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Holzbasierte Bioökonomie
(2020)
Die holzbasierte Bioökonomie beschreibt die innovative Nutzung des Rohstoffs Holz in allen Bereichen der Bioökonomie. Insbesondere versteht sie sich als strategisch altbekannter, aber vor allem als erweiterter, neuartiger Innovationsraum einer Kreislaufwirtschaft mit der gesamten Wertschöpfungskette Holz. Diese erfolgt idealerweise in Form einer sogenannten Nutzungskaskade: vom Forst über die forstlichen Dienstleister, die Sägeindustrie, den Holzbau, die Zellstoff-/Papierindustrie, die Holzwerkstoffindustrie und in zunehmendem Maße bis hin zur chemischen Industrie sowie hinein in moderne Verbrauchs- und Investitionsgüter. Die Nutzungskaskade betrifft damit den gesamten Wirtschaftskreislauf im Kern. Anders als im bisherigen, skalenökonomisch determinierten Wirtschaftsraum muss die Bioökonomie die begrenzte Verfügbarkeit von Ressourcen in Betracht ziehen und zielführende Nachhaltigkeitskriterien beachten. Nutzungskonkurrenzen sollen demzufolge durch intelligente, wertige Verwendung der jeweiligen Holz-, Restholz- und Abfallsortimente weitgehend vermieden werden, wodurch ein tatsächlich sinnvoller Gesamtnutzen für die Gesellschaft möglich erscheint. Um die Bioökonomie umzusetzen und wirtschaftlich zu etablieren, gibt es eine Reihe europäischer, nationaler und regionaler Politikprogramme, Initiativen und Strukturen, die die Forschung und Entwicklung, die Förderung industrieller Umsetzungen und die Etablierung neuer Geschäftsmodelle zum Ziel haben. Deutsche Hochschulen und Universitäten stellen sich auf die entsprechende Erweiterung bzw. Anpassung von Studiengängen ein.
Driving forest machines on wet soils causes irreversible soil compaction, often associated with intensive rut formation and inaccessibility of wheeled forest machines for future forest operations. The German forestry equipment manufacturer FHS, Forsttechnik Handel & Service GmbH, engineered a forwarder, the Trac 81/11, equipped with conventional, well-proved bogie-axles embraced by a closed rubber track. At the center of the bogie-axle, four additional supportive rollers are placed to increase the load-carrying section between the tires of the bogie-axle. The study aimed to characterize the principle concept and the trafficability of the forwarder by analyzing the footprint area, the contact pressure, the rut formation on forest sites and the slippage during driving. Therefore, the effective contact area was measured on steel plates and rut formation was analyzed on a case study basis. Results showed that the supportive rollers increase the contact surface area by about 1/3. By this, a decrease of peak loads below the wheels and a more homogenous load distribution were observed. However, the contact surface area is still clearly divided into three parts; the area between the supportive rollers and the wheels does not take any load. Results of the rut formation were diverse: After 20 passes with 26,700 kg total mass, rut depth varied between 12.6 and 212.5 mm. Overall, the new undercarriage concept of FHS demonstrated a generally positive performance. The engineered forwarder contributes to reduce the environmental impact associated with log extraction.
Die holzbasierte Bioökonomie ist eine wichtige Säule der Bioökonomie, die sich mit der nachhaltigen Nutzung biologischer Ressourcen befasst. Holz ist auf das Volumen bezogen die wichtigste biobasierte Ressource, die eine vielfältige Verwendung hat. Die Themen, mit denen sich Forschungen zur holzbasierten Bioökonomie beschäftigen sind vielfältig und erfuhren über die letzten Jahre hinweg eine deutliche Veränderung. Ausgehend von der Betrachtung der Nutzung nachwachsender Rohstoffe zur Erzeugung von Bioenergie wurden in den darauffolgenden Jahren, die Themen vielfältiger. So gewannen zwischen 2013 mehr Themen wie Politik, Modellierung, Nanocelluose, Bioökonomie, Lignin, Cellulose, Bioraffinerie, Hemicellulose neben Bioenergie an Bedeutung.
