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Ressortforschungsplan 2024, Potenziale und Bewertung solvolytischer und lösemittelbasierter Verfahren für das Recycling bestimmter Kunststoffabfallströme

Chemisches Recycling von Kunststoffabfällen wird seit Jahren intensiv diskutiert. In einem laufenden Refoplan-Vorhaben werden die thermochemischen Technologien des chemischen Recyclings (Pyrolyse, Verölung, Vergasung) evaluiert und mit dem werkstofflichen Recycling sowie der energetischen Verwertung verglichen. Neben diesen für gemischte Kunststoffabfälle eingesetzte Verfahren gibt es auch Verfahren die Lösemittel nutzen. Dabei bleiben entweder Polymere erhalten (lösemittelbasiertes Recycling) oder in Monomere zerlegt (Solvolyse). Solche Verfahren fokussieren im Regelfall auf bestimmte Kunststoffarten (z.B. PUR, PET). Mit diesem Vorhaben soll die Lücke geschlossen werden, die nach dem laufenden Refoplan-Vorhaben verbleibt, und auch diese Arten des Recyclings adressiert werden. Geeignete Technologien des solvolytischen und lösemittelbasierten Recyclings von Kunststoffabfällen sollen identifiziert und bewertet werden. Dafür sollen geeigneten Abfallströme identifiziert und die vorhandenen Mengen abgeschätzt werden. Hierbei muss eine eindeutige Abgrenzung zu den mittels herkömmlichen Methoden des werkstofflichen Recyclings ökologisch und ökonomisch sinnvoller zu behandelten Abfällen gezogen werden. Weiterhin sollen bereits existierende Anlagen/Techniken im Detail untersucht und deren Praxistauglichkeit evaluiert werden. Neben den Techniken für das Recycling sollen hierbei die notwendigen Vorbehandlungs- und Produktaufreinigungsschritte im Detail betrachtet werden. Anhand verfügbarer Daten sollen dann Energie- und Massenbilanzen für ausgewählte, als sinnvoll erachtete Prozesse erstellt werden. In einem weiteren Schritt solle Kriterien für die Feststellung der ökologischen Vorteilhaftigkeit der Verfahren anhand der detaillierten Energie- und Massenbilanzen abgeleitet werden. Auch die Behandlungs- und Investitionskosten für die im Detail betrachteten Verfahren sollen abgeschätzt werden.

Pyrolyse dickwandiger Faserverbundwerkstoffe als Schlüsselinnovation im Recyclingprozess für Rotorblätter von Windenergieanlagen, Teilvorhaben: Entwicklung eines Mikrowellen-Versuchsreaktors und Erforschung der CFK-Mikrowellenpyrolyse im Durchlaufverfahren

In einem durchgängig modulierten Multifrequenz-Laborofen, der mit zwei magnetronbasierten Mikrowellengeneratoren 6 kW bei einer Arbeitsfrequenz von 2,45 GHz und einem magnetronbasierten Mikrowellengenerator 5 kW bei einer Arbeitsfrequenz von 915 MHz, der zugehörigen Messtechnik (einfallende und reflektierte Mikrowellenleistung, IR-Kamera bzw. -Pyrometern etc.) sowie alle notwendigen Gasdurchführungen ausgerüstet ist, wird das gesamte Prozessparameterfeld für den vorgesehenen Pyrolyseprozess praxisnah ermittelt. Zudem werden die ermittelten Prozessparameter für die Auslegung der kontinuierlichen Mikrowellenpyrolyse-Durchlaufanlage verwendet. Durch die umfassende elektromagnetische Simulation werden die notwendigen bzw. optimalen Feldhomogenität und Frequenzbereiche ermittelt und anschließend entschieden, ob die auf der magnetronbasierende Mikrowellentechnik für die vorgesehene Mikrowellenpyrolyse technisch ausrechend ist. Diese Frage ist im Hinblick auf die Prozesswirtschaftlichkeit von großer Bedeutung, da die halbleiterbasierte Mikrowellentechnik zurzeit mind. um den Faktor vier teurer als die herkömmliche Magnetron-Technologe ist. Durch die Kombination beider Arbeitsfrequenzen 915 MHz und 2.45 GHz werden die Feldhomogenität und Eindringtiefe der Mikrowellenstrahlung erheblich erhöht. Dadurch werden Hot- und Coldspots vermieden. Die notwendige Leistungsanpassung zwischen den Mikrowellengeneratoren und der Last (Kammer + Produkt) erfolgt über manuelle 3-Stub-Tuner. Die Feldhomogenität wird durch die Verwendung von IR-Temperaturmesssystem mit spezieller Software erfasst und kontrolliert.

