Forschungsdatenblätter

HAUSHEBUNG IN ÜBERSCHWEMMUNGSGEBIETEN AM BEISPIEL DES ELBE- DORFES BROCKWITZ

Bedingt durch den Klimawandel treten in Deutschland extreme Hochwasserereignisse immer häufiger auf. Als Schutzmaßnahme gegen die dadurch entstehenden Wasserschäden werden seit Jahrhunderten Deiche errichtet. In urbanen Bereichen ist dies, aufgrund hoher Baukosten, des hohen Platzbedarfs und der nicht immer vorhandenen Akzeptanz eines Deichbauwerks, oft nicht möglich. Eine bevorzugte Alternative sind statische Ersatzsysteme wie freistehende Spundwände. Während diese weniger Platz benötigen, sind sie aber oftmals nicht mit der Orts-, Freiraum- und Landschaftsplanung oder dem Denkmalschutz in urbanen Gebieten zu vereinbaren.

So ist auch in dem Dorf Brockwitz, das allein in den letzten Jahren dreimal ein Extremhochwasser der Elbe erlebte, der Bau einer Hochwasserschutzeinrichtung wirtschaftlich und ökologisch fraglich. Neben der Weitläufigkeit des Landschaftsraums ist nur ein Teil des Dorfes direkt von den Überschwemmungen betroffen.

Das Projekt „Haushebung in Ueberschwemmungsgebieten am Beispiel des Elbe-Dorfes Brockwitz" wird deshalb die Umsetzung des „Hebungsverfahrens" für im Überschwemmungsgebiet liegende einzelne Häuser bzw. Häusergruppen untersuchen.

TECHNOLOGIEENTWICKLUNG ZUR GEWINNUNG VON SEKUNDÄRGRAPHIT AUS REZYKLIERTEN KOHLENSTOFFFASERN

Graphit als Rohstoff der High-Tech-Industrie ist ein seltenes und begehrtes Mineral, das bislang nahezu vollständig aus Drittländern nach Europa importiert werden muss. Ziel eines neuen  Forschungsprojekts der Technischen Hoschschule Nürnberg ist die Entwicklung eines Verfahrens zur (Wieder-)Gewinnung von Sekundärgraphit aus rezyklierten Kohlenstofffasern.

Im Jahr 2010 untersuchte eine Arbeitsgruppe der europäischen Kommission mehrere Materialien und bewertete deren Kritikalität bezüglich ihres Versorgungsrisikos und der wirtschaftlichen 

Bedeutung für Europa. Im Ergebnis lag eine Liste mit 14 Rohstoffen vor, die aufgrund ihrer Seltenheit und Bedeutung für die europäische Wirtschaft als kritisch eingeschätzt wurden. Darunter befand sich auch das Industriemineral Graphit. Bis heute werden bis zu 95 % des Graphits aus China importiert. Aufgrund des hohen Bedarf für die High-Tech- Industrie und der großen  Lieferabhängigkeit, ist die Versorgungssicherheit dieses wertvollen Rohstoffs auch für die deutsche Industrie als potenziell kritisch anzusehen.

PRODUKTGESTALTUNG MIT SEKUNDÄRROHSTOFFEN IN DER BAUSTOFF- UND KERAMIKINDUSTRIE

Bauschutt und Sekundärbaurohstoffe stellen mit rund 85 Mio. Tonnen einen der größten Abfallströme in Bayern dar (Stand 2008). Von diesem Bauschutt, der hauptsächlich aus Ziegeln, Beton und Mörtel zusammengesetzt ist, werden weniger als zwei Drittel recycelt. Nur knapp 5 % dieser recycelten Stoffe gelangen anschließend als hochwertiges Produkt in den Hochbau zurück. Obwohl der Großteil der Bau-Reststoffe derzeit vornehmlich im Straßenbau verwendet wird, bleiben jährlich ca. 15 - 20 Mio. Tonnen Bauschutt unrezykliert. Angesichts dieser Zahlen ist ein Umdenken in der Baustoffrückgewinnung notwendig. Ähnlich wie auf dem Gebiet der Energiegewinnung aus regenerativen Energieträgern muss im Bereich der Bauschutt-Verwertung 

eine eigenständige Technologieentwicklung vorangebracht werden, um Baustoffabfälle
effizienter zu recyceln.


