Circular Economy Modelling for Climate Change Mitigation

Die Dekarbonisierung der Produktion und des Konsums von Gütern und Materialien spielt eine kritische Rolle bei der Erreichung von ambitionierten Klimazielen. Ein neues zirkuläres Wirtschaftssystem, das auf eine Verringerung des Primärmaterialverbrauchs abzielt, kann daher in Verbindung mit Energieeffizienzmaßnahmen und dem Wechsel zu klimafreundlicheren Energieträgern sowohl die Treibhausgasemissionen mindern als auch die Ressourceneffizienz steigern. 

Aktuelle Modelle und Szenarien zur Darstellung der THG-Emissionen zum Zweck der Politikberatung ignorieren allerdings in der Regel die Entwicklungen der Circular Economy (CE). Mögliche Synergien von CE und anderen gesellschaftlichen Zielen wie die Sustainable Development Goals (SDG) werden darin ebenso nicht berücksichtigt wie die Herausforderungen, die sich aus ändernden Konsummustern und Lieferketten ergeben. CircoMod adressiert diese Herausforderungen indem eine neue Generation fortgeschrittener Modelle und Szenarien entwickelt wird, mit denen untersucht werden kann, wie CE die zukünftigen THG und Materialverbräuche reduziert. Das Vorhaben bringt dabei prozess-orientierte Integrated Assessment Modellierung mit makroökonomischer Modellierung zusammen.

Mit Hilfe eines analytischen Rahmenwerks, in dem der Einfluss von CE-Strategien auf Klimaszenarien untersucht werden kann, soll die Integration von CE in Klimamodelle erreicht werden. Dazu werden robuste und zeitspezifische CE-Daten verwendet, die in einer frei zugänglichen Datenbank abgelegt werden sollen. Zudem soll die CE in den Modellen, die von den führenden europäischen und globalen Forschungseinrichtungen verwendet werden, besser berücksichtigt werden. Dadurch werden robuste wissenschaftliche Bewertungen in Kollaboration mit Stakeholdern aus Politik und Wirtschaft ermöglicht. Mit dem Projekt soll weiterhin ein Beitrag zu internationalen Untersuchungen im Rahmen des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) und des International Resource Panel (IRP) geliefert werden. CircoMod wird wichtige Einblicke in die CE liefern und dabei helfen, eine der größten Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte anzugehen.

Datenkompetenzzentrum für Circular Economy Daten

Die Circular Economy hängt in hohem Maße von Informationen über die Herstellung, Fertigung und Verwendung von Produkten, ihren Materialien und ihren Bestandteilen ab. Aufgrund der Komplexität vieler Produkte und der zugrundeliegenden Produktionsprozesse gestaltet sich die Erfassung, Zusammenführung und Auswertung dieser Daten – der Circular Economy (CE-Daten) – jedoch als äußerst schwierig und erfordert einen hohen Kenntnis- und Analyseaufwand. Die zugrundeliegenden CE-Daten müssen aufgrund der vielfältigen Prozesse und Akteure*innen zwangsläufig von unterschiedlichen Institutionen erfasst werden, wobei eine Vielzahl notwendiger CE-Daten heute noch nicht erfasst wird. Dies hat verschiedene Gründe. Zum einen, weil sie noch nicht erfassbar oder messbar sind. Zum anderen, weil bisher nicht bekannt ist, dass diese Daten im Kontext von CE überhaupt benötigt werden. Dies bedeutet auch, dass viele Bereiche der CE derzeit nicht oder kaum zuverlässig daten- und informationstechnisch abgebildet werden können. Der tatsächliche Fortschritt der CE-Entwicklung, z.B. durch die Wirkung von Politikmaßnahmen, ist daher nur bedingt oder gar nicht nachvollziehbar. CE-Daten bedürfen daher sowohl des Kompetenzaufbaus sowie der weiteren Erforschung, damit sie sinnvoll anwendbar sind. Hierfür wiederum sind bei verschiedenen Zielgruppen, insbesondere aber in der Wissenschaft, die Fähigkeiten zur Erhebung, zur Analyse und auch zur Ableitung von Maßnahmen aus CE-Daten zu entwickeln, auszubauen und zu stärken. Genau hier setzt das Datenkompetenzzentrum für Circular Economy Daten (DACE) an.

Das DACE – Datenkompetenzzentrum für Circular Economy (CE) Daten

• erforscht die notwendigen Kompetenzen zur Erhebung, Auswertung und Nutzung von CE-Daten,
• befähigt zum Umgang mit CE-Daten,
• und vernetzt die Akteure*innen der datengetriebenen CE.

