Als Opportunitaetskosten der Umweltverschmutzung werden diejenigen Kosten bezeichnet, welche eine Volkswirtschaft zur Vermeidung uebermaessiger Immissionen zu tragen hat. Diese (sozialen) Kosten setzen sich zusammen aus investitionsbedingten Zusatzkosten, die beim Einsatz schadstoffvermindernder Technologien entstehen und aus gesellschaftlichen Wohlfahrtsverlusten infolge Verminderung der wirtschaftlichen Aktivitaeten (Produktion und Konsum). Vor diesem Hintergrund lassen sich auf gesamtwirtschaftlicher Ebene kostenoptimale Steuer- und Subventionssaetze im Hinblick auf die Erfuellung vorgegebener (naturwissenschaftlich fundierter) Umweltstandards bestimmen. Diese basieren auf einer Optimierung der Technologie-Substitution in der Zeit und auf einer Beruecksichtigung der damit einhergehenden oekonomischen und oekologischen Konsequenzen. Eine besondere Anwendung bezieht sich auf das Problem der CO2-Emissionen, das sowohl im nationalen als auch im internationalen Rahmen zu behandeln ist.
Untersuchung spezieller Anwendungsfälle für Beschichtungen um Anwendungsempfehlungen zu formulieren, Merkblätter zu erstellen sowie neue Prüfungsrichtlinien zu erarbeiten. Reperaturbeschichtungen (Smart Repair), die Beschichtung nichtrostender Stähle und Oberflächennitrierung stehen im Fokus der Untersuchungen. Aufgabenstellung und Ziel Die wässrigen Umgebungen, welchen Wasserbauten ausgesetzt sind, stellen häufig besonders hohe Ansprüche an den Bauwerksschutz. Das gilt insbesondere für den Korrosionsschutz von Stahlkomponenten. Organische Beschichtungsstoffe wie Epoxide und Polyurethane aus Erdölerzeugnissen bieten für einen überwiegenden Teil an Anwendungsfällen eine effektive Methode zum flächigen Korrosionsschutz. Durch die Adaption technischer Neuerungen und Lösungen, die bisher im Stahlwasserbau keine Anwendung finden, ist es denkbar, die bisherigen Korrosionsschutzstrategien sinnvoll zu ergänzen. Bereiche mit Optimierungspotenzial sind die Kosten, die Ökobilanz und die Vermeidung häufig auftretender Probleme. Ziel ist es daher, alternative Oberflächenbehandlungen eingehend zu untersuchen, um den Korrosionsschutz zukünftig effizienter gestalten zu können. Die BAW reagiert damit auf den allgemeinen Bedarf seitens der WSV bzw. der Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter. Der konkrete Fokus liegt auf den Themen: - Verbesserte Reparaturkonzepte (Smart Repair / Spot Repair) - Einsatz von (Plasma-)Nitrierungen als Korrosionsschutz - Adressierung von Haftungsproblemen auf nichtrostenden Stählen Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Kleinflächige Schadstellen am Korrosionsschutz und das daraus resultierende Auftreten von Korrosion sind ein häufiges Bild bei Inspektionen von Bestandsbauten. Sie wirken sich zwar negativ auf die Substanz aus, rechtfertigen aber oft nicht den Aufwand einer vollständigen Erneuerung der Beschichtung. In solchen Fällen stellt die lokale Instandsetzung geschädigter Stellen mit SpotRepair-Beschichtungen eine angemessene Gegenmaßnahme dar (BAW 2020). Diese stellen den Korrosionsschutz wieder her und unterbinden die weitere Korrosion, bis eine Erneuerung des gesamten Korrosionsschutzes wirtschaftlich sinnvoll ist. Gleichzeitig haben Spot-Repair-Beschichtungen i. d. R. den Vorteil, dass sie schnell und einfach angewendet werden können und nicht von Fachfirmen ausgeführt werden müssen. Das Interesse der Wasserstraßen- und Schifffahrtsämter an dieser Technik zeigt sich deutlich an der Nachfrage nach Spot-Repair-Schulungen, welche die BAW bereits seit einigen Jahren anbietet. Eine große Hürde für die Adaption der Reparaturtechniken in der WSV ist die Auswahl geeigneter Systeme. Für den flächigen Korrosionsschutz kann ein geeigneter Beschichtungsstoff aus der „Liste der zugelassenen Systeme“ der BAW ausgewählt werden. Ein entsprechendes Verfahren für Reparatursysteme wird im Rahmen dieser Untersuchung erarbeitet. Das Nitrieren von Stählen für die Härtung von Werkstücken bewährt sich bereits seit über 100 Jahren. Es ist ebenfalls bekannt, dass bestimmte Verfahren auch für den Korrosionsschutz unter atmosphärischen Bedingungen geeignet sind. Welche