittel
mithilfe eines elektrisch angetriebenen Kompressors,
wobei sich das Kältemittel erwärmt. Bei hohem Druck
gibt es dann seine Wärme an ein Umgebungsmedium
ab, zum Beispiel ans Heizungswasser oder an einen
Luftstrom. Das Kältemittel kühlt dabei ab und kondensiert
wieder.
Es gibt inzwischen viele Anwendungsbeispiele,
bei denen mehrstufige Absorptionskältemaschinen,
die mit Abwärme betrieben werden, einen Wir-
90 °C
Absorptionswärmepumpe
Kühlt mit Wärme
Kühlung
6 °C
6 °C
5 °C
Aquiferkältespeicher
Hier wird kaltes Wasser
für die Sommerkühlung
zwischengespeichert
Trockenkühler
Kalte Luft
kungsgrad erreichen, der genauso gut oder besser als
der einer Kompressionskältemaschine ausfällt. Traditionell
haben Absorptionskältemaschinen in Asien
bereits eine sehr starke Marktposition. Experten
gehen davon aus, dass die Technologie künftig auch
in anderen Regionen der Welt aufgrund von Entwicklungsfortschritten
bei den Arbeitsstoffpaaren
sowie der Megatrends Ressourceneffizienz und
Nachhaltigkeit zunehmend an Bedeutung gewinnen
werden.
Abwärme, Solar- oder
Geothermie als Energiequelle
Den Nachteil eines elektrisch angetriebenen, wenig
nachhaltigen Kompressors haben Absorptionssysteme
nicht: Sie lassen sich direkt mit thermischer
Energie betreiben, die entweder aus einer regenerativen
Energiequelle stammt – etwa der Geo- oder der
Solarthermie – oder aus der Abwärme industrieller
Prozesse. Die International Energy Agency schätzt,
dass allein in Europa jedes Jahr mehrere Millionen
Gigawatt indus trielle niederkalorische – und daher
schwer verwertbare – Abwärme ungenutzt in die Umwelt
entweichen. Ein Absorp tions sys tem kann Teile
dieser Abwärme energieeffizient wieder in nutzbare
Prozesswärme oder Kälte verwandeln. Darüber hinaus
haben Absorptions- gegenüber Kompressionssystemen
den Vorteil, dass sie völlig ohne ozonschädliche
Kältemittel auskommen, weil sie Wasser anstatt beispielsweise
Fluorkohlenwasserstoffe verwenden. 333

Ein Arbeitsstoffpaar, das die Rohre im Absorber gut benetzt,
ist essentiell für einen effektiven Wärme­ und Stofftransport
Fließbild einer einstufigen Absorp tions kältemaschine.
Die vier wichtigsten Komponenten sind der Verdam pfer,
an dem die Kälte bereitgestellt wird, der Austreiber,
an den die An triebswärme geleitet wird, der Absor ber und
der Kondensator, der die gepumpte Wärme bereitstellt
Kältemittelkreislauf
Kreislauf des Arbeitsstoffpaars
Kondensator
Verdampfer
Nutzen (erzeugter Kältestrom)
Aufwand (Antriebswärmestrom)
Austreiber
Absorber
KURZInteRvIeW
eneRgIeeFFIZIenZ 15
Die INVEN Absorption GmbH, Erding bei München,
konzipiert und baut Absorptionskälteanlagen, Absorp
tionswärmepumpen und Wärmetransforma toren
sowie Systeme für Industriekälte und Wärmerückgewinnung.
Geschäftsführer Dr. Jürgen Scharfe über
das Potenzial von Absorptionskältemaschinen.
Welche Wünsche äußern Kunden häufig, die von
Ihnen entworfene absorptionskältemaschinen
kaufen?
Immer mehr Kunden fragen vor allem nach Möglichkeiten,
Kälte mit Abwärme aus der Stromproduk tion,
also Gas- oder Dieselmotoren, zu nutzen. Hier besteht
nach wie vor ein großes ungenutztes Poten zial.
Leider können wir nicht in allen Fällen adäquate
Lösungen anbieten, da die herkömmlichen Arbeitsstoffpaare
dem Betrieb in heißen Ländern enge
Grenzen setzen.
Was ist in den augen der Kunden das größte
Problem heutiger absorptionskältemaschinen?
Das größte Problem der heute genutzten Arbeitsstoff
paare ist der durch die LiBr-Kristallisation bedingte
enge Einsatzbereich. Anlagen mit dem heute
gängigen Paar Wasser/LiBr benötigen Kühlwasser
mit einer Temperatur von maximal 32 °C, was nur
mit Verdunstungskühlern erreichbar ist. In warmen
Ländern, in denen Wasser oft knapp und mitunter
sehr wertvoll ist, ist der Einsatz von Nass kühltürmen
daher oft einfach nicht realisierbar.
Welche eigenschaften müsste ein ideales arbeitsstoffpaar
mitbringen?
Es müsste mindestens den gleichen Coefficient of
Performance – also das gleiche Verhältnis von Kältestrom
(Nutzen) zu Antriebswärmestrom (Aufwand) –
wie das Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid erlauben,
sollte aber zu keinen Kristallisations- und
Korrosionsproblemen führen. Die Performance der
neuen Evonik-Systemlösungen geht hier in eine sehr
vielversprechende Richtung.
Welche Kundengruppen wären an absorptionskältemaschinen
mit neuen arbeitsstoffpaaren
besonders interessiert?
Alle Kunden, die einen Bedarf an Kälte und gleichzeitig
Wärme aus der Produktion von Strom zur
Verfügung haben. Das reicht von Flughafen- und
Hotelbetreibern über Städteplaner bis hin zu Industrie
standorten. Insbesondere, wenn man wirklich
an energieeffizienten, nachhaltigen Kältekonzepten
interessiert ist, wird hier für viele Kunden kurz- bis
mittelfristig kaum ein Weg an der Absorptionskälte
vorbeiführen. Nicht vergessen sollte man auch den
Einsatz von Solarenergie zur Kälteerzeugung.
elements36 Ausgabe 3|2011

16 eneRgIeeFFIZIenZ
Zu den Stärken der neuen Arbeitsstoffpaare auf Basis ionischer
Flüssigkeiten gehört, dass sie in einem deutlich breiteren Temperatur­
und Druckbereich einsetzbar sind als die klassischen Varianten
Bedingungen für den Einsatz des Arbeitsstoffpaars Lithiumbromid/Wasser
Wasser (100 Gewichtsprozent)
Ionische Flüssigkeiten von Evonik/Wasser
56 58 80 88 Gewichtsprozent ionische Flüssigkeit
Lithiumbromid/Wasser
50 60 Gewichtsprozent
Kristallisationsgrenze Lithiumbromid (60–70 Gewichtsprozent Lithiumbromid)
Druck [mbar]
70
10
6
0
elements36 Ausgabe 3|2011
10 30 50 70 90 110
Temperatur [°C]
Maßschneidern von Absorptionsmitteln ohne Kristallisationsgrenzen
im Temperaturbereich von –100 °C bis +200 °C
Natriumchlorid (Tafelsalz)
Lithiumbromid
1­Methyl­3­Methylimidazoliumchlorid
1­Buthyl­3­Methylimidazoliumchlorid
Arbeitsstoffpaar von Evonik (nicht chloridbasiert)
Schmelzpunkt [°C]
1.000
800
600
400
200
0
–200
Klassische Arbeitsstoffpaare
haben Kristallisations-, Korrosions-
oder Toxizitätsprobleme
In den meisten Fällen kommt als Kältemittel Wasser
und als Absorptionsmittel Lithiumbromid zum Einsatz.
Wasser/Lithiumbromid gilt als effizientes Arbeitsstoffpaar.
Allerdings hat Wasserdampf ein großes
spezifisches Volumen und unterliegt relativ engen
Temperaturgrenzen, weshalb der Einsatz des Arbeitsstoffpaars
Wasser/Lithiumbromid auf die Klima -
ti sierung oder die Kältebereitstellung oberhalb von
0 °C beschränkt ist.
Das Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid hat
aber noch weitere Nachteile. Ein großes Problem ist
die Kristallisation des Lithiumbromids. Bei einem Anteil
von mehr als 65 Prozent in wässrigen Lösungen
kristallisiert Lithiumbromid bereits bei 25 °C – ein
Problem, das vor allem in feuchten und heißen Ländern
relevant ist. Dort sind deshalb mitunter teure
Kühlsysteme erforderlich, die die Kristallisation des
Lithiumbromids verhindern.
Darüber hinaus wirkt Lithiumbromid gerade bei
höheren Antriebstemperaturen stark korrosiv. Damit
können die besonders energieeffizienten, weil mehrstufigen
Absorptionskälteprozesse nur dann mit
Lithiumbromid betrieben werden, wenn größere
Mengen an Korrosionsinhibitoren oder teure korrosionsresistente
Werkstoffe verwendet werden.
Ionische Flüssigkeiten –
umwelt freundlich, nicht korrosiv
und nicht kristallisierend
Mitarbeiter des Geschäftsbereichs Advanced Intermediates
von Evonik haben dieses Problem des klassischen
Arbeitsstoffpaars schon vor Längerem erkannt.
In enger Kooperation mit dem Ser vice bereich
Verfahrenstechnik & Engineering des Unter nehmens
entwickelten sie eine neue Systemlösung, die als Arbeitsstoffpaar
in Absorptionskältemaschinen und
Wärmepumpen eingesetzt werden kann.
Ionische Flüssigkeiten sind Salze, also vollständig
aus Ionen aufgebaut, deren Schmelzpunkt unterhalb
von 100 °C liegt. Unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur
weisen ionische Flüssigkeiten keinen messbaren
Dampfdruck auf, sie sind thermisch und elektrochemisch
sehr stabil und lösen sich in vielen
organischen, anorganischen und organometallischen
Verbindungen. Ionische Flüssigkeiten bestehen für
gewöhnlich aus organischen Kationen und organischen
oder anorganischen Anionen. Ihre physikalischen
Eigenschaften lassen sich durch die Variation
der Ionenpaarung und -struktur gezielt einstellen.
Darüber hinaus sind sie im Allgemeinen im Vergleich
zu konven tionellen Salzen wie dem Lithiumbromid
nur sehr wenig korrosiv.
Aufgrund der Kompetenz in der großtechnischen
Herstellung von ionischen Flüssigkeiten und von
geeigneten Additiven ist es dem Team von Evonik

In einer Absorptionskältemaschine am Standort Hanau haben der
Geschäftsbereich Advanced Intermediates und die Fluidverfahrenstechnik
die neuen Arbeitsstoffpaare auf Basis ionischer Flüssig kei ten
entwickelt und getestet. In Feldversuchen werden die Arbeits stoffpaare
nun in Großanlagen einem Dauertest über mehrere Monate
unterzogen. Dabei gilt: Für jede Anlage der verschiedenen Hersteller
stellt Evonik das passende Arbeitsstoffpaar bereit, das direkt und ohne
technische Änderungen in die jeweilige Anlage eingefüllt werden
kann. Das ist Voraussetzung für eine erfolgreiche Markteinführung
gelungen, ein neues Arbeitsstoffpaar mit deutlichen
Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik zu entwickeln.
Voraussetzung dafür war die genaue Kenntnis
der Bedürfnisse und der Systeme der Kunden. Sie
erlaubte es, komplexe, nachhaltige Systemlösungen
zu erarbeiten, die aus neuen Absorptionsmitteln und
Performance-Additiven maßgeschneidert sind und
die umfangreichen Anforderungsprofile der Kältemaschinenbauer
erfüllen.
Und auch sonst punkten die neuen Arbeitsstoffpaare:
Sie sind deutlich weniger korrosiv als Wasser/
Lithiumbromid und besitzen einen deutlich breiteren
Arbeitsbereich. Grund hierfür ist, dass die ionischen
Flüssigkeiten von Evonik in Anwesenheit von Wasser
keine Kristallisationsgrenzen im Arbeitsbereich von
Absorptions kältemaschinen oder -wärmepumpen
aufweisen.
Die frühe Einbindung von Kunden, die die Anforderungen
des Marktes genau kennen, hat diese
Innovation deutlich begünstigt. Im Jahr 2012 will
Evonik Formulierungen von Arbeitsstoffpaaren für
Kältemaschinen und Wärmepumpen in den Markt
einführen.
Vielversprechende Feldtests
Derzeit laufen Feldtests mit verschiedenen Industriepartnern,
unter anderem zur Bereitstellung von Kälte
im Megawattbereich. Die Industriepartner, mit denen
Evonik zusammen arbeitet, wollen ganz unterschiedliche
Anwendungen mit dem neuen Arbeitsstoffpaar
von Evonik erschließen.
Bisher zeigen alle Technikumsversuche und
industriellen Feldtests, dass Kältemaschinen und
Wärmepumpen nach einem Wechsel des Arbeitsstoffpaars
von Wasser/Lithiumbromid auf die Systemlösung
von Evonik immer einen mindestens gleich
guten Wirkungsgrad (Coefficient of Performance)
aufweisen. Hinsichtlich Kristallisation und Korrosion
schneidet die ionische Flüssigkeit dagegen deutlich
besser ab.
Dank der neuen Formulierungen von Evonik für
Arbeitsstoffpaare lassen sich die Betriebsparameter
eines Absorptionssystems viel flexibler auslegen, was
sich positiv auf die Kosten auswirkt. So wird zum
Beispiel die effizientere Nutzung höherer Antriebstemperaturen
in mehrstufigen Anlagen mit trockener
Rückkühlung möglich. Das Potenzial von Absorptionssystemen
könnte sich also bald deutlich stärker
ausschöpfen lassen als bislang – zum Wohle einer
nachhaltigen und effizienten Energienutzung. 777
eneRgIeeFFIZIenZ 17
Dr. matthias Seiler arbeitet als Director New Business
Development im Geschäftsbereich Advanced Inter -
me diates von Evonik. Nach Studium der Verfahrens-
und Energietechnik an der TU Berlin und Promotion
im Bereich Polymerverfahrenstechnik/Polymer thermodynamik
an der Universität Erlangen-Nürnberg star tete
er 2004 seine berufliche Karriere im Service bereich
Verfahrenstechnik & Engineering von Evonik. Hier
leitete er zuletzt die Abteilung „Bringing Tech no logy
to Market“, bevor er 2010 seine aktuelle Position
übernahm. Parallel zu seiner beruflichen Tätigkeit
absolvierte er einen Executive MBA an der ESSEC &
Mannheim Business School.
+49 6181 59-3049, matthias.seiler@evonik.com
marc­Christoph Schneider beschäftigt sich im
Bereich New Business Development des Ge schäfts -
be reichs Advanced Intermediates mit Kälte an lagen
und Wärmepumpen. Nach Studium der Mathe matik
und Chemie an der TU Darmstadt arbeitete er ab
2008 im Bereich Business Development Form mas sen
der Evonik Röhm GmbH und studierte parallel dazu
Wirtschafts ingenieurwesen Chemie an der Hoch schule
Fresenius. 2009 wechselte er in die Ab teilung „Bringing
Techno lo gy to Market“ des Service bereichs Verfahrens
technik & Engineering und übernahm 2011 seine
aktuelle Position.
+49 6181 59-6664
marc-christoph.schneider@evonik.com
elements36 Ausgabe 3|2011

