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IBÖM09: ClimateCow - Entwicklung eines Futtermittelzusatzes zur Reduktion klimaschädlicher Methanemissionen in der Nutztierhaltung

Entwicklung und industrieller Einsatz eines schadstoffarmen Oxy-Fuel-Brennersystems für die energetische Nutzung von grünem Ammoniak in der Stahlindustrie, Teilprojekt SMS: Auslegung, Konstruktion, additive Fertigung und numerische Untersuchung des NH3-Oxy-Fuel-Brennersystems

Der Klimawandel ist eine der Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, wobei die durch die Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzten Treibhausgas(THG)-Emissionen, insbesondere CO2, einen wesentlichen Beitrag zur globalen Erwärmung leisten. Wasserstoff wird importiert werden müssen, um die benötigten Energiemengen für die Industrie in Deutschland bereitzustellen. Grünes NH3 kann als CO2-freier Brennstoff neben H2 eine bedeutende Rolle spielen. Bezogen auf Transportvolumina hat H2 einen geringeren spezifischen Heizwert als NH3: NH3 lässt sich dagegen bereits bei -33 °C unter Normdruck verflüssigen, was den Transport erheblich vereinfacht. Bewährte Transport- und Speicheroptionen für NH3 sind vorhanden. Bei der NH3-Verbrennung ist jedoch mit hohen NOX-Emissionen zu rechnen, zudem neigen NH3-Flammen zur Instabilität. Mit Hilfe von reaktionskinetischen Untersuchungen, CFD-Simulationen und experimentellen Untersuchungen im semi-industriellen Maßstab sollen typische Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung mit dem Brennstoff NH3 erprobt und in ein zu entwickelndes Oxy-Fuel-Brennersystem integriert werden. Durch die Oxy-Fuel-Verbrennung soll die feuerungstechnische Effizienz erhöht sowie die Stabilisierung der NH3-Verbrennung erreicht werden. Das zu entwickelnde Brennersystem soll im Anschluss an die Entwicklungsarbeiten in einem industriellen Wärmebehandlungsofen mit Ammoniak im realen Betrieb getestet werden.

Nachhaltiges Brenngas für Industrieprozesse, Teilvorhaben: Optimierung und Demonstration der Wasserdampfsauerstoff-Gasifizierung von Klärschlamm zum Einsatz in Hochtemperaturprozessen

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.

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.

Isoliermaterial aus nachwachsenden Rohstoffen

Altpapier mit Zuschlagstoffen unter Mikrowelle aufschäumen. Erweiterung auf Stroh und ähnliches.

CO2- und kreislaufoptimierte additive Produktdesigns und LPBF-Fertigungsprozesse für ressourceneffiziente Nutzfahrzeugkomponenten, Teilvorhaben: Methoden für R-Strategien in der Produktentwicklung

Das Projekt 'COOPERATE' zielt darauf ab, die Energie- und Umweltkosten additiv gefertigter, metallischer Bauteile für Nutzfahrzeuge, insbesondere Stadt- und Reisebusse (z.B. eCitaro), zu minimieren und die Ressourceneffizienz durch Leichtbau und Kreislaufstrategien (R-Strategien) zu steigern. Es wird erwartet, dass im Rahmen des Projekts etwa 100 kg Gewicht pro Bus eingespart werden, was in der Nutzungsphase eine Energieeinsparung von 2.100 kWh pro Bus bedeutet. In der Herstellungsphase liegt das Energieeinsparpotenzial mit den verwenden Verfahren pro Bus bei ca. 13.500 kWh. Diese Einsparungen sollen durch Leichtbaudesigns, prädiktive Lebenszyklusanalysen und Prozessoptimierungen für R-Strategien erreicht werden. Im Nutzfahrzeugbereich sind Leichtbau-Ansätze ('Reduce'-Strategie) aufgrund der Elektrifizierung besonders wichtig, um die Antriebsenergie zu reduzieren. Die langlebigen Fahrzeuge bergen Potenziale für R-Strategien wie 'Repair' und 'Remanufacturing', um den Einsatz von Primärrohstoffen zu minimieren. Die prädiktive Lebenszyklusanalyse (LCA) spielt dabei eine zentrale Rolle, da 80 % der ökologischen Kosten während der Produktentwicklung bestimmt werden. Das Projekt setzt auf zwei Standorte, um additive Prozessketten mit dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren und Sensorik zur bauteilspezifischen Messung von Energie- und Materialverbräuchen abzubilden. Im Rahmen des Projektes werden ca. 25 Bauteile untersucht und fünf davon umfassend ökologisch und ökonomisch bilanziert. Folgende Themenbereiche werden adressiert: (1) R-Strategien im Produktdesign, um den Materialeinsatz zu reduzieren, (2) die Anwendung und Optimierung von AM-Bauteilen in der Nutzungsphase und (3) die Bewertung von End-of-Life-Szenarien und R-Strategien hinsichtlich ihrer ökologischen und ökonomischen Vorteile.

