Leo Brecht, Birgit Stelzer Herausgeber: Universität Ulm Institut für Technologie‐ und Prozessmanagement (ITOP) Helmholtzstraße 22 89081 Ulm Fon +49 731 50 32 301 Autoren: Birgit Stelzer ist seit 2009 wissenschaftliche Mitarbeiterin am ITOP. Sie forscht im Bereich Technologie‐ und Innovationsmanagement (TIM). Ihr Forschungsschwerpunkt liegt in der Umsetzung des Technolo‐
giemanagements in Unternehmen, insbesondere der Technologievorausschau und Strategieentwick‐
lung. Außerdem beschäftigt sie sich mit Methoden und Techniken zur Entscheidungsfindung in diesem Themengebiet. Biobased Economy ‐ Biomaterialien Eine Technologievorausschau anhand IT‐gestützter bibliometrischer Analyse und Szenariotechnik Sabrina Beckmann, Isabel Meister, Birgit Stelzer, Edgar Schiebel ITOP‐Schriftenreihe Nr. 9 ISSN (Print) 2199‐4919 ISSN (Online) 2511‐1698 Projektmitarbeiter Wissenschaftlicher Direktor Prof. Dr. Leo Brecht, Universität Ulm Wissenschaftliche Projektleiterin Dr. Birgit Stelzer Studentische Mitarbeiter Sabrina Beckmann, B.A. Isabel Meister, B.Sc. Kooperationspartner: Dr. Edgar Schiebel, Austrian Institute of Technology, Wien Impressum Herausgeber Prof. Dr. Leo Brecht, Institutsdirektor und Dr. Birgit Stelzer, Wissenschaftliche Mitarbeiterin Institut für Technologie‐ und Prozessmanagement Universität Ulm Helmholtzstraße 22 D‐89081 Ulm Fon +49 (0) 7 31 50‐3 23 00 Fax +49 (0) 7 31 50‐3 23 09 E‐Mail: leo.brecht@uni‐ulm.de Internet: www.uni‐ulm.de/mawi/ITOP.html Druck Copyright © by Prof. Dr. Leo Brecht, Universität Ulm. Diese Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Ulm, Januar 2017. Printed in Germany. I Inhaltsverzeichnis Impressum…………………………………………………………………………………………………………………….…..I Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................... II Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................... IV Tabellenverzeichnis ............................................................................................................ V Abkürzungsverzeichnis ...................................................................................................... VI 1 Executive Summary ............................................................................................... 1 2 Biobased Economy und Materialwissenschaften ................................................... 5 2.1 Biobased Economy ................................................................................................................... 5 2.2 Materialwissenschaften ........................................................................................................... 7 2.3 Biomaterialien und Bioraffinerien ........................................................................................... 9 3 Forschungsmethodischer Rahmen ....................................................................... 10 3.1 Bibliometrie............................................................................................................................ 10 3.2 Szenariotechnik ...................................................................................................................... 11 4 Bibliometrische Analyse ...................................................................................... 12 4.1 Hotspots und Einbettung des Technologiefeldes .................................................................. 12 4.1.1 Hotspots ................................................................................................................................. 13 4.1.2 Einbettung des Technologiefeldes in die Dimensionen der Wissenschaft ............................ 14 4.2 Netzwerkanalysen .................................................................................................................. 19 4.2.1 Netzwerk der Autoren ........................................................................................................... 20 4.2.2 Netzwerk der Organisationen ................................................................................................ 24 4.3 Wissensbasen und Forschungsfronten .................................................................................. 26 4.3.1 Wissensbasen: Landkarte der Co‐Zitationen ......................................................................... 27 4.3.2 Forschungsfronten: Gebirgslandschaft der gekoppelten Publikationen ............................... 30 4.4 Forschungsportfolio: Positionierung der Forschungsfronten in der Wissenschaft ............... 34 4.5 Zusammenfassung ................................................................................................................. 36 II 5 Szenariotechnik zu „Biobased Economy ‐ Biomaterialien“ ................................... 38 5.1 Definition des Untersuchungsgegenstandes ......................................................................... 39 5.2 Einflussbereiche und Treiber ................................................................................................. 42 5.2.1 Trendanalyse .......................................................................................................................... 42 5.2.2 Ableitung der Einflussfaktoren .............................................................................................. 44 5.3 Deskriptoren und Projektionen ............................................................................................. 48 5.3.1 Deskriptoren .......................................................................................................................... 49 5.3.2 Projektionskatalog ................................................................................................................. 50 5.4 Alternativenbündelung .......................................................................................................... 60 5.5 Beschreibung der Szenarien .................................................................................................. 61 5.5.1 Extremszenario 1: Vehlinta schafft Pareto Optimum ............................................................ 61 5.5.2 Trendszenario: Nachhaltiger Direttissima ............................................................................. 63 5.5.3 Extremszenario 2: Granulat der Krise .................................................................................... 64 5.6 Störereignisse und deren Wirkung auf die Szenarien ............................................................ 65 5.6.1 Störereignis 1: Die Umlaufbahn der Erde hat sich verschoben ............................................. 66 5.6.2 Störereignis 2: High‐Wood Diet ............................................................................................. 67 5.6.3 Übersicht Einfluss der Störfaktoren ....................................................................................... 68 6 Ableitung robuster Technologien ........................................................................ 69 6.1 Relevante Technologien ......................................................................................................... 70 6.2 Marktszenarien und Identifikation robuster Technologien ................................................... 71 6.3 Chancen und Risiken .............................................................................................................. 74 7 Fazit..................................................................................................................... 76 Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 81 III Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Das Gebiet der Materialwissenschaften ............................................................................ 8 Abbildung 2: Grobes Schema des Ablaufs in Bioraffinerien (eigene Darstellung) ................................ 10 Abbildung 3: Anzahl der Publikationen von 1988 bis 2015 ................................................................... 15 Abbildung 4: Anzahl der Publikationen nach Autoren .......................................................................... 15 Abbildung 5: Veröffentlichungen nach Ländern in % (eigene Darstellung) .......................................... 17 Abbildung 6: Die 15 meist publizierten Organisationen ....................................................................... 18 Abbildung 7: Autorenkomponente "Denny K.S. Ng" ............................................................................. 20 Abbildung 8: Autorennetzwerk der Biomaterialien .............................................................................. 21 Abbildung 9: Autorenkomponente "Mendonca" .................................................................................. 21 Abbildung 10: Autorenkomponente "Bonomi" ..................................................................................... 22 Abbildung 11: Autorenkomponente "Thomsen" .................................................................................. 22 Abbildung 12: Autorenkomponente „Kokossis“ ................................................................................... 23 Abbildung 13: Autorenkomponente "Champreda" .............................................................................. 23 Abbildung 14: Organisationsnetzwerk der Biomaterialien ................................................................... 24 Abbildung 15: Gruppierung von Organisationen .................................................................................. 25 Abbildung 16: Netzwerk der Co‐Zitationen ........................................................................................... 27 Abbildung 17: Gebirgsgrafik der Forschungsfronten ............................................................................ 31 Abbildung 18: Zeitliche Publikationsentwicklung der bedeutendsten Forschungsfronten .................. 34 Abbildung 19: Forschungsportfolio nach Themen ................................................................................ 35 Abbildung 20: Szenariotechnik nach ITOP ............................................................................................ 38 Abbildung 21: Unternehmenslogo der PaperForYou GmbH, eigene Darstellung ................................. 39 Abbildung 22: Semantisches Netz der Bioraffinerien ........................................................................... 40 Abbildung 23: Systemgrid für Biomaterialien ....................................................................................... 48 Abbildung 24: Legende Einflüsse auf Szenarien .................................................................................... 68 Abbildung 25: Legende Einflüsse auf Szenarien .................................................................................... 68 IV Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht über die relevantesten Autoren ........................................................................... 16 Tabelle 2: Die wichtigsten Journals für den Bereich Biomaterialien ..................................................... 19 Tabelle 3: Beschreibung der Wissensbasen ......................................................................................... 28 Tabelle 4: Merkmale der Forschungsfronten ........................................................................................ 28 Tabelle 5: Anzahl der Artikel je Forschungsfront .................................................................................. 33 Tabelle 6: Prognostizierte Bevölkerungsentwicklung weltweit von 2010 bis 2050 .............................. 43 Tabelle 7: Einflussbereiche und Treiber (Einflussfaktoren)................................................................... 44 Tabelle 8: Einflussmatrix ....................................................................................................................... 46 Tabelle 9: Relevanzmatrix ..................................................................................................................... 47 Tabelle 10: Deskriptoren der Treiber .................................................................................................... 49 Tabelle 11: Bestehende Bioraffineriekonzepte (Stand 2011) ............................................................... 54 Tabelle 12: Alternativenbündelung ....................................................................................................... 60 Tabelle 13: Auswirkungen auf Pareto Optimum ................................................................................... 68 Tabelle 14: Auswirkungen auf Nachhaltiger Direttissima ..................................................................... 68 Tabelle 15: Auswirkungen auf Granulat der Krise ................................................................................. 69 Tabelle 16: Marktszenarien im Überblick ............................................................................................. 71 Tabelle 17: Chancen und Risiken der Bioraffinerien ............................................................................. 76 V Abkürzungsverzeichnis Abb. Abbildung ACS American Chemical Society Anm. Anmerkung B2B business to business B2C business to customer BIP Bruttoinlandsprodukt bzw. beziehungsweise CO2 Kohlenstoffdioxid CTBE The Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol) d. h. das heißt engl. englisch et al. et alia etc. et cetera ETH Eidgenössische Technische Hochschule (Zürich) EU Europäische Union F&E Forschung und Entwicklung ff. fort folgende HMF Hydroxymethylfurfural Hrsg. Herausgeber IFPR Integrated Forest Products Refineries IPCC Intergovernmental Panel of Climate Change IT Informationstechnik ITOP Institut für Technologie‐ und Prozessmanagement (Uni Ulm) i. V. m. in Verbindung mit Jg. Jahrgang KIT Karlsruher Institut für Technologie KMU Klein‐ und Mittelständische Unternehmen LOHAS Lifestyles of Health and Sustainability Mio. Millionen VI Mrd. Milliarden o. J. ohne Jahr OECD Organization for Economic Co‐operation and Development S. Seite s. siehe sog. sogenannte TIM Technologie‐ und Innovationsmanagement U.S. United States USA United States of America usw. und so weiter v. a. vor allem Vgl. Vergleiche WC Web of Science Category z. B. zum Beispiel VII 1 ExecutiveSummary
Eine Plastikflasche benötigt ca. 450 Jahre bis sie sich zersetzt und selbst dann löst sie sich lediglich in Mikroplastikpartikel auf, welche von der Natur kaum angreifbar sind.1 Laut Statista litten bereits 2005 über 7% der Weltbevölkerung unter Wasserknappheit, welche nicht zuletzt durch den Klimawandel hervorgerufen wurde. Bis 2025 soll der Anteil auf 25% steigen.2 Weitere Folgen des Klimawandels rei‐
chen von der Bedrohung durch Unwetterkatastrophen bis hin zum Verlust der bisherigen Artenvielfalt auf der Erde.3 Eine gute Nachricht zwischen all den negativen Schlagzeilen des Klimawandels könnte die Erforschung der Biomaterialien sein. Die Veränderung in Bezug auf die Nutzung von herkömmlichem Plastik ist ohne Zweifel längst an der Zeit. Das Themengebiet der Materialwissenschaften befindet sich derzeit im Wandel. Je weiter der Trend der Nachhaltigkeit sich verbreitet, desto größer wird das Bewusstsein in der Bevölkerung und desto größer wird auch der Druck auf die Industrie, etwas zu ändern. Aus diesem Wandel entwickelte sich das Konzept der Biobased Economy, die den Einsatz von Materialien, die auf erneuerbaren Ressourcen basieren und natürlich abbaubar sind, vorantreibt. Bereits 2004 trugen die Primärproduktion und die Nutzung oder Anwendung von Biomaterialien 5,6% zum BIP in Europa bei.4 Die Chancen der Biobased Economy sind weitreichend. Von der Einsparung von CO2 und damit der Einschränkung des Klimawandels, über die Verbesserung der Wettbewerbschancen der jeweiligen Hersteller und Nutzer, bis hin zur Arbeitsplatzentwicklung lassen sich deutlich die positiven Auswirkun‐
gen erkennen. Allerdings zeigen sich bereits heute auch die Risiken des Einsatzes der Biomaterialien: So kommt es vereinzelt zu Konkurrenzsituationen zwischen der Nahrungsmittel‐ und Energieproduk‐
tion, sowie Konflikten innerhalb der Politik bezüglich der Verteilung der Forschungsprojekte. Solche Projekte sind z. B. die Umwandlung herkömmlicher Raffinerien in sogenannte Bioraffinerien, die auf den Gebrauch von Erdöl zur Herstellung von Energie oder Materialien verzichten. Das Hauptproblem das sich hierbei ergibt ist nicht die eigentliche Durchführbarkeit solcher Anwendungen, sondern haupt‐
sächlich die ökonomische Effizienz. Dasselbe gilt für die Herstellung anderer alternativer Materialien, die z. B. durch Syntheseverfahren mit Hilfe von Mikroalgen durchgeführt werden könnte. Diese Mikro‐
algen könnten in Zukunft als sogenannte Komplettlösungen in privaten Haushalten zu finden sein und die Nutzung von herkömmlichem Plastik überflüssig machen. Eine weitere zukunftsweisende Technologie ist die Herstellung von Produkten durch 3D‐Drucker, wel‐
che die Nutzung von Materialien auf biologischer Basis begünstigen können. Auch die bereits existie‐
rende Extrahierung von Lignin bei der Herstellung und Vermaischung von Papier ist ein wesentlicher Bestandteil der Forschung und Entwicklung einer ganzheitlichen Biobased Economy. 1
Vgl. Umweltbundesamt (2913) Vgl. Statista/DSW (2016) 3
Vgl. Umweltbundesamt (2015) 4
Vgl. OECD (2009), S.2 2
1 Dieser Forschungsbericht befasst sich mit den Veränderungen im Bereich der Biomaterialien. Die Fra‐
gen, die dabei beantwortet werden sollen sind: Wie verändern sich die Materialien in der Zukunft? Ist der Trend des 3D‐Druckers als Beispiel eine zukunftsfähige Technologie? Können konventionelle Raffi‐
nerien in Zukunft durch einige einfache Vorgänge in Bioraffinerien umgewandelt werden? Wie realis‐
tisch ist die Verwendung von alternativen Materialien? Mit Hilfe einer Technologievorausschau sollen die oben genannten Fragen beantwortet werden. Dazu wird zuerst eine bibliometrische Analyse durchgeführt zur Aufdeckung emergenter Forschungsthemen und Technologien aus wissenschaftlichen Publikationen. Anschließend wird eine langfristige Zukunfts‐
vorausschau durchgeführt, um zu visionieren, wie sich das Thema Biobased Economy entwickeln könnte.5 Die Resultate der Technologievorausschau sind die Folgenden: Hot Spots Die aktuell wichtigsten Themen im Forschungsgebiet der Biomaterialien sind verschiedene Methoden zur Bewertung der wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Gesundheit, aber auch Umwelt‐ und sozialer Auswirkungen während der Produktion von Biokraftstoffen und ‐materialien. Die meisten Publikationen stammen aus den USA, gefolgt von China und Kanada. Deutschland ist hin‐
ter Spanien in dieser Auswertung auf Platz 5. Die wichtigsten Autoren für den Bereich der Biomaterialien sind Denny K.S. Ng, Professor für Prozess‐
design und Integrated Biorefinery an der Universität Nottingham am Campus Malaysia. Er veröffent‐
lichte bereits über 100 Publikationen und forscht momentan an der Synthese und Analyse von Bio‐
masseverarbeitung und an der praxisorientierten Umsetzung von integrierten Bioraffinerien.6 An zwei‐
ter Stelle der wichtigsten Autoren steht Fenqui You von der Northwest University in Illinois, der an der Optimierung von Syntheseprozessen forscht. Ein weiterer wichtiger Autor ist Adriaan R. P. Van Heinin‐
gen und ist Professor an der Fakultät des Biologie‐ und Chemieingenieurwesens an der University of Maine. Er beschäftigt sich mit den chemietechnischen Aspekten der Zellstoffproduktion und forstwirt‐
schaftlichen Umwandlungsverfahren von Biomasse. Nennenswerte Zeitschriften in diesem Forschungskontext sind Bioresources, Computer Aided Chemi‐
cal Engineering und Industrial Crops and Products. Die Organisation mit den meisten Publikationen ist die École Polytechnique, eine französische Univer‐
sität, die sich in der Nähe von Paris befindet. Die zweitwichtigste Organisation ist die University of Maine. 5
Anm.: Publikationsbasis Datenbank Web of Science Core Collection, Suchstrategie: „Biobased Economy“ und „Biorefinery“ in „Topic“; ab 1988; Ausschluss über Kategorien „Energy Fuels“. Daten gezogen im März 2016. 6
Vgl. University of Nottingham (2016) 2 Autorennetzwerke Das wichtigste Netzwerk der Autoren ist die Autorenkomponente um den Autor Mendonca Reigis Texeira (University of Concepción, Chile) welches sich mit der Verwendung der Pre‐Hydrolyse und Kie‐
fer‐Hackschnitzel für die Produktion von Bioethanol beschäftigt. In diesem Netzwerk befinden sich ins‐
gesamt 19 Autoren. Forschungsfronten Die Themengebiete mit dem aktuell höchsten Forschungsaufkommen sind „Extrahierung von Hemicel‐
lulose, Papierherstellung“, „Optimierung von Syntheseprozessen“ und „Integrierte Bioraffinerien“. Zentrale Themen sind außerdem „Strukturen von Lignin“ und „Input/Output Anmaischung“. Drei Szenarien Das Trendszenario “Nachhaltiges Direttissima“ beschreibt eine stabile Weltgemeinschaft im Jahre 2040. Entwicklungsländer können sich als bedeutende Handelspartner behaupten und führen zu ei‐
nem weltweiten minimalen Wohlstand. Deutschland ist Markführer im Bereich der Biomaterialtechnik, welche in vielen Branchen nun serienmäßig eingesetzt wird. Da inzwischen ein Verfahren zur Verwer‐
tung von Müll zu Biomaterialien entwickelt wurde, werden sogar die Ozeane nach Müll abgesucht, was zur Entwicklung unzähliger Bioraffinerien führt. Jeder Haushalt besitzt einen 3D‐Drucker, welcher durch alternative Materialien eine Kompaktlösung für Privatverbraucher bietet. Das Extremszenario 1 “Vehlinta schafft Pareto Optimum“ beschreibt eine Welt, die sich im Zeichen der Nachhaltigkeit entwickelt hat. Durch ein innovatives, leicht klonbares Material konnten Abfall und Energieverschwendung so drastisch reduziert werden, dass dem Klimawandel Einhalt geboten werden konnte. Durch den Waldanbau in Entwicklungsländern konnte auch diesen wirtschaftlich und ökolo‐
gisch geholfen werden. Die Menschheit ist nicht mehr auf nicht erneuerbare Ressourcen angewiesen. Das Extremszenario 2 “Granulat der Krise“ stellt eine graue Zukunft dar. Der Klimawandel schreitet voran, wird jedoch von der Politik systematisch geleugnet. Deswegen verschwinden Entwicklung und Förderung von abbaubaren Materialien zunehmend und Wegwerfprodukte hinterlassen eine Spur der Zerstörung durch verschmutzte Landschaften, Luft und Grundwasser. Bioraffinerien und ihre innova‐
tiven Verfahren zur Herstellung von alternativen Materialien gelten als Nische. Die Anzahl der Bioraf‐
finerien nimmt ab und viele Teile der Erde haben den Notstand ausgerufen. Robuste Technologien In allen drei Szenarien konnten die integrierten Bioraffinerien und die Extrahierung von Hemicellulose als robuste Technologien identifiziert werden. Im Trendszenario “Nachhaltiges Direttissima“ können zusätzlich zu den oben genannten Technologien auch das Klonen, das optimierte Syntheseverfahren von Lignin bzw. Mikroalgen und der 3D‐Druck ge‐
nutzt werden. 3 Im Extremszenario 1 “Vehlinta schafft Pareto Optimum“ wurden folgende Technologien zusätzlich zu den robusten als nützlich analysiert: das optimierte Syntheseverfahren von Lignin und Mikroalgen und der 3D‐Druck. Im Extremszenario 2 “Granulat der Krise“ konnten ausschließlich die robusten Technologien identifi‐
ziert werden.
