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Menschen entnehmen stetig Ressourcen aus der Natur. Leider verbrauchen sie derzeit weit mehr Wasser, Luft, Rohstoffe oder Energie, als die Erde erneuern kann. Zudem hinterlassen sie mehr Treibhausgase, als der Planet verkraftet. Dies zeigt der diesjährige Welterschöpfungstag am 28. Juli sehr deutlich: Nach den Berechnungen der internationalen Organisation Global Footprint Network haben wir an diesem Tag alle regenerierbaren Ressourcen verbraucht.

Ist die Beanspruchung durch den Menschen größer als Fähigkeit der Erde, entnommene Ressourcen zu erneuern und Schadstoffe abzubauen, rutschen wir ins ökologische Minus. Die Folgen sind unfruchtbare Böden, leer gefischte Meere, abgeholzte Urwälder oder der Anstieg des CO₂ in der Atmosphäre.

Seit 1970 beschleunigt sich der Raubbau

Die Welt wird von Jahr zu Jahr verschwenderischer. Noch vor etwas mehr als 50 Jahren war der Ressourcen-Verbrauch ausgeglichen. 1970 kam die Wende: In diesem Jahr erklärte Global Footprint Network den 29. Dezember als den Tag, „an dem die Welt erschöpft war“. Von da an beschleunigte sich der Raubbau. Zum Beispiel gingen wir 2010 schon am 7. August an die Reserven. Die Corona-Epidemie sorgte lediglich für eine kurze Atempause. Der Erdüberlastungstag hatte sich auf dem Lockdown-Höhepunkt im Jahr 2020 erstmals wieder hinten im Kalender verschoben, auf den 22. August, doch bereits im vergangenen Jahr sprang er wieder nach vorne, auf den 29. Juli.

Sollten die Regierungen nicht gegensteuern, fiele der Welterschöpfungstag im Jahr 2030 bereits auf den 28. Juni. Viele Länder der Welt, darunter auch Deutschland, stellen sich den Herausforderungen. Auch das Bundesforschungsministerium (BMBF) unternimmt große Anstrengungen, um mit Forschung und Innovation dazu beizutragen, dass die Lücke zwischen ökologischem Fußabdruck und Biokapazität schrumpft.

Gegensteuern mit nachhaltiger Bioökonomie

Unter anderem setzt das BMBF auf eine zukunftsträchtige Form der nachhaltigen Wirtschaft: die Bioökonomie. Sie umfasst die Erzeugung, Erschließung und Nutzung biologischer Ressourcen, Prozesse und Systeme, um Produkte, Verfahren und Dienstleistungen in allen wirtschaftlichen Sektoren bereitzustellen. Sie birgt dadurch das Potenzial für nachhaltige Lösungen, die Ressourcen schonen und gleichzeitig Wohlstand schaffen. Innerhalb der bioökonomischen Forschung fördert das BMBF eine Vielzahl von Projekten, die eine Kreislaufwirtschaft etablieren, insbesondere um biogene Ressourcen effektiver zu nutzen. Weitere Forschende befassen sich mit nachhaltiger Landwirtschaft, innovativem Pflanzenanbau oder etwa der Frage, wie Böden fruchtbar bleiben.

Große Potenziale um den ökologischen Fußabdruck zu verringern, liegen im Ersatz von fossilen Rohstoffen durch nachwachsende Rohstoffe, in Koppel- und Abfallprodukten, der Kaskadennutzung von Stoffen oder der Entwicklung nachhaltiger biotechnologischer Verfahren und Prozesse. Eine kleine Auswahl der Projekte zeigt die Vielfalt der Möglichkeiten.

Ersatz fossiler Ausgangsmaterialien

Im Projekt PHAtex entwickeln die Forschenden neuartige Biokunststoffe aus biologisch abbaubaren Polyhydroxyalkalkanoat-Textilien. Diese helfen als nachhaltige Alternative, den Plastikmüll in den wertvollen Ressourcen Meer und Boden zu verringern. Dazu sollen regional verfügbare kostengünstige biogene Roh- und Reststoffe anstelle von Erdöl als Ausgangsstoffe genutzt werden. Am Schluss soll nicht nur eine wettbewerbsfähige grüne biotechnologische Prozesskette entstehen, sondern auch ein kostengünstiges Recyclingverfahren ohne giftige Chemikalien.

Ulrike Roll (Projektträger Jülich)

Lavendelfelder sind ein Markenzeichen der Provence. Die blau- und violette Blütenpracht im Juli und August ist aber nicht nur schön anzusehen. Der Duft lockt gleichfalls Bienen und Schmetterlinge an, die sich an dem süßen Nektar laben. Wegen ihrer ätherischen Öle wird die Pflanze seit Jahrhunderten auch als Heilmittel geschätzt und bis heute zur Herstellung von Arznei und vor allem Naturkosmetik genutzt. Ein Forschungsteam will den Lavendelanbau nun auf der Schwäbischen Alb etablieren, um daraus Rohstoffe für die Bioökonomie zu gewinnen.

