Nachhaltige Verfahrenstechnik E-Book

Janet Nagel

• Herausgeber: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2019

Seitenzahl: 498

Beschreibung

Wie können wir in Zukunft den weltweit steigenden Bedarf an Energie und Nahrung decken? Wie lässt sich das zunehmende Bedürfnis nach Erhaltung der Gesundheit bis ins hohe Alter erfüllen? Welche Auswirkungen hat dies alles auf die Umwelt, aber auch auf unser soziales Zusammenleben?
In diesem Buch gibt die Autorin einen Überblick zur Energie-, Umwelt- und Bioverfahrenstechnik, die als Schlüsseltechnologien zur Lösung vieler Probleme schon lange im Fokus der Ingenieure stehen. Die Autorin zeigt, wie umweltschonende und nachhaltige Produktlebenszyklen erreicht werden können. Die Verfahrenstechnik spielt dabei eine entscheidende Rolle, denn mit ihrer Hilfe erfolgt die eigentliche Stoffumwandlung innerhalb der Prozessketten. Ein zukunftsorientierter Aspekt ist dabei die Nutzung von Mikroorganismen und der Einsatz biologisch abbaubarer sowie nachwachsender Rohstoffe.
Erfahren Sie anhand unterschiedlicher Beispiele aus den drei o.g. Fachgebieten, welche Techniken zum Einsatz kommen, wie diese in Bezug auf Aspekte der Nachhaltigkeit zu beurteilen sind und wie zukünftige technische Entwicklungen aussehen könnten.
Folgen Sie der Autorin durch die unterschiedlichen Anwendungsgebiete, in denen sie technische Verfahren ausführlich vorstellt und beschreibt. Lernen Sie die Grundlagen auf den Gebieten der biologischen und der thermischen Prozesse sowie Ansätze kennen, die Sie zur Bewertung der Verfahren und zu einer Einordnung deren Nachhaltigkeit heranziehen können.

Leseprobe

Janet Nagel

Nachhaltige Verfahrenstechnik

Grundlagen, Techniken, Verfahren und Berechnung

Die Autorin: Prof. Dr.-Ing. Janet Nagel lehrt auf dem Fachgebiet Regenerative Energien der Beuth Hochschule für Technik Berlin

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek:Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.

ISBN 978-3-446-44387-7E-Book ISBN 978-3-446-44415-7ePub-ISBN 978-3-446-44722-6

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© 2015 Carl Hanser Verlag München Wienwww.hanser-fachbuch.deLektorat: Dipl.-Ing.Volker HerzbergSeitenlayout und Herstellung: Der Buchmacher, Arthur Lenner, MünchenCoverconcept: Marc Müller-Bremer, Rebranding, München, GermanyCoverrealisierung: Stephan Rönigk

Vorwort

Das Thema Nachhaltigkeit hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die Diskussion um die Energiewende wie auch die Bereitstellung von Ressourcen zur Deckung des Bedarfs an neuer Technik im Bereich der Nanotechnologie machen dieses Thema allgegenwärtig. Dies stelle ich auch in meinem Fachkreis für „Nachhaltigkeit und Qualitätsmanagement“ bei der Deutschen Gesellschaft für Qualität immer wieder fest.

In den letzten Jahren ging es dabei nicht mehr nur noch um das Thema Umwelt, sondern der Bogen wird sehr viel weiter gespannt; es treten auch soziale und gesellschaftsrelevante Themen mehr in den Vordergrund. Und doch ist das Thema der Schonung der Umwelt und der Ressourcen eine wichtige Basis, denn ohne die Lösung dieser Aufgaben treten die anderen Themen in den Hintergrund.

Die Verfahrenstechnik ist die Wissenschaft, die sich mit all jenen Vorgängen auseinandersetzt, bei denen Stoffe in ihrer Stoffeigenschaft, -zusammensetzung oder auch Stoffart verändert werden. Dabei reicht die Verfahrenstechnik in viele Anwendungsgebiete hinein, z. B. die Lebensmittelindustrie, die Chemische Industrie wie auch die Steine-Erden-Industrie, die Umwelt- und Biotechnologie und viele andere Bereiche bis hin zur Energietechnik.

