Industrie & Technik

Prof.Dr.

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<p>China – etwa so groß wie die USA, aber mit viermal so viel Einwohnern – brauchte im Jahr 2015 knapp ein Viertel des globalen Energieaufkommens und stellte etwa ein Viertel aller Polymere her. Die chinesische Regierung erhöht den Anteil nachwachsender Rohstoffe an der Energie- und Stoffproduktion. Dies erleichtert zum einen die Ressourcenplanung. Zum anderen soll so die Umweltbelastung der Ballungsregionen sinken, die aus Kohleheizkraftwerken und Kohleverfeuerung in den Haushalten entsteht [Nachr. Chem. 2016, 64, 758]. Stroh zu verbrennen, um den Boden zu düngen, ist mittlerweile streng verboten, trägt aber noch immer zur Luftverschmutzung in ländlichen Regionen bei, weil das Verbot häufig ignoriert wird. Der 13. Fünfjahresplan (2016 – 2020) widmet dem Aufbau chinesischer Bioindustrien ein großes Kapitel: Es geht um Biopharmazie, Biomedizin, Biolandwirtschaft und Bioproduktion.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/vjFtRKQEeacDYEozg87w"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Maniokwurzeln (hier ausgegraben, Blätter entfernt) werden in China kaum gegessen, sondern dienen als Kohlenstoffquelle. <named-content>Foto: Patarapong, Fotolia</named-content></figcaption></figure>
<h2>Ethanol und Energie</h2><p>Chinesische Staatsunternehmen wie Cofco und Henan Tianguan produzieren heute in sieben Anlagen insgesamt 2,3 Mio. t Bioethanol, etwa 5 Prozent der in den USA produzierten Menge. Bei den dafür in China üblichen kontinuierlichen Fermentationsverfahren mit Hefe betragen die Ausbeuten zirka 95 Prozent . Etwa 75 Prozent der Fabriken nutzen dafür als C-Quelle Maismehl, 14 Prozent nutzen Weizenmehl. Wegen der rückläufigen Lebensmittelversorgung subventioniert China Bioethanol seit dem Jahr 2015 nur noch dann steuerlich, wenn für die Ernährung wenig Genutztes wie Sorghumhirse oder Maniok (Abbildung 1) als C-Quellen dienen. Eine Million Tonnen Bioethanol entstehen derzeit auf dieser Rohstoffbasis (Tabelle 1, S. 976). Wesentlich stärker treibt die Regierung die Verwendung von Stroh und holzigen Reststoffen voran und subventioniert mit bis zu 1200 Yuan (etwa 160 Euro) pro Tonne.</p><p>Seit dem Jahr 2012 betreiben der neuseeländische Gasfermenter Lanzatech und Baosteel, ein chinesischer Stahlhersteller, in Schanghai eine Pilotanlage für 300 t·a<sup>–1 </sup>Ethanol aus Syngas. Im Jahr 2015 zog die Beijing Shougang im Joint Venture mit Lanzatech mit einer ebenso großen Anlage nach.</p><p>Nach staatlichen Berichten liegt Chinas Potenzial für Biogas bei über 50 Milliarden Kubikmetern pro Jahr. Derzeit werden etwa 20 Milliarden Kubikmeter hergestellt. Biogas ist die wichtigste Energiequelle für etwa 50 Millionen ländliche Haushalte.</p><p>Der 13. Fünfjahresplan sieht 200 Biomasse-Kraftwerke bis zum Jahr 2020 vor. Sie sollen dann 30 Gigawatt (0,5 Prozent) zum chinesischen Energienetz beitragen.</p><table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Chinesische Anlagen zur Bioethanolproduktion aus Biomasse.</h2><img src="https://media.graphcms.com/EILqb8rLQAOoDd04E5h5">

