Umwelt und Energie

Vor dem Hintergrund der weltweiten Diskussion über Wassermangel und -verschmutzung, Ressourcenverknappung und Klimawandel kommt dem ressourcen- und umweltschonenden Wirtschaften wesentliche Bedeutung zu. Der Übergang zu einer nachhaltigen, umweltverträglichen und zuverlässigen Versorgung mit sauberem Wasser, Lebensmitteln, Rohstoffen und Energie ist daher – auch im Kontext globaler Klimaschutzziele – eine der zentralen Herausforderungen unserer heutigen Gesellschaft.

In nationalen und internationalen Projekten mit Partnern aus Forschung, Industrie und Kommunen entwickelt das Fraunhofer IGB innovative Verfahren, Reaktoren und neue Technologien zur nachhaltigen Ver- und Entsorgung, insbesondere zur Behandlung von industriellem Prozesswasser und kommunalem Abwasser, zur Wiedernutzung anfallender Rest- und Abfallstoffe und zur Erhöhung der Energieeffizienz durch Nutzung von Abwärme und regenerativer Energie.

Das Geschäftsfeld »Umwelt und Energie« steht damit für fortschrittliche Entwicklungen, mit denen Emissionen in die Umwelt vermieden, Rohstoffe zurückgewonnen und regenerativ erzeugte Energie erschlossen werden – um Wirtschaftlichkeit mit Nachhaltigkeit zu verbinden. Lösungsansätze sind in einigen Fällen auch stark mit Themen des Geschäftsfelds »Chemie und Prozessindustrie« verknüpft.

 

Vernetzung und Kooperation

Um historisch gewachsene Infrastrukturen durch Systemlösungen mit neuesten Technologien zu ersetzen, entwickeln wir integrierte Stoffstrom- und Energiekonzepte für Industrie, Kommunen und ganze Regionen. Deshalb engagieren wir uns in den Fraunhofer-Allianzen Energie, Bau und SysWasser sowie der Fraunhofer-Initiative Morgenstadt. Darüber hinaus ist das Fraunhofer IGB über die nationale Technologieplattform SusChem Deutschland, German Water Partnership und auch international, insbesondere innerhalb Europas, hervorragend vernetzt.

Wasser- und Abwassertechnik

Wasser ist unser wichtigstes Lebensmittel. Für eine gesicherte Wasserversorgung und effiziente Wasserreinigung entwickeln wir innovative Lösungen zur Wassergewinnung sowie Wassermanagement-Konzepte, die an die jeweiligen geographischen, demographischen und regionalen Rahmenbedingungen angepasst sind. Um industrielle Prozesswässer möglichst mehrfach zu verwenden, arbeiten wir an Technologien, mit denen Verunreinigungen selektiv entfernt und werthaltige Inhaltsstoffe zurückgewonnen werden können. Aerobe und anaerobe biologische Verfahren entwickeln, optimieren und kombinieren wir mit Membran- und chemisch-physikalischen Verfahren.

Eine Reihe neuartiger Technologien, darunter Membranadsorber und elektrooxidative Verfahren, setzen wir ein, um die Emission persistenter Stoffe in die Umwelt zu verhindern. Für die Reinigung von Wasser mit biologisch schwer abbaubaren organischen Bestandteilen entstehen beispielsweise nur durch die Behandlung mit Strom (Elektrolyse) oder energiereicher UV-Strahlung (Photolyse) reaktive Hydroxylradikale, welche organische Moleküle zu abbaubaren Verbindungen bzw. vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidieren – ohne Zugabe von Chemikalien.

Wasser-Überwachung

Trinkwasser unterliegt vielfältigen Gefährdungen. So können beispielsweise Pestizide aus der Landwirtschaft oder Chemikalien aus Industrieunfällen über das Grundwasser in kommunale Versorgungssysteme gelangen. Eine wachsende Gefahr stellt auch der Eintrag toxischer Verbindungen durch kriminelle oder terroristische Anschläge dar. Um verhindern zu können, dass kontaminiertes Trinkwasser die Verbraucher erreicht, muss es daher bereits im Verteilungssystem überwacht werden. Das Fraunhofer IGB entwickelt Biosensoren auf der Basis lebender Zellen, die sich als Frühwarnsysteme für die kommunale Wasserversorgung oder dezentrale Versorgungssysteme eignen. Bei der Übertragung der zellulären Reaktion in ein physikalisch messbares Signal arbeiten wir mit anderen Fraunhofer-Instituten zusammen.

Aufbereitung von Roh- und Reststoffen

Aufgrund der Endlichkeit primärer Rohstoffe erarbeiten wir Verfahren, um sie als Sekundärrohstoffe aus Produktions- und Abfallströmen – in einer den Primärrohstoffen gleichwertigen Qualität und mit vergleichbarem Prozessaufwand – für eine Wiederverwendung zurückzugewinnen. Für anorganische Rohstoffe (Metalle, Seltene Erden) entwickeln wir beispielsweise neue Aufarbeitungsprozesse, mit denen Stoffgemische selektiv auf molekularer bzw. atomarer Ebene aufgetrennt werden können.

Im Bereich Boden, organische Reststoffe (Gärreste, Gülle) und Wasser konzipieren und realisieren wir Prozesse für die Rückgewinnung und Aufarbeitung gelösten oder organisch gebundenen Phosphors als hochwertige Dünger. Die zurückbleibende nährstoffarme organische Fraktion arbeiten wir über verschiedene Verfahren wie Trocknung oder Pyrolyse zu humusbildenden Bodenverbesserern auf.

Energiewandlung und -speicherung

Um neue regenerative Energiequellen zu erschließen, erarbeiten wir innovative Membrantechnologien, etwa für effiziente Ethanol-Brennstoffzellen oder wirtschaftliche Osmosekraftwerke. Für das Gelingen der Energiewende muss Überschussstrom gespeichert werden können. Hierzu entwickeln wir katalytische Verfahren, um elektrische Energie – vor allem durch Bindung und Reduktion von CO2 – in chemische Energiespeicher, etwa längerkettige Kohlenwasserstoffe, umzuwandeln.

Vielfach noch ungenutzt bleibt Abwärme, die bei der Stromerzeugung und vielen Industrieprozessen anfällt. Damit überschüssige Wärme für einen zeitlich und räumlich entkoppelten Bedarf zugänglich wird, arbeiten wir an Systemen zur thermo-chemischen Langzeitspeicherung von Wärme mit Sorptionswärmespeichern.

Bioenergie

Die effiziente Erzeugung von Biogas aus Klärschlamm mit Anaerobtechnologien ist ein zentrales Thema am IGB: Mehrere Kläranlagen unterschiedlicher Größe haben wir bereits auf unser Verfahren der Hochlastfaulung umgestellt und damit zu energieautarken Betrieben gemacht. Unser Know-how zur Vergärung organischer Stoffe setzen wir ebenso für die Nutzung von Reststoffen der Lebensmittelindustrie und der Landwirtschaft ein. Im Zuge der Dezentralisierung der Energiewirtschaft werden dabei zunehmend auch geringe Massenströme interessant.

Biogas, ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid, lässt sich aber nicht nur zur Erzeugung von Strom und Wärme in Blockheizkraftwerken nutzen. Für die Abtrennung von hochreinem Methan aus Biogas als Grund- oder Kraftstoff untersuchen wir daher Absorptions- und Membranverfahren, die CO2 mit hoher Kapazität binden.