Digitaler Produktpass kann bei Wiederverwertung von Faserverbundwerkstoffen helfen In Deutschland gibt es ca. 480.000 Sportboote*, eine Million Kanus, 10.000 Motorsegler und Segelflugzeuge sowie 8.000 motorisierte Leichtflugzeuge, die vorrangig zu privaten Zwecken genutzt werden. Am Ende der Nutzungsdauer werden die Gegenstände jedoch bislang nicht sachgerecht recycelt, da etablierte Verfahren der Abfallwirtschaft meist ungeeignet sind und Kapazitäten für die notwendige individualisierte Aufbereitung fehlen. Dirk Messner, Präsident des Umweltbundesamtes (UBA), betont: „Im Bereich der Faserverbundwerkstoffe fehlen derzeit noch Konzepte zur Wiederaufbereitung. Wertstoffe gehen verloren. Mithilfe des digitalen Produktpasses können wir zu einem weitaus besseren Recycling dieser Stoffe kommen.“ Zu diesem Ergebnis kommt auch eine neue Studie im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA-Text 93/2023). Sportboote und Leichtflugzeuge sowie bestimmte Freizeitgeräte, wie Fahrräder, Skier und Musikinstrumente, enthalten Faserverbundwerkstoffe (FVW). Sie sind oftmals langlebig, werthaltig und als Abfälle prädestiniert für die Vorbereitung zur Wiederverwendung oder das Recycling. Eine strukturierte Aufbereitung gilt jedoch derzeit noch als unwirtschaftlich und erfolgt deshalb nicht. Der digitale Produktpass könnte hier Abhilfe schaffen. Eine Einführung eines solchen digitalen Produktpasses mit seinen individualisierten und für Reparatur, Wiederverwendung und Recycling zweckgerichteten Informationen könnte die Kreislaufwirtschaft fördern und Ressourcen schonen. Er könnte zudem die Herausforderung bewältigen, die vergleichsweise geringe Anzahl von gelegentlich anfallenden Altprodukten wenigen, aber hoch spezialisierten Demontageanlagen zuzuführen. Generell liegt in der Digitalisierung ein großes Potential für das Recycling. Neben der Bereitstellung von praktischen Informationen für den Betrieb, die Wartung und das Recycling erlaubt der Produktpass auch die Mengenstromerfassung und Stoffstromlenkung. Logistische Optimierungsaufgaben sind lösbar, Kommunikation über weite Strecken gelingt und systematische Netzwerkanalysen decken Barrieren auf. Die Möglichkeiten für die Abfallwirtschaft sind bei Weitem noch nicht alle erschlossen. Der digitale Produktpass ist ein Datensatz, der die Komponenten, Materialien und chemischen Substanzen oder auch Informationen zu Reparierbarkeit, Ersatzteilen oder fachgerechter Entsorgung für ein Produkt zusammenfasst. Die Daten stammen aus allen Phasen des Produktlebenszyklus und können in all diesen Phasen für verschiedene Zwecke genutzt werden (Design, Herstellung, Nutzung, Entsorgung). Die Strukturierung umweltrelevanter Daten in einem standardisierten, vergleichbaren Format ermöglicht allen Akteuren in der Wertschöpfungs- und Lieferkette, gemeinsam auf eine Kreislaufwirtschaft hinzuarbeiten. * Anmerkung: In der ursprünglichen Version hieß es "ca. 580.000 Sportboote". Es sind aber nur 480.000 Boote. Wir haben die Zahl entsprechend korrigiert. (26.06.2023)
Die Studie beinhaltet ein Konzept für das Recycling von Sportbooten, Leichtflugzeugen und bestimmten Bedarfsgegenständen in Deutschland. Sie umfasst jeweils qualitative und quantitative Produktbeschreibungen, Demontageprotokolle für unterschiedliche Produktgruppen und ein digitales Konzept, nachdem ein modularer Produktpass mit gezielten Stakeholderinformationen die Kreislaufwirtschaft begünstigt. Es wird vorgeschlagen, diesen Produktpass in der europäischen Sportbootrichtlinie (2013/53/EU) festzuschreiben. Die sachgerechte Aufbereitung fordere zudem Abfallschlüssel für Altprodukte und für Abfälle faserverstärkter Kunststoffe im europäischem Abfallverzeichnis (2001/118/EG). Veröffentlicht in Texte | 93/2023.