</table-wrap><h2>Diesel und Kerosin</h2><p>Von Chinas Dieselproduktion von zirka 15 Millionen Tonnen pro Jahr stammen 1 Million Tonnen aus nachwachsenden Rohstoffen. Für China typische Rohstoffe sind dabei Baumwollsaat- und Jatropha-Öle, die beide nicht als Lebensmittel geeignet sind. Conoco und andere Hersteller wollen bis zum Jahr 2020 aus Jatropha-Öl 100 000 Tonnen pro Jahr Biodiesel in sechs Fabriken herstellen. Chinas nachhaltigste Quelle dafür sind 14 Millionen Tonnen pro Jahr Abfallöle und -fette, von denen etwa die Hälfte aus Altspeiseöl und ein Drittel aus der Verarbeitung von Tierkörpern stammt. Die meisten Anlagen verwenden für die Biodieselproduktion eine zweistufige Säure-Base-Katalyse; weniger als 10 Prozent der Produkte entstehen mit Lipase-Katalyse. Die Verkehrsgesellschaft in Schanghai betreibt ihre 15 000 Busse mit chinesischem Biodiesel, und die Qingdao Fresh Energy Biotech Development verarbeitet Altspeiseöl vom Oktoberfest in Tsingtao zu Biodiesel [Nachr. Chem. 2014, 62, 433].</p><p>Im Jahr 2014 benötigte China 25 Millionen Tonnen Kerosin. Dieser Bedarf wächst jährlich um 20 Prozent. Staatsunternehmen wie Sinopec arbeiten deshalb auch an der Herstellung von Biokerosin. Im Jahr 2013 hob in Schanghai ein Airbus 320 der China Eastern Airline ab, der mit Biodiesel aus Altspeiseöl flog. Die Commercial Aircraft Corporation of China (Comac) betreibt mit Boeing in Hangzhou eine Versuchsanlage für 200 Tonnen Altkochöl pro Jahr. Sie soll jedes Jahr 1,8 Millionen Tonnen Flugzeugtreibstoffe liefern. Die größten Hindernisse dafür sind</p><p><list list-type="simple"><list-item></list-item></list></p><p>hohe Qualitätsanforderungen,</p><list-item><p>Mangel an genügend reinen Fettsäuren und</p></list-item><list-item><p>das teure Herstellverfahren mit Hydrolyse-, Hydrierungs- und Desoxidationsschritten.</p></list-item><p></p><h2>Polymere</h2><p>Die wichtigsten derzeit in China produzierten Biokunststoffe sind stärkebasiere Polymere, Polymilchsäuren (PLA), Polyhydroxyalkanoate (PHA), Polybernsteinsäure (PBS) und Bionylon (langkettige Dicarbonsäuren und Diaminopentan) (Tabelle 2).</p><p>Es gibt industrielle Versuchsanlagen für die Herstellung von Biopolymer-Bausteinen wie Bernsteinsäure, von Ethylenglykol aus Biomasse oder von 1,3-Propandiol (PDO) aus Glycerin. Die wichtigsten staatlichen Forschungsinstitute für Biopolymer-Komposite sind das Peking Institute of Chemistry und das Ningbo Institute for Materials Technology and Engineering der chinesischen Akademie der Wissenschaften.</p><p>China produziert 35 000 Tonnen Alginat pro Jahr und ist damit Weltmarktführer. Die Qingdao Bright Moon Seaweed Group stellt daraus etwa medizinische Verbandstoffe her (Abbildung 2). Ebenfalls aus Qingdao kommt eine nanofibrilläre Cellulose-Kompositmembran, welche die Seaweed-Gruppe mit Lanxess als Diaphragma für Lithiumbatterien prüft. China ist weltgrößter Hersteller von Kompositen mit Holz, vom Naturkautschuk Guttapercha und von Chitosan aus Krabbenschalen.</p><p>Wie in anderen Ländern sind in China Kunststoffabfälle allgegenwärtig. Im Jahr 2015 hat deshalb beispielsweise Changchun, Hauptstadt der Provinz Jilin, Plastiktüten verboten.</p><table-wrap>

<label>Table 2</label><h2>Biokunststoffhersteller in China.</h2><img src="https://media.graphcms.com/ZhMmDz2IQiCkoVHzW3e3">

