Methoden und Kompetenzen

Lichtwiese

Methoden und Kompetenzen

Das Fachgebiet SuR arbeitet sowohl mit experimentellen als auch mit modelltechnischen Methoden. Der experimentelle Bereich umfasst Laboranalytik, Sortierversuche sowie labor- und Technikumsversuche zur Verfahrensentwicklung für die Kreislaufwirtschaft; diese Methoden unterstützen auch die Entwicklung von Abfallwirtschaftskonzepten. Im modelltechnischen Bereich werden die Methoden der Material- und Stoffflussanalysen (MFA/SFA) und des Life Cycle Assessment (LCA)/Ökobilanzen) mit entsprechenden Datenbanken eingesetzt. Für spezifische Fragestellungen werden eigene Modelle und Szenarien entwickelt. Weiterhin werden für Forschungsarbeiten mit regionalem Bezug Geoinformationssysteme (GIS) genutzt. Aus der Kombination von experimentellen und modelltechnischen Methoden ergeben sich innovative Ansätze, weitergehende Erkenntnisse über Stoffstromsysteme und deren Gestaltung zu gewinnen, die ein besonderes Charakteristikum von Forschung und Lehre im FG SuR darstellen. Diese Expertise bringt das FG SuR als Partner in Verbund-Forschungsprojekten und Kooperationen mit Praxispartnern ein.

Laboranalytik

Analytische und messtechnische Methoden stehen dem Fachgebiet SuR im gemeinsamen Labor des Instituts IWAR zur Verfügung. Im Rahmen von Forschungsvorhaben zur Kreislaufwirtschaft nutzt das FG SuR das IWAR- Labor insbesondere für die folgenden Untersuchungen:

• Untersuchungen von Wasser, Abwasser, Luft-, Boden- und Abfallproben

• Spurenanalytik halogenierter organischer Substanzen

• Spurenanalytik von Metallen

• Immissions- und Emissionsmessungen von biologischen Abfallbehandlungs- und Müllverbrennungsanlagen

• Monitoring gasförmiger Emissionen aus Produktions- und Abfallbehandlungsanlagen

• Feststoffuntersuchungen an Rohschlacken aus der Müllverbrennung

• Begleitende Untersuchungen im Rahmen von Altlasten-Sanierungen

• Analysen der Zuordnungskriterien für Deponien nach Anhang 3 der Deponieverordnung

• Entwicklung und Optimierung von Untersuchungsmethoden zum Nachweis von organischen Inhaltsstoffen im Sickerwasser und Abfall

• Entwicklung und Optimierung von Messverfahren zur kontinuierlichen Online-Überwachung von industriellen Müllverbrennungsanlagen

Instrumentelle Austattung des Labor IWAR:

• Gerätschaften zur Probenaufbereitung (u.a. Schneid-, Kugel- und Messermühlen)

• Gerätschaften zur Probenvorbereitung (u.a. Mikrowellenaufschluss, Druckaufschluss, Kjeldahl-Aufschluss)

• Analysengeräte zur anorganischen Spurenanalytik (u.a. ICP-OES, GF-AAS, F-AAS)

• Analysengeräte zu organischen Spurenanalytik (u.a. HPLC, GC-MS, GC-FID, GC- ECD)

• Analysenmethoden zur Bestimmung der Zuordnungskriterien nach DepV (u.a. GB21, AT4, Feststoff-TOC)

Sortierversuche

Mittels Sortierversuchen können Informationen über die Zusammensetzung von unterschiedlichen Abfallfraktionen gewonnen werden. Diese Informationen sind die wesentliche Grundlage zur Entwicklung von Verwertungs- und Entsorgungsverfahren sowie für die Planung von Abfallentsorgungskonzepten.