Bau und Betrieb einer Biogasanlage zur gemeinsamen Vergärung von Wirtschaftsdüngern mit anschließender Aufbereitung zu Biomethan

Das Verbundvorhaben zwischen der Bioenergy Concept GmbH und des CC4E der HAW Hamburg hat zum Ziel, eine innovative Modell- und Demonstrationsanlage im Landkreis Lüneburg zu realisieren, die Wirtschaftsdünger von mehreren Landwirtschaftsbetrieben zentral zu Biogas vergärt und weiter zu Biomethan aufbereitet. Die hierfür nötige Prozesswärme wird durch den Betrieb einer Pyrolyse erzeugt. Der Einsatz ligninhaltiger Reststoffen und die Produktion von Biokohle stellen ein nachhaltiges und ökologisch zukunftsfähiges Verfahren dar. Das produzierte Biomethan soll primär im Verkehrssektor eingesetzt werden. Als potentieller Hauptabnehmer hat der Landkreis Lüneburg bereits sein Interesse bekundet, das Biomethan in der vom Landkreis betriebenen Elbfähre Bleckede - Neu Darchau und zukünftig auch im ÖPNV zu nutzen. Die als Nebenprodukt pyrolytisch erzeugte Biokohle soll zur Tierfütterung und zur Stabilisierung der Prozessbiologie im Fermenter eingesetzt werden. Sie trägt so zur Aufwertung der Gärreste und zum Humusaufbau der landwirtschaftlichen Flächen bei. Das Ziel der wissenschaftlichen Begleitung seitens der HAW ist es, die Akzeptanz zur Vergärung von Wirtschaftsdüngern zu untersuchen und ggfs. zu stärken. Für die Grundlage des dafür angestrebten Wissenstransfers in alle beteiligten Gruppen soll eine umfangreiche Ausarbeitung bestehender Forschungsergebnisse dienen. Zusätzlich wird mittels Nährstoffanalysen von Edukten und Produkten ein praxisspezifischer Kenntnisstand geschaffen, insbesondere der durch Gärung bedingten, veränderten Düngeeigenschaften von Wirtschaftsdünger. Ferner soll ein allgemeiner Leitfaden zur energetisch-stofflichen Nutzung von Wirtschaftsdüngern in Biogasanlagen geschaffen werden. Eine Bilanzierung von Treibhausgasemissionen der Demonstrationsanlage bilden die Grundlage für mögliche Erweiterungen. Das Verbundvorhabens ist auf drei Jahre vom 07/2023 - 6/2026 ausgelegt und hat ein angestrebtes Fördervolumen von 1,38 Mio €.

Pyrolyse sekundärer landwirtschaftlicher Biomassen: Datenbank zu Pflanzenkohle-Eigenschaften und agronomische Bewertung

Ziel des Projekt BC-LOOKUP ist die Erstellung einer umfangreichen Datenbank zu Eigenschaften von Pflanzenkohlen aus sekundären, landwirtschaftlichen Biomassen, die auch den Einfluss unterschiedlicher Pyrolysebedingungen und -technologien abbildet. Darauf aufbauend wird ein frei zugängliches online Klimafarming-Tool entwickelt, in dem Landwirt*innen auf Basis grundlegender Daten ihres Betriebes (bewirtschaftete Fläche, Kulturen, Anzahl Tiere) das Potential für die Herstellung von Pflanzenkohle berechnen können und Vorschläge erhalten, durch welche Maßnahmen (z.B. Feldhecken) die hierfür erforderliche Menge Biomasse erzeugt werden kann. Ferner werden die Daten für die Klima- bzw. Erdsystem-Modellierung und Forschung/Politikberatung bereitgestellt, um auf Basis von Biomassepotentialstudien den möglichen Beitrag von Pyrolyse zu nachhaltigem Ressourcenmanagement der Zukunft berechnen zu können.

Bau und Betrieb einer Biogasanlage zur gemeinsamen Vergärung von Wirtschaftsdüngern mit anschließender Aufbereitung zu Biomethan, Teilvorhaben 1: Konzeptionierung und Bau der Biogasanlage, Projektkoordination