Ätherische Öle und Textilfasern aus Lavendel

An dem Projekt beteiligt sind Forschende vom Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF), der Universität Hohenheim und des Unternehmens Naturamus. Im Fokus des Vorhabens steht nicht nur die Herstellung hochwertiger ätherischer Öle aus Lavendel. Auch die große Menge an Reststoffen, die bei der Ölgewinnung anfällt, darunter die verholzten Pflanzenstängel, sollen zu Fasern für klassische Textilien sowie Faserverbundwerkstoffen etwa für den Leichtbau weiterverarbeitet werden. Dafür müssen nach der Lavendel-Destillation die pflanzlichen Stängel mit ihren Faserbündeln zunächst in ihre Bestandteile zerlegt werden. Mithilfe von Bakterien oder Enzymen sollen die durch Pektin verbundenen verholzten Einzelfasern aufgelöst werden.

Lavendelanbau auf der Schwäbischen Alb geplant

Bis die ersten Lavendelfelder auf der Schwäbischen Alb ihre Farbenpracht entfalten können, ist noch viel Forschung nötig. Gegenwärtig testen Hohenheimer Forschende an vier Standorten fünf verschiedene Lavendelsorten, um die beste Kultur für den Anbau zu finden. Erst Ergebnisse werden Ende dieses Jahres erwartet. Neben der Kultivierung der geeigneten Lavendelsorte wollen die Forschenden auch den Destillationsprozess zur Ölgewinnung energieeffizienter machen sowie die Lavendelblüten auf ihre Eignung zur Faserverarbeitung prüfen.

„Wir sind gespannt, wie hoch die Ausbeute an Fasern sein wird und welche Eigenschaften diese Fasern haben“, so DITF-Wissenschaftler Jamal Sarsour. „Die Länge, die Feinheit als auch die Festigkeit der Faserbündel entscheiden über die Verwendungsmöglichkeiten. Feine Fasern sind für Bekleidung geeignet, gröbere Faserbündel für technische Anwendungen“, ergänzt Projektleiter Thomas Stegmaier.

Neue Chancen für den Öko-Landbau

Von dem Lavendelanbau auf heimischen Böden versprechen sich die Forschenden viele Vorteile: Mit Blick auf eine ökologische Bewirtschaftung der Lavendelfelder würde sich der Anteil des Öko-Landbaus in der Region erhöhen. Zudem könnte die hohe Nachfrage nach hochwertigen ätherischen Ölen für Arzneimittel und Naturkosmetik vor Ort bedient und so Transportkosten eingespart werden.

Provence is famous for its lavender fields. In July and August, the blue and purple flowers are not only beautiful to look at: The scent also attracts bees and butterflies, which feast on the sweet nectar. Because of its essential oils, the plant has also been valued as a remedy for centuries and is still used today for the production of medicines and natural cosmetics. A research team now wants to establish lavender cultivation in the Swabian Jura in order to obtain raw materials for the bioeconomy from it.

Lavender essential oils and textile fibers

The project involves researchers from the German Institute of Textile and Fiber Research Denkendorf (DITF), the University of Hohenheim and the company Naturamus. The project focuses not only on the production of high-quality essential oils from lavender, but also on the processing of the large amount of residual materials produced during oil extraction, including the woody plant stems, into fibers for classic textiles and fiber composites, for example for lightweight construction. After lavender distillation, the plant stalks with their fiber bundles must first be broken down into their components. Bacteria or enzymes are used to dissolve the lignified individual fibers bound by pectin.

Lavender cultivation planned in the Swabian Jura

More research is needed before the first lavender fields can blossom in the Swabian Alb. Researchers from Hohenheim are currently testing five different lavender varieties at four locations to find the best crop for cultivation. Results are expected at the end of this year. In addition to cultivating the suitable lavender variety, the researchers also want to make the distillation process for oil production more energy-efficient and test the lavender flowers for their suitability for fiber processing.

"We are excited to see how high the yield of fibers will be and what properties these fibers will have," says DITF scientist Jamal Sarsour. "The length, fineness as well as the strength of the fiber bundles determine the possible applications. Fine fibers are suitable for clothing, coarse fiber bundles for technical applications," adds project manager Thomas Stegmaier.

New opportunities for organic farming

The researchers expect many benefits from lavender cultivation on native soils: With a view to ecological management of the lavender fields, the proportion of organic farming in the region would increase. In addition, the high demand for high-quality essential oils for medicines and natural cosmetics could be met locally, thus saving transport costs.

Mit der sogenannten Krefelder Studie haben Forschende 2017 erstmals das gravierende Ausmaß des Insektensterbens in Deutschland öffentlich gemacht. Die Folgen des Artenrückgangs sind gleichfalls besorgniserregend. Darauf verweist auch der aktuelle Bericht des Weltbiodiversitätsrates (IPBES). Das Expertengremium sieht im Artenrückgang und dem damit verbundenen Verlust an natürlichen Bestäubern – eine Bedrohung für Milliarden Menschen. In verschiedenen Reallaboren wird hierzulande daher erprobt, wie der Insektenschutz in der Landwirtschaft verbessert werden kann. Nun liegen erste Ergebnisse speziell für Niedermoorböden vor.

Im Rahmen des Projektes „FInAL - Förderung von Insekten in Agrarlandschaften” haben Forschende des Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) in einem Landschaftslabor im Havelländischen Luch, einem Niedermoorgebiet in Brandenburg, Insektenschutz mit dem Anbau nachwachsender Rohstoffe erprobt. „Das Besondere am Projekt ist der Forschungsansatz, bei dem wir von Anbeginn an viele wichtige relevante Akteure mit in die Forschung einbeziehen und unter Praxisbedingungen und im direkten Vergleich mit einer Referenzfläche Insektenschutzmaßnahmen erproben“, sagt Frank Eulenstein, der das Vorhaben auf ZALF-Seite koordiniert.