18 neWS
Evonik-Mitarbeiter erhält Preis für herausragende Dissertation
Dr. Stephan Peitz (29), Mitarbeiter von
Evonik, hat für seine 2010 abgeschlossene
Dissertation den mit 2.000 € dotierten
Joachim-Jungius-Preis der Gesellschaft der
Förderer der Universität Rostock e.V. (GFUR)
erhalten. Peitz beschäftigte sich am LIKAT –
dem Leibniz-Institut für Katalyse e.V. der
Universität Rostock – im Arbeitskreis von
Prof. Dr. Uwe Rosenthal mit der selek tiven
Tri- und Tetramerisierung von Ethylen zu unverzweigten
α-Olefinen. Mit dem Joachim-
Jungius-Preis würdigt die GFUR an der Uni
Rostock durchgeführte Arbeiten, die sich, so
die Vergabeordnung, „bezüglich Ex zellenz
und Originalität von den übrigen Disser tationen
herausheben und neue Im pulse für die
Wissenschaft liefern“.
„Wir freuen uns mit Herrn Peitz über die
Auszeichnung“, sagte Dr. Markus Winterberg,
im Geschäftsgebiet Performance Intermediates
verantwortlich für die Forschung in
Wärmedämmen mit hinterschäumtem PLEXIGLAS®
Wie lassen sich sanierungsbedürftige Altbauten
effizient wärmedämmen? Eine Antwort
darauf erarbeitet Evonik derzeit in seinem
Science-to-Business (S2B) Center Eco²,
das unter der Leitung der strategischen Forschungseinheit
Creavis Technologies & Innovation
steht. In der Entwicklungslinie „Lösungen
zur Steigerung der Energie ef fi zienz beim
Kunden“ entwickeln die Forscher des S2B
Eco² neuartige Fassadenelemente für sanierungsbedürftige
Altbauten, die Energie und
CO 2 sparen sollen.
Die Verringerung des Endenergie verbrauchs
beim Heizen von Gebäuden bietet
ein großes Potenzial für Energie- und CO 2 -
Einsparung. Auf den Gebäudebereich entfallen
rund 40 Prozent des deutschen Energieverbrauchs
und etwa 30 Prozent des klimaschädlichen
CO 2 -Ausstoßes. Um die Treibhaus
gasemissionen bis 2020 um 40 Prozent
zu senken, wird die Bundesregierung die
Energieeinsparverordnung (EnEV) kontinuierlich
überarbeiten.
Aktuell gilt die EnEV 2009; die nächste
Ver schärfung – voraussichtlich um 30 Pro -
zent – soll schon 2012 erfolgen. Laut dem
kürzlich verabschiedeten Energiekonzept der
Bundes regierung ist die energetische Sanierung
des Gebäudebestandes ein zentraler
Schlüssel dafür, die Klimaschutzziele zu er-
elements36 Ausgabe 3|2011
der C4-Chemie. „Sie zeigt uns einmal mehr,
dass wir mit Herrn Peitz einen hervorragenden
Wissenschaftler gewonnen haben.“ Seit
November 2010 arbeitet Peitz im Geschäftsgebiet
Performance Intermediates von
Evonik an Projekten der C4-Forschung.
Unverzweigte α-Olefine sind wertvolle
Bausteine für die industrielle Produktion beispielsweise
von speziellem Polyethylen, von
synthetischen Schmier ölen oder Reinigungsmitteln.
Bei ihrer Herstellung durch Oligomerisierung
von Ethylen entsteht jedoch üblicherweise
ein Olefingemisch, das nur mit hohem
Aufwand getrennt werden kann. Mit
seiner Dissertation zur homogenkatalytischen,
selektiven Tri- und Tetra me risierung
von Ethylen hat Peitz einen wesent lichen
Beitrag dazu geleistet, den Reaktionsmechanismus
aufzuklären. Dies ist Grund vor aussetzung
für das Auffinden geeigneter Kataly
satoren und für die Entwicklung eines
Schlanke Wärmedämmung: Mit dem PMMA Rigid
Foam Board, einer mit Polyurethan hinterschäumten
PMMA­Fassadenplatte aus PLEXIGLAS® Mineral, lässt
sich im Vergleich zu klassischen Wärmedäm m verbundsystemen
die Dämmdicke um ca. 30 Pro zent verringern
reichen; daher soll der Gebäudebestand in
Deutschland bis zum Jahr 2050 nahezu komplett
CO 2 -neutral sein. Die Sanierungsrate
für Gebäude soll von derzeit weniger als ein
Prozent des gesamten Gebäudebestandes pro
Jahr auf zwei Prozent verdoppelt werden.
Damit steigt der Bedarf an baulichem Wärme
schutz kontinuierlich.
Die sogenannten Nachkriegsbauten machen
etwa drei Viertel des Altbaubestandes
in Deutschland aus und bieten damit das
größte Potenzial, bei Gebäuden Energie und
selektiven, industriellen Prozesses mit hoher
Ausbeute. Eine Kommerzialisierung der
Arbeit von Peitz ist geplant.
Die Gesellschaft der Förderer der Uni versität
Rostock wurde am 17. Januar 1991 von
Mitgliedern der Universität und Vertretern
aus der Wirtschaft auf Initiative des damaligen
Rektors, Prof. Dr. Gerhard Maeß, gegründet.
Zu den 250 Mitgliedern zählen
Absolventen und Freunde der Universität,
Politiker und Vertreter aus Wirtschaft, Wissenschaft
und Kultur. Um den wissenschaftlichen
Nach wuchs zu fördern, verleiht die
GFUR jährlich unter anderem den Joachim-
Jungius-Förderpreis für hervorragende Disserta
tio nen. Joachim Jung ius (1587–1657) war
ein deutscher Mathe matiker, Physiker und
Philo soph und gilt als Wegbereiter einer
neuartigen naturwissenschaftlichen Denkweise
und der wissenschaftlichen Metho dologie
in Deutschland.
CO 2 einzusparen. Durch undichte Fen s ter
und Dächer sowie schlecht gedämmte oder
ungedämmte Wände geht bei diesen Gebäuden
viel Wärme verloren. Da sie der aktuellen
EnEV nicht genügen, ist eine Nach rüstung
zwingend erforderlich.
Eine Sanierung nach EnEV 2012 würde
aber bedeuten, dass die heute verwendeten
Dämmdicken von etwa 14 Zentimeter bei den
konventionellen Dämmstoffen wie Styropor
oder Mineralwolle nicht mehr ausreichten –
es wären Dämmdicken von etwa 20 Zentimeter
erforderlich. Kritische Bereiche einer
Fassade wie Fenster und Fensterlaibungen
oder auch das Einhalten von Grenzabständen
erschweren dann die fachgemäße Ausführung
und können zudem die Optik stören. Architektonisch
ansprechende Lösungen, die in
Neubauten leicht umgesetzt werden können,
erfordern bei bestehenden Bauten einen erhöhten
Aufwand. Demnach steigt der Bedarf
an neuartigen Dämmstoffen mit verbesserten
Dämm eigenschaften und vergleichsweise
geringen Dicken.
Evonik will diesen bedeutenden Markt
mit innovativen Produkten für die Ge bäudehülle
bedienen, die auch der zukünftigen
EnEV genügen. Eines dieser Produkte ist das
sogenannte PMMA Rigid Foam Board, eine
vor gefertigte, mit Polyurethan hinterschäumte

PMMA-Fassadenplatte aus PLEXIGLAS®
Mineral. Da Polyurethan besser dämmt als
Styropor oder Mineralwolle, bietet es einen
sehr guten Wärmeschutz bei vergleichs weise
geringen Dicken. Die Dämmdicke lässt sich
damit um rund 30 Prozent verringern.
Die Deckschicht der Fassadenplatte aus
PMMA dient als Witterungs- und UV-Schutz
und hält darüber hinaus mechanischen Beanspruchungen
stand. Für den „Sanierer“ bietet
das Produkt zudem ein alternatives Erscheinungs
bild zum klassischen Wärmedämm
verbundsystem mit verschiedenen
Gestaltungsmöglichkeiten etwa bei Farbe,
Struktur und Muster.
Um sich von marktüblichen Fassaden -
ele menten abzusetzen, lassen sich auch Licht-
Neue Faserverbundwerkstoffe für leichtere Autos
Ein schwerer Name für ein leichtes Ziel: Das
Projekt CAMISMA steht für Carbonfaser/
Amid/Metall-basiertes Innenstruktur-Bauteil
im Multimaterialsystem-Ansatz und will
Autos leichter machen. Evonik arbeitet in diesem
Projekt gemeinsam mit Partnern an
Materialien, die im Vergleich zu herkömmlichen
Systemen um 40 Prozent leichter sind
und sich kostengünstig in Serie produzieren
lassen.
Vor dem Hintergrund des Klimawandels
und der endlichen fossilen Energie vorkommen
ist die Entwicklung von ressourceneffizienten
und emissionsarmen Fahrzeu gen eine
zentrale Herausforderung. Das Fahrzeuggewicht
spielt dabei als verbrauchsrelevante
Größe eine besonders wichtige Rolle. Die
Notwendigkeit einer leichteren Fahrzeugstruktur
wird durch die Entwicklung batteriegetriebener
Elektrofahrzeuge noch verstärkt:
Leichtere Fahrzeuge machen in beiden
Fällen einen niedrigeren Verbrauch mög -
lich – beim Verbrennungsmotor reicht die
Tank füllung für mehr Kilometer, das Elektroauto
kommt mit einer Batterieladung weiter.
Seit Jahren arbeitet Evonik erfolgreich an
Materialien und Systemen für Leichtbauanwendungen.
Jetzt entwickelt Evonik in der
strategischen Forschungs- und Entwicklungseinheit
Creavis mit drei weiteren Industriepartnern
(Johnson Controls GmbH, Jacob
Plastics GmbH und Toho Tenax Europe
GmbH) sowie der Universität RWTH Aachen
(Institut für Textiltechnik und Institut für
Kraftfahrzeuge) ein neuartiges Leicht baukonzept,
um Stähle sowie Leichtmetalle teilweise
zu ersetzen. Das Projekt mit dem
effekte mit integrierter LED-Technik in der
Deckplatte erreichen. Ein wesentliches Merkmal
der Fassadenplatte ist auch die einfache
Montage mit bekannten, am Markt erhältlichen
Systemen. Eine fertige Fassade mit diesem
Produkt erfordert weniger Arbeitsschritte
als das herkömmliche Wärmedämmverbundsystem.
Die schnellere Montage und
die geringeren Montagekosten sind weitere
Vorteile für den Endkunden. Die PMMA-
Deckplatte lässt sich zudem plastisch verformen,
sodass auch besondere Detailelemente,
speziell Rundungen, einfach hergestellt und
montiert werden können.
Gemeinsam mit dem Architekturteam
des Geschäftsgebiets Acrylic Polymers und
dem Geschäftsgebiet Polyurethane Additives
Namen CAMISMA wird vom Bundes ministerium
für Bildung und Forschung gefördert
und gehört zum Rahmenprogramm „Werkstoffinnovationen
für Industrie und Gesellschaft“.
Es ist Anfang April 2011 gestartet und
zunächst auf drei Jahre angelegt.
Im Forschungsprojekt CAMISMA werden unter
anderem unidirektionale Carbonfaser­Tapes entwickelt.
Dabei handelt es sich um Halbzeuge aus längsgerichteten
Carbonfasern, die mittels eines thermischen
Polymers konsolidiert werden. Aufheizen und Verformen
führen dann zu einem Bauteil
Es geht dabei um Multimaterialsysteme –
zukünftige Leichtbauweisen für ressourcensparende
Mobilität. Bisher wurde ein niedrigeres
Gewicht unter anderem durch dünnere
Bleche erreicht. Mittlerweile sind diese Möglich
kei ten zu einem großen Teil ausgeschöpft.
Da her müssen neue Werkstoffe und Konstruk
tionsweisen entwickelt werden. In
diesem Zusammenhang erfahren faserver-
neWS 19
haben die Entwickler im S2B Eco² bereits
erste Demonstratoren erstellt. Sie bestehen
aus Platten aus PLEXIGLAS® Mineral, die mit
Polyurethan hinterschäumt, nachbearbeitet
und schließlich mit einem Nut-und-Feder-
System versehen wurden. Die Idee, die Fas -
sa denelemente mit marktüblichen Sys temen
an der Wand zu befestigen, sowie das Nutund-Feder-System
kamen vom Archi tek turteam
von Acrylic Polymers, das über entsprechende
Kompetenzen beim Einsatz von
PLEXIGLAS® in der Fassade verfügt. Das Geschäftsgebiet
Polyurethane Additives beriet
und unterstützte technisch insbesondere in
Bezug auf den Dämmstoff Poly ure than. Die
Fassadenplatte ist bereits zum Patent angemeldet.
stärkte Kunststoffe (FVK), insbesondere auf
Basis von Kohlenstofffasern, zunehmende
Auf merk samkeit. Bekannt aus dem Flugzeugbau,
bietet diese Materialgruppe durch ihre
hohe spezifische Festigkeit und aufgrund
ihrer hohen Formgebungsfreiheit die Möglichkeit
für neue Leichtbaukonzepte.
Allerdings sind diese Materialien für
Serienproduktionen im Kraftfahrzeugbau
bislang noch zu teuer. Wesentliche Gründe
hierfür sind die hohen Kosten für die Ausgangs
stoffe und die sehr zeitintensive Herstellung
von Bauteilen aus FVK. Sie kann
wirtschaftlich bislang nicht mit den üblichen
Blech umformverfahren konkurrieren. Genau
hier setzt das Projekt CAMISMA an: „Wir
planen hier kurze Taktzeiten, die auch eine
Groß serienproduktion wirtschaftlich ermöglichen“,
sagt Dr. Matthias Berghahn, Leiter
der Entwicklungslinie „Energieeffizienz Kunden
lösungen“ im Science-to-Business Center
Eco² von Evonik und zuständig für das Projekt
CAMISMA.
Ferner ist die Anbindung von FVK-Bauteilen
an die metallbasierte Fahrzeug struktur
noch nicht zufriedenstellend gelöst. Das
Pro jekt soll einen ganzheitlichen Lö sungsansatz
aufzeigen, der einen Zugang zu preiswerten
kohlenstofffaserverstärkten Multimaterial
systemen ermöglicht. Um die Machbarkeit
dieses Konzeptes zu belegen, wird
zum Bei spiel eine Autositzlehnenstruktur
als Funk tions muster entwickelt, gefertigt
und getestet. Ziel ist es, insgesamt mehr als
40 Pro zent des Gewichts im Vergleich zu
her kömm lichen metallbasierten Konstruktio
nen einzusparen.
elements36 Ausgabe 3|2011

