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H2Giga: Serienproduktion und Industrialisierung von integrierten & sektorgekoppelten Elektrolysesystemen für Wasser, H2Giga_TP_SINEWAVE: Serienproduktion und Industrialisierung von integrierten & sektorgekoppelten Elektrolysesystemen für Wasser

Nachhaltiges Brenngas für Industrieprozesse, Teilvorhaben: Infrarot-Messungen der Fluidisierungsbedingungen und Bildauswertung

In der Industrie werden Hochtemperaturprozesse (800 - 2000°C) zur Produktion von Zementklinker, Kalk oder anderen Produkten eingesetzt. In diesen Prozessen wird meist Erdgas oder Kohle für die Erzeugung von Hochtemperaturprozesswärme eingesetzt. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines einsatzfähigen Systems für die Konversion von Klärschlamm und anderen biogenen Rest- und Abfallstoffen in ein Brenngas zur direkten Substitution von fossilen Brennstoffen in Hochtemperaturindustrieprozessen. Im Rahmen von NaBI werden folgende Innovationen erforscht und erprobt, um die spezifischen Anforderungen der Hochtemperaturindustrieprozesse zu erfüllen: (1) Flexibilisierung des Gasifizierungsverfahrens bezüglich der Brennstoffqualität durch Optimierung der Wirbelschichtfluidisierung und damit Ermöglichung der Gasifizierung von Klärschlamm wechselnder Qualität sowie von weiteren Rest- und Abfallstoffen für einen breiten Einsatz des NaBI-Ansatzes. (2) Steigerung des Heizwerts des Brenngases durch Einsatz von Sauerstoff: Dadurch wird in gängigen Hochtemperaturprozessen eine weitaus höhere Substitutionsrate von Primärenergie ermöglicht. (3) Optimierung der Qualität der Klärschlammasche als Rohstoff für die Phosphorrückgewinnung durch Einsatz von Additiven. Damit wird die Attraktivität der Asche für Phosphorrückgewinnung erhöht. (4) Untersuchung und Nachweis des Einsatzes von Infrarot-Kamerasystemen für die Prozessüberwachung und -regelung. Bis 2026 wird die Marktreife für die optimierte Brenngasbereitstellung für Industrieprozesse durch Klärschlammgasifizierung erreicht, sodass die erste kommerzielle Anlage bis 2027 realisiert werden kann.

Labor-und Praxisuntersuchungen des Aufschüsselns und Aufwölbens ein- und zweischichtiger Betonfahrbahndecken mit Recyclingzuschlag

Das Aufschüsseln bzw. Aufwölben ein- und zweischichtiger Betonfahrbahndecken soll im Labor überwiegend an 3,0 m langen einseitig eingespannten Betonbalken (freie Kraglänge 2,5 m) untersucht werden. Die Laboruntersuchungen sollen durch Verformungsmessungen mit einem Lasermessgerät in-situ an ein- und zweischichtigen Betonfahrbahndecken überprüft werden. Insbesondere sollen auch jahres- und tageszeitlich sowie witterungsbedingte Schwankungen (Feuchte bzw. Temperatureinfluss) der Verformungen mit erfasst werden. Mit Originalausgangsstoffen der jeweiligen Versuchsstrecken werden Laborprobekörper hergestellt. Der Einfluss des Feuchtezustands von RC-Betonzuschlag beim Einbau (kernfeucht bzw. trocken) auf das Aufschüsseln (Aufwölben) wird an ein- und zweischichtigen Betonbalken untersucht. Die Betonbalken werden an der Unterseite befeuchtet (schlechte Entwässerung) bzw. abgedichtet (gute Entwässerung). An der Oberseite können sie bei unterschiedlichen Luftfeuchten austrocknen und werden zyklisch wiederbefeuchtet, um den Einfluss von Niederschlägen zu erfassen.

