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Nachhaltigkeit

Innovative Lösungen entwickeln

Eine Frau stellt ein wissenschaftliches Gerät ein
© Patrick Pollmeier / Universität Bremen

Von der umweltfreundlichen Zink-Ionen-Batterie bis zur partizipativen Quartiersentwicklung: Welche Technologien und Verfahren brauchen wir für eine nachhaltige Zukunft?

Eine nachhaltige Zukunft erfordert neue Ansätze, Technologien und Verfahren, die ökologische und soziale Herausforderungen wirksam adressieren. Technische Innovationen, wie umweltfreundliche Energiespeicher oder ressourcenschonende Materialien, werden dabei ebenso gebraucht wie soziale und organisatorische Innovationen. In zahlreichen anwendungsorientierte Forschungsprojekte arbeiten Wissenschaftler:innen der Universität Bremen an langfristig tragfähig Lösungen, um den Ressourcenverbrauch zu reduzieren und positive gesellschaftliche Veränderungen unterstützen.

 

Beispielhafte Projekte

Eine Forscherin steht vor einem wissenschaftlichen Gerät mit vielen Kabeln.
© Frederico Scarpioni

Die Energiewende stellt hohe Anforderungen an moderne Speichertechnologien: Durch leistungsfähige, sichere und umweltverträgliche Energiespeicher lässt sich der stetig wachsende Anteil erneuerbarer Energien stabil in das Stromnetz integrieren. Dieses Forschungsprojekt widmet sich wässriger Zink-Ionen-Batterien (ZIB) und will damit einen entscheidenden Beitrag zur Transformation des stationären Energiesektors leisten.

Wässrige Zink-Ionen-Batterien gelten als vielversprechende Alternative zu konventionellen Lithium-Ionen-Systemen. Sie basieren auf weit verbreiteten, kostengünstigen und nicht toxischen Materialien und ermöglichen somit eine ressourcenschonende und wirtschaftlich tragfähige Speicherlösung. Ein zentraler Vorteil liegt in ihrer hohen Betriebssicherheit. Aufgrund des wässrigen Elektrolyten besteht keine Gefahr von Bränden oder Explosionen. Des Weiteren punkten ZIBs mit einer deutlich besseren Umweltbilanz über den gesamten Lebenszyklus hinweg.

Mit zunehmender Einspeisung von Wind- und Solarstrom wächst der Bedarf an stationären Speichern rapide. In Deutschland steigt der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch und soll bis 2030 noch deutlich mehr anwachsen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden skalierbare und verlässliche Speicherlösungen benötigt. Zink-Ionen-Batterien bieten hierfür ein großes Potenzial: Sie sind wirtschaftlich attraktiv und technologisch flexibel. Darüber hinaus sind ihre Nachteile, wie beispielsweise das höhere Gewicht, für diese Anwendung nicht von Bedeutung.

Obwohl die Technologie bereits einen hohen Entwicklungsstand erreicht hat, ist der Schritt zur industriellen Anwendung bislang ausgeblieben. Ein wesentlicher Engpass besteht in der fehlenden Standardisierung von Testverfahren, die den spezifischen Anforderungen stationärer Anwendungen gerecht werden. Genau hier setzt das Projekt an: Es entwickelt und erprobt praxisorientierte Testprotokolle, optimiert Materialien und Zellstrukturen und schafft damit die Voraussetzungen für eine industrielle Skalierung und den Markteintritt dieser nachhaltigen Speichertechnologie.

Langfristig trägt das Vorhaben dazu bei, die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen zu reduzieren, die Versorgungssicherheit im Energiesystem zu stärken und den Übergang zu einer klimaneutralen Wirtschaft gemäß den Zielen der Europäischen Union zu beschleunigen. Damit leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zu einer sicheren, nachhaltigen und zukunftsfähigen Energieversorgung.