Das Recycling von Faserverbundkunststoffen (FVK) ist technisch anspruchsvoll und bedingt die getrennte Erfassung sowie eine aufwendige Demontage. Es findet aktuell in Deutschland kaum statt. Hinzu kommt, dass die derzeitigen Abfallmengen an carbon- und glasfaserverstärkten Kunststoffabfällen (CFK und GFK-Abfälle) gering sind. Das Recycling der ressourceneffizienten Leichtbauwerkstoffe gilt als unwirtschaftlich. Die durchgeführte Marktstudie für Sportboote und Leichtflugzeuge sowie Bedarfsgegenständen aus CFK legt den Verbleib der entsprechenden Altprodukte dar und zeigt, dass die FVK-haltigen Abfälle dieser Produktgruppen sowie teilweise auch die vollständigen Produkte der hochwertigen Verwertung verloren gehen. Das ist von erheblichem ökologischem Nachteil. Eine Bündelung und ein gemeinsames Recycling dieser drei Produktgruppen mit anderen FVK haltigen Abfällen (z.B. Rotorblätter von Windenergieanlagen und bestimmte Bauprodukten) erscheint ökologisch sinnvoll und praktikabel im Sinne einer hochwertigen, schadlosen und wirtschaftlich zumutbaren Abfallverwertung. Vor diesem Hintergrund ist es Ziel dieses Vorhabens, ein Kreislaufkonzept für Sportboote und Leichtflugzeuge sowie Bedarfsgegenständen aus CFK zu entwickeln. Um ein hochwertiges Recycling zu ermöglichen, müssen Bauteile aus FVK separat erfasst werden. Hierzu wurden detaillierte Handlungsanweisungen für die Trockenlegung, Demontage und Zerkleinerung von Sportbooten und Leichtflugzeugen sowie Möglichkeiten zur Sammlung und Rücknahme von CFK-haltigen Bedarfsgegenständen erarbeitet. Das Konzept schließt die systematische Wiederverwendung und Vorbereitung zur Wiederverwendung ein. Aus Sicht des Umweltschutzes kritische Punkte der Abfallverwertung wurden erkannt, beschrieben und Vorschläge für den sicheren Umgang mit Abfällen erarbeitet. Diese umfassen neben grundlegend wichtigen Empfehlungen zur Verwertung und der Nutzung digitaler Konzepte auch die Berücksichtigung politischer und organisatorischer Instrumente. Die Instrumente umfassen die Einführung von technischen Standards basierend auf den im Rahmen der Studie entwickelten Handlungsanweisungen, die Fortentwicklung bestehender Recyclingverfahren, den digitalen Produktpasses für Sportboote und freiwillige Rücknahmesysteme für CFK-haltige Bedarfsgegenstände. Eine wichtige formale Voraussetzung für die spezialisierte Verwertung ist die Einführung entsprechender Abfallschlüssel, was eine Änderung des Europäischen Abfallverzeichnisses erfordert. Quelle: Forschungsbericht
Ein Leuchtturmprojekt im Hinblick auf Biowerkstoffe ist das BIOCONCEPTCAR. Den Projektbeteiligten ist es unter der Federführung des Instituts für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) gelungen, den Anteil an biobasierten Werkstoffbauteilen in einem Rennwagen zu erhöhen. Die deutliche Reduktion des Fahrzeuggewichts durch die Verwendung von Bioverbundwerkstoffen bei Fahrzeugaußenbauteilen war dabei das erklärte Ziel. Zudem sollte die Werkstoffmatrix aus biobasiertem Kunststoff bestehen. Am Ende der Entwicklungsphase wurden großflächige Karosserieteile wie Motorhaube, Tür, Heckklappe, Dach-/Heckspoiler, Unterbodenabdeckung aus biobasiertem Duroplast mit Leinenfasern gefertigt. Während der