Die Verfahrenstechnik ist als interdisziplinäres Fachgebiet sehr komplex. Dies verleiht ihr ein hohes Potenzial, um einen wesentlichen Beitrag zur Schaffung einer nachhaltigen Gestaltung von Produktionsabläufen bis hin zur Entsorgung von Produkten zu leisten. Dabei gestaltet die Verfahrenstechnik nicht nur die Abläufe der Herstellung, sondern sie kümmert sich auch um die während der Produktion auftretenden Stoffströme, wie z. B. umweltschädliche Abluftströme, für deren Aufbereitung angemessene Verfahren entwickelt werden müssen.

Wenn es um das Thema „Nachhaltige Verfahrenstechnik“ geht, kommt der Verwendung von Mikroorganismen ebenso wie dem Einsatz nachwachsender Rohstoffe bzw. Einsatzstoffe auf biogener Basis eine wesentliche Rolle zu. Aus diesem Grund widmet sich dieses Buch der Beschreibung von Verfahren, die auf diesen Ausgangsstoffen bzw. die auf der Mitwirkung von Mikroorganismen beruhen. Doch nicht jedes Verfahren, das auf diesen Ansätzen beruht, ist gleich nachhaltig. Um dies bewerten zu können, findet eine intensive Auseinandersetzung mit dem Thema Nachhaltigkeit statt. Um Diskussionen, die auch in der Gesellschaft geführt werden, Rechnung zu tragen, wird nicht nur auf den ökologischen Aspekt der Nachhaltigkeit eingegrenzt, sondern wird das Thema in seiner vollen Breite vorgestellt.

Aufgrund der momentan intensiv geführten Diskussionen zur Energiewende wird auf das Thema der Energieverfahrenstechnik ein besonderes Augenmerk gelegt. Die Novellierung des EEG (Erneuerbaren Energie Gesetz) fiel mitten in die Ausarbeitung dieses Buchs, so dass die gesetzlichen Änderungen nur eingeschränkt Eingang gefunden haben. Doch auch mit dem neuen EEG und der weiterhin bestehenden Zustimmung zur Energiewende kann gerade die Biogaserzeugung einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der politisch gesetzten Ziele leisten. Es werden zukünftig aufgrund der neuen Nachfrage, hervorgerufen durch die neuen politischen Gegebenheiten, neue Verfahren entwickelt werden müssen. Dieser Trend hat in der Vergangenheit bereits begonnen, was sich an den Entwicklungen in der Abfallbehandlung erkennen lässt. Dort wird die Biogaserzeugung zur Schaffung eines Mehrwertes bei der Behandlung von biologischem bzw. organischem Abfall zukünftig eine immer wichtigere Rolle spielen. Insgesamt ist die Branche der Abfallbehandlung in großem Aufbruch, was in diesem Buch durch einen aktuellen Beitrag belegt wird. Das erzeugte Biogas bzw. Biomethangas kann als ein speicherbares Medium einen wichtigen Beitrag dazu leisten, flexibel den Bedarf an Strom und auch an Wärme zu decken. Die Speicherung des Gases im Erdgasnetz hat Potenzial, das noch weiter ausgebaut werden kann.

Kraftstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe zur Schonung fossiler Ressourcen sind in Zeiten der „grenzenlosen“ Mobilität natürlich ebenfalls ein wesentliches Thema. Ausschlaggebend wird das Zusammenspiel mit der Automobiltechnik zur Weiterentwicklung bzw. Neuentwicklung von Verfahren sein. Es wird u. a. auf die Politik ankommen, welche Weichen zukünftig gestellt werden.

Auch im Fahrzeugbereich finden Kunststoffe immer mehr Einsatz. In Summe sind sie aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Der Trend zurück zu biologischen Kunststoffen hat auch hier bereits vor längerer Zeit begonnen. Doch sind noch viele Fragen offen, wie die Aspekte der Ressourcenschonung und der Umweltverträglichkeit besser berücksichtigt werden können. Neueste Untersuchungen beschäftigen sich mit Mikroplastik in Meeren, die durch Abrieb oder Verwendung in Kosmetikprodukten, wie Peelings oder Zahnpasten, hervorgerufen werden. Oder denken wir an das Waschen moderner Kleidung aus Kunstfasern aller Art, über das bis zu 2000 Kunstfasern pro Waschgang ins Waschwasser gelangen. Daraus ergeben sich viele Themen, die noch zu bearbeiten sind.

