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GcBÜK400 - Chrom im Oberboden

Chrom ist ein in der Erde weit verbreitetes, in vielen Mineralen vorkommendes Element, das für Mensch und Tier lebensnotwendig ist. Es existiert in mehreren Oxidationsstufen, doch nur die drei- und sechswertigen Verbindungen sind im Boden stabil. Unbelastete Böden haben Chromgehalte zwischen 5 und 100 mg/kg. Der regionale Clarke des Erzgebirges beträgt 52 mg/kg (Totalgehalte). Chrom wird über die Metallurgie und Cr-verarbeitenden Industrien (Farben, Legierungen, Katalysatoren, Beizen, Poliermittel, Bauindustrie) anthropogen in die Umweltmedien eingetragen. In den Böden kann es durch Düngung (Cr im Thomasphosphat) und Klärschlammaufbringung noch zu einer zusätzlichen Belastung mit Chrom kommen. Die regional unterschiedliche Verteilung des Chroms in den sächsischen Böden resultiert aus der geogenen Spezialisierung der Substrate. Bei der Bodenbildung kommt es i. d. R. zu keiner größeren An- bzw. Abreicherung von Chrom. Die Gehalte der Böden liegen in etwa in der Höhe der Ausgangsgesteine. In den nördlichen bzw. nordwestlichen Landesteilen dominieren in den Böden über weitgehend sandigen Lockergesteinen niedrige Chromgehalte unter 20 mg/kg. Die Böden über sauren Magmatiten und Metamorphiten sowie über den Sandsteinen der Elbtalkreide und den Granodioriten der Lausitz liegen ebenfalls im unteren Gehaltsbereich. Über den stärker lössbeeinflussten Lockersedimenten, den Rotliegend-Sedimenten sowie den Tonschiefern, Phylliten, Glimmerschiefern und Paragneisen des Erzgebirges steigen die Chromgehalte in den Böden auf etwa 30 - 40 mg/kg an. Die höchsten Gehalte ( 100 mg/kg) treten in Sachsen punktuell über basischen Vulkaniten (Basalte, Serpentinite, Gabbros), über den größere Flächen bildenden Diabasen des Vogtlandes und lokal über Cr-haltigen Mineralisationen und Verwitterungsbildungen auf (Ni-Hydrosilikate bei St. Egidien). Serpentinite z. B. können bis zu 2000 mg/kg Chrom (Totalgehalte) enthalten. In den Auenböden treten deutliche Beziehungen zwischen den Chromgehalten und den Gesteinen der jeweiligen Einzugsgebiete auf. Die Auenböden der Weißen Elster, der Mulde und der Elbe (Einzugsgebiet Erzgebirge /Vogtland) führen mittlere bis leicht erhöhte Gehalte. Die Gehalte in den Flussauen der Lausitz sind dagegen deutlich niedriger. Infolge der unterschiedlichen Bindungsformen des Chroms in den Primärsubstraten ist die Umrechnung von Cr-Totalgehalten in Cr-Königswassergehalte (KW) äußerst problematisch. Praktische Erfahrungen bei den Bodenuntersuchungen zeigen, dass die KW-Gehalte von basischen bis ultrabasischen Magmatiten und Metamorphiten gegenüber den Totalgehalten bis zu ca. 50 % niedriger sind. Die geochemische Spezialisierung der basischen Substrate tritt deshalb im Kartenbild nur in abgeschwächter Form in Erscheinung. Die in der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) festgelegten Prüfwerte für den Wirkungspfad Boden-Mensch (KW-Gehalte) werden in Sachsen nur punktuell über den o. g. basischen und ultrabasischen Gesteinen überschritten. Im Vogtland kommt es über den Diabasen z. T. flächenhaft zur Überschreitung der Cr-Vorsorgewerte, wobei auf Grund der natürlichen Bindungsform aber keine verstärkte Freisetzung im Boden zu erwarten ist.