4 2 BiobasedEconomyundMaterialwissenschaften
Die Biobased Economy ist ein weitreichender, branchen‐ und themenübergreifender Begriff. Dabei stellt sie für die Zukunft der Erde, deren Ressourcen und alle Lebenswesen eine große Chance zur Ver‐
änderung dar. Die Forschungen auf dem Gebiet sind ebenfalls sehr weitreichend und zum Teil auch sehr vielversprechend. Im Zusammenhang mit der Biobased Economy lohnt es sich, den Bereich der Materialwissenschaften zu betrachten. Kombiniert man diese zwei Fachbereiche ‐ die Forschung an (nachhaltigem, innovativen) Material innerhalb der Biobased Economy ‐ lassen sich einige verschie‐
dene Möglichkeiten aufdecken. Es ist allerdings auch notwendig, einen Blick auf Biomaterialien im All‐
gemeinen und deren Herstellung in einer Bioraffinerie, im Vergleich zu herkömmlichen Raffinerien, zu werfen. In den folgenden Kapiteln werden die Themen Biobased Economy und Materialwissenschaften vorge‐
stellt, definiert und der Zusammenhang von Biomaterialien und Bioraffinerien deutlich gemacht. Der Einblick in diese Themen dient als Grundlage für die weitere Forschungsarbeit in diesem Bericht. 2.1 BiobasedEconomy
Mit voranschreitendem Wachstum der Weltbevölkerung, dem Klimawandel vor Augen und den Her‐
ausforderungen der Ressourcenknappheit steht die Wirtschaft kurz vor einem Wandel. Produzierende Unternehmen und die weltweite Industrie müssen sich unbedingt von der Massenproduktion und dem Einsatz von Öl und anderen nicht erneuerbaren Ressourcen basierenden Materialien fortbewegen, hin zu einem Wirtschaftssystem, das im Einklang mit der Natur steht. Der Begriff Biobased Economy tauchte erstmals im Jahr 1997 von den Forschern Enríquez und Martinez auf, die sich damals mit den Genströmungen der drei größten Gendatenbanken und deren Auswirkungen auf die Forschung be‐
schäftigten.7 Seitdem hat sich der Bereich der Biobased Economy rasant entwickelt und wird heute als Wirtschaft definiert, die ihre Ressourcen aus der Natur bezieht (z. B. aus Biomasse oder sog. “Grünen Ressourcen”). Laut OECD wurde die Biobased Economy in Europa 2009 auf einen Wert von zwei Billio‐
nen Euro geschätzt. Dabei schufen Aktivitäten, die mit Biotechnologie verbunden sind, rund 20 Millio‐
nen Arbeitsstellen. Die Primärproduktion und die Gesundheits‐ und Industriesektoren, die Biomasse entweder direkt nutzen oder die Anwendungen im Bereich der Biotechnologie aufweisen, trugen 2004 5,6% zum BIP in Europa bei.8 Biologische Ressourcen werden heute zunehmend dazu genutzt, die Nachfrage der Bevölkerung zu erfüllen. Nicht nur für Nahrungsmittel und die Energieerzeugung, son‐
dern auch für Tierfutter, nachhaltige Bausubstanzen, nachhaltige Papierprodukte, viele Gesundheits‐
produkte und eine Vielzahl an technischen Produkten, sowie z. B. Chemikalien oder Kosmetikpro‐
dukte.9 Deshalb ist die genaue Definition der Biobased Economy notwendig. Von der OECD wird die Biobased Economy beschrieben als eine Produktionskette, die von der ursprünglichen Nutzung von Flächen und Gewässern über die Umwandlung und Produktion von Biomaterialien/‐produkten bis hin zum Endkunden mögliche Abfallstoffe durch und durch vermeidet. Genauer gesagt integriert die Bio‐
based Economy jegliche natürlichen und erneuerbaren biologischen Ressourcen: Flächen und Wasser, 7
Vgl. Enriquez (2002), S. 6 Anm.: Vergleiche 7,4% von Informations‐ und Kommunikationstechnologien; Vgl. OECD (2009), S. 2 9
Vgl. European Commission (2011), S. 7 8
5 Biodiversität und Biomaterialien (Pflanzen, Tiere, Mikroben). Außerdem werden zukünftige und be‐
reits existierende Forschungen im Bereich der innovativen Materialien für die Industrie durch die Bio‐
based Economy unterstützt. In der deutschen Sprache existiert zwar der Ausdruck Bioökonomie, dieser ist jedoch nicht sehr populär, weshalb im weiteren Verlauf des Berichtes der englische Ausdruck Bio‐
based Economy beibehalten wird. Eine reine Biobased Economy würde das Hauptaugenmerk auf die Produktion von Lebensmitteln und anderen essentiellen Produkten legen und die Herstellung von Energie als positiven Nebeneffekt in das System einfließen lassen. Leider ist bis heute eher das Gegen‐
teil der Fall: Biomasse wird zur Produktion von Energie genutzt und die Produktion von Lebensmitteln auf Biomaterialbasis steht an zweiter Stelle.10 Die Idee der Biobased Economy lässt sich grob so dar‐
stellen: Jeder Input basiert dabei auf natürlichen Materialien und führt zu unterschiedlichem Output wie Energie, Nahrungsmittel, chemischen Mitteln und für verschiedene Zwecke nutzbare Materialien. Darunter fallen ebenso Arzneimittel und medizinische Biomaterialien. Die Prozesse, die zu der Ent‐
wicklung der biologischen Endprodukte führen sind z. B.: Fermentierung, ein‐ oder mehrstufige Syn‐
theseverfahren oder Gärung.11 Die Biobased Economy bringt sowohl Chancen als auch Risiken mit sich. Chancen: • Weniger CO2 Ausstoß: Die Nutzung von Biomüll in Biogasanlagen verhindert, dass Biomüll der auf Müllkippen landet dort schädliches Methan in die Atmosphäre abgibt. Laut dem Department of Economy, Science and Inno‐
vation der Flämischen Regierung kann die Einsparung von 65% des Biomülls auf Müllkippen den Aus‐
stoß von 74 Millionen Tonnen CO2 verhindern. Außerdem kann der Gebrauch von Bioplastikprodukten ebenfalls CO2 Emissionen einsparen, da sie einen geringeren CO2‐Fußabdruck aufweisen.12 • Wettbewerbsfähigkeit der Biobased Economy: Der Übergang in eine Biobased Economy öffnet die Türen zu neuen Geschäftsfeldern und führt zu einer nachhaltigeren Wirtschaftsorganisation. Bioraffinerien können Abfallprodukte als Grundlage für z. B. Tiernahrung nutzen. • Europäische Wirtschafts‐ und Arbeitsplatzentwicklung: Da die Biobased Economy das Potenzial weiterer Innovationen und Forschungsarbeiten bringt, wird dieses Wirtschaftskonzept führende Ergebnisse in der Forschung für die EU bringen. Schon heute sind Forscher aus Europa weltweit angesehen und anerkannt. Die Biobased Economy bringt nicht nur Chan‐
cen für den Industrie‐ und Landwirtschaftssektor, sondern ebenso für den Bau‐, Abfall‐ und Transport‐
sektor.13 10
Vgl. Bio Based Press (2016) Vgl. BioBased Economy (2016) 12
Vgl. European Commission (2011), S. 12 13
Vgl. European Commission (2011), S. 13 11
6 Risiken: • Konkurrenz zwischen Nahrungsmittel‐ und Energieproduktion: Es besteht eine gewisse Gefahr, dass es zu einer Wettbewerbssituation zwischen der Produktion von Lebensmitteln und Energie kommt. Deswegen sollte die Bioenergie eigentlich am Ende eines Produk‐
tionsvorganges von z. B. Nahrungsmitteln stehen. Je nach Profitabilität sind die Prioritäten jedoch an‐
ders verteilt. Die eventuelle Umverteilung vom Industriesektor zurück zum Schwerpunkt auf den land‐
wirtschaftlichen Sektor ist für KMUs sehr kritisch, da sie sich in solch einer Situation nicht gegen große Unternehmen wehren könnten. Außerdem ist der Landwirtschaftssektor ein sehr energieaufwändiger Sektor, d.h. der Wasser‐ und Flächenmangel könnte sich umso stärker ausbreiten, je mehr die Biobased Economy an Popularität gewinnt. • Politik: Politische Entscheidungsträger müssen es vermieden, einen Sektor (z. B. Landwirtschaft) über einen anderen Sektor (z. B. Industrie) zu stellen. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass falls die Bio‐
based Economy nicht genügend Unterstützung seitens der Politik erfährt, innovative Forschungspro‐
jekte, sowie deren Wissenschaftler und Fachkräfte, in andere Länder, in denen es angemessenere Ge‐
setze für die Forschung gibt abwandern könnten.14 2.2 Materialwissenschaften
Das Themenfeld der Materialwissenschaften wird in den Bereich der Naturwissenschaften eingeord‐
net, da sich die Materialwissenschaften intensiv mit der Zusammensetzung, Einordnung und den Struk‐
turen von vielfältigen Materialien befassen. Die Erforschung unterschiedlicher Materialgattungen und Entwicklungsprozessen ist ein enorm wichtiger Bereich der Materialwissenschaften. Besonders in der Produktherstellung oder für Materialien, die in der Industrie für einzelne Bauteile genutzt werden, ist die Erforschung von innovativen Werkstoffen und deren Strukturen und Eigenschaften von hoher Be‐
deutung. In der Forschung der Materialwissenschaften sind interdisziplinäre Fachkenntnisse notwen‐
dig, da sich Strukturen von Materialien in chemischen und physikalischen Formeln darstellen lassen. Auch ein‐ und mehrstufige Syntheseprozesse sind Grundlagen aus dem Fachgebiet der Biochemie und in der Entwicklung neuer Materialien unabdingbar.15 Der Bereich der Materialwissenschaften hat das Potenzial verschiedene Probleme in der Gesellschaft zu lösen oder zu ihrer Besserung beizutragen. Beispiele hierfür sind der Klimawandel, die Ressourcenknappheit, aber auch das Gesundheitsbewusst‐
sein in der Bevölkerung. Neu entwickelte Innovationen im Bereich der Materialwissenschaften tragen zur allgemeinen Wohlfahrtssteigerung auf der Erde bei.16 14
Vgl. European Commission (2011), S. 14 Vgl. Harig und Langenbach (1999), S .11 ff. 16
Vgl. Schnell (2008), S. 29 f. 15
7 Abbildung 1: Das Gebiet der Materialwissenschaften17 Das Gebiet der Materialwissenschaften kann, wie in Abbildung 1 zu sehen ist, in verschiedene Fachbe‐
reiche unterteilt werden. Da sich die Kristallographie mit der Beschaffenheit von Kristallen, deren Strukturen und Aufbaueigenschaften beschäftigt, ist dieser Bereich der Materialwissenschaften für diesen Forschungsbericht irrelevant.18 Lediglich die Verknüpfung der chemischen Gegebenheiten mit den physikalischen Gesetzen wird für die Biomaterialien betrachtet. Das gesamte Themengebiet der Materialwissenschaften ist in der heutigen Gesellschaft jedoch nach wie vor ein sehr relevantes. Es gibt unzählige Studiengänge für dieses Fach, meist verbunden mit den Werkstoffwissenschaften, was bereits impliziert, dass Fachkräfte auf diesem Gebiet sehr gefragt sind und für die Industrie durchaus Chancen darstellen. Auch die Fakultät Naturwissenschaften der Universität Ulm legt einen signifikan‐
ten Schwerpunkt auf die Materialwissenschaften. Aus der Fakultätsseite heißt es: “Der Forschungsschwerpunkt umfasst die Aspekte Synthese, Materialanalytik, Funktion, Anwendun‐
gen und Theorie von (nanostrukturierten) funktionalen Materialien. Von besonderem Interesse sind hierbei Materialien für elektrochemische Systeme (Batterien, Brennstoffzellen, Katalysatoren, Elekt‐
rolyte), Photokatalyse sowie für biomedizinische Anwendungen.” 19 Außerdem sind derzeit gemeinsame Projekte der Bereiche Physik und Medizintechnik in Bearbeitung, um Nanomaterialien für den Einsatz in der biomedizinischen Anwendung zu entwickeln. Besonders der im Fokus liegende Faktor Synthese taucht in diesem Forschungsbericht im Zusammenhang mit Bioma‐
terialien sehr häufig auf. 17
Eigene Darstellung in Anlehnung an http://www.materialwissenschaften.rwth‐aachen.de/go/id/rzv/ Vgl. Chatterjee et al. (2008), S. 23 19
Rau (2016) 18
8 2.3 BiomaterialienundBioraffinerien
Der Begriff Biomaterial wird im Zusammenhang mit dem medizinischen Kontext verwendet und be‐
schreibt Materialien, die von ihrer chemischen bzw. physikalischen Struktur so geschaffen sind, dass sie gut in ein biologisches System (z. B. dem menschlichen Körper) eingepflanzt werden können. In der Medizin findet man viele Implantate, Ersatzorgane oder Prothesen aus Stoffen, die auf Biomaterialba‐
sis aufgebaut sind.20 Dem abzugrenzen gilt es allerdings die Biomaterialien, welche sich als Stoffe auf biologisch abbaubarer Basis (z. B. aus nachwachsenden Rohstoffen) definieren lassen. Da der weitere Forschungsbericht größtenteils auf Biomaterialien im Zusammenhang mit Bioraffinerien eingeht, werden die medizini‐
schen Biomaterialien, die klar von den im Folgenden genannten Biomaterialien abzugrenzen sind, we‐
niger fokussiert. Als Bioraffinerie hingegen bezeichnet man eine Raffinerie, die mit Hilfe von Biomasse unterschiedliche Produkte herstellt. Zu den Produkten zählen Energie, Strom und Kraftstoffe, aber auch Lebensmittel oder Chemikalien. Bekannte bereits bestehende Beispiele für Bioraffinerien findet man in der Herstel‐
lung von Biodiesel und Zucker, bei denen alle Abfallprodukte auch weiter genutzt werden sollen. Der Unterschied zwischen einer Bioraffinerie und einer herkömmlichen konventionellen Raffinerie besteht darin, dass eine Bioraffinerie auf den Gebrauch von Erdöl verzichtet und so zum Schutz der Ressourcen beiträgt.21 Eine eigene Form der Bioraffinerien sind die Lignocellulose Bioraffinerien, die sich dem Lig‐
nin und der Zellulose, beides Bestandteil der Holzstruktur und der Hemicellulose bedienen, um Energie bzw. Biomaterialien herzustellen. Oft werden dabei auch Abfallprodukte, wie z. B. der Black Liquor aus der Papierindustrie verwertet, was als besonders nachhaltig gilt.22 Dank der chemischen Zusammen‐
setzung von Lignin mit einer beträchtlichen Anzahl an mono‐aromatischen Kohlenwasserstoffe, die extrahiert werden können, dient Lignin als effiziente Energiequelle in einer Bioraffinerie. Dasselbe gilt für die eingesetzte Hemicellulose.23 Ein grobes Schema der Abläufe in einer Bioraffinerie wird in Abbil‐
dung 2 aufgezeigt. 20
Vgl. Pan (2015), S. 5 Vgl. Kamm A. (2003), S. 138. 22
Genaue Beschreibung von Black Liquor und dem Vorgang zur Verarbeitung sind in den Kapiteln 3.3.1 und 3.3.2 zu finden. 23
Vgl. Kamm A. (2003), S. 139 f. 21
9 Abbildung 2: Grobes Schema des Ablaufs in Bioraffinerien (eigene Darstellung)24 3 ForschungsmethodischerRahmen
3.1 Bibliometrie
Die bibliometrische Analyse untersucht bibliografische Informationen unter Verwendung von mathe‐
matischen und statistischen Methoden.25 Die Datengrundlage im vorliegenden Fall sind wissenschaft‐
liche Publikationen. Mit Hilfe der Bibliometrie können wissenschaftliche Publikationsleistungen sowie Forschungsergebnisse und aktuelle Entwicklungen in einem bestimmten Themenfeld analysiert wer‐
den.26 Fragestellungen, die in diesem Zusammenhang untersucht werden, sind zum Beispiel, welche Forschungsschwerpunkte ein bestimmtes Thema aufweist, welche Experten an den Themen arbeiten oder wie sich Forschungsschwerpunkte in Publikationen im Zeitverlauf entwickeln. Da sich aus den Beobachtungen technologische Trends ableiten lassen, kommt der Bibliometrie im Bereich der Tech‐
nologievorausschau eine besondere Bedeutung zu.27 Die bibliometrische Analyse erfolgt mit Hilfe des Tools BibTechMon des Austrian Institute of Techno‐
logy (AIT). Diese Software ermöglicht es, mit Hilfe des themenspezifischen Datensatzes Informationen über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen im Zusammenhang der Biobased Economy bzw. den Biomaterialien zu generieren und deskriptive Statistiken bzw. vor allem Netzwerke für die jeweiligen Schwerpunkte der Analysen zu erstellen. Zu diesen Netzwerken zählen Autorennetzwerke, Organisati‐
onsnetzwerke, die Wissensbasen und die Forschungsfronten. 28 Der Mehrwert der bibliometrischen 24
Eigene Darstellung in Anlehnung an Kamm A. (2003), S. 141 Vgl. Havemann (2009), S. 7 26
Vgl. Ball und Tunger (2005), S. 15 27
Vgl. Havemann (2009), S. 7 28
Näheres zu den wesentlichen Ergebnissen der Bibliometrie siehe auch Bericht Nr. 7 aus der ITOP‐Schriften‐
reihe:“ Big Data im Kontext von Industrie 4.0“ von Burmeister et al. (2016). 25
10 Netzwerkanalyse liegt in der Gruppierung der Information in thematische Cluster, die vom Algorithmus gebildet und von den Autoren inhaltlich interpretiert werden. Diese Analyse ermöglicht die Identifika‐
tion von Forschungsschwerpunkten und emergenten Technologien. Diese Informationen fließen schließlich in die Szenariotechnik mit ein. Das heißt, während der Ableitung der verschiedenen Szena‐
rien werden die Ergebnisse aus der bibliometrischen Analyse stets im Blick behalten, um letztendlich die Zukunftsvorausschau innerhalb der Szenariotechnik zu schärfen. 3.2 Szenariotechnik
Die Szenariotechnik ermöglicht grundsätzlich das Visionieren unterschiedlicher Zukünfte für einen Be‐
trachtungsgegenstand. Dieser Betrachtungsgegenstand wird als System definiert. Es gilt, die Einflüsse auf dieses System zu bestimmen. Diese werden detailliert beschrieben (Deskriptoren) und in die Zu‐
kunft projektiert (Projektionen). Die Projektion erfolgt dabei nicht (nur) trendspezifisch im Sinne eines möglichen Trendverlaufs, sondern in Form von Alternativen. Das heißt, es resultieren mehrere zukünf‐
tige Zustände (Szenarien), welche intern möglichst homogen und stabil sind und sich voneinander un‐
terscheiden. Für die Ableitung der Szenarien gibt es eine Vielzahl an Vorgehensweisen. Für den Zweck der Techno‐
logievorausschau verwenden wir29 im vorliegenden Bericht die Vorgehensweise nach Stelzer et al. (2015). Dort erfolgt die Technologievorausschau anhand von acht Schritten.30 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Systemische Beschreibung des Analyseobjekts Identifizierung und Strukturierung von Einflussbereichen, Einflussfaktoren und Deskriptoren und deren Vernetzung Ableiten von Projektionen und Bestimmung der Anzahl an Szenarien Ableiten von Rohszenarien durch die Bildung konsistenter Projektionsbündel Beschreibung der Szenarien Identifizierung von Störereignissen und Bestimmung deren Einflusses auf die Szenarien Identifizierung emergenter Technologien und Bestimmung robuster Technologien, die über alle Szenarien Bestand haben Ableitung von Handlungsempfehlungen. Wichtig ist, dass an die Szenariobildung (Schritt 5) bzw. die Störereignisanalyse die Identifizierung emergenter bzw. robuster Technologien anschließt. Außerdem sollen die Erkenntnisse aus der Tech‐
nologievorausschau für das strategische Management aufbereitet werden. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Frage, wie sich Biomaterialien in der Zukunft entwickeln und wel‐
che emergenten Technologien in diesem Themenbereich aufkommen. Die Arbeit gliedert sich somit in drei Teile: Im folgenden Kapitel wird das Forschungsthema der Materialwissenschaften und der Bio‐
materialien vorgestellt, die Begriffe werden dort definiert, abgegrenzt und eingeordnet. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus der bibliometrischen Analyse des Themengebietes. Dabei werden erst de‐
skriptive Analysen vorgestellt und die aktuellen Hotspots der Forschung in diesem Thema identifiziert Die Szenariotechnik wurde im Workshop‐Format durchgeführt. Beteiligte Personen waren die Autoren dieses Berichts. 29
30
Vgl. für die Methodenkombination aus Bibliometrie und Szenariotechnik Stelzer et al. (2015) 11 und vorgestellt. Daran knüpft die Analyse der verschiedenen Netzwerke an, zu denen die Autoren‐ und Organisationsnetzwerke zählen. Im Anschluss werden die Wissensbasen sowie Forschungsfronten auf‐
gezeigt. Im dritten Teil der Arbeit werden durch eine Trendanalyse, die für den Themenbereich Bioma‐
terialien relevanten Einflussfaktoren und Treiber identifiziert und anhand verschiedener Projektionen drei Szenarien abgeleitet. Die Szenariotechnik wird dabei mit den Ergebnissen der Bibliometrie ver‐
knüpft, um als Ergebnis relevante und robuste Technologien im Hinblick auf die nächsten 20 Jahre für den Themenbereich ableiten zu können. Das Ziel der Arbeit ist es, mit Hilfe dieser Schritte die Bedeu‐
tung der Biomaterialien im Bereich der Materialwissenschaften für die Zukunft abzuleiten. 4 BibliometrischeAnalyse
Die nachfolgende bibliometrische Analyse hat zum Ziel, den Stand der internationalen Forschungsar‐
beiten zum Thema „Biomaterials“ darzustellen. Dabei soll herausgefunden werden, in welchen The‐
mengebieten im Bereich der Biomaterialien geforscht wird, welche Forschungsschwerpunkte es gibt und wie sich diese Schwerpunkte im Laufe der Zeit verändert haben. Die Kooperationen von Autoren und Organisationen und die Themengebiete, die mittels Keywords identifiziert wurden, stehen dabei im Fokus der Analyse. Mit Hilfe der Forschungslandkarte können dann Schlüsse über die möglichen zukünftigen Entwicklungen getroffen werden. Um die sogenannte Zitationsdatenbank, die die Basis der bibliometrischen Analyse bildet, zu vervoll‐
ständigen, wurden aus der Core Collection in der Literaturdatenbank „Web of Science“ wissenschaft‐
liche Artikel über einen bestimmten Zeitraum herausgefiltert. Die zur Recherche verwendeten Stich‐
wörter im Suchbereich „Topic“ waren die folgenden: „Biobased Economy“ und „Biorefinery“. Um Überschneidungen und irrelevante Artikel in der Datenbank zu vermeiden, wurden die Stichworte mit der Oder‐Verknüpfung zusammengeführt. Außerdem wurde die Kategorie „Energy Fuels“ ausgeschlos‐
sen, um den Datensatz von spezifischen Bioenergiethemen zu bereinigen.31 Die nach diesem Muster durchgeführte Suche lieferte ein Ergebnis von 2211 Publikationen von den Jahren 1988 bis 2015. Diese Datenbank wurde dann mit Hilfe der Software BibTechMon analysiert. Im folgenden Kapitel werden die Biomaterialien nun in die Wissenschaft eingebettet und relevante Hotspots näher erläutert. 4.1 HotspotsundEinbettungdesTechnologiefeldes
Um eine Übersicht über die aktuell wichtigsten Themen im Technologiefeld der Biomaterialien zu be‐
kommen und einen Überblick über einige wichtige Autoren und deren Bedeutung zu bekommen wer‐
den in Kapitel 4.1.1 die Hotspots des Themenbereiches Biomaterialien vorgestellt. Durch die Analyse aller relevanten Artikel im Web of Science und der Betrachtung der neusten und wichtigsten Publika‐
tionen, lassen sich die wichtigsten Autoren ableiten. Diese werden im folgenden Kapitel näher darge‐
stellt. 31
Zum Thema Bioenergie im Kontext Biobased Economy siehe ITOP‐Schriftenreihe Nr. 8 von Holl et al. (2016). 12 In Kapitel 4.1.2 folgt die Einbettung des Themenbereiches in die Wissenschaft, in der die Ergebnisse der deskriptiven Statistik vorgestellt werden. Das Ziel dieser Analyse ist es, einen allgemeinen Über‐
blick über das Thema und die relevanten Artikel zu verschaffen. Es sollen dabei ein zeitlicher, sowie geographischer und kategorischer Überblick gegeben werden. 4.1.1
Hotspots
Die Analyse der neusten, wichtigsten und gleichzeitig der von anderen Autoren häufig zitierten Artikel im Web of Science gibt Aufschluss über sogenannte “Hotspots” des Themenbereiches. Die Analyse der Artikel für das Thema Biomaterialien zeigt, dass einige der aktuell wichtigsten Autoren Arthur J. Ragauskas, Fenqui You und Denny K. S. NG sind. Ragauskas wichtigster Forschungsbereich ist die Mo‐
difizierung von Lignin, welches zur kommerziellen Produktion von Lignin‐Ethanol führen und somit zur biologisch‐verwertbaren Materialherstellung genutzt werden könnte. Der Wissenschaftler und seine Forschung, sowie der Autor Fenqui You werden in Kapitel 4.3 Wissensbasen und Forschungsfronten detailliert vorgestellt, da diese Autoren durch ihre Forschung an der Integration von Nachhaltigkeit in der Biomateriallieferkette erheblich zur Forschungsfront der Optimierung der Syntheseprozesse bei‐
tragen. Ein weiteres, aktuell wichtiges Thema der Forschung sind verschiedene Methoden zur Bewertung von wirtschaftlicher Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Gesundheit, aber auch umweltspezifische und soziale Auswirkungen während der Produktion von Biokraftstoffen und ‐materialien, zu welchen der Autor Denny K.S. Ng beiträgt. Dieser Autor wird im folgenden Kapitel 4.1.2 als einer der am häufigsten pub‐
lizierenden Autoren im gesamten Forschungsgebiet vorgestellt. Ein auffälliges Merkmal beim Blick auf die Liste der Organisationen in diesem Themenbereich ist, dass die Anzahl der Universitäten bzw. wissenschaftlichen Einrichtungen deutlich den kommerziellen For‐
schungsinstituten überwiegt. Im folgenden Kapitel wird das Technologiefeld mit Hilfe von deskriptiven Analysen in die Dimensionen der Wirtschaft eingebettet. 13 4.1.2
EinbettungdesTechnologiefeldesindieDimensionenderWissenschaft
Zusammenfassung Die wichtigsten Autoren für den Bereich der Biomaterialien sind zum einen Denny K.S. Ng, Pro‐
fessor für Prozessdesign und Integrated Biorefinery an der Universität Nottingham am Campus Malaysia. Er veröffentlichte bereits über 100 Publikationen und forscht momentan an der Syn‐
these und Analyse von Biomasseverarbeitung und an der praxisorientierten Umsetzung von inte‐
grierten Bioraffinerien. An zweiter Stelle der wichtigsten Autoren steht Fenqui You von der Northwest University in Illinois, der an der Optimierung von Syntheseprozessen forscht. Ein wei‐
terer wichtiger Autor ist Adriaan R. P. Van Heiningen. Er ist Professor an der Fakultät des Biologie‐ und Chemieingenieurwesens an der University of Maine. Er beschäftigt sich mit den chemietech‐
nischen Aspekten der Zellstoffproduktion und forstwirtschaftlichen Umwandlungsverfahren von Biomasse. Im Themenbereich der Biomaterialien existiert lediglich seit 2006 eine erwähnenswerte Anzahl an Publikationen. In den letzten 10 Jahren wurde allerdings ein rasanter Anstieg deutlich, mit bereits 458 Publikationen im Jahr 2015. Die Tendenz ist weiter steigend. Führende Nation hinsichtlich Publikationsintensität sind die USA, gefolgt von China auf Platz 2. Die Zeitschriften „Bioresouces“ und die „Computer Aided Engineering“ Zeitschriften sind die wichtigsten für den Bereich Biomaterials. Nachdem im vorherigen Kapitel die relevantesten, aktuellen Forschungsthemen im Bereich der Bioma‐
terialien genannt wurden, soll in diesem Kapitel nun herausgefunden werden, in welche Dimension der Wissenschaft das Technologiefeld eingebettet werden kann. Dazu wird die Anzahl der Publikatio‐
nen in den verschiedenen Kanälen vorgestellt. Außerdem sollen deskriptive Analysen der Publikatio‐
nen Aufschluss über die relevantesten Herkunftsländer, Autoren und Organisationen geben, sowie die zeitliche Entwicklung des Themas in den letzten Jahren aufzeigen. Die Anzahl der Publikationen von 1988 bis 2015 ist in Abbildung 3 abgebildet. Zum Zeitpunkt der Analyse im Web of Science betrug die Anzahl der Publikationen 2235. Auffällig ist, dass es erst ab 2006 eine erwähnenswerte Anzahl an Pub‐
likationen gibt. Damals knapp unter 50. In den letzten 10 Jahren kann man allerdings einen rasanten Anstieg beobachten, mit bereits 458 Publikationen im Jahr 2015 und die Tendenz ist weiter steigend. Die Abbildung bestätigt, dass das Technologiefeld in der Zukunft ein durchaus relevantes sein wird. In der Abbildung 4 werden die 15 aktivsten Autoren im Themenbereich der Biomaterialien dargestellt. Der wichtigste Autor ist Denny K.S. Ng, Professor für Prozessdesign und Integrated Biorefinery an der University of Nottingham am Campus in Malaysia. Er hat bereits über 100 Publikationen veröffentlicht und forscht momentan an der Synthese und Analyse von Biomasseverarbeitung und an der praxisori‐
entierten Umsetzung von integrierten Bioraffinerien.32 Seine Publikationen sind in der Forschungsfront der Integrierten Bioraffinerien stark vertreten (siehe Kapitel 4.3.2 Forschungsfronten). 32
Vgl. University of Nottingham (2016) 14 Anzahl der Publikationen
500
400
300
200
100
0
Anzahl der Publikationen
n= 2235 Publikationen
Abbildung 3: Anzahl der Publikationen von 1988 bis 201533 Anzahl der Publikationen nach Autoren
0
5
10
15
20
25
30
35
40
NG DKS
YOU FQ
SUN RC
ANONYMOUS
VAN HEININGEN A
NI YH
FATEHI P
STUART P
KAMM B
EL‐HALWAGI MM
LABIDI J
JAHAN MS
STUART PR
PONCE‐ORTEGA JM
WEBB C
Anzahl d. Publikationen
n=353
Abbildung 4: Anzahl der Publikationen nach Autoren34 An zweiter Stelle der wichtigsten Autoren steht Fenqui You, welcher ebenfalls im Kapitel 4.3.2 For‐
schungsfronten zusammen mit seinem relevantesten Forschungsthema näher vorgestellt wird. In der Tabelle 1 wird eine kurze Übersicht über die für das Thema am relevantesten Autoren und deren Zugehörigkeit gegeben. 33
34
Datenbasis: Thomson Reuters Corporation (Web of Science) (2016), eigene Darstellung Datenbasis: Thomson Reuters Corporation (Web of Science) (2016), eigene Darstellung 15 Tabelle 1: Übersicht über die relevantesten Autoren35 Name der Autoren Organisation Ng, Denny K.S. University of Notthin‐
gham Northwest University of Illinois University of Kentucky You, Fenqui Sun, Ramon Chang Van Heiningen, Ad‐
riaan University of Maine Rang der Veröf‐
fentlichungen 1 Forschungsthemen im Bereich 2 3 5 Optimierung von Syntheseprozessen Integrierte Bioraffinerien Optimierung von Syntheseprozessen Extrahierung von Hemicellulose in der Papierherstellung Von den 2211 Publikationen sind 1693 Artikel aus einem Journal, 312 Proceedings, 236 Reviews und unter anderen auch 65 Veröffentlichungen von Konferenzen. Von diesen Konferenzveröffentlichungen sind alleine 3 von der 248. ACS National Meeting & Exposition vom August 2014 in San Francisco. Der Organisator ist die American Chemical Society (ACS) und die Konferenz soll als Plattform für die Vorstellung der neuesten chemieverbundenen Forschungsergebnisse sein. Das 248. Annual Meeting der ACS fand vom 10.‐ 14. August 2014 in Philadelphia statt. Die drei Hauptplenumssprecher sind alle Wissenschaftler von Universitäten und die Veröffentlichungen behandeln das Thema der Bioraffine‐
rien und alternative Möglichkeiten zur Herstellung von umweltfreundlicher Energie, aber auch von Bi‐
omaterialien auf biologisch‐genetischer Basis, die in der Medizin und in lebenden Zellen zum Einsatz kommen könnten.36 Ein Vortrag auf diesem Kongress wurde von Dr. Ali Khademohosseini gehalten, ein Professor der Me‐
dizin der Harvard Medical School. Er berichtete über beeindruckende Entdeckungen im Bereich der medizinischen Biomaterialien und wie die Chemie diesen Bereich beeinflussen kann. Seine Forschung behandelt die Gewebeherstellung, Mikrofluidik und die Biotechnik auf Basis der Stammzellenfor‐
schung. Er beschäftigt sich mit neuen Syntheseverfahren und der strukturellen Einordnung von inno‐
vativen Biomaterialien. Ziel seiner Forschungsarbeit soll es sein, Gewebe und Organe auf Basis solcher Biomaterialien herzustellen und somit das Zellverhalten im Gewebe steuern zu können.37 Einen eher umweltorientierten Beitrag lieferte unterdessen Dr. Joan F. Brennecke, Professorin für Che‐
mie und molekulare Biotechnik an der Universität von Notre Dame und Direktorin des Center for Sustainable Energy. Ihr Forschungsgebiet ist die Entwicklung von umweltfreundlichen Lösemitteln für den Einsatz in verschiedenen industriellen Prozessen. Sie versucht in ihrer Arbeit auch CO2 zu separie‐
ren, zu speichern und anderweitig zu nutzen und eine effizientere Nutzung von Solarenergie zu kreie‐
ren.38 In Abbildung 5 (Anzahl der Publikationen nach Ländern) werden die Publikationen nach Anzahl in eine Weltkarte eingeordnet. 35
Vgl. BibTech Mon Vgl. ChemistryViews.org (2014 a) 37
Vgl. MaterialsViews (2014) 38
Vgl. ChemistryViews.org (2014 b) 36
16 Abbildung 5: Veröffentlichungen nach Ländern in % (eigene Darstellung)39 Es ist sehr auffällig, dass sich die USA mit 572 Veröffentlichungen mit sehr weitem Abstand vor China (214 Veröffentlichungen) auf Platz 1 befindet. Danach folgt Kanada mit 169 Veröffentlichungen auf Platz 3. Deutschland liegt hinter Spanien mit 113 Veröffentlichungen auf Platz 4. Wie in Abbildung 6 zu sehen ist, ist die Organisation mit den meisten Publikationen die École Polytech‐
nique, eine französische Universität, die sich in der Nähe von Paris befindet. Von der École Polytechni‐
que graduierten bereits drei Nobelpreisträger.40 Die zweitwichtigste Organisation ist die University of Maine. Sie ist die größte Universität des US Bundesstaates Maine und die einzige mit dem Titel einer Forschungsuniversität. Auch einer der wichtigsten Autoren, Adriaan van Heiningen forscht an der Uni‐
versity of Maine. Hier erkennt man den Zusammenhang sehr gut zwischen den meist publizierenden Autoren, Organisationen und den Forschungsfronten, denn seine Arbeit wird im Kapitel der For‐
schungsfronten näher erläutert.41 39
Datenbasis: Thomson Reuters Corporation (Web of Science) (2016), eigene Darstellung mithilfe der Software Free Editable Worldmap 40
Vgl. DCOM (2016) 41
Vgl. University of Maine (2016) 17 Die 15 größten Organisationen
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
ECOLE POLYTECH
UNIV MAINE
S CHINA UNIV TECHNOL
NORTHWESTERN UNIV
BEIJING FORESTRY UNIV
CHINESE ACAD SCI
AALTO UNIV
TEXAS A M UNIV
TECH UNIV DENMARK
CHALMERS
UNIV NEW BRUNSWICK
UNIV MANCHESTER
UNIV NOTTINGHAM
LAKEHEAD UNIV
N CAROLINA STATE UNIV
Anzahl d. Veröffentlich.
