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Technologie-Monitor -2-

August bis Oktober 2012Technologien und Innovationen aus dem Bereich Ressourceneffizienz

Dieser Monitoring-Bericht entstand im Auftrag der VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH und wurde durch die VDI Technologiezentrum GmbH erstellt.

Monitoring-Bericht Nr. 2 für den Zeitraum August bis Oktober 2012 (18.12.2012)

Autor:

Oliver S. Kaiser, VDI Technologiezentrum GmbH

Redaktion:

VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH

Titelbild: © photlook - Fotolia.com

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INTENTION DIESES MONITORING-BERICHTES

Die VDI Technologiezentrum GmbH führt für die VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (VDI ZRE) ein kontinuierliches Technologiemonitoring durch, in dessen Rahmen Presseberichte zu Klimaschutz- und Effizienztechnologienin der industriellen Produktion gesam-melt und im Innovationsradar1 des VDI ZRE veröffentlicht werden.

Die Monitoring-Berichte bereiten Trends und bemerkenswerte Fakten aus Einzelmeldungen aus drei Monaten auf und stellen sie in komprimierter Form zusammen mit den Quellenangaben vor.

Der vorliegende zweite Bericht fasst den Zeitraum August bis Oktober 2012 zusammen und adressiert folgende Themen:

Werkstoffe

Produktion

Bau

1 www.vdi-zre.de/innovationsradar-re

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Carbonfaserver-bundwerkstoffe im Automobilbau

Ressourceneffizienz durch Recycling des CFK-Produktionsab-falls

Formenbau für großvolumige Kunst-stoffteile

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Werkstoffe

Mit der Markteinführung des BMW i3 Ende 2013 werden Carbonfaserver-bundwerkstoffe erstmals auf breiter Basis im Automobilbau verwendet. Nicolai Müller von der Unternehmensberatung McKinsey betonte auf dem Automo-tive Forum 2012 des Carbon Composites e. V.: Selbst im einstelligen Prozent- bereich könne das Material zu Verbesserungen im Leichtbau und Gewinnen für die Hersteller bzw. Nutzer von Carbon Composites führen. „Man sollte die Sexyness von Carbon Composites nicht unterschätzen.”2

Die Kosten für kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) sind eng mit der Ressourceneffizienz verknüpft. Bei der Produktion fallen zehn bis 30 Prozent des Primärmaterials als Produktionsabfall an, „eher aber 30 Prozent“, wird Tim Rademacker, Geschäftsführer bei CFK Valley Stade Recycling in Wischhafen zitiert.3 Neben der direkten Redu-zierung von Verschnitt und Fehlchargen in der Produktion ist die Wiederauf-bereitung mittels Pyrolyseofen eine Stellschraube zur Kostensenkung. Die gewonnene Recyclingfaser hat denselben Durchmesser wie die angelieferte Faser, mit allerdings maximal der Länge der Ursprungsfaser. Daraus werden Vliese als Lagenvermittler in Strukturbauteilen hergestellt, wohingegen in neuen Strukturbauteilen Neufasern aus Endlosherstellung bevorzugt werden.4 Für die Vliese mit den kürzeren Fasern muss der Massenmarkt erst noch erschlossen werden – hier liegt der Schlüssel zur Erhöhung der Ressourcen-effizienz im Leichtbau mit CFK.

Im Fahrzeugbau setzen sich Funktions- und Werkstoffleichtbau auch bei Nutzfahrzeugen durch. MAN, Magna und ZF Friedrichshafen stellen mecha-nische Komponenten vor, die Gewichtseinsparungen um 30 Prozent ermög-lichen. Im Einzelfall handelt es sich zwar um geringe Beträge im Vergleich zum Fahrzeuggesamtgewicht, doch MAN rechnet vor, dass eine Nutzlaststeigerung von 150 Kilogramm einem Mehrerlös von jährlich 1.500 Euro entspricht.5

Die Herstellung großvolumiger Formteile aus Kunststoff kann ressourceneffi-zienter gestaltet werden, indem bei der Herstellung der Formen angesetzt wird und die Fertigungskosten durch neu platzierte Heiz- und Kühlkanäle gesenkt werden. Bei Massivformen aus Stahl oder Aluminium muss meist aus dem Vollen gearbeitet werden, was mit einem entsprechenden Ressourcenver-brauch an Halbzeug verbunden ist. Bei den anwendungsspezifisch eher kleinen Abformzahlen verursacht dieser kosten- und zeitintensive Prozess hohe Stück-kosten.6 Im Mittelpunkt des BMBF-Verbundprojekts „Sprayforming“, das