Damit soll die Erforschung und Umsetzung der energie- und ressourceneffizienten Circular Economy ermöglicht werden. Gleichzeitig soll die Basis für ein besseres Messen und Bewerten von CE und CE-Strategien (10R) durch den systematischen Umgang (Kompetenzen) mit CE-Daten in Wissenschaft, Forschung, Lehre und Anwendung geschaffen werden. Damit wird DACE eine wichtige Lücke in der Forschungs- und Lernlandschaft für nachhaltiges Wirtschaften schließen.

Zentrale Kompetenzen müssen hierbei insbesondere in der Identifikation und Bedarfserkennung von benötigten und relevanten CE-Daten, deren Gewinnung und Aufnahme, ihrer Bereitstellung über unterschiedliche Stakeholder hinweg, der Zusammenführung und Verdichtung der Daten sowie ihrer ganzheitlichen Analyse vermittelt werden. Zur Vermittlung der benötigten Kompetenzen setzt DACE auf drei tragende Säulen:

i) die DACE Academy zum Lehren der Kompetenzen,

ii) den DACE Space zum Erforschen der Kompetenzen und

iii) den DACE Hub zur Verbreitung der Kompetenzen.

Das Vorhaben ist in Arbeitspakete organisiert. Im Arbeitspaket (AP) 1 geht es um die Koordinierung des Datenkompetenzzentrums. Im AP 2 wird die DACE Academy konzeptioniert, aufgebaut, durchgeführt und evaluiert. Das INEC hat hier einen größeren Beitrag in der Wissens- und Kompetenzvermittlung. Insbesondere werden entsprechende Formate entwickelt, für die zunächst eine Zielgruppenanalyse durchgeführt wird. Es werden zudem Stakeholder-Befragungen zur Zielgruppenanalyse durchgeführt, um Formate und Curricula konzeptionieren zu können. Hierbei soll der gesamte Wissensvermittlungsprozess wissenschaftlich begleitet werden. Das AP 3, der DACE Space, ist ein weiterer Arbeitsschwerpunkt des INEC im DACE-Projekt. Das INEC hat umfassende Projekterfahrung zur Nutzung und konzeptionellen Erstellung von Daten für die Circular Economy. Das INEC komplementiert hier die Forschung des DACE mit Aktivitäten zur Bedeutung von Daten in der Ressourceneffizienz, in der Datenkompetenz für CE und zu Fragen von Standardisierung und Normung für CE-Daten und ihrer Handhabung. Dies betrifft insbesondere Arbeiten zur Datengewinnung, -bereitstellung und –analyse. Im Rahmen dieses Arbeitspakets werden zudem gemeinsam mit den Partnern Konzepte für Indikatoren, Datenbanken und das Datenmanagement entwickelt. Hierzu werden eigene Vorschläge ausgearbeitet und diskutiert bevor diese in der Praxis getestet werden, um letztlich datengetriebene CE-Maßnahmen umsetzen zu können. Schließlich soll im Rahmen von AP 4 der DACE Hub als Vernetzungsplattform aufgebaut werden, um die relevanten Akteure einer datengetriebenen Circular Economy zusammenzubringen.

Energieoptimierte Produktion mit grünen Digitalen Zwillingen

Weite Teile des produzierenden Gewerbes stehen angesichts der Energiewende vor großen Herausforderungen. Die verstärkte Nutzung von regenerativen Energien sowie die effiziente Nutzung der verfügbaren Energiemenge sind mit hohen Investitionen verbunden.

Ziel des Forschungsprojektes greenProd ist es, die Transformation des produzierenden Gewerbes im Hinblick auf die Nutzung regenerativer Energiequellen zu optimieren und gleichzeitig deren Wettbewerbsfähigkeit zu steigern.

Um dies zu erreichen, ist es zunächst erforderlich, den Energiebedarf der einzelnen Produktionsschritte zu ermitteln. Im Anschluss können Energieeffizienzpotenziale identifiziert und Konzepte zur optimierten Nutzung von regenerativen Energien erarbeitet werden. Dies soll mithilfe von grünen digitalen Energiezwillingen (gDEZ) erfolgen. Dabei handelt es sich um digitale Stellvertreter, die den Energieverbrauch von Fertigungsschritten beschreiben und zusätzlich mit Emissionsdaten ergänzt werden können. Die gDEZ ermöglichen somit eine Zuordnung der auftretenden CO₂-Emissionen zu den Fertigungsschritten sowie den einzelnen Produkten.