Eckdaten 

Papier hat sich aufgrund seiner Nachhaltigkeit, Umweltfreundlichkeit und vielseitigen Eigenschaften als zukunftsweisendes Material etabliert. Seine Anwendungen reichen von Leichtbaukonstruktionen bis hin zur Verwendung als umweltfreundliche Alternative zu Kunststoffen. Dennoch stellt die hohe Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit eine entscheidende Einschränkung dar, die sowohl die mechanische Stabilität als auch die Nutzbarkeit in feuchten Umgebungen erheblich beeinträchtigt. Die Verbesserung der Nassfestigkeit von Papier ist daher von zentraler Bedeutung, insbesondere in Industrien wie der Bau- und Verpackungsbranche. Aktuelle Ansätze, wie wasserabweisende Beschichtungen, sind zwar vielversprechend, erschweren jedoch das Recycling und erhöhen die Kosten. Hier setzt das Forschungsprojekt an, indem es mit einem innovativen skalenübergreifenden Simulationsansatz die Bruchmechanismen von Papier sowohl im trockenen als auch im nassen Zustand analysiert. Dieses Vorgehen eröffnet die Möglichkeit, chemische Modifikationen und Optimierungsstrategien gezielt zu entwickeln, um Papier als widerstandsfähiges und nachhaltiges Baumaterial der Zukunft zu etablieren.

Eckdaten 
Blick auf das UFT - Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien
© Harald Rehling / Universität Bremen

Sauberes Wasser ist für ein gesundes Leben unerlässlich. Eines der größten aktuellen Probleme im Zusammenhang mit sauberem Wasser ist die Eutrophierung, die durch eine übermäßige Anreicherung mit Nährstoffen, insbesondere Phosphor (P), verursacht wird. Zu den herkömmlichen Technologien zur Entfernung von Phosphat aus Abwasser gehören vor allem chemische und physikalische Verfahren, bei denen hauptsächlich chemische Mittel zugesetzt werden, die kostspielig sind und zu Sekundärverschmutzung und Phosphorverlusten führen. Auf der anderen Seite verschärft sich der Hunger in der Welt, und fehlende/teure Phosphordüngemittel sind ein wesentlicher Faktor dafür. Der weltweite Transport von Pflanzennährstoffen ist teuer und verursacht Treibhausgase, was die globale Erwärmung potenziell verschlimmert. Das Ziel dieses deutsch-brasilianischen Projekts ist eine Lösung für beide Probleme: ein neuartiges Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser und Oberflächenwasser mit geringen Investitions- und Betriebskosten.

Das Verfahren basiert auf der membrankapazitiven Entionisierung (MCDI), einem Elektrosorptionsverfahren zur selektiven Trennung von Ionen bei geringem Energie- und Chemikalienverbrauch. Das Phosphat kann mithilfe einer zweistufigen MCDI-Anlage abgetrennt, konzentriert und anschließend zurückgewonnen werden. Das zurückgewonnene Phosphat kann als Rohstoff für Phosphatdünger verwendet werden.

Die AG chemische Verfahrenstechnik (CVT) entwickelt zunächst einen MCDI-Versuchsaufbau, der eine effiziente Trennung von Phosphaten und Natriumchlorid aus synthetischen Abwässern im Labormaßstab ermöglicht. Dabei werden experimentell verschiedene Einflussfaktoren wie Spannung, Volumenstrom und Geometrie analysiert. Die gewonnen Erkenntnisse fließen in die Skalierung des Prozesses vom Labor- zum Technikumsmaßstab mit ein. Mit dem innovativen Konzept wird aufgezeigt, wie eine Kreislaufwirtschaft realisiert werden kann, wobei die Investionsrendite als entscheidender Faktor dient. Durch die Anwendung spezifischer Designregeln und Betriebsparameter wird der Prozess optimiert, um ein hochskaliertes Design sowie die Errichtung einer Pilotanlage zu ermöglichen.

Eckdaten
  • Mittelgeber:in: CORNET
  • Laufzeit: 2024 bis 2026
  • Projektverantwortlicher:Dr. rer. nat. Michael Baune (für CVT)
  • Anbindung: Chemische Verfahrenstechnik (CVT) im Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien (UFT) der Universität Bremen
Acelor Mittal in Bremen
© Arcelor Mittal – Kerstin Rolfes

Das Projekt beschäftigt sich mit einem alternativen Verfahren zur Eisenherstellung aus Eisenerz. Aktuell gibt es drei Verfahren:

  1. Den etablierten Hochofenprozess, bei dem Eisenerz mittels Koks (Kohlenstoff) zu Eisen reduziert und Koks zu CO₂ wird. Problematisch dabei ist, dass pro Tonne Stahl 1,5 Tonnen CO₂ anfallen.

