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Nutzung von Lignocellulosereichen Substraten zur Biogas- und Faser, bzw. Cellulosegewinnung mittels innovativer Verfahren

Eine Substitution fossiler durch biogene Rohstoffe für stoffliche Anwendungen ist ein maßgeblicher Schritt zur Reduktion der anthropogenen CO2 Emissionen. Dabei sollte Biomasse im Sinne der Bioökonomie möglichst ganzheitlich und effizient genutzt werden, um die Flächeneffizient und den Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels zu maximieren. Die hochwertige Verwendung von bisher kaum genutzten landwirtschaftlichen Reststoffen ist eine vielversprechende Methode zur Effizienzsteigerung. Die stoffliche Nutzung von Agrarreststoffen ist allerdings problematisch. Biogene Stoffe haben stets eine schwankenden Produktqualität. Deshalb ist eine Vorbehandlung und Auftrennung der Reststoffe auf verwertbare Bestandteile notwendig und ein entscheidender Schritt für die Weiternutzung. Deutschland und Taiwan stellen zwei Technologieführer mit hohem Umweltbewusstsein in ihrer jeweiligen Klimazone dar. Deutschland befindet sich in der gemäßigten Klimazone, während Taiwan sich in der (sub-)tropischen Klimazone befindet. Besonders vielversprechende landwirtschaftliche Reststoffe, die sich für eine stofflich Nutzung eignen und daher untersucht werden sollen, sind in der gemäßigten Klimazone Getreidestroh und in der (sub-)tropischen Klimazone Kakao- und Bananenschalen, sowie Reisstroh. Zudem fallen Tomatenpflanzenreste in beiden Klimazonen an. Im angestrebten Projekt wird der landwirtschaftliche Reststoff zunächst in einem hydrothermalen Aufbereitungsverfahren aufgeschlossen, um die anaerob kaum abzubauenden Fasern von den sehr gutvergärbaren Bestandteilen zu trennen. Dies wird in Deutschland mittels Thermodruckhydrolyse realisiert und in Taiwan mittel Überkritischer Wassermethode. Anschließend folgt eine Auftrennung in einem Flüssig/Fest-Separator. Der faserreiche Feststoff soll als Torfersatzprodukt und als Substrat zur mikrobiellen Zelluloseproduktion genutzt werden. Torf findet insbesondere im Gartenbau Anwendung, da er diverse Vorteile besitzt. Allerdings bildet sich Torf in Mooren nur sehr langsam und zur Gewinnung müssen die CO2-bindende Moore entwässert werden. Im Projekt soll untersucht werden in wie weit die produzierten Fasern Torf ersetzen können. Ein zweiter zu untersuchender Ansatz im Projekt ist es die Feststofffraktion als Nährmedium für Bakterienkulturen zu verwenden, die gezielt mikrobielle Zellulose produzieren. Die Flüssigkeit soll mithilfe innovativer zweistufiger Biogasanlage energetisch genutzt werden soll. Die Nutzung der Organik zur Biogasproduktion soll die Prozessenergie der energieintensiven Aufbereitung bereitstellen. Der TS-Gehalt der flüssigen Fraktion ist sehr gering, was bei herkömmlichen volldurchmischten Reaktoren eine lange Verweilzeit und somit ein sehr großes Reaktorvolumen verursacht. Um diese Nachteile zu reduzieren, sollen im Projekt zweistufige Reaktorsysteme untersucht werden. Während in Taiwan beide Fermenter volldurchmischt betrieben werden, wird in Deutschland der Methanreaktor als Festbettfermenter ausgeführt.

Transdisziplinäre Mehrfachnutzung von Rohfaser und Rohprotein klimaresilienter Fruchtarten über selektive Ernte- und Aufbereitungsverfahren in ressourcenschonenden Farming-Systemen mit Recycling des Stickstoffs (MEFAFUP), Teilvorhaben 4

Die atmosphärische Tagchemie von Schlüsselverbindungen beeinflußt von der atmosphärischen Nachtchemie (DARK KNIGHT).