Mit Hilfe des digitalen Abbildes eines Produktionssystems können wechselseitige Abhängigkeiten von Maschinen und Anlagen dargestellt und ganze Produktionsketten simuliert werden. Durch die gezielte zeitliche Verlagerung von energieintensiven Arbeitsschritten in Zeiten, in denen ausreichend regenerative Energie zur Verfügung steht, kann die Produktion hinsichtlich ihrer Kosten und Umweltwirkung optimiert werden.

Zusammenfassend werden im Vorhaben folgende wissenschaftlich-technische Herausforderungen adressiert:

• Die Beschreibung des Energieverbrauchs einzelner Produktionsschritte mittels gDEZ
• Das vereinfachte Erstellen der gDEZ und die Konfiguration von Prozessen
• Das Entwickeln eines Algorithmus für die energieoptimierte Produktionsplanung
• Die Integration in bestehende Prozesse und Anlagen
• Das Sichtbarmachen der Vorteile in betriebswirtschaftlichen Zahlen

Integratives Ressourceneffizienz-Management für mittelständische Unternehmen der chemischen Industrie

Im Forschungsvorhaben „IRMa“ soll fallstudienbasiert untersucht werden, wie ein Integriertes Ressourceneffizienz-Management (IRMa) für mittelständische Unternehmen der chemischen Industrie konzipiert und umgesetzt werden kann. Die Ergebnisse werden transferorientiert aufbereitet und mit Hilfe eines Projektbeirats verallgemeinert und in die Breite der Branche getragen. Das Ziel des Vorhabens ist die systematische Erschließung des kreislaufwirtschaftlichen Potenzials in KMU der Prozessindustrie und des damit verbundenen Energie-Effizienzpotenzials mit einem konsistenten methodischen Ansatz für KMU der chemischen Industrie sicherzustellen, modellhaft zu validieren und transferorientiert aufzubereiten. Im IRMa-Projekt werden damit Dekarbonisierungs- und Kreislaufwirtschaftsstrategien sowie die zugehörigen Maßnahmen entwickelt, um internationale und nationale Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsziele für mittelständische Unternehmen der Chemiebranche zu erreichen.

Das Vorgehen zum Erreichen dieser Ziele umfasst dabei...

• die Analyse und Bewertung des Unternehmens und seiner innerbetrieblichen Prozesse und Produkte hinsichtlich der Herausforderungen, die Kreislaufwirtschaft, Energiewende und Umwelt- und Klimaschutz stellen,

• die Ableitung und Bewertung von inner- und überbetrieblichen Handlungsmöglichkeiten und Verbesserungsmaßnahmen zur Kreislaufschließung sowie die Validierung und Bewertung ausgewählter Technologien zur Kreislaufschließung und Energieeffizienz, sowie

• die Strukturierung von Schnittstellen für eine überbetriebliche Vernetzung und Umsetzung kreislauf- und energiewirtschaftlicher Ansätze sowie die Validierung ihrer Wirksamkeit.

Klimaresilientes Gebäudemanagement

Die prognostizierte Zunahme extremer Wetterereignisse aufgrund des Klimawandels, darunter lange sommerliche Hitzeperioden, stellen das Gebäudemanagement und die Stadtplanung vieler Städte und Kommunen vor besondere Herausforderungen. Um die Auswirkungen des Klimawandels zu minimieren, gibt es ein Portfolio verschiedenster Klimaanpassungsmaßnahmen im städtebaulichen Umfeld.

Im Projekt „Klimaresilientes Gebäudemanagement“ (KliReGeM) werden ausgehend von der ökobilanziellen Bewertung konkreter Klimaanpassungsmaßnahmen im Kontext typischer städtischer Bauaufgaben im Bereich der Nichtwohngebäude (Neubau, Sanierung, Instandsetzung) Handlungsleitlinien für klimaangepasstes und ressourcenschonendes Gebäudemanagement erarbeitet.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Best Practice Beispielen für klimaresilientes Bauen und Gebäudemanagement, die als Vorbilder für andere Städte und Kommunen und darüber hinaus für gewerbliche Nichtwohngebäude wie bspw. Büros dienen können.

Folgende Teilziele sind im Projekt maßgeblich:

1. Entwicklung einer Systematik von Klimaanpassungs-Szenarien 
2. Umfassende Bewertung von Umweltwirkungen für die verschiedenen Szenarien
3. Entwicklung von Handlungsleitlinien für klimaresilientes Bauen

Hierfür arbeiten das Institut für Industrial Ecology der Hochschule Pforzheim und das Amt Hochbau und Gebäudebewirtschaftung der Stadt Karlsruhe in engem Austausch unter Einbindung weiterer Stakeholder zusammen.