  2. Die Direktreduktion per Gas (DRI), bei der poröse Eisenerz-Pellets mit Wasserstoff (H₂) reagieren und dabei Eisen und Wasser als Produkte entstehen. Hierfür werden große Mengen Wasserstoff benötigt, deren Verfügbarkeit und Kosten bisher unbekannt sind.

  3. Die elektrochemische Reduktion von Eisenerz, in diesem Projekt in wässrigem Elektrolyt mit hochkonzentrierter Natronlauge (NaOH). Dazu werden feine Eisenerz-Partikel in das Elektrolyt gegeben und mittels einer angelegten Spannung zu Eisen reduziert. Dabei entstehen Sauerstoff und Wasserstoff als weitere Produkte. In diesem Prozess entsteht kein CO₂, der verwendete Strom muss jedoch erneuerbar sein, um CO₂-armen Stahl herzustellen.

Ziel des Projektes ist die Weiterentwicklung des Prozesses. Es sollen Prozessparameter wie Partikelgröße, Temperatur, Elektrolyt, Potential, Begleitstoffe usw. ermittelt werden, um eine effiziente, kontinuierliche und skalierbare Produktion von Eisen/Stahl zu ermöglichen.

Eckdaten
Modell mit Figuren: Eine Person sitzt in einem Fischerboot auf dem Wasser und steuert auf eine Reuse mit Fischen zu
© Patrick Pollmeier / Universität Bremen

Die wachsende Weltbevölkerung und der steigende Bedarf an tierischen Proteinen stellen die globale Nahrungsmittelproduktion vor enorme Herausforderungen. Besonders die Aquakultur, die heute bereits rund die Hälfte der weltweiten Fischproduktion ausmacht, benötigt nachhaltige Futtermittelalternativen, um die Überfischung natürlicher Bestände einzudämmen.

Das Pilotprojekt setzt auf eine innovative Technologie: die mikrobielle Elektrosynthese. Dabei nutzen spezielle Mikroorganismen elektrischen Strom und CO₂, um komplexe organische Verbindungen wie Proteine oder Biopolymere herzustellen. Diese direkte Kopplung von erneuerbarer Energie und biologischer Stoffproduktion eröffnet neue Wege für eine ressourcenschonende Kreislaufwirtschaft. Ein zentrales Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Erprobung einer hochskalierten Elektrosynthesezelle, die die Herstellung von Einzellerproteinen (Single Cell Protein, SCP) ermöglicht. SCP gilt als besonders vielversprechendes Produkt, da es als proteinreiches Futtermittel Fischmehl ersetzen kann – ein Rohstoff, dessen Gewinnung bislang stark von Wildfischbeständen abhängt.

Die Vorteile dieser Technologie liegen in ihrer Nachhaltigkeit, da die Produktion von SCP den Druck auf marine Ökosysteme reduziert, und einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft liefert, da Abwasserströme und CO₂ als Rohstoffe genutzt werden können. Gleichzeitig leistet sie einen Beitrag zum Klimaschutz, indem erneuerbare Elektrizität eingesetzt wird, um CO₂ in wertvolle Biomasse zu überführen. Darüber hinaus eröffnet SCP ökonomisches Potenzial, da die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens maßgeblich von der Wertigkeit des Produkts abhängt und proteinreiche Futtermittel eine attraktive Option darstellen.

Eckdaten: 
Haptisches Modell einer Stadt
© darknightsky / Adobe Stock

Das Verbundprojekt InnovationsCommunity Urban Health (ICUH) folgt dem Leitbild der Umweltgerechtigkeit und unterstützt Städte, gesunde und gerechte Lebensverhältnisse unabhängig von sozialen Ungleichheiten zu schaffen. Im Fokus stehen die altindustriellen Regionen Bremen/Bremerhaven und Ruhrgebiet. Besonders innerstädtische und ehemals industriell geprägte Gebiete, in denen soziale Ungleichheiten stark ausgeprägt sind, stehen vor erheblichen Herausforderungen wie ungleichen Gesundheitschancen, geringer Umweltqualität und eingeschränkter sozialer Teilhabe. Gleichzeitig bieten diese Gebiete Potenziale für sozial-ökologische Veränderungen und verfügen über wertvolle Erfahrungen in der Bewältigung unterschiedlicher sozialer und struktureller Probleme.

