Die Auswirkungen der Bioproduktion auf die Automobilindustrie

By | December 1, 2023

Professor Demirel ist Mitbegründer von Tandem Repeat Technologies und Huck Endowed Chair Professor an der Penn State.

In den letzten Jahrzehnten hat die Automobilindustrie mehrere technologische Revolutionen im Zusammenhang mit der Bioproduktion erlebt.

In den frühen 2000er Jahren gewannen beispielsweise Biokraftstoff-Start-ups als nachhaltige Alternative zur Ergänzung des wachsenden Energiebedarfs im Transportwesen an Bedeutung, obwohl sich der Sektor in einer Übergangsphase befindet. In den letzten Jahren werden Biokomposite aus Gründen der Nachhaltigkeit auch zunehmend in Autoinnenräumen, Kunststoffkomponenten und Reifen eingesetzt.

Angesichts des hohen CO2-Fußabdrucks der Öl- und Gasindustrie im Automobilsektor werden diese Anforderungen wahrscheinlich weiter steigen.

In früheren Artikeln habe ich darüber geschrieben, wie sich die Bioproduktion – bei der speziell entwickelte Mikroorganismen zur Herstellung von Produkten mit spezifischen Eigenschaften eingesetzt werden – auf Industrien und Trends wie Pharma, Halbleiter, Bauwesen, Mode und Lebensmittelzutaten zur Herstellung von Enzymen und Kosmetika ausgewirkt hat.

In diesem Artikel werde ich Innovationen in der Automobilindustrie aus der Perspektive der Bioproduktion untersuchen und zeigen, was noch passieren muss, damit diese Entwicklungen ihr Potenzial entfalten können.

Biomaterialien

Biofabrizierte Materialien erfreuen sich in der Automobilindustrie aufgrund ihrer Festigkeit, Haltbarkeit und ihres geringen Gewichts im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Stahl und Aluminium immer größerer Beliebtheit. Biobasierte Verbundwerkstoffe können beispielsweise leichtere und kraftstoffeffizientere Autos schaffen.

Da nachhaltige Biomaterialien leicht sind und am Ende ihrer Nutzungsdauer recycelt werden können, können Automobilhersteller ihren CO2-Fußabdruck reduzieren. Das Fraunhofer-Institut für Systeme und Innovation beispielsweise hat herausgefunden, dass der Einsatz von Biokompositen über den gesamten Lebenszyklus des Materials zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen um mehr als 50 % führen kann.

Die Biofabrikation ermöglicht eine Herstellung bei niedrigen Temperaturen (Polyester wird beispielsweise bei Temperaturen von bis zu 400 Grad Celsius hergestellt, während Biopolymere bei oder nahe Raumtemperatur hergestellt werden) mit begrenztem Wasserverbrauch und geringem Energiebedarf.

Obwohl diese Vorteile erheblich sind, muss die Industrie noch Wege finden, Biomaterialien zu Kostenparität und in großem Umfang herzustellen und zu verarbeiten.

In der Anfangsphase der Bioproduktion wurden Produkte natürlichen Ursprungs gewonnen, beispielsweise Ethanol aus Mais oder anderen Pflanzen. Im zweiten Schritt wurden gentechnisch veränderte heterotrophe Organismen eingesetzt, um Erträge zu erzielen, die denen aus natürlichen Quellen ähneln. Dieser Ansatz war jedoch aufgrund der hohen Investitions- und Rohstoffkosten mit Herausforderungen verbunden.

In der dritten Stufe zielt die Bioproduktion darauf ab, autotrophe Organismen mit minimalen Rohstoffkosten zu nutzen. Obwohl Rohstoffschwankungen weiterhin eine Herausforderung für die Herstellung von Biomaterialien darstellen, arbeitet die Branche daran, ihre Ertrags-, Kosten- und Rohstoffprobleme schrittweise zu lösen.

Biokraftstoffe

Es gab zwei Generationen von Biokraftstoff-Erfindungen: Die erste Generation umfasst Ethanol aus Stärke und Zucker, Biodiesel aus Ölsaaten und Biogas aus der anaeroben Vergärung von Biomasse, die bereits kommerziell genutzt wird. Die zweite Generation umfasst fortschrittliche Biokraftstoffe wie Zellulose-Ethanol, thermochemische Prozesse (Vergasung und Pyrolyse) und Algen-Biokraftstoffe, die sich noch in der Entwicklung oder in der ersten Forschungsphase befinden.

Biokraftstoffe können mithilfe biologischer Enzyme oder chemischer Katalysatoren hergestellt werden. Beispielsweise können Cellulase-Enzyme Cellulose in Zucker umwandeln, während Xylanasen Xylan in Zucker umwandeln können. Mikroorganismen können diese Zucker dann fermentieren, um Biokraftstoffe herzustellen. Im Gegensatz zu Benzin werden Biokraftstoffe bei Raumtemperatur und mit minimaler Umweltbelastung hergestellt.

