Road-map 2014 till 2025: Svensk ligninbaserad kolfiber i framtidens kompositmaterial 1 Kolfiber är lätta och starka och har många användningsområden. Det som idag huvudsakligen begränsar efterfrågan är den höga kostnaden varför kolfiber idag främst används i produkter där prestanda är viktigare än pris. Genom att introducera kostnadseffektiv ligninbaserad kolfiber skulle marknaden för kolfiber kunna bli betydligt större. Genom denna road-map vill vi visa att detta är fullt möjligt redan om tio år. Målbild Vår målbild är att vi senast 2025 ska ha åstadkommit följande: utvecklat en ny svensk produkt med högt värde från skogsråvara - ligninbaserad kolfiber för användning framförallt i avancerade kompositmaterial, utvecklat Svensk FoU, forskningsinfrastruktur och produktionskompetens i hela värdekedjan från skogsråvara till högförädlad kolfiber i avancerade material, skapat en efterfrågan på och användning av ligninbaserad kolfiber för olika tillämpningar och starkt bidragit till etablering av industriell kolfiberproduktion i Sverige. Bakgrund Den biobaserade ekonomin är nu etablerad som begrepp och stora satsningar förväntas komma i EU:s ramprogram Horizon 2020 för perioden 2014-2020 och EU-satsningen Biobased Industries Public-Private Partnership (BBI PPP). Den svenska massa- och pappersindustrin står inför betydande utmaningar med trendmässigt minskande efterfrågan på skriv- och tryckpapper. Bilindustrin påverkas av tydliga kommande lagkrav på höga energiprestanda som innebär ett radikalt teknikskifte mot lättviktsbilar samt el- och elhybriddrivna bilar vilket endast kan mötas med ny lättviktsteknik. Framtidens vindkraftverk med högre energiprestanda möjliggörs av lätta, styva, starka och kostnadseffektiva material. Nya koncept för icke mekaniskt lastbärande kolfiber har utvecklats: o o o Batteri som använder kolfibrer som aktiv elektrod. Lagring av vätgas med aktiverade kolfibrer från lignin. Termisk isolering vid höga temperaturer.
Användningsområden och marknad för dagens kommersiella kolfiber Världsproduktionen av kolfiber är idag ca 50 000 ton. Kolfiber används i applikationer där höga mekaniska prestanda och låg vikt är viktigare än lågt pris, se bild 1. Kolfiber används därför idag främst i applikationer med krav på höga mekaniska prestanda som sportutrustning, flygplan, satelliter, formel 1-bilar, tryckkärl, specialverktyg, vissa detaljer i vindkraftverk och för armering av betong i områden med risk för jordbävningar. Med ett lägre pris skulle marknaden för kolfiber vara betydligt större än idag. Tillväxten är hög även med dagens relativt höga kolfiberpris och användningen beräknas mer än fördubblas till år 2020. Störst volymtillväxt förväntas inom vindkraftsindustrin medan en mycket stor potential finns i bilindustrin där ett lägre pris är avgörande för volymtillväxten. 2 Bild 1. Användning av kolfiber (ton) 2011 och prognos 2022. Antalet tillverkare är få och domineras av nio företag, bild 2. Dessa är baserade huvudsakligen i USA, Japan och Tyskland. SGL ägs till 50 % av BMW. Toray och Zoltec har nyligen gått ihop och är nu världens dominerande tillverkare av kolfiber. En ny aktör med stora ambitioner är AKSA i Turkiet som ägs till 50 % av Dow. Andra nya aktör med höga ambitioner är SABIC i Saudiarabien och HCC i Ryssland. Bild 2. Större tillverkare av kolfiber och deras uppskattade andel av världskapaciteten 2011.
