Month: Juli 2022

Materielle Grenzen der Kreislaufwirtschaft – Status und Perspektiven der Kreislaufwirtschaft unter Charakterisierung, Modellierung und Bewertung des Materialhaushalts mit besonderer Würdigung von Bestandsdynamiken im anthropogenen Lager Deutschlands

Die Kreislaufwirtschaft wird in politischen Programmen zunehmend als konsistenter Lösungsentwurf einer nachhaltigen, ressourcenschonenden Wirtschaftsweise angesehen. Als zentrales Paradigma der Kreislaufwirtschaft gilt der Erhalt von Wert und Funktion von Gütern, Produkten und Materialien im Wirtschaftsraum. Demzufolge müsste sich ein idealtypisches rohstoffnutzendes System im Steady-State weitgehend aus sich selbst heraus mit Sekundärrohstoffen versorgen und nahezu in Gänze auf Primärrohstoffe verzichten können.

Reale Systeme wie Volkswirtschaften zeichnen sich allerdings durch eine komplexe, dynamische Materialverflechtung mit Verlusten und veritablen Rohstoffverbräuchen aus. Das Recycling unterliegt technologischen und wirtschaftlichen Schranken. Darüber hinaus erfahren diese Systeme nicht nur Sättigungseffekte, sondern auch erhebliche Wachstums- und Schrumpfungsdynamiken im anthropogenen Lager. Es herrscht ein großer zeitlicher Versatz zwischen Inverkehrbringen und Entsorgung relevanter Gütergruppen.

Wo liegen vor diesem Hintergrund realistische materielle Zielkorridore in einer Kreislaufwirtschaft und wo die Grenzen? Welche Materialien lassen sich überhaupt in Kreisläufen bewirtschaften und mit welchen Indikatoren lässt sich die Entwicklung von Materiallebenszyklen verlässlich beschreiben? In welchem Umfang wird die Versorgung mit Primärrohstoffen erforderlich bleiben?

Der Autor widmet sich im Promotionsvorhaben diesen zentralen Fragen und untersucht dabei, welcher Grad der Zirkularität für verschiedene Materialien unter derzeitigen und zukünftig zu erwartenden technischen Rahmenbedingungen möglich sein wird.

Erstgutachterin: Prof. Dr. Christa Liedtke, Folkwang Universität der Künste / Wuppertal Institut
Zweitgutachterin: Prof. Dr. Cordula Meier, Folkwang Universität der Künste
Ort der Promotion: Folkwang Universität der Künste, Essen

Schüttdichtenbestimmung in Recyclinganlagen mit Faser-Bragg-Gittern

Um das Ziel einer funktionierenden Kreislaufwirtschaft zu erreichen, müssen derzeitige Recyclingverfahren so optimiert werden, dass weniger Abfälle beseitigt und mehr verwertet werden können. Dazu sind mehr Informationen über das aktuell verarbeitete Material erforderlich. Ein Hauptproblem stellt dabei die Schüttdichte dar, die aufgrund der Unsicherheit der derzeit eingesetzten elektrischen Bandwaagen, nur mit unzureichender Genauigkeit auf Förderbändern gemessen werden kann.

In seiner Forschung beschäftigt sich Herr Gönner daher mit der Entwicklung einer neuartigen optischen Bandwaage, die bessere Eigenschaften und eine höhere Genauigkeit als das elektrische Gegenstück verspricht. Die Idee ist die Verwendung von Glasfasern, in die ein Bragg-Gitter eingeschrieben wurde. Mit Hilfe der Reflexionseigenschaften des Gitters kann die Schüttdichte des Fördergutes präzise und schnell gemessen werden. Vor allem die Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Störungen, schwächere Alterungseffekte und geringere Kosten machen eine optische Bandwaage zu einer attraktiven Alternative zu dem derzeit verwendeten elektrischen Verfahren.

Durch den Klimawandel wird die Bedeutung der nachhaltigen Nutzung und Schonung von Rohstoffen, Reduzierung von Schadstoffen und Recycling immer größer. Moderne Abfallver­brennungsanlagen unterstützen und erfüllen die in dem Kreislaufwirtschaftsgesetz festge­legten Bedingungen zur Behandlung von Abfällen. Gemäß den Klimaschutzplänen des Bun­desumweltministeriums zur Dekarbonisierung der Sektoren Wärme, Strom und Kraftstoff können Abfallverbrennungsanlagen einen wichtigen Beitrag durch die Herstellung von Bio­energie leisten. Denn durch die thermische Verwertung des Abfalls werden Elektrizität und Wärme erzeugt, die im Abfall enthaltenen Schadstoffe gemindert und das Abfallvolumen re­duziert. Trotz moderner Regel-, Automatisierungs- und Messtechnik ist die effiziente und optimale Betreibung einer Abfallverbrennungsanlage unter Einhaltung der Anforderungen wie Ver­brennungstemperaturen, Verweilzeiten und Emissionsgrenzwerte gemäß der 17. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchV) aufgrund der Inhomoge­nität der Abfallzusammensetzung immer noch eine verfahrenstechnische Herausforderung. In dieser Forschungsarbeit wird ein KI-Modell einer Abfallverbrennungsanlage auf Basis mo­derner KI-Algorithmen wie Maschinelles Lernen und Neuronale Netze entwickelt, welches die Prozesse einer Abfallverbrennungsanlage lernt und neue Zusammenhänge zwischen den Zielgrößen Verbrennung, Verschmutzung, Durchsatz, Emissionen und Wirkungsgrad liefert. Anschließend werden die wissenschaftlich validierten Erkenntnisse mit Hilfe eines eigen entwickelten Standardverfahrens in den konventionellen regelungs- und steuerungstechni­schen Prozess der Anlage integriert, um eine Vektoroptimierung zu lösen. Das KI-Modell wird mit Hilfe der Programmiersprache Python entwickelt. Durch die Art der Überwachung der Daten kann Ma­schinelles Lernen in vier große Bereiche eingeteilt werden:
► überwachtes Lernen,
► unüberwachtes Lernen,
► halbüberwachtes Lernen und
► Reinforcement Learning.

Die oben genannten Lernarten werden im Zusammenhang mit dem Forschungsziel unter­sucht. Dabei werden die Stärken und Schwächen einzelner Algorithmen nach bestimmten Qualitätskriterien erarbeitet, sodass das validierte KI-Modell eine Kombination aus allen KI-Algorithmen darstellt.