20 KatalYSe
Lindlar-Katalysatoren: die bleifreie Alter
Für die stereoselektive Hydrierung
von Kohlen stoffdreifachbindungen zu
Koh lenstoffdoppel bindungen mit
Lindlar-Katalysatoren hat Evonik eine
Technologie entwickelt, die den Einsatz
von Blei überflüssig macht. Im Vergleich
zu den etablierten, bleihaltigen Lindlar-
Katalysatoren überzeugen die neuen
Katalysatoren auch mit ihren katalytischen
Eigenschaften: Sie sind ebenso
selektiv, zeigen aber eine deutlich
höhere Aktivität bei gleichzeitig geringerer
Beladung mit Palladium.
[ text Dr. Dorit Wolf ]
elements36 Ausgabe 3|2011
beI DeR hYDRIeRUng von Alkinen zu cis-Alkenen sind Lindlar-
Katalysatoren das Mittel der Wahl. Entsprechende Amin-
(Quinolin-)modifizierte und auf CaCO 3 geträgerte Palladiumkatalysatoren,
die partiell mit Blei vergiftet sind, eignen sich nicht
nur für die Hydrierung von Alkinen, sondern auch für die selektive
Hydrierung von Alkenen und von ungesättigten Aldehyden
sowie für die Bildung Boc(tert-Butyloxycarbonyl)-geschützter
Amine aus Aziden. Für diese Anwendungen bietet das Portfolio
von Evonik eine besonders leistungsfähige Variante bleihaltiger
Palladium(Pd)-Katalysatoren.
Unter Umweltaspekten ist der Einsatz des giftigen Bleis – es
galt lange als unverzichtbar, weil verantwortlich für die hohe
Stereoselektivität – allerdings ein Nachteil. Hier hat Evonik angesetzt
und eine bleifreie Alternative für die Hydrierung von
Alkinen zu cis-Alkenen entwickelt.
Die Basis dafür waren neueste wissenschaftliche Erkenntnisse,
wonach sich die Selektivität der Katalysatoren nicht durch
das Blei, sondern durch Form und Größe der Pd-Nanopartikel
steuern lässt. Die Pd-Partikel müssen dazu sehr klein sein, da
sie nur dann koordinativ ungesättigte Oberflächenplätze aufweisen.
Diese Oberflächenplätze ermöglichen es, durch den
Einbau von nicht toxischen Fremdatomen die elektronischen
Eigenschaften des Pd-Gitters so zu variieren, dass die Löslichkeit
von Wasserstoff im Pd-Gitter herabgesetzt wird. Da der im
Pd-Gitter gelöste Wasserstoff für die nicht selektiven Hydrierreaktionen
– die vollständige Hydrierung zum Alkan – verant-

Abbildung 1
Stereoselektive Hydrierung von 2­Hexin
zu cis­2­Hexen
Abbildungen 2–4
Gezeigt ist die Produktverteilung bei der Umsetzung
von 2­Hexin zu cis­2­Hexen, trans­2­Hexen und
Hexan für einen klassischen Lindlar­Katalysator (links)
und neu entwickelte kolloidbasierte Systeme:
Pd/CaCO 3 (Mitte) und Pd/C (rechts)
native
2­Hexin cis­2­Hexen
trans­2­Hexen Hexan
Lindlar (5 % Pd und 3,5 % Pb/CaCO3) Molarer Anteil [%]
100
●
●
●
80
60
40
20
0
●
0
●
●
●
●
●
20
●
●
●
●
●
40
●
●
●
60
●
● ●
● ●
● ●
80
●
1 % Pd/CaCO3 Molarer Anteil [%]
100
●●●
●
●
80
●
●
●
●
wortlich ist, weisen derartig modifizierte Katalysatoren eine
signifikante Selektivitätsverbesserung auf.
Dieses Prinzip lässt sich auf verschiedenen Trägermateri alien
(oxidische und Aktivkohlen) realisieren. Voraussetzung ist
allerdings, dass die winzigen Palladiumpartikel noch für die
Substrate zugänglich bleiben und nicht im Mikroporengefüge,
beispielsweise von Aktivkohlen, verschwinden.
Evonik hat hierzu basierend auf der Kolloidtechnologie ein
entsprechendes Herstellungsverfahren für die Katalysatoren
entwickelt. Auf diese Weise lässt sich die Aktivität im Vergleich
zur Lindlar-Technologie nahezu verfünffachen bzw. die Pd-
Beladung entsprechend senken. Die Selektivitäten der so erzeugten
Katalysatoren bei der Umsetzung von Alkinen zu
cis-Alkenen liegen auf einem vergleichbar hohen Niveau wie die
der klassischen Lindlar-Katalysatoren.
Eine einfache Modellreaktion, die stereoselektive Hydrierung
von 2-Hexin zu cis-2-Hexen (Abb. 1), verdeutlicht die Leistungsfähigkeit
der bleifreien Katalysatoren. Während der mit
Blei dotierte Lindlar-Katalysator eine Pd-Beladung von fünf Prozent
aufweist, konnte die Edelmetallbeladung bei den kolloidbasierten
bleifreien Systemen auf ein Prozent reduziert werden,
ohne dass die Aktivität abnahm. Gleichzeitig werden sehr hohe
Stereoselektivitäten und damit Ausbeuten zum gewünschten
cis-2-Hexen erzielt (Abb. 2–4). Aktuell optimiert das Geschäftsgebiet
Catalysts die Technologie gemeinsam mit einem Kunden
für industriell relevante Substrate. 777
100
Zeit [min]
60
40
20
0
●
H 2
Katalysator Katalysator
● ● ● ●
●
●
●
●
● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
●
●
●
● ● ● ● ●
0
●
●
●
●
●
45 90 135 180 225
●
●
●
Zeit [min]
80
60
40
20
0
ReFeRenZen
●
●
●
●
●
●
KatalYSe 21
PD Dr. Dorit Wolf ist seit 2004
Grup penleiterin in F&E im Evonik-
Ges chäftsgebiet Catalysts. Nach Studium
der Chemie an der Univer sität Leipzig
und der Promotion 1991 habilitierte sie
sich 1997 am Lehrstuhl für Technische
Chemie der Ruhr-Universität Bochum.
Nach ihrer Habi litation übernahm sie
die Leitung der Arbeitsgruppe Reaktions
technik am Institut für Angewandte
Chemie Berlin Adlershof e.V. 2001
wechselte sie zu Evonik und leitete im
Projekt haus Katalyse die Gruppe
Hete rogene Katalyse.
+49 6181 59-8746
dorit.wolf@evonik.com
[1] Lindlar, H.: Helv. Chim. Acta 1952, 35, 446
[2] Ghosh, A. K.; Krishnan, K.: Tetrahedron Letters 1998, 39, 947
[3] Righi, G.; Rossi, L.: Synthetic Communications 1996, 26, 1321
[4] Teschner, D. et al.: J. Catal. 2006, 242, 26
[5] Klasovsky, F.; Wolf, D.: Top. Catal. 2009, 52, 412–423
H 2
1 % Pb/C
Molarer Anteil [%]
100
●
● ● ●
●
● ● ● ● ● ●
● ● ●
●
0
●
●
●●●●●●● ● ● ● ● ●
● ●
● ● ● ●
40 80 120
160
200
Zeit [min]
elements36 Ausgabe 3|2011

22 ÖKobIlanZ
Präziser Blick aufs Ganze
Life Cycle Thinking: Eigenes Expertenteam bewertet bei neuen Produkten und Prozessen den gesamten Lebenszyklus
Mit Mengen und Marktpreis allein lässt sich heute die Wertigkeit eines chemischen Produkts nicht
mehr beschreiben. Experten von Evonik nutzen Ökobilanzen und Carbon Footprints, um den
kompletten Lebenszyklus zu analysieren. Denn durch Life Cycle Thinking kann ein Unternehmen
Wirtschaftlichkeit und Ökologie über die Werksgrenzen hinaus eng verzahnen.
[ text Thomas Engenhorst, Dr. Karsten Grönke ]
e10 ja oDeR neIn? Über Wochen beherrschte die Debatte um
den mit Bioethanol versetzten Kraftstoff in Deutschland die
Schlagzeilen. Die Lehren daraus? Verbraucher sind schnell verunsichert,
wenn ihnen die Vorteile eines neuen Produkts nicht
klar kommuniziert werden. Bio hin oder her. Rohstoff- und Produktionsketten
sind heute so komplex, dass keiner auf Anhieb
sagen kann, wie „öko“ eigentlich ein Produkt wirklich ist, das
Bio im Namen trägt.
Noch vor einigen Jahren hätte sich kaum jemand Gedanken
darüber gemacht, ob der zusätzliche Bioethanol in deutschen
Kraftstofftanks womöglich an anderer Stelle der Welt negative
Auswirkungen mit sich bringen könnte. Das wäre beispielsweise
dann der Fall, wenn zur Erzeugung der pflanzlichen Rohstoffe
für die Alkoholgewinnung Wald oder Weideflächen in Ackerland
umgewandelt würden. Oder wenn dafür dringend benötigte
Nahrungsmittel statt auf den Teller letzten Endes in den Tank
wanderten.
Heute ist dieser Blick aufs Ganze in nahezu allen innovativen
Branchen angekommen. Auch in der chemischen Industrie. Bei
der Entwicklung neuer oder der Verbesserung bestehender Produkte
geht es nicht mehr nur um den ökonomischen Mehrwert.
Im Mittelpunkt stehen noch ganz andere Fragen: Wie umwelt-
und klimaverträglich ist die gesamte Wertschöpfungskette? Ist
elements36 Ausgabe 3|2011
der gesamte Lebenszyklus wirklich nachhaltig? Und wie sehr
unterscheiden sich „neu“ und „alt“ bei ihren Umweltauswirkungen
ganz konkret?
Ökobilanz und Carbon Footprint
Das Instrumentarium, um diese Fragen zu beantworten, gibt es
seit Jahren: die Ökobilanz, englisch Life Cycle Assessment (LCA).
Mit einer Ökobilanz werden systematisch die Auswirkungen von
Produkten und Prozessketten auf die Umwelt analysiert. Abhängig
von der konkreten Fragestellung kann der gesamte Lebensweg
des Produkts betrachtet und bilanziert werden – von der
Rohstoffgewinnung über die Erzeugung der benötigten Energie,
die Materialherstellung, den Transport, die Anwendung und
Nutzung bis hin zum Recycling oder zur endgültigen Beseitigung.
Mithilfe des Life Cycle Thinking können verschiedene Prozessrouten
für das gleiche Produkt oder aber Alternativen mit gleichem
Kundennutzen miteinander verglichen werden. Daneben
decken Ökobilanzen auch Schwachstellen auf und zeigen Möglichkeiten
zur Verbesserung der Umwelteigenschaften in den
verschiedenen Phasen der Wertschöpfungskette.
Obwohl mit einer Ökobilanz eine Vielzahl von Umweltauswirkungen
von Produkten und Dienstleistungen betrachtet 333