Verfahren sich jedoch auch im Stahlwasserbau für die WSV bewähren und sich als wertvolle Ergänzung zu den bisherigen Korrosionsschutzstrategien erweisen könnten, ist bisher kaum untersucht worden (Baier et al. 2011). Nichtrostende Stähle (NiRoSta) sind selbst gegenüber typischen korrosiven Einflüssen im Stahlwasserbau weitgehend inert, können jedoch durch Bimetallkorrosion die Korrosion anderer in Kontakt befindlicher Metalle beschleunigen. Daher kann auch eine Beschichtung von NiRoSta sinnvoll sein. Allerdings treten insbesondere bei Beschichtungen auf NiRoSta in Gegenwart von Wasser oder bei dauerhaft hoher Luftfeuchtigkeit häufig Enthaftungsprobleme auf (Funke und Zatloukal 1978). Daher sollen verschiedene Vorbehandlungen von NiRoSta untersucht werden, um diesem Problem im Wasserbau zukünftig besser vorbeugen z
Zielsetzung: Die Solarenergie ist neben der Windenergie eine der Hauptsäulen der Energiewende. Damit die Klimaziele erreicht werden, ist es notwendig die Solarindustrie weltweit massiv zu skalieren. Pierre Verlinden, einer der weltweit führendsten Solarexperten, äußert sich dazu 2020 im Journal of Renewable and Sustainable Energie wie folgt: “The [PV] industry has demonstrated that it is capable to grow at a very high rate and to continuously reduce the cost of manufacturing. There are no challenges related to the technology, manufacturing cost, or sustainability, except for the consumption of silver, which needs to be reduced by at least a factor of 4 […].” Silber ist die einzige kritische Ressource in der Solarzellenproduktion. Derzeit werden bereits weltweit ca. 17 % des jährlich in Minen abgebauten Silbers für die Solarzellenfertigung beansprucht. Gleichzeitig wächst die Fertigungskapazität für Solarzellen exponentiell um 20 - 30 % pro Jahr. Ohne technologische Innovation würde die Solarindustrie bereits im Jahr 2030 das gesamte weltweit verfügbare Silber aus dem Bergbau nachfragen. Es versteht sich von selbst, dass dies kein tragfähiges Szenario ist, zumal auch andere Zukunftstechnologien, wie die Elektromobilität, einen zunehmend hohen Silberbedarf anmelden. Expert*innen sind sich einig, dass die Versorgung der Solarindustrie mit Silber für die elektrischen Kontakte der Solarzellen bereits in 2 - 4 Jahren das größte Problem für das nötige Wachstum der Solarindustrie sein wird und somit auch zum Flaschenhals für die gesamte Energiewende wird. Das Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, PV2+, hat eine patentierte Galvaniktechnologie entwickelt, die es Solarzellenherstellern erlaubt mithilfe eines speziell entwickelten Elektrolyten, in Solarzellenkontakten Silber durch Kupfer zu substituieren. Dies ermöglicht die Skalierung der Solarindustrie und löst somit eine der zentralen Nachhaltigkeitsherausforderungen unserer Zeit. Fazit: Das Förderprojekt PV2+ verfolgte das Ziel, Silber durch Kupfer in Solarzellenkontakten zu ersetzen, um Kosten zu senken, die Rohstoffabhängigkeit zu verringern und die ökologische Nachhaltigkeit der Photovoltaikbranche zu stärken. Die gewählte technische Vorgehensweise erwies sich als sehr erfolgreich: Prozesse wie Sputtern und Laserablation wurden optimiert und auf Industrieanlagen übertragen, eine neue Galvanikanlage ermöglichte die homogene Kupferabscheidung auf über 500 Zellen bei stabilisiertem Elektrolyt. Der Proof of Concept wurde durch bessere Zellleistungen auf Industriewafern und einem ROI < 1 Jahr erbracht. Auch erste Umsätze durch Kundenbemusterungen bestätigen den Marktbedarf. Strategisch war eine Kurskorrektur nötig: Aufgrund des Rückgangs der europäischen Solarindustrie wurde der Fokus erfolgreich auf Asien und die USA sowie auf eigene pilotähnliche Demoproduktion verlagert. Diese Neuausrichtung erwies sich als essenziell für Markteintritt und Skalierung. Alternative technische Ansätze wie Kupfer-Nanopartikel oder Polymermasken wurden geprüft, boten jedoch keine vergleichbare Leistung, Wirtschaftlichkeit oder Umweltbilanz wie das patentierte Galvanikverfahren von PV2+. Die zentrale alternative Idee war daher nicht technologischer, sondern strategischer Natur und sie trug maßgeblich zur Zielerreichung bei.