Trotz umfangreicher Wissensbestände zu gesundheitlicher Chancengerechtigkeit und Umweltgerechtigkeit kommt es oft nicht zur konsequenten Umsetzung bestehender Leitbilder wie das der Nachhaltigkeit oder gesundheitsfördernden Stadtentwicklung sowie bereits konzipierter Strategien und Maßnahmen. Zentrales Ziel von ICUH ist es daher, Implementationslücken im Bereich der umweltbezogenen Verfahrens- und Verteilungsgerechtigkeit zu überwinden. In Realexperimenten und umsetzungsorientierten Projekten sollen Wissenschaft, Praxis und diverse Communities gemeinsam innovative Ansätze zur Überwindung von Umsetzungshemmnissen erproben, die gleichzeitig einen Beitrag zur einer sozial-ökologischen Transformation leisten.

Die InnovationsCommunity Urban Health versteht sich als offene und langfristige Plattform zur Förderung urbaner Gesundheit und Umweltgerechtigkeit. Mit dem transdisziplinären Forschungsansatz werden unterschiedliche Wissensformen, z.B. Alltags- und Erfahrungswissen und Wissen aus verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen, anerkannt und integriert.

 

Teile von ICUH sind:

Das Management-Projekt von ICUH verfolgt das Ziel, ein Netzwerk aufzubauen, das Wissenschaft, Praxis und diverse Communities vereint. Der transdisziplinäre Prozess wird durch Veränderungs- und Wissensmanagement unterstützt. Das Management-Team von ICUH konzipiert selbst Ausschreibungen für Community-Projekte wie die Implementationspioniere und führt den Auswahlprozess durch. Die in ICUH entwickelten sozialen Innovationen und gewonnenen Erfahrungen gehen in ein Transferkonzept für Urban Health in Kommunen ein.

Das Communityprojekt ExperimentierRäume fokussiert die Handlungsfelder Förderung aktiver Mobilität und Anpassung an Klimawandelfolgen. In ausgewählten Stadtquartieren werden zunächst laufende Prozesse erfasst und Umsetzungshemmnisse systematisch analysiert, um geeignete Anknüpfungspunkte für ko-kreative Realexperimente zu bestimmen. Anschließend werden gemeinsam mit Akteur:innen innovative Ansätze und Methoden entwickelt und erprobt. Die ExperimentierRäume bieten einen Rahmen, um Maßnahmen im Quartier schnell und mit geringem Aufwand zu testen. Ziel ist es, konkrete Handlungsempfehlungen, beispielsweise im Hinblick auf Förderkulissen, gesetzliche Rahmenbedingungen, kommunale Strukturen und Arbeitsprozesse abzuleiten.

Implementationspioniere sind Praxis-Wissenschaft-Teams, die sich mit innovativen Projektideen erfolgreich auf die Call for Ideas von ICUH beworben haben und mit ihren Ansätzen an der Strategie und den Zielen von ICUH mitwirken.

Das CommunityprojektLebensWelt-Expert:innen (LWE) verfolgt die inhaltliche Weiterentwicklung, Erprobung und Evaluation des LWE-Ansatzes im Kontext von Urban Health. LebensWelt-Expert:innen bringen ihr alltags- und communitybezogenes Wissen strukturiert in Forschung, Praxis und Lehre ein. Sie entwickeln kontextspezifische Lösungen und unterstützen die transdisziplinäre Wissensgenerierung.

Der Urban Health digiSpace bietet einen offenen, digitalen Informationsraum zum Thema Urban Health. Inhalte zu Themen wie z.B. alternsfreundlicher Stadtplanung, Bürgerbeteiligung oder Walkability werden für ein breites Publikum aufbereitet. Zudem unterstützt diese Plattform ein agiles Projektmanagement in ICUH, indem schlanke und effiziente Bewerbungs- und Verwaltungsprozesse für Communityprojekte sowie der Austausch zwischen Communitymitgliedern ermöglicht werden.