Für Sortierversuche stehen dem FG SuR Flächen im neuen Sekundärwertstoffzentrum der TU Darmstadt zur Verfügung. Dort werden die von den Anfallstellen angelieferten Abfälle untersucht; dies sind vorrangig Restabfall, biologische Abfälle und der Inhalt von Wertstoffsäcken/-tonnen. Die sortierten Abfallfraktionen können näher analysiert werden durch physikalische, chemische und biologische Untersuchungen z.B. entsprechend DepV; die Probenahme erfolgt nach den Vorgaben der LAGA PN 98; zur Untersuchung der Proben steht die Laborausstattung des Instituts IWAR zur Verfügung. Die Sortierversuche werden ergänzt durch Vor-Ort-Begehungen von Abfallbehälterstandplätzen, Beobachtung des Sortierverhaltens und Erarbeiten von Strategien zur Lösung der Defizite.

Zur Durchführung von Sortierversuchen besitzt das Fachgebiet SuR eine umfassende technisch-analytische Ausstattung. Dazu gehören insbesondere:

• Sortiertische

• Sortierbehälter

• Waagen

• Siebe in verschiedenen Größen

• Manuell bewegliche Trommelsiebe

In Kooperation mit anderen Fachgebieten können darüber hinaus zusätzliche Aggregate zur Probenvorbereitung und –zerkleinerung genutzt werden.

Verfahrensentwicklung

Die Entwicklung neuer Verfahren im Fachgebiet SuR ist auf die stoffliche und energetische Nutzung von Abfällen bzw. deren Inhaltsstoffen fokussiert. Sie beinhaltet die Verbesserung von Trennung, Erfassung, Aufkonzentration oder Extraktion der interessierenden Abfallfraktionen und Inhaltsstoffe. Die technischen Entwicklungsarbeiten werden durchgeführt unter Nutzung der Werkstatt- und Laborkapazitäten des IWAR. So können beispielsweise Ausbeuten bzw. Effizienzen von Abfallbehandlungsverfahren anhand von Input- und Output-Substratanalysen charakterisiert werden. In der Werkstatt des Instituts IWAR werden u.a. verschiedene Anlagentypen konstruiert und Verfahrenskombinationen nachgestellt. Im Labor- und Technikumsmaßstab ist es damit möglich, Prozessparameter zu variieren und optimale Betriebsbedingungen zu ermitteln. Weiterhin betreibt das FG SuR, innerhalb von Forschungsprojekten, Versuchseinrichtungen auf dem Gelände von Praxispartnern, so auf dem Gelände der Kompostierungsanlage des EAD der Stadt Darmstadt im Rahmen der Projekte „Erweiterung eines konventionellen Kompostwerkes um eine zusätzliche Anaerobstufe zur Gewinnung von Biogas und zusätzlicher Bioprodukte“ (2009-2011) und „Bioabfall zu Biokraftstoff“ (2012-2013).

Abfallwirtschaftskonzepte

Auf Grundlage langjähriger Erfahrungen im Bereich der Sammlung und Erfassung von Abfällen, der biologischen, mechanischen und thermischen Aufbereitung bis hin zur Beseitigung (Deponierung) von Abfällen verfügt das Fachgebiet über die erforderliche Expertise für Abfallwirtschaftskonzepte. Für eine nachhaltige Gestaltung von Abfallwirtschaftkonzepten werden sowohl Abfallmengenentwicklung, Logistik als auch Verfahrenstechnik berücksichtigt. Im Einzelnen können im FG SuR die folgenden Aufgaben bearbeitet werden:

• Analyse von gegenwärtigem Aufkommen und zukünftiger Aufkommensentwicklung

• Bestimmung von abfallrelevanten Parametern, z.B. Atmungsaktivität und Gasbildung

• Entwicklung von Anlagenkonzepten für die Abfallbehandlung

• Bildungsmaßnahmen / Schulungen zur Verbesserung des Abfallmanagements

• Identifizierung von Optimierungsmöglichkeiten in Abfallwirtschaftskonzepten unter Berücksichtigung von kommunalen bzw. betrieblichen Randbedingungen

