Die beantragte Klimakammer wird im Rahmen des vom MWFK Brandenburg seit 2009 geförderten Verbund-Forschungsvorhabens BIOBRA und zukünftiger Forschungsvorhaben eingesetzt. In BIOBRA arbeitet eine interdisziplinäre Forschergruppe von grundlagenorientierten Nachwuchswissenschaftlern/lnnen des MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam (Prof. Dr. M. Antonietti) und angewandten Wissenschaftlern/Innen der FH Eberswalde (Prof. Dr. Murach) zusammen. Durch die Verschneidung der innovativen Forschungsbereiche der hydrothermalen Karbonisierung (HTC-Forschung des Prof. Antonietti 2008 ausgezeichnet mit dem 'ERC Advanced Grant' der EU) und der Agrarholzproduktion (BMBF-Verbund-Forschungsvorhaben DENDROM des Prof. Murach 2007 in die BMBF-Hightechstrategie aufgenommen) soll der Einsatz der durch hydrothermale Karbonisierung aus Abfallstoffen gewonnenen 'Biokohle' zur Bodenverbesserung (Nährstoff- und Wasserspeicherung) degradierter Standorte und zur C-Sequestrierung am Beispiel der Agrarholzproduktion (Anbau schnellwachsender Baumarten im Kurzumtrieb) untersucht werden.Durch dieses Projekt wird die Agrarholzforschung der FH Eberswalde um einen experimentellen Ansatz erweitert, mit dem sie einen Beitrag zu den neuen, internationalen Forschungsschwerpunkten 'Biochar' / 'Black Carbon' / 'Terra Preta' leisten kann.Die Klimakammer soll Schnelltests zur Optimierung der verschiedenen Biokohlen als Bodenzusatzstoff für Pappel- und Weidenstecklingen unter standardisierten Umweltbedingungen ermöglichen.
Aufgrund der Pflicht zur getrennten Sammlung von Bioabfällen aus Privathaushalten (§ 11 Abs. 1 KrWG) ist mit einem deutlichen Anstieg der Mengen dieser Bioabfälle zu rechnen (Biotonne und Gartenabfälle ca. 3 - 4 Mio. t/a). Mit dem 2016 vergebenen FuE-Vorhaben 'Hochwertige Verwertung von Bioabfällen im Anlagenbestand' (FKZ 3715343140) wird die hochwertige bodenbezogene stoffliche Verwertung der Bioabfälle nach Vergärung und/oder Kompostierung unter Berücksichtigung des Anlagenbestands untersucht. Mittlerweile sind Entwicklungen und Tendenzen ersichtlich, wonach Bioabfälle auch anderen stofflichen und energetischen Verwertungen zugeführt werden können (z. B. Biodiesel/Biokraftstoff, Biokohle - Terra Preta, HTC usw.). Daher sollen mit einem weiteren FuE-Vorhaben Kriterien ermittelt werden, die anderweitige stoffliche und energetische hochwertige Verwertungen von Bioabfällen beschreiben. Dabei sollen neben den bereits heute erprobte Verfahren/Techniken auch solche Verwertungsmöglichkeiten betrachtet werden, bei denen die Einsetzbarkeit erst in absehbarer Zeit zu erwarten ist. Hieraus sollen Anforderungen abgeleitet werden, die an eine hochwertige Verwertung von Bioabfällen zu stellen sind, und unter Berücksichtigung der §§ 6 - 8 KrWG und möglicher Mehrfachnutzungen (energetisch-stofflich, stofflich-energetisch, energetisch-energetisch) eine Rangfolge der umweltverträglichen Verwertungen auf Grundlage ökobilanzieller Bewertungen erstellt werden. Dem soll zu Vergleichszwecken eine nach dem Stand der Technik besonders hochwertige Verwertung von nicht getrennt gesammelten Bioabfällen aus Privathaushalten (Verwertung zusammen mit Restabfall) gegenüber gestellt werden, zudem sind die Verfahren den klassischen Bioabfallverwertungsverfahren (Kompostierung, Vergärung) sowie der Eigenkompostierung gegenüberzustellen. Zu den vorgeschlagenen Anforderungen sowie den Maßnahmen zur Umsetzung ist eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchzuführen.
Bei der Hydrothermalen Carbonisierung (HTC) von Klärschlamm wird unter Druck und Temperatur innerhalb weniger Stunden eine regenerative Kohle hergestellt. Damit wird gegenüber anderen Klärschlammentsorgungsverfahren eine erhebliche Steigerung der Energieeffizienz und Reduktion der Treibhausgasemissionen erreicht. Die internationale Markteinführung der Technologie ist erfolgt - TerraNova Energy hat 2016 in Jining/China die weltweit erste großtechnische HTC-Anlage in Betrieb genommen, die der Herstellung von HTC-Kohle als Ersatzbrennstoff dient. Beim Verfahren fallen neben der HTC-Kohle große Mengen Prozesswasser an, die dem stark wasserhaltigen Klärschlamm während des Prozesses entzogen werden. Es enthält hohe Konzentrationen an Kohlenstoff und Nährstoffen wie Phosphor und stellt daher einerseits ein großes Nutzungspotential aber ohne weitere Behandlungsschritte andererseits auch eine Rückbelastung des Klärprozesses bei der Integration auf einer Kläranlage dar. Auf Grundlage erfolgsversprechender Voruntersuchungen sollen zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit Nutzungspfade für das Prozesswasser entwickelt und im Technikumsmaßstab nachgewiesen werden: - Rückgewinnung von mindestens 50% des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors aus dem Prozesswasser und Konditionierung zu einem handelbaren Produkt - Fermentation des an P abgereicherten Prozesswassers zur Erzeugung von Biogas und Untersuchungen zur energetischen Kopplung der Verfahren.