Nachhaltige Erzeugung von grünem Wasserstoff aus ammoniakhaltigen, wässrigen Reststoffströmen mithilfe effizienter Plasmatechnologie, Teilvorhaben: Entwicklung und Untersuchung keramischer Membrankontaktoren zur Extraktion von NH3(g) aus wässrigen Medien

Die Senkung der Treibhausgasemissionen und Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Deckung des steigenden Energiebedarfs sind von nationaler und internationaler Relevanz. Wegen seiner Eigenschaften wird grüner Wasserstoff (H2) als Energieträger dabei immer gefragter (hoher Brennwert, keine Treibhausgasemissionen). Um Wasserstoff zeitnah als nachhaltige Energiequelle mit vertretbaren Kosten zu verankern, sind innovative Konzepte gefragt. Wasserstoffträger, wie Ammoniak (NH3), bieten hierfür ein erhebliches Potenzial. Ammoniak weist neben einer hohen Wasserstoff-dichte (18 % Wasserstoffmasseanteil) auch eine höhere volumetrische Energiedichte als H2 auf, ist schwer entflammbar und kann über etablierte Infrastrukturen bereits jetzt unproblematisch transportiert und gespeichert werden. Der Transport ist verflüssigt bei -33 °C oder 8 bar im Vergleich zu H2 einfacher und sicherer sowie über weite Strecken kostengünstiger (Transport per Schiff: flüssiges NH3: 1,09 $/GJ, flüssiges H2: 3,24 $/GJ, Berechnungsgrundlage Distanz: 12.000 km). Die Rückwandlung von NH3 zu H2 im Energiesektor ist noch nicht großtechnisch etabliert und erfolgt bisweilen über ein thermisch-katalytisches Verfahren zur NH3-Spaltung (Cracking) v. a. im Bereich der Schutzgaserzeugung. Erste großtechnische Umsetzungen im Energiebereich wurden erst kürzlich von namhaften Firmen (Thyssenkrupp, Air Liquide) angekündigt. Nachteil der Cracking-Verfahren ist der noch hohe Energiebedarf (Wärme) und der Bedarf teurer Katalysatoren. Im skizzierten Projekt 'HydrAPlas' wird daher ein innovatives System auf Basis der einfach skalierbaren und bereits massenfertigungstauglichen Mehrlagenkeramik-technologie zur NH3-Spaltung durch kaltes Plasma entwickelt. Das keramische Plasmasystem soll, im Vergleich zum benannten Cracking-Verfahren, eine energie-effizientere, nachhaltige Technologie zur NH3-Spaltung darstellen.

Bewirtschaftung und Biomasseverwertung von nassen Niedermooren in Brandenburg, Teilvorhaben 2: Flächenmanagement

Das Vorhaben WetNetBB soll als Katalysator für eine großflächige Transformation zu einer nachhaltigen Moornutzung fungieren. Gesamtziel des Vorhabens ist die Schaffung eines Verbundes von Modell- und Demonstrationsvorhaben für die Nutzung nasser Niedermoore mit repräsentativen Moorflächen, Biomasseverwertungspfaden und relevanten Akteuren in Brandenburg. Das Vorhaben WetBetBB gliedert sich in die Module (1) Flächenmanagement, (2) Biomasseverwertung, (3) Transfer und Öffentlichkeitsarbeit und (4) Wissenschaftliche Begleitung. Die Gebietskulisse bildet standörtliche Bedingungen in repräsentativer Weise ab und umfasst die moorreichen Regionen Rhinluch/Havelland, Mittlere Havel, Uckertal/Randowbruch und Spreewald. Dieses Vorhaben ist für Modul 1 zuständig. Dort werden mit den landwirtschaftlichen Betrieben Demonstrationsflächen zur Wiedervernässung vorbereitet, eingerichtet und betreut, aktive Maßnahmen zur Erhöhung der Biodiversität getestet, angepasste Standardtechnik und Spezialtechnik erprobt und übertragbare Konzepte und Handlungsempfehlungen abgeleitet. Dies beinhaltet die Teilprojekte (1a) Flächenvorbereitung, (1b) Flächeneinrichtung und Flächenbetreuung, (1c) Methoden zur Erhöhung der Biodiversität und (1d) Technik und -verfahren für die Flächenbewirtschaftung. Auch in Modul 2 und 4 hat dieses Vorhaben Arbeitsanteile. In Modul 2 werden mit verarbeitenden Unternehmen Verfahren für die stoffliche und energetische Nutzung im Praxismaßstab demonstriert und am Markt eingeführt. Schwerpunkte für dieses Vorhaben liegen in den Teilprojekten (2a) Rahmenbedingungen und standortspezifische Lösungen, (2b) Rohstoffbereitstellung und Logistik, sowie (2e) Geschäftsmodelle und Übertragbarkeit. In Modul 4 werden auf mehreren Intensitätsstufen die kurz-, mittel- und langfristigen Auswirkungen auf die Umwelt, auf die Ökonomie und auf Indikatoren der Akteursebene ermittelt und bewertet. Der Fokus liegt im Teilprojekt (4a) Hydrologie mit Standort- und Gebietshydrologie.