Abbildung 6: Die 15 meist publizierten Organisationen42 Die Texas A&M University, welche hier an achter Stelle zu sehen ist, wird uns in Kapitel 4.2.2 noch einmal begegnen, weil diese dort die größte Komponente der Organisationsnetzwerke verknüpft. Auf‐
fällig hier ist, genauso wie im Kapitel Organisationsnetzwerke, dass größtenteils Universitäten als Or‐
ganisationen gefunden werden können, was auf eine fortlaufende Forschung hinweist. In Tabelle 2 werden die Journals mit der jeweiligen Anzahl an Publikationen im Themenbereich der Biomaterialien dargestellt. Außerdem werden der Impact Factor des Journals und die Quartile Ran‐
kings aufgelistet. Ein Impact Factor zeigt, wie oft in einem Jahr (in diesem Fall 2015) durchschnittlich aus diesem Journal zitiert wurde. Er wird allgemein dazu genutzt, um die Wichtigkeit und die Wissen‐
schaftlichkeit des Journals aufzuzeigen. Das Quartile Ranking hingegen zeigt, in welchem Bereich des Rankings sich das Journal befindet. Q1 bedeutet, dass es zu den 25% der Journals mit dem besten Ranking gehört, usw. In diesem Fall zählen vier der dargestellten 10 Journals zu den 25% mit dem bes‐
ten Impact Factor, zwei fallen unter die Q2 und eines wurde in Q4 eingeordnet. Zwei der Journals weisen keine Bewertung auf. 42
Vgl. Thomson Reuters Corporation (Web of Science) (2016) 18 Tabelle 2: Die wichtigsten Journals für den Bereich Biomaterialien43 Titel Anzahl Impact Factor 2015 1,43 Quartile 86 % von 2365 Artikeln 3.636 BIORESOURCE TECHNOLOGY COMPUTER AIDED CHEMICAL ENGINEERING 79 3.340 k.A. k.A. INDUSTRIAL CROPS AND PRODUCTS 73 3.087 3,44 Q1 GREEN CHEMISTRY 71 3.002 8,51 Q1 INDUSTRIAL ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH 65 2.748 2,57 Q2 CHEMICAL ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH 64 2.706 k.A. k.A. APPLIED BIOCHEMISTRY AND BIOTECHNOLOGY 49 2.072 1,6 Q4 CHEMICAL ENGINEERING RESEARCH DESIGN 47 1.987 2,52 Q2 ABSTRACTS OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 46 1.945 k.A. k.A. JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION 40 1.691 4,95 Q1 Q1 4.2 Netzwerkanalysen
Zusätzlich zur deskriptiven Analyse der Artikelbasis von 2211 Artikeln, ist die Information über die Re‐
lationen zwischen den einzelnen Artikeln von hoher Bedeutung. Relationen zwischen Artikeln können durch ihre Autoren, Organisationen, Schlagwörter, Forschungsdisziplinen, etc. entstehen. Dabei stellt sich die Frage, welche Gemeinsamkeiten einzelne Artikel miteinander teilen und wie diese zustande kommen. Daraus lässt sich folgern, dass diese Artikel inhaltlich Ähnlichkeiten aufweisen, da sie einer gemeinsamen Disziplin, sich gemeinsamen Schlagwörtern bedienen oder von einer bestimmten Auto‐
renkooperation heraus veröffentlicht wurden. Anhand der umfangreichen Daten, die über die Daten‐
bank Web of Science generiert wurden, können solche Relationen mit Hilfe der Software BibTechMon analysiert und grafisch dargestellt werden. Zwei Netzwerke werden in diesem Kapitel vorgestellt: Zum einen das Autorennetzwerk und zum anderen das Organisationsnetzwerk.44 43
Vgl. Thomson Reuters Corporation (Web of Science) (2016) Anm.: Das Netzwerk der Schlagwörter wird hier in der Netzwerkanalyse nicht beschrieben, da keine besonde‐
ren Auffälligkeiten hinsichtlich der einzelnen Verbindungen der Schlagwörter festgestellt werden konnten. Na‐
hezu in allen Artikeln tauchen die Schlagwörter „Biorefinery“ und „Biofuels“ auf, was alle ausgewählten Publi‐
kationen im gewissen Maße vernetzt. Auch die Disziplinen weisen keine besonderen Auffälligkeiten auf, wes‐
halb darauf in der folgenden Analyse ebenso verzichtet wurde. 44
19 4.2.1
NetzwerkderAutoren
Zusammenfassung Die bedeutendste Autorenkooperation im Themenfeld „Biomaterialien“ lässt sich die Komponente um den Wissenschaftler Regis Texeira Mendonca, Dr. im Bereich Forstwirtschaft, Verfahrenstechnik und Biotechnologie von der University of Concepción in Chile, identifizieren.45 In häufiger Zusam‐
menarbeit mit dem Autoren und dem Forscher Jaime Rodriguez (Dr. der grünen Chemie und der chemischen Biologie an der University of Concepción in Chile) wird hier an den Themen Pre‐Hydro‐
lyse von Kiefer‐Hackschnitzel geforscht. Das Autorennetzwerk soll aufzeigen, welche Autoren am stärksten miteinander durch gemeinsame Veröffentlichungen verbunden sind. Dies drückt sich in einem hohen Vernetzungsgrad aus, welche die einzelnen Forschungsthemen der Autoren zusammenbringt und in engere Verbindung setzt. Ziel ist es, diesen Vernetzungsgrad herauszufinden und Autorenkooperationen zu identifizieren. Dies geschieht mithilfe des Programmes BibTechMon, welches durch Visualisierung der einzelnen Verbindungen der Autoren die Analyse unterstützt (siehe Abb. 7). Somit kann herausgefunden werden, ob sich innerhalb des Netzwerkes einzelne Autorenkomponenten bilden, die in sich eine geschlossene Autorenkoopera‐
tion zu unserem speziellen Themenbereich „Biomaterialien“ darstellen. Diese einzelnen Komponenten werden im Folgenden hinsichtlich Expertengruppen, verbindenden Netzwerken, Zusammensetzung der Forschungsgebiete und Organisationen näher betrachtet. Gibt es somit mehrere Kooperations‐
partner zum Thema „Materialwissenschaften“? Auch interessant: Aus welchen Kooperationen entste‐
hen häufig Veröffentlichungen zu diesem Thema? Das Autorennetzwerk zeigt 1382 Autoren, welche als Kno‐
ten dargestellt sind, und 1535 Vernetzungen bzw. Koopera‐
tionen, die hier als Kanten dargestellt sind. Zur besseren Übersicht wurde auf die Komponente von Denny K.S. Ng verzichtet, da dieser Autor nicht nur am meisten publiziert hat, sondern sich auch mit 869 Elementen (Elemente zeigen Anzahl der Knoten bzw. Autoren des Netzwerkes an) seines Netzwerkes, sich durch das ganze Netzwerk hindurch zieht (siehe Abb. 7). Durch die Vielzahl seiner Publikationen mit anderen Forschern aus dem Gebiet der Bioraffinerien und Biomaterialien kann er ein sehr breites Netzwerk an Auto‐
ren vorweisen, welches die Autoren weltweit zu diesem Thema verknüpft. Auch die anderen Forscher wie Sun, Ramon Chang und You, Fenqui sind Teil dieses großen Netz‐ Abbildung 7: Autorenkomponente "Denny K.S. Ng" werkes und tauchen trotz großer Anzahl an Veröffentlichun‐
gen im Bereich der Biomaterialwissenschaften hier nicht auf. 45
Anm.: Nachdem man den Autoren Denny K.S. Ng aus der Komponentenabbildung entfernt, da er fast alle Komponenten miteinander verbindet. 20 Anzahl Publikati‐
onen Jaccardindex Abbildung 8: Autorennetzwerk der Biomaterialien46 Nach Ausblendung der Komponente „Denny K.S. Ng“ können fünf geschlossene Teilnetzwerke („Kom‐
ponenten“) bestimmt werden (siehe Abbildung 8). Diese werden jeweils nach dem Autor benannt, der am aktivsten in der gemeinsamen Autorenschaft publiziert. Eines der Teilnetzwerke, welches mehr als 19 Autoren umfasst, ist das Autorenteilnetzwerk um die Knoten von Regis Teixeira Mendonca. Er ist Dr. im Bereich der Forst‐
wirtschaft, Verfahrenstechnik und Biotechnologie und forscht an der University of Concepción in Chile. Abbildung 9: Autorenkomponente "Mendonca" In diesem Auszug, der in Abbildung 9 zu sehen ist, sind nur die stärksten Verbindungen sichtbar, welche an der Stärke der Kanten erkennbar ist. Daraus lässt sich schlie‐
ßen, dass Mendonca innerhalb seines Netzwerkes am meisten mit Pablo Reyes publiziert hat, der ebenfalls an der University of Concepción in Chile forscht. Er beschäf‐
tigt sich zudem mehr mit den Bereichen der Biochemie, Nanotechnologie und der analytischen Chemie.47 Einige 46
Erklärung zu der Grafik: Gruppierung von Autoren nach gemeinsamen Veröffentlichungen. Kreis: Größe ent‐
spricht Anzahl der Artikel (von 2 bis max. 34), Verbindung: Jaccardindex der Co‐Häufigkeiten, Recherchezeit‐
punkt: März 2016, Artikelbasis; n = 2211; Anzahl der Knoten: 1382; Anzahl der Kanten: 1535 47
Vgl. ResearchGate (2016 e) 21 Publikationen im Hinblick auf die Verwendung und Pre‐Hydrolyse von Kiefer‐Hackschnitzel für die Pro‐
duktion von Bioethanol sind in Zusammenarbeit dieser Autoren und dem Forscher Jaime Rodriguez (Dr. der grünen Chemie und der chemischen Biologie an der University of Concepción in Chile) erschie‐
nen.48 In der zweitgrößten Komponente (Abbildung 11) mit 15 Knoten49 ist das Autorenteilnetzwerk um Mette Hedegaard Thomsen, die am Masdar Institute of Science and Techno‐
logy in Abu Dhabi im Bereich Biosystemtechnik und Ver‐
fahrenstechnik forscht.50 Obwohl sie in dem Netzwerk nur eine einzelne stärkere Verbindung zu Jens Ejbye Schmidt vorweist, hat sie dennoch am meisten dieser Komponente im Bereich der Biomaterialwissenschaften publiziert. Auch Jens Ejbye Schmidt ist Forscher des Masdar Institute of Sci‐
ence and Technology in Abu Dhabi. Seine Kompetenzen im Bereich Biosystemtechnik, Verfahrenstechnik und Biotech‐
nologie unterstützen die Erkenntnisse in den Veröffentli‐
chungen zusätzlich.51 Da das Masdar Institute of Science Abbildung 11: Autorenkomponente "Thomsen" and Technology in enger Zusammenarbeit mit dem Massa‐
chusetts Institute of Technology steht, kommt auch die Verbindung zu dem dortigen Forscher im Be‐
reich der Biomaterialien, Prof. Gregory Stephanopoulos zustande.52 G. Stephanopoulos ist vor allem im Bereich der Bi‐
okraftstoffe und der Chemikalien und Materialien für eine Biobased Economy tätig und ergänzte in der Vergangenheit die Arbeit von Thomsen und Schmidt im Bereich der ökonomischen Möglichkei‐
ten einer Bioraffinerie.53 Eine wichtige Autoren‐
komponente im Bereich der Nutzung von Zucker‐
rohr‐Rohstoffen für die Produktion von Zucker und Ethanol stellt das Teilnetzwerk um den brasiliani‐
schen Chemiker Antonio Bonomi dar (s. Abb. 10). Er ist Leiter des Technological Assessment Pro‐
grammes am CTBE54 in Brasilien und hat sehr viel im Bereich der Verwendung von Zuckerrohr in den Bioraffinerien geforscht und hauptsächlich auch Abbildung 10: Autorenkomponente "Bonomi" auf die Lage in Brasilien bezogen.55 48
Vgl. Reyes et al. (2013 a) und Reyes et al (2013 b) Anm.: Hier nur die stärksten Verbindungen der 15 Knoten 50
Vgl. ResearchGate (2016 d) 51
Vgl. ResearchGate (2016 b) 52
Vgl. MIT Laboratory for Bioinformatics and Metabolical Engineering (2016) 53
Vgl. Bonk et al. (2015) 54
Vgl. Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE) (2016 b) 55
Vgl. Pereira et al. (2015) undUniversity of Campinas (2014) 49
22 Wie in Abbildung 10 zu sehen ist, hat Antonio Bonomi viel mit anderen, ausschließlich brasilianischen und hauptsächlich am CTBE beschäftigten Autoren publiziert. Beispielsweise ist auch Otávio Cavalett am CTBE tätig und forscht in den Gebieten Nahrung und biochemische Technik, nachhaltige Bewertung von Bioraffinerien, Life‐Cycle‐Assessment und allgemeine Bioraffinerie‐Konzepten.56 Auch die Forsche‐
rin Tassia Lopes Junqueira ist ein Teil seines Netzwerkes der CTBE. Sie hat ihren Haupt‐Forschungs‐
schwerpunkt auch im Bereich der Bioraffinerien und untersucht speziell die industriellen Prozesse in Verbindung solcher Konzepte.57 Die CTBE versucht, alle Disziplinen innerhalb ihres Forschungsinstitu‐
tes zu vereinen, so sind Experten im Bereich der Landwirtschaft, Chemie, Biologie, Nachhaltigkeit und Ingenieurswissenschaften mit der Erforschung der Wissenschaft um Bioethanol und Technologien dort beschäftigt. Es stellt damit eine der wichtigsten Institutionen in der Bioraffinerie‐Forschung in Brasilien dar.58 Das Teilnetzwerk „Kokossis“ (siehe Abb. 12) bildet eine weitere nennenswerte Auto‐
renkomponente im For‐
schungsgebiet der Biomateri‐
alien. Der Namensgeber ist ein griechischer Forscher na‐
mens Antonis Kokossis, der Abbildung 12: Autorenkomponente „Kokossis“ sich an der National Technical University of Athens hauptsächlich mit Verfahrenstechnik, Mathematik und Informatik beschäftigt.59 Besonders interessant ist diese Komponente, da viele Veröffentlichungen zu den integrierten Mikroal‐
gen‐Bioraffinerien und Lignocellulose‐Bioraffinerien aus ihr entstanden sind. In den gemeinsamen Ar‐
tikeln mit Konstantinos Pyrgakis, der auch an der National Technical University in Athen beschäftigt ist, wird ein mathematischer Ansatz, die Prozesse einer Bioraffinerie zu modellieren, unternommen. Auch Konstantinos Pyrgakis widmet sich hauptsächlich der Informatik und Mathematik.60 Mit Stavros Pa‐
padokonstantakis und Konrad Hungerbühler, die beide an der renommierten ETH Zürich im Bereich Chemie und Angewandte Biowissenschaften bzw. Umwelt‐ und Sicherheitstechnologie forsch(t)en, hat Kokossis auch mehrere Publikationen zu dem Life‐Cycle‐
Assessment von Bioraffinerie‐Produkten verfasst. Das fünfte identifizierte Teilnetzwerk befindet sich ganz rechts im Autorennetzwerk und wird nach dem Forscher „Champreda“ benannt (s. Abb. 13). Dr. Verawat Champreda ist Doktor in Biochemie und forscht am Insti‐
tut der molekularen Biologie an der Mahidol University in Thailand und am National Center for Genetic Engine‐
Abbildung 13: Autorenkomponente "Champreda" ering and Biotechnology in Pathum Thani, Thailand. Viele seiner Publikationen beschäftigen sich mit den 56
Vgl. Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE) (2016 b) Vgl. Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE) (2016 c) 58
Vgl. Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE) (2016 a) 59
Vgl. ResearchGate (2016 a) 60
Vgl. ResearchGate (2016 c) 57
23 landwirtschaftlichen Resten wie Reisstroh und Lignocellulose‐haltigen Enzymen. Insbesondere die Vor‐
behandlung mit heißem Wasser wird daran untersucht und die Ergebnisse in Kooperationen mit ande‐
ren Wissenschaftler wie Saksit Imman (Mongkut’s University of Technology Thonburi, Bangkok), der sich ebenso auf Biotechnologie und molekulare Biologie spezialisiert hat und Jantima Arnthong, die sich auf Material‐Chemie und Polymere vertieft hat, veröffentlicht.61 Auch hier ist auffällig, dass dies eine Komponente aus ausschließlich thailändischen Forschern darstellt. 4.2.2
NetzwerkderOrganisationen
Das Ziel der Darstellung des Organisationsnetzwerkes ist nun, da wir die kooperierenden Autoren ken‐
nen, zu sehen, ob die Organisationen auch auf internationaler Ebene zusammenarbeiten und außer‐
dem, ob die Organisationen eher Unternehmen oder eher Universitäten sind. Daran lässt sich der starke bzw. weniger starke Anwendungsbezug eines Themas erkennen. Die Abbildung 14 stellt das Netzwerk der Organisationen dar, wobei die Größe des Kreises der Anzahl an Artikeln einer jeweiligen Organisation entspricht und die Verbindung auf dem Jaccardindex der Co‐Häufigkeit basiert. Die Farbe der Kreise zeigt die unterschiedlichen Organisationstypen an. Es wurden alle Organisationen die häu‐
figer als einmal auftreten in die Darstellung aufgenommen, dabei entstanden 255 Verbindungen.
Abbildung 14: Organisationsnetzwerk der Biomaterialien62 Auffällig ist, dass fast jede Organisation eine Verbindung zu Universitäten aufweist, was impliziert, dass immer Kooperationen mit Universitäten bestehen. Außer im Fall der Academy of Science, die drei kleine Komponente bildet, die ausschließlich mit derselben Organisationsform kooperieren. An dem 61
Vgl. Imman et al. (2015) Erklärung zur Grafik: Gruppierung von Organisationen nach ihrem gemeinsamen Vorkommen in Artikeln. Kreis: Organisation, Größe entspricht Anzahl an Artikeln (von 2 bis max. 24), Verbindung: Jaccardindex der Co‐Häufig‐
keiten, Recherchezeitpunkt: März 2016, Artikelbasis: 2211, Anzahl der Knoten: 255. 62
24 großen Anteil von 75% der von wissenschaftlichen Einrichtungen veröffentlichten Publikationen, lässt sich erkennen, dass es sich um ein großes wissenschaftliches Forschungsgebiet handelt und bereits über einen hohen Anteil an Anwendungsbezug verfügt. Die Texas A&M University hat die höchste Zentralität und ist mit 71 Elementen die meistverknüpfte Organisation. 139 der Organisationen haben ihren Sitz in den USA. Danach folgt als größtes Land China mit 31 Organisationen. Diese Zahlen bestätigen die Angaben in Kapitel 4.1.2. In Abbildung 15 ist die Komponente Texas University als größte Komponente der Organisationsnetzwerke dargestellt. Diese wird vor allem von der Texas University verknüpft. In dieser Komponente befinden sich 229 der 2211 Artikel. Texas University Abbildung 15: Gruppierung von Organisationen63 Erklärung zur Grafik: Gruppierung von Organisationen nach ihrem gemeinsamen Vorkommen; Komponente: Texas University. Kreis: Organisationen, Größe entspricht Anzahl der Artikel, Verbindung: Jaccardindex der Co‐
Häufigkeit, Recherchezeitpunkt: März 2016, Artikelbasis 2211, Anzahl der Verbindungen: 255. 63 25 4.3 WissensbasenundForschungsfronten
Zusammenfassung Aktuell wichtige Schwerpunkte mit hohem Forschungsaufkommen sind „Extrahierung von Hemi‐
cellulose bei der Papierherstellung“ und „Optimierung von Syntheseprozessen“. Die hohe Anzahl an Publikationen zu diesem Thema lassen darauf schließen, dass diese die Zukunft in der Forschung der Biomaterialien bestimmen. Aus den Referenzen dieser Publikationen lassen sich „Syntheseverfahren in Bioraffinerien“ und „Integrierte Bioraffinerien in der Supply Chain“ als relevante Wissensbasen identifizieren. Diese spiegeln Themen wieder, die viel zitiert werden und demnach als Grundlage für den Forschungs‐
bereich gelten. Durch die Analyse von Wissensbasen und Forschungsfronten im Bereich der Biomaterialien soll ein tieferes Verständnis über das Themengebiet geschaffen werden. Dabei dient die Betrachtung der Wissensbasen dem Zweck, eine Übersicht über die Wurzeln und The‐
menstruktur des Untersuchungsgebietes, den Biomaterialien, anzufertigen. Des Weiteren kann mit‐
hilfe der Forschungsfronten identifiziert werden, womit sich die aktuelle Forschung hauptsächlich be‐
schäftigt und wohin sich diese auch mit Wahrscheinlichkeit in Zukunft weiter entwickeln wird. Im Fol‐
genden werden daher die Referenzen der betrachteten Literatur aus dem Web of Science mit in die Untersuchung aufgenommen und folglich wird die Publikationsbasis entsprechend zeitlich erweitert. Außerdem sollen in diesem Kapitel auch Artikel mit momentanen relevanten Forschungsthemen zu sogenannten Forschungsfronten geclustert werden. Diese werden auf Grund ähnlicher Artikel im Quel‐
lenverzeichnis einander zugeordnet, da davon auszugehen ist, dass Ähnlichkeiten in den Referenzan‐
gaben auf Ähnlichkeiten in der Thematik schließen lassen. Dadurch konnten aktuelle Themen, Tech‐
nologien und Problemstellungen identifiziert und durch eine Gebirgslandschaft der Forschungsfronten grafisch dargestellt werden. Diese Ergebnisse fließen später in die Problemlösung bzw. die Identifizie‐
rung der emergenten Technologien weiter in diese Arbeit (siehe 6. Kapitel) ein. 26 4.3.1
Wissensbasen:LandkartederCo‐Zitationen
Anzahl Publika‐
tionen
1 5 4 3 2 Abbildung 16: Netzwerk der Co‐Zitationen64 Die Untersuchung der Wissensbasen hat zum Ziel, zusätzlich zur ausgewählten Literatur aus Web of Science, auch deren zitierte Artikel zur weiteren Analyse des Themengebietes der Biomaterialen hinzu zu ziehen. Diese erlauben die Identifikation unterschiedlicher Themensparten des Forschungsgebietes und ermöglichen es, Rückschlüsse auf die frühe Anfangsphase bzw. den Ursprung der Wissenschaft der Biomaterialen ziehen zu können. Wissensbasen stellen die Häufigkeit der Co‐Zitationen dar, wel‐
che anzeigt, wie häufig zwei Referenzen zusammen in einer Publikation genannt werden. Findet sich eine starke Anhäufung von co‐zitierten Artikeln in den Quellen wieder, so lässt sich daraus eine Wis‐
sensbasis für die Bio‐Materialwissenschaften generieren. In der Abbildung 16 werden die Wissensbasen in Form eines Netzwerkes grafisch dargestellt. Sichtbar sind alle Referenzen, die sich aus den 2211 Artikeln mit Bezug auf das Forschungsgebiet Biomaterialien ergeben haben und mindestens drei Mal zitiert worden sind. Eine Referenz wird hier in einem Knoten dargestellt, dessen Größe die Anzahl der zitierenden Artikel definiert. Die Häufigkeit der Co‐Zitation wird durch die Nähe der Knoten zueinander wiedergegeben. Dieses Netzwerk zeigt 5816 Knoten (Re‐
ferenzen) und 427947 Kanten (hier: Jaccardindex) an, welche im Zuge der besseren Übersicht ausge‐
blendet wurden. Zur Veranschaulichung der Stärke der Kanten, ist der Hintergrund eingefärbt, so dass sich eine höhere Dichte durch einen rötlichen Bereich erkennen lässt. Anhand der Einfärbung lassen sich hier in diesem Netzwerk fünf Cluster identifizieren, welches jeweils für eine Wissensbasis steht und für sich ein eigenes Forschungsgebiet innerhalb der Biomaterialien darstellt. Die Dimension einer Wissensbasis wird anhand der Zahl der Referenzen, die sich in einem Cluster befinden, wiedergegeben. In Tabelle 3 werden die einzelnen Themen der Wissensbasen kurz beschrieben. 64
Erklärung zur Grafik: Anhäufung von Co‐zitierten Artikeln in einem Netzwerk (Wissensbasen) in einer 2D‐Dar‐
stellung. Kreis: Größe entspricht Anzahl der Artikel (von 3 bis max. 140), Artikelbasis: n= 2211; Anzahl Knoten: 5816; Anzahl der Kanten: 427947 27 Tabelle 3: Beschreibung der Wissensbasen Tabelle 4 Cluster Beschreibung 1 Zahl der Referenzen: 291 Thema der Wissensbasis: Synthese‐Verfahren in Bioraffinerien Insbesondere werden hier Synthese Verfahren untersucht, die es ermöglichen Koh‐
lenhydrate (u. a. Zucker) in das Zwischenprodukt 5‐Hydroxymethylfurfural (HMF) umzuwandeln. Bei speziellem Verfahren kann 5‐HMF für Plastik oder Kraftstoff ver‐
wendet werden.65 Da die bisherigen Verfahrenstechniken jedoch noch teure und ineffiziente Lösungen darstellen, diskutieren Biologen, Chemiker und Biochemiker über die Herstellung und Nutzung von HMF in diesen Referenzen sehr kontrovers. Thema der Wissensbasis: Integrierte Bioraffinerien in der Supply Chain In diesen Publikationen behandeln die Wissenschaftler Modelle, die das wirtschaft‐
lich optimalste Vorgehen in Bezug auf die Gestaltung, Planung und Durchführung unterschiedlicher Supply‐Chain‐Prozesse integrierter Bioraffinerien über ihren gan‐
zen Lebenszyklus bestimmen sollen. Thema der Wissensbasis: Autohydrolyse von Lignin Die Herstellung von Biomasse und Bioenergie aus Lignin wird in diesem Themenge‐
biet im Hinblick auf Verfahrenstechniken (Autohydrolyse) und Ergebnissen (Aufspal‐
tung der Hemicellulose in organische Säuren) diskutiert. Thema der Wissensbasis: Mikroalgen als Energielieferant und Verfahren Hier stellen Mikroalgen eine weitere Alternative zur Herstellung von Kraftstoffen und Biomaterialien dar. Neben Anbau und Ertragsfähigkeit werden insbesondere die zugrundeliegenden Verfahren analysiert. Thema der Wissensbasis: Lignocellulose und Vorbehandlungsmethoden Bevor ein Zellstoff durch eine Hydrolyse bearbeitet werden kann, sind besondere Vorbehandlungsmethoden nötig. Die Forscher analysieren und bewerten hier ver‐
schiedene Ansätze im Hinblick auf die Effizienz und Nutzung chemischer Zusätze in der Vorbehandlungsstufe, speziell im Bereich Lignocellulose (Zellwand verholzter Pflanzen). 2 Zahl der Referenzen: 282 3 Zahl der Referenzen: 189 4 Zahl der Referenzen: 175 5 Zahl der Referenzen: 118 Eine wichtige Publikation im ersten Cluster stellt die Publikation von Avelino Corma Canos (Instituto de Tecnología Química, Universidad Politécnica de Valencia), Sara Iborra (Institute of Chemcial Tech‐
nology, Valencia) und Alexandra Velty (Institute of Chemical Technology, Valencia) aus dem Jahr 2007 dar. Alle drei Autoren besitzen ihren Forschungsschwerpunkt auf der Anwendung von Katalysatoren (u. a. basische und saure Katalysatoren) und die katalytische Umsetzung von Biomasse in Chemika‐
lien.66 In ihrem Artikel befassen sie sich hauptsächlich mit der Transformation von Kohlenhydraten, 65
66
Vgl. Kobayashi und Fukuoka (2013) Vgl. Universitat Politecnica de Valencia (2016) 28 tierischen Fetten, pflanzlichen Ölen und Terpene in nützliche chemische Stoffe, die für Biomaterialien oder auch Kraftstoff verwendet werden können, und welche mit einer heterogenen Katalyse durchge‐
führt werden kann. Zudem werden umweltverträglichere Möglichkeiten bezüglich der Anwendung von Katalysatoren eingebracht und getestet. Ihrer Meinung nach sollte sich zukünftige Forschung mit der Entwicklung von effizienteren, selektiveren und umweltfreundlicheren Katalysatoren beschäftigen, da nur so eine kommerzielle Anwendung möglich ist. Im dritten Cluster befindet sich die Forschung im Bereich der Autohydrolyse von Lignin. Eine beispiel‐
hafte Publikation stammt aus der Autorenkooperation von Mehmet Sefik Tunc und Adriaan R.P. van Heiningen, die beide am Department of Chemical and Biological Engineering der University of Maine (USA) forschen. Das Forschungsinteresse von Tunc konzentriert sich auf die Umwandlung von Bio‐
masse, vor allem der Holz‐Hauptkomponenten Zellulose, Hemicellulose und Lignin in Kraftstoffen an‐
hand der Autohydrolyse‐Methode.67 In der gemeinsamen Studie mit van Heiningen im Jahre 2008 konnten wichtige Ergebnisse anhand ei‐
ner Autohydrolyse (100 min zu einer Temperatur von 130° bis 170°C) von Zellulose, Hemicellulose und Lignin gewonnen werden. Somit konnte nach der Authydrolyse noch 70% der Hemicellulose der ur‐
sprünglichen Menge im Holz gewonnen werden und zusätzliche Beobachtungen konnten bei der Ab‐
nahme vom Säuregehalt, der nach der Autohydrolyse im Holz bestehen bleibt, unter Erhöhung der Temperatur, gemacht werden.68 Eine weitere nennenswerte Referenz hat sich 2006 aus der Forschung zu integrierten Forst‐Bioraffine‐
rien von Adriaan van Heiningen entwickelt, die mitunter zu den drei am häufigsten zitierten Referen‐
zen zählt. Gleichzeitig lässt sich diese Referenz auch in den Forschungsfronten wiederfinden, weshalb im Kapitel 4.3.2 auf diese Publikation näher eingegangen wird. Das meist zitierte Paper stellt die Publikation von Arthur J. Ragauskas und seinen Co‐Autoren Charlotte K. Williams, Brian H. Davidson, George Britovsek, John Cairney, Charles A. Eckert, William J. Frederick Jr., Jason P. Hallett, David J. Leak, Charles L. Liotta, Jonathan R. Mielenz, Richard Murphy, Richard Templer, und Timothy Tschaplinski dar. Die in den USA (Georgia Institute of Technology, Atlanta und Oak Ridge National Laboratory, Tennessee) und England (Imperial College London) forschenden Auto‐
ren stammen aus verschiedenen Bereichen der Wissenschaft (Chemie, Biochemie, Biologie, Biomole‐
kulare Ingenieurwissenschaft, Umweltwissenschaften, etc.) und haben die bisherigen Kenntnisse im Bereich der Biomaterialien, Bioenergie und Biomasse in einer Publikation 2006 zusammengetragen.69 Darin veröffentlichten sie Antworten auf die Vielfalt der Nutzung, das Potenzial und die aktuelle bzw. vor allem zukünftige Struktur von Bioraffinerien. Zusätzlich wird das Konzept der „integrierten Bioraf‐
finerie“ als wichtiger strategischer Ansatz für eine nachhaltige Technologie gesehen, die es ermöglicht, die Umstellung von nicht‐erneuerbaren Ressourcen auf nachwachsende Rohstoffe im Bereich Energie, Materialien und Abfall zu vollziehen. Nach ihrer Meinung trägt diese Veränderung auch unter be‐
stimmten Voraussetzungen (legale, gesellschaftliche Rahmenbedingungen) dazu bei, die Forschung in anderen Bereichen, wie z. B. der Landwirtschaft und Pflanzenwissenschaften positiv zu beeinflussen. 67
Vgl. Tunc (2010) Vgl. Tunc und van Heiningen (2008) undUniversity of Maine (2016) 69
Vgl. Ragauskas et al. (2006) 68
29 Wie sich durch die Untersuchung der Wissensbasen zeigt, gibt es im Bereich der Biomaterialien meh‐
rere, einzelne, jedoch nicht vollständig abgegrenzte Forschungsbereiche, die dadurch zustande kom‐
men, dass es mehrere Anwendungen (Autohydrolyse, Vorbehandlung, etc.) und biologische Stoffe (Lig‐