Kreislauffähige Energiewende: Bilanzierung der Minderung von Treibhausgasen durch zukünftige Materialkreisläufe im Lebenszyklus energietechnischer Anlagen und Komponenten

Die Energiewende ist mit erhöhtem Materialbedarf verbunden. Daher ist es wesentlich, die mit Materialien einhergehenden Treibhausgasemissionen zu vermindern sowie mögliche Versorgungsrisiken durch kritische Rohmaterialien zu reduzieren. Einen wesentlichen Beitrag hierfür erwartet man von Maßnahmen der Circular Economy.

Zur Bewertung von Treibhausgasemissionen ist die Methodik der Ökobilanzierung verbreitet. In den verfügbaren Bilanzierungstools ist aber die Betrachtung von Materialkreisläufen eine wesentliche Schwachstelle. Dies liegt zum einen an den Unsicherheiten über die in Zukunft zum Tragen kommenden Möglichkeiten der Circular Economy sowie an der Notwendigkeit, die zeitliche Dynamik der zukünftigen Energiewende selbst in die Bilanzierung mit einzubeziehen. Zum anderen kommen bei der Bilanzierung von Materialkreisläufen grundlegende methodische und datentechnische Problemstellungen der Ökobilanzierung zum Tragen, beispielsweise die Zuordnung von Treibhausgas-Einsparungen aus dem Recycling.

In diesem Kontext stehen sowohl Unternehmen als auch die Energie- und Ressourcenpolitik aktuell vor folgenden Herausforderungen:

• Die durch den EU Green Deal angestoßene Maßnahmen fordern von der Industrie ein detaillierteres Reporting zu Treibhausgasemissionen unter Berücksichtigung von Materialien; hier wird auch die Taxonomie-Verordnung zu Handlungsbedarf bei den Unternehmen führen.
• Die schnelle Transformation des Energiesystems setzt auch auf den Ersatz älterer, wenig effizienter Anlagen. Hierfür sind Break-Even-Point-Berechnungen für die Erneuerung oder den Ersatz von Anlagen erforderlich.
• Grundsätzlich können die Ergebnisse der heutigen Bilanzierung einer Energietechnologie einen wesentlichen Einfluss auf deren Marktfähigkeit und Verbreitung für die Zukunft haben. Für eine richtungssichere Entscheidungsunterstützung ist daher die Antizipation zukünftiger Entwicklungen im Sinne einer ex-Ante Betrachtung wesentlich.

Ausgehend von diesen Herausforderungen wird das Konsortium aus Wissenschaft und Industrie die nachfolgenden Forschungsschwerpunkte bearbeiten:

• Methodische Fragestellungen der Ökobilanzierung der Treibhausgasemissionen von Materialien in zukünftigen Materialkreisläufen
• Analyse der Implementierung von Komponenten und Anlagen in das Energiesystem vor dem Hintergrund der Transformation zu erneuerbaren Energien
• Entwicklung von Szenarien zukünftiger Recyclingtechnologien und Analyse der daraus resultierenden Substitutionspotentiale

Übergreifendes Projektziel sind somit methodische Entwicklungen und Datensätze für die Treibhausgasbilanzierung energietechnischer Anlagen und Komponenten, welche zukünftige Wirkungen von Maßnahmen der Circular Economy berücksichtigen.

Medizinische Einmalgebrauchsprodukte in der Kreislaufwirtschaft

Der heutige Stand der Entsorgung von Abfällen aus dem Gesundheitswesen in Deutschland zeigt, dass die bestehenden Regelungen und Lösungen ausschließlich Hygiene- und Arbeitsschutzaspekte und die Wirtschaftlichkeit berücksichtigen, jedoch die klima- und umweltbezogenen Nachhaltigkeitsanforderungen praktisch außer Acht lassen. Etwa 5 % der deutschen Klimagasemissionen sind dem Gesundheitssektor zuzurechnen, weltweit liegt der Anteil bei etwa 4,6%. Absolut liegen die pro-Einwohner-Emissionen dieses Sektors in Deutschland mit über 800 kg CO_2e um etwa ein Drittel über denen der anderen EU-Länder, die etwa 600 kg CO_2e/Einwohner im Jahr emittieren.

