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Innovation

Unser Forschungsschwerpunkt: Chemie, die verbindet – für eine nachhaltige Zukunft

Die Chemie - als Querschnittstechnologie - nimmt bei den zukünftigen Herausforderungen eine Schlüsselrolle ein. Denn Innovationen aus der Chemie liefern Lösungen für genau die Fragen, die die Menschen zukünftig beschäftigen werden: Rohstoffe, Umwelt und Klima, Nahrungsmittel und Ernährung und Lebensqualität. Trends aus diesen Bereichen treiben unseren Innovationsprozess bei BASF an. Sie wirken als Impulsgeber und bestimmen, an welchen Themen wir forschen und Lösungen entwickeln.

 

Aktuelle Beispiele aus der Forschung bei BASF

Steamcracker im BASF-Werk Ludwigshafen

Kohlenstoffmanagement: Neue Technologien für saubere Hochtemperatur-Reaktionen

Die größten CO2-Quellen in der chemischen Industrie sind fossile Brennstoffe, denn Chemie braucht Energie. So benötigen die Steamcracker der BASF eine Temperatur von 850°C, um Rohbenzin zur Weiterverarbeitung in Olefine und Aromaten aufzuspalten. Könnte diese Energie mit regenerativem Strom eingebracht werden, anstelle des bisher üblichen Erdgases, wäre eine deutliche Reduzierung der CO2-Emissionen von bis zu 90 Prozent möglich. In den kommenden fünf Jahren soll deshalb das weltweit erste elektrische Beheizungskonzept für Steamcracker entwickelt werden. Gleichzeitig müssen Materialprüfungen zeigen, welche Metallwerkstoffe für die benötigten hohen Stromstärken geeignet sind, um derartige Hochtemperatur-Reaktoren entsprechend auszurüsten.

Mehr zum Engagement der BASF in den Bereichen Energie und Klimaschutz und zum Carbon Management Programm der BASF

Kohlenstoffmanagement: Neuer Prozess für sauberen Wasserstoff

Kohlenstoffmanagement: Neuer Prozess für sauberen Wasserstoff

Die Produktion von Wasserstoff setzt ebenfalls erhebliche Mengen an CO2 frei. Wasserstoff wird von der chemischen Industrie in großen Mengen als Reaktionspartner benötigt – von BASF beispielsweise für die Ammoniaksynthese, ist aber auch für viele nachhaltige Anwendungen der Zukunft als Energieträger und Energiespeicher unverzichtbar. Gemeinsam mit Kooperationspartnern entwickelt BASF deshalb eine neue Prozesstechnologie zur Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas. Dabei wird Erdgas direkt in die Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff gespalten. Das anfallende Kohlenstoffprodukt kann potenziell zur Herstellung von beispielsweise Stahl oder Aluminium eingesetzt werden. Dieser Prozess der Methanpyrolyse erfordert vergleichsweise wenig Energie. Stammt diese zudem aus erneuerbaren Quellen, kann Wasserstoff im industriellen Maßstab CO2-frei produziert werden. 

Mehr zum Engagement der BASF in den Bereichen Energie und Klimaschutz und zum Carbon Management Programm der BASF.

Kohlenstoffmanagement: Neue Katalysatoren für saubere Olefine

Kohlenstoffmanagement: Neue Katalysatoren für saubere Olefine

Als zentrales, großvolumiges Zwischenprodukt sind Olefine ein besonders wichtiger Ansatzpunkt für neue emissionsarme Verfahren. Die erheblichen CO2-Emissionen, die bei der heutigen Herstellung in Steamcrackern entstehen, könnten auch durch das sogenannte trockene Reformieren von Methan deutlich reduziert werden. Hierbei entsteht ein Synthesegas, das über die Zwischenstufe Dimethylether zu Olefinen umgesetzt werden kann. Einen solchen Weg konnten BASF-Forscher nun erstmals mit ganz neuen, leistungsfähigen Katalysatorsystemen bahnen. Vermarket werden diese Katalysatoren einer neuen Generation in Kooperation mit Linde. Je nach Verfügbarkeit von Rohstoffen und regenerativem Strom stellt dieses innovative Verfahren dann eine Ergänzung oder Alternative zu dem möglichen elektrischen Beheizen von Steamcrackern dar. 