nin, Mikroalgen, Pflanzen, etc.) im Hinblick auf Bioraffinerien und Biomaterialien gibt. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die Themen sich nicht in den einen oder anderen Bereichen überschneiden und auch bei der Untersuchung der Randthemen, konnte festgestellt werden, dass Schlagwörter, wie Bio‐
raffinerien, Biomasse, Hemicellulose oder Lignin immer noch deutlich in der Kombination vorhanden sind. Eine Liste der analysierten Referenzen pro identifizierter Wissensbasis dieses Kapitels ist in Anhang A zu finden. 4.3.2
Forschungsfronten:GebirgslandschaftdergekoppeltenPublikationen
In diesem Kapitel sollen die aktuellen, aber auch die zukünftigen Forschungsthemen des Themas „Bio‐
materialien“ vorgestellt werden. Diese Forschungsthemen, an denen aktuell großes Interesse seitens der Wissenschaft gezeigt wird, werden als Forschungsfronten bezeichnet. Forschungsfronten werden dadurch identifiziert, dass die vorhandenen Artikel nach gemeinsam zitierten Quellen analysiert wer‐
den. Anhand der Häufigkeit der Zitation eines bestimmten Artikels kann somit seine Relevanz in der heuti‐
gen und zukünftigen Forschung festgestellt werden. Verwenden verschiedene Artikel dieselbe Quelle, oder mehrere gleiche Quellen, sind sie sich besonders ähnlich. Dabei werden u. U. frühere begonnene Forschungsthemen von gewissen Wissenschaftlern von anderen aufgegriffen und weiterentwickelt. In der Darstellung der Forschungsfronten werden ähnliche Artikel dann grafisch dargestellt, indem diese auf denselben Stapel angeordnet werden. Das Forschungsfrontennetzwerk zeigt die 2060 Publikationen, die über 125066 Kanten miteinander verbunden sind. Weisen zwei Publikationen eine Verbindung auf, bedeutet das, dass sie bibliogra‐
phisch gekoppelt sind, was heißt, dass sie eine oder mehrere Referenzen in ihrem Literaturverzeichnis teilen. In Abbildung 17 werden mit Hilfe einer Gebirgsgrafik die aktuellen Forschungsfronten darge‐
stellt. Auffällig sind die drei hohen Spitzen „Extrahierung von Hemicellulose, Papierherstellung“, „Op‐
timierung von Syntheseprozessen“ und „Integrierte Bioraffinerien“. Diese zeigen deutliche Verbindun‐
gen bzw. den Aufbau auf die Wissensbasen “Autohydrolyse von Holzstoffen”, “Synthese‐Verfahren in Bioraffinerien” und “Integrierte Bioraffinerien in der Supply Chain”. Sehr nah zu der Forschungsfront „Extrahierung von Hemicellulose, Papierherstellung“ befinden sich die Hügel „Strukturen von Lignin“ und „Input/Output Anmaischung“, die allerdings deutlich kleiner sind. Etwas höher, jedoch deutlich am Rand platziert findet man die Forschungsfront der „Mikroalgen“, die thematisch der Wissensbase “Mikroalgen als Energielieferant” zugeordnet werden kann. In Tabelle 4 werden die wesentlichen Merkmale der verschiedenen Forschungsfronten zusammenge‐
fasst. 30 Extrahierung v. Hemicellulose, Papierherstellung
Input/ Output
Anmaischung
Optimierung von Syntheseprozessen
Integrierte Bioraffinerien
Strukturen von Lignin
Mikroalgen
Abbildung 17: Gebirgsgrafik der Forschungsfronten70 Nachfolgend werden drei der am häufigsten zitierten Autoren und deren bedeutendsten Werke bei‐
spielhaft vorgestellt und beleuchtet. Adriaan R. P. Van Heiningen ist Professor und Forscher an der Fakultät des Biologie‐ und Chemieingenieurwesen an der University of Maine.71 Er zählt zu den meist‐
zitierten Autoren in der Forschungsfront “Extrahierung von Hemicellulose in der Papierherstellung”. Seine Forschung beschäftigt sich hauptsächlich mit den chemietechnischen Aspekten der Zellstoffpro‐
duktion und forstwirtschaftlicher Umwandlungsverfahren von Biomasse und der Produktion von bio‐
logischen Chemikalien, Biomaterialien wie Nanozellulose und Biokraftstoffen. Seine Arbeit ist dabei jedoch interdisziplinär und nicht nur auf die Chemie beschränkt. Aktuell forscht er am Thema “Integrated Forest Products Refineries (IFPR)”, wodurch er beweisen möchte, dass es möglich ist, CO2‐Emissionen durch die Nutzung von Wäldern als klimaneutrale Res‐
source für erneuerbare Energien zu verringern. Dies gelingt durch die Herstellung von biobasierten Chemikalien, Biomaterialien und Biokraftstoffen aus Hemicellulose‐Extrahierung aus Holzschnitzeln. Eines seines am häufigsten zitierten Papers beschreibt dabei die Umwandlung einer konventionellen Zellstofffabrik zu einer Bioraffinerie, was die Zukunft der Bioenergieherstellung entscheidend verän‐
dern könnte.72 70
Erklärung zur Grafik: niedrige bzw. flache Hügel zeigen keine oder eine geringe gewichtete Anzahl gekop‐
pelter Publikationen, hohe Berge weisen eine hohe gewichtete Anzahl von Publikationen aus, Gewichtung durch die Stärke aller Verbindungen (Jaccard‐Index der Anzahl gemeinsamer Referenzen) je Publikation. 71
Vgl. University of Maine (2016) 72
Vgl. Adriaan van Heiningen (2006), S. 39 31 Tabelle 4: Merkmale der Forschungsfronten Cluster Extrahierung von Hemicellulose, Pa‐
pierherstellung Optimierung von Syntheseprozessen Integrierte Bioraffi‐
nerien Input/Output An‐
maischung Strukturen von Lig‐
nin Mikroalgen Beschreibung In der Papierherstellung werden verschiedene Holzarten zu einem Brei vermaischt. Dabei entstehen schädliche Abfallprodukte. Die Artikel in dieser Forschungsfront be‐
schäftigen sich mit der Extrahierung von Hemicellulose vor der Vermaischung zur Reduktion gefährlicher Stoffe in den Abfallprodukten der Produktion. Um die Abhängigkeit von Benzin und Kraftstoffen zu mindern soll durch spezielle Syntheseverfahren Biodiesel hergestellt werden. Unter anderem wird hier auch die Algenzucht zur Entwicklung von Syntheseprozessen für Algenprodukte untersucht. Die Biomasse ist einer der vielversprechendsten Lieferanten für Bioenergie. In dieser Forschungsfront sollen Herstellungsprozesse so optimiert werden, dass eine nach‐
haltige integrierte Bioraffinerie entstehen kann. In verschiedenen Studien werden die unterschiedlichen Nachhaltigkeitsgrade nachgewiesen. Die Artikel in diesem Cluster beschäftigen sich mit dem Verhältnis Input/ Output bei der Vermaischung von Holz. Ziel ist es mit Hilfe der richtigen Balance von Input und Output eine herkömmliche Raffinerie in eine Bioraffinerie umzuwandeln. Dies ist in einem Zwei‐Schritte‐Prozess bereits gelungen, bei welchem durch die hydrother‐
male Behandlung von Maiskolben und der heterogenen Katalyse des Hydrolysats (Outcome der Hydrolyse) mit einem Säurekatalysator Öl hergestellt werden konnte. Lignin ist ein Bestandteil der Holzzellwand und galt lange lediglich als negatives Ne‐
benprodukt in Bioraffinerien. Könnte Lignin aber in Produkten verwendet werden, wäre dies ein großer Vorteil für die Umwelt, da es nicht mehr nur ein Abfallprodukt ist. Die Artikel in diesem Cluster zeigen Strukturen und Aufbau von verschiedenen Holzligninen, unter anderem Eukalyptuslignin, das weniger Kohlehydrate besitzt und somit nach bestimmten Behandlungen weniger Giftstoffe aufweisen kann. Durch die Aufzucht von bestimmten Mikroalgentypen können Biodiesel und Bio‐
energie aus diesen Algen und Mikroorganismen hergestellt werden. In der Forschungsfront “Optimierung von Syntheseprozesse” ist Fenqui You, Professor für Chemie‐ und Bioingenieurswesen an der Northwestern University in Illinois, sehr bedeutend. Seine Forschung zielt auf die Entwicklung fortschrittlicher Rechenmodelle, Optimierungsalgorithmen und Systemanalyse‐
methoden für grundlegende Probleme in den Bereichen Energiesysteme und Nachhaltigkeit.73 In seinen wichtigsten Veröffentlichungen für die Forschungsfront befasst sich Fenqui You mit der Ge‐
staltung von Lieferketten für die Produktion von biobasierten Materialien aus ökologischer und wirt‐
schaftlicher Sicht. Dabei führen unterschiedliche Einsatzstoffe in der Synthese zu verschiedenen Emis‐
sionsanalyseergebnissen, die hier vorgestellt werden. You stellt als weiteres Ergebnis außerdem die Zielkonflikte zwischen ökonomischen, sozialen und öko‐
logischen Interessen der nachhaltigen Lieferkette von Biokraftstoffen vor. Der vorgeschlagene Ansatz wird durch verschiedene Fallstudien auf den Staat Illinois angewendet.74 Mit der Forschung an grundlegenden Themen in der Bioverfahrenstechnik beschäftigt sich der für die Forschungsfront “Input/Output‐Anmaischung” wichtige Autor Dr. Nathan Mosier von der Purdue Uni‐
versity in Indiana. Seine aktuellen Forschungsprojekte beziehen sich auf die Themen Enzymkatalysato‐
ren für die Transformation von nachwachsenden Rohstoffen zu Kraftstoffen und Chemikalien, Zellu‐
lose Vorbehandlung für Biokraftstoff und biochemische Produktion und Bioprozesssimulationen.75 73
Vgl. Official Website of Northwestern University (2016) Vgl. You et al. (2012) 75
Vgl. Official Website of Purdue University (2016) 74
32 Sein Ziel ist es im Moment, ein Verfahren zur Vorbehandlung des Materials in der Anmaischung herzu‐
stellen, dessen negative ökologische Auswirkungen auf das Ergebnisprodukt bzw. den Ausstoß wäh‐
rend der Produktion so gering wie möglich bzw. in der richtigen Balance gehalten wird. Dr. Moisier hat bereits einige dieser Methoden, die auf verschiedenen Grundlagen basieren (z. B. Säurekatalysator, Ammoniakkatalysator, Heiß‐Wasserkatalysator) in seinen Veröffentlichungen vorgestellt, jedoch bis‐
her noch keine Methode gefunden, deren In‐ und Output in Balance zueinanderstehen und die sich somit als ökologisch und ökonomisch Effizient erweisen konnte.76 In dieser Forschungsfront leistet außerdem der Autor Ragauskas, der bereits im Kapitel 3.4.1 der Wis‐
sensbasen beschrieben wurde, einen relevanten Beitrag. In Tabelle 5 der Forschungsfronten im Be‐
reich Biomaterials mit Anzahl der Artikel lässt sich erkennen, wie viele Artikel in welcher Forschungs‐
front zu finden sind. Tabelle 5: Anzahl der Artikel je Forschungsfront Forschungsfront Anzahl der Artikel Extrahierung von Hemicellulose, Papierherstellung 121 Input/Output‐Anmaischung 69 Syntheseprozesse 55 Integrierte Bioraffinerien 44 Lignin 40 Mikroalgen 33 In Abbildung 18 werden die zwei wichtigsten Forschungsfronten in einem zeitlichen Zusammenhang in den letzten 5 Jahren dargestellt. Auffällig dabei ist, dass die Anzahl der Publikationen in der For‐
schungsfront der Hemicellulose im Jahr 2014 schlagartig abgenommen hat und im Jahr 2015 zwar et‐
was angestiegen ist, allerdings könnte man allgemein darauf schließen, dass die Bedeutung dieser For‐
schungsfront eher abflachen könnte. Außergewöhnlich an der Forschungsfront der Optimierung der Syntheseprozesse ist, dass es bis 2012 noch gar keine Publikation in diesem Bereich gab und die Anzahl an Publikationen in den letzten 3 Jahren im Vergleich rasant angestiegen ist. Die näheren Zusammen‐
hänge der Publikationsanteile der Forschungsfronten werden im folgendem Kapitel 4.4 mit Hilfe des Forschungsportfolios näher erläutert. 76
Vgl. Official Website of Purdue University (2016) 33 Abbildung 18: Zeitliche Publikationsentwicklung der bedeutendsten Forschungsfronten77 4.4 Forschungsportfolio:PositionierungderForschungsfronteninderWissen‐
schaft
In diesem Kapitel soll durch die Analyse der zeitlichen Entwicklung der einzelnen Forschungsfronten geklärt werden, welche Bedeutung diese für die derzeitige Forschung haben. Es soll außerdem darge‐
stellt werden, welche Themen dabei an Interesse gewinnen, indem sie häufiger zitiert werden, bzw. welche Themen an Interesse verlieren, indem sie mit geringerer Häufigkeit zitiert werden. Dazu dient das Forschungsportfolio in Abbildung 19. In der Praxis wird für die Erstellung eines Produkt‐, Geschäftsfeld‐ oder Dienstleistungsportfolio oft das Modell der Boston Consulting Group genutzt, welches den Beitrag des Produktes, Geschäftsfeld oder der Dienstleistung zum Unternehmenserfolg darstellt. Außerdem wird dieser Beitrag zum Erfolg in die Relation der jeweiligen Reifephase des Produktes gesetzt, um abschätzen zu können, ob der Beitrag zum Erfolg bereits seinen Höhepunkt erreicht hat oder noch erreichen wird.78 In dem obenstehenden Forschungsportfolio stellen die Kreise die Forschungsfronten dar, auf der X‐
Achse ist der prozentuale Anteil der Artikel der Forschungsfront zu allen Artikeln des Themas von 2010‐
2015 abgebildet und auf der Y‐Achse sieht man die Anteilsänderung in % von 2012 bis 2015. Die Kreis‐
größe stellt dabei die Zahl der Publikationen im Gesamtzeitraum dar. 77
78
Eigene Darstellung Vgl. Henderson (1970) 34 Abbildung 19: Forschungsportfolio nach Themen Sehr auffällig an dem Portfolio ist, dass die Extrahierung von Hemicellulose in der Papierherstellung zwar die größte Anzahl an Publikationen über den Gesamtzeitraum aufweist, die Anteile in den Jahren 2012 bis 2015 jedoch um 37% gesunken sind. Das lässt darauf schließen, dass das Feld bereits größ‐
tenteils erforscht ist und in den letzten Jahren aus dem Fokus der Wissenschaft gerückt ist. Ein Hinweis darauf geben auch Reviewartikel. Der neuste Reviewartikel ist bereits 5 Jahre alt und wurde 2011 ver‐
öffentlicht. In diesem Artikel wird beschrieben, wie vor der Behandlung von Holz mit Hilfe von Natri‐
umhydroxid die Hemicellulose des Holzes entfernt wird, um neue Rohstoffe für die Treibstoffherstel‐
lung gewinnen zu können. Dasselbe gilt für die Forschungsfront Input/Output in der Anmaischung. Hier liegt die Anzahl der Pub‐
likationen über den Gesamtzeitraum zwar bei nur knapp der Hälfte, wie in der Forschungsfront Extra‐
hierung von Hemicellulose in der Papierherstellung, in den letzten 3 Jahren ergab sich allerdings eine Anteilssenkung für den Bereich. Der wichtigste Artikel dieser Forschungsfront ist bereits 2009 veröf‐
fentlicht worden. Es handelt sich dabei um eine Studie, über die Auswirkungen der Hemicelluloseextra‐
hierung. Die Studie hat das Ziel, durch präzise Abwägung der Input und Output Stoffe die Prozesse der Anmaischung so zu optimieren, dass eine herkömmliche Zellstofffabrik in eine Bioraffinerie umgewan‐
delt werden kann. Ebenfalls 2009 wurde für diese Forschungsfront das aktuellste Review über die Ba‐
lance zwischen Säureinput und Säureoutput bei Anmaischungsverfahren veröffentlicht. Es ist zu be‐
achten, dass diese Artikel nicht in Abbildung 19 des Forschungsportfolios hereinzählen, da dieses erst Artikel ab dem Jahr 2010 abbildet. 35 Die Themenbereiche Lignin sowie Mikroalgen könnten in der nächsten Zeit sehr interessant werden, da deren Anteil an den Gesamtartikeln um jeweils knapp 300% angestiegen ist. Diese sind also The‐
menbereiche, die zurzeit eine ungewisse Zukunft vor sich haben und stellen für unsere Vorausschau ein schwaches Signal dar: Diese Forschungsfronten sollten im Auge behalten werden, da sie bald schon für die Forschung relevant werden können. Im Themenbereich Lignin ist der wichtigste Artikel ein Re‐
view aus dem Jahr 2013, an dem der aus Kapitel 4.1.2 bekannte Autor Sun R.C. von der Universität China mitgearbeitet hat. Das Review zeigt den Aufbau und die Struktur von Lignin, was ein Bestandteil der Holzzellwand ist und jahrelang nur als negatives Nebenprodukt von Bioraffinerien galt. Das Review zeigt außerdem, wie sich Lignin charakterisieren lässt und welche Anwendungsmöglichkeiten es mit sich bringt. Direkt daneben befindet sich die Forschungsfront der Mikroalgen. Der neuste Reviewarti‐
kel ist aus dem Jahr 2015 und beschreibt die Herstellung von Biodiesel, Bioethanol und Bioöl mit Hilfe von Mikroalgenmasse. Hier wird die bisherige Forschung auf diesem Gebiet vorgestellt und Charakte‐
ristika in der Anwendung der Mikroalgen erläutert. Das Review bezeichnet die Mikroalgenmasse als vielversprechendes Hilfsmittel um schon in der nahen Zukunft ökonomisch sinnvollen und nachhalti‐
gen Biokraftstoff herzustellen. Die integrierten Bioraffinerien scheinen ein eher stagnierendes Thema zu sein, da sich die Anteilsän‐
derung mit einem Anstieg um 10% im Vergleich eher träge verhält. Das bedeutet, dass die Forschungs‐
front der Bioraffinerien einst interessant war, jetzt jedoch zurückgeht und gegenwärtig unbedeutend für das Thema Biomaterialien ist. Man kann jedoch davon ausgehen, dass Forschungen auf dem Gebiet der Syntheseprozesse in der Zukunft auch Auswirkungen auf integrierte Bioraffinerien haben werden, da die Prozesse direkt in die Raffinerien aufgenommen werden können, um diese nachhaltig zu gestal‐
ten. In dieser Forschungsfront ist der Autor Ng, D.K.S oft vertreten, den wir ebenfalls schon aus dem Kapitel 4.1.2 kennen. Am interessantesten für das Thema „Biomaterialien“ ist zweifellos die Forschungsfront der Synthese‐
prozesse, da man hier im Vergleich zu den anderen Forschungsfronten den größten Anstieg der Anteile von 2012‐2015 beobachten kann. Der Anstieg in diesem Bereich ist mit knapp +800% sehr hoch, was bedeutet, dass dieses Thema für die zukünftige Produktentwicklung extrem relevant auch für die in‐
dustrielle Anwendung wird. Das neueste Review dieser Forschungsfront ist von 2013 und handelt von der Synthese zur Herstellung nachhaltiger Energie, um die zukünftige Abhängigkeit von Benzin und anderen Kraftstoffen zu verhindern. 4.5 Zusammenfassung
Während den Analysen in den vorherigen Kapiteln haben sich für den Themenbereich der Biomateri‐
alien die Forscher Ragauskas, Fenqui, Ng und Van Heiningen mehrfach als wichtigste Autoren heraus‐
gestellt. Sowohl im Kapitel der Hotspots, als auch in der Analyse der deskriptiven Statistik tauchen diese Namen auf. Es konnte außerdem festgestellt werden, dass die meisten Publikationen aus den USA und aus China stammen. Dies deckt sich zudem mit dem Ergebnis aus der Analyse der Organisati‐
onsnetzwerke, in der festgestellt werden konnte, dass das wichtigste Organisationsnetzwerk das der Texas University ist. Weiterhin macht das Ergebnis der Organisationsnetzwerkanalyse deutlich, dass fast alle Komponenten mit Universitäten verbunden sind, was den hohen akademischen Forschungs‐
grad des Themas Biomaterialien verdeutlicht. Daraus, und aus der Statistik der Anzahl der Veröffentli‐
chungen in den letzten Jahren, kann man erkennen, dass das Thema der Biomaterialien immer rele‐
vanter für die Forschung, aber mit steigender Tendenz auch für die Wirtschaft wird. Im Kapitel der 36 Forschungsfronten wurden die “Extrahierung von Hemicellulose in der Papierherstellung”, “Optimie‐
rung von Syntheseprozesse” und “Integrierte Bioraffinerien” als größte Forschungsfronten identifi‐
ziert. Des Weiteren ließen sich “Input/Output‐Anmaischung”, “Strukturen von Lignin” und “Mikroal‐
gen” ebenfalls als relevante Forschungsfronten aufstellen. Auch hier sind die Autoren Van Heiningen und Fenqui wiederzufinden. Das Portfolio zeigte hingegen, dass die Forschungsfront “Extrahierung von Hemicellulose” zur Mainstreamforschung gehört, die allmählich an Bedeutung verliert, was zur Folge hat, dass dieses Thema bereits in die Wirtschaft integriert werden könnte. Die Forschungsfront “Syn‐
theseprozesse” gilt für das Thema Biomaterialien als Zukunftsweisend und bedeutend. All diese Erkenntnisse fließen nun im nächsten Schritt der Forschungsarbeit in die Szenarioerstellung als wichtige Grundlagen ein. Besonders die Erkenntnisse über die Forschungsfronten sind wichtig für die Definition eines fiktiven Unternehmens, das Potenziale im Bereich der Biomaterialien optimal nut‐
zen möchte. Für die Ableitung von Treibern und Deskriptoren sind die Ergebnisse aus den Hotspots und Forschungsfronten ebenfalls relevant, da daraus abgeleitet werden kann, was welches Themen‐
gebiet inwiefern beeinflussen könnte. In den folgenden Kapiteln wird nun Schritt für Schritt eine Sze‐
narioanalyse nach Stelzer et al. (2015) durchgeführt. 37 5 Szenariotechnikzu„BiobasedEconomy‐Biomaterialien“
Für die vorliegende Technologievorausschau wurde neben der Bibliometrie eine Szenarioanalyse nach Stelzer et al. (2015) durchgeführt. Ziel ist, mögliche Erfolgschancen und Risiken für die Zukunft der Biomaterialien zu identifizieren. Die Szenariotechnik besteht aus acht Schritten, die in Abbildung 20 der Szenariotechnik nach ITOP dargestellt sind. Dabei sollen in drei ausführlich beschriebenen Szena‐
rien die möglichen Entwicklungswege inklusive emergenter Technologien des Themenbereichs aufge‐
zeigt werden. Anhand eines fiktiven Unternehmens, lässt sich danach zeigen, wie diese emergenten Technologien in der Zukunft zum Vorteil des Unternehmens genutzt werden können. Das fiktive Unternehmen wird im folgenden Kapitel detailliert vorgestellt und anschließend in einem semantischen Netz in dessen Um‐
gebung eingeordnet. Schritt 1: Betrachtungs‐
gegenstand definieren
Schritt 8: Implikationen für das strategische Management ableiten und Maßnahmen bestimmen
Schritt 2: Treiber ableiten und Deskriptoren bestimmen
Schritt 7: Emergente Technologien ableiten und den Einfluss auf jedes Szenario bestimmen
Schritt 3: Projektionen ableiten und die Anzahl der Szenarien bestimmen
Schritt 6: Störereignisanalyse durchführen und ggf. Szenarien anpassen
Schritt 4: Projektionen zu Alternativbündeln clustern
Schritt 5: Szenarien beschreiben
Abbildung 20: Szenariotechnik nach ITOP79 79
Vgl. Stelzer et al. (2015), S. 145. 38 5.1 DefinitiondesUntersuchungsgegenstandes
Zusammenfassung Das Unternehmen PaperForYou80 ist eine im Ulm Donautal angesiedelte Papier‐ und Zellstofffabrik, welche nicht nur B2C‐Lieferungen bereitstellt, sondern als Hauptgeschäftszweig Unternehmen mit Kartonagen und Papiertüten beliefert. Marktanalysen haben ergeben, dass Biomaterialien eine In‐
novation für die Zukunft darstellen, jedoch verfügt die PaperForYou bisher nicht über die nötigen Technologien, um sie in eine hochmoderne Bioraffinerie umwandeln zu können. Dies soll nun geän‐
dert werden, indem Lignin, ein bisheriges Abfallprodukt zur Herstellung von Biokunststoffgranula‐
ten, genutzt wird, welche wiederum im B2B‐ und B2C‐Bereich vertrieben werden sollen. Die Papier‐ und Zellstofffab‐
rik PaperForYou GmbH ist ein im Ulm Donautal angesiedel‐
tes (fiktives) Unternehmen mit 1700 Mitarbeitern, spezi‐
alisiert auf die Produktion von Papier, Karton und Pappe. Schon im Jahre 1870 Abbildung 21: Unternehmenslogo der PaperForYou GmbH, eigene Darstellung hat sich der bekannteste Ul‐
mer Bürger Johann Wilhelm von Spatz auf den Weg nach England und Schweden gemacht, um die dortige Forschung hinsichtlich der Verarbeitung von Zellstoffen zur Papierherstellung von der Pike auf zu lernen. Zurück in Deutsch‐
land traf er 1871 auf dem gerade fertig gestellten Bahnhof München Ost den Pionier des deutschen Zellstoffherstellungsverfahren Tilghman von Mitscherlich. Begeistert von der Idee durch saure Sulfit‐
kochung Papier herzustellen, gründeten die beiden das StartUp “von und zu MitSchpatz”, welches zu‐
künftig Papier von höchster Qualität herstellen sollte. Von Anfang an stand die Forschung und Entwick‐
lung im Zentrum des Unternehmens und zum absoluten Kassenschlager wurde 1931 das damals noch kratzige Toilettenpapier “Weißer Schwan” und die hippen Briefbögen “Flower” im Jahre 1977. Das Unternehmen konzentriert sich jedoch nicht allein auf den B2C‐Bereich, sondern beliefert auch Handelsunternehmen mit Kartonagen und Papiertüten, was mittlerweile das Hauptgeschäft ausmacht. Seit 2011 steckt die “von und zu MitSchpatz” in einer Krise, da Papier zunehmend weniger nachgefragt wird und mittlerweile über hundert Zellstofffabriken miteinander auf diesem schrumpfenden Markt konkurrieren. Der Umsatz brach um 20% ein und es wurden statt jährlichen 225.000 Tonnen nur noch 180.000 Tonnen Papier nachgefragt. Lediglich das Geschäft mit den Sparten Papiertaschentüchern inkl. Toilettenpapier und der Kartonverpackung wird in der Zukunft profitabel bleiben, wobei jedoch höhere Wachstumsraten bedingt durch das Versandgeschäft nur in der Bereich Kartonverpackung zu erwarten sind. Folglich wurde das Unternehmen von einem chinesischen Investor aufgekauft und in PaperFo‐
rYou umfirmiert. Nach fünf Jahren intensiver Umstrukturierungen und Neuausrichtungsansätzen steht 80
Fiktives Unternehmen 39 die PaperForYou wieder positiv in der Bilanz. Viele Möglichkeiten für die Firma werden indessen noch bezüglich der anfallenden Abfälle in der Zellstofffabrik gesehen. Marktanalysen der Marketingabtei‐
lung haben ergeben, dass der Bereich Biomaterialien eine der bahnbrechenden Innovationen für die Zukunft darstellen und glorreiche Zukunftsaussichten für Bioraffinerien implizieren. Auch namhafte Kunden aus der Industrie wie Daimler und Bosch fragen vermehrt nach möglichen Papierlösungen für die Bestandteile ihrer Produkte an, welche jedoch zum Teil nicht erfüllt werden können, da die Paper‐
ForYou nicht über die nötigen Technologien verfügt. Daher sind weitere Innovationen geplant, die zum Ziel haben, durch neue Technologien die PaperForYou von einer Zellstofffabrik in eine hochmoderne Bioraffinerie umzuwandeln und deren Abfallstoffe (Bestandteil Lignin) nachhaltig zu nutzen. So sollen Biokunststoffgranulate aus Lignocellulose zur weiteren Verarbeitung gewonnen werden und an Kun‐
den im B2B‐ bzw. auch B2C‐Bereich veräußert werden. Gegeben der Ambitionen von dem Unterneh‐
men PaperForYou und der bereits beschriebenen bibliometrischen Analyse der Biomaterialien im ers‐
ten Teil, wird nun in diesem zweiten Teil eine Szenarioanalyse durchgeführt, um einen langfristigen Blick in die Zukunft zu werfen. Hierzu wird zunächst der Untersuchungsgegenstand näher betrachtet, welcher zur Veranschaulichung in seinem spezifischen System, anhand eines semantischen Netzes, abgebildet wird (s. Abb. 22). Dieses bildet den Ausgangspunkt für die anschließende Szenariotechnik. Abbildung 22: Semantisches Netz der Bioraffinerien81 Da die PaperForYou sich zu einer Bioraffinerie hin entwickeln wird, ist sie zukünftig mit mehreren Akt‐
euren und Institutionen vernetzt. Wichtige Akteure sind der Staat und die forschenden Institute, deren Entscheidungen bzw. Ergebnisse einen wesentlichen Beitrag im Bereich der Industrie, den Branchen‐
märkten, der Subventionspolitik und der zukünftigen Technologie leistet. Die Bioraffinerie steht im 81
Eigene Darstellung 40 Zentrum und ist zum einen abhängig von den staatlichen Subventionen und der Entwicklung in der Agrar‐ und Forstwirtschaft hinsichtlich der Technologie und Ressourcenverfügbarkeit. Insbesondere die Forschung in den Instituten und dem daraus resultierenden Fortschritt in der Biotechnologie sind hier signifikante Einflussfaktoren. Zum anderen verändern die Bioraffinerien die Wettbewerbsintensi‐
tät, in dem sie in Zusammenarbeit mit der Industrie bestehende Märkte bezüglich des Wettbewerbs intensivieren und neue Märkte schaffen. Als Lieferant für Biokraftstoffe und Biomaterialien nehmen Bioraffinerien eine wichtige Rolle beim Endverbraucher ein. Durch Nachhaltigkeitsaspekte, der Agrar‐ und Forstwirtschaft, den Produkten Biokraftstoffe und Biomaterialien der Bioraffinerien und der In‐
dustrie, ist der Endverbraucher indirekt mit den Bioraffinerien vernetzt. 41 5.2 EinflussbereicheundTreiber
Zusammenfassung Die folgende Trendanalyse stellt die einflussreichsten Trends für den Themenbereich der Biomate‐
rialien dar. Zu den bedeutendsten Megatrends zählen der Demographische Wandel, die Ressourcen‐
knappheit und der Klimawandel. Aus den identifizierten Trends und den Ergebnissen aus der Biblio‐
metrie resultieren vier Einflussbereiche (Forschung, Politik, Gesellschaft, Umwelt), die für Bioraffine‐
rien Relevanz haben. Die Einflussbereiche werden durch eine Vielzahl an Treibern konkretisiert. Durch eine Systemanalyse werden für jeden Einflussbereich zwei wesentliche Treiber ausgewählt. Diese sind: neue Technologien und Verfahren, innovative Materialien, Gesetzgebung, Subventions‐
politik, Umweltbewusstsein, Gesundheitsbewusstsein, Ressourcenknappheit und Biodiversität.