In Ökobilanzen werden die einzelnen
Phasen des Produktlebens wegs sowie
sämtliche Umweltaspekte betrachtet
Wirkungskategorien
Rohstoffe
. . .
Ozonabbau
Eutrophierung
Versauerung
Globale Erwärmung
Cradle to Gate
Produktion
. . .
Ozonabbau
Eutrophierung
Versauerung
Globale Erwärmung
Gate to Gate
Cradle to Cradle/Grave
Lebenszyklus
Gebrauch des Produkts
. . .
Ozonabbau
Eutrophierung
Versauerung
Globale Erwärmung
ÖKobIlanZ 23
Wie umwelt­ und klimaverträglich
ist die gesamte Wertschöpfungskette
für ein Produkt – hier das Beispiel
Wärmedämmung – von den Rohstoffen
über seine Herstellung bis hin zu
seiner Entsorgung? Ist der gesamte
Lebenszyklus wirklich nachhaltig?
Antworten darauf liefert die Ökobilanz
Recycling/Entsorgung
. . .
Ozonabbau
Eutrophierung
Versauerung
Globale Erwärmung
elements36 Ausgabe 3|2011

24 ÖKobIlanZ
Mit der selbst entwickelten und von der Wirtschaftsprüfungsgesellschaft
PricewaterhouseCoopers
zertifizierten Methode der Carbon Footprint Estimation
untersucht die LCA­Gruppe alle Projekte im
Forschungs­ und Entwicklungsstadium des S2B Eco²
333 werden können, konzentriert sich die öffentliche Diskussion
seit wenigen Jahren vor allem auf deren Relevanz für den Klimaschutz.
Daher haben internationale Experten speziell für die
produktspezifische Bilanzierung von Klimagasen in den vergangenen
Jahren Methoden zur Errechnung des sogenannten Carbon
Footprint entwickelt. Der „CO2-Fußabdruck“ ist ein Maß
für alle Treibhausgasemissionen (angegeben in CO2-Äquivalen ten, CO2e), die im Lebenszyklus eines bestimmten Produkts anfallen.
Der Carbon Footprint ist damit ein wirksames Instrument,
um die Klimawirksamkeit von Waren und Dienstleistungen zu
bestimmen, zu bewerten und zu kommunizieren.
Sowohl LCA als auch der Carbon Footprint sind mittlerweile
international anerkannte Werkzeuge. Ökobilanzen basieren auf
der ISO-Norm 14040, ebenso wie aktuell noch der Carbon Footprint.
Speziell für Letzteren wird allerdings zusätzlich die ISO-
Norm 14067 ausgearbeitet, die 2012 veröffentlicht werden soll.
Denn der CO2-Fußabdruck hat sich mittlerweile zu einem Leitwert
innerhalb einer LCA entwickelt und gilt derzeit als wichtigster
Indikator mit großer politischer und internationaler Relevanz.
So steigert er bei Unternehmen und deren Lieferanten
und Kunden das Bewusstsein für die Klimarelevanz von Produkten
und Dienstleistungen. Ökobilanzen und Carbon Footprints
sind daher wertvolle Marketinginstrumente und gleichzeitig für
das Unternehmen selbst wichtige Bausteine bei der Weiterentwicklung
einer nachhaltigen Unternehmensstrategie.
Kunden wollen Bescheid wissen
Auch bei Evonik haben diese Themen innerhalb relativ kurzer
Zeit enorm an Bedeutung gewonnen. Im Unternehmen wurde
dazu im Science-to-Business (S2B) Center Eco² der Creavis Technologies
& Innovation, das sich mit Projekten zu Megatrends rund
um die Themen Klima und Energie beschäftigt, ein neunköpfiges
LCA-Expertenteam etabliert. Dieses setzt sich aus Wissenschaftlern
und Ingenieuren verschiedener Disziplinen aus dem
elements36 Ausgabe 3|2011
Servicebereich Verfahrenstechnik & Engineering zusammen.
Seine Aufgabe: konzernübergreifende LCA-Standards zu entwickeln,
die Produkte und Prozesse von Evonik hinsichtlich ihrer
Nachhaltigkeit und Klimarelevanz zu bewerten und die LCA-
Experten in den einzelnen Geschäftsbereichen mit internen Prozessanalysen
und kundenwirksamen Studien zu unterstützen.
Denn: Evonik mit seinem großen Produktportfolio ist auf
eine Vielzahl von importierten Rohstoffen angewiesen, die sich
in Umwelt- und Klimarelevanz, Gewinnung und Erzeugung stark
unterscheiden. Ein international agierendes Unternehmen wie
Evonik kann durch seine engen Beziehungen zu Rohstofflieferanten
einerseits und zu Kunden andererseits einen wichtigen
Beitrag zu einer ökologischen Verbesserung der Wertschöpfungsketten
leisten.
Dieses Ziel spiegelt sich in konkreten Fragen wider, denen
sich die Experten und Entwickler bei Evonik stellen: Wie können
Produkte und Prozesse nachhaltiger werden? Welchen CO 2 -
Fußabdruck hat eine bestimmte Chemikalie? Wie viel CO 2 spart
ein Kunde ein, der künftig ein verbessertes Produkt einsetzt?
Wie kann das Gesamtunternehmen seine Treibhausgasemissionen
am effizientesten reduzieren?
Mit Fragen dieser Art beschäftigen sich die Experten nicht aus
Altruismus. Vielmehr wächst von Jahr zu Jahr die Zahl der diesbezüglichen
konkreten Kundenanfragen. Das gilt insbesondere
für Geschäftsbereiche, die ihre Produkte an die Konsumgüterindustrie
liefern oder die in „CO 2 -sensiblen“ Märkten operieren,
etwa in der Automobilindustrie. Ein willkommener Nebeneffekt
bei der Beschäftigung mit Lebenszyklen und der Klimarelevanz
von Produkten: Häufig entsteht dabei eine Ko operation zwischen
Evonik und Kunden, die sich gemeinsam die Frage stellen, wie
Produkte weiter verbessert werden können.
Life Cycle Thinking beginnt bereits im Labor. Also dort, wo
sich Entwickler Gedanken machen über neue oder verbesserte
Produkte und Prozesse. So nimmt die LCA-Gruppe seit 2009 alle
Projekte des S2B Eco² im Forschungs- und Entwicklungsstadium

Rohstoffe
Transport
CO 2 e­Rucksack
Thermische Energie Strom
Bei der Carbon­Footprint­Estimation­
Methodik stehen die Treibhausgase im
Mittelpunkt. Dabei werden die Emissionen
an CO 2 ­Äquivalenten (CO 2 e) über den
gesamten Lebensweg abgeschätzt
Produktionsprozess
Produkt
Nebenprodukt
Prozessbedingte
CO 2e­Emissionen
unter die Lupe und erarbeitet sowohl für die dort bearbeiteten
Forschungsprojekte als auch für die Vorhaben der unterschiedlichen
Geschäftsbereiche im Konzern Ökobilanzen und Carbon
Footprints. Denn nicht alles, was neu ist, ist per se nachhaltig.
Und damit ein ökonomisches Plus Hand in Hand geht mit ökologischem
Mehrwert, müssen die für eine gute Ökobilanz wesentlichen
Punkte frühzeitig adressiert werden.
Wie aber führt man solche Analysen durch, wenn das neue
Produkt oder der verbesserte Prozess erst im Laborstadium existiert?
In dieser frühen Phase sind viele Randbedingungen noch
ungeklärt, beispielsweise an welchem Standort später produziert
werden soll, welche realen Ausbeuten der Prozess im großtechnischen
Maßstab haben wird oder wie sich der konkrete Energiemix
bei Aufnahme der Produktion zusammensetzt.
Für Berechnungen in diesem frühen Stadium hat die LCA-
Gruppe im S2B Eco² die Carbon-Footprint-Estimation-(CFE-)
Me thodik entwickelt. Diese erlaubt eine standardisierte Bewertung
von Forschungsprojekten in allen Lebenszyklusphasen und
stellt dadurch sicher, dass unterschiedliche Produktentwicklungen
von Evonik nach vergleichbaren Kriterien bewertet werden.
Das Modell sieht verschiedene Möglichkeiten vor, um das Risiko
unvollständiger oder schlechter Daten zu minimieren, beispielsweise
durch iterative Expertenkontrollen und die Verwendung
konservativer Annahmen. Die von der unabhängigen Wirtschaftsprüfungsgesellschaft
PricewaterhouseCoopers (PwC) geprüfte
Methodik richtet den Fokus zwar insbesondere auf die
Klimaauswirkungen, kann jedoch um zusätzliche ökolo gische
oder soziale Faktoren erweitert werden. Sie lässt sich darüber
hinaus auf gezielte Fragestellungen in anderen F&E-Bereichen
übertragen.
Die Projekte des S2B Eco² durchlaufen in der Bewertung einen
mehrstufigen iterativen Prozess und müssen in ihren verschiedenen
Entwicklungsstadien einen positiven Einfluss auf die
Klimabilanz unter Beweis stellen. Die entscheidende Frage bei
den Analysen ist, ob das neue Produkt oder der verbesserte Pro-
Produktgebrauch
Thermische Verwertung
Ende des
Produktlebenszyklus
Cradle to Gate Gate to Grave
ÖKobIlanZ 25
duktionsprozess in der Lage ist, jährlich die vorgegebene Menge
CO 2 -Äquivalente über den gesamten Lebenszyklus einzusparen.
Nur wenn diese Frage mit Ja beantwortet werden kann, erhält
das Forschungsprojekt in dieser Dimension grünes Licht.
Aminosäurediät für eine
nachhaltigere Tiermast
Recycling
Entsorgung
Eine Ökobilanz allein hat nur beschränkten Nutzen. Ihren Wert
spielt sie immer im direkten Vergleich aus – idealerweise mit
einem Produkt, das bereits am Markt etabliert ist oder das denselben
Zweck erfüllt. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür ist der
Vergleich von verschiedenen Futtermitteln für Schweine oder
Hühner. Evonik produziert die vier für die Tierernährung wichtigsten
Aminosäuren, die wesentlich darüber bestimmen, wie
effizient das Eiweiß im Futter verwertet werden kann. Weil gängige
pflanzliche Futtermittel immer Defizite an einer oder mehreren
Aminosäuren aufweisen, brauchen die Tiere in der Regel
mehr Futter. In der Folge produzieren sie auch mehr Gülle, die
das Grundwasser mit Nitrat und die Luft mit Ammoniak belastet.
Wird Tierfutter dagegen so zusammengestellt, dass es ein
maßgeschneidertes Aminosäurespektrum bietet, ist damit nicht
nur eine optimale Versorgung der Tiere sichergestellt. Gleichzeitig
werden sowohl die stickstoffhaltigen Emissionen als auch
die Treibhausgase der landwirtschaftlichen Lebensmittelproduktion
im gesamten Lebenszyklus (Ackerbau,Verarbeitung
etc.) gemindert.
In umfangreichen Ökobilanzen wiesen Experten von Evonik
nach, dass der gezielte Zusatz bestimmter Aminosäuren zum
Futter wesentliche Vorteile hat gegenüber einer Supplementierung
mit proteinreichem Raps- oder Sojaschrot (s. elements33,
S. 8ff). Für die Schweinemast beispielsweise haben sie errechnet,
dass die Emissionen an CO 2-Äquivalenten um den Faktor zwei
bis fünf, das Versauerungspotenzial um den Faktor zwölf, das Eutrophierungspotenzial
um den Faktor 16 niedriger liegen. 333
elements36 Ausgabe 3|2011

26 ÖKobIlanZ
AminoFootprint, der „Ökorechner“ von
Evonik: Mit dieser Software können Kunden
aus der Futter mittel industrie verschiedene
Futtermittel mischungen im Hinblick auf die
Umweltauswirkungen über den gesamten
Lebensweg vergleichen
elements36 Ausgabe 3|2011