MFA /SFA

Die Material- und Stoffflussanalyse (MFA/SFA) ist eine systemanalytische Methode zur Erfassung, Beschreibung und Bewertung von Stoffflüssen zwischen menschlicher Wirtschaft und natürlicher Umwelt bzw. innerhalb des Wirtschaftssystems. Gegenstand der Untersuchung können sowohl chemische Stoffe oder Stoffgruppen sein (SFA), als auch Materialien, Produkte oder Produktgruppen (MFA). Ergänzt werden kann die MFA/SFA um die Erfassung von Energieflüssen im Sinne einer kombinierten Stoff- und Energieflussanalyse. Die Methode der MFA/SFA ist in der Literatur ausführlich beschrieben 1 2und basiert auf der naturwissenschaftlichen Grundlage von Massenbilanzen für Prozesse oder Systeme.

Als Systeme werden sowohl die gesamte Wirtschaft, als auch Sektoren oder Regionen, aber auch organisatorische Systeme wir Betriebe untersucht. Als Dynamische MFA kann diese Methode mit Szenarien kombiniert werden, um zukünftige Entwicklungen zu analysieren. Dabei interessiert sowohl die Entwicklung von Lagerbeständen, beispielsweise der Materialmengen im Gebäudebestand, als auch die Flüsse, beispielsweise die zukünftigen Abfallmengen aus dem Rückbau von Gebäuden. Im Fachgebiet SuR stehen für die Durchführung von SFA/MFA das Programm STAN zur Verfügung; es werden aber auch eigene mathematische Beschreibungen auf Basis von Tabellenkalkulationsprogrammen oder mathematischer Software, z.B. MatLab, erstellt.

Life Cylce Assessment (LCA) / Ökobilanzen

Die Methodik der Lebenszyklusanalysen (Life Cycle Assessments (LCA) (Ökobilanz) ist beschrieben in den internationalen Normen DIN ISO 14040/14044. Sie dient dazu, die vollständigen Umweltauswirkungen eines Produktes oder einer Dienstleistung im Lebensweg zu analysieren. Dieser Lebensweg umfasst den Verbrauch von Ressourcen und die Emissionen von der Rohstoffgewinnung über die Herstellung und die Nutzungsphase eines Produktes bis hin zu Abfallbehandlung, Recycling und endgültiger Beseitigung, d. h. „von der Wiege bis zur Bahre“. Ergänzend zur Erfassung der Umweltwirkungen durch LCA können auch ökonomische und soziale Aspekte untersucht werden (Life Cycle Costing, Social Life Cycle Assessment).

Das FG SuR besitzt umfangreiche Erfahrung in der Durchführung von LCA und der Anwendung verschiedener Software-Tools, Datenbanken und spezifischer methodischer Ansätze. Aktuell wird vor allem die open Source Software OpenLCA genutzt, die anspruchsvolle Modellierungen ermöglicht, aber auch in der Lehre eingesetzt werden kann. In Bezug auf Datenbanken besitzt das Fachgebiet Lizenzen für die Schweizer Datenbank EcoInvent und kann darüber hinaus auf weitere internationale und nationale Datenbanken zugreifen. Datensätze aus den am Fachgebiet durchgeführten LCA werden in einer eigenen Datenbank dokumentiert, die nach internationalen Standards erstellt ist und über die Austauschformate ELCD und EcoSpold 2 mit anderen Datenbanken kompatibel ist. Das FG SuR stellt Expertise zur Verfügung für die begleitende Analyse neuer Verfahren und Produkte im Rahmen der Technologieentwicklung. Insbesondere können LCA entsprechend der Vorgaben der europäischen Plattform für LCA erstellt werden, wie sie u.a. als Bestandteil von europäischen Forschungsprojekten im 7. Rahmenprogramm erforderlich sind.