5.2.1
Trendanalyse
Ein Megatrend definiert sich laut dem Zukunftsinstitut Frankfurt als eine Veränderung der Bewegung, die in der Gesellschaft und der Wirtschaft erkennbar ist und sich auf unser privates Leben, unsere Kul‐
tur, Politik und Wirtschaftsformen auswirkt.82 Megatrends sind über mehrere Generationen und inter‐
national beobachtbar, ihre Halbwertszeit beträgt 30‐50 Jahre. Zu ihnen zählen unter anderen: Urbani‐
sierung, Individualisierung, Demographischer Wandel, Technologische Durchbrüche und Klimawan‐
del.83 Die für den Themenbereich der Biomaterialien und Unternehmen dieser Branche relevanten Me‐
gatrends wurden durch ein Trendscreening identifiziert und werden in diesem Kapitel näher erläutert. Demographischer Wandel Der demographische Wandel ist ein Megatrend, der sich je nach betrachteter Region in unterschiedli‐
cher Ausprägung erkennen lässt. Aktuell leben ca. 7 Milliarden Menschen auf der Erde. Bis 2025 wird schätzungsweise eine weitere Milliarde dazu kommen, wobei sich die Bevölkerung Afrikas bis 2050 sogar verdoppelt haben wird, der größte Anteil der zusätzlichen Bevölkerung wird aus Entwicklungs‐
ländern stammen und Europas Bevölkerung wird tendenziell schrumpfen. Diese Änderung in der Be‐
völkerung birgt unzählige Risiken für Länder und Branchen, die sich nicht entsprechend darauf vorbe‐
reiten (siehe Klimawandel und Ressourcenknappheit), kann aber für die Wirtschaft durch die zusätzli‐
che Kaufkraft der Bevölkerung Chancen mit sich bringen. Für Unternehmen bedeutet der Trend außer‐
dem eine zusätzliche Diversität am Arbeitsplatz, sowie bestenfalls mehr ausgebildete Fachkräfte für neue Technologiefelder. Allerdings ist eine der Folgen des Bevölkerungsanstieges auch die alternde Gesellschaft, und die damit verbundenen, steigenden Gesundheitskosten.84 Die weltweite Relation der über 65‐Jährigen an der Weltbevölkerung und die Zunahme deren Anteile ist zur Veranschaulichung in Tabelle 6 zu sehen. 82
Vgl. Zukunftsinstitut GmbH (2016) Vgl. Horx (2011), S. 61 f. 84
Vgl. PricewaterhouseCoopers (2016) 83
42 Tabelle 6: Prognostizierte Bevölkerungsentwicklung der über 65‐Jährigen weltweit von 2010 bis 205085 Anzahl in Milli‐
onen im Jahr 2010 524 Bevölkerungs‐
anteil 2010 in % 8 Anzahl in Mil‐
lionen im Jahr 2025 840 Bevölkerungs‐
Anzahl in Milli‐
anteil 2025 in % onen im Jahr 2050 11 1.511 Bevölkerungs‐
anteil 2050 in % 16 Ressourcenknappheit Durch den weltweiten Anstieg der Bevölkerungszahlen, wird die Nachfrage nach Energie, Nahrungs‐
mittel und Wasser ständig steigen. Der Energiebedarf wird bis 2035 besonders in den Entwicklungs‐
ländern stark ansteigen, was mit der höheren Anzahl der Bevölkerung in Verbindung steht. Die Res‐
sourcen der Erde, die diese und andere Nachfrage befriedigen könnten, sind begrenzt. Gerade in der heutigen Zeit wird zunehmend deutlich, wie begrenzt sie wirklich sind. Zwar können neue Technolo‐
gieentwicklungen und erneuerbare Energien die Einsparung knapper Ressourcen ermöglichen, reichen jedoch längst nicht aus, um konventionelle Energiequellen wie Öl oder Kohle komplett zu kompensie‐
ren. Auch bei Stoffen, die zur Edelstahlherstellung gebraucht werden, zeigen sich schon heute erheb‐
liche Defizite. Gerade in neuen Technologien und Produkten finden sich viele sogenannte seltene Er‐
den wieder, deren Abbau zusätzlich immense Energieaufkommen fordert. Besonders kritisch zeichnet sich schon heute die Entwicklung des Trinkwassers ab, dessen Verbrauch mit Anstieg der Weltbevöl‐
kerung ebenso in die Höhe schnellt. Die Nachfrage wird bis 2050 um 37% steigen (zum Basisjahr 2013). Diese Prognose birgt immense Risiken für die wirtschaftliche Situation derjenigen Unternehmen, die in ihrer Strategie und die daraus folgende Gestaltung (besonders die Berücksichtigung der Entstehung neuer Technologiefelder) ihrer Geschäftsfelder nicht darauf reagieren. Allerdings bringt diese Entwicklung auch vor allem für innovative Unternehmen enorme Chancen mit sich. Neue Technologien, innovative Materialien und erneuerbare Energien sind Geschäftsfelder mit hohem Potenzial. Energieeffizienz ist in jeglichen Prozessen und Produkten gefragt, ebenso wie Roh‐
stoffeffizienz. Recyclingfähige Verpackungen und Herstellungsprozesse ohne große Materialaus‐
schüsse sind wegweisend für die Zukunft. Nachhaltige Herstellungsverfahren könnten auch in Zukunft wertvolle Subventionen genießen und werden in Zukunft auf jeden Fall auf große Nachfrage treffen.86 Klimawandel In Zusammenhang mit den Megatrends Bevölkerungswachstum und Ressourcenknappheit erscheint auch der Klimawandel als sehr häufig genanntes Beispiel für einen Megatrend. Die Geschwindigkeit, mit der der Klimawandel voranschreitet ist enorm und problematisch. Laut dem Intergovernmental Panel on Climate Change beträgt die Erhöhung der weltweiten Oberflächentemperatur bis 2100 1,8‐
4°C. Damit verbundene Gefahren sind unter anderen in: Unwetterbelastungen wie Orkane, Hurrikane, Überschwemmungen oder Dürreperioden, die Trinkwasserknappheit, wie im Megatrend Ressourcen‐
knappheit bereits beschrieben wurde und Gefahren für unzählige Lebewesen der Erde sowie die Be‐
drohung der Regenwälder und Korallenriffe.87 Die Kostenseite energieintensiver Unternehmen wird sich erheblich verschlechtern, was zu geringeren Jahresüberschüssen in der Industrie führen wird und 85
Anm.: Prognostizierte Bevölkerungsentwicklung der über 65‐Jährigen weltweit im Zeitraum von 2010 bis 2050; Eigene Darstellung in Anlehnung an PriceWaterhouseCoopers (2016) 86
Vgl. Institut der deutschen Wirtschaft Köln (2009), S. 23 f. 87
Vgl. IPCC ‐ Intergovernmental Panel on Climate Change 43 sich auch in einer verschlechterten Wettbewerbssituation für energieintensiver Unternehmen ab‐
zeichnet. Die prognostizierten Entwicklungen implizieren die Handlungsnotwendigkeit der Menschen und der Unternehmen, die den Ausstoß von CO2 durch Regulierungen und Steuerungen verringern können. Das große Sprungbrett liegt hier in umweltfreundlichen Innovationen, die von Unternehmen zur Stärkung ihrer Marktanteile genutzt werden können. Beispiele hierfür sind Solaranlagen, biologisch abbaubare Produkte in der Bauindustrie, aber auch in der Medizintechnik oder im Bereich der Bioraf‐
finerien, die auf verschiedene Syntheseverfahren für nachhaltige Stofferzeugung zurückgreifen und somit einen positiven Nutzen der Klimawandelexternalität ziehen können.88 Das erhöhte Bewusstsein für eine nachhaltige Lebensweise ist eine Ausprägung des Megatrends, die sicherlich auch mit den Faktoren der Megatrends des Bevölkerungswachstums und dem damit verbun‐
denen Problem der Ressourcenknappheit verbunden ist. So antworteten 2016 in einer Umfrage von Statista 53% der Befragten, dass ihr Konsumverhalten vom Thema Klimaschutz beeinflusst wird.89 Dies hat damit zu tun, dass der Anteil von Verbrauchern mit umwelt‐ und sozialethischer Konsumhaltung, den sogenannten LOHAS, in Deutschland von 9,6% im Jahr 2007 auf 15,1% im Jahr 2015 gestiegen ist.90 Marktteilnehmer sollten sich diesem Megatrend unbedingt annehmen, um auch in Zukunft trotz den gerade Beschriebenen Entwicklungen ihre Marktposition beizubehalten und ihre an den Megatrend angepassten Geschäftsfelder gewinnbringend und erfolgreich beizubehalten. 5.2.2
AbleitungderEinflussfaktoren
Im vorherigen Kapitel wurde ein Überblick über die relevanten Trends geschaffen. Aus diesen und den Ergebnissen der bibliometrischen Analyse lassen sich nun vier Einflussbereiche für den Themenbereich Biomaterialien ableiten. Die Einflussbereiche sowie deren Faktoren sind in Tabelle 7 Einflussbereiche und Treiber bzw. Einflussfaktoren detailliert dargestellt. Tabelle 7: Einflussbereiche und Treiber (Einflussfaktoren) Einflussbereiche Forschung Politik Gesellschaft Umwelt Einflussfaktoren Neue Technologien/ Verfahren Innovative Materialien Gesetzgebung Subventionspolitik Umweltbewusstsein Gesundheitsbewusstsein Ressourcenknappheit Biodiversität Der Bereich der Forschung ist der größte Einflussbereich der Materialwissenschaften. Wichtiger dabei sind die neuen Technologien und Verfahren, die den Einsatzbereich von Biomaterialien maßgeblich erweitern können. Damit sind insbesondere das Syntheseverfahren und die aufkommenden Techno‐
logien wie Mikroalgen und Lignin im Bereich der Biomaterialien gemeint. Fortschritte hier haben einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung der Biomaterialien in der Zukunft. Einen weiteren Treiber stellen die Innovativen Materialien in dem Einflussbereich der Forschung dar. Sie können aus neuen 88
Vgl. Institut der deutschen Wirtschaft Köln (2009), S. 27 f. Vgl. Statista (2016 b) 90
Vgl. Statista (2016 a) 89
44 Erkenntnissen im Bereich der Chemie entstehen oder auch durch spezielle Recyclingverfahren. Inno‐
vative Materialien beinhalten alle Materialien, die nicht auf einen Erdöl‐Anteil bestehen. Sollten sich keine innovativen Materialien durch Biomasse entwickeln lassen, werden die Biomaterialien zuneh‐
mend an Präsenz in der Forschung verlieren. Ein weiterer Einflussbereich stellt die Politik dar. Die Gesetzgebung hat einen wesentlichen Einfluss auf den Betrieb von Bioraffinerien. Verschiedenste Vorschriften müssen eingehalten werden und erschwe‐
ren zum Teil den Ablauf in der Produktion und Beschaffung. Neue Gesetze können jedoch auch eine Chance für die Entwicklung von Bioraffinerien bedeuten, da andere Unternehmen nahezu gezwungen werden, sich auf erneuerbare Rohstoffe einzustellen. Ebenso spielen Subventionen eine Rolle bei der Rentabilität zur Erstellung einer neuen Bioraffinerie oder zur Erweiterung des Bereichs Biomaterialen. Subventionen können damit einen wesentlichen Einfluss auch auf die Marktstellung von Bioraffinerien ausüben und auf die allgemeine zukünftige Entwicklung dieses Marktes. Ein weiterer wichtiger Einflussbereich ist die Gesellschaft. Durch das wachsende Umwelt‐ und Gesund‐
heitsbewusstsein ändern sich die Trends in der Gesellschaft maßgeblich. Dies zeigt sich z. B. am Kon‐
sumverhalten oder auch an der Akzeptanz von neuen nachhaltigeren Technologien. Ein höheres Um‐
weltbewusstsein der Gesellschaft kann damit einen erheblichen Einfluss auf die Marktentwicklung der Biomaterialien haben und impliziert einen wesentlichen Treiber für dieses Forschungsfeld. Auch das Gesundheitsbewusstsein hat in der Vergangenheit gezeigt, dass zunehmend Implantate auf Biomaterialbasis präferiert werden und unbedenklicher eingesetzt werden können. Demnach lässt sich folgern, dass Biomaterialien erheblich durch das Gesundheitsbewusstsein gepusht werden könnten. Der Umweltbereich setzt sich aus vielen komplexen Teilbereichen zusammen. Auf die Biomaterialien bezogen konnten knapper werdende Ressourcen und Biodiversität als zwei bedeutende Treiber iden‐
tifiziert werden. Ressourcenknappheit belastet die Umwelt hinsichtlich des intensiven Abbaus und fos‐
sile Ressourcen könnten durch erneuerbare Ressourcen wie Holz, Windkraft, Solar, etc. umweltfreund‐
licher ersetzt werden. Auch die Biodiversität und die Berücksichtigung dieser wird in Zukunft eine grö‐
ßere Rolle für die Politik, Wirtschaft und Gesellschaft werden. Im Einklang mit der Biodiversität zu le‐
ben würde zum einen bedeuten, dass die Entwicklung der Biomaterialien einen positiven Verlauf nimmt. Wichtiger Treiber sind auch Umwelt‐ und Gesundheitsbewusstsein sowie neue Technologien. Diese beziehen sich auf die in Kapitel 4.3.2 beschriebenen Forschungsfronten. Ein Beispiel für das Um‐
welt‐ und Gesundheitsbewusstsein ist die Extrahierung von Hemicellulose, wodurch Gefahrenstoffe in den Abfallprodukten reduziert werden können. Ebenso die Integration von Nachhaltigkeit in Bioraffi‐
nerien anhand von besseren Syntheseprozessen. Weitere Forschungsfronten wie Anmaischung, Struk‐
turen von Lignin sowie Mirkoalgen können zum Treiber Technologie zugeordnet werden. Insbeson‐
dere, da im Bereich Biomaterialien/Materialwissenschaften durch Technologie getrieben wird. In der Wissenschaft wird somit der Fokus auf den Bereich der Technologien in Prozessen sowie von Materia‐
lien gelegt und publiziert. Um die relevantesten Treiber für den Themenbereich Biomaterialien herauszufinden, wurden anhand einer Systemanalyse wichtige Schlüsselfaktoren ermittelt. In Tabelle 8 der Einflussmatrix findet man alle Treiber und deren Einfluss aufeinander abgetragen und daraufhin miteinander verglichen. Auf diese Weise soll herausgefunden werden, wie relevant ein Treiber für das System ist. Die Passivsumme stellt die Beeinflussbarkeit eines Treibers durch andere dar und die Aktivsumme stellt die Stärke des 45 Einflusses im Vergleich zu den anderen Einflussfaktoren dar. Der Einfluss wurde von 0 (kein Einfluss) bis 3 (starker Einfluss) bewertet und trägt so zu einem eindeutigen Ergebnis bei. Neue Technologien 2 Aktivsumme Umweltbewusstsein Gesundheitsbewusstsein Subventionspolitik Neue Technologien Innovative Materialien Gesetzgebung Tabelle 8: Einflussmatrix 2 2 2 2 10 1 1 2 3 8 3 2 2 11 1 1 6 3 8 Innovative Materialien 1 Gesetzgebung 2 2 Subventionspolitik 3 1 0 Gesundheitsbewusstsein 1 3 0 1 Umweltbewusstsein 1 3 1 1 Passivsumme 8 11 4 8 3 10 9 11 52 Die Einflussmatrix lässt erkennen, dass der größte Einfluss von den Treibern Gesetzgebung, neue Tech‐
nologien und Umweltbewusstsein ausgeht. Treiber, die merklich von anderen Treibern beeinflusst werden sind die innovativen Materialien, das Gesundheitsbewusstsein und das Umweltbewusstsein. Der nächste Schritt ist nun die Erstellung einer Relevanzmatrix. In dieser sollen die wichtigsten Ein‐
flussfaktoren für das Thema der Biomaterialien identifiziert werden. Dazu werden die einzelnen Ein‐
flussfaktoren paarweise verglichen. Der jeweils relevantere Einflussfaktor wird mit einer 1 notiert, der irrelevantere mit einer 0. In Tabelle 9 der Relevanzmatrix ist das Ergebnis dieses Vergleichs abgebildet. 46 Neue Technologien 1 Relevanz Summe Umweltbewusstsein Gesundheitsbewusstsein Subventionspolitik Gesetzgebung Neue Technologien Innovative Materialien Tabelle 9: Relevanzmatrix 1 0 1 0 3 1 1 1 1 4 0 1 0 1 1 1 4 1 1 Innovative Materialien 0 Gesetzgebung 0 0 Subventionspolitik 1 0 1 Gesundheitsbewusstsein 0 0 0 0 Umweltbewusstsein 1 0 1 0 0 2 Die Relevanzmatrix zeigt deutlich, dass die Treiber Subventionspolitik, innovative Materialien und neue Technologien für das Themenfeld der Biomaterialien am relevantesten sind. Im nächsten Schritt sollen die Ergebnisse der Relevanzmatrix und der Ergebnismatrix in ein sogenann‐
tes Systemgrid zusammengeführt werden. Dazu wurden die Treiber in eine Portfoliodarstellung einge‐
fügt, wobei die X‐Achse die Passivsumme angibt und die Y‐ Achse die Aktivsumme. Die Kreisgröße der Treiber spiegelt deren Relevanz wider. Je nachdem, wo sich die Treiber in der Darstellung befinden, können Sie zu den System‐Hebeln, Extremen Knoten, Unabhängigen Faktoren, oder System‐Indikato‐
ren eingeordnet werden. Abbildung 23 stellt das komplette Systemgrid dar. 47 Abbildung 23: Systemgrid für Biomaterialien Daraus geht hervor, dass der Treiber Gesetzgebung für den Themenbereich der Biomaterialien ein re‐
levanter Schlüsseltreiber ist. Außerdem spielen neue Technologien und innovative Materialien eine sehr große Rolle für den Themenbereich und agieren somit ebenfalls als Schlüsselfaktoren. 5.3 DeskriptorenundProjektionen
Zusammenfassung Die im Folgenden identifizierten Projektionen beinhalten unter anderen den steigenden Anteil nach‐
haltiger Rohstoffe in Materialien, die steigenden Ausgaben für die Forschung im Bereich innovativer Materialien, die sinkende Abfallquote bei Syntheseverfahren und die zunehmende Fläche der Nutz‐
wälder. Zu den jeweiligen Schlüsseltreibern wie Innovative Materialien, Umweltbewusstsein oder Biodiversität wurden verschiedene Deskriptoren festgelegt. Ein Beispiel für einen solchen Deskriptor ist die Anzahl der Förderprojekte im Bereich der Bioraffinerien. Für jeden Deskriptor lassen sich ver‐
schiedene zukünftige Projektionen ableiten, die einen Blick in die zukünftige Entwicklung des For‐
schungsbereiches gestatten. Eine beispielhafte Projektion für den Einflussbereich der Innovativen Materialien beschreibt, dass der Anteil nachhaltiger Rohstoffe in Materialien durch die Substituierbarkeit von Erdöl sehr stark zunimmt. Dies ist dem Durchbruch in der Forschung zu verdanken, der die Verwendung von her‐
kömmlichem Plastik überflüssig macht. 48 Von den in Kapitel 5.2 ermittelten Einflussfaktoren und Deskriptoren wird in diesem Kapitel die Ent‐
wicklung der Deskriptoren näher erläutert. Zunächst werden die identifizierten Deskriptoren nochmals in eine Tabelle 10 überführt und in Kapitel 5.3.2 die Projektionsverläufe der einzelnen Deskriptoren beschrieben. Tabelle 10: Deskriptoren der Treiber Potenzial Biodiversität Fläche Nutzwälder Biodiversität Marktanteile Biomaterialprodukte Umwelt Umwelt‐be‐
wusstsein Recyclingquote Gesellschaft Höhe der Subventionen Agrar‐ und Forstwirtschaft Politik Subventions‐
politik Anzahl Förderprojekte Bio‐raffinerien Innovative Materialien Ausgaben Forschung Anzahl Bioraffinerien Anteil Abfallstoffe (Synthese‐verfah‐
ren) Anzahl Patentmeldungen Deskriptor Treiber Forschung Neue Technolo‐
gien/ Verfahren Anteil nachhaltige Rohstoffe Einflussbereich 5.3.1
Deskriptoren
Die Grundlage hierfür bilden die in 5.2.1 ermittelten Trends und daraus abgeleiteten Einflussbereiche. Um Einflussbereiche quantifizieren zu können, sollen Deskriptoren möglichst messbar und eindeutig formuliert werden. Wie in Tabelle 10 zu erkennen ist, wurden je Einflussbereich mindestens zwei De‐
skriptoren ermittelt. Bei der Bestimmung der Deskriptoren wurden die aktuellen Erkenntnisse aus dem Kapitel der Forschungsfronten miteinbezogen. Gerade der Bereich Forschung ist der wichtigste Motor für das Thema der Biomaterialien und dessen Deskriptoren‐Auskünfte ein wichtiger Indikator für die zukünftige Entwicklung. Die Problematik der momentan ineffizienten Syntheseverfahren und die Pilot‐
Projekte der Bioraffinerien, die ausführlich in den Forschungsfronten behandelt werden, sollen sich in den Deskriptoren wiederfinden. In dem folgenden Projektionskatalog wird nun aufgrund der umfang‐
reichen Analyse nur auf die relevantesten Deskriptoren eingegangen. 49 5.3.2
Projektionskatalog
Einflussbereich: Forschung Einflussfaktor 1: Innovative Materialien Im Bereich Forschung stellen innovative Materialien einen wichtigen Beitrag zur Ersetzung konventio‐
neller Kunststoffe dar. Ein wichtiger Indikator wie weit die Forschung in diesem Bereich gekommen ist und wie positiv dies bewertet wird, stellt der “Anteil nachhaltiger Rohstoffe in Materialien” und die “Ausgaben für die Forschung im Bereich Innovative Materialien dar” Deskriptor 1.1: “Anteil nachhaltiger Rohstoffe in Materialien” Bisher können die Wissenschaftler nur kleine Erfolge in der Substitution von fossilen Rohstoffen durch nachhaltige Rohstoffe verzeichnen. Gerade in den Bereichen Verpackungen von flüssigen Lebensmit‐
teln, die gekühlt werden müssen, konnte nur ein Unternehmen (TetraPak International, Schweden) Erfolge präsentieren.91 Auch das weltweite Forschungsinteresse konzentriert sich immer noch auf die wenigen Länder wie der USA und China (siehe Kapitel 4.1.2, Abb. 5) und der internationale Austausch über bisherige For‐
schungsergebnisse kommt nur langsam ins Rollen. A Sehr starke Zunahme Durchbruch der Forschung bezüglich der Substituierbarkeit von Erdöl senkt den Anteil an Kunststoffen in den Materialien und steigert den Anteil an nachhaltigen Rohstoffen. Der Anteil an nachhaltigen Roh‐
stoffen in den Materialien nimmt sehr stark zu. B Moderat, dann steigender Anteil Einzelne Erfolge bezüglich der gänzlichen Substitution in verschiedenen Industriebranchen werden zwar gemeldet, aber die Forschung und Unternehmen sehen immer noch Probleme in bestimmten Produkten die Kunststoffe vollständig durch nachhaltige Rohstoffe zu ersetzen, was den Anteil an nachhaltigen Rohstoffen in den Materialienkomponenten zwar linear steigen lässt, jedoch in einem moderaten Tempo. Erst mit zusätzlicher Forschung können nachhaltige Rohstoffe bei der Produktion vermehrt eingesetzt werden. C Stagnierend, leicht sinkend Ansätze und Versuche, die Extraktion, Vorbehandlung und Umwandlung von pflanzlichen Zellstoffen kostengünstig und effizient zu gestalten, lässt die Wissenschaft an ihre Grenzen stoßen. Dies wird vor allem auch dadurch begünstigt, dass durch Klimawandel und steigende Bevölkerung, Biofläche zur knappen Ressource erklärt wird und die Forschung sich auf neue künstliche Materialien spezialisiert. 91
Vgl. Verpackungsrundschau (2016) 50 Deskriptor 1.2: „Ausgaben für die Forschung im Bereich innovative Materialien“ Zusätzliche Ausgaben für die Forschung seitens der Unternehmen oder auch der Bundesregierung wür‐
den die Entwicklung von innovativen Materialien begünstigen. Derzeit versucht die Bundesregierung im Rahmen ihres Programmes zur Förderung der Materialforschung Anreize zu schaffen, dass Unter‐
nehmen sich vermehrt dem Thema “innovative Materialien” zuwenden.92 A Sinkende Ausgaben Die Entwicklung innovativer Materialien bezüglich Effizienz und Wirtschaftlichkeit verläuft negativ und beweist sich zudem als nicht einsetzbar. Dadurch werden die Forschungsausgaben in diesem Bereich gesenkt, um in andere, vielversprechen‐
dere Forschungsprojekte (z. B. Recyclingprozesse von konventionellen Kunststoffen) zu investieren. B Steigt exponentiell bis Sättigung Die Rohstoffverknappung hat zu erheblichen Preissteigerungen geführt. Es wird vermehrt in Forschung und Entwicklung im Bereich der innovativen Materialien investiert. Dadurch gelingt es Forschern kos‐
tengünstigere und effizientere Verfahren zu entwickeln, was die Investitionen für Wirtschaft und Poli‐
tik attraktiver gestaltet und bis zur Ausreifung der Technologie weiter ansteigen lässt. C Stagnierende Ausgaben Die Rohstoffpreise, speziell für Erdöl, sind für Wirtschaft und Gesellschaft immer noch erschwinglich und die Ressourcenknappheit ist nicht präsent, da nun auch die Bundesregierung nicht mehr nur für Forschungszwecke die Fracking Methode93 anwendet, sondern auch kommerziell einen weiteren Ab‐
bau von fossilen Ressourcen wirtschaftlich rentabel ermöglicht. Daher wird die Notwendigkeit zur Er‐
höhung der Forschungsausgaben im Bereich der innovativen Materialien von Wirtschaft und Politik als nicht wichtig angesehen und bleiben unverändert in ihrer Höhe bestehen. Einflussfaktor 2: Neue Technologien/Verfahren Hürden vermelden die Forscher immer wieder bei dem geeigneten Verfahren und den benötigten Technologien, Forschungsfortschritte im Bereich der Biomaterialien zu erzielen (siehe Kapitel 4.3 der Wissensbasen und Forschungsfronten). Dazu werden im Folgenden die “Anzahl der Patentanmeldun‐
gen im Bereich des Biokunststoffherstellungsverfahrens”, der “Anteil von Abfallstoffen im Bereich der Syntheseverfahren” und die „Anzahl der Bioraffinerien“ prognostiziert. 92
93
Vgl. Forschungszentrum Jülich GmbH (2015) Vgl. dpa (2016) 51 Deskriptor 2.1: „Anzahl der Patentanmeldungen Biokunststoffherstellungsverfahren“ Bis zum Jahre 2010 gab es allein 2.500 Patentschriften zu ligninbasierten Biokunstoffen weltweit, was vor 20 Jahren noch bei etwas weniger als 200 Patentanmeldungen in diesem Forschungsgebiet lag. Bisher ist dieses Verfahren noch nicht ausgereift, was weitere Entwicklungen und damit Patentanmel‐