Das Forschungsprojekt „BauKera - Produktgestaltung mit Sekundärrohstoffen in der Baustoff- und Keramikindustrie“ verfolgt deshalb den Ansatz, insbesondere Baustoffabfälle aus dem Hochbau (knapp 52 Mio. Tonnen jährlich) so zu recyceln, dass durch verschiedene Prozesse neue Produkte für verschiedene Marktsegmente hergestellt werden können. Darüber hinaus wird im Rahmen des Projekts erstmals untersucht, wie Baustoffabfälle effizient in der Keramikindustrie eingesetzt werden können.

ABFALLVERMINDERUNG DURCH RECYCLING EPOXIDHARZBASIERTER STOFFE

In der Herstellung von Windkraftanlagen, in der Luftfahrt und im Automobilbau werden Faserverbundkunststoffe (FVK) aufgrund ihrer exzellenten Eigenschaften eingesetzt. Sie kombinieren die Eigenschaften der verstärkenden, kraftaufnehmenden Fasern mit denen der polymeren, formgebenden Matrix und erlangen so eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei vergleichsweise geringer Dichte. 

Da die Faserverbundkunststoffe meist starken Belastungen unterworfen sind, werden in der Produktion meist Duromere eingesetzt, wobei ein Viertel aller Komposite Epoxidharze sind. Bislang können Faserverbundkunststoffe, die auf Epoxidharz basieren, jedoch nur unzureichend recycelt werden, weshalb in dem Vorlaufforschungsprojekt ARES ein geeigneter Recyclingprozess entwickelt werden soll.

MIKROALGEN FÜR DIE NACHHALTIGE AQUAKULTUR

In der Bioökonomie werden biologische Ressourcen für die Produktion von Chemikalien, Wertstoffen, Nahrungsmitteln, Futtermitteln und Energie genutzt. Dabei werden nachwachsende Rohstoffe eingesetzt, ohne nicht-nutzbare Nebenprodukte zu schaffen. So können auch Mikroalgen vielfältige Produkte herstellen: pharmazeutische Wirkstoffe, Kosmetikprodukte, Feinchemikalien, Farbstoffe, Nahrungsergänzungsmittel wie mehrfach ungesättigte Fettsäuren, Nahrungsmittel für Menschen, Tiere und die Aquakultur, aber auch Massenchemikalien und Bioenergie. Mikroalgen nutzen wie Landpflanzen Sonnenlicht und CO2 um Sauerstoff und Energie herzustellen. Im Gegensatz zu Landpflanzen können Mikroalgen aber fünf Mal mehr Biomasse pro Hektar bilden, wobei über die Hälfte dieser Biomasse Öl enthalten kann. 

Auch können Mikroalgen in Gegenden kultiviert werden, die für Landpflanzen ungeeignet sind, wie offene Meeresflächen und Trockengebiete.


Derzeit können nur Hochwertprodukte, wie pharmazeutische Substanzen und Feinchemikalien, ökonomisch sinnvoll hergestellt werden. Andere Produkte sind nicht teuer genug um eine kostenintensive Herstellung im Bioreaktor zu rechtfertigen.
Im Forschungsvorhaben „Mikroalgen für die nachhaltige Aquakultur“ sollen deshalb verschiedene Mikroalgen zur Reinigung von Abwässern und der gleichzeitigen Produktion von mehrfach ungesättigten Fettsäuren untersucht werden.

MODULARE PROZESSKETTE ZUR DEZENTRALEN RÜCKGEWINNUNG VON AUSGEWÄHLTEN TECHNOLOGIEMETALLEN

Technologiemetalle und Seltenerdelemente sind wichtige Rohstoffe für Hightech-Industrienationen. Insbesondere die in Elektrogeräten genutzten Elemente Gallium, Germanium, Neodym sowie Tantal, gelten durch die hohe Nachfrage und gleichzeitig begrenzte Verfügbarkeit als besonders wertvolle Materialien. Hightech-Industrienationen wie Deutschland sind bei der Versorgung mit diesen Elementen nahezu vollständig importabhängig, was in naher Zukunft zu einer Herausforderung für die produzierenden Unternehmen wird, die es zu bewältigen gilt.