CO2- und kreislaufoptimierte additive Produktdesigns und LPBF-Fertigungsprozesse für ressourceneffiziente Nutzfahrzeugkomponenten, Teilvorhaben: Multikriteriell optimierte Produktdesigns und Umsetzung von R-Strategien mit LPBF-Prozessen

Das Projekt 'CO2OPERATE' zielt darauf ab, die Energie- und Umweltkosten additiv gefertigter, metallischer Bauteile für Nutzfahrzeuge, insbesondere Stadt- und Reisebusse (z.B. eCitaro), zu minimieren und die Ressourceneffizienz durch Leichtbau und Kreislaufstrategien (R-Strategien) zu steigern. Es wird erwartet, dass im Rahmen des Projekts etwa 100 kg Gewicht pro Bus eingespart werden, was in der Nutzungsphase eine Energieeinsparung von 2.100 kWh pro Bus bedeutet. In der Herstellungsphase liegt das Energieeinsparpotenzial mit den verwenden Verfahren pro Bus bei ca. 13.500 kWh. Diese Einsparungen sollen durch Leichtbaudesigns, prädiktive Lebenszyklusanalysen und Prozessoptimierungen für R-Strategien erreicht werden. Im Nutzfahrzeugbereich sind Leichtbau-Ansätze ('Reduce'-Strategie) aufgrund der Elektrifizierung besonders wichtig, um die Antriebsenergie zu reduzieren. Die langlebigen Fahrzeuge bergen Potenziale für R-Strategien wie 'Repair' und 'Remanufacturing', um den Einsatz von Primärrohstoffen zu minimieren. Die prädiktive Lebenszyklusanalyse (LCA) spielt dabei eine zentrale Rolle, da 80 % der ökologischen Kosten während der Produktentwicklung bestimmt werden. Das Projekt setzt auf zwei Standorte, um additive Prozessketten mit dem Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren und Sensorik zur bauteilspezifischen Messung von Energie- und Materialverbräuchen abzubilden. Im Rahmen des Projektes werden ca. 25 Bauteile untersucht und fünf davon umfassend ökologisch und ökonomisch bilanziert. Folgende Themenbereiche werden adressiert: (1) R-Strategien im Produktdesign, um den Materialeinsatz zu reduzieren, (2) die Anwendung und Optimierung von AM-Bauteilen in der Nutzungsphase und (3) die Bewertung von End-of-Life-Szenarien und R-Strategien hinsichtlich ihrer ökologischen und ökonomischen Vorteile.

