Grundlagen und Anwendungen der Umwelttechnologien und -ökonomie

1. Saubere Technologien vs. Clean-up (End-of-Pipe)

Clean-up-Technologien (End-of-Pipe): Zielen darauf ab, die Auswirkungen oder die ökologische Belastung durch die Änderung oder Ergänzung von Prozessen am Ende der Produktionskette zu verringern, immer in einem bereits etablierten Prozess oder einer Einrichtung.

Saubere Technologien (Clean Technologies): Beziehen sich auf konzeptionelle oder verfahrenstechnische Änderungen in der Herstellung von Produkten und menschlichen Aktivitäten, die auf die Vermeidung von Umweltschäden abzielen, unter Berücksichtigung aller Phasen des Produktlebenszyklus oder der Tätigkeit.

Grafische Darstellung der Technologie-Entwicklung

Die Entwicklung der Technologien kann anhand der Kosten und der Umweltbelastung dargestellt werden:

• A: Industrieländer: Höhere Kosten (+) führen zu geringerer Umweltbelastung (-).
• B: Entwicklungsländer: Geringere Kosten (-) führen zu höherer Umweltbelastung (+).

Abbildung Saubere Technologien (Optimale Szenarien):

• D: Reduziert Umweltschäden und hält die Kosten konstant.
• F: Reduziert sowohl Kosten als auch Umweltschäden. (Optimal)
• E: Reduziert die Kosten, während die Umweltbelastung beibehalten wird.

Hinweis: Wenn nur die Umweltbelastung reduziert wird, ohne konzeptionelle Änderungen, kann man nicht von Sauberen Technologien sprechen.

2. Ökonomie der Umweltverschmutzung und optimale Kontrolle

Die Wirtschaftlichkeit der Verschmutzung wird durch das Zusammenspiel von Kosten und Schäden bestimmt:

• CMR (Grenzkosten der Reduktion): Absteigende Kurve. Beschreibt die Kosten für die Verringerung der Verschmutzung.
• DC (Schadenskosten): Steigende Kurve. Beschreibt die Schäden, die durch die Freisetzung von Abfällen entstehen (was wir bereit sind zu zahlen). Je mehr Schadstoffe freigesetzt werden, desto größer ist der Schaden.

Das optimale Niveau der Umweltkontrolle

Der Schnittpunkt der beiden Kurven (CMR und DC) stellt das ökonomische Optimum dar. Auf diesem Niveau sind die Kosten für die Reduktion der Verschmutzung gleich den vermiedenen Schadenskosten.

Dieses Optimum wird oft durch gesetzliche Vorgaben und die Anwendung folgender Technologien bestimmt:

• BAT: Beste Verfügbare Technologien.
• BATNEEC: Beste Verfügbare Technologie, die keine unverhältnismäßig hohen Kosten verursacht.

Übermäßige Kontrolle: Liegt vor, wenn die Kosten für die weitere Reduktion der Verschmutzung deutlich höher sind als die vermiedenen Schadenskosten.

3. Funktionale und Physikalische Einheit in der Ökobilanz (LCA)

Im Rahmen der Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA) werden zwei Arten von Einheiten unterschieden:

• Physikalische Einheit: Bezieht sich auf das Produkt selbst (z. B. 1 kg Material).
• Funktionale Einheit: Bezieht sich auf die erbrachte Funktion (die am häufigsten verwendete Einheit). Sie dient dem Vergleich verschiedener Produkte, die dieselbe Funktion erfüllen (z. B. die Verpackung von 1000 Litern Milch). Die Berechnung basiert auf Materialbilanzen.

4. Normalisierung von Umweltindikatoren in Wirkungskategorien

Die Normalisierung ist ein Schritt in der Ökobilanz, bei dem ein gewählter Umweltindikator durch das reale oder prognostizierte Ausmaß der Auswirkungen dieser Kategorie in einem bestimmten geografischen Gebiet und/oder über einen Referenzzeitraum geteilt wird.

Wenn alle Kategorien normalisiert sind, erhält man ein Umweltprofil, das den Vergleich aller Wirkungskategorien ermöglicht.

Herausforderung: Viele Ökobilanzen (ACV/LCA) stoppen nach der Normalisierung, da es keinen Konsens darüber gibt, wie die verschiedenen Wirkungskategorien gewichtet werden sollen.

5. Langzeitdünger (Kontrollierte Freisetzung)

Langzeitdünger zeichnen sich durch eine schrittweise oder kontrollierte Freisetzung der Nährstoffe aus:

1. Beschichtete Düngemittel

   Konventionelle Düngemittel, die mit einer semipermeablen Membran (geringe Löslichkeit) ummantelt sind. Sie sind teuer und ihre Anwendung ist eingeschränkt.

   Beispiele: Harnstoff, ummantelt mit Schwefel oder Polymermaterial.