Eckdaten: 

 

Ziel dieser Teilarbeiten innerhalb des Großforschungsprojekts „hyBit - Hydrogen for Bremen’s industrial Transformation“ ist die Weiterentwicklung von mikrobiellen Elektrolysezellen zur Wasserstofferzeugung aus Abwässern und biogenen Reststoffen. Dabei wird zur Leistungssteigerung das patentierte Konzept der filtrierenden mikrobiellen Anode verfolgt, bei dem die filtrationsaktive Schicht eines Membranfilters zur Abwasserreinigung gleichzeitig als Anode der mikrobiellen Elektrolysezelle dient. Die Arbeiten umfassen neben der Identifikation geeigneter kommunaler und industrieller Abwasserströme auch den Betrieb eines Laborreaktors im 5-L-Maßstab mit Realabwasser und die eingehende Charakterisierung und Bewertung des Konzepts.

Eckdaten: 
  • Mittelgeber:in: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
  • Laufzeit: 2022 bis 2026
  • Projektverantwortliche:r: Prof.Dr. Sven Kerzenmacher
  • Strukturelle Anbindung / Institut: Fachgebiet Umweltverfahrenstechnik

Das Projekt ist ein Unterprojekt des Forschungsbereich „Metallgewinnung“ im Exzellenzcluster „Die Marsperspektive“, in dem die elektrolytische Gewinnung von Metallen (und die Produktion von Sauerstoff) aus Metalloxiden entwickelt werden sollen. Bei diesem Prozess werden weder Treibhausgase emittiert noch fossile Brennstoffe verwendet, was neben dem Einsatz in der Weltraumforschung auch Nachhaltigkeit auf der Erde bringen kann. Die Nachteile der typischen Prozesse zur Gewinnung von reaktiven Metallen, wie der hohe Energieverbrauch, die geringe Effizienz und die massive Umweltverschmutzung, machen die Einführung von nachhaltigen grünen Prozessen unumgänglich. Daher soll eine Elektrolysezelle entwickelt werden, die bei Temperaturen von ca. 900 °C (weit unter dem Schmelzpunkt von Mars-Regolith) arbeitet und eine Sauerstoff-Ionen-Leiter-Salzschmelze als Elektrolyt verwendet. In diesen Salzschmelzen sollen die Metalloxide aus dem Mars-Regolith zunächst gelöst und die gelösten Metallionen anschließend elektrochemisch an der Kathode abgeschieden werden. Die Sauerstoffionen können zur inerten Anode diffundieren und dort gleichzeitig zur Sauerstoffbildung dienen. Die Betriebsparameter einschließlich der Polarisationsbereiche, Reduktionszeiten und -Temperaturen sowie verschiedene andere Faktoren wie die Elektrolytzusammensetzung und die Möglichkeit einer endkonturnahen Metallurgie sollen in dieser Arbeit untersucht werden.

Eckdaten: 

 

Neurowissenschaftliche Forschung liefert wichtige Informationen über die Psyche des Menschen und kann zum menschlichen Wohlergehen beitragen. Allerdings kann sie erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Neurowissenschaftliche Methoden sind besonders ressourcenintensiv und potenziell schädlich – von der CO₂-Bilanz von MRT-Geräten bis hin zum langfristigen ökologischen Fußabdruck von Rechenzentren, die Datensätze dauerhaft zugänglich für wissenschaftliche Wiederverwendung aufbewahren. Dieses Positionspapier diskutiert die Spannung zwischen wissenschaftlicher Forschung, Prinzipien der offenen Wissenschaft und verantwortungsvollem wissenschaftlichen Umgang in Zeiten der Klimakrise. Wir erläutern, wie nach dem ARIADNE-Rahmenwerk nachhaltige Praktiken der offenen Wissenschaft in der Neurowissenschaft in jeder Phase des Forschungszyklus umgesetzt werden können. Insbesondere schlagen wir vor, 

  1. neue Daten durch offene Daten zu ersetzen,
  2. Methoden zu verfeinern, um sie nachhaltiger zu gestalten, und
  3. die CO₂-Emissionen bei der Durchführung von Studien durch präzise Bestimmung von Stichprobengrößen und Forschungsprotokollen zu reduzieren.

Das Projekt erstellt Empfehlungen zur Nachhaltigkeit in der Neurowissenschaft mit und durch Open Science.

Eckdaten 
Aktualisiert von: Content-Redaktion
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