3. Materialität und Nachhaltigkeit

• Reserven = Menge genau bekannt und technologisch möglich diese abzubauen

• Ressourcen = teilweise nur Vermutungen über die Gesamtmenge eines Rohstoffs auch die technologisch gar nicht abbaubar ist (angenommene absolute Rohstoffmenge)

• Dauer der Verfügbarkeit

• Quotient aus Reserven in Tonnen und Verbrauch in Tonnen/Jahr -> Einheit kommt Jahr raus

• Wenn man mit Reserven rechnet ist die Aussage realistisch und konservativ

• Rechnet man mit Ressourcen spricht man von einer statischen Reichweite und ist eher eine unsichere Schätzung

• statische Reichweite = Quotient aus Ressourcen in Tonnen und Verbrauch in Tonnen pro Jahr -> Einheit Jahr -> Momentaufnahme, da nicht berücksichtigt, welche Technologien in Zukunft vorhanden sein werden

• dynamische Reichweite = selbe Rechnung aber unter Berücksichtigung von Zukunftsprognosen z.B. im Hinblick auf Technologiefortschirtt -> enorme Unsicherheiten

• vermitteln undifferenziertes Bild

• bezieht sich auf die Seltenheit früherer Funde

• spiegelt nicht dir Größe der Vorkommen wieder

• es gibt zwar Reserven die wirtschaftlich abgebaut werden können aber nicht ökologisch verträglich sind

• würden die ökologischen Folgen bei der statischen Reichweite verücksichtigt werden, würden die Reichweiten vieler Rohstoffe kleiner ausfallen

• Wasser fällt in Form von Niederschlag regional sehr Unterschiedlich an

• steigende Bevölkerungszahlen, übermäßiger Gebrauch, Verschmutzung und Klimawandel führen zur komplexen Dynamik

• es ist das elfthäufigste Element der Erde, aber soll bis 2030 für unsere Verwendung aufgebraucht sein

• Phosphat wird mittels starkes Säuren aus dem Phosphatstein rausgelöst -> Nebenprodukt Phosphatgips (pro Tonne Phosphat 5 Tonnen Phosphatgips) -> keine weitere Verwendung für Phosphatgips -> Verschmutzung von Trinkwasser und Meeren

• Phosphatgestein ist keine erneuerbare Quelle

• Lagerstätten sind weltweit extrem ungleich verteilt

• aktuelles Phosphatgesteinvorkommen 71 Mrd. Tonnen

• akteuelles Phosphor Vorkommen 4.000.000 Mrd Tonnen -> leider können wir diese nicht wirtschaftlich abbauen

• Engpässe haben große Auswirkungen auf den Preis

• es müssen Strategien her die Phosphat zurückgewinnen und einsparen

• In Bayern könnte man 50% des Phosphatdüngers durch Klärschlammrecycling ersetzen

• Veränderung von Essgewohnheiten (weg von Fleich und Milch) spart große Mengen Phosphat ein

• die Reichweite gibt keine Aussagen über die ökologische Verträglichkeit, Nutzung und Entsorgung, unterschiedliche Verteilung weltweit, dynamischer Markt etc.

• wie am Beispiel des Phosphors ist zu sehen, dass trotz enormer Reichweite der Handlungsbedarf akut ist

• Pflanze baut aus CO2 Biomasse auf

• CO2 allein reicht aber nicht aus

• durch die Wurzeln sondern Pflanzen Säuren aus um Nährstoffe im Erdreich verfügbar zu machen

• mit der Zeit übersauert der Boden

• Die Pflanzen brauchen auch atmende Lebewesen um CO2 nachzubilden und das Abfallprodukt Sauerstoff zu verarbeiten

• können selbstständig Biomasse erzeugen

• z.B. Pflanzen die aus CO2 Biomasse herstellen

• die Nährstoffe im Erdreichn nutzen die auch selbst durch Absonderung von Säuren

• z.B. Tiere, Menschen, Bakterien, Pilze ernähren sich von fremder Biomase, um Energie zu erzeugen

• Als Abfall entstehen Urin, Kotm CO2 und andere Stoffwechselprodukte

• Abfallprodukte können teilweise von anderen Lebewesen verwendet werden, aber am Ende bleibt immer CO2 und andere nicht brauchbare Nährstoffe