Das Ziel des Vorhabens ist es, eine weitgehend klimaneutrale, hochwertige stoffliche Verwertung für medizinische Einmalgebrauchsprodukte mit hohem Kunststoffanteil in Deutschland zu entwickeln, praktisch zu demonstrieren und unter Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsaspekten zu bewerten. Die Demonstration soll anhand ausgewählter Medizinprodukte der Projektpartner erfolgen und als Grundlage für eine umfassende Verwertungslösung für den gesamten Abfallstrom dienen. Ausgewählte Produkte sollen über ihre gesamten Wertschöpfungszyklen betrachtet und von der Produktgestaltung bis hin zur hochwertigen stofflichen Verwertung partnerübergreifend optimiert werden. Die Ergebnisse werden aufbereitet und übertragbar für weitere medizinische Produkte dargestellt, und diese Erkenntnisse werden zielgerichtet in den öffentlichen Diskurs einschließlich der Normungsgremien eingespeist. Durch das Produktdesign, die gezielte Minimierung des Abfallaufkommens und die stoffliche Verwertung als Alternative zur energetischen Verwertung oder Beseitigung können erhebliche positive Klimaeffekte von etwa 560.000 t CO_2e/a erreicht werden.

Entwicklung und Errichtung einer Pilotanlage mit integraler Detektion zur präzisen Einzelstreckensortierung von Kunststoffabfall

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Errichtung einer Pilotanlage gemäß dem neuen Sortierverfahren von Polysecure, das die insbesondere bei Kunststoffen niedrige Recyclingquote wesentlich erhöhen kann.

Dabei ist die Umsetzung von drei zentralen Innovationen vorgesehen:

1. die anlagentechnische Realisierung der Einzelstreckensortierung mit kontinuierlicher Objektvereinzelung, kombinierter Detektion und zielsicherer Ablage der vereinzelten Objekte. Somit werden alle Objekte in nur einem Schritt identifiziert und sortiert, wodurch der Sortierprozess im Gegensatz zur etablierten mehrstufigen Sortierung auch bei zahlreichen Fraktionen flexibel, skalierbar und wirtschaftlich ist.

2. die Entwicklung eines neuen integralen Detektors, der für jedes Objekt Tracer, NIR, Farbe und Bild simultan misst und auswertet. Dadurch wird eine verlässliche Sortierung in definierbare, sortenreine Fraktionen möglich, aus denen wesentlich mehr hochwertige Rezyklate insbesondere durch das CO₂-effiziente mechanische Recycling hergestellt werden können.

3. Die Entwicklung bis zur industriellen Reife des von Polysecure patentierten Tracer-Based-Sorting- (TBS) Verfahrens innerhalb einer kompletten industrietypischen Pilotanlage. TBS basiert auf der Verwendung von Fluoreszenz-Additiven (Tracern), die – anders als bei bestehenden Sortierverfahren – eine vom Objekt unabhängige, verlässliche Identifikation ermöglichen.

Die Hochschule Pforzheim führt die Begleitforschung zur Anlagenentwicklung des Projektpartners Polysecure durch. Dabei liegen die folgenden Forschungsziele im Fokus:

1. Bereitstellung von wirtschaftlichen, technischen und ökologischen Werkstoff-, Planungs- und Marktdaten für die Kreislaufführung der im Fokus des Vorhabens stehenden Objektströme und

2. Optimierung und Bewertung der Pilotsortieranlage über Sortierversuche, Integration von Stakeholdern und deren Anforderungen sowie Berücksichtigung von Werkstoff-, Planungs- und Marktdaten.

Konkret wird eine umfangreiche Erfassungs- und Sortierstudie zu Qualität und Quantität des Anfalls von Leichtverpackungen konzipiert und durchgeführt mit dem Ziel, mindestens 250 kg Leichtverpackungen einer Tiefencharakterisierung zu unterziehen und damit grundlegende Auslegungsdaten für die technische und wirtschaftliche Weiterentwicklung des TBS-Verfahrens bereitzustellen. Diese Weiterentwicklung beim Projektpartner Polysecure wird fachlich-wissenschaftlich begleitet und dient der forscherischen Anwendung von Innovationsmethoden bei der Verfahrensentwicklung und Markteinführung des Verfahrens. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Erfassung umweltrelevanter Prozessdaten sowie die Anfertigung einer entwicklungsbegleitenden Ökobilanz für das Verfahren.

Kreislaufwirtschaft für Schlüsselwerkstoffe der Elektromobilität und erneuerbaren Energie – Konzepte für die Bewertung und den Einsatz von Recyclingmaterialien aus Seltenerdmagneten und Li-Ionen-Batterien

Für die Kreislaufwirtschaft von Magneten und Batterien werden Konzepte und Werkzeuge entwickelt und mit LCA-Betrachtungen verknüpft. Ziel ist es, Rezyklate von Seltenerdmagneten und Li-Ionenbatterien effizient und standardisiert zu bewerten, deren Alterungseigenschaften zu prognostizieren und Einsatzgrenzen und geeignete Anwendungen abzuleiten.