Die Beschäftigung mit Abwasser- und Abluftströmen spielt in der Umweltverfahrenstechnik von jeher eine wichtige Rolle. Da die Abwassertechnologie ein sehr umfangreiches Fachgebiet ist, konzentriert sich dieses Buch auf die Luftreinhaltung auf biologischer Basis. Während diese Technologie früher vorrangig zur Beseitigung von Geruchsstoffen durch Mikroorganismen eingesetzt wurde, werden heute auch immer mehr giftige Stoffe in der Abluft mit dieser Technologie abgebaut.

Zu guter Letzt schauen wir noch auf die Herstellung von sogenannten Bodenhilfsstoffen. Die Wirkweise dieser Bodenhilfsstoffe beruht auf der Aktivität von Mikroorganismen. Eine Beurteilung des Einsatzes von Bodenhilfsstoffen unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit ist Thema laufender Untersuchungen, so dass an dieser Stelle zunächst erste Zwischenergebnisse vorgestellt werden können. Dieses Thema kann zukünftig auf die Verwendung von Gärprodukten anstelle oftmals eingesetzter Steinwollewürfel ausgeweitet werden. Dabei spielen die Auswirkungen sowohl auf die ökologischen Aspekte, aber vor allem auch auf die gesellschaftspolitischen Aspekte, nämlich der Steigerung des Geschmacks, eine wichtige Rolle.

Wie wir sehen können, spielen viele aktuelle Themen in diesem Buch eine wichtige Rolle. Ohne den Austausch und die Unterstützung namhafter Experten wäre dieses Buch nicht zustande gekommen. Alle Personen, die an diesem Buch mitgewirkt haben, haben mir durch ihre Bereitschaft, mir ihre knappe Ressource Zeit zur Verfügung zu stellen und mich durch den fachlichen Austausch und zum Teil durch die Bereitstellung interessanter Bilder an ihrem Wissen teilhaben zu lassen, eine sehr große Ehre erwiesen. All diesen mir wichtigen Persönlichkeiten möchte ich meine größte Hochachtung und Wertschätzung aussprechen. Dabei möchte ich im Besonderen folgenden Menschen sehr herzlich danken:

Ganz zu Beginn möchte ich meinen Eltern für ihre Unterstützung auf meinem bisherigen Weg danken. Im Besonderen danke ich meiner Familie. Ohne ihr Verständnis, aber auch das Interesse und die aktive Beteiligung bei der Bearbeitung und Fertigstellung dieses Buches, hätte ich mich dieser Aufgabe nicht erfolgreich stellen können.

Weiterhin danke ich meinem Verlag, vertreten durch Volker Herzberg, der dieses Thema und die damit verbundene Aufarbeitung als Buchprojekt übernommen hat. Im Besonderen möchte ich Herrn Herzberg für sein stets offenes Ohr danken; durch seine Beiträge gerade bei der Erstellung der Grafiken hat er mich sehr inspiriert.

Einen roten Faden durch die gesamte Arbeit stellte die Zuarbeit von Dr. Silvia Porstmann, Geschäftsführerin der Seramun Diagnostica GmbH, dar. Sie hat umfangreich alle Kapitel gegengelesen, sich der Literatur angenommen und im Besonderen das Kapitel 2, Biologische Grundlagen, redigiert. Ohne ihr Mitwirken hätte dieses Buch einen sehr viel längeren Zeitraum zur Fertigstellung benötigt.

Im Kapitel 3, Thermische Prozesse, stand mir mein früherer Professor für Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. Prof. e. h. Dr. h. c. George Tsatsaronis vom Institut für Energietechnik der TU Berlin zur Seite. Durch seinen konstruktiv kritischen Blick war es mir möglich, das notwendige Fachwissen darzulegen.

In enger Diskussion mit Dr. Matthias Plöchl, Geschäftsführer der BioenergieBeratung Bornim GmbH, entstand das Kapitel 4 der Energieverfahrenstechnik. Auch hier sind wichtige komplexe Zusammenhänge dargestellt, die durch den fachlichen Exkurs auf ihre Richtigkeit hin geprüft wurden.