dungen in dieser Hinsicht möglich macht.94 A S‐Kurven‐Verlauf der Patentanmeldungen In Forschung und Entwicklung von Biokunststoffherstellungsverfahren wird in den Unternehmen viel investiert und die Patentanmeldungen nehmen deutlich zu. Erneuter Anstieg der Patentanmeldungen ist dadurch begründet, dass die Möglichkeiten steigen das Biokunststoffherstellungsverfahren in die Produktion einzusetzen. B steigend bis Technologieausreifung Die Patentanmeldungen nehmen weiterhin zu, da sich das Forschungsinteresse noch weiter ausdehnt und sich nicht mehr nur auf wenige Forschungszentren konzentriert. Auch in der Wirtschaft sind die Biokunststoffherstellungsverfahren vermehrt in den Forschungs‐und Entwicklungsabteilungen ange‐
kommen und meldet vermehrt Patente an. C erst steigend, dann flach sinkend Unternehmen sehen in den Patenten eine vielversprechende Möglichkeit einzigartige Kompetenzen im Bereich Biomaterialien gegenüber der Konkurrenz zu bewahren. Besonders großes Interesse wen‐
den sie dem Biokunststoffherstellungsverfahren zu bis allgemeine Wachstumsschwierigkeiten im Markt zu Sparmaßnahmen zwingen und Forschung hinsichtlich neuer Technologien im Bereich Bioma‐
terialien vernachlässigt wird. Deskriptor 2.2: „Anteil von Abfallstoffe bei Syntheseverfahren“ Wichtiger Indikator für die Entwicklung neuer Technologien stellen die anfallenden Abfallstoffe bei Syntheseverfahren dar. Derzeit wird noch geforscht wie diese, teils giftigen, Abfallstoffe bei der Extra‐
hierung von Lignocellulose und Hemicellulose reduziert werden können. Sobald dies möglich sein wird, gehen die Forscher davon aus, dass Biokunststoffe effizienter hergestellt werden können. Daher ist der Anteil von Abfallstoffen bei Syntheseverfahren von enormer Bedeutung für die weitere Entwick‐
lung. A steigende, später fallender Anteil Derzeit steigen die Abfallstoffe sehr stark bei der wachsenden Anzahl an neu entdeckten Synthesever‐
fahren jedoch nur bis das optimale Syntheseverfahren gefunden wird. Das optimale Verfahren unter Mitwirkung aller Forschungsteams weltweit, verspricht den Anteil der Abfallstoffe in naher Zukunft zu reduzieren. 94
Vgl. Semadeni Plastics Group (2010), S. 26 52 B moderat steigender Anteil, dann leicht fallend Derzeit beschäftigen sich wenige Forschungsinstitute weltweit mit dem Thema der Syntheseverfahren im Bereich der Biomaterialien, was zu gering positiven Ergebnissen führt und den Anteil der Abfall‐
stoffe gemächlich steigen lässt. Erst mit dem späten wissenschaftlichen Durchbruch können Abfall‐
stoffe bei dem Syntheseverfahren reduziert werden. C exponentielle Zunahme Es wird unmöglich sein, den Anteil der Abfallstoffe zu reduzieren, was den Wissenschaftlern jedoch auch nicht unrecht kommt, da sie festgestellt haben, dass die Abfallstoffe zur weiteren Forschung im Bereich alternative Energien genutzt werden können und Potenzial zur Energiegewinnung besteht. Deskriptor 2.3: „Anzahl der Bioraffinerien“ Die Anzahl der Bioraffinerien ist derzeit noch sehr gering. Dies hängt von vielen Faktoren ab. Zum einen sind hohe Investitionen nötig, um Bioraffinerien zu errichten und des Weiteren ist die Forschung hin‐
sichtlich Prozessgestaltung und Integration in die Supply Chain noch nicht so weit, dass sich Bioraffine‐
rien kommerziell aufzubauen und zu betreiben ließen. Die Anzahl der Bioraffinerien ist jedoch essen‐
ziell in der Entwicklung der Biomaterialien und dienen daher als Deskriptor. A exponentielle Zunahme Die Pilotprojekte von agierenden Bioraffinerien sind erfolgreich. Weitere Bioraffinerien werden ge‐
plant und bestehende Raffinerien werden in sehr kurzer Zeit in Bioraffinerien umgebaut. B treppenförmige Zunahme In Deutschland sind derzeit 7 Pilot‐Bioraffinerien in Betrieb. Es ist davon auszugehen, dass sich durch die Maßnahmen aus dem EU‐Förderprogramm die Anzahl der Bioraffinerien bis zum Jahr 2030 noch‐
mal ansteigen.95 C gleichbleibend, dann abnehmend Die wirtschaftliche Situation begünstigt nicht den Aufbau zusätzlicher Bioraffinerien und bereits im Pilot‐Projekt betriebene Bioraffinerien können längerfristig nicht kosteneffizient wirtschaften. Konven‐
tionelle Raffinerien werden immer noch mit Erdöl beliefert und können weiterhin so betrieben wer‐
den. 95
Vgl. Wuppertal Institut et al. (2011), S. 10 53 Einflussbereich: Politik Einflussfaktor 3: Subventionspolitik Die Politik hat einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung des Bereiches Biomaterialien, da sie durch die Subventionspolitik ein Instrument zur Steuerung besitzt, das die Herstellung von Biomateri‐
alien fördern und wirtschaftlich attraktiver gestalten kann. Hierbei können zwei entscheidende De‐
skriptoren von Bedeutung sein: Die „Anzahl der Förderprojekte im Bereich Bioraffinerien“ und die „Höhe der Subventionen für Agrar‐ und Forstwirtschaft“ Tabelle 11: Bestehende Bioraffineriekonzepte (Stand 2011)96 Art der Bioraffinerie Bioraffinerie für synthetische Biokraftstoffe, Strom und Chemikalien Bioraffinerie für synthetische Biokraftstoffe und Che‐
mikalien aus Stroh Bioraffinerie für Bioethanol und Tierfutter aus stärke‐
haltigem Getreide Bioraffinerie für Strom, Dämmstoffe, faserverstärkte Kunststoffe und Düngemittel aus Gras Bioraffinerie für Futter, Kosmetik, Biogas, Milchsäure und Lysin aus Gras Bioraffinerie für Glukose, Xylose und Werkstoffe aus Holz Bioraffinerie für Bioethanol und Chemikalien aus Stroh Betreiber und Standort Firma Choren in Freiberg (Sachsen) KIT in Karlsruhe (Baden‐Württemberg) Firma Südzucker/ CropEnergies in Zeitz (Sachsen‐Anhalt) Firma Biowert in Brensbach (Hessen) Firma biopos in Selbelang (Brandenburg) Konsortium und Koordination der Dechema in Leuna (Sachsen‐Anhalt) Firma Südchemie in München (Bayern) Deskriptor 3.1: „Anzahl der Förderprojekte im Bereich Bioraffinerien“ Seit dem Jahr 2010 versucht die Bundesregierung mittels verschiedener Aktionspläne „eine gezielte Forschungsförderung“ zu unterstützen.97 Damit strebt sie den Wandel von einer ressourcenbasierten Wirtschaft hin zu einer biobasierten Wirtschaft an. Besonderes Augenmerk legen die zuständigen Mi‐
nisterien (dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, dem Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reak‐
torsicherheit und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie) dabei auf die Förderung von Bioraffinerie‐Konzepten und den angrenzenden Bereichen wie Landwirtschaft, Wirtschaft und For‐
schung. A Linearer Anstieg der Förderprojekte Im Rahmen der “Hightech‐Strategie 2020”, dem “Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe” und der “Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030” hat sich die Bundesregierung in Deutschland schon an mehreren Förderprojekten beteiligt (u.a. Bioraffinerie‐Forschungszentrum (Sachsen‐Anhalt), Demonstrationsanlagen (Straubing/Karlsruhe)) und plant diese auch auf die gesamte Entwicklungs‐
96
97
Eigene Darstellung in Anlehnung an dem Wuppertal Institut et al. (2011), S. 10 Vgl. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (2012), S. 1 54 kette (“Prozess‐, Technologie‐ und Produktentwicklung”) auszudehnen. Dabei sind weitere Kooperati‐
onen mit Partnern in der Wirtschaft und Wissenschaft nötig, welche durch “Verbundforschung” oder auch “Innovationsallianzen der Industrie mit der Wissenschaft” Form gewinnen wird.98 B Mäßiger Anstieg der Anzahl der Förderprojekte Neben der Bundesregierung wird auch die EU aktiver in der Förderung von Bioraffinerien. Derzeit wer‐
den Bioraffinerie‐Konzepte mit 70 Millionen Euro aus einem EU‐Forschungsprogramm heraus finan‐
ziert. 99 Dieses läuft bis 2020 weiter und wird voraussichtlich dann noch einmal leicht erhöht. C Zu Beginn steigend, danach sinkend Nach einigen Pilotprojekten, die von Bund und Ländern unterstützt wurden, sieht der Staat nun die Unternehmen in der Pflicht, weitere Projekte zu finanzieren und anzustoßen. Auch die EU lässt mit der Förderung nach, da viele Staaten (Brexit, Grexit und Spexit) aus der EU getreten sind und sie sich in einer Krise befindet. Deskriptor 3.2: „Höhe der Subventionen für die Agrar‐ und Forstwirtschaft“ Ein weiterer Indikator für eine mögliche positive oder negative Entwicklung des Forschungsthemas Biomaterialien könnte die Höhe der Subventionen für die Agrar‐ und Forstwirtschaft bedeuten, da sich mit zunehmender Unterstützung die dortigen Prozesse und Verfahren so verbessern könnte, dass eine effizientere Nutzung der Biomasse gewährleistet wäre. Auch sieht die Politik „forschungspolitischer Handlungsbedarf“, um die „nötige Verzahnung von Biomasseproduzenten und – Abnehmern auszu‐
bauen“ und bezieht dies auch im Hinblick auf die Subventionen für die Agrar‐und Forstwirtschaft in ihrem aktuellen Aktionsplan.100 A Höhe der Subventionen sinkt stetig Das staatliche Eingreifen in die agrar‐ und forstwirtschaftlichen Märkte wird zurückgefahren und sozi‐
alverträglich auslaufen, da eine erhöhte Nachfrage nach Agrar‐ bzw. Forstprodukten durch die Energie‐ und Industriebranche existenzsichernde Preise ermöglichen. Lediglich kleinere landwirtschaftliche Be‐
triebe, die sich auf biologische Lebensmittel spezialisiert haben, werden noch durch Subventionen staatlich gefördert. B Späte Erhöhung der Subventionen Die Subventionshöhe für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz betrugen in den letzten Jahren (2013‐2015) konstant 1,4 Mrd. Euro. Erst im Jahre 2016 wurden diese auf 1,5 Mrd. Euro aufge‐
stockt. Einen Anstieg der Subventionen im Bereich Agrar‐ und Forstwirtschaft wird erst nach 2018 wie‐
der erwartet, da dort die Förderungen im Bereich Steinkohle eingestellt werden und bis dahin die Ag‐
rar‐ und Forstwirtschaft in der Energiesparte eine wesentlichere Rolle einnehmen wird. 98
Vgl. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (2012), S. 95 Vgl. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (2012), S. 36 100
Vgl. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (2012), S. 95 99
55 C Höhe der Subventionen ändert sich nicht Der agrar‐ und forstwirtschaftliche Markt hat sich soweit mithilfe der Subventionen optimal eingepen‐
delt und es besteht keinen Bedarf aus Sicht der Politik dies in Zukunft zu ändern. Einflussbereich: Gesellschaft Einflussfaktor 4: Umweltbewusstsein Das Umweltbewusstsein einer Gesellschaft trägt in vielerlei Hinsicht zur weiteren Zukunft von Bioma‐
terialien bei, da die Anbieter von Produkten auf Biomaterialbasis auf die Akzeptanz der Gesellschaft, die letztendlich mit ihrem Kauf diese weiter antreiben sollen, angewiesen ist. Man geht davon aus, dass je höher das Umweltbewusstsein einer Gesellschaft ist, desto höher ist auch die Akzeptanz von Produkten aus Biomaterialien. Das Umweltbewusstsein kann durch die heimische “Recyclingquote” und durch die „Marktanteile der Firmen mit Produkten auf Biomaterialbasis“ ausgedrückt werden. Deskriptor 4.1: „Recyclingquote“ Wie viel von dem Hausmüll oder auch Kleingeschäftsmüll im Restmüll wandert und nicht recycelt wird, wird in einer Recyclingquote ausgedrückt. Generell ist das Umweltbewusstsein einer Gesellschaft hö‐
her, wenn sie verantwortungsvoller mit dem produzierten Müll umgeht. Dabei kommt es auch darauf an, wie viel Wert auf Mülltrennung gelegt wird. Eine Recyclingquote kann auch die Quote der wieder‐
verwertbaren Anteile eines Produktes sein. Hier entspricht die Recyclingquote jedoch den Recycling‐
maßnahmen von privaten Haushalten. A Recyclingquote nimmt stetig zu Durch intensive Bildungsmaßnahmen und der heranwachsenden Generation Y nimmt auch das Um‐
weltbewusstsein zu und damit die einhergehenden erhöhten Recyclingmaßnahmen. Die Recycling‐
quote von privaten Haushalten, öffentlichen Einrichtungen und Kleinunternehmern hat sich in den letzten Jahren stetig verbessert und kam auf einen Wert von 43% (2013) aller angefallenen Abfälle, was eine deutliche Steigerung zum Jahr 1995 zeigt, in dem nur 18% der Abfälle recycelt wurden.101 B Recyclingquote steigt auf 100% Die neuen Abfallgesetze sanktioniert Hersteller, die nicht‐recycle fähige Produkte herzustellen und er‐
möglichen es Haushalte alle anfallenden Abfälle zu recyceln und zu kompostieren. C Recyclingquote nimmt erst zu, dann ab Die Schere zwischen Arm und Reich klafft immer weiter auseinander und der Anteil der Armen nimmt deutlich zu. Soziale Brennpunkte mit schwacher Infrastruktur und Bildungszugang in den Städten wer‐
den zur Norm und Bürger verlernen das recyceln. 101
Vgl. Finger (2015) 56 Deskriptor 4.2: „Entwicklung der Marktanteile der Firmen mit Produkten auf Biomaterialbasis“ Die Marktanteile der Firmen mit Produkten auf Biomaterialbasis spiegeln die Akzeptanz und Kaufbe‐
reitschaft der Gesellschaft wieder. Diese können von Branche zu Branche unterschiedlich ausfallen, aber tragen in der Summe einen wichtigen Teil zur weiteren Entwicklung dieses Marktes bei. Es gibt Vorhersagen, dass der Marktanteil der Biokunststoffe bis 2030 auf über 3,7 Mrd. t wachsen wird, je‐
doch dann mit dem derzeitigen Stand der Technologie eine Anbaufläche so groß wie Russland benötigt würde. A Marktanteile steigen stark Günstige Preise und ein gutes Nachhaltigkeitsimage bei Produkten auf Biomaterialbasis erhöhen die Nachfrage der Konsumenten. Das effizientere Verfahren und die Rohstoffsituation begünstigen den Trend zusätzlich. Die Marktanteile dieser Firmen steigen an. B späte Zunahme der Marktanteile Andere Produkte werden aufgrund der Verwendung von recycelten Kunststoffgranulaten immer noch erschwinglich angeboten. Der Markt zeigt sich zunächst skeptisch und wartet die Technologieausrei‐
fung der Herstellung ab. Erste wichtige Abnehmer solcher Produkte stellen die Baubranche und die Automobilbranche dar. C unveränderte Marktanteile Produkte aus Biomaterialien sind für die Masse und Serieneinführung zu teuer. Lediglich Nischen‐
Märkte, die sich von Anfang an auf Produkten aus Biomaterialien konzentrieren, sind weiterhin Haupt‐
abnehmer. Daher bestehen keine Wachstumschancen für diesen Markt und die Marktanteile be‐
schränken sich auf die bereits entstandene Stammkundschaft. Einflussbereich: Umwelt Einflussfaktor 5: Biodiversität Anhand der Biodiversität wird gemessen, wie intakt eine Umwelt ist. Verschwinden Tierarten und wer‐
den Regenwälder gerodet, wird das Ökosystem erheblich beeinflusst. Auch Pflanzenvielfalt und Wild‐
blumen auf Feldern gehören zu einer intakten Biodiversität dazu. Der Stand der Biodiversität kann auch durch die eingenommene “Fläche der Nutzwälder” und anhand dem “Potenzial der Biodiversität” ge‐
messen werden.102 Deskriptor 5.1: „Fläche der Nutzwälder“ Die Fläche der Nutzwälder beeinflusst die Biodiversität negativ, da natürliche Wälder (oder auch als Urwälder in Deutschland bezeichnet) über eine deutlich höhere Pflanzen ‐ und Tierartenvielfalt verfü‐
gen und damit positive Auswirkungen auf das Gesamt‐Ökosystem haben. Anstrengungen den Anteil 102
Vgl. Roland Berger (2015) 57 der Urwälder und den Anteil der Nutzwälder zu erhöhen werden derzeit gleichzeitig von unterschied‐
lichen Interessensgruppen angestrebt.103 A zunächst Abnahme, dann Anstieg der Fläche Anstrengungen im Bereich Umweltschutz der Bundesregierung und Druck von Nicht‐Regierungsorga‐
nisationen haben bewirkt, dass Wälder wieder vermehrt ihrer Natur überlassen und nicht mehr zu wirtschaftlichen Zwecken genutzt werden. Erst durch den rasanten Anstieg des Bedarfes von nachhal‐
tigen Rohstoffen im Bereich Energieerzeugung und Materialherstellung werden natürliche Wälder wie‐
der zu Nutzwälder erklärt. B stetige Abnahme der Fläche Bestrebungen der Bundesregierung die Fläche der Nutzwälder zu senken und den Bestand von Urwäl‐
dern zu erhöhen, zeigen Wirkung: Gegenwärtig beläuft sich die Fläche der ungenutzten Wälder auf 213.145 Hektar, was 2 Prozent der gesamten Waldfläche entspricht. Bis 2020 ist ein Anteil von 3 Pro‐
zent zu erwarten und in den darauffolgenden Jahren soll sich dieser weiter erhöhen.104 Folglich nimmt die Fläche der Nutzwälder stetig ab. C Fläche sinkt in Stufen Schutzmaßnahmen und die zeitgleiche Bevölkerungsentwicklung üben immer mehr Druck auf die Flä‐
che der Nutzwälder aus und lässt sie mit jeder Gesetzesänderung sinken. Zusätzlich machen Klimaka‐
tastrophen eine effiziente Bewirtschaftung der Wälder schwieriger, da vermehrt heftige Stürme im Winter und Waldbrände im Sommer riesige Waldflächen zerstören. Deskriptor 5.2: „Potenzial der Biodiversität“ Das Potenzial der Biodiversität gibt an, wie viel von der ursprünglichen Biodiversität unserer Erde noch vorhanden ist. Derzeit beläuft sich das Potenzial der Biodiversität auf 67.5% ihres ursprünglichen Po‐
tenzials. Aufgrund intensiver Bewirtschaftung von Feldern und Wäldern, kann das Potenzial einer Bio‐
diversität, bei Ausbleiben von anderen Maßnahmen, erheblich einschränken.105 A Konstantes Potenzial Aufgrund von erfolgreichen Schutzmaßnahmen (z. B. der Regenwälder) und Einbezug aller Länder durch die Weltklimagipfel lässt sich das bisherige Potenzial von 67,5% Prozent auf diesem Niveau bis in die nächsten Jahrzehnte konstant halten. Die Bemühungen um die Erreichung des Zwei‐Grad‐Ziel bis 2100 haben sich parallel positiv auf das Potenzial der Biodiversität ausgewirkt.106 B Abnahme des Potenzials Die Beiträge zur Reduzierung der CO2‐Emissionen sind zwar beachtlich und die Industrienationen kön‐
nen die bei der Klimakonferenz in Paris beschlossenen Ziele einhalten, jedoch werden diese Effekte 103
Vgl. 3sat.online (2015) Vgl. Bundesamt für Naturschutz (2013) 105
Vgl. Umweltbundesamt (2015) 106
Vgl. Mohaupt‐Jahr und Küchler‐Krischun (2008) 104
58 durch den weltweiten Bevölkerungsanstieg teilweise aufgefressen. Daher ist sinkt das Potenzial bis 2050 um ca. 4% auf 63.5% ihres ursprünglichen Potenzials.107 C Rapide Abnahme des Potenzials Das Potenzial der Biodiversität wird bis 2030 schon um 4,5% verlieren, was dazu führt, dass nur noch 63% des ursprünglichen Ökosystems vorhanden sein wird. Gründe hierfür sind besonders der fort‐
schreitende Klimawandel und die Rodung der Regenwälder. Bis 2030 wird die Menschheit anstatt der heutigen 1,5 Erden insgesamt 2 Erden an Ressourcen benötigen.108 107
108
Vgl. Roland Berger (2015) Vgl. Roland Berger (2015) 59 5.4 Alternativenbündelung
Zusammenfassung Aus den Projektionen werden mittels paarweisem Vergleich drei verschiedene Alternativenbünde‐
lungen zusammengefasst. Jede Alternativenbündelung spiegelt ein Rohszenario wider, welche in Ka‐
pitel 5.5 detailliert ausformuliert werden. Die Szenarien sollen dabei in sich konsistent, stabil und sich voneinander unterscheiden. Im folgenden Kapitel sollen nun insgesamt drei Projektionsbündelungen entstehen, die alle jeweils zu einem möglichen Szenario führen sollen. Dazu werden die einzelnen Projektionen auf ihre Konsistenz, Stabilität und Unterschiedlichkeit geprüft und anhand dessen paarweise zusammengefasst. Die in Tabelle 12 entstandenen einzelnen Szenarien, die durch die verbindenden Linien gekennzeich‐
net sind, werden in Kapitel 5.5 ausformuliert und detailliert vorgestellt. Die Tabelle zeigt die jeweiligen Einflussbereiche, Treiber und Deskriptoren. Außerdem werden mögliche Projektionen je Deskriptor dargestellt, die verglichen und miteinander kombiniert werden. Tabelle 12: Alternativenbündelung 60 5.5 BeschreibungderSzenarien
Zusammenfassung Das Trendszenario “Nachhaltiges Direttissima“ beschreibt eine stabile Weltgemeinschaft im Jahre 2040. Entwicklungsländer können sich als bedeutende Handelspartner behaupten und führen zu einem weltweiten minimalen Wohlstand. Deutschland ist Markführer im Bereich der Biomaterial‐
technik, welche in vielen Branchen nun serienmäßig eingesetzt wird. Da inzwischen ein Verfahren zur Verwertung von Müll zu Biomaterialien entwickelt wurde, werden sogar die Ozeane nach Müll abgesucht, was zur Entwicklung unzähliger Bioraffinerien führt. Jeder Haushalt besitzt einen 3D‐
Drucker, welcher durch alternative Materialien eine Kompaktlösung für Privatverbraucher bietet. Das Extremszenario 1 “Vehlinta schafft Pareto Optimum“ beschreibt eine Welt, die im sich im Zei‐
chen der Nachhaltigkeit entwickelt hat. Durch ein innovatives leicht klonbares Material konnten Ab‐
fall und Energieverschwendung so drastisch reduziert werden, dass dem Klimawandel Einhalt gebo‐
ten werden konnte. Durch den Waldanbau in Entwicklungsländern konnte auch diesen wirtschaft‐
lich und ökologisch geholfen werden. Die Menschheit ist nicht mehr auf nicht erneuerbare Ressour‐
cen angewiesen. Das Extremszenario 2 “Granulat der Krise“ stellt eine graue Zukunft dar. Der Klimawandel schreitet voran, wird jedoch von der Politik systematisch geleugnet. Deswegen verschwinden Entwicklung und Förderung von abbaubaren Materialien zunehmend und Wegwerfprodukte hinterlassen eine Spur der Zerstörung durch verschmutzte Landschaften, Luft und Grundwasser. Bioraffinerien und ihre innovativen Verfahren zur Herstellung von alternativen Materialien gelten als Nische. Die An‐
zahl der Bioraffinerien nimmt ab und viele Teile der Erde haben den Notstand ausgerufen. Im Folgenden wird die Szenariotechnik nach ITOP Schritt 5 ausgeführt.109 In diesem Kapitel werden die Rohszenarien aus dem Kapitel 5.3 ausformuliert und detailliert beschrieben. Dabei handelt es sich um zwei Extremszenarien und ein Trendszenario. Die beiden Extremszenarien entwickeln sich deutlich in eine gegengesetzte Richtung mit extremen Ausprägungen. 5.5.1
Extremszenario1:VehlintaschafftParetoOptimum
Die Welt im Jahr 2040 steht voll im Zeichen des Pareto Optimums. Obwohl sich der Klimawandel bis 2030 weltweit immer weiter durchgesetzt hat, stehen die Zeiger seit einem Unfall in einem Forschungszentrum auf Veränderung. Bei einem missglückten Synthesevorgang im Jahr 2031 wurde versehentlich ein innovatives, biologisch abbaubares Biokunststoffgranulat ent‐
deckt. Es weist zwar komplizierte genetische Strukturen auf, ist jedoch durch einen einfachen somati‐
schen Zellkerntransfer optimal für Klonvorgänge geeignet und kann so in schnellster Zeit ohne großen Energieaufwand vervielfacht werden. So konnten die Abfallstoffe bei Syntheseverfahren auf 0 gesenkt 109
Vgl. Stelzer et al. (2015) 61 werden. Die Ausgaben für Forschungen im Bereich innovative Materialien steigen durch die vielver‐
sprechenden Innovationen exponentiell bis zur Sättigung. Deutschland hat das innovative Granulat Vehlinta110 als große Marktlücke erkannt. Die Bioraffinerien reagieren schnell auf die Situation und passen ihre Syntheseverfahren in der Mate‐
rialentwicklung so an, dass deutsche Firmen das Monopol auf das innovative Material halten können und somit ein effizientes und ökonomisch nutzvolles einzigartiges Material in verschiedenste Produkte einfließt. Deutschland wird 2038 offiziell zum führenden Exportweltmeister und somit zum Wirtschaft‐
szentrum für Mitteleuropa. Es herrschen allgemein Wohlstand und Reichtum in Deutschland, die Bür‐
ger sind zufrieden. Mit den Fördergeldern für Forschungen im Bereich der Innovativen Materialien steigen auch die Anzahl der Patentanmeldungen im S‐Kurven Verlauf und die Anzahl der Förderpro‐
jekte ebenso linear. Da die Bioraffinerien mit dem Projekt “Help the Children” jegliche Schulen, Universitäten und sonstige Bildungseinrichtungen sponsern, sind die Bioraffinerien im Jahr 2040 die gesetzgebende Institution und der Staat die helfende Hand dabei. Die Einwohner Deutschlands sind darüber begeistert, da die Bioraffinerien mit den höchsten Aktienanteilen in der Hand der Bürger liegen. Eine weltweite Recyclingquote von 100% wurde durchgesetzt, da jeglicher Abfall, der nicht recycelt oder zu Hause kompostiert werden kann auf den Mars befördert wird, wo bereits mit einer eigens angefertigten Müllvergrabungsanlage aus Deutschland das Problem beseitigt wird. Es wurden im letz‐
ten Jahrzehnt Gesetze verabschiedet, die die Produktion mit nichtrecyclingfähigen Rohstoffen sankti‐
onieren. Leider wurde erst zu spät erkannt, dass natürliche Ressourcen wie Wälder und Pflanzen für das Über‐