Bodenbearbeitung für Wildblumen entscheidend

Die Niedermoorböden im Havelländischen Luch wurden einst entwässert und bis 1992 landwirtschaftlich intensiv genutzt. Auf der Fläche, die seitdem unter Schutz steht, wurde nun getestet, wie der Boden insekten- und umweltschonend und zugleich ökonomisch rentabel bewirtschaftet werden kann. Ein Ergebnis der Untersuchung: damit Wildblumen und Insekten im Grünland siedeln können, kommt es auf die richtige Bodenbearbeitung an. Wildblumen, die eine wichtige Nahrungsquelle für Insekten sind, können auf Niedermoorböden demnach nur gedeihen, wenn der Boden zuvor gefräst oder gemulcht wird, um die Grasnarbe zu lockern.

Rückzugsorte für Käfer schaffen

Auch Rückzugsorte für Insekten wie das Aufstellen von Käferbänken am Feldrand tragen den Forschenden zufolge zur Insektenvielfalt bei. Laufkäfer, die sich von Schädlingen wie Schneckeneiern ernähren, waren auf Flächen mit Käferbänken achtmal mehr anzutreffen als auf Flächen, wo es keinen Rückzugsort gab.

Lolale Gegenheiten berücksichtigen

Damit die von den Forschern aufgezeigten Insektenschutzmaßnahmen auch erfolgreich sind, müssten diese jedoch den wirtschaftlichen und lokalen Gegebenheiten angepasst werden. „Einen Baukasten an pauschalen Maßnahmen zum Insektenschutz gibt es so nicht. Das ist von Hof zu Hof sehr unterschiedlich und macht die Umsetzung der Maßnahmen in der Breite schwer. Daher brauchen wir diese praxisnahen Versuche in möglichst vielen unterschiedlichen Regionen“, so Eulenstein.

So fehlte es im Havelländischen Luch etwa an Wasser für die Wiedervernässung. Um die Flächen dennoch umweltschonend und wirtschaftlich nutzen zu können, wird das Grünland in Form der Kaskadennutzung gleich dreifach genutzt: Zum einen wird mit der Aussaat von Wildblumen das Nahrungsangebot für Insekten erhöht, zum anderen kann die Biomasse, die auf den Flächen entsteht, in Biogasanlagen weiterverwertet werden. Zu guter Letzt können die Reststoffe aus der Energieproduktion als Torfersatzstoffe genutzt werden.

Auch die Zusammenarbeit mit Landwirtinnen und Landwirten, Kommunen sowie örtlichen Boden- und Wasserverbänden ist den Forschenden zufolge für die Entwicklung solcher Maßnahmen entscheidend.

Die Medizin setzt von jeher auf die Heilkräfte der Natur. Pflanzenbasierte Wirkstoffe sind daher sowohl für die Pharma- als auch für die Kosmetikindustrie ein begehrter Rohstoff. Die Gewinnung der wertvollen Substanzen aus Arzneipflanzen wie Thymian und Kamille unterliegt jedoch natürlichen Schwankungen, sodass der Wirkstoffgehalt variiert. Hinzu kommt, dass Klimawandel und karge Böden die Konzentrationen der begehrten Inhaltsstoffe zusätzlich verringern und somit die Qualität des konventionell gewonnenen ätherischen Öls sinkt. Forschende der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) präsentieren nun ein neues Verfahren, mit dem die in den Pflanzen enthaltenen Substanzen nahezu vollständig genutzt werden können, um daraus kostbare Extrakte und Destillate herzustellen.

Wertstoffe aus kondensiertem Wasser gewonnen

Im Rahmen eines Projektes hat das Forschungsteam herkömmliche Verfahren zur Herstellung ätherischer Öle wie die Destillation anhand der Modellpflanze Thymian Thymus vulgaris L. untersucht. Bei der Destillation ätherischer Öle wird der erzeugte Wasserdampf in die Pflanze geleitet, wo er sich anreichert und an anderer Stelle kondensiert. Die ätherischen Öle der Pflanze sondern sich dabei vom Wasser ab und werden separat gewonnen. „Das kondensierte Wasser wird in diesem Verfahren bisher nicht genutzt“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe, Constantin Jurischka. „In diesem Wasser sind aber noch gelöste Bestandteile des ätherischen Öls enthalten.“ Diese im Wasser enthaltenen Substanzen gingen also bisher verloren. Den Forschenden zufolge sind das jedoch oft die eigentlichen Wertstoffe. Diese bisher unbeachteten Wertstoffe im Wasser hat das Forschungsteam mithilfe eines neu entwickelten Verfahrens nun nutzbar gemacht.

Wirkstoffgehalt ätherischer Öle gezielt erhöhen

„Das in der herkömmlichen Destillation anfallende Wasser kann bei unserem Verfahren in den Kreislauf geführt werden, was zu einer Beeinflussung der Zusammensetzung des ätherischen Öls führt“, sagt Jurischka. „Das entstandene Öl kann so bis zu einem definierten Wirkstoffgehalt angereichert werden.“ Durch die zusätzliche Wirkstoffausbeute würde das Produkt wieder den vorgegebenen Normen entsprechen und damit die Qualität der ätherischen Öle verbessern.