</table-wrap><figure><img src="https://media.graphcms.com/6HGtOLkPQPSIfvFxLZ5I"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Nanofibrilläre Cellulose-Kompositmembran für Lithiumbatteriediaphragmen; Pilotanlage des CAS Qingdao Institute for Bioenergy and Bioprocess Technology. <named-content>Foto: Qingdao</named-content></figcaption></figure>
<h2>Biomasse: Algen</h2><p>Chinas Küstenlinie ist etwa 18 000 km lang, und mehr als 20 000 km<sup>2</sup> dieser Küsten sind flach genug, um dort Mikroalgen zu kultivieren. Wenn nur fünf Prozent dieser Fläche genutzt würden, könnten etwa vier bis sechs Millionen Tonnen Mikroalgen pro Jahr entstehen. Derzeit ist es aber zu teuer, die Algenbiomasse zu filtern und daraus das Öl zu extrahieren. Das Institut für Verfahrenstechnik der chinesischen Akademie der Wissenschaften arbeitet deshalb an einer magnetunterstützten Erntemethode: Sie fällt die Biomasse mit Eisenoxid, das an kationisches Polyacrylamid gebunden ist. Zudem entwickelt das Institut eine Ölextraktion mit 1,2-Dimethoxyethan. Das Institut für Bioenergie und Industrietechnik will Mikroalgen gentechnisch verändern, damit sie mehr Triglyceride produzieren und diese dann zu Alkenen biotransformieren.</p><h2>Ausblick</h2><p>Impulse aus dem 13. Fünfjahresplan sind zu erkennen: Bis zum Jahr 2020 sollen Biotreibstoffe elf Millionen Tonnen oder sieben Prozent des Treibstoffverbrauchs ausmachen, darunter drei bis fünf Millionen Tonnen Bioethanol aus Maniok und anderer Biomasse. Seit dem Jahr 2016 gelten in den elf östlichen Provinzen, ab dem Jahr 2019 chinaweit neue Treibstoffstandards: E10-Benzin mit zehn Prozent Bioethanol und B5-Diesel mit fünf Prozent Biodiesel.</p><p>Bei der Bioproduktion stehen Biopolymere weiterhin im Mittelpunkt. Bio-PET aus Bioethylen und p-Xylen soll ebenso dazugehören wie Acrylsäure aus Zucker. Auch Phthalat-Ersatzstoffe wie 1,4-Cyclohexadien-Dicarbonsäure haben Priorität, war China doch im Jahr 2012 mit 2,3 Millionen Tonnen bereits der weltgrößte Hersteller und Verbraucher von Weichmachern; 80 Prozent davon sind Phthalate. Bioweichmacher sollen im Jahr 2020 bereits 1,2 Millionen Tonnen ausmachen. Die Entwicklung von Materialien wie Bioisopren aus Biomasse (Biorubber) wird ebenfalls vorangetrieben.</p><p>Rolf Schmid leitet das Steinbeis-Beratungszentrum Asia Technology Consulting in Stuttgart. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.asia-tech.eu" target="_blank">www.asia-tech.eu</a></ext-link> Luo Liu ist Associate Professor der Beijing University of Chemical Technology. <ext-link ext-link-type="uri"><a href="http://english.buct.edu.cn" target="_blank">http://english.buct.edu.cn</a></ext-link> Zu diesem Artikel ist Literatur – größtenteils in chinesischer Sprache – erhältlich bei <a href="mailto:rolf.schmid@asia-tech.eu">rolf.schmid@asia-tech.eu</a>.</p><h2>Quergelesen</h2><p>Die chinesische Regierung will vermehrt biobasierte Kohlenstoffquellen nutzen, die nicht der Ernährung dienen.</p><p>Dieselkraftstoffe – sogar für Flugzeuge – will China aus Abfallölen gewinnen.</p><p>Algen haben in China ein großes Biomasse-Potenzial.</p>

Artikel

Biotech in China: Treibstoffe und Polymere

undefined China – etwa so groß wie die USA, aber mit viermal so viel Einwohnern – brauchte im Jahr 2015 knapp ein Viertel des globalen Energieaufkommens und stellte etwa ein Viertel aller Polymere her. Die chinesische Regierung erhöht den Anteil nachwachsender Rohstoffe an der Energie- und Stoffp...