2 SexynessvonCarbonCompositesnichtunterschätzen,in:K-Zeitung,Nr.14,20.Juli2012,S.103 Hartbrich,I.:CarbonfaserausAbfallstütztneueTechnologien,in:VDInachrichten(2012),Nr.33/34,17.August2012,S.19;http://www.vdi-nachrichten.com/artikel/Carbonfaser-aus-Abfall-stuetzt-neue-Technologien/60008/(aufgerufenam18.12.2012)4 ebd.5 RolfMüller-Wondorf:JetztspeckenauchdieschwerenBrummisab,in:VDInachrichten,Nr.43,26.Oktober2012,S.7;http://www.vdi-nachrichten.com/artikel/Jetzt-specken-auch-die-schweren-Brummis-ab/61027(aufgerufenam18.12.2012)6 LeichtbauistSchwergewichtinSachenEffizienz,in:NachhaltigeProduktion,Ausgabe5,Oktober2012,S.18-21;http://www.nachhaltige-produktion.de/index.cfm?pid=10848&pk=4214(aufgerufenam18.12.2012)

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Volumenstrukturie-rung von mikro- mechanischen Bau-teilen für Medizin- und Messtechnik

Kunststoffe aus Schlachtabfällen

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im Oktober 2012 abgeschlossen wurde, steht eine Verfahrensvariante des Thermischen Spritzens, das Lichtbogendrahtspritzen (LDS). Dieses ermöglicht es, dünne metallische Schichten lagenweise auf einem Formkörper aufzu-bringen. Die Masse der Sprayformingform reduziert sich auf weniger als ein Zehntel einer Stahlform.

Zusätzlich kann die Energiebilanz beim Abformen von Kunststoffbauteilen verbessert werden – die Prozessenergie für einen Heiz-/Kühl-Vorgang sinkt im Vergleich mit einer Stahlform auf ein Zwölftel –, weil nun Halbzeuge mit ober-flächennah eingebrachten Heiz- und Kühlkanälen realisiert werden können.7

Die Volumenstrukturierung von mikromechanischen Bauteilen, wie sie in der Medizin- und der Messtechnik vorkommen, wird in der Regel durch abtragende Verfahren mit einem Materialverlust von typischerweise 80 Prozent realisiert.8 Für die manuelle Bearbeitung sind transparente Materialien kaum geeignet, da sie für den Facharbeiter nicht gut genug sichtbar sind, weswegen auf Rubin zurückgegriffen wird. Mit einem am Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen entwickelten Laserfertigungsverfahren können nun auch transparente Materia-lien strukturiert werden. Das selektive laserinduzierte Ätzen (in-volume selective laser etching, ISLE) wirkt auf Rubin, Saphir und auch Glas. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT: „Mit dem ISLE-Verfahren lässt sich eine große Material- und Energieeffizienz realisieren, die mit ab-tragenden Verfahren auch bei fortschreitender Entwicklung prinzipiell nicht erreicht werden kann.“9 Die Belichtungsgeschwindigkeit muss noch weiterentwickelt werden, da derzeit die Belichtung eines montierten, drei Millimeter großen Zahnrades 15 Minuten dauert.

Im europäischen Forschungsprojekt ANIMPOL10 wird daran geforscht, Kunst-stoffe nicht aus Erdöl, sondern aus Schlachtabfällen zu produzieren. Die europäische Schlachtindustrie produziert jedes Jahr 500.000 Tonnen Fett, das größtenteils verbrannt wird. Daraus ließen sich etwa 200.000 Tonnen Bio-polymere herstellen. Durch die Nutzung von Schlacht- und Molkereiabfällen könnte „Kunststoff aus dem Schlachthaus“ lediglich doppelt so teuer sein wie heutige, erdölbasierte Produkte. Zudem wäre als Rohstoff kein Stärkehydrolysat aus Nahrungsmittelpflanzen mehr nötig, sondern reine Abfallprodukte ohne Marktwert.11

7 VerbundprojektSprayforming:Aufgabenstellung,Ergebnisse,Anwendungspotenzial.http://www.forschungsprojekt-sprayforming.de/konzept.php(aufgerufenam18.12.2012)8 Dreidimensionale,transparenteMikrobauteileschnellerundeffizienterfertigen.Innova-tions-Report,08.10.2012,http://www.innovations-report.de/html/berichte/messenachrichten/dreidimensionale_transparente_mikrobauteile_203411.html(aufgerufenam18.12.2012)9 ebd.10 ANIMPOL:SustainablePlastics-courtesyoftheslaughterhouse.EuropeanCommission,o.J.,http://ec.europa.eu/research/bioeconomy/pdf/countries_projects/animpol.pdf(aufgerufenam18.12.2012)11 JenniferWengler:PlastikausSchlachtabfällen.Deutschlandradio,07.08.2012,http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/1833255/(aufgerufenam18.12.2012)