3 Möjliga framtida användningsområden för ligninbaserad kolfiber Pågående forskning visar att ligninbaserad kolfiber kan optimeras för såväl strukturella (lastbärande) användningsområden som för icke lastbärande applikationer. Tidsmässigt ligger de icke-strukturella användningsområdena sannolikt närmast för marknadsintroduktion. Möjliga användningsområden för ligninbaserad kolfiber är: Strukturella tillämpningar Högpresterande kolfiber för t.ex. flyg och rymd (mycket lång sikt). o Kolfiberkompositer används i stor omfattning i flyg och rymdtillämpningar. Tillämpningen kräver höga prestanda. Ligninbaserade kolfibrer kan komma i fråga först då hög specifik styvhet och hållfasthet kan uppnås. Medium-presterande kolfiber för t.ex. bilindustrin (medellång sikt, kan vara blandning av PAN- och ligninbaserad kolfiber) och för ersättning av glasfiber (kort sikt). o Användningen av kolfiberkompositer i fordon väntas öka kraftigt de kommande åren. Ligninbaserade kolfibrer med hög styvhet kan komma att påskynda en bred användning av kompositer i bilar genom gynnsamt pris i kombination med rationell produktionsteknik. o Det finns krav från fordonsindustrins återvinningsdirektiv, ELV, att hålla en låg askhalt på restprodukter vilket möjliggörs genom ersättning av glasfiber med kolfiber i kompositer. Icke-strukturella tillämpningar Termisk isolering. o Kolfiber isolerar värme mycket bra. Sådana fibrer kan därför i närtid tillämpas som isoleringsmaterial inom byggsektorn och andra sektorer. Elektroder för batterier. o Genom att göra kolfibrer elektriskt konduktiva förväntas dessa kunna användas som elektrodmaterial i batterier. Speciellt kan de användas i det nya kolfiberbatterikoncept där fibern beläggs med en tunn polymerelektrolyt, som har utvecklats och patentsökts av Swerea SICOMP. Vätgaslagring. o Ligninbaserade kolfibrer kan processas så att de får mycket stor porvolym. Detta kan utnyttjas för gaslagring. Mycket hög kapacitet för lagring av vätgas har uppnåtts i försök på Innventia. Multifunktionella tillämpningar Separator i superkondensatorer. o Elektroderna i en superkondensator separeras av ett permeabelt separator-material. En sådan separator måste vara elektriskt isolerande. Genom att använda kolfiber kan troligen en sådan isolator realiseras.
Lastbärande elektroder i superkondensatorer och batterier. o Strukturella batterikompositmaterial kan realiseras genom att använda polymerelektolytbelagd kolfiber. Det är också möjligt att använda sådana fibrer i elektroder för strukturella superkondensatormaterial. I bild 3 visas hur ett litet ligninuttag från ett modernt sulfatmassabruk kan användas som styrkebärande kolfiber i framtidens lättviktsbil. Det är lätt att inse att potentialen är enorm. En annan slutsats är att ligninbaserad kolfiber i exemplet spar 50 gånger så mycket drivmedel (räknat som energimängd) jämfört med att ersätta olja i förbränning. Det alltså klart resurseffektivare att göra lättviktsmaterial av lignin jämfört med att ersätta fossila bränslen i förbränning. Idag används i snitt under 1 kg kolfiber per bil. Om mängden ökade till 10 kg respektive 100 kg per bil motsvarar detta 80 000 respektive 800 000 ton kolfiber per år på global basis. Med tanke på att den globala produktionskapaciteten år 2011 var under 100 000 ton visar detta att en bristsituation lätt kan uppstå om behovet ökar på ett enskilt marknadsområde. 4 Bild 3. En vision av framtiden lätta bilar med kolfiberkomposit från lignin. Teknologier Strukturella kolfibrer tillverkas idag huvudsakligen från den petrobaserade produkten polyakrylnitril (PAN). En mindre mängd tillverkas även från petroleumbeck (petroleum pitch) som är en biprodukt från vissa oljeraffinaderier främst i USA. Tillgången på petroleumbeck kan förväntas minska pga den stora expansionen av skiffergas i USA. Utvecklingsarbete sker idag på förnyelsebara råvaror som grön polyeten och lignin. Principen för kommersiell tillverkning av kolfiber visas i bild 4. Det första steget är spinning (extrudering) av PAN- respektive pitch-fibrer. Därefter sker termiska behandlingar i flera processteg; stabilisering följt av ett karboniseringssteg. I vissa fall, för högpresterande kolfibrer, utförs även grafitisering i ett tredje steg. I ett avslutande steg behandlas fiberytorna kemiskt för att bli kompatibla med polymerer. PAN-baserade kolfibrer tillverkas i en lösningsmedelsbaserad process medan pitchbaserade dito tillverkas genom smältspinning.
5 Bild 4. Förenklat processchema för tillverkning av kolfiber utgående från fibrer av PAN (idag) eller lignin (i framtiden). För ligninbaserad kolfiber gäller i princip samma processteg förutom att det är en ligninfiber istället för en PAN-fiber som matas in i efterföljande processteg. Ligninfiber medför flera förenklingar i processen jämfört med PAN-fiber och innebär stor potential för en kostnadseffektivare process och hög konkurrenskraft. Vägen för att uppnå målbilden Målbilden uppnås genom ett nära samarbete mellan Innventia och Swerea SICOMP längs hela värdekedjan från lignin som produceras i massabruk till ligninbaserade kolfiberkompositer och komponenter i nära samarbete med industriella aktörer längs värdekedjan. Det är viktigt att inse att även om värdekedjan är lång så knyts två befintliga värdekedjor ihop genom tillverkning av ligninfibrer. Drivkraften för skogsindustrin är en ny produkt och för företagen längre fram i värdekedjan behovet av kostnadseffektiv förnyelsebar kolfiber. Intressenter i de olika delarna av värdekedjan illustreras i bild 5. Bild 5. Aktörer i värdekedja svensk ligninbaserad kolfiber som sambetar i det Vinnova-stödda projektet Testbädd för Svensk ligninbaserad kolfiber 2013-2015.
