Die traceless materials GmbH ist ein Bioökonomie Start-up Unternehmen, das im Jahr 2020 als Ausgründung der TU Hamburg hervorgegangen ist. Das Hauptgeschäftsfeld stellt die Entwicklung und Produktion des traceless Materials (rückstandslos biologisch abbaubares Material) für den Kunststoffverarbeitungsmarkt dar. Erklärtes Ziel ist, einen messbaren Beitrag zur Lösung der weltweiten Verschmutzung durch Kunststoffe zu leisten.
Die traceless materials GmbH stellt mittels eines innovativen Verfahrens ein Material her, welches vergleichbare Eigenschaften wie Kunststoff besitzt. Es handelt sich dabei aber um eine neuartige Materialkategorie. Konventioneller Kunststoff wird in einem synthetischen Verfahren und zum Großteil aus fossilen Rohstoffen hergestellt. Der Rohstoff in diesem Projekt hingegen sind pflanzliche Reststoffe, welche nach der Extraktion der natürlichen Polymere noch als Futtermittel oder zur energetischen Verwertung genutzt werden können. Im Vorhaben soll eine Demonstrationsanlage mit einer Kapazität von mehreren Tausend Tonnen pro Jahr errichtet und betrieben werden. Im Herstellungsprozess des traceless Materials wird als Rohstoff ein pflanzlicher Reststoff verwendet, der als Nebenprodukt der industriellen Getreideverarbeitung anfällt. Mit einem zum Patent angemeldeten Verfahren werden daraus natürliche Polymere extrahiert und zu einem Granulat verarbeitet. Dieses Granulat kann mit gängigen Technologien der Kunststoffverarbeitung zu verschiedenen Produktanwendungen weiterverarbeitet werden, beispielsweise im Spritzguss oder der Extrusion.
Das hergestellte Material könnte z.B. zur Herstellung von Einwegverpackungen und -produkten, welche leicht in die Umwelt gelangen oder sich nicht recyceln lassen, eingesetzt werden und so zur Verbrauchsminderung fossiler Rohstoffe beitragen. Damit soll auch die Umweltverschmutzung zurückgehen, da das Material sich rückstandslos abbaut und nicht schädlich für Flora und Fauna ist, wenn es unsachgemäß in der Umwelt entsorgt werden sollte. Produkte, die aus dem Material hergestellt werden, sind entweder über den Restmüll oder bei Verpackungen über den gelben Sack/die gelbe Tonne/Wertstofftonne zu entsorgen. In beiden Fällen werden sie energetisch verwertet, da der Marktanteil für eine sortenreine Sammlung und mechanisches Recycling derzeit zu gering ist. Eine Entsorgung über die Bioabfallsammlung ist nicht zulässig, auch wenn das Material zertifiziert gartenkompostierbar ist. Bei einer Kompostierung würde auch der energetische Nutzen verloren gehen.
Bei einer jährlichen Produktionskapazität von mehreren Tausend Tonnen können nicht nur substantiell CO2-Emissionen und fossile Energieträger, sondern auch Wasser und Landressourcen eingespart werden.
Das Verfahren ist für eine Vielzahl von Unternehmen der Chemie- und Kunststoffindustrie übertragbar. Da das Material auf den gängigen Anlagen der kunststoffverarbeitenden Industrie eingesetzt werden kann, ist eine Übertragbarkeit ohne (hohen) Aufwand möglich. Weiterhin wird an der Übertragbarkeit dieses Verfahrens der Polymerextraktion auf andere Reststoffe von Getreide geforscht.