Strukturklebstoffe auf Basis epoxidierter Öle, Teilvorhaben 3: Demonstrator mit biobasiertem Klebstoff geklebter Scharspitze

Ziel des Vorhabens ist es, biobasierte Strukturklebstoffe zu entwickeln. Die Basis besteht aus epoxidierten Pflanzenölen und Polymilchsäure. Der Anteil nachwachsenden Kohlenstoffs soll mindestens 95% betragen. Neben guten Anfangsfestigkeiten soll der Klebstoff vor allem auch gute Dauergebrauchseigenschaften aufweisen, damit der zu entwickelnde Demonstrator, geklebte Scharspitze für einen Grubber, eine lange Lebensdauer aufweist. Gleichzeitig soll der geklebte Hartmetallbesatz austauschbar sein. Die als Demonstrator gewählte Scharspitze soll auch zeigen, dass nachwachsende Rohstoffe für die harschen Bedingungen der Landwirtschaft geeignet sind: Vom Acker für den Acker. Epoxidierte Pflanzenöle werden zusammen mit Polyolen auf der Basis von Milchsäure formuliert und dann unter Zusatz weiterer Komponenten anhydridisch oder kationisch gehärtet. Die notwendigen Rohstoffe, vor allem die Polyole, die epoxidierten oder maleinisierten Pflanzenöle werden in angepasster Weise synthetisiert und teilweise neu entwickelt. Die notwendigen guten Dauergebrauchseigenschaften werden durch Additive erzielt, welche bevorzugt auch biobasiert sein sollen. Für die Härtung werden neben der photochemischen und thermischen Initiierung auch neuartige Methoden wie die Vorbestrahlung und Frontalpolymerisation erprobt. Der für den Demonstrator eingesetzte Klebstoff wird mittels LCA auf seinen ökologischen Impact untersucht. Als Demonstrator wird eine Scharspitze für einen Grubber entwickelt, bei welcher der Hartmetallbesatz mit dem am besten geeigneten biobasierten Strukturklebstoff aus dem Projekt geklebt wird. Insbesondere um auch den Austausch des geklebten Hartmetallbesatzes zu ermöglichen, muss die Scharspitze neu konstruiert werden. Dieser Demonstrator wurde gewählt, da er im Hinblick auf die erforderlichen mechanischen Eigenschaften und die Dauerbeständigkeit unter den harschen Bedingungen der Landwirtschaft besonders anspruchsvoll ist.

Energieeffiziente additive Fertigung durch Rezirkulation von Pulvermaterial und Energieströmen, Teilvorhaben: Entwicklung eines lernfähigen Mess- und Steuerungssystems für Pulverförderungsanwendungen

Mit Verknappung der Ressourcen an Primärenergieträgern und Ausgangsrohstoffen für Hightech-Anwendungen (z.B. Titan, Inconel) und steigenden Anforderungen an den Klimaschutz wächst auch der wirtschaftliche und politische Druck zur Steigerung der Energieeffizienz in der additiven Fertigung (AM - additive manufacturing). Dabei ist zu beachten, dass hierbei neben einer energetischen Optimierung der Anlagentechnik auch die Einsparung Metallpulver einhergeht mit einem drastisch reduzierten Einsatz von Primärenergie zu dessen Herstellung. Im Mittel kann davon ausgegangen werden, dass mit jedem recycelten Kilogramm Titanpulver in etwa 95 kWh gespart werden können. Dieses Vorhaben avisiert ein energieeffizientes Funktionsmuster für optimale Metall-Pulver- und Inertgasaufbereitung für die additive Fertigung mit kontinuierlicher Überwachung und Regelung der Prozesse sowie normgerechte Dokumentation, sodass es allerhöchste Anforderungen aus der Produktion für Klasse-1-AM-Bauteile erfüllt und gleichzeitig den Anforderungen an eine signifikante Reduktion des Endenergieverbrauchs und des CO2-Footprints gerecht wird sowie zur Ressourcenschonung beiträgt. Erstmalig wird durch eine lückenlose Qualitätsüberwachung der Güte des Pulvers und der Anlagenumgebung, unter anderem im Sinne der Sicherheit und Effizienz, kontinuierlich kontrolliert, geregelt und dokumentiert.