Bewirtschaftung und Biomasseverwertung von nassen Niedermooren in Brandenburg, Teilvorhaben 3: Wissenstransfer und Öffentlichkeitsarbeit, Biodiversitätsmonitoring

In Brandenburg kommen ausgedehnte Niedermoorflächen mit einer großen standörtlichen Vielfalt vor, die nahezu flächendeckend entwässert sind und fortschreitender Degradierung unterliegen. Es gibt Vorarbeiten zur Wiedervernässung in mehreren moorreichen Regionen, langjährige Forschungsaktivitäten zur stofflichen und energetischen Biomasseverwertung. Das Vorhaben WetNetBB soll als Katalysator für eine großflächige Transformation zu einer nachhaltigen Moornutzung fungieren, indem es diese Entwicklungen aufnimmt und zusammenführt, auf typischen Standorten moorerhaltende Wasserstände realisiert, Verfahren für die Flächenbewirtschaftung und Biomasseverwertung als Modell- und Demonstrations-vorhaben exemplarisch umsetzt. Im Ergebnis soll Akzeptanz für eine nachhaltige Moornutzung in den ausgewählten Regionen und darüber hinaus aufgebaut werden. Die HNEE verantwortet dabei den Wissenstransfer und die Öffentlichkeitsarbeit, sowie das Biodiversitätsmonitoring i.R.d. wissenschaftlichen Begleitung. Das Modul Öffentlichkeitsarbeit und Wissenstransfer steuert den der Wissenstransfer nach innen und außen. Kern bildet die Schaffung eines Innovationsforums für nasse Moornutzung, das alle interessierten Stakeholder langfristig miteinander vernetzt und in verschiedenen Formaten Gelegenheitsräume für den Wissenstransfer auf Augenhöhe schafft. Daneben steht die Kommunikation mit der allgemeinen Öffentlichkeit sowie der Politik und Verwaltung im Fokus. Das Biodiversitätsmonitoring wird standörtliche Veränderungen, deren Auswirkungen auf die Vegetation im Zuge der Wiedervernässung und Bewirtschaftung erfassen und die Standortgerechtigkeit und Nachhaltigkeit der Nutzung mit Blick auf eine stabile Biomasseproduktion bewerten, sowie die Wirkungen der Nutzungsumstellung auf die Biodiversität der Flächen mit Blick auf die Lebensraumeignung, den Biotopverbund und das Landschaftsbild einschl. deren Beeinflussung durch eine Anpassung der Bewirtschaftungsvorgänge erfassen und bewerten.