Bioraffineriekonzepte, zu welchen das hier beantragte Projekt gehört, werden in Zukunft mehr und mehr dazu beitragen, fossile durch heimische und biobasierte Rohstoffquellen zu ersetzen. Ein bereits lange bestehendes Konzept resultiert aus der Zellstoffproduktion. Hierfür werden schon immer biobasierte Produkte eingesetzt. Jedoch werden die Reststoffe der Zellstoffproduktion meist nur energetisch genutzt. In den letzten Jahrzehnten ist das Interesse an Lignin und den enthaltenen Fettsäuren aber stetig gewachsen, wobei bis heute noch kein industrieller Prozess zur stark wertgesteigerten Verwertung dieser Reststoffe, und somit eine Erweiterung des Bioraffineriekonzeptes zur Herstellung von Spezialchemikalien, erreicht werden konnte. Dies soll mit dem hier beschriebenen Projekt erfolgen. Gesamtziel des Projektes ist die Entwicklung (i) der chemischen Umsetzung von Fettsäuren mittels Kolbe-Elektrolyse (ii) eines passgenauen Elektrolyseurs und (iii) der Hochskalierung zur Herstellung von Mustermengen an Weiß- bzw. Paraffinölen und Paraffinen auf Basis von biobasierten Fettsäuren aus der Tallöldestillation. Diese sollen in Formulierungen für Kosmetik- oder Bauprodukten sowie als Verarbeitungshilfsmittel bei Polymeren getestet werden. Am Ende soll ein technischer Elektrosyntheseprozess grundlegend etabliert sein und dessen Wirtschaftlichkeit inkl. einer ersten LCA abgeschätzt werden. Dazu sollen im Projekt mehrere Teilziele erarbeitet werden.
Das hohe Aufkommen an Polymeren auf Ethylen- und Propylen-Basis führt nach deren Lebenszyklus zu erheblichen Abfallströmen. Die weltweit erwartete jährliche Menge an Kunststoffabfällen wird bis 2030 auf voraussichtlich ca. 440 Millionen Tonnen ansteigen. In Deutschland lag der Verbrauch an Kunststoff in 2019 bei 14,2 Mio. Tonnen und es fielen 6,28 Mio. Tonnen Kunststoffabfälle an. Stand der Technik ist, außer Lagerung auf Deponien, zumeist eine rein thermische Verwertung dieser Abfallströme, die zusätzlich zu den CO2-Emissionen, die bei der Herstellung entstehen, zu einer weiteren unerwünschten CO2- Freisetzung führt. Mechanisches Recycling ist nur begrenzt sinnvoll anwendbar. Somit ist bisher eine vollständige wirtschaftliche, umweltfreundliche und energieeffiziente Verwertung der anfallenden Abfallströme nicht möglich. Folglich besteht ein hoher Bedarf, diese Abfallströme als wertvollen Rohstoff einer technischen Anwendung zuzuführen. Vor dem Hintergrund der nationalen Klimaschutzziele und der notwendigen Reduktion der CO2-Emissionen im industriellen Bereich, strebt das Forschungsprojekt PYCRA eine signifikante Minderung der klimarelevanten Prozessemissionen in der deutschen Chemieindustrie an. PYCRA erforscht die Verwertung der Abfallaufkommen als Ausgangsstoff (= Feed) in Form eines chemischen Recyclings und somit als Substitut für fossile Rohstoffe (z.B. Naphtha) in petrochemischen Prozessen wie dem Steam Cracking. Hierbei soll ein völlig neues umweltschonendes Anwendungsverfahren für Pyrolyseöle entwickelt und erstmals demonstriert werden. Linde will eine erhebliche CO2-Reduktion bei der Herstellung von Ethylen im Vergleich zum Stand der Technik (Referenz: Steam-Cracker mit Naphtha-Feed) erreichen. Bei Projekterfolg kann das Verfahren neben einem nachhaltigen Beitrag zu einer Circular Economy, einen entscheidenden Hebel zur Energieeinsparung und der Reduktion von energiebedingten CO2-Emissionen darstellen.
Mikroplastik (Partikel im µm Bereich) entsteht durch verschiedenste Prozesse, insbesondere jedoch durch Abrieb und Erosion von Plastik. Dabei ist ein Eintrag über den Wasser- und Bodenpfad mittlerweile unbestritten. Jedoch weiterhin ungeklärt ist der tatsächliche Eintrag über den Luftpfad. Zwar belegen Studien das Vorkommen von Mikroplastik an weitentfernten Orten und lassen auch den Schluss eines zumindest teilweisen Transportes über die Luft zu, aber wie hoch dieser Beitrag tatsächlich ist bleibt zurzeit ungeklärt. Darüber hinaus spielt die Identifikation der Polymere und somit die Erfassung der Quellbeiträge eine entscheidende Rolle. Ziel des Projektes ist es den luftgetragenen Eintrag von Mikroplastik und deren Quellen an Hintergrundstationen des Luftmessnetzes zu bestimmen.