Die Forschung in der holzbasierten Bioökonomie ist eine Notwendigkeit, um eine nachhaltige Rohstoffproduktion sicherzustellen, langfristig nutzbare Verfahren und Produkte zu entwickeln und damit die Transformation hin zu einer biobasierten Lebens- und Wirtschaftsweise zu beschleunigen. Forschung kann dazu beitragen, neue Technologien, Verfahren und Produkte zu entwickeln. Die Forschung in der holzbasierten Bioökonomie ist auch aus wirtschaftlicher Sicht von Bedeutung, da sie die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen in der Forst- und Holzwirtschaft stärkt und neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnet. Ebenso ist die Forschung zur erfolgreichen Umsetzung der holzbasierten Bioökonomie notwendig, um neues Wissen und Erkenntnisse zu erlangen. Dies gilt besonders für die Einbindung verschiedener Stakeholder und damit die Akzeptanz der holzbasierten Bioökonomie in unserer Gesellschaft zu erhöhen.
Alle unterschiedlichen Bereiche, Akteure und Produkte innerhalb der Wertschöpfungskette Forst und Holz sind in der holzbasierten Bioökonomie von großer Bedeutung. Sie sind eng miteinander verflochten und können sich gegenseitig beeinflussen und ergänzen. Die Forschung der holzbasierten Bioökonomie muss daher international und interdisziplinär sein sowie sich aus verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Disziplinen zusammensetzen. Grundlegend dabei ist, Wertschöpfungsketten ganzheitlich im Kreislauf zu denken und dabei alle drei Dimensionen der Nachhaltigkeit (Ökonomie, Ökologie, Soziologie) gleichwertig und integrativ in der Gestaltung zu beachten. Insgesamt hat die Forschung in der holzbasierten Bioökonomie das Potenzial, die Forst- und Holzwirtschaft nachhaltiger
und produktiver zu gestalten, indem biobasierte Alternativen zu fossilen Rohstoffen entwickelt werden. Sie trägt zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Nutzung von Holz als Ressource bei und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen.
Moderne Prozesstechnologien als strategisches Element in der Transformation hin zur Bioökonomie
(2023)
Effiziente Prozesse, die die Dekarbonisierung und Defossilisierung vorantreiben, bilden die zentralen Herausforderungen auf dem Weg zur Transformation unserer Lebens- und Wirtschaftsweise. Das komplementäre Wirken beider Ansätze ist entscheidend für die Reduktion negativer Umweltwirkungen, Ressourcen- und Energieverbräuche. Daher ist eine integrative Betrachtung der verfahrenstechnischen Optimierung aus der Perspektive der Bioökonomie und der Kreislaufwirtschaft unerlässlich.
Eine bioökonomische, kreislauforientierte Wirtschaftsweise beinhaltet die Abkehr von der Nutzung fossiler hin zur nachhaltigen Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Das beinhaltet zugleich eine Transformation hin zur effizienten Verwendung von Primär- und Sekundärmaterialien. Ressourcenschonende Produktprogramme, der Einsatz nachwachsender und kreislauffähiger Materialien sind unabdingbar. Moderne Prozesstechnologien spielen dabei eine entscheidende Rolle. Die stetige Reduktion negativer Umweltwirkungen, des Energieeintrags sowie des Ressourcenverbrauchs erfordert ein konsequentes Monitoring der Prozessparameter in der Produktion. Dies ist die Basis für eine intelligente Beeinflussung der Produktionsparameter. Ziel ist es, mit Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) Prozesse unter Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen (Constraints) technisch und technologisch zu optimieren (Constraint-Statisfaction-Problem).
Durch die voranschreitende Digitalisierung in allen Bereichen der industriellen Produktion und den Einsatz moderner KI-Verfahren – auch im Bereich der Holzbe- und -verarbeitung - wird es möglich, verbesserungswürdige Prozessschritte zu identifizieren, an den Prozessen selbst intelligent zu lernen und schließlich produktspezifisch optimierte Prozesskenn- und Prozessregelgrößen zu generieren und bereitzustellen. Maßnahmen zur Verbesserung der Energie- und Ressourceneffizienz müssen dabei im Vordergrund stehen.