Anbau von Arzneipflanzen als neue Einkommensquelle

Die Forschenden sind überzeugt, dass eine höhere Wirkstoffausbeute den Anbau von Arzneipflanzen wie Thymian und Kamille attraktiver macht. „Durch Unsicherheitsfaktoren wie den Klimawandel und die künftige Flächenförderpolitik kann der Anbau von oft an Boden und Standort anspruchslosen Arzneipflanzen mit interessanten Inhaltsstoffen eine Einkommensalternative darstellen“, sagt Jurischka. Die Wertschöpfung auf konventionell eher ertragskritischen Flächen werde dadurch auch intensiviert und strukturschwache Regionen werden so gestärkt. Zudem könnten Landwirte durch innovative Verfahren auf den Einsatz von Pestiziden verzichten und damit die Biodiversität fördern, argumentiert der Forscher.

Medicine has always relied on the healing powers of nature. Plant-based active ingredients are therefore a sought-after raw material for both the pharmaceutical and cosmetics industries. However, their extraction from medicinal plants such as thyme and chamomile is subject to natural fluctuations, so that the active ingredient content varies. In addition, climate change and barren soils further reduce the concentrations of the ingredients, thus lowering the quality of conventionally extracted essential oil. Researchers at the Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg (BTU) are now presenting a new process that enables the substances contained in the plants to be used almost completely to produce valuable extracts and distillates.

Valuable substances extracted from condensed water

A research team has now investigated conventional methods for producing essential oils, such as distillation, using the model plant thyme Thymus vulgaris L.. In the distillation of essential oils, water vapor is introduced into the plant, where it accumulates and condenses. The essential oils of the plant separate from the water in the process and are recovered separately. "The condensed water is not used," says Constantin Jurischka, head of the research group. "However, this water still contains dissolved components of the essential oil." So these substances contained in the water are lost. According to the researchers, however, these are often of high value. The research team has now harnessed these previously unnoticed valuable substances in water with the help of a newly developed process.

Increasing the active ingredient content of essential oils

"The water produced in conventional distillation can be recirculated, which influences the composition of the essential oil," Jurischka says. "The resulting oil can thus be enriched to a specified active ingredient content." The additional active ingredient yield would bring the product back into compliance with the specified standards, thus improving the quality of the essential oils.

Cultivation of medicinal plants as a new source of income

The researchers are convinced that higher active ingredient yields will make the cultivation of medicinal plants such as thyme and chamomile more attractive. "In view of uncertainties due to climate change and future land subsidy policies, the cultivation of medicinal plants that are often undemanding in terms of soil and location can represent an alternative source of income," says Jurischka. This would also intensify value creation on yield-critical areas and strengthen structurally weak regions. In addition, farmers can avoid the use of pesticides through innovative processes and thus promote biodiversity, the researcher argues.

Seit heute sind die natürlichen Ressourcen verbraucht. Ab heute beansprucht die Menschheit für das restliche Jahr mehr Acker- und Weideland, Fischgründe und Wald, als uns rechnerisch zur Verfügung stünden. Und wir stoßen weit mehr CO2-Emissionen aus, als die Wälder und Ozeane der Welt aufnehmen können. Der Tag verdeutlicht, dass die gesamte Weltbevölkerung 1,75 Erden bräuchte, um den durchschnittlichen globalen Bedarf an natürlichen Rohstoffen nachhaltig zu decken.

Der diesjährige Erdüberlastungstag liegt früher als noch im vergangenen Jahr. Seit 2018 fällt der Erdüberlastungstag auf Ende Juli - mit Ausnahme von 2020, als die Corona-Pandemie kurzzeitig für weniger Ressourcenverbrauch sorgte. In diesem Jahr jedoch sind die nachhaltig nutzbaren Ressourcen wieder einen Tag früher verbraucht als 2021.

Im Jahr 2000 fiel der Erdüberlastungstag noch auf den 22. September, 2010 war es bereits der 6. August. Ein Gleichgewicht von Verbrauch und Regeneration der Ressourcen bestand zuletzt im Jahr 1970.

Laut der Analyse des Global Footprint Networks war hierzulande der nationale Erdüberlastungstag bereits Anfang Mai erreicht. Würden alle Länder so haushalten wie Deutschland, wären drei Erden nötig.

Bei den Berechnungen werden nach Angaben des Netzwerkes zwei rechnerische Größen gegenübergestellt: zum einen die biologische Kapazität der Erde zum Aufbau von Ressourcen sowie zur Aufnahme von Müll und Emissionen, zum anderen der Bedarf an Wäldern, Flächen, Wasser, Ackerland und Fischgründen.

As of today, humanity is taking up more arable and pasture land, fishing grounds and forests for the rest of the year than would be available to us mathematically. And we are emitting far more CO2 than the world's forests and oceans can absorb. The Earth Overshoot Day illustrates that the entire world population would need 1.75 Earths to sustainably meet the average global demand for natural resources.

This year's Earth Overshoot Day is earlier than last year. Since 2018, Earth Overload Day has fallen at the end of July - with the exception of 2020, when the Corona pandemic briefly caused less resource consumption. This year, however, natural resources are again consumed one day earlier than in 2021.