Es soll ein Membran Bioreaktor entwickelt und optimiert werden, der im anaeroben Bereich arbeitet und mittels angeschlossenem Photobioreaktor Industrieabwässer aus der Nahrungsmittelindustrie nahezu komplett und emissionsfrei recycled. Das System wird hochwertiges Effluent für einen unbeschränkten Einsatz als Nährstoff erzeugen, während der die entstehenden kohlestoffhaltigen Feststoffe in Biogas in Hydrokohle mittels Hydrothermaler Karbonisierung umgewandelt werden. Das bei der Biogasverbrennung entstehende CO2 wird zur Algenproduktion genutzt. Der Liquor aus der Karbonisierung dient als Nährstoff für die Mikroalgenproduktion. Das Effluent wird über eine spezielle Membran aufkonzentriert, die in ein Algen-Erntesystem integriert wird, welches über eine spezielle Steuerungssoftware diesen Prozess optimiert. Die Partner aus Israel konzentrieren ihre Arbeiten auf die Integration der Membrantechnologie in die Prozesskette, während die deutschen Partner die erforderliche Mikroalgenproduktion an das System anpassen und die Prozesskette optimieren. Eine Demonstrationsanlage wird in Israel an einer Kläranlage aufgebaut.
In diesem Projekt wird der anaerobe mikrobielle Abbau von Erdölkohlenwasserstoffen in methanogenen Bioreaktoren zur Behandlung von Erdölschlämmen als umweltfreundliche und ressourcenschonende Alternative zur Verbrennung oder Deponierung getestet. Erdölschlämme sind Abfälle aus der Erdöl verarbeitenden Industrie, die aufwändig entsorgt werden müssen. Durch Vorbehandlung der Erdölschlämme mittels hydrothermaler und oxidativer Verfahren (Catalytic Wet Air Oxidation, Low Pressure Oxidation) soll die Bioverfügbarkeit der schwer abbaubaren Kohlenwasserstofffraktionen erhöht werden. Aus organisch belasteten Umweltkompartimenten (Altlast-Standorte der Petrolchemie) werden methanogene mikrobielle Konsortien angereichert und in Batch-Kulturen bei verschiedenen Temperaturen auf optimalen Abbau von Erdölfraktionen getestet. Das am besten geeignete Konsortium wird in Biogasreaktoren zur Behandlung der vorbehandelten Erdölschlämme eingesetzt, wobei die Effizienz des anaeroben Abbaus durch den Zusatz leicht vergärbarer und kostengünstiger Kosubstrate (organische Abfall- und Reststoffe aus der Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie) gesteigert wird. Durch hydrothermale Karbonisierung erfolgt die Umwandlung der Gärreste in Kohle und gelöste organische Bestandteile, welche anschließend durch oxidative Verfahren abgebaut werden. Somit wird der organische Kohlenstoff aus den Erdölschlämmen in Form von Biogas und Kohle zurückgewonnen, während alle weiteren Bestandteile weitgehend oder vollständig mineralisiert werden und teilweise zur Rückgewinnung mineralischer Ressourcen dienen können. Das Vorhaben dient dem Aufbau einer bilateralen wissenschaftlichen Kooperation zwischen dem UFZ und der TU Istanbul auf den Gebieten der Umwelttechnologie und Biotechnologie. Beide Partner bringen ihre jeweiligen Kompetenzen auf den Gebieten der Umweltchemie, Umweltmikrobiologie und der Umweltingenieurwissenschaften sowie ihre Forschungsinfrastruktur ein.
Überschussenergie in Form von Strom aus regenerativer Produktion, der mit relativ geringer und variierender Verfügbarkeit anfällt, soll flexibel und hoch effizient in einem 'Power to Heat' Prozess wirtschaftlich sinnvoll genutzt werden. Im Rahmen des Projektes E-Power-Konverter soll ein existierendes Konzept im Detail weiterentwickelt, theoretisch validiert und mit Unternehmen der Stahlindustrie und des Anlagenbaus auf die Machbarkeit in der betrieblichen Praxis hin diskutiert werden. Dieses Konzept sieht vor, dass relativ kurzfristig anfallender überschüssiger Strom dazu genutzt wird, das im Abgas eines Hochofens enthaltene CO2 mit Hilfe der umgekehrten Boudouard-Reaktion zu CO umzusetzen. Zu diesem Zweck wird eine Kohleschüttung in einem entsprechenden Reaktor (E-Power-Konverter) mit dem vorhandenen überschüssigen Strom auf Temperaturen größer als 1000 Grad C aufgeheizt und das Abgas des Hochofens über diese Kohleschüttung geleitet. Durch die umgekehrte Boudouard Reaktion wird das CO2 zu einem hochwertigen, für die Einleitung in den Hochofen geeignetem Gas aufgewertet. Das Gas könnte auch in anderen Bereichen eines integrierten Hüttenwerkes verwendet werden. Bei fehlendem Überschussstrom wird der Hochofen in konventioneller Weise betrieben. Neben Kohle soll auch die Verwendung zusätzlicher Reststoffe wir Klärschlamm, hydrothermale Kohle und Bioreststoffe getestet werden. Hierzu wird auf Basis realer Betriebsdaten eine Massen- und Energiebilanz des Hochofenprozesses und des Hochofenprozesses in Kombination mit einem E-Power-Konverter aufgestellt. Im Rahmen von Laborversuchen werden wesentliche Problemfelder bei einer großtechnischen Umsetzung identifiziert.
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