Bauteilentwicklungsphase war neben dem Testen verschiedener Materialkonzepte eine flexible bauteilspezifische Verarbeitung ein Untersuchungsschwerpunkt. Dabei wurde ermittelt, inwieweit gängige Maschinen und Verfahren für Bioverbundwerkstoffe einsetzbar sind, denn ein Anreiz für das Verwenden einer neuen Werkstoffgeneration stellen die geringen Investitionskosten dar. Erfolgreich durchgeführt wurden die Untersuchungen mit einer branchenbekannten Extruder- und Spitzgussmaschine. Als Ergebnis der Entwicklungsarbeit wurde eine erhebliche Gewichtseinsparung am Fahrzeug erzielt. Allein durch Substitution von Stahl durch einen Bioverbundwerkstoff bei Türen, Motorhaube und Heckklappe wurde eine Gewichtsreduktion von 67 kg erreicht. Bei einem Bauteil konnte durch das Substitut das Gewicht um 60 % reduziert werden. Die deutliche Gewichtsersparnis führt in der Nutzungsphase zu einem geringeren Verbrauch und damit zu einem niedrigeren CO2-Ausstoß bei Verbrennungsmotoren oder einer größeren Reichweite bei Elektrofahrzeugen. Neben den erwähnten Vorteilen gegenüber Stahlbauteilen sind weiterhin die Fragen nach Crash-Verhalten und Reparaturmöglichkeiten zu klären. Ein biobasierter Faserverbundwerkstoff weist gegenüber einem fossilbasierten Verbundwerkstoff einen signifikanten Kostenvorteil auf. Die Kosten für Leinenfasern lagen bei ca. 2,50 Euro/kg und für Kohlefasern bei ca. 30 Euro/kg.
Gewichtsreduktionen bis zu 30 % im optimierten Nutzfahrzeugbau sind keine Seltenheit mehr. LKW können dadurch mehr Fracht transportieren, Kraftstoff einsparen und die Verkehrsnetze entlasten. Durch die Optimierung bei Transportbetonmischern, kann fast bis 1 m³ mehr Beton pro Fahrt transportiert werden. Für nutzlastintensive Branchen wie den Tank- und Silobereich entspricht eine Nutzlaststeigerung von 150 kg einem Mehrerlös von jährlich 1500 €. Weitere Beispiele für Effizienzsteigerungen bei LKW durch Leichtbau sind: Eine neue leichte Vorder- und Hinterachsaufhängung, die insgesamt rund 80 kg weniger Gewicht ins Nutzfahrzeug bringt. Ein neuer Leichtbaurahmen aus Stahl, der 30 % weniger wiegt. Ein Vierpunktlenker, der drei Fahrwerksaufgaben in einem Bauteil vereint (Längs- und Querführung der Achse und Wankstabilisierung). Mithilfe dieser Bauelemente entfallen Dreiecklenker, Stabilisator und andere Komponenten zur Fahrwerkanbindung, wodurch das Gewicht der Gesamtachse reduziert wird. Außerdem wird gerade daran geforscht, den Vierpunktlenker anstelle der Gussausführung mit Faserverbundwerkstoffen herzustellen, sodass zusätzlich der Werkstoffleichtbau forciert wird. Eine Konzeptstudie zeigte bereits, dass der aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) hergestellte Vierpunktlenker im Vergleich zur Gussvariante etwa 25 % (entspricht 11 kg) leichter ist. Auch das Gewicht neu entwickelter Kabinendämpfungsmodule wurde um bis zu 30 % reduziert. Im Vergleich zu dem Gesamtgewicht von LKW klingt das zunächst nach wenig. Wenn allerdings auf die gesamte Kilometerleistung von Fernverkehrfahrzeugen hochgerechnet wird, kommen jährlich durchschnittlichen 150.000 km und bei 6 Jahren Einsatzdauer 900.000 km Gesamtlaufleistung zusammen. Dann wird die Steigerung der Nutzlast in der beschriebenen Größenordnung durchaus rentabel.