Dazu werden der Einfluss der Rezyklat-Eigenschaften auf die Anwendungseigenschaften der Komponenten und ihre Alterung umfassend untersucht. Materialzusammensetzung, mikrostruktureller Aufbau und auftretende Ungänzen sind sorgfältig zu analysieren, um das Risiko verstärkter Alterung zu minimieren.

Durch Einbinden von Methoden der Künstlichen Intelligenz entstehen nutzerfreundliche und industriell einsetzbare Softwaretools zur effizienten Qualitätsbewertung und Eigenschaftsprognose. Dies schont kritische Ressourcen, steigert Nachhaltigkeit und Lebensdauer von E-Maschinen und Batterien und macht Lieferketten vom asiatischen Markt unabhängiger.

Re-Integration hochwitterungsbeanspruchter Altkunststoffe in die Kreislaufwirtschaft

Mit einem interdisziplinären Ansatz und unter Beteiligung der Industrie und Zivilgesellschaft verfolgt RewitAl die Schließung von Materialkreisläufen und die Mobilisierung von Recycling in der Kunststoffwirtschaft. Der Fokus liegt auf den bislang eher vernachlässigten, aber mengenmäßig bedeutsamen hochwitterungsbeanspruchten Kunststoffen am Beispiel von Sportanlagen mit Kunststoffbelagssystemen (KBS).

Im Vordergrund stehen (i) der umweltschonende Rückbau der Systeme unter Berücksichtigung des Mikroplastikaustrags in die Umgebung, (ii) die Analyse der optimalen Eignung diverser Recyclingverfahren für die hochwitterungsbeanspruchten Kunststoffe des KBS sowie (iii) die Untersuchung möglicher Alternativen auf Basis von Bio- und Recyclingkunststoffen.

Die vergleichende ökonomische und ökologische Bewertung von Materialien und Prozessen in Kombination mit einer umfassenden Eigenschaftsbeschreibung sind der Schlüsselfaktor für einen Transfer in nachhaltige Anwendungsszenarien und Geschäftsmodelle.

Zirkuläre und ressourcenschonende Produktentwicklungsprozesse in der industriellen Umsetzung

Die Transformation des bisherigen Wirtschaftssystems in Richtung einer Circular Economy ist eine Kernstrategie für Klimaschutz und Ressourcenschonung der europäischen, nationalen und baden-württembergischen Politik. Eine solche Transformation stellt Unternehmen vor große Herausforderungen und erfordert neue Geschäftsmodelle und zirkuläre Produkte und Dienstleistungen.

Das Forschungs- und Transfervorhaben ZIRU verfolgt das Ziel, Ressourcenschonung und Kreislaufwirtschaft systematisch in industriellen Produktentstehungsprozessen baden-württembergischer Unternehmen zu verankern. Dafür werden die Produktentstehungsprozesse und ausgewählte Produkte und Produktgruppen der assoziierten Industriepartner hinsichtlich Zirkularität analysiert und verbessert. ZIRU bezieht Unternehmen aus der Fertigungsindustrie ein, um eine über das Projekt hinausgehende Verbreitung der Methoden und Prinzipien zu ermöglichen.

Die Erstellung selbsterklärender Workshop- und Schulungsunterlagen für potentielle Multiplikator:innen im Themenfeld (z.B. Industrie- und Handelskammern, Berater:innen) ist ebenso Ziel des Vorhabens wie die Weiterentwicklung des webbasierten „Circularity Navigator“, der seinen Anwender:innen eine Auswahl für sie geeigneter zirkulärer Geschäftsmodelle, Konstruktionsprinzipien, Maßnahmen und Indikatoren ermöglicht.

Design for Circularity – Operationalisierung in der industriellen Produktentwicklung

Die Entwicklung ressourceneffizienter und kreislauffähiger Produkte ist ein wichtiger Stellhebel für Industrieunternehmen, um den wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Herausforderungen einer nachhaltigen Entwicklung schnell und erfolgreich zu begegnen. Dafür müssen industrielle Entwicklungs- und Konstruktionsprozesse kreislaufwirtschaftliche Optimierungen wie Lebenszeitdauerverlängerung, Reuse, Remanufacturing oder hochwertiges Recycling hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Klimafreundlichkeit und Ressourceneffizienz bewerten können.