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Mittelstandsinitiative Energiewende

Energie- und Stoffströme bei Fügeverfahren und Zerspanung

Effiziente Material-bearbeitung von der Maschinen- bis zur Werksebene

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Produktion

Die Bundesregierung hat zum 1. Januar 2013 die „Mittelstandsinitiative Energie- wende“ gestartet. Durch einen stärkeren Dialog vor Ort, eine Optimierung von Information und Beratung sowie die Verbesserung von Weiterbildung, Qualifizierung und Erfahrungsaustausch sollen mittelständische Unter-nehmen konkrete Unterstützung erhalten. So soll branchen- und zielgruppen- spezifisch eine Ansprache der Unternehmen vor Ort erfolgen, ihnen durch Experten Hilfestellung gegeben und die Anwendung von Musterlösungen, beispielsweise zur Energieeinsparung, in der Breite vorangetrieben werden (Quelle: Pressemitteilung BMWi/BMU).12

Wie werden Energie und Ressourcen bei technischen Fügeverfahren wie dem Laserstrahl-, Lichtbogen oder Rührreibschweißen genutzt? Als Ergebnis des Forschungsprojekts „Enerweld“ des BMBF steht eine Software, die die möglichen Effizienzsteigerungen im gesamten Wertschöpfungszyklus bewertet. Damit können nicht nur die vorhandenen Fertigungsverfahren analysiert, sondern auch alternative Prozessketten im Voraus geplant werden. Am Beispiel eines Aluminium-Kranauslegers konnten die Projektpartner nachweisen, dass für diese Anwendung die Prozesskette des Rührreibschweißens deutlich mehr Effi-zienz liefert als die des Lichtbogenschweißens.13 In einem weiteren Forschungs-vorhaben namens Beat ging es um die ganzheitliche Betrachtung von Energie- und Stoffströmen bei Zerspanungsprozessen. Auch hier entstand eine Software, die die Ökobilanz einer Prozesskette abbilden kann, etwa in Hinsicht auf CO2-Äquivalenz und Primärenergiebedarf.14

Das nun abgeschlossene EU-Projekt „eco2cut“15 hatte nicht das Fügen, sondern die Materialbearbeitung im Vordergrund. Wichtig waren gut umsetzbare Erkenntnisse für kleine und mittlere Unternehmen. „Es wurden ganzheitliche Ansätze für Prozessoptimierungen aus Sicht der Ressourcen- und Prozess- effizienz entwickelt. Bei den durchgeführten Teilprojekten standen immer die ökonomischen und ökologischen Aspekte im Fokus.“16 Bei Messungen von Werks- bis Maschinenebene wurden teilweise unnötige, stromfressende Prozesse enttarnt. „Im Extremfall benötigen Werkzeugmaschinen im Leerlauf schon fast 80 Prozent des Stromverbrauches, wird das Werkstück bearbeitet, sind es dann ‚nur’ weitere 20 Prozent. Hier besteht beispielsweise die Möglichkeit, den CNC-Code zu verändern, um Energie einzusparen“, wird der Projektmanager Benjamin Losert vom Mechatronik-Cluster in Niederösterreich zitiert.17

In der Industrie ist die Verwendung von Druckluft alltäglich. Der MaschinenMarkt nennt im Artikel „Energieeffizienz fordert Kompressoren-hersteller heraus“ konkrete Zahlen: Allein in Deutschland stehen rund 62.000

12 WebseitederInitiative:www.mittelstandsinitiative-energiewende.de13 R.Müller-Wondorf:ProduktionsforscherstellenneueEffizienzwerkzeugevor,in:VDInachrichten,21.September2012,S.1014 ebd.15 Eco2CutProjekthomepage:http://eco2cut.com/(aufgerufenam18.12.2012)16 IndustriespartEnergieundRessourcen.SOLID-WirtschaftundTechnikamBau,24.09.2012,http://www.solidbau.at/home/artikel/Erfolgreiches_EU_Projekt_eco2cut/Indust-rie_spart_Energie_und_Ressourcen/aid/13682(aufgerufenam18.12.2012)17 ebd.

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Jährlich verbrauchen Druckluftkompres-soren in Deutsch-land 14 Milliarden Kilowattstunden.