In 2000, the Earth's Overshoot Day still fell on 22 September; in 2010, it was already 6 August. The last time there was a balance between consumption and regeneration of resources was in 1970.

According to the Global Footprint Network's analysis, the National Overshoot Day was already reached in Germany at the beginning of May. If all countries were to budget in the same way as Germany, three Earths would be needed.

The calculations compare two mathematical quantities: first, the biological capacity of the earth to build up resources and absorb waste and emissions; and second, the demand for forests, land, water, arable land and fishing grounds.

Fliegen mit Essensresten – so oder ähnlich könnte man die Vision eines Forschungsteams des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS beschreiben. Die Fachleute haben gemeinsam mit mehreren Partnerinstitutionen eine Anlage entwickelt, die aus Biogas synthetische Kraftstoffe und biogene Wachse herstellen kann. Rohstoff dafür sind biologische Abfälle.

Synthetischer Diesel und Kerosin

Der Prozess sieht folgendermaßen aus: Aus biogenen Reststoffen wie altem Fett aus der Gastronomie wird Biogas produziert. Ein Reformer erzeugt aus diesem Biogas und Wasserdampf Synthesegas – ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Ein sogenanntes Fischer-Tropsch-Aggregat erzeugt daraus Methan, flüssige Kohlenwasserstoffe und Wachs. Das Methan wird direkt wieder zurückgeführt, um den Prozess zu heizen. Übrig bleiben Wachs und Kohlenwasserstoffe. Aus letzteren können Raffinerien synthetischen Diesel oder Kerosin herstellen. Wachs wiederum ist in der Kosmetik- und Schmiermittelindustrie gefragt.

Der eigentliche Kniff besteht jedoch darin, dass ein sogenannter Elektrolyseur immer dann zugeschaltet werden kann, wenn wenig Biogas verfügbar ist oder Strom gerade besonders günstig eingekauft werden kann, weil Photovoltaik oder Windenergie Überschüsse erzeugen. Der Elektrolyseur zerlegt Wasserdampf und Kohlendioxid in Wasserstoff und Kohlenmonoxid. So ist immer genügend Synthesegas verfügbar, damit das Fischer-Tropsch-Aggregat verlässlich laufen kann.

Biogasanlagen können umgerüstet werden

Rund 9.000 Biogasanlagen sind derzeit in Deutschland im Einsatz. Viele von ihnen – vor allem die größeren – könnten entsprechend umgerüstet werden. Dadurch ließen sich die Anlagen wirtschaftlicher betreiben, natürliche Ressourcen würden geschont und weniger fossiles Erdgas und Erdöl benötigt, resümiert Erik Reichelt, Leiter der IKTS-Arbeitsgruppe Systemverfahrenstechnik. Noch seien die Kraftstoffe mit etwa 2,50 Euro je Kilo zwar teurer als ihre fossilen Pendants. Doch das könne sich angesichts der Entwicklungen auf dem Gasmarkt und steigenden Klimaschutzauflagen – auch für die Luftfahrtbranche – in den kommenden Jahren schnell ändern.

Die Projektbeteiligten Fraunhofer IKTS, TU Bergakademie Freiberg und die TU Dresden sowie die sächsischen Unternehmen Ökotec-Anlagenbau GmbH, Sunfire GmbH und DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH haben bereits eine Pilotanlage in Betrieb genommen. Als nächstes ist geplant, eine Anlage im industriellen Maßstab zu errichten, die mehrere Hundert Liter Syntheseprodukte pro Stunde produzieren kann.

Flying powered by food scraps - that's how you could describe the vision of a team of researchers from the Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems (IKTS). Together with several partner institutions, the experts have developed a plant that can produce synthetic fuels and biogenic waxes from biogas. The raw material for this is biological waste.

Synthetic diesel and kerosene

The process is as follows: Biogas is produced from biogenic residues such as old grease from the catering industry. A reformer uses this biogas and water vapor to produce synthesis gas - a mixture of hydrogen and carbon monoxide. A so-called Fischer-Tropsch unit produces methane, liquid hydrocarbons and wax from this. The methane is fed back directly to heat the process. What remains is wax and hydrocarbons. Refineries can use the latter to produce synthetic diesel or kerosene. Wax, in turn, is in demand in the cosmetics and lubricants industries.

The real trick, however, is that an electrolyzer can be switched on whenever there is little biogas available or electricity can be purchased particularly cheaply because photovoltaics or wind energy are generating surpluses. The electrolyzer breaks down water vapor and carbon dioxide into hydrogen and carbon monoxide. This means that there is always enough synthesis gas available for the Fischer-Tropsch unit to run reliably.

Biogas plants can be converted

Around 9,000 biogas plants are currently in operation in Germany. Many of them - especially the larger ones - could be converted accordingly. This would allow the plants to be operated more economically, natural resources would be conserved and less fossil natural gas and crude oil would be needed, sums up Erik Reichelt, head of the IKTS Systems Process Engineering working group. At around 2.50 euros per kilo, the fuels are at present more expensive than their fossil counterparts. But this could change quickly in the coming years in view of developments on the gas market and increasing climate protection requirements - also for the aviation industry.

The project participants Fraunhofer IKTS, TU Bergakademie Freiberg and TU Dresden as well as the Saxon companies Ökotec-Anlagenbau GmbH, Sunfire GmbH and DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH have already put a pilot plant into operation. The next plan is to build an industrial-scale plant capable of producing several hundred liters of synthesis products per hour.