Ziel des Projekts DfC-Industry ist die Konzeption und Erprobung digitaler Lösungen für den Entwurf ressourceneffizienter industrieller Produkte für die Circular Economy und die Energiewende. Neben entwicklungsbegleitenden Bilanzierungsinstrumenten für den Verbrauch von Rohstoffen und Energie beinhaltet dies zudem eine umfassende Bewertung der Nutzbarkeit im Wirtschaftskreislauf mit entsprechenden Trade-offs aus ökonomischer und ökologischer Perspektive. Die Bewertung erfolgt auf der Basis von zu entwickelnden Gestaltungsregeln, Ressourceneffizienzanalysen und Indikatoren für den Produktentwicklungsprozess. Unterstützt wird dies durch digitale und KI-basierte Lösungen zur Integration von Ressourceneffizienz und Umweltbewertungen in Konstruktionsumgebungen und in der Geschäftsmodellentwicklung. Dies fördert die Operationalisierung eines Design for Circularity (DfC) im industriellen Kontext. Die Projektergebnisse finden in weiteren Industrieunternehmen Anwendung und treiben Kreislaufwirtschafts- und Ressourceneffizienzansätze in Entwicklungsprozessen voran.

Das vom Institut für Industrial Ecology der Hochschule Pforzheim koordinierte Vorhaben verfolgt einen anwendungsorientierten Ansatz, um in Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH, dem ifu Institut für Umweltinformatik Hamburg GmbH sowie der Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH den Konstruktions- und Entwicklungsprozess, u.a. am Beispiel des Antriebssystems eines Elektrofahrzeugs, softwarebasiert abzubilden und mit Hilfe künstlicher Intelligenz und weiterer Lösungsansätze zu automatisieren.

Ohne Umwege zum grünen Wasserstoff in der chemisch-pharmazeutischen Produktion bis 2050

Wasserstoff ist Ausgangspunkt und Bestandteil zahlreicher industrieller Wertschöpfungsketten. Um die Klimaschutzziele der EU, des Bundes und des Landes Baden-Württemberg zu erreichen, bedarf es einer klimaschonenden Industrie bis 2050 und somit auch einer treibhausgasarmen Wasserstoffwirtschaft. Die notwendige Umstellung auf wasserstofffokussierte, treibhausgasneutrale Wertschöpfungsketten bietet vielfältige Herausforderungen und insbesondere Chancen in den Bereichen Erzeugung, Verteilung, Speicherung, Anwendung und Produkte.

Ziel des Forschungsprojekts H2Chemie2050 ist es, aktiv die Transformation der industriellen Produktion in der chemisch-pharmazeutischen Industrie zu unterstützen und die Lücke von „grauem“ nach „grünem“ Wasserstoff zu schließen. Gemeinsam mit dem Projektpartner Evonik Operations GmbH soll eine praxisnahe, auf alle relevanten Industriestandorte übertragbare Handlungs- und Entscheidungshilfe für die optimale Gestaltung des Transformationsprozesses von „grau“ nach „grün“ im Bereich der industriellen Nutzung von Wasserstoff geschaffen werden.

Dabei gilt es, die optimale und effizienteste Reihenfolge und Verbindung von Techniken und Prozessen auszuwählen, die eine schnellstmögliche Transformation sicherstellt. Mittels techno-ökonomischer und ökobilanzieller Systemanalysen werden Technologiepfade evaluiert, um ökologische wie auch wirtschaftliche Umwege, Irrwege und Sackgassen und damit zeitliche Verzögerungen und unnötige Kosten zu vermeiden.

Integrierte kosten- und lebenszyklusbasierte Planung dezentraler Energiesysteme für eine energie- und ressourcenschonende Quartiersentwicklung

- Weiterentwicklung und Erprobung des Modells LAEND zur ganzheitlichen Planung und Optimierung dezentraler Energieversorgungssysteme für Quartiere