Steigerung der Energieeffizienz bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen durch Einsatz eines heißdrahtbasierten Laserauftragschweißverfahrens, Teilvorhaben: Konstruktion und Fertigung des koaxialen Laserauftragschweißkopfes und Laserprozessentwicklung

Metallische Bauteile mit Strukturauflösungen von weniger als einem Millimeter werden in der Additi­ven Fertigung überwiegend mit pulverbasierten Verfahren hergestellt. Von den während der Bauteilgenerierung zugeführten Pulverpartikeln wird nur ein vergleichsweise geringer Anteil Teil der Bauteilgeometrie. Die erforderliche Energie für das Pulverwiederaufbereiten sowie der Umstand, dass trotz Wiederaufbereitung nicht alle über­schüssigen Pulverpartikel erneut verwendet werden können, sind bei pulverbasierten generativen Fer­tigungsverfahren zwei unvermeidliche Faktoren, die zusammen mit dem hohen Schutzgasbedarf deren Energieeffizienz und Ressourcenschonung limitieren. Hier knüpft das Vorhaben an und zielt auf die Entwicklung ei­nes energieeffizienten Verfahrens zum Laserauftragschweißen mit metallischen Drähten im Durchmes­serbereich von 100 µm ab. Dabei soll der Draht senkrecht zur Substratoberfläche zuge­führt werden und von vier einzeln ansteuerbaren, auf einem koaxialen Ring um die Drahtlängsachse angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. Zusätzlich wird der Draht in der Prozesszone durch Widerstandserwärmung auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes erwärmt. Zusammen mit einer konsequent auf minimalen Energiebedarf ausgelegten Maschinensteuerung wird es mit diesem Verfahren möglich sein, dünnwandige Mikrobauteile mit einer gegenüber Konkur­renzverfahren um fast 60 % gesteigerten Effizienz zu fertigen. Im Teilvorhaben ist einerseits beabsichtigt, einen Laserbearbeitungskopf zu entwickeln. Dieser umfasst vier einzelne Strahlquellen sowie eine geeignete Strahlführung. Der Bearbeitungskopf verfügt zudem über eine mechanische Schnittstelle zur Aufnahme eines Drahtvorschubs. Anderseits werden in diesem Teilvorhaben Auftragschweißprozesse im Laboraufbau und im Versuchsstand eines Projektpartners unter industriellen Bedin­gungen entwickelt. Der Nachweis der industrienahen Einsetzbarkeit soll anhand der Fertigung anwendungstypischer Demonstratorbauteile erfolgen.

Beurteilung von Mikroorganismen und Stoffen in Futtermitteln sowie tierischen Faekalien

A. Einleitende Problemstellung, B. Mikroorganismen und deren Stoffwechselproduke, C. Stoffe zum vorbeugenden Gesundheitsschutz und zur Leistungsfoerderung, 1. Mittel zur Bekaempfung von Vorratsschaedlingen, 2. Konservierungsmittel, 3. Arzneimittel, 4. Reinigungsmittel, 5. Desinfektionsmittel, 6. Stoffe, die die Futterverwertung verbessern, D. Weitere anorganische und organische Stoffe, E. Schlussbetrachtung und Ausblick.