Flüchtige organische Verbindungen (VOC) werden in großen Mengen (1300 TgC pro Jahr) von biogenen und anthropogenen Quellen in die Atmosphäre emittiert. Die Oxidation solcher Verbindungen führt zur Bildung von semivolatilen Produkten, welche in die Partikelphase übergehen können und somit zur Bildung von sekundärem organischem Aerosol (SOA) beitragen. Die globale SOA Produktion anthropogenen Ursprungs beläuft sich auf 0,05 bis 9,7 Tg pro Jahr. Hingegen wird die biogene SOA Produktion mit bis zu 910 Tg pro Jahr beziffert, was einem Umsatz von 70% der emittierten biogenen VOCs entspricht. Ein solcher Umsatz ist unvereinbar mit den vergleichsweise niedrigen SOA Ausbeuten aus Aerosolkammerexperimenten. Die Ursache für diese Diskrepanz liegt vermutlich an zusätzlichen SOA Bildungswegen wie der Weiterreaktion von VOC Oxidationsprodukten, welche von den Umgebungsbedingungen wie dem Oxidationsmittel, der relativen Feuchte und der Art der vorhandenen Partikel abhängt. Somit sind zwar Tag- und Nachtchemie grundverschieden, allerdings auch eng miteinander verbunden, denn die Produkte der Nachtchemie werden durch die darauffolgende Tagchemie weiterprozessiert und umgekehrt. Dadurch wird das Partitionierungsverhalten der Produkte und somit die SOA Bildung stark beeinflusst. Daher soll im Rahmen des Projektes Dark Knight der Einfluss der Tagchemie auf die Nachtchemie und umgekehrt untersucht werden. Das Wissen über die Verschaltung von Tag- und Nachtchemie kann erheblich zum Verständnis über die an der SOA Bildung beteiligte Prozesse beitragen.

Der Einfluss der Eutrophierung auf die Wasserqualität und deren Bestimmung - Transformation von algenbürtigem organischem Material in Gewässern

Wasser aus Talsperren ist in vielen Länder eine der wichtigsten Trinkwasserresourcen. Dies gilt besonders für aride Zonen, und/oder in Ländern mit hoher Bevölkerungsdichte. Allerdings sind diese Gewässer oftmals durch einen extrem euthrophen Zustand gekennzeichnet. Das Ziel dieses Projektes ist es, den Gewässergütezustand zu beschreiben, den derzeitigen Zustand der Gewässer in Hinblick auf Nährstoffgehalte und organische algenbürtige Schadstoffe zu erfassen, Ursachen, die zu einer Algenblüte führen zu bestimmen und Verfahren für die Aufbereitung zu Trinkwasser zu entwickeln. Dazu soll der Gütezustand ausgewählter Gewässer in den drei Ländern der Projektpartner (Deutschland, Israel, Jordanien) verglichen werden. Der Einfluss unterschiedlicher klimatischer Bedingungen (Mitteleuropa, Mittlerer Osten) und die unterschiedliche Nutzung der Gewässer auf deren Eutrophierung soll dabei besonders beachtet werden. Die klassischen Aufbereitungsverfahren Filtration, Adsorption, Oxidation und Desinfektion sollen auf die algenspezifische Rohwasserqualität optimiert werden. Die Ergebnisse werden sowohl hinsichtlich ökologischer Gesichtspunkte als auch hinsichtlich der Wassernutzung ausgelegt werden. Die Untersuchungen werden jeweils in Modellsystemen im Labormaßstab und im Technikumsmaßstab mit Realproben durchgeführt. Ein Probenaustausch ermöglicht die Bestimmung der unterschiedlichsten Parameter in den einzelnen Laboratorien der Projektpartner. Dazu gehört auch ein Austausch von Doktoranden, die Schulung von Mitarbeitern und die Durchführung von gemeinsamen Workshops.

Optoelektronische Methode der Blickregistrierung zur objektiven Bewertung der Demontagegerechtheit von Bauteilen und Produkten