Biogene Rohstoffe sind zwar erneuerbar, aber in ihrer Verfügbarkeit, z. B. durch Wachstumsraten und Anbauflächen, begrenzt. Neue Prozesstechnologien bilden wesentliche Grundlagen, um erhebliche Potenziale zur effizienten Ressourcennutzung, zur gezielten Beeinflussung unvermeidbarer Umweltwirkungen und zur Kreislauffähigkeit biobasierter Produkte zu schließen. Der Vortrag gibt einen Überblick, inwieweit die Belange der Bioökonomie und Kreislaufwirtschaft in den aktuellen Prozesstechnologien der Holzindustrie bereits umgesetzt sind. Darauf aufbauend werden die notwendigen Schritte zur Entwicklung angepasster Prozesstechnologien als strategische Elemente der notwendigen Transformation hin zu einer bioökonomischen Wirtschaftsweise im Bereich der Holzindustrie abgeleitet.
One major problem of a continuous process like plastic extrusion is their incapability to deal with non-local gas pressure. This is an inherent problem because a continuous process has an open end in the feeding port where pressure can escape. In this study a novel feeding system was developed to enable granulate feeding into gas pressurized processes inside a single- or twin-screw extruder. With this apparatus gas pressure can be applied inside the extrusion process. The apparatus separates the pressurized extruder from the dosing equipment that feeds the extruder. It keeps the pressure inside the system while continuously feeding new material into the process. A small-scale prototype was designed for proof-of concept. The small size of the prototype was able to handle small amounts of granulates of around 100 - 200 g/h. An applied gas pressure of 8 bar was achieved. In future optimizations, throughput can be increased and maximum applied gas pressure towards 15-20 bar.
Nachhaltigkeit und Ressourceneinsparung sind die Themen der Stunde. Vor allem die Bauindustrie hat ein großes Potenzial, umweltfreundlicher zu agieren, da dieser Industriezweig einer der größten Kohlenstoffdioxid-Emitter ist. Durch die Verlängerung der Lebenszeit von Bauwerken und die Einsparung von Baumaterialien kann nachhaltiger und ressourcenschonender gearbeitet werden. Eine Möglichkeit, diese Ziele zu erreichen ist der Einsatz alternativer Beton-Bewehrungen.
Der Grundbaustoff Beton hat sehr gute Druckfestigkeiten, weist allerdings Defizite bei der Zugfestigkeit auf. Zur Verbesserung der Zugfestigkeit wird dem Beton ein Material mit hoher Zugfestigkeit beigemischt. Dieses wird „Bewehrung“ genannt. Stand der Technik in der Bauindustrie ist momentan die Bewehrung mit Stahlstäben und -matten. Der Stahl begrenzt allerdings die Lebenszeit von Bauwerken, da es durch das Eindringen von Chloriden, Sulfaten oder Kohlendioxid früher oder später zu Korrosion kommt. Um den Korrosionszeitpunkt hinauszuzögern, verwendet die Industrie eine dicke Betonschutzschicht, um den Stahl zu schützen. Die Verwendung einer korrosionsbeständigen alternativen Bewehrung würde die Lebensdauer (Dauerhaftigkeit) von Bauwerken steigern und gleichzeitig eine Verringerung der verwendeten Baumaterialien bewirken. Dies würde einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Bauindustrie leisten.
Eine Substanz, die als Bewehrungsmaterial eingesetzt werden kann, ist Polypropylen (PP). Polypropylen ist ein sehr korrosionsbeständiges Polymer, das die gerade beschriebenen Effekte erzielen würde. Allerdings ist Polypropylen als Standardmaterial nicht für die Bewehrung von Beton geeignet. Seine mechanischen Eigenschaften sind nicht vergleichbar mit denen von Baustahl. Gleichzeitig ist die Adhäsion von Polypropylen zu Beton nicht ausreichend, um eine effiziente Verstärkung erzielen zu können.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Lösungswege zu entwickeln, wie aus PP eine alternative Betonbewehrung hergestellt werden kann. Zuerst wurde sowohl das Problem der niedrigen mechanischen Eigenschaften von Polypropylen als auch die Schwierigkeit der geringen Adhäsion zu Beton getrennt untersucht. Im Anschluss wurden Methoden eruiert, mithilfe derer eine Kombination der mechanischen Eigenschaften mit der Adhäsion zu Beton bei gleichbleibenden Eigenschaften möglich ist. Hierfür wurde ein Reaktivextrusions- und ein Co-Extrusionsprozess untersucht.