Eine der größten Herausforderungen im Rahmen der Energiewende ist die CO2-neutrale Versorgung von Industrie und Gewerbe mit Prozesswärme und -kälte. Eine besondere strategische Relevanz gewinnt BioBrauS dadurch, dass nicht nur biogene Reststoffe, die einen überschüssigen und in der Regel unvermeidbaren Stoffstrom darstellen, einer weitergehenden energetischen Verwertung zugänglich gemacht werden, sondern auch der Verbrauch der fossilen Primärressource Braunkohle mit hohen CO2-Aussstoß reduziert wird. Ziel ist die Entwicklung eines Brennstoffes aus aufbereiteten organischen Reststoffen, wie Gärprodukten oder Geflügelmist, mit abgestimmter Verbrennungstechnologie auf Basis der Stabfeuerung zu verwerten. Hierfür soll das Verfahren des Impulsbrenners evaluiert und an die Verbrennung diese Stoffsysteme adaptiert werden. Mit der Auswahl und Bewertung von Gärresten und Geflügelmist als Brennstoff für die Staubfeuerung soll der Grundstein für den Ersatz von Braun- und Steinkohle gelegt werden. Im Fokus stehen deshalb die experimentelle Verfahrensevaluation und Optimierung von Verbrennungseigenschaften und Prozessparameter der Staubfeuerung für den Einsatz landwirtschaftlicher Reststoffe, wie Gärrest und Geflügelmist als Ersatz des bisherigen Energieträgers Braunkohle für Bestands- und Neuanlagen. Auch die biogenen Inputsubstrate sollen für den Einsatz in der Staubfeuerung angepasst (Mahlung, Siebung) und optimiert werden. Schwerpunkt ist die Reduktion von Schad- und Störstoffen sowie die Verbesserung der Brennstoffeigenschaften. Die Entwicklungen sollen dann im technischen Maßstab getestet und bewertet werden. Außerdem soll ein Gesamtkonzept zur technischen Umsetzung und Einsatz der Technologien erarbeitet werden, welches die Logistik der Energie- und Stoffströme sowie deren Verwertung für Bestands- und Neuanlagen beinhaltet. Abschließend wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und LCA mit Ökobilanzierung für den kommerziellen Maßstab durchgeführt.
Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von kreislaufgerechten Holztafelbaukonstruktionen unter der Prämisse einer technischen, ökonomischen und ökologischen Realisierbarkeit. Die Projektziele werden durch ein interdisziplinäres Konsortium in Zusammenarbeit mit zwei Industriepartnern der Holzbaubranche bearbeitet. Auf Gebäudeebene werden die Potentiale der kreislaufgerechten Konstruktion als Beitrag zum anpassungsfähigen und nutzungsflexiblen Holzbau ermittelt. Auf baukonstruktiver, d. h. Bauteilebene, erfolgt die Entwicklung und Optimierung von kreislaufgerechten Holztafelbaukonstruktionen, unter Berücksichtigung der jeweiligen Anwendung (d. h. Wand-, Dach-, Deckenelement). Bei der technischen Entwicklung werden in der Anbindung zur Gebäudeebene die Verbindungen zwischen Bauteilen mit dem Ziel der Demontierbarkeit betrachtet. Nach unten ist die Trennbarkeit der Bauteile bis auf Materialebene als Ziel definiert. Auf Materialebene wird die Kaskadennutzung als zentrales Element der Kreislaufwirtschaft aufgegriffen. Die Charakterisierung der Verwertungsoptionen des Gebrauchtholzes auf Materialebene trägt dazu bei, dass das Gebrauchtholz nach dem Rückbau der kreislaufgerechten Konstruktion auch tatsächlich einer hochwertigen Kaskadennutzung zugeführt werden kann und stellt damit eine wichtige, interne Validierung der technischen Entwicklungen dar. Gleichzeitig ergibt sich daraus die notwendige Einbindung digitaler Technologien zur Entwicklung eines digitalen Materialpasses für die Dokumentation und Nachverfolgbarkeit von Bauteilen, Verbindungen und Rückbauoptionen. Neben der technischen und materialwissenschaftlichen Bewertung findet eine Evaluierung der ökologischen und ökonomischen Effekte der entwickelten kreislaufgerechten Konstruktionen mit Hilfe von Lebenszyklusanalysen statt. Die Betrachtung von innovativen Wirtschaftskonzepten wie Leasing- oder Sharingmodellen aus der Circular Economy bildet einen Blick in die Zukunft des modernen Holzbaus.