3D-Druck – das verbinden viele Menschen noch immer mit der präzisen, an Tintenstrahldrucker angelehnten Herstellung kleiner Kunststoffteile. Die Industrie nutzt das Verfahren jedoch längst, um auch große Bauteile herzustellen, sogar im Bauwesen. Für diese Branche will das Projekt 3DNaturDruck unter Leitung der Universität Stuttgart nun einen nachhaltigen Druckprozess mit Naturfasern entwickeln.

Technische und ökologische Vorzüge

Ziel des Vorhabens ist es, naturfaserverstärkte Biopolymere im 3D-Druckverfahren zu produzieren, die beispielsweise als Fassadenelemente verbaut werden können. Derartige Bauteile könnten die Vorteile von Naturfasern und 3D-Druck vereinen: Naturfasern weisen oft sehr gute mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht auf. Sie sind weit verfügbar und zählen zu den meist schnell erneuerbaren Ressourcen. Im 3D-Druck lassen sich komplexe Geometrien mit wenigen Arbeitsschritten sowie geringem Material- und Kostenaufwand realisieren. Beispielsweise können Architekten so attraktive Oberflächenformen umsetzen, die zugleich komplexe statische Anforderungen berücksichtigen.

Pavillon als Demonstrator

Dafür muss es jedoch zunächst gelingen, geeignete naturfaserverstärkte Biopolymer-Komposite zu identifizieren und dann Werkzeuge und Düsengeometrien des Druckverfahrens an diese Materialien anzupassen. Die Projektbeteiligten wollen dabei sowohl kurze Naturfasern aus Holz und Stroh erproben als auch sogenannte Endlosfasern aus Hanf und Flachs. Als Demonstrator beabsichtigt das Forschungsteam, die in additiver Fertigung hergestellten Fassadenbauteile für einen Pavillon zu verwenden, der auf dem Campus der Universität Stuttgart errichtet werden soll.

Kooperation zwischen Forschung und Industrie

Neben der Abteilung Biobasierte Materialien und Stoffkreisläufe in der Architektur (BioMat) am Institut für Tragkonstruktion und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart sind am Projekt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), das Fraunhofer-Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) sowie die Industrieunternehmen Rapid Prototyping Technologie GmbH (Gifhorn), ETS Extrusionstechnik (Mücheln), 3dk.berlin (Berlin) und ATMAT Sp. Z o.o. (Krakau, Polen) beteiligt. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft fördert das Vorhaben finanziell.

Die Forschung in der industriellen Biotechnologie in Deutschland auf internationalem Spitzenniveau weiterentwickeln – das ist das erklärte Ziel des Chemiekonzerns Wacker und der Technischen Universität München (TUM). Dazu haben beide Partner jetzt das „TUM WACKER Institute for Industrial Biotechnology“ gegründet. Bereits zum kommenden Wintersemester soll das Institut die Arbeit aufnehmen. Wacker fördert die dortige Forschung mit 6 Mio. Euro verteilt über sechs Jahre.

Fossile Rohstoffe ersetzen, Energie einsparen

„Die industrielle Biotechnologie ist eine Zukunftstechnologie mit großem Potenzial“, so Christian Hartel, Vorstandsvorsitzender der Wacker Chemie AG. Als Vorteile zählt Hartel auf, dass Prozesse auf Basis fossiler Rohstoffe ersetzt werden können und weniger Energie und Rohstoffe benötigt werden. „Das senkt Produktionskosten, schont Ressourcen und die Umwelt“, betont der Wacker-Chef. TUM-Präsident Thomas F. Hofmann begründet seinerseits: „Von der Forschung auf molekularer Ebene über das Chemieingenieurwesen bis zur Prozesstechnik vernetzen wir die Disziplinen miteinander und beschleunigen durch enge Zusammenarbeit mit Wacker den wirksamen Transfer in die industrielle Praxis.“

Nukleinsäuren für die Krebsmedizin

Ein Forschungsschwerpunkt des neuen Instituts soll die Entwicklung biotechnologischer Produktionssysteme sein, mittels derer Nukleinsäuren für medizinische Zwecke hergestellt werden können. Diese könnten beispielsweise in der Krebstherapie genutzt werden. Auch weitere niedermolekulare Verbindungen sollen mithilfe optimierter Enzyme, Zellen oder Mikroorganismen auf Basis erneuerbarer Rohstoffe produziert werden.

Forschung durch 20 Promovierende

Leiten wird das TUM WACKER Institute for Industrial Biotechnology Professorin Sonja Berensmeier, Expertin für biofunktionale Materialien und Prozesse zur Trennung biotechnologisch hergestellter Biomoleküle. Arbeiten sollen am Institut rund 20 Doktorandinnen und Doktoranden. Außerdem ist eine enge Kooperation mit der Entwicklungsabteilung von Wacker geplant.

Die Institutsgründung reiht sich ein in weitere Aktivitäten von Wacker zum Thema industrielle Biotechnologie. So gab Wacker kürzlich bekannt, am Standort München ein neues Biotechnologie-Zentrum zu bauen.

Developing industrial biotechnology research in Germany to a top international level - that is the declared goal of the Wacker Chemical Group and the Technical University of Munich (TUM). To achieve this, the two partners have now founded the TUM WACKER Institute for Industrial Biotechnology. The institute is scheduled to commence operations as early as the coming winter semester. Wacker is funding the research there with €6 million spread over six years.

