Umwelt und Energie

Vor dem Hintergrund von Klimawandel, Ressourcenknappheit und Wasserverschmutzung kommt dem ressourcen- und umweltschonenden Wirtschaften wesentliche Bedeutung zu. In nationalen und internationalen Projekten mit Partnern aus Forschung, Industrie und Kommunen entwickelt das Fraunhofer IGB innovative Verfahren, Reaktoren und Apparate zur nachhaltigen Behandlung von industriellem Prozesswasser und kommunalem Abwasser, von Abluft, kontaminierten Böden und Abfällen.

Eine Energieversorgung auf der Basis von Rohöl, Erdgas und Kohle bedient sich endlicher Primärenergiequellen und führt zu einer rapiden Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre und damit zu unkalkulierbaren Veränderungen des Klimas. Der Übergang zu einer nachhaltigen und umweltverträglichen, gleichwohl zuverlässigen und wirtschaftlichen Energieversorgung ist daher – auch im Sinne der ehrgeizigen Klimaschutzziele – eine der zentralen Herausforderungen, der sich das Fraunhofer IGB für die Nutzungspfade Strom, Wärme und chemische Energieträger stellt.

Das Geschäftsfeld »Umwelt und Energie« steht damit für fortschrittliche Technologieentwicklungen, die Emissionen in die Umwelt vermeiden, Rohstoffe zurückgewinnen und regenerative Energie erschließen – und Wirtschaftlichkeit mit Nachhaltigkeit verbinden. Lösungsansätze sind in einigen Fällen auch stark mit Themen des Geschäftsfelds »Chemie und Prozessindustrie« verknüpft.

 

Vernetzung und Kooperation

Auch integrierte Stoffstrom- und Energiekonzepte für Kommunen und Regionen werden in Angriff genommen, um gewachsene Lösungen durch Systemansätze mit neuesten Technologien zu ersetzen. Deshalb engagiert sich das IGB auch in den Fraunhofer-Allianzen Energie, Bau und SysWasser sowie der Fraunhofer-Initiative Morgenstadt.

Darüber hinaus ist das Fraunhofer IGB in der nationalen Technologieplattform SusChem Deutschland engagiert und auch international, insbesondere innerhalb Europas, hervorragend vernetzt.

Wasser- und Abwassertechnik

Lösungen aus dem IGB sind innovative Infrastrukturkonzepte, die jeweils an die geographischen, demographischen und regionalen Rahmenbedingungen angepasst sind, für eine ökologische und ökonomische Bewirtschaftung von Wasser und Energie. Eine Reihe verschiedener Technologien setzen wir ein, um die Emission partikulärer oder gelöster persistenter Spurenstoffe zu verhindern. Die Rückgewinnung von Inhaltsstoffen aus Prozesswässern der Agroindustrie oder kommunalen Kläranlagen als Dünger kombiniert die Wasserreinigung mit stofflicher Wertschöpfung.

Für die Reinigung von Wasser mit organischen Bestandteilen, die biologisch in Kläranlagen nicht entfernt werden können, verfügt das Fraunhofer IGB über verschiedene oxidative Verfahren (Advanced Oxidation Processes) und mobile Anlagen. Mit neuen, am IGB entwickelten Technologien entstehen dabei nur durch die Behandlung mit Strom (Elektrolyse) oder durch energiereiche UV-Strahlung (Photolyse) reaktive Hydroxylradikale, welche die organischen Moleküle zu abbaubaren Verbindungen bzw. vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidieren – ohne Zugabe von Chemikalien.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

Wasser-Überwachung

Trinkwasser unterliegt vielfältigen Gefährdungen. So können Industrieunfälle oder Pestizide aus der Landwirtschaft über das Grundwasser zum Eintrag von Verunreinigungen in Leitungsnetze führen. Insbesondere bei dezentralen und mobilen Systemen ist zudem ein gezielter Eintrag toxischer Verbindungen durch kriminelle oder terroristische Anschläge nicht auszuschließen. Um zu verhindern, dass kontaminiertes Trinkwasser zum Verbraucher gelangt, muss das Wasser daher im Verteilungssystem selbst konstant überwacht werden. Für die Entwicklung von Frühwarnsystemen entwickelt das Fraunhofer IGB Biosensoren auf der Basis von lebenden Zellen. Bei der Übertragung der zellulären Reaktion in ein z. B. optisch messbares Signal arbeiten wir mit anderen Fraunhofer-Instituten zusammen.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

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.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte

Energiewandlung und -speicherung

Die Erschließung neuer regenerativer Energiequellen ermöglichen innovative Membrantechnologien, die wir z. B. für Ethanol-Brennstoffzellen oder Osmosekraftwerke entwickelt haben. Für die Abtrennung von hochreinem Methan aus Biogas als Grund- oder Kraftstoff untersuchen wir Absorptions- und Membranverfahren sowie ionische Flüssigkeiten, die CO2 mit hoher Kapazität binden.

Ein noch recht neues Feld am Fraunhofer IGB ist die Entwicklung von Verfahren, um elektrische Energie – unter anderem durch Bindung und Umwandlung von CO2 – in chemische Energiespeicher, beispielsweise in Form längerkettiger Kohlenwasserstoffe, umzuwandeln. Dies ist ein zentrales Thema am Centrum für Energiespeicherung, das von Fraunhofer IGB gemeinsam mit Fraunhofer UMSICHT betrieben wird. Um Stromspitzen bei der regenerativen Energiewandlung aus Wind oder Sonne auszugleichen, kann Überschussstrom aber nicht nur chemisch gespeichert, sondern direkt auch für die dezentrale Herstellung von Chemikalien genutzt werden. Für solche elektrochemischen Anwendungen entwickeln wir leitfähige Schichten und geeignete Elektrodenmaterialien, Verfahren und Apparate. Näher beschrieben werden die Arbeiten im Geschäftsfeld »Chemie und Prozessindustrie«.

Um die Klimaschutzziele zu erreichen, muss auch die bei der Stromerzeugung und in vielen Industrieprozessen anfallende Abwärme vermehrt genutzt werden. Damit überschüssige Wärme für einen zeitlich und räumlich entkoppelten Bedarf zugänglich wird, arbeiten wir an Systemen zur thermo-chemischen Langzeitspeicherung von Wärme.

 

Forschungsthemen und Refeferenzprojekte

Bioenergie

Die effiziente Erzeugung von Biogas aus organischen Abfällen, Reststoffen der Lebensmittelindustrie und der Landwirtschaft sowie Klärschlamm und Abwasser mit Anaerobtechnologien ist seit Jahrzehnten ein zentrales Forschungsgebiet am IGB. Zunehmend werden auch geringe Massenströme aus dezentralen Quellen interessant.

Beiträge zur Erhöhung der Photosynthesekapazität leisten wir durch Kultivierungsprozesse für Mikroalgen. Deren Speicherstoffe lassen sich direkt (Lipide), nach fermentativer Umsetzung zu Ethanol (Stärke) oder nach Vergärung zu Biogas (Restbiomasse) energetisch nutzen.

 

Forschungsthemen und Referenzprojekte