Ziel des Projektes war die Ermittlung eines vereinfachten ökobilanziellen Ansatzes zum Emissionsvergleich verschiedener Verwertungs- und Entsorgungsoptionen von Bioabfall. Die Vereinfachung sollte über die CO2-Äquivalente erfolgen, da Kohlendioxid bezüglich der Masse die größten Emissionen darstellt und somit gut als maßgebendes Kriterium herangezogen werden kann. Trotz Reduktion, und der damit zwangsläufig verbundenen ungenaueren Emissionsaussage, sollte es möglich sein, verschiedene biologische Prozesse der Abfallbehandlung miteinander zu vergleichen und zu beurteilen. Ziel war es, ein Handwerkszeug zu schaffen, mit dem schnell, einfach und kostengünstig eine Entscheidungshilfe zum 'günstigsten' Weg des Bioabfalls gegeben werden kann. Bei der Verwertung des Bioabfalls zum Kompost wird, anders als bei der Behandlung zusammen mit Restmüll, die Möglichkeit einer längerfristigen Einbindung des enthaltenen Kohlenstoffs in Boden und Pflanzen gegeben. Dieser wird dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf längerfristig entzogen, und trägt somit nicht zum Treibhauseffekt bei. Unter dem Aspekt des Treibhauseffektes ist die Bioabfallverwertung daher eine sinnvolle ökologische Verwertungsoption. So leistet Kompost auf Grund der Gehalte an organischer Substanz einen wichtigen Beitrag zur Bodenverbesserung. Weiterhin kann durch die im Kompost enthaltenen Nährstoffe mineralischer Dünger zum Teil substituiert werden. Das Projekt wird gemeinsam mit Fachgebiet Abfallwirtschaft/Abfalltechnik der Universität GH Essen bearbeitet.
Der effiziente Umgang mit Ressourcen und Energie ist eine essenziele Größe zum Erreichen der global gesetzten Klimaschutzziele. Insbesondere für die pneumatische Antriebs- und Vakuumtechnik zeigt sich ein bedeutendes Einsparpotenzial von bis zu 60 % des Druckluftverbrauchs, welches jedoch aufgrund von fehlenden Auslegungs- und Überwachungsstrategien unausgeschöpft bleibt. Des Weiteren besteht in der Automatisierungsindustrie ein Bedarf nach einer transparenten Vorgehensweise zur ökologischen Bilanzierung, die trotz der enormen Wichtigkeit kaum durchgeführt wird. Vor diesem Hintergrund ist das zentrale Vorhabenziel die Energieeffizienzsteigerung und die damit einhergehende Reduktion der Umweltauswirkungen der Antriebs- und Vakuumtechnik. Hierfür wird eine Methodik entwickelt, die den energetischen Anlagenzustand überwacht sowie Degradation und Fehlerfälle erkennt und prädiziert. Die Methodik wird durch eine ganzheitliche Bilanzierung der Umweltauswirkungen auf Anlagenebene erweitert und durch die Einbeziehung weiterer Kriterien wie Auslastung oder Robustheit einer Lösung praktisch nutzbar gemacht. Somit wird die Anlage aus ökologischer Sicht von den ersten Schritten der Planungsphase über den Betrieb bis zur Außerbetriebnahme begleitet und so der systematische Einsatz von energieeffizienten Automatisierungslösungen erleichtert. Am ISYS werden datenbasierte Ansätze zur Überwachung, Adaption und Auslegung pneumatischer Systeme mithilfe maschineller Lernverfahren entwickelt. Für die Überwachung erfolgt eine Analyse der Detektierbarkeit von Fehlerfällen, um diese zuverlässig detektieren zu können. Ziel der Ansätze zur Adaption der Steuerung und Regelung ist die Erhöhung der Fehlertoleranz und Robustheit von Vakuum- und Antriebslösungen bei minimalem Energieverbrauch. Modelle sowie Betriebsdaten werden genutzt, um optimierte Auslegungen von Systemen und Anlagen zu erhalten. Die Ansätze werden an Demonstratoranlagen der Industrieprojektpartner experimentell validiert.
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