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Das Aufkommen an Elektro(nik)-Altgeräten wird in der EU für die Jahre 1998/99 auf 8 Mio. Mg geschätzt, wobei 90 Prozent deponiert, verbrannt bzw. verwertet werden, ohne dass eine Schadstoffentfrachtung stattfindet. Bei der Verwertung dieser Geräte ergänzen sich heute die Bereiche der manuellen Demontage und die der verfahrenstechnischen Aufbereitung. Voraussetzung für ein ökologisch hochwertiges Recycling ist vielfach die Demontage, die jedoch erhebliche Kosten verursachen kann. Zum einen hat das Vorhaben die Zielsetzung, ein Screening über die bei den Verwertern anfallenden Alt-Produkte zu erzeugen, anhand dem eine Bewertung der Produkte aus ökologischer und ökonomischer Sicht durchgeführt werden kann und eine Entscheidung getroffen werden kann, ob eine Demontage nötig bzw. sinnvoll ist. Zum anderen werden Demontageuntersuchungen sowohl im Labor als auch verstärkt bei Verwertern mit Hilfe einer Blickregistrierungskamera durchgeführt. Aus den Analysen dieser Untersuchungen werden Konstruktionskriterien für eine schnellere Demontage abgeleitet. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Im ersten Teil des Projektes wird mit Hilfe von Umweltverträglichkeitsuntersuchungen die Einteilung der beim Verwerter anfallenden Produkte vorgenommen. Ausgehend von einer Musterzerlegung werden die Einzelfraktionen der Geräte bestimmt, ihre Umweltrelevanz untersucht und die bestehenden Verwertungsalternativen zusammengestellt. Diese Ergebnisse werden unter Betrachtung aller wirtschaftlichen und ökologischen Teilaspekte möglicher Gesamtentsorgungsalternativen wie z.B. Shredder, Verbrennung bzw. Deponierung gegenübergestellt. Im zweiten Teil werden Demontageuntersuchungen mit Hilfe der Blickregistrierung durchgeführt, deren Analyse aufzeigt, welche Konstruktionskriterien eine einfache Erkennbarkeit der Baustruktur und der Verbindungselemente zulässt. Fazit: In diesem Projekt konnte durch eine Öko-Bilanzierung gezeigt werden, dass eine vertiefte Demontage ökologische Vorteile gegenüber der verfahrenstechnischen Aufbereitung beim Recycling von Elektronik-Geräten aufweist. Weiterhin wurde erstmals die Blickregistrierung bei der Demontage von Elektro(nik)-Geräten eingesetzt. Der Einsatz dieser Methode in diesem Bereich hat sich als effektiv erwiesen. Der Demontageanalyseprozess wurde soweit optimiert, dass er jetzt standardmäßig als Dienstleistung angeboten werden kann. Bei der Umsetzung der mit der Blickregistrierung ermittelten Konstruktionskriterien lassen sich bei gleichen Demontagekosten deutliche ökologische Vorteile erzielen. Für die Weiterführung des Projektes sind im nächsten Schritt entwicklungsbegleitende Untersuchungen notwendig, um die Ergebnisse zu bestätigen und umzusetzen.

Prozesswasserrecycling - innovative Prozesswasseraufbereitungsanlage

Das mittelständische Logistikunternehmen Neumann Transporte und Sandgruben GmbH & Co. KG gehört zur Neumann Gruppe GmbH mit Sitz in Burg und ist als Dienstleister in der Entsorgungs- und Recyclingwirtschaft tätig. In Reesen (Sachsen-Anhalt) gibt es eine Schlackenassaufbereitungsanlage, in der die Asche aus Müllverbrennungsanlagen einen Nassaufbereitungsprozess durchläuft. Die Schlackenassaufbereitung ist ein sehr wasserintensiver Prozess, bei dem Abwässer mit hohen Salzfrachten entstehen. Bisher werden die prozessbedingten Abwässer aufwändig aufbereitet, per Straßentransport in eine Industriekläranlage befördert und entsorgt. Für den Aufbereitungsprozess der Schlacke werden Prozessfrischwassermengen benötigt, die aktuell dem Grundwasserreservoir entnommen werden. Um den Transportaufwand für die Abwässer zu vermeiden und die Grundwasserentnahme zu minimieren, plant das Unternehmen mittels innovativer Abwasseraufbereitung (Umkehrosmose) einen nahezu geschlossenen Stoffkreislauf zu schaffen. Gleichzeitig verbessert sich damit auch die Qualität des mineralischen Rückstandes, so dass von einer besseren Verwertbarkeit auszugehen ist. Das in der Umkehrosmose entstehende Konzentrat (Permeat) soll in einer Vakuumverdampfungsanlage am Standort des Müllheizkraftwerks Rothensee behandelt werden. Gleichzeitig können Synergien am Standort der Abfallverbrennungsanlage genutzt werden, wie bspw. die Abwärme aus der Kraft-Wärme-Kopplung, das nahezu ammoniakfreien Destillats der Verdampferanlage für technische Zwecke und das Permeat der Umkehrosmose als Kühlwassernachspeisung für den Kühlturm. Die Innovation des neuen Verfahrens besteht darin, dass mittels Kombination und Weiterentwicklung bereits bestehender Recyclingverfahren erstmalig Prozesswasser aus der Schlackeaufbereitung behandelt und der Stoffkreislauf nahezu geschlossen werden kann. Insgesamt kann der Einsatz von Frischwasser nahezu vollständig ersetzt und weitgehend auf Grundwasserentnahmen verzichtet werden. Zusätzlich können Lärmemissionen, Energieverbrauch und Deponievolumen reduziert werden. Im Übrigen können mit der Umsetzung des Projekts jährlich 1.728 Tonnen CO2-Äquivalente, also etwa 86 Prozent, eingespart werden.

