Highlights aus Forschung und Entwicklung

Plascarb - Verborgene Potenziale aus Lebensmittelabfällen nutzbar machen

© Foto K. Kampioti/CNRS

Im PlasCarb-Projekt hergestellte Nanocarbon-Tinte.

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Nanocarbon-Naturlatex- Verbund(struktur).

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Verbesserung der Eigenschaften durch Zumischen des Nanocarbons in den Naturlatex.

Ist weg gleich weg? Was Lebensmittel angeht, ist Deutschland eine Wegwerfnation...

Bis zu einem Drittel der gesamt produzierten Lebensmittel gehen über die Wertschöpfungskette verloren. Sprich: Sie landen in der Tonne, während gleichzeitig in vielen Regionen der Erde Hungersnöte herrschen. Es ist eine nachhaltige Opti­mierung nötig – beispielsweise in Hinblick auf Flächenbedarf, Ressourcenausbeutung und Treibhausgasemissionen, die mit der Produktion der Lebensmittel einhergehen. Zudem landet wertvolle Energie, die für die Bereitstellung der Lebensmittel benötigt wurde, direkt und ungenutzt im Müll.

Hier setzt das Projekt PlasCarb an, ein von der EU­Kommission gefördertes Forschungsvorhaben, das Partner aus fünf Ländern vereinigt. Es geht nicht darum, die Lebensmittelverschwendung per se einzudämmen, was keine triviale Angelegenheit darstellt, sondern vielmehr darum, die im Abfall enthaltene Energie und das stoffliche Potenzial nutzbar zu machen. Das Projekt baut dabei auf einer etablierten Technologie auf: der biologischen Vergärung organischer Abfälle. Mithilfe des neuen Verfahrens soll es künftig möglich sein, die Abfälle nicht nur energetisch, sondern auch stofflich zu recyceln – oder sogar upzucyclen.

Die Abteilung Ganzheitliche Bilanzierung des Fraunhofer IBP führt die ökologische, ökonomische und soziale Bilanzierung für das Projekt durch. Weitreichende Erfahrungen in diesen Themengebieten sammelte die Abteilung bereits in anderen durchgeführten Projekten. So erstellten die Mitarbeiter umfassende Bilanzen für unterschiedliche Lebensmittelbereitstellungsketten, für die Sammlung und Verwertung von organischen Abfällen – konkret für die Biogaserzeugung und -­aufbereitung – und für die Erzeugung und Nutzung regene­rativen Wasserstoffs. Außerdem entwickelte die Abteilung ein spezielles Tool: Mit diesem lassen sich Methoden, mit denen man die Einflüsse der Menschen auf die Bodenqualität bewerten kann, in bestehende Software-­Lösungen implementieren (LANCA®). Weiterhin unterstützten die Forscher auch die Entwicklung einer Datenbank von Lebens­ und Futtermitteln der thinkstep AG.

Optimierungspotenziale bereits während der Entwicklung aufdecken

PlasCarb setzt dort an, wo üblicherweise die energetische Verwertung von Biogas steht: im Blockheizkraftwerk oder bei der Einspeisung ins Erdgasnetz. Die Forscher reinigen das Biogas aus der anaeroben Vergärung und teilen es in seine Hauptkomponenten CO2 und CH4 auf. Diese bringen sie in einem definierten Verhältnis in einen Reaktor ein: Hier herrscht ein Niedrig-­Temperatur­-Plasma, das durch Mikrowellen indu­ziert wird. Dieses Plasma zerlegt das Methan in seine atomaren Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff. Der Zielwertstoff ist graphitischer Kohlenstoff, eine bestimmte Morphologie festen Kohlenstoffs, der aufgrund seiner Eigenschaften als Werkstoff der Zukunft gilt. Auch der regenerativ hergestellte Wasserstoff lässt sich gut weiterverwerten: Er ist ein Energieträger und ein etablierter Ausgangsstoff für viele chemische Zwischenprodukte.

Doch vom Lebensmittelabfall bis zu den Endprodukten sind viele Zwischenschritte notwendig, die sich in verschiedenen Stadien der Entwicklung befinden und die teils von unterschiedlichen Projektpartnern durchgeführt werden. Jeder einzelne ist jedoch für die ganzheitliche Betrachtung des Produktlebensweges relevant. Für die Analyse gliedern die Wissenschaftler den Gesamtprozess in Unterprozesse auf, wobei sie jedem Unterprozess separate In-­ und Outputströme zuweisen. Diese Ströme analysieren sie hinsichtlich ihrer Umweltwirksamkeit und ihres sozioökonomischen Impacts und vergleichen sie beispielsweise mit bestehenden Verwertungs-­ oder Produktionsverfahren. Um diese Ströme zu identifizieren und zu quantifizieren, müssen die Forscher sich wissenschaftlich mit einer Vielzahl teils sehr verschiedener Technologiefelder auseinandersetzen – etwa biologisch basierter Energieerzeugung, Abfallverwertungskonzepten, Verfahrenstechnik – und eng mit den Projektpartnern kommunizieren. Durch die hierarchische und damit detaillierte Betrachtung können sie Hotspots ermitteln, während sie durch die ganzheitliche Bilanzierung des Gesamtprozesses vermeiden, dass sich Probleme durch die Verbesserung eines Prozessschritts in einen anderen verschieben – man spricht dabei auch vom »Shift of burden«. Diese Analysen können aufdecken, welche zielgerichteten Veränderungen bereits während der Entwicklung den Gesamtprozess verbessern würden.

Für diese Analysen verwenden die Forscher die Software GaBi. Diese bietet zusätzlich die Mög­lichkeit, die Methode des Life Cycle Costing anzuwenden. Anders gesagt: Sie führt neben der ökologischen auch eine ökonomische Optimierung durch. Analog zur Ökobilanzierung werden beim Life Cycle Costing Ausgaben und Einkommen, die während des gesamten Produktlebensweges anfallen, einander gegenübergestellt.

Am Ende dieser Analysen sollen quantitative Aussagen über die Nachhaltigkeit zur Verfügung stehen, ob und unter welchen Rahmenbedingungen dieser innovative Prozess sowohl mit herkömmlichen Konzepten der Abfallverwertung als auch mit Prozessen der Wasserstoff­ und Graphitherstellung konkurrieren kann. Durch die begleitende Analyse der Entwicklung können mögliche Probleme früh erkannt werden. Somit wird nicht nur der technische Prozess effizienter, sondern auch der Innovationsprozess selbst.