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<p>Die Bundesregierung will den Primärenergieverbrauch senken: gegenüber dem Vergleichsjahr 2008 um 20 Prozent bis zum Jahr 2020 und um 50 Prozent bis zum Jahr 2050. Betriebe sollten nicht davor zurückschrecken, dafür ein normgerechtes Energiemanagementsystem einzuführen. Im ersten Schritt geht es darum, den Verbrauch zu ermitteln (Abbildung 1). Erst wenn ein Bewusstsein für den tatsächlichen Verbrauch vorhanden ist, entsteht auch das Bewusstsein für Einsparpotenziale. Dann kann die ISO 50001 (Energiemanagementsysteme – Anforderungen mit Anleitung zur Anwendung) für Energiemanagementsysteme starten.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/UAgmCw1TsGjbNBFvfi4w"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Im ersten Schritt ist der betriebsinterne Stromverbrauch zu analysieren. <named-content>Fotos: Shutterstock</named-content></figcaption></figure>
<h2>Keine Pflicht, aber sinnvoll</h2><p>In Deutschland besteht keine Pflicht, ein Energiemanagementsystem (EnMS) einzuführen. Es bringt aber etliche Vorteile. Eine Implementierung ist sowohl für die Wettbewerbsfähigkeit sinnvoll als auch für das Image. Für das produzierende Gewerbe besteht ein weiterer Anreiz: Die Zertifizierung nach ISO 50001 ist in Deutschland Voraussetzung, um besonders energieintensive Unternehmen teilweise von der EEG-Umlage zu befreien und sie von der Strom- und Energiesteuer zu entlasten.</p><p>Die im Juni 2011 veröffentlichte ISO 50001 ist eine weltweit gültige Norm. Die Struktur entspricht der anderer ISO-Systeme, etwa der ISO 9001 für Qualitäts- und der ISO 14001 für Umweltmanagementsysteme. Dadurch lässt sich die ISO 50001 in bereits vorhandene Managementsysteme integrieren. Sie basiert auf dem Prinzip Planen-Umsetzen-Prüfen-Verbessern (Plan-Do-Check-Act, PDCA) und legt einen Schwerpunkt auf kontinuierliche Verbesserungsprozesse (Abbildung 2). Die Zertifizierung übernehmen akkreditierte Zertifizierungsorganisationen.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/ALUYzJnS9iZ7pGc9QWVg"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Die ISO 50001 basiert auf dem PDCA-Zyklus. Sie legt einen Schwerpunkt auf ständige Verbesserung.</figcaption></figure>
<h2>Die ISO 50001 in der Praxis</h2><p>Die Unternehmensführung entwickelt die firmeninterne Energiepolitik samt konkreter Strategien, legt Grenzen fest, stellt Ressourcen zur Verfügung und benennt einen Energiemanager. Dieser stellt sicher – je nach Firmengröße zusammen mit einem Team –, dass das Energiemanagementsystem normgerecht eingeführt, aufrechterhalten und optimiert wird.</p><p>Es ist sinnvoll, Mitarbeiter aus verschiedenen Unternehmensbereichen wie Einkauf, Instandhaltung, Produktion und Buchhaltung im Energieteam zu haben, um bei möglichst vielen Bewusstsein und Kooperationswillen für die firmeninterne Energiepolitik zu schaffen. Darüber hinaus ist eine gute interne Kommunikation wesentlich. Tools, die verbrauchte und eingesparte Energie darstellen, rücken die Einsparpotenziale immer wieder ins Bewusstsein der Mitarbeiter. Damit sind sie auch motiviert, weiterzumachen.</p><p>Grundsätzlich bestimmt ein Unternehmen bei der Umsetzung des EnMS selbst Grad, Umfang und zeitlichen Rahmen der Energieeinsparungen. Allerdings muss die Unternehmensführung mindestens jährlich die festgelegte Energiepolitik prüfen und anpassen.</p><h2>Anlagendokumentation</h2><p>Die Software Livedok NG von Rösberg dient der elektronischen Anlagendokumentation. Die App <a href="https://Livedok.mobile" target="_blank">Livedok.mobile</a> ermöglicht den Zugriff on- wie offline auf mobilen Endgeräten auch im Ex-Bereich. Der Plant Assist Manager unterstützt den Anwender beim Dokumentieren und Durchführen von Prozessabläufen. Alle Softwareprodukte bieten Visualisierungen, Modularisierungen, Datenbanken und Cloud-Anwendungen.</p><h2>Datenerfassung</h2><p>Die Unternehmensführung benennt im Zuge des Energiemanagements strategische und operative Ziele. Zudem prüft sie, ob die Energiekennzahlen (EnPLs) angemessen sind und eingehalten werden. Damit ist die Datenerfassung wesentlich bei der Einführung eines EnMS.</p><p>Ante Crnjac, Account Manager Business Management &amp; Sales bei Rösberg Engineering, hat sich im Zuge einer Pilotanwendung anhand eines Industrieprojekts damit befasst, wie sich Energiemanagementsysteme nach ISO 50001 einführen lassen. Sie sagt: „Die Norm macht keine Vorgaben, wie der Energieverbrauch zu erfassen und auszuwerten ist. Das kann manuell oder softwaregestützt geschehen. Wir haben gute Erfahrungen mit dem Anlagenchronist Acron der Firma Videc gemacht.“ Je nach Größe und Komplexität einer Anlage kann es sinnvoll sein, sich auf die Hauptverbraucher zu konzentrieren. Je detaillierter jedoch alle Verbraucher in einer Anlage erfasst sind, desto höher ist das Einsparpotenzial.</p><p>Automatisierungsexperten von Rösberg beraten auch bei der Einführung von EnMS nach ISO 50001 sowie bei der Wahl und Implementierung der Software, um Energiedaten zu erfassen und zu visualisieren. Der Staat unterstützt bei der Beschaffung von Messtechnik und Betriebsdatenerfassungssoftware. Zudem gibt es für die effizientere Nutzung von Energie staatliche Vergünstigungen.</p><p>Evelyn Landgraf verantwortet das Marketing bei der Rösberg Engineering in Karlsruhe. <a href="mailto:info.ka@roesberg.com">info.ka@roesberg.com</a>, <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.roesberg.com" target="_blank">www.roesberg.com</a></ext-link></p>

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