Replace fossil raw materials, save energy

"Industrial biotechnology is a future technology with great potential," says Christian Hartel, CEO of Wacker Chemie AG. He explains that fossil-based processes can be replaced, and less energy and raw materials are needed. "This reduces production costs, conserves resources and protects the environment," emphasizes the Wacker CEO. TUM President Thomas F. Hofmann elaborates, "From research at the molecular level to chemical engineering and process technology, we network the disciplines with each other and accelerate effective transfer to industrial practice through close collaboration with Wacker."

Nucleic acids for cancer medicine

One research focus of the new institute will be the development of biotechnological production systems by means of which nucleic acids can be produced for medical purposes. These could be used in cancer therapy, for example. Other low-molecular compounds are also to be produced with the aid of optimized enzymes, cells or microorganisms based on renewable raw materials.

Research by 20 doctoral students

The TUM WACKER Institute for Industrial Biotechnology will be headed by Professor Sonja Berensmeier, an expert in biofunctional materials and processes for separating biotechnologically produced biomolecules. Around 20 doctoral students will work at the institute. Close cooperation with Wacker's development department is also planned.

The establishment of the institute is part of Wacker's further activities in the field of industrial biotechnology. Wacker recently announced plans to build a new biotechnology center at its Munich site.

Mit dem neuen Klimaschutzgesetz hat die Bundesregierung im vergangenen Jahr die Weichen für den beschleunigten Ausbau von erneuerbaren Energien gestellt. Mit Wind- und Solarenergie soll Deutschland schneller von fossilen Energieimporten wie Erdöl und Erdgas unabhängig und bis 2045 klimaneutral werden. Photovoltaikanlagen auf dem Acker können hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. Das Prinzip der Agri-Photovoltaik (Agri-PV) ist eine neue und vielversprechende Art der nachhaltigen Landnutzung. Hier wird die Ackerfläche doppelt genutzt - zur Energieerzeugung und zum Nahrungsmittelanbau. Der Einsatz dieser nachhaltigen Landnutzungsform soll nun mit Hochdruck vorangetrieben werden.

Leitbild für Einsatz der Agri-PV

Im Projekt SynAgri-PV wollen elf Partner aus Forschung, Praxis und Industrie in den kommenden drei Jahren ein Leitbild zum Einsatz der Technologie entwickeln, um die Agri-PV in Deutschland markfähig zu machen. Das im Juli gestartet Vorhaben wir vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) koordiniert und vom Bundesforschungsministerium mit insgesamt 1,7 Mio. Euro gefördert.

Im Rahmen des Projektes wollen die Forschenden den wissenschaftlichen, rechtlichen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Stand der Agri-PV für den Standort Deutschland bewerten. Unter Einbindung aller Akteure sollen neben der Entwicklung eines gesellschaftlichen Leitbildes für den Agri-PV-Ausbau auch der Handlungsbedarf für die Umsetzung aufgezeigt, Lösungsansätze formuliert und neue Forschungsfelder identifiziert werden. Neben einem Monitoringsystem für bestehende Agri-PV-Anlagen wollen die Fraunhofer-Forschenden auch prüfen, inwiefern die Tierhaltung eingebunden werden kann. Darüber hinaus sollen Beteiligungsformate sowie eine Plattform für den Wissens- und Erfahrungsaustausch etabliert werden, um die Forschungsergebnisse einer breiten Öffentlichkeit sowie der Politik zugänglich zu machen und so die Vorteile der doppelten Landnutzung publik zu machen.

Pilotanlagen für ausgewählte Kulturpflanzen

Basis der Untersuchung sind die vom Fraunhofer ISE betrieben Pilotanlagen. Die erste Agri-PV-Anlage wurde 2017 am Bodensee eingerichtet, und zeigte schon nach kurzer Zeit vielversprechende Erfolge. Unter Solarpanelen wurde hier der Anbau von Winterweizen, Kartoffeln, Sellerie und Kleegras erprobt. Aktuell wird der Anbau von Äpfeln unter Solarpanelen getestet.

Für Landwirte und Landwirtinnen könnte die Agri-PV nicht nur eine neue Einkommensquelle sein. Solarmodule auf dem Acker können auch die Folgen des Klimawandels abschwächen. Durch die teilweise Verschattung der PV-Module werden die Kulturpflanzen vor intensiver Sonnenstrahlung oder Wetterextremen wie Hagel und Frühjahrsfrost geschützt. Auch die Verdunstung von Wasser und das Austrocknen der Böden wird reduziert. Auf Flächen, die landwirtschaftlich nicht genutzt werden, können wiederum Blühstreifen die Biodiversität fördern.

Druck auf die knappe Ressource Land wird reduziert

„Damit sind Agri-PV-Systeme für die Landwirtschaft zunehmend attraktiv, weil hiermit eine Möglichkeit gegeben ist, die heimische Landwirtschaft auch gegenüber dem internationalen Markt wettbewerbsfähig zu halten und den Landwirtinnen und Landwirten zusätzliches Einkommen zu ermöglichen“, erklärt Max Trommsdorff, Projektleiter am Fraunhofer ISE. Die Forschenden sind überzeugt, dass der Einsatz von Agri-PV den Druck auf die ohnehin knappe Ressource Land reduzieren und die Anbausysteme widerstandsfähiger machen kann. Doch nicht nur das: „Durch den integrierten Ansatz aus Nahrungs- und Futtermittelproduktion sowie Energiegewinnung können Agri-PV-Systeme mehrere Synergien ermöglichen – nicht nur für den Landwirtschafts- und Energiesektor, sondern auch in Bezug auf das Wassermanagement, den Landschafts- und Naturschutz sowie soziale Innovationsprozesse“, erklärt Prof. Klaus Müller, Projektleiter am ZALF.