Wasserfluss im Unternehmen

Hybridmaterial aus Beton und GFK.”

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Kompressorstationen, diese verbrauchen zusammen 14 Mrd. kWh pro Jahr.18 Durch bessere Planung von Bedarf und Druckluftnetzen kann die Energieef-fizienz entscheidend verbessert werden. Von vornherein kann Kompressor-wärme für das Heizen von Hallen oder von Prozesswasser vorgesehen werden. Druckluftspeicher und intelligente Steuerungen sind weitere Elemente zur Verbrauchsreduzierung. Der Artikel weist ausdrücklich auf das Energieeinspar-potenzial von geeigneten Elektromotoren – konkret: Permanentmagnetmotoren – für Kompressoren hin.19 Der Ventilator- und Motorenhersteller ebm-papst spart allein durch die Beseitigung von Leckagen im Druckluftsystem in einem seiner Werke jährlich 60.000 Euro ein.20 Dass pneumatische Antriebe dennoch deutlich energieeffizienter sein können als gemeinhin angenommen, wurde im inzwischen abgeschlossenen Forschungsprojekt „Energieeffizienz in der Produktion im Bereich Antriebs- und Handhabungstechnik“ (EnEffAH) ermittelt. Je nach gewünschter Kraft und Haltedauer haben die Forscher Faust-formeln für automatisierte Maschinenbewegungen entwickelt: Je kleiner die Hublänge, je größer die Endlagenkraft und je länger die Haltedauer, desto effizienter sind pneumatische Antriebe.21

Eine veränderte und konzentrierte Sichtweise auf die Produktivität zeigt sich nicht nur beim Thema Energie, sondern auch bei der Ressource Wasser. Eine Studie der Unternehmensberatung McKinsey zeigt, wie ein auf ‚Lean‘-Prinzipien basiertes Programm, das den Wasserfluss im Unternehmen systematisch erfasst, hilft, die größten Kostentreiber und Einsparpotenziale zu ermitteln. Neben Best Practice-Beispielen werden in der Studie die für die Wasserproduk-tivität relevanten Instrumente genannt, die in einem Programm zur Steigerung der Energieeffizienz meist keinen Platz finden.22

Bau

Von der Tagung Bauchemie 2012 der gleichnamigen Fachgruppe der Gesell-schaft Deutscher Chemiker (GDCh) wird berichtet23, dass sich der weltweite Bedarf an Zement bis zum Jahr 2050 in etwa verdoppeln wird. Die CO2-Emissionen von Beton und Zement ließen sich durch alternative Werkstoffe wie beispielsweise mineralische Verbindungen oder besondere Additive reduzieren. Das beeinflusst allerdings die Materialeigenschaften.

Für Leichtbaustrukturen im Bauwesen bietet sich ein Hybridmaterial aus Textilbeton an. Das sind spezielle Beton-Mischungen, die durch Textilfasern

18 StéphaneItasse:EnergieeffizienzfordertKompressorenherstellerheraus,in:Maschinen-MarktNr.42,15.10.2012,S.26f;https://www.maschinenmarkt.vogel.de/fileserver/vogelon-line/issues/mm/2012/042.pdf(aufgerufenam18.12.2012)19 ebd.20 RebeccaEisert:KampfdenEnergiefressern,inWirtschaftsWoche,Nr.44,29.10.2012,S.70-7321 ChristaFried:ElektrischeundpneumatischeAntriebesindoftEnergieverschwender.nachhaltigePRODUKTIONonline,07.08.2012,http://www.nachhaltige-produktion.de/energie-ressourcen/articles/373889/(aufgerufenam18.12.2012)22 MartinStuchtey:WassereffizienzjenseitsdesTropfenzählens.Produktion,10.10.2012,http://www.produktion.de/clean-tech/wassereffizienz-jenseits-des-tropfenzahlens/(auf-gerufenam18.12.2012)23 RenateHoer:NachhaltigeBaustoffederZukunft.Innovations-Report,04.10.2012,http://www.innovations-report.de/html/berichte/veranstaltungen/nachhaltige_baustoffe_zuku-nft_203320.html(aufgerufenam18.12.2012)

bzw. Textilfasermatten verstärkt und durch glasfaserverstärkte Kunst- stoffe (GFK) ergänzt werden. Hohe Festigkeit, Langlebigkeit oder gute Oberflächenqualität bei kosteneffizienter Fertigung zeichnen diese Werkstoffe aus. Beide Materialien wurden in der Vergangen-heit unabhängig voneinander entwickelt und optimiert, so dass sich bei einer Kombination der beiden Werkstoffe verschiedene Probleme zeigen, die eine baupraxisgerechte Umsetzung eines solchen Hybridmaterials bislang nicht er-laubten.