Huvudsakliga roller för värdekedjans aktörer Innventia: Utvecklar ligninkvaliteten, förbehandlingar av lignin, matning av extruder, smältegenskaper, extrudering, upprullning/avrullning, stabilisering och karbonisering. Innventia kan även producera skräddarsytt lignin i sin demonstrationsanläggning, LignoBoost Demo, som råvara för användning i demoanläggningen för kolfiber. Swerea/Sicomp: Processegenskaper för tillverkning av armering och kompositkomponenter, fysikaliska egenskaper för olika användningsområden, utgår från färdigkarboniserad ligninbaserad kolfiber i olika skala för tillverkning av kompositer, komponenter och applikationstestning. Ett viktigt och än så länge obearbetat område att utveckla är ytbehandling av färdig kolfiber för att skapa rätt interaktion med hartser och andra polymerer i den färdiga kompositen. Detta sker i samverkan mellan Innventia och Swerea SICOMP. De industriella intressenternas engagemang är helt avgörande för att få en demovärdekedja på plats och har längs värdekedjan olika roller. Dessa är att producera råvaran lignin, definiera vilka produktegenskaper som krävs i olika applikationer, testning av komponenter, utveckla produktionsteknik, utveckla affärmodeller, samt slutligen kommersialisera. Nuläge Innventia och Swerea SICOMP har idag hög kompetens och välinvesterade laboratorier för den del i värdekedjan som respektive institut fokuserar på. Innventia och Swerea SICOMPs kompetenser kompletterar varandra och ger en världsunik akademisk och teknologisk bredd. Innventia har tillsammans med Chalmers utvecklat en process för att utvinna lignin ur sulfatmassabrukens svartlut. Processen heter LignoBoost och ägs sedan 2008 av Valmet som redan har sålt två anläggningar. Lignin från dessa två anläggningar skulle teoretiskt kunna omvandla till biobaserade kolfiber motsvarande drygt halva världsproduktionen av kolfiber. Många företag är intresserade av LignoBoost-processen. Flera skogsindustriföretag samt Energimyndigheten och VINNOVA finansierar idag FoU på lignin och ligninbaserad kolfiber på Innventia. Innventia har två patentansökningar på ligninbaserad kolfiber. Innventia kan idag tillverka kontinuerliga mono-filament ligninfibrer och, av detta, dm-långa kolfibrer. Under hösten 2014 kommer Innventia även att kunna tillverka multi-filament ligninfiber i liten skala. Lyckade försök hösten 2013 hos utrustningsleverantören visas i bild 6. 6 Mårten Åkerström, Innventia Bild 6. Spolar med multi-filament ligninfibrer från LignoBoost-lignin. Resultat från en lyckad körning i utrustning som kommer att installeras på Innventia sommaren 2014.