Erschließung der Ressourceneffizienzpotenziale im Bereich der Kreislaufwirtschaft Bau, Untersuchung der Ressourceneffizienzpotenziale im Bereich der Abfall- und Kreislaufwirtschaft

Kernanliegen des Vorhabens ist es, einen Überblick darüber zu gewinnen, wie sich Bauabfälle einer stofflichen Verwertung zuleiten lassen und dabei möglichst in gleicher oder anderer Funktionalität wieder in Bauprodukte zurückgeführt werden können, bevor sie in eine anderweitige bzw. thermische Verwertung gelangen. Ziel ist die Herbeiführung einer verbesserten Kreislaufwirtschaft im Bereich der Bauwirtschaft. Ausgangslage: Mit dem Beschluss der Bundesregierung 'Nachhaltiges Deutschland' wurde als einer der Leitindikatoren die Ressourceneffizienz bestimmt. Darin wird gefordert, die Ressourceneffizienz vom Niveau 1990 bis 2020 um 50Prozent zu steigern. Da der Indikator aus dem Quotient von BIP und Materialumsatz in Tonnen gemessen wird, hat das Bauwesen mit den eingesetzten Massenbaustoffen einen hohen Anteil (ca. 50Prozent). Die Anforderungen an Bauwerke sind maßgeblich durch die gesellschaftlichen Vorgaben definiert. Da zudem die Wertschöpfung bezogen auf die Masse der Substanz im Verhältnis zu anderen Wirtschaftszweigen gering ist, sind Ressourceneinsparungen schwieriger zu realisieren als bei anderen Produktbereichen. In Deutschland werden nach Angaben der Bauwirtschaft bereits annähernd 90Prozent des entstehenden Abfalls verwertet und ein hoher Anteil davon recycelt (Nachnutzung). Dennoch fallen am Ende des Lebenszyklus nach wie vor Bauabfälle in der Größenordnung von 32,5 Mio. Tonnen an, die nicht dem Recycling, sondern der 'sonstigen Verwertung' zugeführt werden. Ziel: Das Projekt hat das Ziel, Potenziale zur Steigerung eines hochwertigen Recyclings bei Bauschutt und Baustellenabfällen zu untersuchen. Hierfür werden die derzeitigen Stoffströme der Massenbaustoffe Beton, Ziegel, Kalksandstein, Porenbeton, Gips, Holz, Mineralwolle und Hartschaumdammstoffe, Glas und Kunststoffe analysiert und zwei Szenarien für 2030 aufgestellt. Dabei sollen typische Hemmnisse bei der Steigerung der Kreislaufführung von Baumaterialien aufgezeigt werden. Für die Potenzialabschätzung werden vorab Herkunft, Zusammensetzung und Verwertungswege der genannten Materialfraktionen überschlägig ermittelt. Einen Schwerpunkt der Betrachtung bilden die technischen Möglichkeiten zur Steigerung der Kreislaufführung durch höherwertige Verwertung der Abfallströme des Bauwesens. Innovative Recycling- und Verwertungstechnologien kommen zur Bewertung. Zusätzlich zu den Verfahren zur Gewinnung hochwertiger Rezyklate und deren Optimierungspotenzialen sollen Aufnahmekapazitäten des Bauwesens für mögliche recycelbare Stoffmengen entlang der Bautätigkeit 2010 bis 2030 eingeschätzt werden.