Zwar ist mit Abfallströmen wie Elektro- und Elektronik- Altgeräten (EAG) eine wesentliche Quelle für fast alle relevanten Metalle verfügbar. Das tatsächliche Rückgewinnungspotenzial wird nach heutigem Stand jedoch bei weitem nicht ausgeschöpft. Ziel des Forschungsprojekts „gagendta“ der TH Nürnberg und den beteiligten Projektpartnern ist es daher, eine neuartige Prozesskette zu gestalten, über die ausgewählte Hochtechnologie-Metalle aus EAG (vorzugsweise) dezentral zurückgewonnen werden.

RECYCLING VON ROTORBLÄTTERN ZUR VERWERTUNG VON BALSAHOLZ/SCHAUM FÜR DIE HERSTELLUNG VON DÄMMSTOFFEN

Ein großer Teil erneuerbarer Energien wird durch Windkraftanlagen erzeugt. Die Rotorblätter dieser Anlagen haben eine ungefähre Lebensdauer von 10 – 20 Jahren. Nach Ablauf dieser Zeit werden sie mit geringem Energiegewinn verbrannt, wodurch keine weitere Nutzung der Stoffe möglich ist. Im Forschungsprojekt „Recycling 

von Rotorblättern zur Verwertung von Balsaholz/Schaum für die Herstellung von Dämmstoffen“ soll ein Recycling- und Verwertungsverfahren entwickelt werden, welches eine möglichst sortenreine Trennung der Materialien erlaubt und diese für neue Anwendungen nutzbar macht.

RECYCLING VON KOMPOSITBAUTEILEN AUS KUNSTSTOFFEN ALS MATRIXMATERIAL

Das Forschungsprojekt „ReKomp“ verfolgt das Ziel, große Kompositbauteile – etwa Rotorblätter von Windkraftanlagen – optimal zu recyclen. Derzeit wird die Demontage großflächiger Kompositbauteile mit Sägen oder vergleichbaren mechanisch aufwendigen Werkzeugen durchgeführt. Diesem zeitaufwendigen Vorgang folgt nicht selten ein Transport der demontierten Bauteile über weite Strecken, der mit weiterem Aufwand und Kosten verbunden ist.

Bei Kompositbauteilen und -materialien handelt es sich zum einen um großformatige Bauteile und im Mikromaßstab um Fasern und/oder Partikeln, beispielsweise Nanopartikel oder Carbon Nanotubes (CNT). Beide Werkstoffe nutzen im Verbund spezielle 

Vorteile der duroplastischen Matrix und der Füll- oder Verstärkungsmaterialien (Fasern oder Partikel). Die dadurch entstandene funktionalisierte Struktur erschwert – neben der differenten Bauteilgröße – jedoch die stoffliche Verwertung dieser Bauteile.

Zur Entwicklung einer ökonomisch und ökologisch günstigen Recyclinglösung der Bauteile ist es wichtig, die gesamte Recyclingkette – von der Demontage über die Aufbereitung bis hin zur Bereitstellung von verarbeitungsfähigen Sekundärrohstoffen – zu betrachten. Darauf aufbauend sollen Technologien und Verfahren entwickelt werden, um das Potenzial von Kompositbauteilen in einem zweiten Lebenszyklus nutzen zu können.

RECYCLING VON WÄRMEDÄMMVERBUNDSYSTEMEN

Aufgrund steigender energetischer Anforderungen an Gebäuden werden Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) seit den 1970er Jahren zur Dämmung von Gebäudefassaden verwendet. Angesichts der Langlebigkeit dieser Verbundstoffe gibt es bisher nur vereinzelt Rückbaumaßnahmen. Die dabei noch in geringer Menge anfallenden Abfälle werden hauptsächlich in Müllverbrennungsanlagen (MVA) thermisch verwertet. Im Sinne der Nachhaltigkeit ist dieser Entsorgungsweg als einziger bei steigenden Abfallmengen nicht geeignet. Eine werkstoffliche Verwertung dieser Systeme existiert aktuell noch nicht. 