Das Verbundvorhaben zwischen der Bioenergy Concept GmbH und des CC4E der HAW Hamburg hat zum Ziel, eine innovative Modell- und Demonstrationsanlage im Landkreis Lüneburg zu realisieren, die Wirtschaftsdünger von mehreren Landwirtschaftsbetrieben zentral zu Biogas vergärt und weiter zu Biomethan aufbereitet. Die hierfür nötige Prozesswärme wird durch den Betrieb einer Pyrolyse erzeugt. Der Einsatz ligninhaltiger Reststoffen und die Produktion von Biokohle stellen ein nachhaltiges und ökologisch zukunftsfähiges Verfahren dar. Das produzierte Biomethan soll primär im Verkehrssektor eingesetzt werden. Als potentieller Hauptabnehmer hat der Landkreis Lüneburg bereits sein Interesse bekundet, das Biomethan in der vom Landkreis betriebenen Elbfähre Bleckede - Neu Darchau und zukünftig auch im ÖPNV zu nutzen. Die als Nebenprodukt pyrolytisch erzeugte Biokohle soll zur Tierfütterung und zur Stabilisierung der Prozessbiologie im Fermenter eingesetzt werden. Sie trägt so zur Aufwertung der Gärreste und zum Humusaufbau der landwirtschaftlichen Flächen bei. Das Ziel der wissenschaftlichen Begleitung seitens der HAW ist es, die Akzeptanz zur Vergärung von Wirtschaftsdüngern zu untersuchen und ggfs. zu stärken. Für die Grundlage des dafür angestrebten Wissenstransfers in alle beteiligten Gruppen soll eine umfangreiche Ausarbeitung bestehender Forschungsergebnisse dienen. Zusätzlich wird mittels Nährstoffanalysen von Edukten und Produkten ein praxisspezifischer Kenntnisstand geschaffen, insbesondere der durch Gärung bedingten, veränderten Düngeeigenschaften von Wirtschaftsdünger. Ferner soll ein allgemeiner Leitfaden zur energetisch-stofflichen Nutzung von Wirtschaftsdüngern in Biogasanlagen geschaffen werden. Eine Bilanzierung von Treibhausgasemissionen der Demonstrationsanlage bilden die Grundlage für mögliche Erweiterungen. Das Verbundvorhabens ist auf drei Jahre vom 07/2023 - 6/2026 ausgelegt und hat ein angestrebtes Fördervolumen von 1,38 Mio €.

Pyrolyse dickwandiger Faserverbundwerkstoffe als Schlüsselinnovation im Recyclingprozess für Rotorblätter von Windenergieanlagen, Teilvorhaben: Quasikontinuierliche Batch-Pyrolyse

Im Rahmen des Verbundvorhabens RE_SORT werden Pyrolyse-Technologien entwickelt, die das Recycling von dickwandigen Faserverbundstrukturen zum Ziel haben. In diesem Teilvorhaben wird eine Quasikontinuierliche Batch-Pyrolyse (QBP) entwickelt. Hierbei handelt es sich um einen Pyrolyseprozess, in dem das Matrixharz von dicken Faserverbundbauteilen (Glas- und Kohlenstofffasern) durch externe Erhitzung in ölige und vor allem gasförmige Verbindungen thermisch zersetzt wird. Das Pyrolysegas wird zur motorischen Erzeugung von Strom und Wärme sowie zum Beheizen der Pyrolysekammern genutzt. In der QBP werden die zu behandelnden Teile getrennt voneinander im ruhenden Zustand pyrolysiert, so dass die zurückbleibenden Fasern der Verbundmaterialien sortenrein dargestellt werden und in ihrer ursprünglichen Orientierung (Länge und Ausrichtung) für die nachfolgende Verwertung bereitgestellt werden können. Pyrolyseöle werden abgeschieden und für eine stoffliche Verwertung bereitgestellt. Im Rahmen des Teilvorhabens erfolgt die konstruktive und verfahrenstechnische Entwicklung der Versuchsanlage. Nach dem Vorliegen der notwendigen Genehmigungen erfolgt die Fertigung und die Errichtung der Versuchsanlage, deren Kern aus 3 miteinander verschalteten Pyrolysekammern mit einem Volumen von je ca. 10 m3 besteht. Im Rahmen des anschließenden Betriebs der Versuchsanlage erfolgt die weitere Prozessentwicklung, in der ermittelt wird, wie die Produktion von Pyrolysegas in Bezug auf Menge und Qualität über die Zeit für einen kontinuierlichen Betrieb gesteuert werden kann. Weiterhin werden die Prozessbedingungen für die Erzeugung möglichst hochwertiger Produkte (Glas- und Carbonfasern, Pyrolyseöl) optimiert. Darauf aufbauend wird eine großtechnische QBP-Anlage für die industrielle Nutzung konzipiert. Ziel ist es, die Entwicklung der QBP so weit voranzubringen, dass im Anschluss des Vorhabens eine erste großtechnische Pilotanlage errichtet werden kann.

German Engineered Renewable Wind Turbine Blade, Teilvorhaben: Entwicklung der Faserhalbzeuge für kreislauffähiges Rotorblattdesign

Verfahrensentwicklung zur Produktion von Biokoksbriketts aus pyrolysierten Siebüberläufen als Substitution von fossilem Gießereikoks in Kupolöfen, Teilvorhaben: Untersuchungen zur Nutzbarkeit als Energieträger und Spender von strukturstärkendem Kohlenstoff in Kupolöfen

Erschließung von Ressourcen- und Energieeffizienzpotentialen für faserverbundkeramische Hochtemperatur-Leichtbausysteme durch digitale Transformation bestehender Fertigungsstrukturen

Herstellung biobasierter Vernetzer für grüne Polymerisate (BioCrosslinkers)

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