Entfernung von gelöstem Sauerstoff aus Aminlösungen für die CO2-Abtrennung

MeDORA zielt entsprechend der Vorrangigen Forschungsrichtungen von Mission Innovation auf die beschleunigte Umsetzung umweltfreundlicher Prozesse zur CO2-Abscheidung ab und setzt die im 7. Energieforschungsprogramm 'Innovationen für die Energiewende' des Bundes in Abschnitt 3.15 'Technologien für die CO2-Kreislaufwirtschaft' genannte Zielsetzung der Weiterentwicklung von Komponenten und Werkstoffen für die CO2-Abtrennung konsequent um. In MeDORA soll mittels eines innovativen Membranverfahrens der in Amin-Waschmitteln von CO2-Abtrennungsanlagen gelöste Sauerstoff entfernt werden, um die oxidative Waschmittelzersetzung um 50% zu reduzieren und darüber hinaus den O2-Gehalt im abgetrennten CO2 auf kleiner als 10 ppmv zu begrenzen. Die angestrebte Erhöhung der Waschmittellebensdauer lässt eine Senkung der Betriebskosten für das Waschmittelmanagement um bis zu 70 % erwarten und kann damit die Umweltauswirkungen einer Abscheidungsanlage durch geringe Abfallmengen beim Waschmittelmanagement (Reclaiming) und reduzierte Emissionen (insbesondere des flüchtigen Zersetzungsprodukts NH3) deutlich senken. Die höhere Reinheit des CO2-Produkts erlaubt es die strengen Spezifikationen geologischer Speicherprojekte (z.B. Northern Lights in Norwegen) ohne aufwändige Nachbehandlung zu erfüllen und senkt entsprechend auch die Kosten für CCU-Anwendungen, bei denen O2-Spuren Katalysatoren schädigen. MeDORA, mit 6 Partnern aus 3 europäischen Ländern, wird von einem starken industriebasierten Konsortium geleitet, das die gesamte Wertschöpfungskette abdeckt. Die Langzeittests von MeDORA (TRL 7-8) in Niederaußem, hier erstmalig auch mit innovativen asymmetrischen Membranen, und bei HVC in den Niederlanden stellen die industrielle Anwendbarkeit sicher und werden begleitet von technisch-wirtschaftlichen Analysen, LCA, Vergleich mit anderen Techniken zur O2-Reduzierung im Waschmittel und im Produkt-CO2, werkstoffwissenschaftlichen Untersuchungen sowie der Entwicklung eines Verwertungsplanes.

Untersuchung ökotoxischer Effekte von faser- und plättchenförmigen neuartigen Materialien für die Ableitung angepasster Prüfstrategien

Faser- und plättchenförmige neuartige Materialien wie beispielswiese Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphene oder MXene weisen außergewöhnliche mechanische, elektronische, optische und chemische Eigenschaften auf. Sie werden daher für eine Vielzahl von Anwendungen untersucht. Diese umfassen beispielsweise optoelektronische Anwendungen (z.B. Solarzellen, Leuchtdioden), Sensortechnik, Verbundmaterialien (z.B. für elektrische Leitfähigkeit, EMV-Abschirmung), Energiespeicherung, Katalysatoren oder Textilien (z.B. für elektrische Leitfähigkeit, Flammschutz). Faser- und plättchenförmige neuartige Materialien können aufgrund ihrer Eigenschaften methodische Herausforderungen für die regulative Risikobewertung gemäß EU-Chemikalienrecht mit sich bringen. Welche Mechanismen zur ökotoxischen Wirkung dieser Materialien beitragen, ist wenig untersucht. Zudem besteht die Besorgnis, dass mögliche ökotoxische Wirkungen der Materialien über die klassischen Methoden nicht ausreichend aufgeklärt werden können. Somit besteht der Bedarf geeignete Prüfstrategien zu entwickeln, die es ermöglichen relevante Mechanismen und (sub)letale Effekte zu identifizieren, die eine spezifische Einschätzung des ökotoxischen Potentials faser- und plättchenförmiger neuartiger Materialien erlauben. In dem Vorhaben sollen daher besondere Wirkmechanismen und relevante (sub)letale Effekte dieser Materialien recherchiert werden. Davon ausgehend soll abgeleitet werden, welche Prüfsysteme zum Einsatz kommen müssen, um spezifische Aussagen zur Ökotoxikologie dieser Materialien vornehmen zu können. Ausgewählte Prüfsysteme sollen exemplarisch anhand von ausgewählten faser- und plättchenförmigen Materialien erprobt und adaptiert werden. Auf diese Weise sollen Empfehlungen abgeleitet werden, wie nicht-klassische Effekte im Rahmen der Umweltrisikobewertung solcher Materialien berücksichtigt werden könnten und welche weiteren Schritte vorgenommen werden müssten.

Verbesserte Nachhaltigkeit u Energieeffizienz d Salpeterproduktion durch Optimierung d Materialeigenschaften d Katalysators, Reaktors u v Prozessbedingungen - Sustainable Nitrates Production, Teilvorhaben: Versuchsplanung, Modellierung, Optimierung, Prozessüberwachung

Charakterisierung von edelmetallfreien Katalysatoren für die Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle

Plasmabasierte Herstellung von grünem Kerosin aus Biogas und regenerativer elektrischer Energie

Lebensdauererhöhung der Sauerstoffverzehrkathode für den technischen Einsatz in der Chlor-Alkali-Elektrolyse, Teilvorhaben: Katalysatorscreening und -optimierung

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