Durch die Zunahme gedämmter Gebäude und die Umnutzung oder den Abriss derselben, wird es in den nächsten Jahrzehnten zu deutlich steigenden Abfallmengen kommen. Somit werden alternative Verwertungswege, welche sich an dem Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) orientieren, immer mehr an Bedeutung gewinnen. Ziel soll hierbei eine werkstoffliche Verwertung der WDVS sein umso aus den komplexen Verbundsmaterialien homogene Stoffströme zu erzeugen, welche anschließend unter ökonomischen und ökologischen Bedingungen am Markt platziert werden können.

ERNEUERBARE ENERGIE UND WASSERKRAFT –BESTIMMUNG DES WELLENAUFLAUFS AN SPEICHERKRAFTWERKEN MITTELS NUMERISCHER METHODEN

Wasserspeicher wie Talsperren (TS) und Pumpspeicherkraftwerke (PSW) tragen durch nachhaltige und effiziente Wasser- und Energiespeicherung zur Verwirklichung der Energiewende bei. Die Versorgungssicherheit mit Trink- und Brauchwasser, die Gewährleistung der Hochwassersicherheit für Unterlieger sowie der Ertrag an elektrischer Energie einer solchen Anlage hängen wesentlich vom speicherbaren Wasservolumen ab. Mit der Verringerung des Freibords, welcher den Abstand zwischen der Wasseroberfläche und Beckenoberkante definiert, geht eine Vergrößerung des speicherbaren Volumens einher. Die fachlichen Vorgaben zur Bestimmung des Freibords bestehen im Wesentlichen aus drei Variablen: dem Wellenauflauf, dem Windstau und dem Sicherheitszuschlag.

Während der Windstau und der Sicherheitszuschlag eher fixe Parameter darstellen, ist dem Wellenauflauf besonderes Augenmerk zu schenken. Zusätzlich kann mit Hilfe von Wellenumlenkern das Speichervolumen eines Beckens optimiert werden.

Um den Anforderungen zu entsprechen, werden oft kosten und zeitintensive physikalische Modellversuche an Hydrauliklaboren in Auftrag gegeben. In dem Forschungsvorhaben „Erneuerbare Energie und Wasserkraft – Bestimmung des Wellenauflaufs an Speicherkraftwerken mittels numerischer Methoden“ soll ein sicheres numerisches Simulationssystem entwickelt werden, das es ermöglicht auf physikalischen Modellversuche zu verzichten.

NEUARTIGER FILTER FÜR LUFT IN TRINKWASSERANLAGEN

Bei der Aufbereitung und Lagerung von Trinkwasser sind die Vorschriften bezüglich der Verunreinigung und Hygiene besonders streng. Deshalb muss auch die Luft die dabei in Kontakt mit dem Trinkwasser kommt von Staub, Keimen und Partikeln befreit werden. Bislang werden Papier- und Gewebefilter zur Säuberung der Luft verwendet, die jedoch viele wirtschaftliche und 

betriebliche Nachteile mit sich bringen. Im Forschungsprojekt „Neuartiger Filter für Luft in Trinkwasseranlagen“ soll in Zusammenarbeit mit der Firma Bristol T&G International GmbH ein Elektrostatikfilter so weiterentwickelt werden, dass er in der Trinkwasserversorgung angewendet werden kann.

BIOLOGISCH ABBAUBARE SILICONE

In den vergangenen 50 Jahren haben Silicone zahlreiche Einsatzgebiete sowohl in der Industrie als auch im Alltag gefunden. Sie werden aufgrund ihrer Eigenschaften, die sie von organischen Kunststoffen unterscheiden, als Antischaummittel in Waschmitteln, der Lebensmittelindustrie sowie in Kosmetik- und Hygieneanwendungen, wie Shampoos, eingesetzt. Je nach Anwendungsgebiet können Silicone in die Umwelt, die Atmosphäre oder ins Wasser gelangen.