In erneuerbaren Energiesystemen verschieben sich die Umweltwirkungen einerseits von der Nutzungs- in die Herstellungsphase und andererseits auch in andere Wirkungskategorien. Es bedarf deshalb einer grundlegenden Erweiterung der Methodik für die Energiesystemplanung. Die Kopplung von klassischer Energiesystemmodellierung mit der Ökobilanz (engl. Life Cycle Assessment) bietet dazu die Möglichkeit.
Hauptziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines Planungsmodells für dezentrale Energiesysteme auf Quartiersebene, das eine umfassende Umweltwirkungsbewertung und Integration mit technischen und ökonomischen Aspekten ermöglicht. Das zu entwickelnde Planungsmodell unterstützt die Transformation zu klimaneutralen Energieversorgungssystemen für Quartiere unter Minimierung von sonstigen Umweltwirkungen. Zielkonflikte zwischen Umweltwirkungen und Kosten sowie zwischen den Umweltwirkungen untereinander werden aufgelöst bzw. minimiert. Ergebnis des Modells sind Ausbau- und Einsatzpfade für Energieversorgungstechnologien im Zeitverlauf mit ausgewogenen und insgesamt verringerten Umweltwirkungen in den einzelnen Wirkungskategorien. Die ermittelten Ergebnisse sollen als Grundlage für die Weichenstellung in Quartieren dienen, indem daraus für Neubauquartiere konkrete Vorgaben z.B. für Bebauungspläne abgeleitet werden können. In Bestandsquartieren werden die Ergebnisse insbesondere zur Identifikation und Festlegung geeigneter Anreize zur Unterstützung der umweltschonenden Transformation der Energiesysteme herangezogen. Zur Sicherstellung der Praxistauglichkeit der Planungsmethodik wird das entwickelte Modell auf drei unterschiedliche Praxisfälle angewandt und sukzessive angepasst. In Gerstetten, Konstanz und Wiernsheim sollen insgesamt zwei Neubau- und ein Bestandsquartier zur Berücksichtigung und Erprobung der unterschiedlichen Anforderungen untersucht werden.

Anwendung, technische Funktionen und Substitutionsmöglichkeiten in der Industrie

Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind organische Verbindungen aus Kohlenstoffketten, bei denen die Wasserstoffatome vollständig oder teilweise durch Fluoratome ersetzt sind. Die starken chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Fluor-Atomen in PFAS führen zu sehr stabilen Substanzen mit besonders nützlichen Eigenschaften wie chemischer Inertheit, Wasserabweisung, Schmierwirkung, Antihaftwirkung, Feuerbeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Sie sind jedoch nur schwer biologisch abbaubar sind und lassen sich daher in der Umwelt nur schwer zersetzen (Ye et al. 2015).

PFAS werden in vielen Anwendungsfeldern in der Industrie und in Endprodukten eingesetzt, wie z. B. in der industriellen Produktion, in Dichtungen, Schmierstoffen, Verpackungen, Metallbeschichtung, in Medizintechnik-Produkten, elektronischen Geräten, Solarzellen, Brennstoffzellen, Batterien, im Baubereich und auch in Consumer-Produkten in Textilien, Kochgeschirr und Kosmetik (Glüge et al. 2020, ECHA 2023). Aufgrund ihrer Wirkungen auf Umwelt und Menschen und ihrer Persistenz in der Umwelt werden PFAS aktuell stark diskutiert und auf EU-Ebene wurde eine Initiative hin zu möglichen Stoffverboten angestoßen (ECHA 2023). Unternehmen aus Baden-Württemberg und ganz Europa suchen inzwischen Substitute für die Anwendung von PFAS, um bei einem möglichen Stoffverbot Alternativen zur Verfügung zu haben.

Ziel dieser Metastudie ist es, eine Übersicht über mögliche Stoffe und Stoffgruppen zu schaffen, die das Potenzial besitzen, die technischen Funktionen von PFAS zu ersetzen. Dies wird an ausgewählten Beispielen vertieft untersucht.

Im Mittelpunkt stehen folgende Fragen:

1. Wo werden PFAS bisher eingesetzt/angewendet? Welche technischen Funktionen stellen PFAS zur Verfügung?
2. Durch welche anderen Stoffe könnten PFAS substituiert werden?
3. Welche Schlussfolgerungen leiten sich daraus die Innovationsentwicklung der Industrie in Deutschland und insbes. Baden-Württemberg ab?

Unter Nutzung von Softwaretools auf Basis von Künstlicher Intelligenz (KI) werden mögliche Substitute identifiziert und strukturiert ausgewertet. Dabei wird zunächst der Status Quo der Verwendung von PFAS in industriellen Anwendungen untersucht, wobei besonderes Augenmerk auf die beteiligten Unternehmen und die Anwendungen gelegt wird, in denen PFAS aktuell noch eine bedeutende Rolle spielen. Anschließend wird die empirische Identifikation alternativer Materialien durch eine KI-gestützte Recherche beschrieben. Dabei wird ein umfangreicher Datenpool von Materialforschungsveröffentlichungen als Grundlage genutzt und es wird ein speziell entwickeltes KI-System eingesetzt, um relevante Informationen zu extrahieren. Schließlich werden die identifizierten Materialien auf ihre Eignung als potenzielle Substitute für PFAS in industriellen Anwendungen bewertet.

Der Endbericht des Projekts findet sich hier.