• Auf Dauer würden diese Lebewesen an ihren eigenen Abfällen ersticken

• es existieren sowohl autotrophe als auch heterotrophe Organismen, die ihre Gegenseitigen Abfallprodukte zum Überleben nutzen

  
  

• es wächst zunächst die Population der Beute

• etwas später folgt der Anstieg der Räuber -> dieser endet, wenn Population der Beute eingebrochen ist und nicht alle Räuber versorgt werden können

• oszillierender Verlauf

• der Räuber beutet seine Lebensgrundlage so lange aus, bis er übers Ziel hinausgeschossen ist und nur durch seinen Tod kann sich die Lebensgrundlage wieder erholen

  
  

• mit einem Modell bei dem CO"2 als Beute und Pflanzen als Räuber fungieren, konnte die CO2 Konzentration in der Atosphäre sehr genau vorausgesagt werden

• Es werden menschliche CO2 Emissionen berücksichtigt

• Das CO2 wird durch Verbrennung von organischem Materials gebildet

• CO2 Konzentration ist immer nur eine Momentaufnahme in einer extrem langen Zeitspanne

• Die CO2 Konzentration war schon immer extremen Schwankungen ausgesetzt

• in den letzten 800000 Jahren schwankte sie immer zwischen 200-300 ppmv

• im Moment beträgt sie jedoch 410 ppmv

• Zusammenspiel zwischen Aufnahme und Abgabe der verschiedenen Formen des Kohlenstoffs (anorganisches CO2 (gasförmig) und organischer Verbindungen (feste Biomasse/Auscheidungen von Tieren/abgestorbene Tiere etc)

• Alle Lebewesen bestehen aus diesen Kohlenstoffverbindungen und Nutzen diese zur Energiegewinnung

• CO2 Kreislauf verläuft unter Wasser ähnlich ab wie an Land nämlich durch Aufnahme von Phytoplankton

• Atmung ist Energiegewinnung von CO2 durch Verbrennung und das Gegenteil von Photosynthese

• Durch Sauerstoffausschluss bilden sich unter Wasser oder in Mooren Sedimente und daraus Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas und Kohle

• aerob = Verbrennung von CO2 unter Vorhandensein von Sauerstoff -> es entsteht wieder CO2

• anaerob = unter Fehlen von Sauerstoff z.B. durch Fermentation -> es entsteht Methan CH4

• sterben Pflanzen an Orten ab wo sie schlecht abgebaut werden können werden diese von Bakterian und Pilzen zu Torf umgewandelt

• der Torf wird von Sedimenten überlagert

• Material wandert immer weiter zum Erdinneren

• durch die Erwärmung (ca. 300°) wird Torf zu Kohle

• dies passiert in Mooren

• Erdöl und Erdgas entstehen ähnlich nur meistens unter Wasser

• Spaltung von Stickstoff (N2) von Bakterien

• Bakterien machen das um das Pflanzen den Stickstoff zur Verfügung zu stellen, nehmen im Gegenzug von den Pflanzen Nährstoffe

• es entsteht Ammonium (NH4)

• danach folgt die Nitrifikation unter aeroben Bendigungen

• nach der Stickstoff-Fixierung wird Ammonium unter aeroben Bedingungen zu Nitrit (NO2) und anschließend zu Nitrat (NO3)

• Pflanzen können das Nitrat dann aufnehmen und verwerten

• passiert unter aeroben Bedingungen

• weitere Bakterien können aus dem Nitrat den Sauerstoff verwerten (wenn anaerobe Bedigungen herrschen) und daraus wieder Stickstoff machen (Denitrifikation)

  
  

  
  

• weitere Bakterien können aus dem Nitrat den Sauerstoff verwerten (wenn anaerobe Bedigungen herrschen) und daraus wieder Stickstoff machen (Denitrifikation)

• wird auch als Nitratatmung bezeichnet

• passiert unter anaeroben Bedigungen

• Wenn Lebewesen Pflanzen fressen nehmen die das Nitrat auf

• Durch Ausscheidungen wird das Nitrat von Pilzen und Bakterien zu Ammonium (NH4) und Ammoniak (NH3) umgewandelt

• Das Ammonium wandert wieder in den Boden und es beginnt die Nitrifikation

• der Stickstoffkreislauf schließt sich somit

• Es wird der erste Schritt (Stickstoff-Fixierung) übersprungen

• Phosphor liegt in der Natur fast ausschließlich als Phosphat vor

• in unbelebter natur in Form von Mineralien

• in belebter Natur in Form von organisch gebundenen Lebewesen Urin, Blut, Knochen, Kot, DNA etc.