Dafür sollen an ausgewählten Messstationen des Luftmessnetzes des Umweltbundesamts (UBA) plastikfreie Niederschlagssammler sowie Vorrichtungen zur Feinstaubprobenahme installiert und über den Projektzeitraum repräsentativ PM10 Feinstaub- und Niederschlagsproben gesammelt und deren chemische Zusammensetzung analysiert werden. Zusätzlich sind Analysen von Niederschlagsproben zu Vergleichszwecken vorzusehen.
In der Studie soll zudem die Ergebnisse statistisch (deskriptiv und beurteilend) ausgewertet und eine mögliche Quellenidentifikation über die Inhaltsstoffe erarbeitet werden.
Polymer-basierte Batterien gelten als aussichtsreiche Kandidaten für eine nachhaltige Energiespeicherung, was u.a. motiviert wird durch einen reduzierten Energieverbrauch bei der Herstellung, eine einfachere Recyclingfähigkeit sowie die Verwendung leicht zugänglicher Materialien und dem Austausch kritischer Metalle. Aktuell leiden Polymer-basierte Batterien jedoch unter diversen Herausforderungen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz, insbesondere einer geringen Energiedichte oder nicht ausreichender Zyklenstabilität. Zudem fehlt aktuell noch ein grundlegendes Verständnis bzgl. der Kapazitätsverluste der Zellen sowie der auftretenden Alterungsmechanismen an den Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen. In diesem Projekt soll ein Spezialtyp einer Polymer-basierten Batterie systematisch untersucht werden, eine sogenannte Polymer-basierte Dual-Ionen-Batterie (DIB), welche organische Materialien des n- und p-Typs zur simultanen Speicherung von Kationen und Anionen verwendet. Das DIB-System unterscheidet sich von klassischen Polymer-Batterien basierend auf dem Kationen- oder Anionen-'Rocking-Chair'-Prinzip, da hier nicht nur eine Ionensorte, sondern sowohl Kationen als auch Anionen beteiligt sind. Dieses Speicherprinzip bietet verschiedene Vorteile, wie u.a. eine hohe Variabilität möglicher Kation-Anion-Paare sowie typischerweise eine hohe Zellspannung, die durch geeignete Polymermaterialien erreicht werden kann. Zur Entwicklung Polymer-basierter DIB-Systeme mit verbesserter Energiedichte und Stabilität werden in diesem Projekt verschiedene Strategien adressiert: (I) Design neuartiger Polymermaterialien mit höherem Arbeitspotential für die positive Elektrode ('Spannungstuning'), (II) Entwicklung von Hybridsystemen wie Graphit / Polymer mit hoher Zellspannung, (III) Entwicklung von 'All-Polymer'-DIB-Systemen, mit verschiedenen Konzepten wie der Entwicklung ambipolarer Polymersysteme sowie sogenannter 'Reverse-All-Polymer-DIB-Systeme'. Die verschiedenen Polymer-DIB-Systeme sollen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz umfassend untersucht werden, wobei der Einfluss der Elektrolytformulierung und der gebildeten 'Interphasen' auf die reversible Kapazität und Stabilität während der Lade-/Entladezyklisierung im Vordergrund der Untersuchungen stehen. Zu diesem Zweck werden verschiedene ex-situ und in-situ Analysen durchgeführt, um wichtige und umfassende Einblicke in die mechanistischen Eigenschaften der Kationen- bzw. Anionen-Speicherung, die Stabilität der Polymermaterialien und die Rolle der 'Interphasen' zu erhalten. Es wird erwartet, dass die in diesem Projekt gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse für die Entwicklung verbesserter polymerer Aktivmaterialien und optimierter Elektrolyte für Polymer-basierte DIB-Zellen mit hoher Energiedichte und Zyklenstabilität von großer Bedeutung sind.