Utrustning för att tillverka kontinuerliga ligninbaserade kolfibrer finns ännu inte men Innventia planerar att under 2015 investera i en pilotanläggning för produktion av kontinuerliga ligninbaserade kolfiber med en kapacitet på 10-20 kg per år. Detta är ett mycket utmanande och viktigt steg inför uppskalning till större skala (demo/fullskala). Den stora skillnaden jämfört med dagsläget är att det då blir möjligt att efterlikna industriell framställning av kolfiber. Swerea SICOMP har idag kompetens och utrustning att analysera fysikaliska fiberegenskaper kopplade till olika användningsområden. Standardiserade provmetoder används när materialtillgången är tillräcklig men metoder för karakterisering av enstaka fibrer och fibrer i mindre mängder har även utarbetats. Swerea SICOMP har även kapacitet att analysera och verifiera fibrers processegenskaper för olika tillverkningsmetoder och med olika matrissystem, samt designa, dimensionera och utveckla tillverkningsteknik för kompositer. Dessa kompetenser är nödvändiga i utvecklingen av helt nya fibrer som ligninbaserade kolfiber. Swerea SICOMP planerar för en test- och demoanläggning, Hållbar produktion av kompositer, som utrustas för utveckling och verifiering av biobaserade kompositmaterial. Den utgör nästa steg i tillverkningsprocessen efter ligninfibertillverkning. Innventia och Swerea SICOMP har ett nära strategisk samarbete och planerar tillsammans med representanter från industrin för en gemensam demoanläggning för ligninbaserade kolfiberkompositer med en årskapacitet på ca 50 ton per år. Vad saknas Genom att Innventia och Swerea SICOMP tillsammans utvecklar kompetens och experimentella resurser på ett effektivt sätt bildas en unik, och stark FoU-miljö från skog till ligninbaserade kolfiberprodukter. Idag saknas kompetens och experimentella resurser för kontinuerlig tillverkning av ligninbaserad kolfiber, speciellt stabilisering och karbonisering, där en kontinuerlig process med fibersträckning är en förutsättning för att uppnå goda mekaniska egenskaper. Dessutom saknas kunskap om hur miljöexponering påverkar mekaniska prestanda och långtidsegenskaper. Kunskap saknas även hur en ligninbaserad kolfiber ska ytbehandlas för att både få god kompatibilitet med polymeren i kompositmaterialet och hur fibern fungerar i tillverkningsprocessen. Detta är ett specifikt område av stor betydelse för effektiv användning i olika kompositsystem där Swerea SICOMP i samarbete med Innventia kommer att utveckla verktyg och lösningar. Detta innebär stora fleråriga arbetsinsatser i olika skala (mono- multi- och pilotskala) innan det är dags gå upp till demo/fullskala. Utrustning saknas för utveckling av tekniken i kontinuerlig pilotskala. Vi behöver alltså investera i ny större utrustning för att utveckla ligninbaserad kolfiber från sulfatlignin. Innventia arbetar nu med att säkra en sådan strategisk investering med placering nära Innventias kompetens inom områdena lignin och ligninbaserad kolfiber. På högre systemnivå bör livscykelanalys utföras på hela värdekedjan inklusive användning och återvinning. Själva kolfiberproduktionen är ett område som framförallt Innventia kommer att kunskapsutveckla, medan miljö- och systemaspekter som täcker hela värdekedjan studeras genom det nära samarbetet mellan Innventia och Swerea SICOMP. Vi bedömer att inom två till fyra år ha ett färdigt beslutsunderlag för en demonstrationsanläggning för ligninbaserad kolfiber inklusive ytbehandling med en årlig kapacitet på ca 50 ton per år. Syftet med demonstrationsanläggningen är flerfaldigt; träna operatörer, testa kritiska processteg, definiera 7
optimala procesbetingelser, testa komponenter i olika applikationer allt i syfte att minska riskerna i industriell produktion. Road-map för perioden 2014-2025 Vår road-map sammanfattas i bild 7 nedan och består av följande steg: arbete i laboratorieskala och pilotskala fram till 2017/2018 med syfte att ta fram underlag för en demonstrationsanläggning, innan industriell drift kan påbörjas, behövs en svensk nationell demonstrationsanläggning för ligninbaserad kolfiber inklusive komposittillverkning, med en kapacitet på ca 50 ton kolfiber per år, komponenttestning 2018-2022 och industriell produktion i Sverige senast 2025. Tidplanen för strukturella och icke strukturella kolfiber kan påskyndas av en stor satsning på både FoU och utrustning. Marknadsintroduktion av icke-strukturella lastbärande användningar kan förväntas ske snabbare. Implementeringshastigheten kommer att bero på industriparternas engagemang under utvecklingstiden. 8 Bild 7. Road-map för industriell produktion av ligninbaserad kolfiber i Sverige. Utöver dessa konkreta steg måste intresse från industriella aktörer och andra finansiärer längs hela värdekedjan säkras för att: fastställa nödvändiga egenskaper hos kolfiber för olika användningsområden, finansiera en kontinuerlig pilotanläggning för FoU-arbete, finansiera ett nationellt F&U-program, finansiera en Svensk demonstrationsanläggning och slutligen etablera en kolfiberfabrik i Sverige.
9 Använda källor Kontakt The carbon fiber industry worldwide 2011-2020. An evaluation of current markets and future supply and demand. Tony Roberts, Materials Technology Publications, UK, 2012 The global CRP market 2012. Bernard Jahn, CCeV, 2012 CEH Report 542, 2007, SRI Consulting. Rocky Mountain Institute Autocomposites Workshop Kickstarting the widespread adoption automotives carbon fibrer composites, Troy Michigan, US, 7-9 november 2012. Information från HCC, Toho och SGL. Peter Axegård, Innventia, peter.axegard@innventia.com, 08-676 7221 Per Tomani, Innventia, per.tomani@innventia.com, 08-676 7281 Hans Hansson, Swerea SICOMP, hans.hansson@swerea.se, 0911-744 01