333 Die Zugabe von Aminosäuren ersetzt zudem pflanzliche Ressourcen
und verringert die notwendige Anbaufläche. Darüber
hinaus muss weniger Energie zur Verarbeitung und Bereitstellung
der erforderlichen Rohstoffe aufgewendet werden. Für die
Unterstützung der Kunden des Geschäftsbereichs Health & Nutrition
bei der ökologischen Bewertung von unterschiedlichen
Futtermittelmischungen über den gesamten Lebensweg hat die
LCA-Gruppe in Zusammenarbeit mit den Experten des Geschäftsbereichs
die Software AminoFootprint entwickelt.
Aus Rizinusöl entstehen hochwertige Polymere
Viele Ökobilanzen in der chemischen Industrie stellen die Frage
„Bio oder fossil?“, suchen also den Vergleich von nachwachsenden
mit öl-, gas- oder kohlebasierten Rohstoffen. Nachwachsende
Rohstoffe (NaWaRo) gewinnen selbst in technisch anspruchsvollen
Einsatzbereichen immer mehr an Bedeutung. Ihr
Vorteil kann die günstigere CO 2 -Bilanz sein: Werden Inhaltsstoffe
von Pflanzen in chemischen Prozessen umgewandelt und
weiterverarbeitet, wird dabei zwangsläufig Energie verbraucht
und Kohlendioxid erzeugt. Je nach Effizienz der Verfahren wird
in Summe entsprechend mehr oder weniger als die Menge des
zuvor beim Wachstum pflanzlich gebundenen CO 2 ausgestoßen.
Auch Polymerketten lassen sich ganz oder teilweise aus biobasierten
Bausteinen synthetisieren. Zu den seit Langem am
Markt bewährten Polyamiden von Evonik gehört die Produktfamilie
VESTAMID® des Geschäftsbereichs Performance Polymers,
die meist für langlebige und technisch anspruchsvolle Anwendungen
genutzt wird: für Kraftstoff- und Bremsleitungen
im Automobil, für Erdölförderleitungen und Gasdruckrohre, für
Sohlen hochwertiger Sportschuhe oder für antielektrostatische
Gehäuse von Geräten.
Seit 2008 produziert Evonik in einer Anlage südlich von
Schanghai aus Rizinusöl eine Reihe von Monomeren für mehrere
biobasierte Polyamide, die unter dem Namen VESTAMID®
Terra vermarktet werden. Die Berechnungen zeigten, dass das
globale Erderwärmungspotenzial beispielsweise des VESTAMID®
Terra HS (Polyamid 610) geringer ausfällt als das des chemisch
Der tropische Wunderbaum
(Ricinus communis) als Rohstoffquelle:
In Schanghai produziert Evonik aus
Rizinusöl, das aus den Samen der
Pflanze gewonnen wird, Monomere
für biobasierte Polyamide
H
N
H
N
6 8
O O
VESTAMID® Terra HS
PA 610
Basiert zu 62 Prozent auf
nachwachsenden Rohstoffen
n
ÖKobIlanZ 27
ähnlichen und fossil erzeugten Polyamids 6 („Perlon“, Vergleich
basiert auf Literaturwerten). Wird darüber hinaus noch der Produktionsprozess
für den Kunststoff optimiert, sinken die Emissionen
an CO 2 -Äquivalenten um 15 bis 20 Prozent.
Nachwachsende Rohstoffe wie Pflanzenöle oder Zucker haben
sich in den vergangenen Jahren einen festen Platz im
Stoffspektrum der chemischen Industrie erobert. Bei Evonik sind
derzeit etwa sieben Prozent aller Ausgangsmaterialien biobasiert.
Für Rohstoffe vom Acker spricht vieles: Sie sind nicht
endlich. Sie haben oftmals ein gutes Image bei Kunden, Politik,
Medien und Endverbrauchern. Außerdem hat die Natur insbesondere
in Pflanzen eine unüberschaubar große Vielfalt an Substanzen
geschaffen, deren Potenzial die chemische Industrie
noch längst nicht ausgeschöpft hat.
Dass der Chemie dabei eine ähnliche Debatte wie dem E10
droht, ist eher unwahrscheinlich. Im Vergleich zur kraftstofferzeugenden
Industrie benötigt die chemische Industrie eine um
Größenordnungen geringere Menge an pflanzlichen Rohstoffen.
In einer groß angelegten Studie des internationalen Chemieverbandes
ICCA (www.icca-chem.org) konnte gezeigt werden, dass
die chemische Industrie viele Produkte und Lösungen anbietet,
die zur Verringerung von Treibhausgasemissionen führen. So
kann beispielsweise der Einsatz von neuen Hochleistungspolymeren
im Automobilbau zu einer Verringerung des Fahrzeuggewichts
und damit zur Kraftstoffeinsparung beitragen.
„Bio“ ist nicht immer ökologischer
Allerdings: Nicht immer ist „bio“ nachhaltig und ökologisch sinnvoller
als die klassische Chemie. Beispielsweise dann nicht, wenn
die Nutzung nachwachsender Rohstoffe einen besonders hohen
Energieinput benötigt oder wenn im Lebenszyklus des Produkts
schädliche oder gar giftige Emissionen freigesetzt werden.
Ökobilanzierer tun sich mit NaWaRo manchmal noch etwas
schwer. Denn gerade die regionalen Besonderheiten und die
häufig noch schlechte Datenlage führen zu einer großen Bandbreite
an Ergebnissen. Darüber hinaus wird in verschiedenen
Gremien noch an einer Standardisierung der Methodik 333
H
N
H
N
10 8
O O
VESTAMID® Terra DS
PA 1010
Basiert zu 100 Prozent auf
nachwachsenden Rohstoffen
n
H
N
H
N
10 10
O O
VESTAMID® Terra DD
PA 1012
Basiert zu 45 Prozent auf
nachwachsenden Rohstoffen
elements36 Ausgabe 3|2011
n

28 ÖKobIlanZ
naChhaltIgeRe ChemIe
Chemie oder Bio? Chemie und Bio!
Schon seit vielen Jahren gibt es den scheinbaren
Konflikt zwischen Chemie und Bio.
Erstere steht typischerweise für die Produk
t ion mit organischen Lösemitteln unter
hohem Druck und erhöhten Temperaturen.
Bio umfasst die biotechnologischen Verfahren,
bei denen spezielle Mikroorganismen
oder daraus isolierte Enzyme in wässriger
Lösung unter milden Bedingungen die gewünschten
Rohstoffe bilden.
Tatsächlich haben biotechnologische
Prozesse große Fortschritte gemacht. Sie
sind heute effizienter und wirtschaftlicher
als noch vor wenigen Jahren. Sie sparen
Fließschema des enzymatischen
und des chemischen
Herstel lungsprozesses für
Emollient­Ester, die Evonik
mittels einer Ökobilanz
verglichen hat
elements36 Ausgabe 3|2011
Lassen sich Holzabfälle
vollständig für Che mieprodukte
verwerten?
Dieser Frage geht ein
Forschungsverbund aus
20 Partnern, darunter
Evonik, in Leuna nach
Konventionell
Flüchtige Verbindungen
Abwasser
Abwasser
Feststoffabfälle
in der Regel Energie, erzeugen wenig Abfall,
die Gefahren für Mensch und Umwelt sind
gering.
Dieses Potenzial nutzt Evonik beispielsweise
für die biotechnologische Produktion
sogenannter Emollient-Ester, wichtiger
Inhalts stoffe für zahlreiche Hautpflege produkte.
Evonik produziert sechs dieser Ester
als weltweit einziger Anbieter auf biotechnologischem
Weg mit maßgeschneiderten
Enzymen. Das jüngste Pro dukt dieser Reihe,
TEGOSOFT® AC, zeichnet sich durch besondere
Leichtig keit und geringe Öligkeit
aus. Die Ökobilanz spricht eine deutliche
Rohstoffe
Reaktion
Desodorierung
Bleichen
Trocknen
Filtration
Verpackung
Katalysator
Dampf
Bleichmittel
Filterhilfsstoffe
Sprache. Der Vergleich der Herstellung
eines Emollient-Esters durch Lipase B aus
einem Candida-Bakterium mit der konventionellen
Synthese bei 220 °C mit Zinn(II)salzen
als Katalysator zeigte: Der biokatalytische
Weg spart mehr als 60 Prozent
Energie und vermeidet 88 Prozent umweltbelastende
Verunreinigungen.
Trotz solcher Erfolge wird auch heute
noch die überwiegende Zahl der Chemiepro
dukte klassisch synthetisiert. Denn biotechnologische
Prozesse benötigen eine
lange Entwicklungszeit, die Aufar beitung,
Reinigung und Konzentration der erzeug-
Enzymatisch
Rezyklierter
Katalysator
Temperatur
> 180 °C
140 °C
100 °C
60 °C
20 °C
Rohstoffe
Reaktion
Verpackung

ten Bioche mikalien ist aufwendig, der Umgang
mit empfindlichen Zellen oder Enzymen
nicht immer einfach.
Chemie oder Bio? In vielen Fällen stellt
sich diese Frage so gar nicht. In Zukunft
wird die Kombination aus beidem der Königsweg
sein. Wenn chemische und biologische
Synthesen verzahnt werden, können
beide Disziplinen ihre Stärken kombinieren:
die Che mie beim Umsatz großer Volumina
und bei der Synthese einfacher Mole küle,
die Biologie bei der Bildung komplexer
Struk tu ren und der Umwand lung schwer
spaltbarer Ausgangsstoffe.
Ein Einstieg in diese neue Kooperation
könnten Bioraffinerien sein. In diesen Anlagen
entstehen analog zu petrochemischen
Raf finerien kaskadenartig ganz unterschiedliche
Chemikalien, Roh stoffe oder Kraftstoffe
– allerdings nicht aus Rohöl, sondern
aus Biomasse. Bioraffinerien der zweiten
Generation verarbeiten nicht mehr nur
Stärke und Zucker wie ihre Vorgänger, sondern
Ligno cellulose aus Pflanzenab fäl len
wie Stroh und Bagasse, den fase rigen Überresten
der Zuckerherstellung.
Evonik beteiligt sich an einem Forschungsverbund
aus 20 Part nern, der eine
Testanlage im 100-Tonnen-Maßstab am
Chemie standort Leuna in Betrieb nehmen
will. In der dreijährigen Pilot phase soll die
vollständige Verwertung von Holzab fällen
in Chemie produkte erstmals getestet und
die Basis für industrietaugliche Prozes se
gelegt werden. Gelingt es, wertvolle Rohstoffe
aus Materialien herzustellen, die
bisher nichts weiter als Abfälle oder billige
Brennstoffe sind, wäre das ein großer Schritt
nach vorn – für die weiße Biotech no logie
als Disziplin, aber auch ganz allgemein für
eine nachhaltigere Chemie.
ÖKobIlanZ 29
333
gearbeitet. Die objektive Darstellung inklusive aller Randbedingungen
und die Interpretation der Ergebnisse sind daher
von zentraler Bedeutung.
Dagegen sind die Resultate für fossile Rohstoffe recht gut
nach vollziehbar und zeigen relativ geringe Abweichungen. Auf
Ökobilanzen spezialisierte Firmen haben mittlerweile Software-
Pakete entwickelt, die die vielen Einflussfaktoren in einen praktikablen
Zusammenhang bringen. Evonik nutzt für seine Berechnungen
eine Software mit dem Namen GaBi, entwickelt von
PE International mit Sitz in Stuttgart – eine Firma, die Marktführer
ist bei Ökobilanzmodulen für industrielle Prozesse.
Trotz aller Fragen, die Ökobilanzen und Carbon Footprint
derzeit noch aufwerfen: In fünf bis zehn Jahren, davon sind wir
überzeugt, wird die ganzheitliche Bilanzierung von alternativen
Rohstoffen, von neuen Produkten und Prozessen im chemischen
Alltag fest verankert sein. Bis dahin werden sich Standardisierung
und Normung weiterentwickelt haben. Transparenz, Glaubwürdigkeit,
Vergleichbarkeit und Zuverlässigkeit der Resul tate
werden wachsen.
Allerdings: Life Cycle Thinking ist eine bestimmt nicht einfache
Herausforderung. Wir stehen erst am Anfang einer umwälzenden
Entwicklung. Die chemische Industrie muss über
kurz oder lang ihre gesamte Rohstoffbasis neu entwickeln. Sie
muss ihre endlichen fossilen Rohstoffe wann immer möglich und
sinnvoll gegen nachwachsende ersetzen. Und das nicht nur durch
bloßen Austausch, sondern auch durch wirtschaftliche und geschickte
Integration in die bestehenden Produktionsketten.
LCA und Carbon Footprint helfen dabei, den Blick aufs Ganze
zu richten, Zusammenhänge zu verstehen, einzelne Abschnitte
einer Wertschöpfungskette zu bewerten und Schwachstellen
aufzuspüren. Sie helfen, anders gesagt, ganzheitlich zu denken –
eine unabdingbare Voraussetzung in einer Welt mit immer komplexeren
Rohstoff- und Produktströmen, mit weiter wachsenden
Anforderungen an Umwelt- und Klimaschutz, mit der Verpflichtung,
zur Verfügung stehende Rohstoffe so sparsam, so intelligent
und so effizient wie nur möglich zu nutzen. 777
thomas engenhorst studierte Bioingenieurwesen
an der TU Braunschweig, wobei er ein Jahr unter
Förderung des Deutschen Akademischen Austauschdienstes
an der Universität Waterloo in Kanada absolvierte.
Er ist seit 2008 Mitarbeiter bei Verfahrenstechnik
& Engineering. Neben der Bearbeitung von
bioverfahrenstechnischen Fragestellungen ist er in der
LCA-Gruppe für Koordination, Durchführung und
Weiterentwicklung von Life Cycle Assessments und
deren Nutzung unter anderem bei Kunden, Industrieverbänden
sowie im Rahmen von Förderprojekten
verantwortlich.
+49 6181 59-3865, thomas.engenhorst@evonik.com
Dr. Karsten grönke studierte Verfahrenstechnik an
der TU Cottbus. Nach einem Auslandsjahr an der TU
Delft im Bereich Biotechnologie, Diplomarbeit bei der
Bayer AG in der Bioverfahrenstechnik und Promotion
in der Fermentationstechnik am Institut für Biotech nologie
im Forschungszentrum Jülich ist er seit 2006 in
der biotechnologischen Prozessentwicklung im Service -
bereich Verfahrenstechnik & Engineering tätig.
Da ne ben entwickelt er in der LCA-Gruppe im S2B Eco²
LCA-Methoden und erstellt Ökobilanzen – für Produkte
und Forschungsprojekte von Evonik.
+49 2365 49-2384, karsten.groenke@evonik.com
elements36 Ausgabe 3|2011