Modellhafter Einsatz von 'gasbetriebenen Fahrzeugen'

Verminderung von schwermetallhaltigen Emissionen durch Gewebefilter der Herstellung von Leuchtstoffen. Der bei der Herstellung von Leuchtstoffen entstehende Abgasstrom, der Antimonverbindungen, anorganische Chlor- und Fluorsalze, Salzsaeure und Ammoniak enthaelt, wird ueber Materialabscheider zur Staubrueckgewinnung durch Abgassammelleitungen erfasst und zur Staubentfernung in Materialabscheider geleitet. Bedingt durch die verschiedenartige chemische Belastung der Abgase sowie durch die Tatsache, dass die Antimonverbindungen aufgrund ihrer hohen Fluechtigkeit durch das Filter sublimieren, ist eine Chemisorption vorgesehen. Als Additiv soll Calciumhydroxid eingesetzt werden. In einer zentralen Gewebefilteranlage werden die schwermetallhaltigen Abgase auf einen Reststaubgehalt von max. 2 mg/m3 gereinigt. Das Abgasreinigungskonzept fuehrt gleichzeitig zu einer Verminderung der Abluftmenge um mehr als 50 Prozent. Ausserdem werden Staubmessgeraete mit optischer und akustischer Alarmgabe eingebaut.

Nachhaltiges Brenngas für Industrieprozesse

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Die Rolle von Nährstoffen für die Variabilität der Auswirkungen von Trockenheit auf die Zusammensetzung und Produktivität von Grassländern entlang von Landnutzungsgradienten - ein Merkmals-basierter Ansatz (BEtol2)

Landnutzung und Niederschlagsbedingungen sind wichtige Faktoren für die Diversität und Ökosystemfunktion von Grassländern weltweit, und sind zwei der wichtigsten Treiber des globalen Wandels. Ökosysteme werden gleichzeitig Änderungen von Bodennährstoffen (z.B. durch Düngung) und im Rahmen des Klimawandels häufigeren und intensiveren Trockenheitereignissen ausgesetzt sein. In Kombination können die beiden Faktoren additiv wirken, oder sich gegenseitig verstärken oder abschwächen. Demzufolge variiert die Gemeinschafts- und Ökosystemreaktion auf Trockenheit je nach den Nährstoffbedingungen. Die Mechanismen von Interaktionen von Nährstoffen und Trockenheit bleiben bisher unverstanden, und wir können daher derzeit nicht vorhersagen, bei welcher Landnutzung Grassländer mehr oder weniger sensitiv auf Trockenheit reagieren.Das Hauptziel des Projektes ist es, unsere Vorhersagen für die Konsequenzen von Globalem Wandel auf Grassländer zu verbessern. Dazu werden die kombinierten Effekte von Nährstoffen und Trockenheit auf der Ebene von einzelnen Pflanzenmerkmalen und von Gesamtpflanzen untersucht, und integriert mit Effekten von Trockenheit auf die Zusammensetzung und Produktivität von Pflanzengemeinschaften entlang von Landnutzungsgradienten in Grassländern.In einem Gewächshausexperiment werden wir für 16 Arten, die in den Exploratorien häufig sind, vergleichend die Plastizität im Hinblick auf Nährstoffe für einen umfassenden Satz von mehr als 20 physiologischen, morphologischen und Gesamtpflanzen-Merkmalen untersuchen, die relevant für den Wasserhaushalt von Pflanzen sind. In einem 'common garden' Experiment werden wir die kombinierten Effekte von Nährstoffen und Trockenheit (und ihre Interaktionen) für Gesamtpflanzen dieser Arten quantifizieren. Zusätzlich werden wir die Effekte von experimenteller und natürlicher Trockenheit entlang von Gradienten der Nährstoffverfügbarkeit und Landnutzung (insbesondere Düngung) in den Exploratorien bestimmen. Die direkte Verknüpfung der Daten auf Ebene von Merkmalen, Gesamtpflanzen, Gemeinschaften und Ökosystemen wird unser mechanistisches Verständnis von kombinierten Effekten von Nährstoffen und Trockenheit auf Grassländer unter derzeitigen und zukünftigen Bedingungen verbessern. Die Ergebnisse werden sowohl in angewandter als auch in wissenschaftlicher Hinsicht wichtige neue Erkenntnisse liefern.

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