Verschränkung der hochintegrierten Elektrochemischen Konversion von Kraftlignin mit biotechnologischen und chemischen Prozessen zu drop-in Chemikalien und Intermediaten für stoffliche Anwendungen, Teilvorhaben 4: Biotechnologische Konversionen

Das Gesamtziel von IntElek-to 2.0 ist die Entwicklung einer nachhaltigen Wertschöpfungskette zur Darstellung und stofflichen Nutzung monomerer und oligomerer Oxidationsprodukte des Kraftlignins, das bislang einer nahezu ausschließlichen thermischen Verwertung zugeführt wird. Dieses Projekt umfasst hierbei die Optimierung der elektrochemischen, anodischen und kathodischen, kontinuierlichen Verfahren und Prozesstechnologien zur Darstellung von o.g. monomeren und weiteren entschwefelten, funktionalen lignin-stämmigen Verbindungen, Pinacol-Kopplungsprodukten und anderen biphenylischen Intermediaten und oligomeren Verbindungen. Die Kopplung mit biotechnologischen Verfahren zur Funktionalisierung, mit nachhaltiger organischer Polymersynthesechemie (aromatische gesättigte und ungesättigte Polyester, NIPU, PU, PIR und Polyharnstoff, Epoxydharze) und konventioneller katalytischer Chemie zu Polymeranwendungen (Klebstoffe, Beschichtungen, additive Fertigung, Schäume, Abformmassen) erweitert die Wertschöpfungskette im Hinblick auf marktorientierte Anwendungen. Unter anderem wird der Einsatz der innovativen Bio-Monomere für bedeutende Massenmärkte wie die Herstellung von PUR/PIR Isolationsschäumen erforscht. PIR/PU Isolationsschäume mit einem Marktanteil von über 30% des weltweiten PU-Verbrauchs, leisten einen erheblichen Beitrag zur CO2-Minderung in der Bauindustrie. Dies soll durch eine Verschränkung der o.g. Sektoren (Elektrochemie, Biotechnologie, nachhaltige Synthese- und Polymersynthese-Chemie) zur stofflichen Nutzung des nachwachsenden Rohstoffes Kraftlignin erreicht werden.

Strukturoptimierte Leichtbauwerke durch Additive Fertigung im Pulverbett, Teilvorhaben: Aufbau aus 3 D-Pulverbettgedruckten Bauteilen

Verschränkung der hochintegrierten Elektrochemischen Konversion von Kraftlignin mit biotechnologischen und chemischen Prozessen zu drop-in Chemikalien und Intermediaten für stoffliche Anwendungen

Das Gesamtziel von IntElek-to 2.0 ist die Entwicklung einer nachhaltigen Wertschöpfungskette zur Darstellung und stofflichen Nutzung monomerer und oligomerer Oxidationsprodukte des Kraftlignins, das bislang einer nahezu ausschließlichen thermischen Verwertung zugeführt wird. Dieses Teilprojekt umfasst hierbei die Optimierung der elektrochemischen, anodischen und kathodischen, kontinuierlichen Verfahren und Prozesstechnologien zur Darstellung von o.g. monomeren und weiteren entschwefelten, funktionalen lignin-stämmigen Verbindungen, Pinacol-Kopplungsprodukten und anderen biphenylischen Intermediaten und oligomeren Verbindungen. Die Kopplung mit biotechnologischen Verfahren zur Funktionalisierung, mit nachhaltiger organischer Polymersynthesechemie (aromatische gesättigte und ungesättigte Polyester, NIPU, PU, PIR und Polyharnstoff, Epoxydharze) und konventioneller katalytischer Chemie zu Polymeranwendungen (Klebstoffe, Beschichtungen, additive Fertigung, Schäume, Abformmassen) erweitert die Wertschöpfungskette im Hinblick auf marktorientierte Anwendungen. Unter anderem wird der Einsatz der innovativen Bio-Monomere für bedeutende Massenmärkte wie die Herstellung von PUR/PIR Isolationsschäumen erforscht. PIR/PU Isolationsschäume mit einem Marktanteil von über 30% des weltweiten PU-Verbrauchs, leisten einen erheblichen Beitrag zur CO2-Minderung in der Bauindustrie. Dies soll durch eine Verschränkung der o.g. Sektoren (Elektrochemie, Biotechnologie, nachhaltige Synthese- und Polymersynthese-Chemie) zur stofflichen Nutzung des nachwachsenden Rohstoffes Kraftlignin erreicht werden.

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