Im Bereich der ORC Anlagen unterstützten mich Professor Piero Colonna, Professor of Propulsion and Power der Delft University of Technology, und Dr. Wilhelm Althaus vom Fraunhofer-Institut Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) mit hilfreichen Anmerkungen und Beiträgen zu diesem sehr aktuellen Thema.

Sehr intensiv hat sich Andreas Warnstedt, Rhein-Lahn-Kreis Eigenbetrieb Abfallwirtschaft, mit dem Thema der biologischen Abfallbehandlung im Kapitel 5 beschäftigt. Er gab mir wichtige Impulse zur Darstellung des Themas. Durch die Diskussion und die Beiträge von ihm wie auch von Herrn Dr. Ketel Ketelsen, Ingenieurbüro für Abfallwirtschaft und Energietechnik (iba) GmbH, können die aktuellen Entwicklungen in diesem Bereich vorgestellt werden.

Ebenfalls in Kapitel 5 wurde ich von Dr. Ralf Forkmann, Geschäftsführer der TS Umweltanlagenbau GmbH und Jens Oliver Ortlinghaus, Beratender Ingenieur, Labor für innovative Umwelttechnik (Liutec) UGh, intensiv beim Thema der biologischen Abluftbehandlung unterstützt.

Das Kapitel 6 „Bioverfahrenstechnik“ mit dem Thema der Biokunststoffe wurde durch das Vertrauen und die intensive Zuarbeit von Kollegen Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres, Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe der Hochschule Hannover (IfBB), geprägt. Durch die Unterstützung bei der thematischen Auseinandersetzung mit diesem Thema als auch die Bereitstellung von Grafiken aus seinem aktuellen Buch „H.-J. Endres, A. Siebert-Raths: Technische Biopolymere“ konnte dieses Kapitel fachlich abgerundet werden.

Beim Thema Bodenhilfsstoffe in Kapitel 6 wurde ich von Dr. Helmut Junge, Geschäftsführer der ABiTEP GmbH, und seinem Produktionsleiter Dipl. Ing. Oliver Mucha, unterstützt. Das Interesse am Thema Nachhaltigkeit führte bei der ABiTEP GmbH zu umfangreichen Investitionen für eine Einsparung von Ressourcen im Produktionsprozess von Bodenhilfsstoffen.

Meinen Lesern wünsche ich nun viel fachlichen Input und eine interessante Auseinandersetzung mit dem komplexen Thema der nachhaltigen Verfahrenstechnik. Ich hoffe, dass dieses Buch dazu beitragen kann, das Bewusstsein für die zukünftigen Aufgaben für uns als Ingenieure in Richtung eines ganzheitlichen Ansatzes weiter zu steigern, so dass die notwendigen Schritte auch gegangen werden können.