Diese Probleme basieren in erster Linie auf den unterschiedlichen Eigenschaften von Textilbeton und GFK zum Beispiel bei der Dichte, Elastizität, Festigkeit oder beim Brandverhalten. Diplom-Ingenieur Henrik Funke von der Technischen Universität Chemnitz zeigte auf der Tagung Bauchemie 2012 eine Lösung für dieses Problem. Durch Einsatz eines Interlayers aus Epoxidharz und eines Polyester-Wabenvlieses wurde eine mechanische, chemische und thermische Entkopplung der beiden Materialen erreicht. Den Wissenschaftlern gelang so die Herstellung eines 2,8 Quadratmeter großen und nur 40 Kilogramm schweren Fassadenelements, aufgebaut aus fünf Millimetern Textilbeton und vier Millimetern GFK. In Zukunft könnten solche Bauteile weitere Fortschritte im Bereich Leichtbau ermöglichen.24

Doch nicht nur Beton in neuen Variationen, auch ein neuartiges Formholz kann eine Lösung für die Bautechnik der Zukunft sein. Für dieses Formholz wird der Baumstamm, samt Teilen der Krone, nur entrindet. In einem speziellen Bearbeitungsverfahren, das der Dresdner Professor Peer Haller entwickelt hat, gewinnt man enorm tragfähige Holzrundrohre, die wegen des geringen Verschnitts nur rund 20 Prozent der Menge Rohholz benötigen, die bei herkömmlichen Verfahren nötig ist.25

Dabei kommt man sowohl in der Höhe als auch in der Breite über die Abmes-sungen des Baumes hinaus, was die Zahl der Verbindungsmittel reduziert.26 Das Projekt ist nun in der Prototypenphase. So wurde beispielsweise eine zehn Meter hohe Windkraftanlage aus Formholz in Chemnitz gebaut.

Ein völlig neuartiges Bauverfahren ist „Stone Spray“, bei dem ein Roboterarm ein Gemisch aus Sand und Bindemitteln aus einem Sprühstrahl ablagert. Dies erinnert an 3D-Druck, unterscheidet sich allerdings darin, dass mit diesem Ansatz auch an vertikalen Flächen gedruckt und auf existierende Strukturen aufgebaut werden kann. Das Bindemittel besteht aus LEED-zertifizierten (Leadership in Energy and Environmental Design) Komponenten, das Grund-material ist Sand. Am Institute for Advanced Architecture of Catalonia wurden bereits Objekte mit maximaler Kantenlänge von 50 Zentimeter per Stone-Spray gefertigt; das Material sei „steinhart“ stellten Projektmitarbeiter des Insti-tuts fest. Wasser und andere Umwelteinflüsse machen den gedruckten Bau-werken offenbar nichts aus, allerdings sei deren Langzeit-Beständigkeit noch

24 ebd.25 LianeShutov:HolzinHochform.Deutschlandradio,27.08.2012,http://www.dradio.de/dlf/sendungen/umwelt/1850560/(aufgerufenam18.12.2012)26 Ausgefeilt-DresdnerInnovationenausHolz,in:KompetenzinDD,September2011,http://www.dresden.de/media/pdf/wirtschaft_extern/infoblaetter/Dresdner-Kompetenz-Holz-web.pdf(aufgerufenam18.12.2012)

Lesezeichen - Technologie-Monitor 8

Rundrohre aus Formholz sparen 80 Prozent Rohholz

Gesprühte Wände aus

Sand

in genaueren Experimenten zu prüfen. Dass Stone Spray neue Formen auf bereits bestehende Strukturen drucken kann, bietet interessante architek-tonische Möglichkeiten: Gebäuden können neue Elemente hinzugefügt werden. Die ursprüngliche Idee war, provisorische Bauwerke wie Notfallunterkünfte mittels Stone Spray zu errichten – was nahe liegt, da die Elemente im jetzigen Entwicklungsstadium nicht massiv sind.27

27 ThomasPichler:StoneSprayermöglichtBauenper3D-Drucker.InnovationsReport,06.08.2012,http://www.innovations-report.de/html/berichte/architektur_bauwesen/stone_spray_ermoeglicht_bauen_per_3d_drucker_200106.html(aufgerufenam18.12.2012)

Lesezeichen - Technologie-Monitor9

Ein Projekt im Rahmen der Klimaschutzinitiative des Bundes-ministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit.

VDI Technologiezentrum GmbHim Auftrag der VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH

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