• Phosphorursprung Apatit und Magmagestein

• durch Verwitterung und Erosion wird das im Gestein enthaltene Phosphat frei und gelangt in Böden und Gewässer

• sowohl im Wasser als auch an Land findet der gleiche Prozess statt -> Lebewesen nehmen Phosphat fürs Wachstum auf, scheiden es aus oder sterben und es entstehen neue Sidemente (Mineralien)

• es wird weit in der Vergangenheit fixiertes CO2 freigeetzt

• das gleiche gilt für den Abbau von Torf, Humus und Permafrost

• Gewinnung von Ammoniak aus Stickstoff der Luft und Wasserstoff

• wird zur Herstellung von mineralischen Dünger verwendet

• sehr schädlich für Umwelt

• Gebirge auch natürlich und wachsen auch nach

• Erdöl, Erdgas und Kohle wachsen auch nach, aber sehr langsam -> man spricht trotzdem von Fossilen

• Die Zeitskala des Nachwachsens ist entscheidend

• diese sind strikt von den Lebensmitteln zu trennen

• land- und forstwirtschaftliche Stoffe, die für stoffliche Nutzung- als auch für Energieerzeugung genutzt werden

• Zucker oder Saccharide

• besondere Strukturkomponente

• Zellwände von Pflanzen bestehen aus Zellulose -> Polymer aus Glucose

• Exoskelett von Insekten besteht aus Chitin (Polysaccharid)

• Ineteressant für stoffliche Nutzung wie Verbundwerkstoffe, Pharmaka, Waschmittel, Kunststoffen

• entscheidene Rolle im Energiehaushalt von Lebewesen

• im Jahr 2018 ca. 3,5 Mio Tonnen Nawaros stofflich genutzt -> davon 1,6 Mio Tonnen

• Bei dieser Betrachtung ist die Papierherstellung (Zellstoff ist auch ein Kohlenhydrat) nciht berücksichtigt

• allein für Papierherstellung 4,6 Mio. Tonnen Zellstoff im Jahr 2017 in DE

• Damit Papier beschreibbar ist wird es mit Stärke beleimt -> eines der größten Einsatzgebiete von Kohlenhydraten in DE

• kann auch für Fasern wie Viskose, Kunststoffe wie Cellophan, biologisch abbaubare Kunststoffe, Kraftstoffe verwendet werden

• wichtigste Stoffklasse im Nawaro Bereich

• besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff

• große Vielfalt an Einfachzuckern (Monosacchariden) -> z.B. Glukose und Fruktose

• unter Abspaltung von Wasser lassen sich diese zu Di-, Oligo- und Polysacchariden zusammenfügen

• Art der Veknüpfung (Alpha oder Beta) bestimmt die späteren Eigenschaften

• ist ein Disaccharid aus Glukose und Fruktose -> weltweit bedeutendster Zucker

• bekannt als Haushaltszucker aber auch als Bestandteil in Zement, Waschmittel, Kosmetika und Kunststoffe

• Ausgangsmaterial für Milchsäure, Ethanol, Zitronensäure, Vitamine, Enzyme und Antibiotika

• Gewinnung aus Zuckerrohr (80%) und Zuckerrüben -> Extraktion eines zuckerhaltigen Safts -> Verdampfung führt zu Kristallation

• Polymere aus Einfachzuckern

• entscheidend welche Verknüpfung (alpha oder beta)

• z.B. Stärke und Zellulose sind beides Polymere aus Glukose

• Zellulose hat beta Bindungen -> parallele Anordnung -> Fasern mit hoher Zugfestigkeit -> Stabile Zellwände

• Stärke hat alpha Bindungen -> Helix Struktur -> kompakt und schnell zugänglich

• häufigstes Biopolymer der Erde

• jährliche Bildung zwischen 1 und 1000 Mrd. Tonnen azs Luft-CO2 (Vergleich Menschenmasse 60-250 Mio Tonnen)