Hybrider Leichtbau verspricht bei niedrigem Gewicht eine hohe Perfomance. Da allerdings die Herstellung sowie die Entsorgung mit hohen Energieaufwänden bzw. schwierigen Trennprozessen verbunden sind, ist ihr Einsatz aus Sicht der Ressourceneffizienz kritisch zu betrachten. Aus diesem Grund ist es zumindest erstrebenswert, die Fasern durch weniger energieintensive Fasern zu substituieren. Das Schweizer Unternehmen Bcomp hat gemeinsam mit seinem Partner Lange + Ritter innovative Lösungen für nachhaltigen Leichtbau auf Basis von Flachs entwickelt. Die Hightech-Materiallösungen ermöglichen eine Steigerung der Performance von Kohlefaserbauteilen und eine gleichzeitige Senkung von Kosten um 30% und die CO2-Emissionen um bis zu 75% . Die Technologie ermöglicht es zudem, Kohlefaser- und Glasfaserbauteile zu verstärken, wodurch das Bauteilgewicht bei gleicher Performance um bis zu 20% gesenkt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Materiallösung mit denselben Maschinen und Werkzeugen verarbeitet werden kann, wie Carbonfasern. Die Technologien eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, von Sportgeräten bis hin zu Raumfahrtanwendungen. Das Material kann wie herkömmliche Faserverbundwerkstoffe verarbeitet werden und ist bereits in vielen Bereichen im Einsatz.
Im Leichtbau werden oft unterschiedliche Materialtypen miteinander kombiniert, deren Zusammenfügen eine Herausforderung darstellt. Dabei werden häufig poröse Werkstoff eingesetzt, die sich aufgrund ihrer Hohlräume kaum für herkömmliche Fügeverfahren eignen. Vorlöcher schwächen das Material. Darüber hinaus benötigen Klebeverbindungen lange Aushärtzeiten und eignen sich nur für einen bestimmten Temperaturbereich. Die MultiMaterial-Welding AG hat daher eine Technologie entwickelt, mit der sich Leichtbau- und Mischmaterialien schnell und ohne Materialschwächung verbinden lassen. Dabei verschmelzen thermoplastische Elemente durch Ultraschallenergie in den porösen Werkstoffstrukturen. Somit wird ein Formschluss zwischen den beiden Materialien hergestellt, der über eine große Fläche und ein hohes Volumen verfügt und damit für eine stabile Verbindung sorgt. Der Prozess wird durch Künstliche Intelligenz überwacht, die die entstandene Verbindung mittels intelligenter Algorithmen auswertet. Dadurch können unsichere Verbindungen aussortiert werden, ohne dass zerstörende Werkstückprüfungen notwendig sind. Auch sammelt die Software Daten, auf deren Grundlage künftige Projekte entwickelt und neue Materialkombinationen geprüft werden sollen. Es sind bereits drei Fügeverfahren für unterschiedliche Werkstofftypen im Einsatz. Die „LightWWeight Pins“ ermöglichen das Fügen von polyurethan-geschäumten Leichtbauwerkstoffen. Mit der „LightWWeight Lotus“-Technologie lassen sich Faserverbundwerkstoffe und Textilien fixieren. Auch dünne Bleche können ohne Vorbohren mit dem darunter liegenden Material verbunden werden. Die metallische „InWWerse Disc“ ermöglicht das Fügen von zwei nicht schweißbaren Kunststoffen oder aber auch von Kunststoff und Metall. Die Technologie ermöglicht es, auch Werkstücke mit geringen Wandstärken zu verbinden. Beim herkömmlichen Schweißen braucht es in der Regel circa 3 mm Wandstärke. Mit diesen Verfahren können bereits viele Anwendungsfälle abgedeckt werden, welche die MultiMaterial-Welding-Plattform mit neuen Lösungsansätzen auch für kommende Kundenanforderungen erweitern möchte.