leben der Menschheit essentiell sind. Deshalb stiegen die Subventionen für Forst‐ und Agrarprojekte erst spät und der Anteil der Firmen mit Produkten auf Biomaterialbasis stieg in den letzten 10 Jahren rapide an. Nun können dank der steigenden Subventionen an sowohl heimische als auch ausländische Forst‐Organisationen dafür aufgewandt werden, natürliche Waldflächen und Nutzwälder zum Wohle der Biodiversität, die in den letzten 10 Jahren gesunken und jetzt wieder steigen soll, anzulegen. Dies geschieht nicht nur in Deutschland, sondern in den angrenzenden Ländern und vorerst auch auf eini‐
gen Flächen in Nord‐ und Südamerika, um das aus früheren Generationen stammende CO2 in der At‐
mosphäre überall erfolgreich binden zu können und so den Klimawandel irreversibel zu stoppen. Wei‐
tere Länder, die Vehlinta aus Deutschland abnehmen, profitieren ebenso von dem Material. Da es viel‐
seitig einsetzbar und in lokalen Produktionsstätten für unzählige Produkte zur weiteren Verarbeitung nützlich ist, stiegen die Bruttosozialprodukte der früheren Entwicklungsländer um ein Vielfaches an. Mexiko berichtete 2039 von einem BIP von 4,6 Mrd. US$ (zum Vergleich 2015: 1,1 Mrd. US$) und So‐
malia von 6,1 Mrd. US$ (zum Vergleich 2015: 2,6 Mrd. US$). Durch die günstigen Klimabedingungen in Bangladesch sowie in anderen klimatisch ähnlichen Ländern (u. a. Brasilien) kann Vehlinta für den Häuserbau eingesetzt werden. Somit lassen sich Slums bzw. Fa‐
velas und Problemviertel vermeiden und folglich wird die Kriminalitätsrate nachweislich gesenkt. Die sichere Umgebung und die saubere Natur ziehen umso mehr Touristen an, was vielen früher kritischen 110
Anm.: Vehlinta wurde nach der Brandenburgischen Gemeinde Vehlin benannt, in der der Entdecker geboren wurde 62 Ländern einen drastischen Schub in diesem Wirtschaftssektor verleiht und früheren Konflikten Einhalt gebietet. Die Bioraffinerien in Deutschland wurden erst dieses Jahr mit dem internationalen Preis für das Pareto Optimum von Greenpeace ausgezeichnet und genießen große Dankbarkeit und Akzeptanz unter der Bevölkerung. Die Klimaforscher des Institutes für Umwelterhaltung an der Universität Ulm haben Ende 2039 erst eine Studie veröffentlicht, die die Überwindung des Problems der Ressourcenknappheit be‐
stätigt. Die Menschen sind nicht mehr auf den Abbau von nicht erneuerbaren Ressourcen (speziell Steinkohle und Erdöl) angewiesen. 5.5.2
Trendszenario:NachhaltigerDirettissima
Deutschland im Jahre 2040: Mittlerweile leben fast 9 Milliarden Menschen auf unserem Planeten und die Weltgemeinschaft sieht sich vermehrt mit globalen Problemen wie Armut, Hunger und Klimakata‐
strophen konfrontiert. Die internationale Zusammenarbeit zwischen den Ländern wird stetig wichtiger und es wird eine Balance zwischen Umweltschutz und Ernährung der Weltbevölkerung gesucht. Be‐
sondere Anstrengungen haben sich im Bereich des Klimawandels gelohnt und es gibt immer noch die Hoffnung, das 2‐Grad Ziel bezüglich der Erderwärmung bis 2100 zu erreichen. Die wirtschaftliche Lage in Deutschland ist trotz der Unsicherheiten in der Weltpolitik zufriedenstellend und das Land spielt mit einem BIP von ca. 5 Milliarden Euro (2015: 3,025 Mrd. Euro) noch in den Top10 der wirtschaftlich er‐
folgreichsten Nationen eine einflussreiche Rolle. Länder wie Nigeria und Indonesien haben sich in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt und bilden wichtige Handelspartner für deutsche Unterneh‐
men. Neben dem Automobilgeschäft, das sich extrem verändert hat und aufgrund von gesetzlichen Regelungen nur noch auf die Herstellung von Automobilen mit Batteriebetrieb und das Anbieten von Fahrerassistenzsystemen konzentriert, hat sich die Branche Energie & Umwelt zum einem der wich‐
tigsten Wirtschaftszweige im Land gesteigert. Insbesondere im Bereich der Biomaterialtechnik nimmt Deutschland hinsichtlich der Technologieent‐
wicklung eine führende Rolle ein. Auch die integrierten Bioraffinerien haben sich nach anfänglichen Schwierigkeiten in diesem Markt gut positionieren können und zeigen sich mit jährlichen Umsatz‐
wachstumsraten von 5 Prozent zufrieden mit der Unternehmensentwicklung. Viele Patentanmeldungen im Bereich der Biokunststoffherstellungsverfahren und den zuletzt gefeier‐
ten Erfolgen hinsichtlich der Reduktion von 60% der Abfallstoffe bei den Syntheseverfahren, haben dazu geführt, dass die Automobilhersteller und andere Abnehmer wie die Baubranche, Biomaterialien in der Serienausstattung integrieren und als Baustandard einführten. Auch in anderen Branchen, wie der Verpackungsindustrie ist die Nachfrage nach nun kostengünstigeren und effizienteren Biokunst‐
stoffgranulaten in den letzten Jahren deutlich gestiegen und Marktanteile haben sich positiv entwi‐
ckelt. Dass die Umsatzentwicklung im Allgemeinen nicht exponentiell zunahm, lag auch unter anderem da‐
ran, dass sich das Investitionsklima bezüglich innovativer Materialien eher zurückhaltend entwickelte. Mehrere Gründe liegen hierfür vor: Auf der einen Seite kann der weltweite Materialbedarf noch nicht durch Biokunststoffe gedeckt werden und immer noch wird Öl gefördert, das in konventionellen Kunst‐
stoffe weiterverarbeitet wird. Des Weiteren hat die Kunststoff‐Recycling‐Technologie immense Fort‐
schritte gemacht und kann nahezu 40 Prozent des bereits existierenden Kunststoffmülls wiederver‐
werten. Das Geschäft mit dem Müll boomt und selbst die Ozeane werden nach Müll abgesucht, der 63 mithilfe eines speziellen Verfahrens wieder zu Erdöl umgewandelt werden kann und konventionellen Raffinerien eine noch wirtschaftliche ertragbare Situation ermöglicht. Die Gesellschaft kann Produkte mit sehr hoher Kunststoffqualität nach dem Gebrauch an Hersteller zurück verkaufen und ist umweltbewusster geworden, was man deutlich an der heimischen stetig stei‐
genden Recyclingquote erkennt. Leute schließen nicht mehr nur ihre Briefkästen ab, sondern auch Mülltonnen werden elektronisch verriegelt, da sonst die Gefahr des Diebstahls des zuletzt gekauften Joghurtbechers besteht. Dennoch haben auch dort die Wissenschaftler noch nicht feststellen können, wie sie Kunststoffe zu 100 Prozent wiederverwerten können und viele Verpackungen landen immer noch in der thermischen Verwertung. Auch die Bundesregierung wendet sich von den Förderungen dieser Technologie allmählich ab und investiert erneut deutlich mehr in Forschung und Errichtungen von Bioraffinerien. Es ist allgemein bekannt, dass Holz längerfristig gesehen zwar einen schnell nachwachsenden Rohstoff darstellt, aber Nutzwälder in Zukunft aufgrund der Bevölkerungsentwicklung weiter stärker mit der Anbaufläche von Lebensmitteln und Wohnflächen konkurrieren wird. Daher haben die Nutzwälder in Deutschland bereits stückweise auf ca. 10 Millionen Quadratkilometer abgenommen. Zusätzlich braucht die Umwelt eine ausgeglichene Biodiversität, um nachhaltig in der Zukunft weiter zu bestehen, was jedoch aufgrund der Zielkonflikte nicht erreicht werden kann. Das Potenzial nimmt rapide ab. Durch die wachsende Zahl an Bioraffinerien haben sich einige Bioraffinerien bereits stärker differen‐
ziert und weitere Alternativen auf den Markt gebracht. So konnte sich auch die Materialgewinnung aus Algen, die schon für Energielösungen genutzt werden, als Alternative durchsetzen. Auch im Trend der Digitalisierung stehen die Bioraffinerien gut dar, insbesondere hervorzuheben ist hier der Bereich im B2C‐Business. In Deutschland hat zwischenzeitlich jeder Haushalt einen 3D‐Drucker und der Syntheseprozess von Algen in Algenkunststoffgranulat wird nahezu problemlos in die Technik integriert. Einige Bioraffinerien haben daher das Produktportfolio erweitert und sind selbst Produzent von 3D‐Druckern, wie z. B. dem sehr erfolgreichen Produkt “Shape!4Algaes”, geworden. Hier werden zusätzliche Innovationen von kundenorientierten Kompaktlösungen und Verwertung von nicht mehr genutzten Algenprodukten erwartet. 5.5.3
Extremszenario2:GranulatderKrise
Die Welt im Jahr 2040. Deutschland ist verschuldet. Italien und Spanien haben im internationalen Rou‐
lette‐Bingo jegliche Schulden zurückerobert und Deutschland in eine tiefe Krise versetzt. Das Land wurde von anderen Staaten überholt und deutlich vom Weltmarkt abgehängt. Der langjährige Einfluss rechtsradikaler Gruppen hat die Politik in vielerlei Hinsicht geprägt. So wird zum Beispiel der Import ausländischer Güter strikt sanktioniert und der Klimawandel systematisch geleugnet. Menschen flie‐
hen aus wirtschaftlichen Gründen in die Türkei, an allen Ecken und Enden muss gespart werden. Der erste Schritt der Sparmaßnahme beinhaltet die Streichung der Förderprojekte für Bioraffinerien. Sub‐
ventionen im Bereich Biomaterialien sind komplett aufgelöst. Abbaubare Biomaterialien verschwinden zunehmend und die jeweiligen Entscheidungsträger ziehen nun lieber wieder den konventionellen Ge‐
brauch von Erdöl allen Innovationen vor, auch weil für Forschung und Entwicklung die Ressourcen feh‐
len. Durch den stetigen Neubau von Wohnungssiedlungen geht der Anteil an Wäldern zurück. Das hat zur Folge, dass Emissionen in der Atmosphäre nicht mehr ausreichend absorbiert werden und sich eine 64 Abgasschicht kontinuierlich vor die Wolken zieht. Die Welt ist grau und trist. Selbst die nationale Was‐
serversorgung zu sichern liegt an der politischen Tagesordnung, nicht aber das Thema der Biomateri‐
alien. Anfangs wurde versucht, die bereits gebundenen Ressourcen (wie z. B. seltene Erden in Elektro‐
geräten) zu recyceln, das Projekt ist aber schon nach kürzester Zeit gescheitert und hinterlässt jede Woche einen weiteren unüberwindbaren Müllberg. Die Giftstoffe des Mülls haben große Teile des Grundwassers kontaminiert, sodass es kaum noch trink‐
bares Wasser auf der Erde gibt. Einzelne Firmen beuten die Bevölkerung aus, indem sie ein Monopol auf Wassergranulat halten, welches vom Körper in einen Wasserersatzstoff umgewandelt wird und so die Suche nach wertvollem Trinkwasser unnötig macht. Leider ist es den Bioraffinerien bisher noch nicht gelungen, ein effizientes Syntheseverfahren für Bio‐
materialien zu entwickeln, weshalb die Anzahl der Bioraffinerien im Jahr 2040 auch zu sinken beginnt. Die Geschäfte mit Zulieferer und Kunden sind aufgrund der politischen Lage nicht mehr möglich. Le‐
diglich wenige nationale Abnehmer, in Form von Nischenkunden bleiben für die Umsatzgenerierung der Biomaterialherstellungsprozesse erhalten. Strategien der Bioraffinerien haben sich in den letzten Jahren radikal geändert. Neben den Schwierig‐
keiten der Nahrungsmittelversorgung und des großen Müllaufkommens, nehmen die Nutzwälder nach und nach ab und sie haben mit der Verknappung der Ressource Holz zu kämpfen. Deswegen wurden die bestehenden Prozesse größtenteils auf die Verarbeitung der beim Recyclingprozess anfallenden Schlacke “Black Liquor” umgestellt. Die Lage ist prekär. Der ganze afrikanische Kontinent, Asien, Südamerika und zweidrittel Europas ha‐
ben schon im Jahr 2035 den Notstand ausgerufen, was zu großer Panik in der Bevölkerung geführt, zu Ratlosigkeit der Politik und zur Beschleunigung der Probleme beigetragen hat. 5.6
StörereignisseundderenWirkungaufdieSzenarien
Zusammenfassung In diesem Kapitel werden einige Störereignisse, sogenannte Wild Cards auf die in Kapitel 5.5 be‐
schriebenen Szenarien angewandt. Dies dient dazu, die Szenarien auf ihre Robustheit zu testen. Wild Cards haben eine geringe Eintrittswahrscheinlichkeit, jedoch ist ihre Wirkung sehr hoch, sobald sie eintreten.111 Das Störereignis 1 beschreibt die Situation, wenn sich die Umlaufbahn der Erde verschiebt. Dies hat großen Einfluss auf natürliche Rohstoffe, Nahrungsmittel und die Temperatur. Für das Trendszena‐
rio bedeutet dies das Aus für das angestrebte Pareto Optimum, im Szenario „Granulat der Krise“ wirkt sich dies erheblich auf die Lebensqualität der Menschen aus. 111
Die Extremszenarien sind bewusst sehr extrem gewählt. Das dient dazu, den gedanklichen Horizont für die Zukunft nochmal zu erweitern. 65 Das Störereignis 2 stellt eine Welt dar, in der die Menschen sich von Holz ernähren können, was sich derart auf die Wälder, Nutzflächen aber auch die Menschen auswirkt, dass dies zum Teil verhee‐
rende Folgen mit sich bringt. Im Trendszenario leidet die Welt unter dem Mangel an Rohstoffen und die Nachfrage nach Biomaterialien kann nicht mehr bedient werden. Im Szenario „Pareto Optimum“ leidet die Biodiversität unter der Flächennutzung für den Holzanbau. 5.6.1
Störereignis1:DieUmlaufbahnderErdehatsichverschoben
Das unmögliche Ereignis ist eingetroffen: Die Erde ist durch Annäherung eines anderen Planeten mini‐
mal von ihrer gewohnten Umlaufbahn abgekommen, was extreme Folgen auf die Menschheit hat. Durch die kürzere Distanz zur Sonne hat sich der Anteil von Sauerstoff in der Luft verringert und belas‐
tet die Biodiversität und das Leben der Menschen erheblich. Natürliche Rohstoffe gehen dadurch zu Grunde und die Ernährung gibt es nur noch in Pillenform. Durch die Erwärmung der Meere haben sich überall Algen gebildet, die für Ernährung und Energiegewinnung genutzt werden können. Folgen Pareto Optimum: Ohne ausreichenden Sauerstoff lässt sich Vehlinta nicht mehr natürlich herstellen. Es muss künstlich erzeugter Sauerstoff genutzt werden, der sehr teuer ist, was Vehlintas Marktpreis auf ein horrendes Niveau erhöht. Vehlinta ist nunmehr nur noch den reichsten Menschen verfügbar. Alle anderen müs‐
sen sich mit Algenstoffen begnügen. Auch die Ernährung in Pillenfom ist sehr teuer, wodurch die Be‐
völkerung in kürzester Zeit um ein Vielfaches schrumpft. Nachfolgende Generationen können auf der Erde nicht so leben, wie die vorherigen, dadurch ist die Pareto Optimum zunichtegemacht worden. Nachhaltiger Direttissima: Das erhöhte Algenvorkommen begünstigt den Verkauf des 3D‐Druckers “Shape!4Algaes”, was die er‐
wirtschafteten Verluste durch das Marktsegment Biomaterialien auf Holzbasis kompensieren. Selbst kurzfristig sieht sich die PaperForYou gezwungen das Syntheseverfahren mit dem Rohstoff Holz einzu‐
stellen und ihre Kompetenzen in die Verarbeitung der Algen zu verlagern. Leider ist es nicht mehr möglich, die Kompaktlösungen anzubieten, da die Kunden aufgrund der Erwärmung der Erde unter einer hohen Mückeninvasion leiden und keine Brutstellen mehr in unmittelbarer Nähe ertragen wol‐
len. Granulat der Krise: Durch die Abgasschicht und die durch die verschobene Umlaufbahn entstehende Hitze können sich die Menschen nur noch in klimatisierten Gebäuden aufhalten. Für die Geschäftsfelder der PaperForYou ändert sich nichts Einschlägiges. Die Armut breitet sich weiter aus und die Menschen leiden extrem. Politische Spannungen nehmen extrem zu und vereinzelte Ländern bereiten sich für einen bevorste‐
henden Krieg vor. 66 5.6.2
Störereignis2:High‐WoodDiet
Ein neuartiger Trend aus Korea durchzieht die Welt und stellt PaperForYou auf eine harte Probe: die High‐Wood Diet. Die High‐Wood Diet besteht gänzlich aus zubereiteten Holzfasern und besonders die schmackhafte Rinde verspricht ein verjüngtes Aussehen, eine höhere Konzentrationsfähigkeit und eine geringere Anfälligkeit für Krankheiten. Auch in Deutschland beherrscht die High‐Wood‐Diet die Hops‐
ter‐Szene112, welche sich in den letzten 5 Jahren rasant ausgebreitet hat. Die Bundesregierung musste durch den zunehmenden Druck aus der Szene reagieren und hat Holz als wichtiges Lebensmittel er‐
klärt. Die anderweitige Nutzung von Holz ist damit extrem eingeschränkt und wird von der Bundesre‐
gierung zentral koordiniert. Folgen: Pareto Optimum: Die High Wood Diet hat auf das innovative Material Vehlinta keine großen Auswirkungen, da Vehlinta hauptsächlich in der Produktherstellung als Rohstoff dient und nicht in der Nahrungsmittelindustrie. Auch die Hopster Szene wirkt sich positiv auf den Absatz von Vehlinta aus, da sie sehr offen gegenüber biologisch abbaubaren Materialien sind. Die Projekte zum Anbau natürlicher Waldflächen allerdings werden abgebrochen, da die Flächen für Nutzwälder zur Holznahrungsmittel benötigt werden. Dies wirkt sich extrem negativ auf die Biodiversität auf der Erde aus. Nachhaltiger Direttissima: Die Energiegewinnung und Materialherstellung aus Holzstoffen wie Lignin wird zunehmend einge‐
schränkt und problematisch. Es muss nach anderen Stoffen gesucht werden, die einen gleichen Nutzen versprechen. Die Forschung tut sich schwer, da auch die intensivere Nutzung von Algen nicht in Frage kommt. Dies hat zur Folge, dass die Nachfrage nach Biomaterialien nicht mehr bedient werden kann. Die Automobilbranche versucht unabhängiger zu werden und entwickelt ein eigenes Konzept. Die Bau‐
branche leidet unter dem Mangel an Holzstoffen ebenso und muss sich Substituten zuwenden. Die Gesellschaft repariert alte Produkte statt neue Produkte zu kaufen. Der Markt für PaperForYou bricht ein. Granulat der Krise: Die Essensgewohnheiten betreffen die deutsche Hopster‐Szenen zwar, jedoch stellt diese in nur eine Randgruppe in dieser Gesellschaft dar. Die Regulierung der Holzherstellung durch den Staat betrifft die PaperForYou nur bezüglich der Nischenmärkte, da das Hauptgeschäftsfeld sich auf die Verarbeitung von recycelten Kunststoffen bezieht. Die erhöhten Rohstoffpreise von Holz werden den Kunden aus den Nischenmärkten weitergereicht, was jedoch in der angeschlagenen Kaufkraft der Gesellschaft zu erheblichen Umsatzeinbußen in den Nischenmärkten führt. 112
Die Hopster‐Szene entwickelte sich aus der LOHAS‐ und Hipster‐Szene, ist extrem gesundheitsbewusst, lehnt den Main‐
Stream Veganismus ab und ernährt sich ausschließlich aus Pflanzenfasern. 67 5.6.3
ÜbersichtEinflussderStörfaktoren
In den folgenden Tabellen sind die jeweiligen Einflüsse der Störer‐
eignisse auf die drei im vorherigen Kapitel beschriebenen Szenarien übersichtlich dargestellt. Die Bedeutung der Pfeile kann als Wer‐
Abbildung 24: Legende Einflüsse tung der Einflusshöhe nach dem folgenden Schema gewertet wer‐ auf Szenarien den: Tabelle 13: Auswirkungen auf Pareto Optimum Auswirkungen auf das Szenario Pareto Optimum Umlaufbahn der Erde verändert sich Innovatives Material Vehlinta ist nicht mehr herstellbar Erhöhtes Angebot und mehr Nachfrage nach Algen Pareto Optimum nicht mehr gegeben Menschen essen Holz Mehr Nachfrage nach Vehlinta durch die Hopster Szene Biodiversität geht zurück durch vermehrte Nutzwaldanbauung Keine extremen Auswirkungen auf die Geschäftsfelder der PaperForYou Tabelle 14: Auswirkungen auf Nachhaltiger Direttissima Umlaufbahn der Erde ver‐
ändert sich Menschen es‐
sen Holz Auswirkungen auf das Szenario Nachhaltiger Direttissima Erhöhtes Algenvorkommen führt zu erhöhtem Umsatz von „Shape!4Al‐
gaes“ Umweltbedingungen verringern den Bestand der Ressource Holz Erhöhte Mückeninvasion durch Erderwärmung Eingeschränkter Zugang zur Ressource Holz Verringerung des Kundenstammes Gesellschaft vermeidet bewusst neu hergestellte Produkte (wirtschaftlicher Stillstand) 68 Tabelle 15: Auswirkungen auf Granulat der Krise Umlaufbahn der Erde ver‐
ändert sich Menschen es‐
sen Holz Auswirkungen auf das Szenario Granulat der Krise Stark beeinträchtigte Lebensbedingungen Politische Spannungen führen zu großen Problemen Geschäftsfelder von PaperForYou bleiben unberührt Hauptgeschäftsfeld recycelte Rohstoffe ist nicht betroffen Höhere Preise führen zu geringerem Absatz von innovativen Materialien Kaufkraft der Gesellschaft geht im Allgemeinen extrem zurück 6 AbleitungrobusterTechnologien
Zusammenfassung Die Technologien, die sich in allen drei Szenarien bewähren, werden robuste Technologien genannt und sind in diesem Fall die integrierten Bioraffinerien und die Extrahierung von Hemicellulose. Die Chancen der Herstellung von Biokunststoffgranulaten bzw. Produkten auf Biomaterialbasis und die Errichtung von Bioraffinerien konnten mit Hilfe eines strategischen Roadmappings analy‐
siert werden. Zu ihnen zählen u. a. die Verringerung des Klimawandelproblems, die Unabhängig‐
keit von fossilen Rohstoffen und die Unterstützung regionaler Agrar‐und Forstwirtschaft. Risiken in diesem Bereich sind z. B. die schädlichen Abfälle bei Syntheseverfahren, die Produktakzeptanz in der Gesellschaft und dass die Errichtung von Bioraffinerien verbunden mit hohen Investitionskos‐
ten verbunden ist. Mit den aus der Szenariotechnik und der bibliometrischen Analyse gewonnenen Erkenntnissen werden hier die relevanten und robusten Technologien für die Materialwissenschaften, speziell den Biomate‐
rialien, identifiziert und näher betrachtet. Insbesondere die Forschungsfronten und das daraus gebil‐
dete Forschungsportfolio bilden die Basis für die Ableitung von relevanten Technologien in diesem Bereich. Zusätzlich haben wir durch Brainstorming in den Szenarien andere Technologien (z. B. Klonen, 3D‐Druck), die in der Zukunft eine große Rolle spielen könnten und sich zusammen mit der Entwicklung der Technologien der Biomaterialien zu emergenten Technologien herauskristallisieren, ergänzt. Emergente Technologien sind komplexe, interdisziplinäre Technologien, die durch das Aufeinander‐
treffen von Technologien unterschiedlicher Bereiche entstehen. 69 6.1
Relevante Technologien Als relevante Technologien konnten im vorliegenden Forschungsbericht für die Biomaterialien fol‐
gende Technologien aus den Wissensbasen und Forschungsfronten identifiziert werden: Optimierung von Syntheseverfahren Das optimierte Syntheseverfahren scheint die wichtigste Technologie im Bereich der Biomaterialien zu werden. Schon in der Analyse der Co‐Zitationen wurde das Syntheseverfahren in den Bioraffinerien als große Wissensbasis identifiziert und hat im Laufe der Zeit an Aufmerksamkeit enorm hinzugewonnen, wie auch deutlich im Forschungsportfolio zu erkennen ist. Nur über ein optimiertes Syntheseverfahren wird es in Zukunft möglich sein, Biomaterialien auf wirtschaftliche Weise herstellen zu können. Der Energieaufwand muss so gering und der Prozess muss so vereinfacht werden, dass die Biozellstoffe den Erdölanteil in Kunststoff rentabel und wirksam ersetzen kann. Integrierte Bioraffinerien Auf der einen Seite ist die Nutzung der Biomasse nicht nur vielversprechend hinsichtlich der Erzeugung von Bioenergie, sondern auch zunehmend wichtiger für die stoffliche Verwertung. Beides kann in einer integrierten Bioraffinerie durch gekoppelte Nutzung, im engeren Sinne der Kaskadennutzung, möglich gemacht werden. So tragen pflanzliche Rohstoffe und biologische Abfälle eine Multifunktionalität hin‐
sichtlich der Energieerzeugung in Form von Biogas und Biokraftstoffe und der Rohstoffgenerierung für Bau‐, Textil‐, Papier‐ oder Medizinbranche inne und stiften einer Bioraffinerie einen erheblich wirt‐
schaftlichen Nutzen. Zusätzlich entstehen auch Futtermittel für die Landwirtschaft. Lignocellulose‐Bioraffinerie Bei der Herstellung von Industrieholz, Hackschnitzeln oder auch Papier werden Teile des Holzes als nicht verwertbar und daher auch als Abfallprodukt angesehen (Nadeln, Rinde, Sägespäne, etc.). Laut unseren Forschungsfronten enthalten diese jedoch Lignin, dessen Strukturen derzeit besondere Auf‐
merksamkeit geschenkt wird hinsichtlich möglicher stofflicher und energetischer Nutzung. Durch ein gegenwärtig untersuchtes chemisches Verfahren könnten die Strukturen von Lignin aufgespalten wer‐
den und das resultierende ölige Substrat weist Potenziale zur Materialherstellung auf. Großer Vorteil hier: Holz steht nicht in Konkurrenz zu Lebensmitteln. Algenlipid‐Bioraffinerie Mikroalgen tauchen nicht nur in der Wissensbasis als möglicher nachwachsender Rohstoff für die ener‐
getische und stoffliche Nutzung auf, sondern befinden sich auch mit sehr großem Interesse verfolgt derzeit in den Forschungsfronten. Der Anteil der hierzu veröffentlichten Erkenntnisse nimmt sogar jährlich zu, was sehr gut im Forschungsportfolio zu erkennen ist. Algen binden sehr viel CO₂ und stehen nicht in Konkurrenz mit Lebensmitteln. Des Weiteren werden aktuell der effiziente Anbau und wirt‐