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Kohlenstoffmanagement: Neue Chemie für die Nutzung von CO2

Auch für die stoffliche Nutzung von CO2 als chemischen Rohstoff präsentiert BASF einen neuen Ansatz: die Herstellung von Natrium-Acrylat aus Ethen und CO2. Natrium-Acrylat ist ein wichtiger Ausgangsstoff für Superabsorber, die in Windeln und anderen Hygieneprodukten eine breite Anwendung finden. Forschern des von BASF unterstützten „Catalysis Research Laboratory“ (CaRLa) an der Universität Heidelberg gelang es vor wenigen Jahren erstmals, den Katalysezyklus für diese Reaktion zu schließen. Inzwischen haben Experten der BASF den Prozess in Richtung einer industriellen Nutzung entscheidend weiterentwickelt und in einer Miniplant-Anlage im Labormaßstab die erfolgreiche Umsetzung demonstriert. Gegenüber dem bisherigen Produktionsverfahren für Superabsorber, das auf Propen basiert, würde das CO2 im neuen Prozess etwa 30 Prozent der fossilen Rohstoffe ersetzen, wenn dieser sich auch im größeren Maßstab als stabil und energetisch günstig bewährt. 

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Virtuelle und reale Experimente ergänzen sich

Der Einfluss digitaler Technologien auf Forschung und Entwicklung wächst rasant. Das Management großer Datenmengen ist zu einem entscheidenden Faktor für den künftigen wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Erfolg geworden. Beim digitalen Ansatz von BASF gehen virtuelle Modellierungen und Simulationen am Computer sowie reale Experimente am Labortisch Hand in Hand und ergänzen sich gegenseitig. Simulationen helfen beim Design von Experimenten und erlauben Voraussagen, während Experimente messbare Resultate liefern und die Computermodelle bewerten. Das gewonnene bessere Verständnis von chemischen Produkten und Prozessen ermöglicht so mehr Innovationen in kürzerer Zeit. Zentrales Element ist der neue Supercomputer, der im Oktober 2017 seinen Betrieb in Ludwigshafen aufgenommen hat. Mit 1,75 Petaflops bietet er eine etwa zehnmal höhere Rechenleistung als bisher bei BASF für wissenschaftliches Rechnen zur Verfügung stand. Im Ranking der 500 größten Rechenanlagen der Welt belegte der BASF-Supercomputer damit zwischenzeitlich Platz 65 (Liste Juni 2017).

Digitale Technologien sind im Laboralltag unverzichtbar

Die Forschungsmitarbeiter erhalten mit der Digitalisierung zusätzliche Möglichkeiten für die Umsetzung ihrer kreativen Ideen und zur intensiven weltweiten Zusammenarbeit. Dabei ist es aus Sicht der BASF-Experten unverzichtbar, die digitalen Technologien direkt in die alltägliche Arbeit der Forschungs- und Entwicklungseinheiten zu integrieren. Erst der unmittelbare Zugang zu wissensbasierten Systemen ermöglicht effektive Problemlösungen und eröffnet neue Horizonte. So wird etwa eine Cloud-basierte App-Plattform für alle Forscher den Ausbau der Wissensnetzwerke deutlich erleichtern.

Bereits in den vergangenen Monaten konnten BASF-Forscher mit erfolgreichen Projekten das enorme Potential demonstrieren, das die Digitalisierung in der Forschung bietet. So wurde erstmals eine systematische Untersuchung der Daten von Katalysatoren für die Herstellung des Zwischenprodukts Ethylenoxid möglich. Mit den ermittelten Korrelationen zwischen Rezeptur und Anwendungseigenschaften der Katalysatoren lassen sich ihre Performance und Lebensdauer besser und schneller vorhersagen.
Ein weiteres Beispiel sind Computersimulationen bei Mikroverkapselungen. Diese werden genutzt, um Wirkstoffe zum Beispiel vor Feuchtigkeit und Sauerstoff zu schützen. Mit Hilfe der Simulation können die komplexen chemischen und physikalischen Wechselwirkungen innerhalb der Mikrokapsel besser verstanden und vorhergesagt werden. So können Versuchsreihen im Labor gezielter geplant werden.

Agronomische Modelle unterstützen Landwirte

Auch in der digitalen Transformation der Landwirtschaft spielt BASF eine wichtige Rolle und setzt auf interne und externe Zusammenarbeit. Die bestehende Online-Anwendung Maglis® unterstützt Landwirte dabei, verfügbare Informationen effizienter zu nutzen und bei der Bewirtschaftung ihrer Flächen bessere Entscheidungen zu treffen. Die Entwicklung von agronomischen Modellen für Wetter, Pflanzenwachstum, Krankheits-, Schädlings- und Unkrautbefall ist die besondere Expertise der Firma ZedX, deren Übernahme durch BASF Ende Mai erfolgte. Gemeinsam wurde bereits ein Modell entwickelt, das auf der Grundlage von Wetter- und Umweltbedingungen Auskunft über die zu erwartenden Niederschläge zur Aktivierung eines BASF-Herbizids gibt.