Biokraftstoffe machen derzeit 3,5 % des weltweiten Energiebedarfs im Verkehrssektor aus und werden voraussichtlich weiter wachsen, doch externe Faktoren werden einen großen Einfluss auf den Erfolg von Biokraftstoffen haben.

Die Höhe und Volatilität der Ölpreise sowie die globalen Wirtschaftsbedingungen werden darüber entscheiden, inwieweit die Erfindung von Biokraftstoffen nachhaltig sein kann. Es wächst auch die Sorge, dass die Produktion von Biokraftstoffen mit den Nahrungsmittelressourcen konkurrieren könnte.

Daher wird der Bedarf an der Produktion von Biokraftstoffen der nächsten Generation, beispielsweise Zellulose-Ethanol und Algen-Biokraftstoffen, immer wichtiger.

Bioschmierstoffe

Die Bioproduktion wird auch zur Herstellung neuer Automobilschmierstoffe wie Motoröle, Hydraulikflüssigkeiten, Kompressoröle, metallverarbeitende Schmierstoffe und Isolierflüssigkeiten eingesetzt.

Biologisch hergestellte Schmierstoffe erfreuen sich aufgrund ihrer biologischen Abbaubarkeit und geringeren Toxizität als herkömmliche Schmierstoffe zunehmender Beliebtheit. Bioschmierstoffe werden aus Pflanzenölen, tierischen Fetten oder anderen umweltfreundlichen Kohlenwasserstoffen hergestellt. Darüber hinaus sind diese biobasierten Schmierstoffe im Vergleich zu herkömmlichen Mineralölen für ihre hervorragende Schmierfähigkeit, ihren hohen Flammpunkt, ihren hohen Viskositätsindex und ihre gute Scherfestigkeit bekannt.

Trotz der weit verbreiteten Verwendung stehen diese Schmierstoffe jedoch immer noch vor Herausforderungen im Hinblick auf ihre Leistung und den Produktionsumfang. Beispielsweise weisen rohe Pflanzenöle, darunter auch einige Schmierstoffe, eine unzureichende Oxidationsstabilität und Leistung bei niedrigen Temperaturen auf.

Biosensoren

Forscher entwickeln außerdem Biosensoren, die die Gesundheit und Sicherheit von Fahrern überwachen können, indem sie ihren Schweiß- oder Alkoholgehalt messen.

Diese Sensoren können auch den Zustand verschiedener Autoteile auf Lecks und andere Probleme überwachen. Der Einsatz fortschrittlicher Biosensortechnologien in modernen Fahrzeugen kann die Sicherheit der Passagiere und das gesamte Fahrerlebnis verbessern.

Obwohl diese Biosensoren ein enormes Potenzial haben, die Automobilindustrie zu revolutionieren, befinden sie sich noch in einem frühen Entwicklungs- und Implementierungsstadium. Um ihr Potenzial auszuschöpfen, müssen sie Herausforderungen wie hohe Kosten, kurze Lebensdauer und geringe Stabilität meistern.

Biobatterien und Biobrennstoffzellen

Biobatterien und Biobrennstoffzellen haben Potenzial für den Einsatz in mehreren Sektoren, darunter Automobile, tragbare und erneuerbare Energien.

Diese Systeme erzeugen elektrischen Strom, indem sie Elektronen aus der mikrobiellen Oxidation reduzierter Verbindungen oder aus enzymatischen Reaktionen ableiten, die Strom erzeugen können. Der Einsatz biobasierter Materialien in der Batterieproduktion könnte die Lebensdauer von Batterien verbessern und gleichzeitig ihre Ladekapazität verbessern.

Allerdings ähnliche Erscheinungsformen Sie existieren seit einem Jahrhundert und ihre praktische Wirksamkeit ist noch nicht geklärt.

Abschluss

Im Jahr 2022 wurden weltweit rund 85 Millionen Kraftfahrzeuge produziert. Der globale Markt für die Automobilindustrie wird auf 2,7 Billionen Dollar geschätzt, was etwa 3 % des globalen BIP entspricht.

Angesichts des Einflusses der Automobilindustrie auf die Nachhaltigkeit könnte die Umstellung auf die Biofertigung von Automobilteilen und -komponenten die Kreislaufwirtschafts- und Nachhaltigkeitsbemühungen dieser Branche erheblich steigern. Für eine erfolgreiche Bioproduktion im Automobilsektor ist es notwendig, Kostenparität mit synthetischen Äquivalenten und eine bessere Leistung wie Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit zu erreichen.


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