schaftliche Konzepte diesbezüglich in vielen Publikationen ausführlich diskutiert. Aus den emergenten Technologien wiederum können “robuste” Technologien für die vorliegenden drei Szenarien ermittelt werden. Robuste Technologien sind die emergenten Technologien, die über alle drei Szenarien Bestand haben. Diese werden in dem folgenden Unterkapitel identifiziert. 70 6.2
Marktszenarien und Identifikation robuster Technologien Anhand der Verknüpfung von emergenten Technologien und der entworfenen Szenarien in Kapitel 5.5 können robuste Technologien abgeleitet werden, die über alle drei Szenarien hinweg bestand halten werden. Diese werden in den folgenden Marktszenarien analysiert und führen zu wichtigen strategi‐
schen Implikationen für das Management. Marktszenarien beschreiben Zukunftsmärkte in den jewei‐
ligen Szenarien. In Tabelle 16 werden die Marktszenarien zusammengefasst dargestellt und hinsichtlich der Markt‐
struktur beschrieben. Aus dieser Darstellung ergeben sich die robusten Technologien „Integrierte Bio‐
raffinerien“ und die „Extrahierung von Hemicellulose“ als die einzigen beiden Technologien, die sich in allen drei Szenarien halten werden und daher als robust bezeichnet werden. Tabelle 16: Marktszenarien im Überblick113 Pareto Optimum Nachhaltiger Direttissima Granulat der Krise Kunde: Alle Branchen und Verbraucher Kunde: Materialhersteller in der Automobil‐
branche, Baubranche, Energiebranche Lebensmittelindustrie, Gesundheits‐
branche; Haushalte mit 3D‐Drucker Region: Weltweit Vertriebskanal: Online Leistung: Region: Weltweit, hauptsächlich in Industrielän‐
dern/Schwellenländern Vertriebskanal: Kunde: Konsumenten der Papierindustrie, Endverbraucher, Materialhersteller, Stadtwerke Ulm Region: Europa Klonbares, biologisch abbaubares Bi‐
okunststoffgranulat Produkte/Marktleistung Vehlinta: Hochwertige und effiziente Biokunststoffgranulate aus geklon‐
ten Granulaten Papier/Tissue/Kartonage/ Pappe Erzeugung von Bioenergie 3D‐Druck‐Biokunststoffgranulate und Ergänzungsprodukte Mikroalgen‐Komplettlösungen Technologien 
Klonen 
Optimiertes Synthesever‐
fahren von Lignin/Mikroal‐
gen 
Integrierte Bioraffinerien 
Extrahierung von Hemicel‐
lulose 
3D‐Druck Online Leistung: Biologisch abbaubares Biokunststoff‐
granulat, Kompaktlösungen für Mikroal‐
gen Produkte/Marktleistung Hochwertige Biokunststoffgranulate aus Lignin/Mikroalgen Papier/Tissue/Kartonage/ Pappe Erzeugung von Bioenergie 3D‐Druck‐Biokunststoffgranulate und Ergänzungsprodukte (3D‐Drucker „Shape!4Algaes“) Mikroalgen‐Komplettlösungen Technologien 
Optimiertes Syntheseverfah‐
ren aus Lignin und Mikroalgen 
Integrierte Bioraffinerien 
Extrahierung von Hemicellu‐
lose 
3D‐Druck Vertriebskanal: Eigener Innen‐/Außendienst, Zwi‐
schenhändler, Vertriebskooperationen Leistung: Konventionelle Zellstoffprodukte und Energiebereitstellung aus Biomasse für die Stadt Ulm Produkte/Marktleistung Biokunststoffgranulate aus konventio‐
neller Biomasse Papier/Tissue/Kartonage/ Pappe Erzeugung von Bioenergie Technologien 
Integrierte Bioraffinerien 
Extrahierung von Hemicellu‐
lose 113
Eigene Darstellung, robuste Technologien in rot hervorgehoben. 71 Marktszenario “Pareto Optimum” Zu bisher unbekannten emergenten Technologien kommt es in dem Szenario Pareto Optimum und ist damit das für die Biomaterialien‐Technologien die zukunftsfähigste Aussicht für Biomaterialien im All‐
gemeinen und Bioraffinerien. Zu diesen Technologien gehören die wirtschaftlichen attraktiven Synthe‐
severfahren mit Lignin/Mikroalgen, integrierte Bioraffinerien und Extrahierung von Hemicellulose. Die PaperForYou nimmt dabei eine lukrative Marktstellung ein, da sie sich von einem mittelständischen Papierhersteller zu einem der einflussreichsten Konzerne der Welt entwickeln konnte. Dies hat sich einzig durch das entwickelte biologisch abbaubare Material Vehlinta ergeben, welches mithilfe der Technologie “Klonen” zustande kam und die PaperForYou zu einem Monopol auf dem Markt der Bio‐
materialien entwickelt hat. Die Abhängigkeit von den Rohstoffe‐Lieferanten von Holz oder auch Mikro‐
algen, die als Input für die Herstellung von Biomaterialien und Bioenergie benötigt werden, hat sich dadurch fast aufgelöst und ermöglicht es PaperForYou unabhängig und wirtschaftlich höchst effizient zu operieren. Die PaperForYou kann daher die vielen Nachteile, die im Zusammenhang mit den Syn‐
theseverfahren und folglich Ihrem Produkt genannt werden, widerlegen, da auch die giftigen Abfall‐
stoffe auf null gesenkt werden konnten. Dies schafft die nachhaltige Attraktivität für die Gewinnung von Neukunden und auch ökonomische Vorteile bieten sich diesem Markt: die Preise für Biomateria‐
lien sind für die serienmäßige Verwendung in den verschiedenen Branchen wie der Automobilbranche (Innenausstattung bzw. Leichtbau der Karosserie), der Gesundheitsbranche (Implantate bzw. Medika‐
mentenüberzug), der Energiebranche (Integrierte Bioraffinerien für die Generierung von Ökostrom), der Baubranche (Vehlinta in Gebäudefassaden) und der Lebensmittelindustrie (Verpackungen aus Bi‐
omaterialien) so günstig, dass sie auf vielfältige Weise zum Einsatz kommen und sich als Standard‐
Material überall etablieren. Die Biokunststoffgranulate der PaperForYou finden sich überall wieder und es gibt kaum noch ein Produkt, das nicht aus den in Ulm hergestellten Biokunststoffgranulaten besteht. Auch der Endverbraucher vertraut dem Einsatz der Biomaterialien voll und ganz und vergewissert sich vor jedem Kauf auf den Anteil der PaperForYou’ Biokunststoffgranulaten über diverse Social Media Plattformen. Die Industrie dreht sich allein um die integrierten Bioraffinerien. Dies ermöglicht Paper‐
ForYou eine Sonderstellung auch in der Politik. Förderungen und Subventionen unterstützen weitere Entwicklungen speziell im Anbau der Rohstoffe wie Lignin und Mikroalgen, während die Umweltbelas‐
tungen drastisch gesenkt werden, sodass der Klimawandel vollends aufgehalten wird und der Nah‐
rungsmittelanbau nicht mehr mit dem Anbau von Rohstoffen zur Energie‐ bzw. Materialerzeugung kol‐
lidiert. So bestehen die Merkmale der Biomaterialtechnologien allein aus Vorteilen, was die sichere Entwicklung der Technologie der integrierten Bioraffinerien, der effizienten Syntheseverfahren Lig‐
nin/Mikroalgen und der Extrahierung von Hemicellulose garantiert. Marktszenario “Nachhaltiger Direttissima” Die Bedingungen für die rasante Entwicklung der emergenten Technologien sind in dem Szenario Nach‐
haltiger Direttissima vorteilhaft. Die Regierung konzentriert sich fast ausschließlich auf die Energiebe‐
reitstellung und Materialherstellung aus der Gewinnung von Biomasse und fördert die Bioraffinerien wie die PaperForYou und die Forschung in entsprechendem Maße. Die Umwelt und das Klima ermög‐
lichen den Anbau von Rohstoffen neben dem Anbau von Lebensmitteln und der Nutzung von Wohn‐
fläche, was ein guter Kompromiss für die umweltbewusste Gesellschaft darstellt. Lieferanten aus dem agrar‐ und forstwirtschaftlichen Bereich entwickeln zusammen mit der PaperForYou effizientere Roh‐
stoffanbaumaßnahmen und profitieren gegenseitig vom aufgebauten Know‐how. Das Kerngeschäft der PaperForYou hat sich stark gewandelt: Die Papierherstellung und innovativen Papierlösungen sind 72 immer noch gefragt, jedoch steigt die Nachfrage nach Biokunststoffgranulaten kontinuierlich und die PaperForYou hat sich zu einer der führenden, mittlerweile integrierten Bioraffinerien in dem Bereich der Biokunststoffgranulatherstellung entwickelt. PaperForYou investiert nun sehr viel in die Entwick‐
lung eines effizienten und infolgedessen ökonomisch attraktiven Syntheseverfahren zur Anwendung in den Bioraffinerien. PaperForYou sieht die Chance die Abfälle auf das Minimum zu reduzieren, als zunehmend real an. Besonders viel Potenzial hat in diesem Szenario neben dem Syntheseverfahren von Lignin, dessen Strukturen bereits ausgeforscht sind, auch das Syntheseverfahren von Mikroalgen, da sich auch dort Anbau und Wirtschaftlichkeit äußerst positiv entwickeln. Wie schon einst bei der Installierung von Solaranlagen, sind private Haushalte durch Algenplantagen auf ihren Dächern und den Gärten Lieferanten von Mikroalgen an die PaperForYou. Die Akzeptanz in der Gesellschaft ist durch die Einbindung zusätzlich gesteigert, was zu einem großen Kundenstamm der PaperForYou geführt hat. Der Umstand, dass hier besonders die Digitalisierung einen zusätzlichen wirtschaftlichen und auch privaten Nutzen der Biokunststoffgranulaten durch die Kombination mit der 3D‐Druck‐Technologie lie‐
fert, hilft der wachsenden Technolgieentwicklung darüber hinaus. Insbesondere die PaperForYou hat ihr Produktportfolio erweitert und ist selbst Produzent von 3D‐Druckern, wie z. B. dem sehr erfolgrei‐
chen Produkt “Shape!4Algaes”. Selbst hier wird weiter expandiert und die PaperForYou revolutioniert den Markt der Biokunststoffgranulate. Dies geschieht u.a. durch das Anbieten von dezentralen, kun‐
denorientierten Kompaktlösungen, die von der Teichanlegung vor Ort bis zur Beseitigung von nicht mehr genutzten gedruckten Algenprodukten reichen. Nebenbei ist die PaperForYou nicht nur Bio‐
kunststoffgranulathersteller und Papierhersteller, sondern auch Energiebereitsteller für die gesamte Region Schwäbische Alb und dem Donau‐Iller‐Gebiet. Dies ermöglicht der PaperForYou ihr Doppelle‐
ben: Neben Biokunststoffgranulate durch die angewandten Syntheseverfahren und der Extrahierung von Hemicellulose, ist sie befähigt aus den Rohstoffen Energie zu erzeugen. Ein Markt für Biomateria‐
lien wird daher in diesem Szenario höchst wahrscheinlich existieren können. Marktszenario: “Granulat der Krise” In dem Szenario Granulat der Krise ist es sehr unwahrscheinlich, dass sich ein Syntheseverfahren, wel‐
ches auf Lignin oder auch Mikroalgen basiert, in einer Bioraffinerie wie der PaperForYou in den nächs‐
ten 20‐30 Jahren durchsetzt. Infolge der starken Umweltverschmutzung wird der Rohstoffertrag zu gering sein, um davon noch ausreichend Energie und Granulate herzustellen. Vor allem werden durch die instabile politische Lage und auch die rückläufigen Entwicklungen im Forschungsbereich, kaum In‐
novationen entstehen können. Öl wird nicht komplett substituiert und durch spezielle Verfahren im‐
mer noch wirtschaftlich gefördert und wiederverwertet. Die PaperForYou nimmt eine schwierige Marktstellung ein, da sie lediglich einen Nischenmarkt bedient und auch nur von wenigen Lieferanten mit biologischen Roh ‐ und Abfallstoffen beliefert wird. Auch hinsichtlich Innovationen und weiterer Forschung in der Biokunststoffgranulatherstellung durch ein effizienteres Syntheseverfahren konnte die PaperForYou kaum etwas investieren, da finanzielle Mittel und Förderungen durch den Staat nicht vorhanden sind. Um trotzdem am Markt bestehen zu können, verwendet die PaperForYou die bereits etablierte Technologie hinsichtlich der Extrahierung von Hemicellulose und des ineffizienten Synthe‐
severfahren immer noch weiter und vertreibt das produzierte Kunststoffgranulat an wenige Abnehmer im Bereich der Medizintechnik, die Implantate auf Biomaterialbasis herstellt. Wie viele andere Firmen in diesem Szenario auch, konzentriert sich die PaperForYou wieder vermehrt ihrem ursprünglichen Kerngeschäft, der Papierherstellung durch die Extrahierung von Hemicellulose im Bereich Tissue/Kar‐
tonage/Pappe. Durch die geringe Rohstoff‐Verfügbarkeit Holz wird dieser Geschäftsbereich jedoch 73 mehr und mehr zum Verlustgeschäft und die PaperForYou kämpft mit erhöhten Rohstoffpreisen für Holz und der Bereitstellung von sauberen Wasser, da die Donau zu stark kontaminiert ist, um noch für die Herstellung von Papier wirtschaftlich und mit hoher Qualität weiter zu führen. Um sich dennoch zusätzlich abzusichern, hat die PaperForYou eine kleine Geschäftsfeldänderung vornehmen können: Sie ist nun auch Erzeuger von Energie aus Biomasse, jedoch beschränkt die Einspeisung der Energie auf den eigenen Bedarf und auf die Stadt Ulm. Das Konzept der integrierten Bioraffinerie wird somit noch teilweise verfolgt und stellt für die PaperForYou die einzige Technologie‐Verwirklichung in der Bioma‐
terialien‐Entwicklung dar. Generell bleibt eine zusätzliche Produktion von Biokunststoffgranulaten in den 99% der Fälle aus, was die Zukunft für integrierte Bioraffinerien unmöglich macht. Dieses Szenario wird keinen Raum für die schnelle Entwicklung der emergenten Technologien (Optimiertes Synthese‐
verfahren Lignin, optimiertes Syntheseverfahren Mikroalgen, integrierte Bioraffinerien, integrierter 3D Druck) bieten. Einzig die Nutzung der Extrahierung von Hemicellulose zur Papierherstellung unter der Nutzung von Altpapier und die Erzeugung von Biokraftstoff aus den Abfällen für den Eigenbedarf wä‐
ren politisch und gesellschaftlich noch gering marktfähig. 6.3 ChancenundRisiken
Im letzten Schritt der Szenariotechnik nach ITOP werden die Technologien hinsichtlich ihrer Chancen und Risiken im Bereich der Biobased Economy und Industrie 4.0 analysiert und ihre Wirkungen auf die integrierten Bioraffinerien wie der PaperForYou untersucht.114 Rückbeziehend auf die veröffentlichten Artikel in den Wissensbasen und Forschungsfronten (speziell dem Artikel von A. van Heiningen “Converting a kraft pulp mill into an integrated forest biorefinery”) birgt die Zukunft große Veränderungen für die Zellstofffabriken wie die der PaperForYou. Die Nach‐
frage nach Papier wird zwar weiter ansteigen, da die weltweiten Bedarfe an Papier, Hygieneprodukte aus Zellstoff (Papiertaschentücher, Toilettenpapier, Küchenpapier, etc.), und Verpackungskartons auf‐
grund des zunehmenden Internethandels in der Summe stetig wächst, jedoch nimmt auch gerade die Nachfrage nach Zeitungspapier durch die zunehmende Digitalisierung in westlichen Ländern ab.115 Nicht nur die Papierart spielt eine Rolle, sondern auch die Entwicklung in den einzelnen Regionen. Während in Westeuropa, Japan und Nordamerika die Nachfrage nach Papierprodukten sinkt, steigt die Nachfrage in Märkten wie in China und Indien.116 Um speziell in den westlichen Märkten wettbewerbs‐
fähig zu bleiben, müssen sich Zellstofffabriken Gedanken machen, wie sie sich zusätzliche vielverspre‐
chende Geschäftsfelder für die Zukunft sichern. Aufgrund der Tatsache, dass bei der Produktion von Papier das Lignin als Abfallstoff anfällt, kann die weitere Nutzung dieses Stoffes von großer Attraktivität für die Zellstofffabriken sein und als wichtige Chance angesehen werden. Derzeit sind die Strukturen von Lignin zwar noch nicht völlig erforscht, aber Wissenschaftler weltweit beschäftigen sich zunehmend mehr mit der Aufspaltung und Vorbehandlung von Lignin. Die Möglichkeit eine Zellstofffabrik wie die PaperForYou in eine integrierte Bioraffinerie transformieren zu können, kann somit schon in wenigen Jahren Realität werden. 114
Vgl. Stelzer et al. (2015) Vgl. Korpivaara (2015) 116
Vgl. Korpivaara (2015) 115
74 Wichtig hierbei ist auch, dass es mit Biokunststoffgranulaten erreicht werden kann, die Wirtschaft un‐
abhängiger von fossilen Rohstoffen zu gestalten. Gerade Unternehmen spüren die Knappheit der fos‐
silen Ressourcen an den Preissteigerungen und auch der Handel mit Ländern, die politisch instabil sind, erschweren die Beschaffung zusätzlich. Weitere Forschung im Hinblick auf die effizienteren Synthese‐
verfahren könnten die preisgünstige Herstellung von Biokunststoffgranulaten ermöglichen und für Bi‐
oraffinerien ein riesiges Wachstumspotenzial darstellen, da Unternehmen, auch auf Druck der Politik, nachhaltiger Wirtschaften wollen und Alternativen für konventionelle Kunststoffe brauchen. Eine weitere wichtige Chance für die Bioraffinerien besteht darin, dass die Rohstoffe zur Biomaterial‐ und Biokraftstofferzeugung hier in Deutschland angebaut werden können und auch keine Konkurrenz zu Nahrungsmittel darstellen. Algen und das Abfallprodukt Lignin sind beides Rohstoffe, die alleine für diesen Zweck genutzt werden könnten. Jedoch gibt es auch einige Risiken, die mit der Produktion von Biokunststoffgranulaten für die Paper‐
ForYou verbunden sind. Bisher wird noch an den optimierten Syntheseverfahren geforscht und es ist derzeit nicht absehbar, bis wann eine reguläre Nutzung in Bioraffinerien, die zugleich effektiv und wirt‐
schaftlich attraktiv für die Betreiber wäre, möglich ist. Gerade die schädlichen Abfallstoffe im Synthe‐
severfahren gilt es zu reduzieren, so dass die Herstellung von Biokunststoffgranulaten auf nachhaltige Weise geschehen kann. Des Weiteren stellt sich auch hier die Frage, inwiefern die Gesellschaft den Anbau zusätzlicher Rohstoffe allein für die Energiegewinnung duldet. Dies würde bedeuten, dass die Fläche der Nutzwälder wieder erheblich steigen müsste und weitere Fläche für den Anbau von Algen müsste zur Verfügung stehen. Obwohl Algen und Lignin nicht in Konkurrenz zu den Lebensmitteln ste‐
hen, kann jedoch die Nutzung der Fläche in Konflikt mit anderen Interessensverfolgungen wie Naher‐
holungsgebiete, Wohngebiete, Ausbau der Infrastruktur etc. stehen. Ein weiteres Risiko wäre somit auch durch die Verfügbarkeit der benötigten Rohstoffe gegeben. Der‐
zeit kann durch den alleinigen Abbau in Deutschland weder die benötigte Energie noch die benötigte Menge an Biokunststoffgranulaten zur Deckung des Bedarfes gedeckt werden. Viele Fragen sind hier noch unbeantwortet und führen dazu, dass die PaperForYou in Zukunft sich auch mit Schwierigkeiten bei der Rohstoffbeschaffung konfrontiert sehen könnte. Hohe Investitionen sind für die PaperForYou nötig, um die Technologie und die Verfahren in ihrer Zell‐
stofffabrik so umzuwandeln, dass sie künftig auch in Form einer integrierten Bioraffinerie existieren kann. Kurzfristig müsste dadurch auf andere Investitionen verzichtet werden, was in ihrem eigentli‐
chen Geschäftsfeld, der Papierherstellung, zu Wettbewerbsnachteilen führen kann. Dies kann sich langfristig nur lohnen, falls die Akzeptanz der Gesellschaft gegenüber Produkten auf Biomaterialbasis auch vorhanden ist. Wie zügig diese sich ausbreitet und ob konventionelle Produkte billiger bleiben, ist schwierig vorherzusagen. Dies führt zu hohen Unsicherheiten bei benötigten Investoren. Nachfolgende Tabelle zeigt die Chancen und Risiken in der Übersicht, ergänzt um ein paar weitere Aspekte, die bisher nicht genannt wurden. 75 Tabelle 17: Chancen und Risiken der Bioraffinerien Chancen und Risiken der Bioraffinerien Chancen Risiken Umwelt  Verringerung des Klimawandelproblems  Verringerung der schädlichen Stoffe im Umlauf Gesellschaft  Sensibilisierung der Bevölkerung  Reduzierung der durch konventionelle Chemikalien entstehenden Gesundheitsschäden Wirtschaft  Nachhaltiges Wirtschaften  Holz und Mikroalgen keine Konkurrenz zu Lebensmittel  Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen  Geringeres Umweltrisiko, dadurch geringere Risikokosten  Möglichkeit des Exportes von Produkten auf Biomaterialbasis  Unterstützung regionaler Agrar‐und Forstwirtschaft  Verwertung von entstehenden Abfällen  Kopplungseffekte mit Energieerzeugung  Kompatibilität mit anderen Technologien (z. B. 3D‐Druck)  Möglichkeit der Vernetzung mit Agrar‐ und Forstindustrie durch Digi‐
talisierung Politik  Internationale Vorreiterrolle  Schaffung von Arbeitsplätzen Umwelt & Forschung  Menge und Verfügbarkeit der Ressourcen  Komplexität der Ressourcenstruktur  Erforschte Syntheseverfahren aufwendig und kostenintensiv  Schädliche Abfälle bei Syntheseverfahren  Wettbewerbsintensität  Einführung von Gen‐Pflanzen  Vereinbarkeit Biodiversität? (Nutzwälder‐Erweiterung)  Recyclingmöglichkeiten von Biomaterialien Gesellschaft  Produktakzeptanz in der Gesellschaft  Rohstoffanbau‐Akzeptanz in der Gesellschaft  Konflikte mit Flächennutzung für Nahrungsmittelanbau Wirtschaft & Politik  Errichtung von Bioraffinerien verbunden mit hohen Investitionskos‐
ten  Internationaler Wettbewerbsnachteil falls andere Länder konventio‐
nell (Gebrauch von Chemikalien) günstiger produzieren  Rohstoffpreis sinkt falls Nachfrage nach Öl und Kohle fällt  Wett‐
bewerbsvorteil für konventionelle Produzenten 7 Fazit
In diesem Forschungsbericht wurde anhand der bibliometrischen Analyse und der damit kombinierten Szenariotechnik eine Technologievorausschau für den Bereich „Materialwissenschaften“ innerhalb der Biobased Economy erstellt. Die bibliometrische Analyse leistet dabei einen wesentlichen Beitrag zur Identifikation emergenter Technologien in dem Bereich der Biomaterialwissenschaften. Durch die ge‐
wonnenen Erkenntnisse aus den Forschungsfronten konnten aktuelle Forschungsgebiete und deren 76 Wichtigkeit identifiziert werden und Entwicklungen für die Zukunft abgeleitet werden. Zukünftige mögliche Zustände wurden unter Berücksichtigung der Entwicklung aktueller Trends und für die Bio‐
materialien relevanten Einflussfaktoren prognostiziert und in mögliche Szenarien beschrieben. Eine Technologievorausschau unterstützt die Entscheidungen des Managements in den Unternehmen be‐
züglich des Designs ihrer Strategie, da nicht nur von einem Zukunftsbild ausgegangen wird, sondern die entworfene Strategie kann auf mehrere „Zukünfte“ hin ausgerichtet werden. Dabei ist es für ein Unternehmen von wesentlicher Bedeutung, auf welche robusten Technologien sie sich fokussieren müssen, um in allen drei Szenarien erfolgreich bestehen zu können. Am Beispiel einer fiktiven Zellstofffabrik wie der PaperForYou, die sich hin zu einer Bioraffinerie ent‐
wickeln möchte, konnten Möglichkeiten und Ansätze für unterschiedliche, den einzelnen Szenarien entsprechenden Strategien entwickelt werden, die für solche Unternehmen in Zukunft von Bedeutung sind. Da sich die Zellstofffabriken einer ungewissen Zukunft aufgrund verschiedenster Entwicklungen im Hinblick auf Rohstoffe, Bevölkerung, Klimawandel, etc. gegenübersehen, kann die integrierte Bio‐
raffinerie eine vielversprechende Perspektive sein, um weiterhin wirtschaftlich profitabel fortzubeste‐
hen und für unterschiedliche Zustände in der Zukunft bestens gerüstet zu sein. Die dargestellten Marktszenarien bieten hierfür eine Hilfestellung, wie Unternehmen sich zukünftig positionieren müss‐
ten und welche Marktleistungen sie anbieten könnten, um von der Transformation zur Bioraffinerie zu profitieren. Sicherlich spielen dabei die Fortschritte in der Forschung und Entwicklung von Biomateri‐
alien eine wesentliche Rolle. Die Verwendung von Mikroalgen und Lignin aus Holzabfällen sind hierbei zwei wesentliche Schlüsseltechnologien, die die Bioraffinerien berücksichtigen und einsetzen müssten, um nachhaltig erfolgreich wirtschaften zu können. . 77 Bei Rückfragen zu diesem Bericht wenden Sie sich bitte an: Frau Anette Lesle Universität Ulm ITOP Institut für Technologie‐ und Prozessmanagement Helmholtzstraße 22 89081 Ulm Tel.: +49 (0) 7 31/50‐3 23 01 anette.lesle@uni‐ulm.de 78 Anhang
Anhang A 2 Integrierte Bioraffinerie in der Supply Chain 1 Synthese‐Verfahren in Bioraffinerien Cluster Zitierte Artikel Rinaldi, R.; Schuth, F. (2009): Acid hydrolysis of cellulose as the entry point into biorefinery schemes. In: ChemSusChem 2 (12), S. 1096–1107. DOI: 10.1002/cssc.200900188. Zhao, H.; Holladay, J. E.; Brown, H.; Zhang, Z. C. (2007): Metal chlorides in ionic liquid solvents convert sugars to 5‐hydroxymethylfurfural. In: Science (New York, N.Y.) 316 (5831), S. 1597–1600. DOI: 10.1126/science.1141199. Rosatella, Andreia A.; Simeonov, Svilen P.; Frade, Raquel F. M.; Afonso, Carlos A. M. (2011): 5‐Hydroxymethyl‐
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