30 neWS
Zahnersatz auf Basis von VESTAKEEP® PEEK auch für Allergiker geeignet
VESTAKEEP® PEEK von Evonik Industries
dient als Basismaterial für die neuen Halbzeuge
der NT-Trading GmbH zur Produktion
von Zahnersatz. Die Halbzeuge mit dem
Na men Dentokeep bieten gegenüber den
bisher verwendeten Materialien eine Reihe
von Vor teilen: Halbzeuge aus Dentokeep
haben bes sere mechanische Eigenschaften als
herkömmliche Halbzeuge, sind leichter zu
verarbeiten als Keramik und im Gegensatz zu
Titan auch für Allergiker geeignet. Zudem ist
der Hochleistungskunststoff Polyethe r etherketon
(PEEK) elastischer als Metall. Für den
Patienten bedeutet dies einen angenehmeren
und natürlicheren Tragekomfort.
Dentokeep eignet sich für Kronen,
Brü cken und Schienen genau so wie für
herausnehmbare Konstruktionen mit Halteele
men ten. „Wir haben uns nicht nur wegen
der guten mechanischen Eigenschaften und
der Biokompatibilität für VESTAKEEP® PEEK
entschieden“, so Dirk Jahn, geschäftsführen-
elements36 Ausgabe 3|2011
der Gesellschafter von NT-Trading. „Für uns
war vor allem von Bedeutung, dass PEEK
schon seit Jahren als Werkstoff für medizinische
Eigenschaften eingesetzt wird.“ Die ohnehin
schon einzigartigenMaterialeigenschaften
des neuen Biomaterials werden
durch ausgewählte Zusatzstoffe und ein spezielles
Fertigungsverfahren noch weiter verbessert.
Die per CAD/CAM-Verfahren konstruierten
prothetischen Komponenten können
auf Restzahnstümpfen oder Implantat-
Natürlicher
Tragekomfort mit
Zahnersatz aus
VESTAKEEP® PEEK
Neue Liner-Technologie spart bis zu 50 Prozent Kosten
Evonik Industries und Swagelining Limited,
Glasgow (UK), arbeiten an einer alternativen
Technologie für Tiefseerohre zur Ölför derung.
Noch befindet sich die gemeinsame
Entwicklung in einem frühen Stadium, doch
das Potenzial ist immens. Anstelle der bisher
häufig genutzten Edelstahlrohre zur Öl förderung
in großen Meerestiefen entwickeln
die beiden Unternehmen nun ein ganz neues
Konzept: eine Kombination aus etablierter
Liner-Technologie von Swagelining und dem
speziell zugeschnittenen Polyamid 12
VESTAMID® von Evonik. In Wasser injektionsleitungen
ist diese Technolo gie auf Basis
von PE-Linern seit vielen Jahren weltweit etabliert.
VESTAMID® von Evonik ermöglicht
nun die Weiterentwicklung, um Ölförder leitungen
bis zu 100 °C Betriebs temperatur zu
schützen. Schwarzstahlrohre sind im Vergleich
zu den bisher verwendeten Edel-
Abutments befestigt werden und gewähren
eine grundlegende ästhetische und funktionelle
Versorgung.
Die besondere Eigenschaftskombination
der VESTAKEEP® PEEK Polymere macht sie
auch in anderen Teilen des Körpers zum bevorzugten
Implantatmaterial: In der Orthopä
die, im Herz-Kreislauf-Bereich und in
Wirbelsäulenimplantaten ist PEEK den klassischen
Materialien wie Titan und Kobalt-
Chrom in beinahe allen Belangen überlegen.
stahlrohren deutlich günstiger und wesentlich
einfacher verfügbar. Doch gleichzeitig sind
sie bedeutend anfälliger gegen Korrosion.
Schwarz stahlrohre mit Linern auf Basis von
VESTA MID® hingegen sind vor Innen korrosion
geschützt und bieten weiterhin einen
enormen Ge wichts- und Preisvorteil. In der
derzeitigen Entwickl ungsphase wird das
Poly amid 12 in die bewährte Technologie von
Swagelining integriert.
Neues 0W-20 Motorenöl reduziert Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Ausstoß
Für das RED-Motorsport-Team war es ein
guter Auftakt: Im ersten von sechs AVD-100-
Meilen-Rennen der Saison belegte sein Lotus
Exige den ersten Platz in der Klasse GT4. In
der Gesamtwertung des Mitte Mai im italienischen
Franciacorta durchgeführten Rennens
kam der Wagen auf Platz 16 von insgesamt
31 Teilnehmern.
Ein Erfolg ist das auch für den Evonik-
Konzern, der den Lotus Exige sponsert. Denn
das Rennen war gleichzeitig ein Test lauf für
ein neues Motorenöl, zu dem das Ge schäftsge
biet Oil Additives mit neuen und inno va-
tiven Schmierstoffkomponenten beigetragen
hat. „Zusammen mit unserem strate gischen
Part ner, der Fuchs Europe Schmier stoffe
GmbH, wurde ein neues Motorenöl entwickelt,
das den Kraftstoffverbrauch und die
CO 2 -Emis sionen erheblich reduziert“, betont
Geschäfts gebietsleiter Norbert Wester holt.
VISCOPLEX® und VISCOBASE® heißen
die Schmierstoffkomponenten von Evonik,
die als Bestandteil des innovativen Hoch leistungsmotorenöls
zu einer deutlichen Reibungs
minderung im Motor beitragen. Dies
führt einerseits zu einer messbaren Leistungs-
steigerung, andererseits zu einem geringeren
Kraftstoffverbrauch. Und der kommt nicht
nur dem Geldbeutel der Autofahrer zugute,
sondern auch der Umwelt – schließlich bedeutet
geringer Kraftstoffverbrauch auch weniger
CO 2 -Ausstoß.
Die Automobil- und Zulieferindustrie ist
permanent auf der Suche nach Optimierungspotenzialen
hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs.
Verbesserungen im niedrigen
einstelligen Prozentbereich gelten hier bereits
als Errungenschaften. Das gilt umso
mehr, als die EU mittlerweile CO 2-Ober-

grenzen für Neuwagen festgelegt hat. Für
Evonik wiederum ist Ressourceneffizienz
schon seit Langem ein großes Thema. Daher
war es kein Zufall, dass sich der Schmier stoffhersteller
Fuchs auf der Suche nach neuen
Kom ponenten an Evonik wandte – und fündig
wurde.
Dank eines ausgeklügelten Entwicklungsprozesses
konnte das neue 0W-20 Motorenöl
rechtzeitig zum Beginn der Rennsaison an
den Start gehen. „Da die Anforderungen an
die Einzelkomponenten technisch sehr hoch
waren, mussten sie bei uns teilweise neu
entwickelt und hergestellt werden“, so Dr.
Thors ten Bartels, Leiter des Testlabors für
Öl ad di tive bei Evonik in Darmstadt. Bartels
und sein Team haben im vergangenen Jahr
den neu entwickelten Hochleistungs schmierstoff
im Motorenprüfstand optimiert sowie
im Renn fahrzeug unter praxisnahen Fahrbedingungen
auf mehreren Teststrecken erprobt,
bis er letz tendlich für den Renneinsatz
startklar war.
Im Lotus Exige bringt das Automotive
Industry Team (AIT) von Evonik regelmäßig
in novative Technologien für den Auto mobilbau
zum Einsatz – nicht nur im Bereich
Kapazität für Glycin erweitert
Evonik Industries hat aufgrund steigender
Nach frage seine Kapazität für die Pharmaaminosäure
Glycin um 50 Prozent erhöht.
Dies wurde durch Effizienzsteigerungen im
Glycin dient unter
anderem als Inhaltsstoff
für Infusionslösungen
Schmierstoffe und Kraftstoffeinsparung, sondern
auch aus den Kompetenzfeldern Leichtbau
oder Oberflächentechnologien. So ist das
für diese Saison konstruierte Lotus-Modell
gerade einmal 780 Kilogramm schwer. Die
Ge wichtsreduktion resultiert aus dem Einsatz
verschiedener Evonik-Technologien wie zum
Beispiel dem struktursteifen Schaumkern
ROHACELL® in der Karosserie.
Für das AIT, in dem sich Auto mobil experten
des Konzerns zusammengeschlossen
Herstellungsprozess möglich. Evonik produziert
die Aminosäure an seinem chinesischen
Standort Nanning entsprechend den strengen
Vorgaben der cGMP (current Good Manufacturing
Practice) und des Europäischen
Arzneibuchs (CEP; Certificate of Suitability
of Monographs of the European Pharmacopoeia).
Derzeit investiert Evonik in Nanning
in eine neue Anlage, um durch Mahlen
und Sieben das Spektrum an Spezialitäten zu
erweitern. Die neuen Qualitäten sollen ab
Ende 2011 verfügbar sein.
„Wir verzeichnen derzeit eine starke
Nachfrage nach unserem Glycin“, sagt Dr.
Thomas Hermann, Leiter der Produktline
Rexim. „Dank der Erhöhung unserer Produktions
kapazität können wir mit dieser Nachfrage
Schritt halten und unsere gute Marktposition
weiter festigen.“
Durch die technischen Verbesserungen
insbesondere im Aufreinigungsprozess hat
Evonik auch die Produktqualität weiter
verbessert. „Wir können Glycin nun in allen
Kris tallformen und Partikelgrößen verteilungen
bereitstellen, die der Kunde wünscht“,
so Dr. Jean-Louis Philippe, verantwortlich für
das Marketing der Pharmaaminosäuren.
Belegte im ersten
AVD­100­Meilen­
Rennen der Saison
den ersten Platz
in der Klasse GT4:
der Lotus Exige
neWS 31
haben, ist der Motorsport das Testfeld für die
Serien produktion: „Nur was sich unter den
harten Bedingungen auf der Rennstrecke
bewährt, beweist seine grundsätzliche Tauglichkeit
für Serienfahrzeuge“, erklärt AIT-
Leiter Klaus Hedrich. Derweil wird das neu
entwickelte Öl auf dem Motoren- und dem
Rollen prü fstand bei Evonik in Darmstadt
bereits weiter getestet. In einer Flotte aus
Stra ßenfahrzeugen wird dieser innovative
Schmier stoff bereits langzeiterprobt.
Glycin kommt insbesondere in der Pharma-
und in der Lebensmittelindustrie, aber auch
in Haustiernahrung zum Einsatz. Es dient
unter anderem als Inhaltsstoff für Infusionslösungen
und für Spezialernäh rungsprodukte.
Darüber hinaus wird es in Zell kulturmedien
eingesetzt. Entsprechend bietet
Evonik Gly cin in Pharma- und in Le bens mittelqualität
an.
Evonik ist mit seiner hundertprozentigen
Tochter Rexim ein bedeutender Produzent
von Aminosäuren, Peptiden und Aminosäure
derivaten in Pharmaqualität. Erst im vergangenen
Jahr hatte das Unternehmen das
Glycin-Geschäft der belgischen Tessenderlo
Group übernommen, um das Geschäft weiter
auszubauen. Die Produkte kommen vor allem
in der Pharmaindustrie zum Einsatz – für
Infusionslösungen und zur Herstellung von
Wirkstoffen etwa zur Behandlung von Bluthochdruck
und Diabetes – sowie in der
Kosmetik- und Lebensmittelindustrie. Die
Stärken von Evonik sind unter anderem das
weltweite Vertriebsnetz und die cGMP-konforme
Fertigung über die gesamte Pro zesskette
bis hin zur cGMP-konformen Aufreinigung
der Aminosäuren.
elements36 Ausgabe 3|2011

32 CoatIng & bonDIng teChnologIeS
UV-härtende Lacke
Mehr Spielraum bei der Mattierung
Konventionelle, lösemittelbasierte Lacke lassen sich relativ
leicht mattieren – im Gegensatz zu UV-härtenden Lacken.
Evonik hat mit umfangreichen Versuchsreihen Grund -
lagen arbeit geleistet und aufgezeigt, wie auch diese Lacke
effektiver mattiert werden können. Sicht bares Ergebnis
ist das neue Mattierungsmittel ACEMATT® 3600, das mehr
Freiheiten in der Formu lierung matter UV-Lacke schafft.
[ text Reinhard Behl, Hans-Dieter Christian ]
elements36 Ausgabe 3|2011
UV­härtende Lacke
haben den Vorteil, dass
sie nicht nur wenig
Energie, sondern auch
wenig Zeit benötigen,
um auszuhärten – das
beschichtete Objekt
kann schon wenige
Se kunden nach der
Här tung weiterverarbeitet
werden
UV­härtende Lacke
kommen vor allem dort
zum Einsatz, wo ebene
Flächen oder Leisten
zu beschichten sind –
zum Beispiel in der
Möbelindustrie, bei
hochwertigen Druck ­
er zeugnissen oder der
Fertigung von Folien

Wenn SICh DIe Konsole im Auto, die Oberfläche
des Esstischs oder der Parfümflakon besonders angenehm
anfühlen, liegt das auch an der speziellen Rauigkeit
der Oberfläche. Sie wird üb licherweise mit einem
mattierten Lack erzeugt, und oftmals sieht nur
der Fachmann, dass eine dünne Beschichtung aufgetragen
wurde. Die Rauigkeit sorgt aber nicht nur für
Wohlgefühl beim Anfassen, sondern auch für den
edlen matten Look, wie er etwa beim Parkett sehr
beliebt ist. Doch matter Glanz ist nicht nur aus ästhetischen
Gründen begehrt: Bei Böden von Industriehallen
oder bei Fassadenelementen an Gebäuden zum
Beispiel können störende Reflexe auf einer glänzenden
Oberfläche Unfälle verursachen.
Je nach Anwendung steht aber auch Hochglanz in
der Gunst des Verbrauchers – beim Konzertflügel
ebenso wie (noch) beim Auto. Die Lackindustrie hat
deshalb großes Interesse daran, Lacke von hochglänzend
bis matt möglichst einfach formulieren zu können.
Was bei lösemittelbasierten Lacken kein Problem
darstellt, ist bei den strahlenhärtenden Beschichtungen
eine enorme Herausforderung – sie zu mattieren
ist eine Kunst.
Ein zu vernachlässigendes Problem könnte man
meinen, da strahlenhärtende Lacke bezogen auf die
verkauften Mengen nur 2 bis 3 Prozent am gesamten
Lackmarkt ausmachen. Eine kleine, aber dennoch
feine Nische, denn strahlenhärtende Lacke, meistens
sind sie UV-härtend, verzeichnen wegen ihrer guten
Umwelteigenschaften zweistellige Wachstumsraten.
Gegenüber Lacken auf Wasser- oder Lösemittelbasis
punkten sie mit einer deutlich günstigeren Energiebilanz:
Wasserbasierte Lacke müssen unter hohem
Energieeinsatz erwärmt werden, damit das Wasser
verdunstet; lösemittelbasierte Lacke erfordern in den
Anlagen eine energieintensive Nachverbrennung, damit
die flüchtigen, gesundheitsgefährdenden Substanzen
nicht in die Umwelt gelangen.
CoatIng & bonDIng teChnologIeS 33
Dagegen ist bei UV-härtenden Lacken nur relativ wenig
Energie erforderlich, um die Lacke mittels UV-
Licht auszuhärten und das entstehende Ozon abzuführen.
Mit UV-härtenden Lacken beschichtete Objekte
haben außerdem den Vorteil, dass sie sich bereits
unmittelbar nach der Härtung, also schon nach
wenigen Sekunden, weiterverarbeiten lassen.
Aber diese Lacke haben auch Nachteile: Die UV-
Strahlenquelle muss das zu lackierende Werkstück
gut ausleuchten können, sonst härtet der Lack nicht
richtig aus. Komplizierte Oberflächengeometrien
sind mit dieser Anforderung nur schwer in Einklang
zu bringen. Deshalb kommen UV-härtende Lacke vor
allem dort zum Einsatz, wo plane Flächen oder Leisten
zu beschichten sind – zum Beispiel in der Möbelindustrie,
bei hochwertigen Druckerzeugnissen oder
der Fertigung von Folien.
Mattierung von UV-Lacken nur
schwer zu erreichen
Deutschland ist bei strahlenhärtenden Lacken technologischer
Vorreiter und Europa ist noch immer der
größte Lackmarkt der Welt, auch wenn Asien in
jüngster Zeit stark aufgeholt hat. Einer der bedeutenden
Zulieferer der Branche ist Evonik. Das Spezialchemieunternehmen
hat mit ACEMATT® 3600 nun
ein Mattierungsmittel entwickelt, das auf Kieselsäure
basiert und sich aufgrund seiner speziellen Oberflächenbelegung
besonders für UV-härtende Beschichtungen
eignet. Mattierungen sind bei rein UVhärtenden
Lacken bislang nur schwer zu erreichen,
weil es wegen des fehlenden Lösungsmittels zu keinem
ausreichenden Filmschrumpf kommt – und dieser ist
wesentlich für die Aufrauung der Oberfläche.
Die chemisch-physikalischen Grundlagen der
Mattierung von UV-Lacken haben die Anwendungstechniker
des Geschäftsbereichs Inorganic 333
Am Computer simulierte
Polymerisation.
Während der Härtung
kann der Lack um bis zu
15 Prozent schrumpfen.
Verant wort lich für diesen
sogenannten Volu menschrumpf
ist haupt sächlich
das Bin de mittel,
da sich die Abstände
zwischen den Binde mittel
ketten beim Härten
deutlich verkürzen
elements36 Ausgabe 3|2011