Die Zugfestigkeit von Polypropylen kann durch eine starke Orientierung der Molekülketten signifikant erhöht werden. Der dafür nötige Verstreckungsprozess ist die Basis für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. In einem ersten Schritt wurden verschiedene PP-Typen auf deren Verstreckbarkeit untersucht und in der Folge mit makroskopischen und nanoskaligen Füllstoffen ausgerüstet, um so die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul zu steigern. Im zweiten Schritt wurde der Einfluss von mehreren aufeinander folgenden Verstreckungsstufen auf die mechanischen Eigenschaften untersucht.
Die hohe chemische Stabilität von PP verhindert eine gute Adhäsion zu Beton. Folglich wurde die natürliche Adhäsion von verschiedenen Polymeren zu Beton untersucht, um mögliche andere Polymere als Additive zur Adhäsionsverbesserung zu identifizieren. Der Unterschied in der Polarität zwischen Beton und PP ist sehr hoch, weshalb der Einfluss einer Hydrophilierung von PP auf die Adhäsion zu Beton durch Van der Waals Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen analysiert wurde. Dies berücksichtigend konnte ein Reaktivextrusionsprozess mit einem Vinylsilan entwickelt werden, der eine kovalente Bindung von PP zu Beton ermöglicht.
Um eine optimierte PP-Faser zur Bewährung von Beton zu erhalten, mussten die zuvor erlangten Erkenntnisse hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Adhäsion zu Beton in einer Faser vereint werden. Diesbezüglich wurde einerseits die Reaktivextrusion mit Füllstoffen und einem angepassten Verstreckungsprozess optimiert. Andererseits wurden verschiedene Materialien in einem Co-Extrusionsprozess kombiniert. ,Eine wichtige Erkenntnis besteht darin, dass eine Faser mit einer Verbundaußenschicht aus silanisiertem PP und Holzfasern in Kombination mit einem optimierten Verstreckungsprozess, eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Adhäsion zu Beton erzielt.
Zur differenzierten Beurteilung der Ergebnisse wurde ein spezieller Testaufbau basierend auf einem Einzelfaserauszugstest entwickelt, der die verschiedenen Adhäsionsmechanismen einer modifizierten PP-Faser zu Beton unterscheiden kann und dadurch wiederum eine Modifizierung der Faser speziell auf einzelne Adhäsionsmechanismen ermöglicht.
Zusammenfassend konnten mit dieser Arbeit mehrere Lösungsansätze aufgezeigt werden, wie eine alternative Bewehrungsfaser für Beton aus Polypropylen hergestellt werden kann.
Das Kapitel behandelt in komprimierter Form das Thema baulicher Brandschutz in Form von Anforderungen an das Brandverhalten von Baustoffen und Bauprodukten sowie an den Feuerwiderstand von Bauteilen. Der Schwerpunkt liegt auf den verschiedenen möglichen Angaben der Leistung des Brandverhaltens von Baustoffen durch Klassen nach nationalen oder europäischen Klassifzierungsnormen. Es werden Bauprodukte "allgemein" (d.h. außer Bodenbelägen, Kabeln und Bedachungen) sowie speziell Bodenbeläge, Kabel und Bedachungen behandelt. Dabei wird stets darauf eingegangen, wie die verschiedenen Klassen den verschiedenen Begriffen der bauaufsichtlichen Anforderungen zugeordnet sind (auf Basis von MVV TB 2021/1). Der Feuerwiderstand der Bauteile wird prinzipiell erläutert. Da er jedoch eine Eigenschaft eines Bauteils ist (z.B. einer Wand oder einer Decke), wird ausführlicher nur auf den Spezialfall von feuerwiderstandsfähigen Türen und Toren eingegangen, die zugleich "handelbare" Bauprodukte sind. Ein weiteres Kapitel behandelt sehr kurz die möglichen Nachweise für die Leistungen von Bauprodukten und Bauarten.