Szenarienanalyse

Szenarienanalysen sind heute unverzichtbar, um zukünftigen Entwicklungen prospektiv zu untersuchen. Sie zeigen verschiedene Entwicklungswege – „mögliche Zukünfte“ – auf und ermöglichen es, Rahmenbedingungen für das Erreichen bestimmter Ziele, z.B. im Energiebereich, zu untersuchen, oder erwartbare Folgen bestimmter Maßnahmen zu ermitteln. Dazu werden Szenarien als Eingangsgrößen mathematischer Modelle formuliert, mit denen bestimmte Ergebnisgrößen berechnet werden können.

„Ein Szenario ist eine allgemeinverständliche Beschreibung einer möglichen Situation in der Zukunft, die auf einem komplexen Netz von Einflussfaktoren beruht. Ein Szenario kann darüber hinaus die Darstellung einer Entwicklung enthalten, die aus der Gegenwart zu dieser Situation führt.“3 Zur Erarbeitung von Szenarien ist demnach ein gutes Verständnis eines Bereiches und seiner vielfältigen Einflussgrößen erforderlich. Darüber hinaus müssen häufig Abschätzungen für unbekannte, ggf. in der Zukunft liegende Größen getroffen werden. Um solche Informationen zu gewinnen, kann das FG SuR über den Zugriff auf elektronische Bibliotheken und Zeitschriftenverzeichnisse umfassende und systematische Literaturrecherchen durchführen. Für aktuelle Forschungsprojekte werden darüber hinaus Methoden der empirischen Sozialforschung eingesetzt, insbesondere Experteninterviews, aber auch online-Befragungen, u.a. im Rahmen von Delphi-Analysen. Entsprechend dem Grundprinzip von Szenarien als Beschreibung einer multiplen Zukunft werden die so gewonnenen Erkenntnisse als Set von Szenarien ausgearbeitet, die für Modellierungen in aktuelle Projekte einfließen. Das FG SuR nutzt existierende Modelle, beispielsweise das Land-Nutzungs-Modell Land-Shift der Universität Kassel, entwickelt aber auch eigene Modelle, beispielweise ein Merit-Order-Modell zur Untersuchung von Substitutuionswirkungen im Strom-Bereich.

Geoinformationssysteme – GIS

Im Bereich der Umweltwissenschaften kommen Geoinformationssysteme (GIS) zur Erfassung, Bearbeitung, Analyse und Präsentation von Geodaten zum Einsatz. Das Fachgebiet Stoffstrommanagement und Ressourcenwirtschaft nutzt in der Forschung sowie zur Bearbeitung von Projekten die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Geoinformationssystemen. Mittels GIS können Daten bezüglich Artenvorkommen, Klimadaten, Wegenetzdaten o.ä. gespeichert, analysiert und zu thematischen Karten aufbereitet werden. Ferner kann GIS zum Management von Daten, wie z.B. Gebäudedaten, von der Erfassung und Fortschreibung der Daten bis hin zur Integration der Informationen in Geodateninfrastrukturen (GDI) genutzt werden.

Im Ingenieurwesen bilden Geoinformationssysteme mit geografischen Informationen, Analyse- und Visualisierungsfunktionalität eine wesentliche Basiskomponente für verschiedenste Aufgaben. Das FG SuR nutzt GIS in Kombination mit Modellen, z.B. LandShift, aber auch für regionalisierte LCA Studien sowie Szenarienanalysen. Das Fachgebiet ist am EsriCampusBundle der TU Darmstadt beteiligt und nutzt in diesem Rahmen GIS-Lizenzen.

1 Baccini P, Bader HP. Regionaler Stoffhaushalt: Erfassung, Bewertung und Steuerung. Heidelberg: Spektrum Akad. Verl.; 1996.

2 Brunner PH, Rechberger H. Practical handbook of material flow analysis. Boca Raton, Fla.: Lewis; 2004

3 Gausemeier et al. (2001): Produktinnovationen. Strategische Planung und Entwicklung der Prdukte von morgen. S.79.