Allgemein gelten Silicone und ihre Abbauprodukte als ungiftig, weswegen keine Gefahr für Menschen, Tiere und Pflanzen erwartet wird. Jedoch gibt es noch keine umfassenden Untersuchungsergebnisse, die Vorhersagen über Langzeitfolgen im Organismus oder
über die Anreicherung in der Umwelt erlauben. Deshalb sollen im Forschungsvorhaben neue Siliconpolymere entwickelt werden, die sich durch ein besseres biologisches Abbauverhalten auszeichnen.

© Fritzmeier Umwelttechnik

BIOBASIERTE HERSTELLUNG DES BIOLOGISCH ABBAUBAREN BIO-KUNSTSTOFFES POLYBUTTERSÄURE

Kunststoffe sind nützlich und aus dem Alltag nur schwer wegzudenken. Insbesondere Verpackungen oder Plastiktüten werden häufig nach einmaliger Nutzung weggeworfen und belasten bei sorgloser, aber auch bei geregelter Entsorgung die Umwelt. Weltweit betrachtet sammelt sich achtlos weggeworfener Plastikmüll in den Weltmeeren zu enormen schwimmenden Inseln zusammen, und das beim Degradieren des Mülls entstehende Mikroplastik reichert sich in der Nahrungskette an. Aber nicht nur die Entsorgung klassischer petrochemischer Kunststoffe, sondern auch die

Herstellung, bei der wertvolle Ressourcen wie Erdöl benötigt werden, ist problematisch. Bio-Kunststoffe bieten für viele Anwendungen eine nachhaltigere Alternative. Die biobasiert hergestellte und biologisch abbaubare Polybuttersäure (Polyhydroxybutyrat, kurz PHB) hat vergleichbare technische Eigenschaften wie die petrochemischen Kunststoffe PE und PP, jedoch behindern derzeit die höheren Herstellungskosten die Massenverwendung.
Im Forschungsvorhaben soll deshalb ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren für PHB entwickelt werden.

Geogitter zur Bewehrung von Erdbauwerken (Bild: Fa. Huesker)

OPTISCHE SENSOREN ZUR ÜBERWACHUNG VON ERDSTRUKTUREN

Um Gefahrenzonen vor den Folgen von Erdeinbrüchen oder anderen Georisiken zu schützen, werden Sicherungen verwendet in denen Geokunststoffe eingebaut sind. Diese überwiegend textiltechnisch hergestellten Bauprodukte sind sehr gut dehnbar und können dauerhaft und kostengünstig zur Bewehrung der Böden genutzt werden. Sie werden auch als Schutzmaßnahme gegen Auswirkungen 

umweltgefährdender Altlasten oder Erosionen verwendet sowie zur Abdichtung und Entwässerung von Deponiekörpern, Wasserwegen oder Dämmen und Deichen. Im Forschungsprojekt „Optische Sensoren zur Überwachung von Erdstrukturen“ sollen innovative und kostenökonomische Sensoren auf Basis von optischen Polymer-Fasern (POF) zur Strukturüberwachung von Geokunststoffen entwickelt und untersucht werden.

CHEMISCHES RECYCLING EPOXIDHARZBASIERTER STOFFE

Im Leichtbau werden Materialien benötigt, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und zugleich wenig Eigenmasse haben, weswegen im Automobilbau, der Luftfahrt und bei der Herstellung von Windkraftanlagen Faserverbundkunststoffe (FVK) eingesetzt werden. Durch die verstärkenden, kraftaufnehmenden Fasern und die polymere, formgebende Matrix können die FVK hohe Belastungen aufnehmen und haben eine vergleichsweise geringe Dichte.

Ein Großteil der Faserverbundkunststoffe basiert dabei auf

Epoxidharzen. Im Gegensatz zu thermoplastischen FVK lassen sich Epoxidharze nicht aufschmelzen oder lösen, weswegen dasRecycling eine große Herausforderung darstellt. Auch ein chemisches Recycling, wie bei anderen Duromeren, ist technisch oder wirtschaftlich bislang nicht möglich.

Im Forschungsvorhaben soll deshalb ein innovatives Recyclingkonzept für epoxidharzbasierte Faserverbundkunststoffe entwickelt werden.