34 CoatIng & bonDIng teChnologIeS
333 Materials zusammen mit Partnern ausführlich
untersucht. Der Grundgedanke dabei: Matte UV-
Lacke erfreuen sich zwar einer steigenden Nachfrage,
ihre Formulierung beruht aber oftmals auf Intuition
und Erfahrung, da zusammenfassende wissenschaftliche
Modelle zur Beschreibung der Zusammenhänge
fehlen. Zudem steht nur ein sehr schmales Fenster
für die Festlegung der Parameter zur Verfügung.
Einfaches Modell für komplexe
Zusammenhänge
Den ersten Parameter, den die Entwickler unter die
Lupe genommen haben, ist die Teilchengröße des
Mattierungsmittels. Untersucht wurden zwei herkömmliche
Mattierungs-Kieselsäuren, deren mittlere
Agglomerat-Teilchengröße bei 4,5 µm (ACEMATT®
OK 607) bzw. bei 14,5 µm (ACEMATT® HK 440) liegt.
Anhand eines einfachen, den gesamten Teilchengrößenbereich
von Kieselsäure-Mattierungsmitteln abdeckenden
Modells, das die Projektmitarbeiter erarbeitet
haben, lässt sich der Einfluss der Teilchengröße
beschreiben. Im Modell repräsentieren Kugeln gleicher
Größe in der dichtestmöglichen Packung die
Partikel der Kieselsäure. Agglomeratverteilung und
Morphologie der Kieselsäure bleiben dabei unberücksichtigt.
Die im flüssigen Lack gleichmäßig verteilten Kieselsäureagglomerate
bilden eine Mattierungsmittelmatrix,
die während der Härtung weniger stark
schrumpft als die umgebende Bindemittelmatrix. Der
sogenannte Volumenschrumpf des Lackes beim
Härten – er kann in der Praxis bis zu 15 Prozent betragen
– wird dabei hauptsächlich durch das Bindemittel
verursacht, da sich die Abstände zwischen den
Bindemittelketten beim Härten deutlich verkürzen.
Über die Größe der Mattierungsmittelteilchen, so die
Überlegung der Lackexperten, sollte sich damit in
gewissen Grenzen die Mattierung steuern lassen.
Die Lackbranche unterscheidet in der Praxis zwischen
dünnen Schichten, die in der Regel in Mengen
von weniger als 20 bis 25 Gramm pro Quadratmeter
aufgetragen werden, und dicken Schichten, deren
Auftragsgewicht darüber liegt.
Dickschichtige UV-Lacke:
Kleine Teilchen mattieren besser
Enthält ein dickschichtiger UV-härtender Lack ein
Mattierungsmittel, dessen Teilchen mit 14,5 µm relativ
groß sind, bilden sich gemäß dem Kugelmodell an
der Lackfilmoberfläche infolge des Volumenschrumpfs
beim Aushärten wenig ausgeprägte, langwellige
Strukturen. Sie bewirken nur eine geringe
Rauheit – also eine niedrige Mattierung.
Mit feinteiligeren Mattierungsmitteln mit einer
Teilchengröße von nur 4,5 µm entsteht dagegen, entsprechend
dem Modell, eine Lackfilmoberfläche, die
eine ausgeprägte kurzwellige Struktur aufweist –
ideal für eine starke Streuung des einfallenden Lichts,
elements36 Ausgabe 3|2011
Abbildung 1
Modell zur Mattierung dickschichtiger UV­Lacke durch den Volumenschrumpf
Applikationsschichtdicke: 55 µm
Volumenschrumpf: ca. 8 %
Wirkungsgrad Schrumpf: ca. 50 %
Effektiver Schrumpf: ca. 2 µm
Grobteiliges Mattierungsmittel
ACEMATT® HK 440/d 50 = 14,5 µm
Abbildung 2
Feinteiliges Mattierungsmittel
ACEMATT® OK 607/d 50 = 4,5 µm
Darstellung der virtuellen Oberflächenstrukturen eines ausgehärteten dicken Lackfilms.
Die wenig ausgeprägten, langwelligen Strukturen mit grobteiligen Mattierungsmitteln
sorgen für den unerwünscht hohen Glanz
Grobteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® HK 440/d 50 = 14,5 µm
Ableitung aus Modell
Höhendifferenz: ca. 2,0 µm
bei niedriger Aufrauung
Hoher Glanz bei beiden Messwinkeln
Feinteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® OK 607/d 50 = 4,5 µm
Ableitung aus Modell
Höhendifferenz: ca. 2,0 µm
bei höherer Aufrauung
Niedriger Glanz bei Messwinkel 60°,
aber hoher Glanz bei Messwinkel 85°
Abbildung 3
Oberflächentopogramme von dickschichtig applizierten mattierten
UV­Lacken (TSD = Trockenschichtdicke)
Lackformulierung: #1 TSD: ca. 75 µm
Feinteiliges Mattierungsmittel
ACEMATT® OK 607
1,35 µm
Lackformulierung: #3 TSD: ca. 75 µm
Grobteiliges Mattierungsmittel
ACEMATT® HK 440
1,55 µm
0,5 µm
0,5 µm
Volumenschrumpf hat großen Einfluss
auf die Mattierungswirkung
Werte aus der Praxis
60°­Reflektometerwert: 46,1
85°­Reflektometerwert: 86,0
Max. Rauheitsprofilhöhe Rz: 0,77 µm
Arithm. Mittenrauwert Ra: 0,08 µm
Werte aus der Praxis
60°­Reflektometerwert: 22,6
85°­Reflektometerwert: 77,8
Max. Rauheitsprofilhöhe Rz: 1,20 µm
Arithm. Mittenrauwert Ra: 0,14 µm
60°­Reflektometerwert: 24,9
85°­Reflektometerwert: 84,8
0,5 µm
60°­Reflektometerwert: 46,2
85°­Reflektometerwert: 87,9
0,5 µm
Applikation auf PMMA­Platte UV­Trocknung: Hg­Strahler Band: 100 W/cm, 5 m/min

Abbildung 4
Modell zur Mattierung dünnschichtiger UV­Lacke bei Annäherung der Teilchengröße
des Mattierungsmittels an die Schichtdicke des getrockneten Lacks
Applikationsschichtdicke: 10 µm
Volumenschrumpf: ca. 8%
Wirkungsgrad Schrumpf: ca. 50%
Effektiver Schrumpf: < 0,5 µm
Grobteiliges Mattierungsmittel
ACEMATT® HK 440/d 50 = 14,5 µm
Abbildung 5
Feinteiliges Mattierungsmittel
ACEMATT® OK 607/d 50 = 4,5 µm
Darstellung der virtuellen Oberflächenstrukturen eines ausgehärteten dünnen Lackfilms.
Im Modell bilden die groben Teilchen an der Filmoberfläche eine stark ausgeprägte
Struktur, was eine hohe Rauheit bedeutet
Grobteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® HK 440/d 50 = 14,5 µm
Ableitung aus Modell
Höhendifferenz: > 2,0 µm
bei hoher Aufrauung
Niedriger Glanz bei beiden Messwinkeln
Feinteiliges Mattierungsmittel ACEMATT® OK 607/d 50 = 4,5 µm
Abteilung aus Modell
Höhendifferenz: < 1,0 µm
bei niedriger Aufrauung
Hoher Glanz bei beiden Messwinkeln
Abbildung 6
Werte aus der Praxis
60°­Reflektometerwert: 31,0
85°­Reflektometerwert: 49,2
Max. Rauheitsprofilhöhe Rz: 3,92 µm
Arithm. Mittenrauwert Ra: 0,21 µm
Werte aus der Praxis
60°­Reflektometerwert: 46,8
85°­Reflektometerwert: 83,8
Max. Rauheitsprofilhöhe Rz: 0,86 µm
Arithm. Mittenrauwert Ra: 0,08 µm
Oberflächentopogramme von dünnschichtig applizierten mattierten UV­Lacken
Lackformulierung: #1 TSD: ca. 15 µm
Feinteiliges Mattierungsmittel
ACEMATT® OK 607
1,93 µm
0,5 µm
Lackformulierung: #3 TSD: ca. 15 µm
Grobteiliges Mattierungsmittel
ACEMATT® HK 440
5,97 µm
0,5 µm
Volumenschrumpf ist nur
von sekundärer Bedeutung
60°­Reflektometerwert: 33,9
85°­Reflektometerwert: 72,5
0,5 µm
60°­Reflektometerwert: 30,9
85°­Reflektometerwert: 46,8
0,5 µm
Applikation auf PMMA­Platte UV­Trocknung: Hg­Strahler Band: 100 W/cm, 5 m/min
CoatIng & bonDIng teChnologIeS 35
also eine hohe Mattierung (Abb. 1, 2). Dies macht sich
in einem niedrigen Glanz im 60°-Winkel bemerkbar.
Allerdings zeigt der Glanz im 85°-Winkel wegen der
geringen Höhendifferenzen an der Lackfilmoberfläche
einen hohen Wert.
Gestützt werden die theoretischen Annahmen im
Mo dell durch die mit einem taktilen Rauheitsmessgerät
ermittelten Topogramme (Abb. 3). Insgesamt
lässt sich aus den Untersuchungen ablesen, dass sich
feinteilige Mattierungs-Kieselsäuren mit mittleren
Agglomerat-Teilchengrößen von weniger als 5,5 µm
sehr gut eignen, um dickschichtige UV-Lacke zu mattieren.
Dicke Teilchen für dünne Schichten
Bei der Mattierung dünner Schichten profitiert der
Lackformulierer dagegen nur eingeschränkt vom
polymerisationsbedingten Volumenschrumpf, weil die
Schichtdicken einfach zu gering sind. Grundsätzlich
schneiden bei dünnen Schichten daher grob teiligere
Kieselsäuren besser ab als feinteilige, wenn ihre Teilchengröße
ungefähr der Schichtdicke entspricht.
Auch hierfür liefert das Modell eine Erklärung:
Die groben Teilchen bilden an der Filmoberfläche
eine stark ausgeprägte Struktur, was eine hohe Rauheit
bedeutet. Dagegen haben feinteilige Mattierungsmittel
bei dünnen Schichten wenig ausgeprägte
Strukturen zur Folge, die einfallendes Licht kaum
streuen (Abb. 4, 5, 6). Für dünne Lackschichten heißt
das: Die mittleren Agglomerat-Teilchengrößen der
Mattierungskieselsäure sollten ungefähr beim 0,5- bis
Einfachen der Lackfilmdicke liegen.
Breites Verarbeitungsfenster
mit neuer Kieselsäure
Ein Ergebnis, das sich in der Praxis bestätigt, wie Abbildung
7 zeigt: Dicke Lackfilme lassen sich besser
mit der feinteiligen Kieselsäure ACEMATT® OK 607
mit einer mittleren Agglomerat-Teilchengröße von
4,5 µm mattieren. Dünnere Schichten dagegen werden
mit der grobteiligeren Kieselsäure ACEMATT®
HK 440 besser mattiert, deren mittlere Agglomerat-
Teilchengröße bei 14,5 µm liegt.
Zugleich wird deutlich, dass das neue, speziell zur
Mattierung von UV-härtenden Lacken entwickelte
Produkt ACEMATT® 3600 über nahezu alle Schichtdicken
hinweg eine signifikant höhere Mattierungswirkung
besitzt. Das Heißt: Mit ACEMATT® 3600
steht dem Formulierer ein deutlich breiteres Anwendungsfenster
zur Verfügung – obwohl die mittlere
Agglomerat-Teilchengröße von ACEMATT® 3600 nur
geringfügig von der des feinteiligen ACEMATT® OK
607 abweicht (Abb. 7).
Bei seiner Entwicklung griffen die Anwendungstechniker
zu einem Trick: ACEMATT® 3600 basiert
auf einer Kieselsäure, die mit Polydimethylsiloxan
(PDMS) nachbehandelt wurde. Diese Nachbehandlung
verbessert zum einen die Mattierungswirkung, 333
elements36 Ausgabe 3|2011