2. Düngemittel geringer Löslichkeit

   Erfordern viel Wasser zur vollständigen Auflösung.

   Beispiele: Harnstoff-Formaldehyd, anorganische Ammonium-Metallphosphate.

6. Leitmoleküle in der Pestizidchemie

In der modernen kombinatorischen Chemie werden häufig Herbizide vom Typ Sulfonylharnstoff verwendet.

Eine wichtige chemische Verbesserung dieser Klasse ist die Verwendung einer CH-Gruppe anstelle einer Aldehyd-Gruppe.

Derzeit sind etwa 20 Sulfonylharnstoff-basierte Herbizide auf dem Markt, die mit geringen Dosen von unter 100 g/ha auskommen.

7. Vorteile von PET (Polyethylenterephthalat)

• Sehr gute Barriereeigenschaften gegenüber äußeren Einflüssen. Schützt vor schädlichen Gasen und wird daher häufig für Lebensmittel verwendet.
• Hohe Transparenz des Originalmaterials, ohne dass viele Farbstoffe benötigt werden.
• Konsistente Behälterqualität.
• Ausgezeichnete Beständigkeit gegen Chemikalien und Temperatur.
• Bietet eine hohe Produktqualität.
• Gute Recyclingfähigkeit.

8. Gasifizierung: Verfahren und Produkte

Die Gasifizierung ist die Umwandlung von Feststoffen in Gas durch partielle Oxidation bei hoher Temperatur (1000–1500 °C).

Dies ist eine klassische Methode, die auf Kohle angewendet wird, um Synthesegas (CO + H₂) zu erzeugen. Bei Kunststoffen wird das erzeugte Gas als Brennstoff verwendet.

Der Heizwert des erzeugten Gases variiert je nach Betriebsbedingungen (Temperatur, Druck), dem Vergasungsmittel (O₂, H₂O) und der Restfeuchte.

Die Reaktoren sind in der Regel als Wanderbett (Gegenstrom) oder Wirbelbett ausgeführt.

Wichtige Reaktionen

C + O₂ → 2CO

C + H₂O → CO + H₂

C + 2H₂ → CH₄

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂

CO₂ + 4H₂ ⇌ CH₄ + 2H₂O

9. Verwertungs-, Recycling- und Nutzungsrate von Altpapier

• Verwertungsrate (Recovery)

  Altpapier, das über verschiedene Kanäle für das Recycling gesammelt wird. Die Sammlung erfolgt entweder:

  • Industriell: (z. B. aus Druckereien, Rate ca. 90 %)
  • Selektiv/Kommunal: (Über blaue Container und Haustürsammlung bei kleinen Unternehmen, Rate ca. 40 %)

• Recyclingrate

  Der Verbrauch von Altpapier im Verhältnis zum gesamten Papierverbrauch. Recycling ist die Nutzung von Altpapier als Rohstoff für die Herstellung von neuem Papier.

• Nutzungsrate (Utilization)

  Der Anteil des Altpapiers, der tatsächlich zur Herstellung von neuem Papier verwendet wird (Verhältnis zwischen Altpapier und Frischfaser).

10. Bleichverfahren: TCF (Total Chlorfrei) und ECF (Elementar Chlorfrei)

Die Wahl des Bleichverfahrens bestimmt, ob das Papier als TCF (Total Chlorfrei) oder ECF (Elementar Chlorfrei) eingestuft wird.

Beispiele für Bleichsequenzen

Die Verfahren, die Chlorverbindungen (wie Chlordioxid) verwenden, gelten als ECF (Elementar Chlorfrei), da sie kein elementares Chlor (Cl₂) nutzen, aber nicht als TCF.

11. Stromerzeugung: GuD und KWK

GuD (Gas- und Dampf-Kombikraftwerk)

Kombinierte Nutzung einer Gasturbine und einer Dampfturbine.

• Wirkungsgrad: Erreicht Wirkungsgrade von bis zu 50 %.
• Brennstoff: Benötigt gasförmigen Brennstoff (z. B. Erdgas).

KWK (Kraft-Wärme-Kopplung)

Gleichzeitige Nutzung von thermischer Energie, in der Regel zur Beheizung von Gebäuden.

• Gesamtwirkungsgrad: Erreicht Gesamtwirkungsgrade von bis zu 90 %.
• Anwendung: Prinzipiell auch auf andere Branchen übertragbar.
• Standort: Die Anlagen sollten klein sein und sich in der Nähe des Verbrauchsortes befinden.

12. Einfluss des Kühlkreislaufs auf die Leistung von Kraftwerken

Die Art des Kühlkreislaufs beeinflusst die Effizienz eines Kraftwerks:

Offener Kühlkreislauf

Kühlwasser wird aus einer natürlichen Quelle (Meer, Fluss usw.) entnommen, durch den Kondensator geleitet und flussabwärts wieder eingeleitet.