Entwicklung eines Verfahrens zur Wiederaufbereitung von Polyolefinabfaellen

Abfaelle aus polyolefinischen Materialien fallen einerseits in grossen Mengen in Form von Verpackungsmaterial oder Ein-Weg-Gebrauchsgegenstaenden beim Endverbraucher an. Andererseits werden auch bei der Herstellung von Polyolefinen, je nach Herstellungsverfahren und -bedingungen niedermolekulare und wachsartige Nebenprodukte erhalten, die nur zum geringen Teil Verwendung finden. Diese Abfaelle - sowohl die Nebenprodukte aus der Produktion als auch die Abfaelle aus dem Endverbrauch - werden zum groessten Teil verworfen und finden nur zum geringen Teil Anwendung, z.B. bei der Dampferzeugung in Kraftwerken oder Muellverbrennungsanlagen. Mit dem Forschungsprojekt soll daher geprueft werden, wie weit aus diesen Polyolefinabfaellen die Rohstoffe - Aethylen oder Propylen - oder andere Komponenten der chemischen Grundstoffproduktion - z.B. Acetylen - gewonnen werden koennen.Bei den entwickelten Verfahren wurden, im Gegensatz zu den mechanisch-thermischen Aufbereitungsverfahren, die Polyolefine einer partiellen Oxidation unterworfen. Bei dem Forschungsprojekt wurde zunaechst von ataktischem Polypropylen ausgegangen. Dies wurde aufgeschmolzen und in einem Injektionsbrenner zerstaeubt und anschliessend in einer Brennkammer mit Sauerstoff partiell oxidiert. Der Oxidationsvorgang wird dabei durch die Eigenschaften des Brennstoffnebels - Troepfchengroesse, Relativgeschwindigkeit Troepfchen/Gas- und durch die Menge des im Unterschuss eingesetzten Sauerstoffs beeinflusst. Hierdurch laesst sich die Produktverteilung bei der partiellen Oxidation, insbesondere die Konzentration an Olefinen und Acetylen, in relativ weiten Grenzen steuern.

Bewertung und Aufbereitung von Altholz zur Rückführung in den Kreislauf im Rahmen eines Wiederverwendungskonzeptes, Teilvorhaben 6: Modifizierung des Resistographs und vergleichende Dichtemessungen in Bestandskonstruktionen

Untersuchungen zum Einfluß des Weltraumwetters auf die Chemie und Dynamik der Erdatmosphäre (SPEACH)

Energetische Elektronen aus der Aurora und den Strahlungsgürteln sind bekannte Quellen von Stickoxiden in der Auroraregion der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT, 60-140 km). Im polaren Winter können diese Stickoxide bis in die mittlere Stratosphäre (30—45 km) herunter transportiert werden; sie variieren dabei mit der geomagnetischen Aktivität und dem dynamischen Zustand der Atmosphäre. Hier tragen Stickoxide maßgeblich zum katalytischen Ozonabbau bei; da Ozon eine wesentliche Rolle in der Strahlungsheizung der Stratosphäre spielt, ändern sich durch den Abwärtstransport von auroralen Stickoxiden auch Temperaturen und Windfelder. Diese Änderungen der Atmosphärendynamik können die ganze Atmosphäre bis hinunter zu troposphärischen Wettersystemen betreffen. Aus diesem Grund wurde kürzlich zum ersten Mal empfohlen, geomagnetische Aktivität als Teil des solaren Forcings des Klimasystems in Klima-Chemiemodellstudien wie CMIP-6 zu berücksichtigen. Die atmosphärischen Ionisationsraten, welche verwendet werden, um solche Modellexperimente anzutreiben, basieren empirisch auf Flüssen von präzipitierenden Elektronen, welche jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet sind; neue Studien legen nahe, daß es ernsthafte Probleme mit der Genauigkeit dieser Daten gibt. In diesem Projekt werden wir untersuchen, wie vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre präzipitierende Elektronen verschiedener Energien beeinflussen, und welchen Einfluß diese präzipitierenden Elektronen auf die Zusammensetzung, Temperatur, und Windfelder in der mittleren Atmosphäre haben.Insbesondere werden wir untersuchen:• Wie beeinflussen vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre das Präzipitieren von Strahlungsgürtelelektronen in die Atmosphäre?• Zu welchen Energien werden präzipitierende Elektronen in den unterschiedlichen geomagnetischen Stürmen in der Magnetosphäre beschleunigt? • Welcher Energiebereich der Präzipitierenden Elektronen hat den größten Einfluss auf die Zusammensetzung und Dynamik der mittleren Atmosphäre?Dazu werden Modellsimulationen mit dem neuentwickelten VERB-4D Modell durchgeführt, welches Elektronenbeschleunigung in die Atmosphäre durch Welle-Teilchen-Wechselwirkungen mit Chorus, Plasmaspheric hiss, hiss in plumes, und EMIC-Wellen berücksichtigt. Ergebnisse werden mit NOAA POES Daten validiert. Modellierte Elektronenflüsse am Oberrand des Modells werden als Input verwendet für das neuentwickelte Klima-Chemiemodells EMAC/EDITh (Boden bis 220km). Modellierte Temperaturen und der Stickoxid-Gehalt werden anhand von Beobachtungen validiert. Fallstudien werden durchgeführt werden für geomagnetische Stürme, die durch Korotating Interaction Regions (CIR) und solare koronale Massenauswürfe (CMEs) ausgelöst wurden, um zu untersuchen, wie die verschiedenen Prozesse unterschiedliche Bereiche der Atmosphäre beeinflussen.

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