• Hauptquellen sind Baumwollfasern (26 Mio Tonnen) und Holz (2 Mrd. Tonnen)

• Nutzung entweder strukturell unverändert (z.B. Papier) oder chemisch modifiziret (z.B. Reinigungsmittel)

• Mischung der Polysaccharide Amylose und Amylopektin

• beide werden aus Pflanzen mit Hilfe von Glukose gebildet -> kirstalline Stärkekörner in Speicherorganen der Pflanze gespeichert

• kann aus Mehl von Mais, Kartoffeln, Weizen, Reis und Tapioka gewonnen werden

• 60% Nutzung für Ernährung, da hoher Energiegehalt

• direkt aus Pflanzen hergestellte Stärke = native Stärke -> wird kaum für technische Zwecke verwendet

• modifizierte Stärke ist mit 80% der wichtigste Biokunststoff z.b für kurzlebige Produkte wie Tüten

• Stärke kann zurückgespalten werden sogar bis nur noch Glukose übrig ist

• für Menschen sind enorme technische Anlagen notwendig wo hingegen Mikroorganismen Stärke zu Ethanol oder Milchsäure fermentieren können -> Ausgangsstoff für Biokraftstoffe oder biologisch abbaubare Kunststoffe

• druckfeste Matrix aus zufälligangeordnetem Lignin und Vielfachzucker Hemizellulose und Zellulose

• unverwüstlicher Verbundwerkstoff der mit Stahlbeton vergleichbar ist

• Ligning und Hemizellulose = Beton und Zellulose = Stahl

• heterogene Struktur des Lignins erschwert den mikrobiellen Abbau

• beid er Herstellung von jährlich 2 mrd. Tonnen Holz fallen Abfälle an -> zu Schade für energetische Verwertung

• Energetische Verwertung sollte erst passieren, wenn Abfälle bestmöglich stofflich verwertet wurden

• Cellulose und Hemizellulose sind mehr enthalten als Lignin -> daraus lassen sich Grund- und Spezialchemikalien herstellen

• Durch Zugabe von Säuren kann Holz “vorverdaut” werden und von Mikroorganismen später zu Ethanol und Hefen umgewandelt werden

• Polymer aus aromatischen Kohlenstoffverbindungen mit der Struktur von Phenol

• 500 Mio. Tonnen Lignin werden mitgeerntet -> Menschen produzieren 350 Mio. Tonnen Kunststoff -> Potential als Kunststoff Ersatz

• 1998 Durchbruch durch Fraunhofer Institut bei Erfingung von Arboform

• Kohlenhydrate sollten primär aus Abfallprodukten genutzt werden (kein extra Anbau, da Flächenkonflikte mit Lebensmittelherstellung)

• aus Abfallprodukten wie Hemizellulose aus Holz können Kraft- und Kunststoffe hergestellt werden

• Kohlenhydrate sind für die Zukunft die wichtigste Gruppe nachwachsender Rohstoffe

• Hauptsächlich für Leim in der Papierindustrie

• kann in Zukunft aber auch für Kunststoffherstellung genutzt werden

1. Vermeidung

2. Vorbereitung für Wiederverwendung (Form bleibt erhalten)

3. Recycling (Form wird aufgelöst)

4. sonstige Verwertung, insbesondere energetische Verwertung und Verfüllung

5. Beseitigung

• 1972 Abfallbeseitigungsgesetz (AbfG) -> Abfälle müssen so beseitigt werden, dass für Mensch und Umwelt kein Schaden entsteht

• 1986 Abfallgesetz (AbfG) -> Vermeidung und Verwertung von Abfällen

• 2012 Kreislaufwirtschaftsgesetz -> siehe separate Karteikarte

• Wiederverwendung = Form des Produkts bleibt erhalten, Wiederverwendung für gleichen Zweck nach Reinigung oder Reparatur

• Weiterverwendung = ähnlich wie Wiederverwendung nur für einen anderen Zweck

• Recycling = Form wird aufgelöst/verändert z.B. Einschmelzen von Plastikflaschen

Rohstoffe die aus Rezyklaten erzeugt sind

• Nein, nur wenn es technisch und wirtschaftlich möglich ist und sozial und ökologisch verträglich