Der Beitrag erläutert das Grundprinzip der CE-Kennzeichnung von Bauprodukten nach der EU-Bauproduktenverordnung (BauPVO) und zeigt die Folgen auf für Planer*innen von Gebäuden und für Personen, die Bauprodukte zum Einbau in von Bauwerke einkaufen und einbauen (Verwender*innen). Am Beispiel von elektrischen Leitungen ("Kabeln") wird dargelegt, welche bauaufsichtlichen Anforderungen an das Brandverhalten von Kabeln bestehen können, woraus diese resultieren könnnen, wie das Brandverhalten von Kabeln klassifiziert wird und wie die verschiedenen Klassen zur Angabe des Brandverhaltens von Kabeln den bauaufsichtlichen Anforderungen zugeordnet sind.
Im Beitrag wird die gemäß dem vom 13.12.2022 bis 13.03.2023 im sog. "Notifizierungsverfahren" der EU befindlichen Entwurf für die Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) 2023/1 vorgesehene Änderung der Zuordnung von Klassen des Brandverhaltens für Baustoffe nach EN 13501-1 zu den bauaufsichtlichen Anforderungen an das Brandverhalten vorgestellt. Es wird auch diskutiert, welche Schwierigkeiten bei der Nachweisführung zum Brandverhalten von Baustoffen daraus resultieren. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Beitrages ist umklar, ob die neuen Regelungen wirklich so wie im Notifizierungsverfahren angekündigt in geltendes Recht umgesetzt werden.
Der Artikel erläutert kurz das Grundprinzip der CE-Kennzeichnung von Bauprodukten und die daraus resultierenden Folgen für Personen, die Bauwerke planen und die Bauprodukte bei der Errichtung von Bauwerken verwenden. Speziell am Beispiel von Brettschichtholz wird aufgezeigt, woher die Anforderungen an die verschiedenen Wesentlichen Merkmale von Brettschichtholz kommen und wie diese im Planungsprozess sowie bei der Beschaffung von Bauprodukten berücksichtigt werden müssen.
Der Artikel zeigt auf, welche Anforderungen an das Brandverhalten von Baustoffen allgemein (ohne Bodenbeläge) im Bauordnungsrecht wo und wie gestellt werden. Er geht auf die möglichen Angaben des Brandverhaltens von Baustoffen als Klassen nach DIN 4102-1 und DIN EN 13501-1 ein und zeigt auf, wie diese den bauaufsichtlichen Anforderungen zugeordnet sind. Dabei wird insbesondere auf die - für Ausbau-Unternehmen besonders relevante - geänderte Zuordnung von Klassen nach DIN EN 13501-1 zur bauaufsichtlichen Anforderung "schwerentflammbar" eingegangen.
Der Beitrag erläutert den Hintergrund, die Inhalte und die Bedeutung der sogenannten "Prioritätenliste" des DIBt und der Bundesländer zur Überarbeitung harmonisierter Normen nach BauPVO. Dabei wird der Schwerpunkt gelegt auf die Folgen für Personen, die am Planungsprozess von Bauwerken beteiligt sind oder die bei der Errichtung von Bauwerken Bauprodukte mit CE-Kennzeichnung nach BauPVO verwenden.
Im Beitrag wird aufgezeigt, wie und wo das Bauordnungsrecht bauaufsichtliche Anforderungen an das Brandverhalten von Bodenbelägen stellt, wie das Brandverhalten von Bodenbelägen in Klassen nach DIN 4102-1 sowie DIN EN 13501-1 angegegeben werden kann und wie diese Klassen den Begriffen der bauaufsichtlichen Anforderungen zugeordnet sind.
Der Beitrag beschäftigt sich mit der CE-Kennzeichnung von Brettschichtholz (BSH) und zeigt auf, woraus die Anforderungen an die verschiedenen Wesentlichen Merkmale von BSH resultieren (u.a. "Anwendungsnorm" DIN 20000-3). Dabei wird ein Schwerpunkt auf den Themenbereich Brandschutz gelegt, dennoch aufgezeigt wie viele andere Quellen von Anforderungen es gibt.