Janet NagelBerlin, März 2015

Inhalt

Titelei

Impressum

Inhalt

Vorwort

1 Einführung

1.1 Nachhaltigkeit

1.2 Möglichkeiten der Verfahrenstechnik

1.3 Ökobilanzen

1.3.1 Vorausgehende Definition der Zielstellung

1.3.2 Ziel und Untersuchungsrahmen der Ökobilanz

1.3.3 Sachbilanz

1.3.4 Wirkungsabschätzung

1.3.5 Auswertung

1.4 Carbon Footprint von Produkten (CFP)

1.4.1 Beachtung spezifischer Treibhausgasemissionen

1.4.2 Berichterstattung des CFP

1.5 Nachhaltigkeitsbericht

1.6 Ansätze zur Einbeziehung ökonomischer Aspekte

1.7 Kritische Würdigung der Ansätze

2 Biologische Grundlagen

2.1 Mikroorganismen

2.1.1 Klassifizierung von Mikroorganismen

2.1.2 Struktureller Aufbau der Zellen

2.1.3 Technischer Einsatz von Bakterien, Hefen und Pilzen

2.2 Stoffwechsel und Energieumwandlung

2.2.1 Thermische Prozesse der Zelle

2.2.2 Energiegewinnung im Rahmen des Stoffwechsels

2.2.3 Die Bedeutung der Stickstoffe und Phosphate

2.3 Anaerobe Prozesse

2.3.1 Gärung

2.3.2 Methanogenese

2.4 Funktionsweise der Enzyme

2.5 Reaktionskinetik

2.5.1 Wachstum und Vermehrung

2.5.2 Wachstumskurve

2.5.3 Monod-Kinetik

2.6 Modellierung der Reaktionskinetik

2.6.1 Reaktorfahrweisen

2.6.2 Batchreaktor

2.6.3 Bilanzierung

2.7 Stofftransport

2.8 Bioreaktoren

2.8.1 Submersreaktoren

2.8.2 Bettreaktoren

2.8.3 Membranbioreaktor

2.8.4 Methoden zur Immobilisierung

3 Thermische Prozesse

3.1 Thermodynamische Grundlagen

3.1.1 Systeme in der Thermodynamik

3.1.2 Der Begriff „Zustand“ in der Thermodynamik

3.1.3 Arbeit und Wärme

3.1.4 Erster Hauptsatz der Thermodynamik (1. HS)

3.1.5 Thermische Zustandsänderungen

3.1.6 Energieumwandlung – Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik (2. HS)

3.1.7 Kreisprozesse

3.1.8 Thermischer Wirkungsgrad

3.1.9 Exergie und Anergie

3.1.10 Dampfprozesse

3.2 Konzepte zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

3.2.1 Blockheizkraftwerk (BHKW)

3.2.2 Gas-Otto-Motoren

3.2.3 Zündstrahlmotoren

3.2.4 Stirling-Prozess

3.2.5 Gasturbinen

3.2.6 Organic Rankine-Cycle (ORC)

4 Energieverfahrenstechnik

4.1 Energiegewinnung aus Biomasse

4.2 Ethanolherstellung aus Biomasse

4.2.1 Schritte der Vorbehandlung bei der Ethanolproduktion

4.2.2 Alkoholische Gärung (Fermentation)

4.2.3 Destillation und Rektifikation

4.2.4 Entwässerung

4.2.5 Aufbereitung des Reststoffs

4.2.6 Bioethanol aus der Sicht der Nachhaltigkeit

4.3 Biogas

4.3.1 Mikrobiologischer Prozess

4.3.2 Einsatzstoffe

4.3.3 Lebensbedingungen für Bakterien

4.3.4 Verfahrenskette

4.3.5 Prozessparameter

4.3.6 Biogasreinigung und -aufbereitung

4.3.7 Gärprodukt

4.3.8 Einsatzmöglichkeiten für Biogas

4.3.9 Diskussion der Nachhaltigkeit für die Erzeugung von Biogas

5 Umwelttechnik

5.1 Biologische Verfahren zur Luftreinhaltung

5.1.1 Biofilter

5.1.2 Biowäscher

5.1.3 Biorieselbettreaktoren

5.1.4 Biomembranverfahren

5.1.5 Nachhaltigkeitsaspekte biologischer Luftreinhaltung

5.2 Biologische Abfallbehandlung als Element der Kreislaufwirtschaft

5.2.1 Abfallbehandlung – allgemeine Betrachtungen

5.2.2 Kompostierung – Prinzipdarstellung

5.2.3 Mieten als Verfahrensvariante

5.2.4 Prozessschritte der MBA

5.2.5 Konzepte zur Nachhaltigkeit Mechanisch-Biologischer Abfallbehandlungsanlagen

6 Bioverfahrenstechnik

6.1 Biokunststoffe

6.1.1 Übersicht Biokunststoffe

6.1.2 Nachwachsende Rohstoffe

6.1.3 Herstellungsprozesse von Biokunststoffen

6.1.4 Zertifizierung „biobasiert“

6.1.5 Nachhaltigkeit von Biokunststoffen

6.2 Bodenhilfsstoffe

6.2.1 Pflanzenernährung

6.2.2 Bedeutung des Bodens

6.2.3 Einsatz spezifischer Mikroorganismen für eine ökoeffiziente Pflanzenernährung

6.2.4 Mikrobielle Nutzorganismen

6.2.5 Herstellungsprozess eines Bodenhilfsstoffs am Beispiel des Bacillus amyloliquefaciens

6.2.6 Exkurs: Chemische Dünger

6.2.7 Aspekte zur Nachhaltigkeit von Produkten zur Verbesserung des Pflanzenwachstums

Literatur

1Einführung