• es muss ein Markt vorhanden sein

• Abfallmenge muss ausreichen, um Recyclinganlagen abschreiben zu können

• wirtschaftliche Zumutbarkeit = Kosten für anderes Verfahren > Kosten Recycling - Erlöse für gewonnenen Sekundärrohstoffe

• ökologische Zumutbarkeit = Umweltbelastung anderes Verfahren > Umweltbelastung Recyclingverfahren - Umweltentlastung durch gewonnenen Sekundärrohstoffe

• Ermittlung im Rahmen einer Ökobilanzierung

• es entsteht zwar ein weiterer Abfall (Widerspruchn gegen Punkt 1. Abfallvermeidung)

• der Kunststoff muss nicht mehr bedruckt werden, sondern die Pappe -> eingefärbter Kunststoff kann sehr schlecht verwertet werden, Pappe jedoch schon

• Demontage = Entfernung von wertvollen, recyclebaren oder kritischen Stoffen

• Zerkleinerung

• Kompaktierung = für besseren Transport/Lagerung

• Klassierung = Auftrennung der Stücke nach Korngrößen durch Siebung oder Sinkverhalten

• Sortierung z.B. Grünglas von Braunglas

• Trockensortierung von z.B. Kunststoffen oder Papier

• leicht geneigt, rüttelnes Sieb

• leichte Teilchen folgen der Aufwärtsbewegung, schwere Teilchen gehen nach unten, zu kleine Teilchen fallen durchs Sieb

• Sammlung der Abfälle (über z.B. blaue Tonne)

• Trennung von Störstoffen (Ballistikseparation) und Trennung Pappe/Karton von Papier (Papierspikes)

• Erzeugung eines Faserigen Breis aus PPK

• Im Pulper wird das Nasse Papier durch Drehbewegung und Einbauten zerfasert

• Entfernung der Druckerfarbe

• beim Produktdesign

• beim Aufbau einer Sammellogistik

Aus ihr lässt sich die Zyklenzahl eines recycelten Abfalls abschätzen

Anzahl der Mahlem die ein Rohstoff in einem neuen Produkt eingesetzt werden kann, bevor er für den Kreislauf nicht mehr nutzbar ist

• wie allgemein bei der Effizienzstrategie tritt der Rebound Effekt ein -> Papierherstellung ist zwar sehr effizient geworden, aber der Papierbedarf ist um das fünffache gestiegen

• die beste Art die Umwelt zu schützen ist einen Rohstoff gar nicht erst zu verbrauchen und damit nicht recyceln zu müssen

• deswegen Vermeidung und Wiederverwertung in der Hierarchie über dem Recyclen

Beispiel Anhand einer Erdölraffinerie

• aus Erdöl werden Raffinerie- und Flüssiggasm Bezin, Kerosin und Gasöle hergestellt

• dabei entstehen auch unbrauchbare Destillationsrückstände

• dies ist jedoch kein Abfall sondern wird aufgespalten und daraus wird wieder Benzin oder Gasöle

• Durch die Entschwefelungsanlagen kann relativ reiner Schwefel gewonnen werden für z.B. Gummiproduktion

• Jeder Abfall und Energiestrom kann zur Gewinnung von Produkten benutzt werden

• kein Unterschied bis auf das Ausgangsmaterial

• Effizienz von Erdölraffinerien soll erhalten bleiben

• Phase I Bioraffinerien -> 1 Rohstoff, 1 Prozess, 1 Produkt

• Phase II Bioraffinerien -> 1 Rohstoff, mehrere Prozesse, mehrer Produkte

• Phase III Bioraffinerien -> mehrere Rohstoffe, mehrere Prozesse, mehrere Produkte

• aus Lignin Holzkunststoff (Arboform)

• aus Hemizellulose Bioethanol für Kraftstoffe oder als chemischer Grundstoff

(Phase II Bioraffinerie)

• mehrere Rohstoffe, mehrere Prozesse, mehrere Produkte

• im Moment nutzt eine Biogasanlage mehrere Rohstoffe (Mais, Gülle) zur Herstellung eines Produktes (Biomethan)

• wenn die Anlage mit mehreren Prozessen gekoppelt werden könnte währe eine Umrüstung zur Phase III Raffinerie möglich

• Hier ein kleiner Ausblick