Das Projekt "Teilprojekt 2: Praxis und Umsetzung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von H. Nestler GmbH & Co. KG durchgeführt. Die Region 'Elbtal Sachsen' hat sich nach dem Niedergang der traditionellen Textilindustrie als Vorreiter auf dem Gebiet des Leichtbaues mit Faserverbundwerkstoffen etablieren können. Dazu gehören insbesondere auch die erfolgreichen Forschungsarbeiten zum Textilbeton (Carbonbeton). Mit der Substitution von Metallen durch die Faserverbundwerkstoffe fallen mit dem Lebenszyklusende faserhaltige Abfälle an, die - anders als konventionelle Metalle - bisher noch kein etablierter Teil der Recyclingkette sind. Dabei stellt das Recycling von Carbonbetonabfällen die größten Anforderung an die Prozesse. Die Region 'Elbtal Sachsen' soll als Zentrum des regionalen Bündnisses für Kreislauf- und Ressourcenwirtschaft von Faserverbundwerkstoffen eine Modellregion ausbilden und Abnehmer für faserverstärkte Werkstoffabfälle für Sachsen und gegebenenfalls angrenzender Gebiete sein. Angesichts vielfältigster Verwertungsoptionen, die bisher wiederum nicht als geschlossener Wertstoffkreislauf umgesetzt werden, wollen sich die Antragssteller den Herausforderungen des hochwertigen Recyclings von Faserverbundwerkstoffen (CFK, GFK, Textilbeton) und der Neuausrichtung der Stoffkreisläufe stellen. Die Aktualität der daraus entstehenden Wiederverwendungs- und Entsorgungsproblematik für kohlenstoff- und glasfaserverstärkten Kunststoff sowie die hohe Praxisrelevanz werden auf allen Ebenen und ausdrücklich von Seiten der Politik und der Wirtschaft betont. Ziel des hier beantragten Verbundvorhabens ist die Erarbeitung eines Konzeptes für die Umsetzung im Rahmen des Programms 'WIR!'. Der Beitrag des Teilvorhabens ist die Analyse und Darstellung der Unternehmersicht hinsichtlich der Risiken und der Potenziale bei der Einführung neuer Prozesse und Technologien. Dabei werden verschiedene Branchenvertreter miteinbezogen. Es werden konkrete Strategien und Szenarien für die Anpassung der vorhandenen Unternehmensstrukturen an die Verwertung von Faserverbundwerkstoffen entwickelt.
Das Projekt "HiPOC - High Performance Oxide Ceramics: Hochleistungs-Oxidkeramiken zur Steigerung der Energieeffizienz" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Antriebstechnik durchgeführt. 1. Dieses Vorhaben ist Bestandteil des Verbundprojektes HiPOC des BMBF-Rahmenprogramms Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft - WING. Das Arbeitsziel ist die Entwicklung von Komponenten für Flugtriebwerke mit verbesserter Energieeffizienz aus neuartigen keramischen Faserverbundwerkstoffen. Die Funktion einer keramischen Rohrbrennkammer soll bei für Triebwerke möglichst realen Betriebsbedingungen im Prüfstand demonstriert werden. Die Hochtemperaturstabilität der Faserverbundmaterialien soll erreicht werden, indem eine wirksame Wärmedämmschicht auf dem Verbundmaterial appliziert wird. 2. Keramische Brennkammerwandelemente werden thermisch und mechanisch ausgelegt. Die Auslegung wird an ebenen Prüflingen experimentell überprüft und die Kühlungseigenschaften charakterisiert. Es werden Befestigungskonzepte zur Halterung der keramischen Komponenten entwickelt, hergesellt und getestet. Die oxidkeramischen Werkstoffe werden mit Hinblick auf die Anwendung in Triebwerken und Brennkammern weiterentwickelt und deren Eigenschaften charakterisiert. Für höhere Einsatztemperaturen werden Wärmedämmschichten entwickelt und ihre Kompatibilität mit dem Basismaterial analysiert. Die Qualität der Proben und Bauteile wird kontinuierlich durch zerstörungsfreie Verfahren geprüft. Zum Projektende wird die Funktion einer keramischen Rohrbrennkammer bei relevanten Bedingungen demonstriert und der erzielbare Effizienzgewinn für Triebwerke evaluiert. 3. Die Ergebnisse sollen mittelfristig genutzt werden, um in einem Folgeprojekt Prototypen aus einer Kleinserienfertigung zu testen. In enger Anbindung an DLR WF steht mit der WPX Faserkeramik GmbH ein Partner zur Verfügung, der die gewonnenen Erkenntnisse in die industrielle Fertigung von Gasturbinenkomponenten übernehmen kann.