Rechtliche Rahmenbedingungen und Anreize schaffen

Trotz aller Vorteile: Fehlende rechtliche Rahmenbedingungen, ungenügende Anreizsysteme und eine mangelnde Akzeptanz in der Öffentlichkeit haben einer Realisierung größerer Agri-PV-Anlagen bisher im Weg gestanden. Um diese Hemmnisse zu beseitigen, sollen im Projekt auch Lösungsansätze formuliert werden.

Um die Herausforderungen der Zukunft zu meistern, muss die Bioökonomie im globalen Kontext betrachtet werden. Mit der Fördermaßnahme „Bioökonomie International“ hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 2012 die Grundlage für weitreichende internationale Forschungsverbünde auf dem Gebiet der Bioökonomie gelegt. Mithilfe der Förderung von Verbundvorhaben zu Forschung und Entwicklung (FuE) unter Beteiligung ausländischer Partner soll zugleich die Umsetzung der Nationalen Bioökonomiestrategie im internationalen Kontext gestärkt werden. Nun ist eine neue Förderrunde von "Bioökonomie International" gestartet.

Forschung zu biologischem Wissen erweitern

Im Fokus der Förderung stehen explizit FuE-Vorhaben mit Ländern, die nicht in der EU sind. Auch Vorhaben mit russischen Partnern sind nicht förderfähig. Gefördert werden Verbundvorhaben, die den in der Nationalen Bioökonomiestrategie festgelegten Leitlinien entsprechen und zumindest zu einem Thema Bezug nehmen. Ein Schwerpunkt der aktuellen Ausschreibung liegt bei der Förderung von Vorhaben, die den Baustein „Biologisches Wissen als Schlüssel der Bioökonomie“ bedienen. Hierzu zählen neben weiteren:

Arbeiten zum Verständnis und der Modellierung von biologischen Systemen;
Projektskizzen zur Erforschung und Etablierung neuartiger Produktionsorganismen für die Primärproduktion und industrielle Produktion;
Forschungsansätze zur Entwicklung bzw. Weiterentwicklung innovativer biotechnologischer Verfahrenskonzepte für biobasierte Produktionssysteme sowie
Forschungsarbeiten, die auf die nachhaltige Erzeugung biogener Ressourcen abzielen.

Von einer Förderung ausgeschlossen sind Vorhaben, die die Charakterisierung und/oder die Anbauoptimierung agrarischer Primärprodukte im Partnerland in den Fokus stellen, sowie Projekte, die auf eine energetische Nutzung von Biomasse ohne den Einsatz von Mikroorganismen abzielen.

Fast jedes dritte Start-up, das in Deutschland im Jahr 2021 gegründet worden ist, kann als „grün“ gelten. Das ist das Fazit des 4. Green Startup Monitor vom Startup-Verband und dem Borderstep-Institut. Mit 29% liegt der Anteil an allen Jungunternehmen damit etwa auf dem Vorjahresniveau von 30%. Als „grün“ bezeichnet die Studie Start-ups, die sich selbst der Green Economy zuordnen, denen es außerdem wichtig ist, eine positive gesellschaftliche und ökologische Wirkung mit ihrer Firmenstrategie zu entfalten, und die zudem ihre ökologische und/oder gesellschaftliche Wirkung in ihre Key-Performance-Indikatoren integrieren.

Große Transformation spielt wichtige Rolle

Besonders hoch war der Anteil grüner Start-ups der Studie zufolge in Energiewirtschaft (67%) und Landwirtschaft (66%). Unter dem Durchschnitt liegen beispielsweise Bau und Immobilien (25%), Banken und Finanzen (19%) sowie Tourismus (18%). Schlusslicht ist der Bereich Human Resources mit 10%. Dabei haben 35% aller grünen Gründungen ein Geschäftsmodell, das auf die große Transformation von Wirtschaft und Gesellschaft zur Nachhaltigkeit angelegt ist. Über alle Unternehmensgründungen hinweg liegt dieser Anteil sonst bei 23%.

Besonders innovativ und weiblich

Sich selbst schätzen 71% der grünen Start-ups als innovativ oder sehr innovativ ein. Damit liegen sie sechs Prozentpunkte vor den nicht-grünen Start-ups. Außerdem sind grüne Jungunternehmen weiblicher: 21% wurden von Frauen gegründet. Bei nicht-grünen Start-ups gilt das nur für 15%. Außerdem legen grüne Start-ups besonders viel Wert auf Nachhaltigkeit seitens ihrer Investoren: 59% erwarten das, gegenüber 21% bei sonstigen Jungunternehmen. Von der Politik fordern grüne Start-ups wenig überraschend deutlich häufiger, unternehmerische Innovationen zum Klimaschutz zu fördern (62%) als das andere Start-ups tun (29%).