Ein Pilz als lebende Fabrik / A Fungus as a living factory

Weiße Biotechnologie: Hitzestabiles Enzym für Tierernährung

BASF-Forscher der Forschungsplattform Bioscience Research haben verbesserte Phytase (Natuphos®E) für die Tierernährung entwickelt. Phytase ist ein Enzym, das Tieren hilft, das in Pflanzen gebundene Phosphat besser zu verwerten. Allerdings sind viele Enzyme temperaturempfindlich und können durch die höheren Temperaturen bei der Herstellung von Tierfutter (Pelletierung) zerstört und damit unwirksam werden. Um eine effektive und gleichzeitig hitzestabile Phytase zu entwickeln, haben BASF-Forscher zahlreiche verschiedene in Bakterien vorkommende Phytasen untersucht und daraus mit Hilfe biotechnologischer Methoden eine möglichst optimale Variante entwickelt. Anschließend wurde diese weiter verbessert und für die Fermentation (biotechnologische Herstellung) des Enzyms ein geeigneter Produktionsstamm auf Basis des Pilzes Aspergillus niger entwickelt. Die neue Phytase wurde bereits in einigen Ländern in Asien, Südamerika sowie den USA eingeführt und befindet sich in weiteren Ländern in der Zulassungsphase. 

Spezial-Zeolithe für Abgaskatalysatoren / Specialty Zeolites for automotive emission catalysts

Katalysatoren: Mehrwert für Abgasreinigung und Raffinerien

Die Forschungsplattform Process Research & Chemical Engineering erforscht Spezial-Zeolithen wie dem von BASF hergestellten Kupfer-Chabasit. Diese spielen eine Schlüsselrolle in Abgaskatalysatoren für Dieselmotoren, denn sie reinigen den Abgasstrom besonders effizient von schädlichen Stickoxiden. Aufgrund zunehmend strenger werdender Abgasvorschriften steigt die Nachfrage nach modernen Katalysatorsystemen für Fahrzeuge stetig an. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, arbeiten BASF-Forscher an der Entwicklung der nächsten Generation von Spezial-Zeolithen. Mittels ausgetüftelter Rohstoffe und Verfahren können sie die Größe der Hohlräume so einstellen, dass einheitlichere Partikel entstehen. Eine weitere von BASF entwickelte Katalysator-Technologie (BoroCatTM), die auf dem Halbmetall Bor basiert, ermöglicht es Raffinerien, aus Rohöl größere Mengen hochwertiger Produkte wie Benzin, Diesel und andere Treibstoffe zu gewinnen. Bei der Weiterverarbeitung stellt das im Rohöl enthaltene Nickel eine besondere Herausforderung dar, da es die Bildung der unerwünschten Nebenprodukte Koks und Wasserstoff stark erhöht. Der neue BoroCat FCC-Katalysator (Fluid Catalytic Cracking) mit optimierter Porenstruktur fängt Nickel im Prozess ab und verhindert so unerwünschte chemische Reaktionen.

Kunststoffe: Geräusche und Vibrationen erfolgreich minimieren

In der Forschungsplattform Advanced Materials & Systems Research forschen BASF-Experten an Möglichkeiten, durch Material- und Bauteildesign die Beeinträchtigung durch Geräusche und Vibrationen zu minimieren. Das gewinnt zunehmend an Bedeutung, denn sowohl die Geräuschkulisse als auch Vibrationen nehmen durch die fortschreitende Automatisierung im privaten und beruflichen Umfeld immer weiter zu. Gleichzeitig verändern sich die Geräusche. Beispiel E-Mobilität: Hier ist das Motorengeräusch zwar leiser, aber dafür treten andere Frequenzen in den Vordergrund, die als störend empfunden werden und reduziert werden sollen. Ein anderes Beispiel sind Haushaltsgeräte. In den Haushalten gibt es nicht nur immer mehr elektrische Geräte, sie werden auch leistungsfähiger. Die dadurch entstehenden Geräusche und Vibrationen müssen verringert werden. Ein interdisziplinäres BASF-Team aus Chemikern, Physikern und Ingenieuren verbessert verschiedene Polymer-Lösungen, mit denen Schwingungen vom fühlbaren bis hörbaren Bereich, also von 1 Hertz bis 20000 Hertz, optimiert werden können. Durch Unterstützung von Computersimulationen kann je nach Frequenzbereich und Anforderung das Design von Bauteilen verändert beziehungsweise die Molekül- oder Schaumstruktur der verwendeten Materialien (Polyamide, Polyurethane, Melaminharzschäume) angepasst werden.