Geschlossener Kühlkreislauf (Kühlturm)

Das heiße Wasser wird wiederverwendet und muss dazu einen Kühlturm durchlaufen.

• Das Wasser fällt von oben nach unten, während Luft durch Konvektion aufsteigt.
• Die Kühlung erfolgt hauptsächlich durch die Verdunstung eines Teils des Wassers.

Effizienz: Geschlossene Kreisläufe können zu geringerer Effizienz führen, da Verluste im Kondensator entstehen. Daher werden Kraftwerke tendenziell kleiner und effizienter gebaut.

13. Energieschema zur Nutzung von Biomasse

Die Biomasse-Nutzung lässt sich in drei Hauptbereiche unterteilen:

1. Feste Biomasse (Thermochemische Umwandlung)

   Quellen: Forstwirtschaftliche Rückstände, landwirtschaftliche Abfälle, Energiepflanzen.

   Methoden zur Energiegewinnung: Raffinierung, Pyrolyse, Vergasung, Verdichtung oder direkte Verbrennung.

2. Biogas (Anaerobe Vergärung)

   Quellen: Tierische Abfälle, biologisch abbaubare Industrieabfälle, Klärschlamm, Deponiegas, organische Fraktion von Siedlungsabfällen (MSW).

   Methode: Anaerober Stoffwechsel (Vergärung) zur Stromerzeugung.

3. Biokraftstoffe (Flüssig)

   Quellen: Energiepflanzen, landwirtschaftliche Überschüsse.

   Produkte: Biodiesel und Bioethanol.

   Methoden: Alkoholische Gärung, Extraktion und Veresterung.

   Anwendung: Transportwesen.

14. Bioethanol als Biokraftstoff: Herstellung und Optionen

Herstellungsprozess

Rohstoffe (z. B. Gerste) werden fermentiert, wobei Alkohol (Ethanol) entsteht. Die Gärung erfolgt durch Hefe. Dabei entsteht CO₂, das in andere Industrien weitergeleitet werden kann. Anschließend erfolgt eine Dehydratisierung. Der Rückstand wird mit Heißluft getrocknet (z. B. zur Herstellung von Pellets).

Verwendungsoptionen

1. Transformation in ETBE

   In der Raffinerie reagiert Ethanol mit Butenen zu Ethyl-tert-butylether (ETBE), einer gängigen Komponente in Benzin, die den früheren Zusatzstoff MTBE ersetzt.

2. Direkte Beimischung zu Benzin

   Ethanol wird direkt zu Benzin beigemischt (z. B. in einem Anteil von 10 %).

   Herausforderung: Ethanol ist mit Wasser mischbar, was Probleme bei der Verteilung verursachen kann. Daher erfolgt die Mischung oft erst im Tanklager des Versorgungszentrums.

15. Funktion und Störung des Drei-Wege-Katalysators (TWC)

Der Drei-Wege-Katalysator (TWC) dient der gleichzeitigen Reduktion von drei Schadstoffen:

• HC (Kohlenwasserstoffe) und CO (Kohlenmonoxid): Werden durch Oxidation mit O₂ entfernt.
• NOx (Stickoxide): Werden durch Reduktion entfernt.

Optimaler Betrieb: Damit der Katalysator optimal arbeitet, muss der Sauerstoffgehalt (O₂) im Abgas sehr gering sein. Dies wird durch eine Lambdasonde (O₂-Sensor) überwacht.

Störung: Wenn der Sauerstoffgehalt zu hoch ist, funktioniert der Katalysator nicht optimal, was zu Überhitzung und Schäden am Fahrzeug führen kann.

16. Arten von Solarkollektoren und ihre Anwendungen

Die Kollektoren werden nach den möglichen erreichten Temperaturen unterschieden:

1. Flachkollektoren (Niedertemperatur)

   Temperatur: Bis zu 90 °C.

   Aufbau: Bestehen aus einer schwarzen, geneigten Absorberfläche, oft auf Dächern montiert.

   Anwendungen: Warmwasserbereitung (z. B. in Hotels), Klimaanlagen, Schwimmbadkühlung.

2. Konzentratorkollektoren (Mittlere/Hohe Temperatur)

   Funktion: Konzentrieren die Sonnenenergie, um hohe Temperaturen zu erzeugen.

   Typen: Ideal sind Parabolspiegel, am häufigsten wird der zylindrisch-parabolische Typ verwendet.

   Wärmeträger: Es können auch Luft oder andere Medien anstelle von Wasser verwendet werden.

3. Solarturmkraftwerke (Zentraler Turm)

   Funktion: Ein zentraler Turm, auf den die Strahlung von vielen reflektierenden Platten (Heliostaten) gelenkt wird.

   Anwendung: Stromerzeugung mittels Dampfturbine, die durch die thermische Energie der Sonne angetrieben wird.