36 CoatIng & bonDIng teChnologIeS
333 zum anderen aber auch die rheologischen Eigenschaften
des Mattierungsmittels. Deshalb kann es in
einer höheren Konzentration in den Lack eingebracht
werden.
Die Nachbehandlung verdeutlicht aber auch, dass
sich nicht nur die Teilchengröße des Mattierungsmittels
auf das Reflexionsverhalten eines UV-härtenden
Lackes auswirkt. Selbst bei unterschiedlichen Lackformulierungen
mit gleichen Agglomeratgrößen der
Mattierungskieselsäure treten Unterschiede im Glanz
auf.
Auch der zeitliche Ablauf der
Polymerisation beeinflusst den Glanz
Entscheidend dafür ist der zeitliche Ablauf des Polymerisationsprozesses
bis zum Gelpunkt. Wobei Gelpunkt
in diesem Fall als der Zeitpunkt definiert ist,
ab dem die Polymerisation des Bindemittels so weit
fort geschritten ist, dass Kieselsäure- und Bindemittelmatrix
im gleichen Verhältnis weiter schrumpfen. Ab
dem Gelpunkt sind die Agglomerate des Mattierungsmittels
also im sich ausbildenden Polymernetzwerk
fixiert und können daher nichts mehr zu einer Aufrauung
beitragen. Je später der Gelpunkt eintritt, des to
ausgeprägter ist deshalb die Mattierung (Abb. 8).
Wann der Gelpunkt eintritt, hängt von verschiedenen
Faktoren ab, etwa wie schnell die Molmasse
steigt, wie stark sich die Segmentbeweglichkeit der
Kettenmoleküle oder das rheologische Verhalten ändern.
Einen maßgeblichen Einfluss auf die Mattierbarkeit
UV-härtender Lacke haben deshalb auch die
weiteren Bestandteile der Formulierung: die Acrylat-
Oligomere und -Monomere, die zum Bindemittel polymerisieren,
wobei die Monomere in UV-härtenden
Lacken außerdem noch die Funktion des Lösungsmittels
übernehmen, sowie die Photoinitiatoren.
Zahl der Doppelbindungen
spielt eine große Rolle
Die Untersuchungen zeigen, dass eindeutige Aussagen
in puncto Mattierbarkeit schwierig sind, was das
Beispiel der Oligomere verdeutlicht: Zwar wirken
sich die relative Molmasse, Funktionalität, Reaktivität
und Viskosität neben weiteren Parametern auf die
Mattierbarkeit des Lackes aus, aber die gegenseitigen
Abhängigkeiten sind vielfältig und komplex.
Evonik konnte allerdings nachweisen, dass der
Doppelbindungsdichte, die wiederum von der Funktionalität
und der Molmasse abhängt, eine besondere
Bedeutung zukommt. Denn es gilt die generelle Aussage:
Je höher die Doppelbindungsdichte der Oligomere
ausfällt, desto besser ist die Mattierbarkeit des
Lacks. Allerdings gilt auch hier: keine Regel ohne
Ausnahme. Oligomere mit niedriger Doppelbindungsdichte
und höherer Viskosität sind bei Verwendung
geeigneter Monomere ebenfalls mattierbar.
Die Experimente mit verschiedenen Monomeren
haben gezeigt, dass ihr Beitrag zur Mattierung von der
elements36 Ausgabe 3|2011
Abbildung 7
Einfluss des Auftragsgewichts (proportional zur Schichtdicke) und der
Teilchengröße des Mattierungsmittels auf den Glanz
ACEMATT® OK 607 ACEMATT® 3600 ACEMATT® HK 440
60°­Reflektometerwert
70
60
50
40
30
20
10
●
●
●●
●
●
Formulierungen #1, #2 und #3
Hg­Strahler 100 W/cm, 5 m/min
Dosis: 850 mJ/cm 2 ; Peak: 1.480 mW/cm 2
●
0
Auftragsgewicht [g/m2 0 10 20 30 40 50 60 70 80
]
Abbildung 8
●
●
●
●
●
●
Zu frühes Erreichen des Gelpunkts führt zu ungenügender Aufrauung (oben).
Spätes Erreichen des Gelpunkts lässt genug Zeit für eine ausreichende Aufrauung (unten)
UV­Strahler
Modell für ungenügende
Mattierung
Modell für gute
Mattierung
●
30 cm
Bandgeschwindigkeit: 6 m/min = 3 sec Belichtung
Reaktionsstart Gelpunkt Reaktionsende
●
●
●
●
●
●
Früher Gelpunkt =
hoher Schrumpfwirkungsgrad =
ungenügende Aufrauung
Später Gelpunkt = niedriger
Schrumpfwirkungsgrad =
genügend hohe Aufrauung

Molekülform und der Umsatzrate während der Polymerisation
abhängt. Überwiegend lineare kettenförmige
Monomermoleküle begünstigen die Mattierung,
weil sie eine höhere Mobilität besitzen und besser umgesetzt
werden, während räumlich geformte oder verzweigte
Monomere wegen der sterischen Hinderung
Berechnungsformel der Doppelbindungsdichte:
CoatIng & bonDIng teChnologIeS 37
eine verringerte Beweglichkeit haben, geringere Umsatzraten
aufweisen und damit letztlich eine geringere
Mattierung bewirken: Ein stark verzweigtes Monomer
schrumpft im Modell zusammen mit der Kieselsäurematrix
und komprimiert diese dabei, sodass die Aufrauung
verloren geht. 333
DB – Dichte = Funktionalität [DB/Mol] x 1.000 [g/kg Oligomer] = [DB]
relative Molmasse [g/Mol] [kg Oligomer]
elements36 Ausgabe 3|2011

38 CoatIng & bonDIng teChnologIeS
333 Bleibt der Photoinitiator als weiterer Parameter,
der die Mattierbarkeit bei der Formulierung des
Lackes beeinflusst. Sogenannte Oberflächentrockner
wie zum Beispiel Benzophenon mit seinen Absorptionsmaxima
im eher kurzwelligen Bereich, die den
Lackfilm sehr schnell von oben beginnend trocknen,
begünstigen den Glanz, während Trockner mit
Absor p tionen im längerwelligen Bereich (Abb. 9) eine
erheblich gleichmäßigere und verzögerte Härtung
der Lackschicht begünstigen. Der Gelpunkt tritt dann
also, wie erwünscht, später ein.
Darüber hinaus eröffnet auch der eigentliche
Härtungsprozess weiteren Spielraum, um den Glanz
eines Lackfilms zu reduzieren. Hier spielen Parameter
wie Art und Emissionsspektrum der Lichtquelle,
Intensität und Bestrahlungsdauer, Strahlergeometrie
Abbildung 9
Darstellung der Absorptionskurven verschiedener Photoinitiatoren
Benzophenon Bis­Acyl­Phosphinoxid
Absorption [%]
3,0
Absorptionsspektrum 0,1 % in Acetonitril
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
elements36 Ausgabe 3|2011
Reinhard behl absolvierte in der früheren
Degussa AG eine Lehre zum
Chemielaboranten und trat 1978 in die
anwendungstechnische Abteilung des
heutigen Geschäftsbereichs Inorganic
Materials von Evonik ein. Seitdem war
er in verschiedenen Funktionen im
Lacklabor tätig; aktuell betreut er die
Mattierungsmittel, die unter dem
Namen ACEMATT® vertrieben werden.
+49 6181 59-6672
reinhard.behl@evonik.com
sowie Umgebungstemperatur und Substratart eine
Rolle. Die Anwendungstechniker von Evonik haben
auch diese Einflussgrößen untersucht und ihre Beiträge
zur Beeinflussung des Mattgrades bestimmt.
Noch immer ist die Formulierung von Lacken vor
allem eine Sache von Erfahrung und Intuition. Die
Analysen von Evonik zeigen aber, dass es möglich ist,
die Prozess- und Formulierungsparameter gezielter
aufeinander abzustimmen und so die Mattierung von
UV-härtenden Lacken deutlich besser zu steuern. Die
Experten von Evonik sind so ihrem Vorhaben, mehr
System in die Entwicklung umweltschonender matter
UV-Lacke zu bringen, einen großen Schritt
näher gekommen. Das zeigt auch das neue Produkt
ACEMATT® 3600, das dem Verarbeiter völlig neue
Möglichkeiten bei der Mattierung bietet. 777
0
280 300 320 340 360 380 400 420 440 460
Wellenlänge [nm]
ReFeRenZen
Benzophenon
hans­Dieter Christian studierte von
1971 bis 1975 an der Hochschule Niederrhein
in Krefeld Lackchemie. Seit 1989
arbeitet er bei Evonik, wo er seit 1996
Leiter der anwendungstechnischen
Abteilung für Mattierungsmittel mit
weltweiter Verantwortung ist.
+49 6181 59-4861
hans-dieter.christian@evonik.com
[1] Behl, R.; Christian, H.-D.: Radikal matt – zur Mattie rung
lösemittelfreier UV-härtender Lacke, Farbe und Lack,
Teile 1, 2 + 3, April, Juni und Juli 2011, Vincentz Network
O
O O
O
P
Bis­Acyl­Phosphinoxid

SEA LIFE Speyer: seltene Kuba-Krokodile
hinter PLEXIGLAS® zu bestaunen
Als einziges Aquarium in Deutschland zeigt das SEA LIFE in Speyer
Kuba-Krokodile. Damit sich die in ihrem Bestand äußerst gefährdeten
Reptilien hier genauso wohlfühlen wie in ihrer kubanischen
Heimat, wurde die Ausstellungsfläche um rund ein Drittel erweitert.
Es entstand ein neuer Bereich ganz im Stil kubanischer Sümpfe:
Landflächen wechseln sich mit bis zu 80 Zentimeter tiefem Wasser
ab, ein Wasserfall rauscht in das 30.000 Liter fassende Becken – und
das alles überwuchert von Grünpflanzen und Palmen. Das Wasser ist
auf 28 °C aufgeheizt, eine Klimaanlage sorgt permanent für eine
Raumtemperatur von etwa 30 °C sowie 75 Prozent Luftfeuchtigkeit,
und eine Beregnungsanlage spendet Tropenregen.
Sechs 60 Millimeter dicke PLEXIGLAS® Blöcke sorgen dafür,
dass die Besucher die drei zu einer der aggressivsten Krokodilarten
gehörenden Tiere sicher bestaunen können. Trotz der hohen Tempe
ratur und Luftfeuchtigkeit beschlagen die Scheiben nicht und ermöglichen
einen verzerrungsfreien Durchblick auf die exotischen
Impressum
herausgeber
Evonik Industries AG
Corporate Innovation
Strategy & Management
Rellinghauser Straße 1–11
45128 Essen
Wissenschaftlicher beirat
Dr. Norbert Finke
Corporate Innovation
Strategy & Management
norbert.finke@evonik.com
Redaktion
Dr. Karin Aßmann
(verantwortlich)
Evonik Services GmbH
Konzernredaktion
karin.assmann@evonik.com
Redaktionelle mitarbeiter
Christa Friedl
Michael Vogel
Fotos
Evonik Industries
Karsten Bootmann
Dieter Debo
Stefan Wildhirt
Fraunhofer-Institut für Verfah rens -
technik und Verpackung (S. 5)
Fotolia/LianeM (S. 6)
Getty Images/Cook+Jenshel (S. 13 o)
Getty Images/Sot (S. 13 u)
Fotolia/Electriceye (S. 23 r)
Mauritius Images/CuboImages (S. 27)
Mauritius Images/Imagebroker/
Alfred Schauhuber (S. 28)
Fotolia/Broker (S. 31 u)
IST Metz GmbH, Torsten Becker
Illustrationen (S. 32 u, 33)
Mauritius Images/Age (S. 37)
SEA LIFE Deutschland (S. 39)
gestaltung
Michael Stahl, München
Druck
Laupenmühlen Druck
GmbH & Co. KG, Bochum
Nachdruck nur mit
Genehmigung der Redaktion
neWS 39
Reptilien. Dank der guten Isolation, die PLEXIGLAS® bietet, herrschen
im Zuschauerbereich angenehme Temperaturen sowie eine
gute Lärmdämmung. Das Rauschen des Wasserfalls ist kaum zu
hören.
Aber nicht nur diese Produkteigenschaften waren ausschlaggebend
dafür, dass der Verarbeiter Aquarienbau Petermann PLEXIGLAS®
auswählte. Durch bauliche Gegebenheiten musste besonders auf das
Gesamtgewicht des Beckens geachtet werden. Das geringere Gewicht
von Acrylglas gegenüber Glas sowie die guten Bearbeitungs- und
Einbaumöglichkeiten waren mit ausschlaggebend.
Der umfangreiche technische Service und das große Know-how
von Evonik hinsichtlich des Einbaus von Aquarienbecken ermöglichten
es dem Verarbeiter, der bisher hauptsächlich im Glasbau tätig war,
die hohen Anforderungen an die Verscheibung des Krokodilgeheges
zu erfüllen – und so den drei Kuba-Krokodilen ein neues Zuhause zu
schaffen.
elements36 Ausgabe 3|2011

Wir haben für jedes Oberflächenproblem eine Lösung:
die Kreativität unserer Mitarbeiter. Bei uns arbeiten
die Experten fachübergreifend eng mit unseren Kunden
zusammen. Das spart Zeit und gibt zusätzliche Impulse.
Das Resultat: außergewöhnliche Problemlösungen für
außergewöhnliche Anwendungen.
Ein Ansprechpartner,
viele Spezialisten.
We love your problems.
www.evonik.de