Überblicksstudie über verfügbare und umweltfreundliche Techniken Rotorblätter von Windenergieanlagen bestehen aus Faserverbundstoffen, die bislang sehr unterschiedlich entsorgt wurden. Das Umweltbundesamt (UBA) hat nun ein umfangreiches Kompendium über die nachhaltige Nutzung und die Abfallbehandlung von Rotorblättern vorgelegt. Mit dem Ende der Lebensdauer von vielen Windenergieanlagen in den nächsten beiden Jahrzehnten werden auch viele Faserverbundwerkstoffe anfallen, für deren Verwertung es noch keine eindeutigen Vorgaben gibt. In diesem Jahrzehnt ist mit einem Abfallaufkommen von jährlich bis zu 20.000 Tonnen Rotorblattmaterial zu rechnen, für die 2030er-Jahre werden bis zu 50.000 Tonnen pro Jahr vorhergesagt. Die Rotorblattstudie des UBA zeigt nun, wie diese Mengen am besten demontiert und recycelt werden können. Während für das Recycling der meisten Bestandteile von Windenergieanlagen ausreichende Kapazitäten und klare Verfahren zur Verfügung stehen, ist dies bei Rotorblattabfällen bislang noch nicht der Fall. Die Verwertung dieser sehr großen und hochfesten Anlagenteile wurde bislang nur von einzelnen Entsorgungsfachbetrieben vorgenommen, welche aber keine Daten zur Wiederverwertung bzw. Recyclingfähigkeit lieferten. Die Verwertung war damit technisch und wirtschaftlich kaum einzuschätzen oder zu bewerten. Dirk Messner, Präsident des Umweltbundesamtes: „Unsere Studie zeigt: Wir müssen Klimaschutz von Anfang an mit zirkulärem Wirtschaften verbinden. Wie für Rotorblätter gilt dies ebenso für Lithium-Ionen-Batterien, Solaranlagen oder andere Klimatechnik. Abfall zu vermeiden sollte bei jeder technischen Klimaschutzinnovation das Ziel sein. Zusätzlich müssen Recyclingkonzepte für die Produkte entwickelt werden.“ Im Auftrag des Umweltbundesamtes wurden nun die verfügbaren Demontagetechniken untersucht, anhand umweltrelevanter Kriterien beurteilt und Anforderungen an den Arbeits- und Umweltschutz formuliert. Werden die Rotorblätter beispielsweise vor dem Recycling direkt am Standort der Windenergieanlage zerkleinert, kann carbon- oder glasfaserhaltiger Staub freigesetzt werden. Hier müssen entsprechend Verfahren festgelegt werden, damit dieser Staub nicht in die Umwelt gelangt oder die Gesundheit der Arbeitenden beeinträchtigt. Für die folgende Rotorblattaufbereitung in einem Recyclingbetrieb werden verbindliche qualitätssichernde Standards vorgeschlagen. Besonderes Augenmerk der Studie liegt auf Zerkleinerungstechnologien und Methoden der Fraktionierung. Für die Trennung sämtlicher Komponenten wurde ein mehrstufiges Ablaufschema entwickelt, das für alle Rotorblattvarianten verwendet werden kann. Die verschiedenen möglichen Verwertungsverfahren für die unterschiedlichen Bestandteile eines Rotorblatts werden detailliert beschrieben, um so allen Verwertern Zugang zu den sichersten und umweltfreundlichsten Verfahren zu geben. Dabei zeigt sich: Bei der Verwertung von Carbonfasern haben sich Pyrolyse und Rückgewinnung etabliert. Die Verwertung von glasfaserverstärkten Kunststoffen verläuft bisher hingegen noch nicht optimal. Die Verwertung im Zementwerk ist eine Möglichkeit. Neue Forschungen legen jedoch nahe, den Einsatz in der hochwertigeren Glasverhüttung zu prüfen. Das Umweltbundesamt empfiehlt für die Zukunft technische Normen, nach welchen einerseits die Beschaffenheit von Rotorblättern für die spätere Demontage und das Recycling dokumentiert wird und welche andererseits produktspezifische Separations- und Verwertungsverfahren festschreiben.
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