Themen der Bioökonomie-Forschung
Das UFZ erforscht den Übergang zu einer kreislauforientierten, nachhaltigen Bioökonomie auf folgenden Ebenen:
- Methoden und Werkzeuge
- Politikoptionen und Politikberatung
- Innovative (bio-)technologische Verfahren.
Im Rahmen dieser Ebenen erfolgt die Bearbeitung spezieller Bioökonomie-Themen innerhalb einzelner Departments, Arbeitsgruppen, Projekte, Gremien, etc.
Diese sind über die Bioökonomie-Plattform des UFZ miteinander verbunden:
- für die systematische Analyse aktueller und künftiger Bioökonomiesysteme und
- die frühzeitige Erkennung von Risiken, die sich aus der Wechselwirkung mit der natürlichen und sozialen Umwelt ergeben,
- sowie Designprinzipien für nachhaltige Bioökonomiesysteme, die zum Beispiel die Sicherung einer multifunktionalen natürlichen Umwelt angesichts der stofflichen und energetischen Nutzung der Biomasse gewährleisten.
Die Methoden und Werkzeuge lassen sich in drei Gruppen unterteilen:
BENSIM (BioENergy SImulation Model) ist entwickelt worden, um den Wettbewerb zwischen Technologieoptionen darzustellen – mit besonderem Fokus auf Bioenergie in Deutschland. BENSIM ist ein myopisches, rekursives Simulationsmodell, das den kostengünstigsten Technologiemix unter bestimmten Rahmenbedingungen sucht.
Datenbasis für die Modellierung sind Investitions- und Betriebskosten sowie Kosten der Input-Output- Variablen für die Prozesse (Rohstoffe, Strom/Wärme, Nebenprodukte, THG-Emissionen etc.).
Durch die Rekursivität werden Pfadabhängigkeiten und Lock-In-Effekte im Modell abgebildet. Endogene Lerneffekte (Kostensenkungen in Abhängigkeit vom Zubau) sowie Entwicklungen der Wirkungsgrade und Biomassekosten beeinflussen die Gesamtkosten und verändern sich über die Zeit, wodurch sich die kostengünstigsten Technologien entsprechend ändern können.
Anhand des Modells kann auch mittels ein Monte-Carlo-Verfahren die Sensitivität der Entwicklungen untersucht werden, auf die eine Vielzahl an Parameter einen Einfluss hat, besonders im komplexen Bereich der Biomassenutzung.
Bisher wurde BENSIM auf die Biokraftstoff- und Strom/Wärme-Märkte angewendet (Meilensteine 2030). Das Modell wird kontinuierlich erweitert, um weitere Teilaspekte der Biomassenutzung besser abzubilden.
Ansprechpartner:
Am Department Ökologische Systemanalyse entwickeln wir Simulationsmodelle zur sozial-ökologischen Bewertung vom Anbau bio-basierter Rohstoffe. Dabei analysieren wir u.a. Umwelteffekte wie Landnutzungskonflikte und Puffermechanismen von Grasländern und holzbasierten Rohstoffen.
Ansprechpartnerin:
Prof. Karin Frank, Department Ökologische Systemanalyse
Weitere Informationen unter:
BonaRes-Zentrum für Bodenforschung
BonaRes steht für „Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie“ und ist eine Fördermaßnahme des BMBF im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“. BonaRes besteht aus zehn interdisziplinären Verbundvorhaben und dem BonaRes-Zentrum.
Die Forschungsarbeiten sollen die Leistungs- und Ertragsfähigkeit der Ressource Boden langfristig sichern und u.U. steigern. Dabei soll die Vielzahl der natürlichen Funktionen von Böden erhalten bleiben: Boden als Habitat für Organismen, als Speicher für Wasser und Kohlenstoff, als Reaktor für organisches und anorganisches Material, als Filter für sauberes Grundwasser.
Das BonaRes-Zentrum entwickelt Modellwerkzeuge, um die komplexen Wechselwirkungen von Bodenprozessen zu beschreiben, und fördert den Austausch von Daten insb. aus Langzeitversuchen, um Modellkonzepte zu validieren und weiterzuentwickeln. Außerdem bildet es eine Plattform für die Kommunikation zwischen Wissenschaftlern verschiedener Disziplinen, den Bodennutzern und den Entscheidungsträgern.
Im BonaRes-Zentrum werden Optionen zur Governance einer nachhaltigen Nutzung von Böden in der Bioökonomie analysiert. Hierzu wird ein Analyserahmen entwickelt, um verschiedene Instrumente zur Steuerung der Bodennutzung zu bewerten. Perspektiven von Stakeholdern auf die Transformation zur Bioökonomie werden im Forschungsprozess integriert.
Ansprechpartner:
Weitere Informationen unter:
Quelle: Eigene Darstellung.
Unter der integrierten Bioenergienutzung im Stromversorgungssystem wird die Rolle flexibler Biomasseverstromung im Zusammenspiel mit fluktuierenden Stromerzeugungstechnologien wie Solarenergie und Windkraft untersucht, welche den erneuerbaren Strommix der kommenden Jahre immer stärker prägen werden. Die Flexibilität der energetischen Biomassenutzung ist nötig, denn sie muss sich in ein Energiesystem eingefügen, dessen Zielzustand ein stärker dezentrales und wesentlich von fluktuierender Erzeugung abhängiges System ist, das sie stabilisieren bzw. ergänzen soll.
Anhand von numerischen Optimierungen auf Basis von Zeitreihendaten, werden heutige und zukünftig verfügbare flexible Biomasseverstromungstechnologien modeliiert und auf ihre Funktionalität im Stromsystem untersucht.
Ein zentrales Drittmittelprojekt zur Untersuchung dieser Aspekte ist BalanceE, welches in Kooperation von UFZ, DBFZ und Fraunhofer UMSICHT im Auftrag des BMWi durchgeführt wird.
Weitere Informationen unter:
Erneuerbare Energien Monitor - EE-Monitor
Im Rahmen eines vom Bundesamt für Naturschutz und dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit geförderten Forschungsvorhabens wird untersucht, wie sich der Ausbau der erneuerbaren Energien in den letzten 25 Jahren hinsichtlich der Auswirkungen auf die Schutzgüter im Sinne des Bundesnaturschutzgesetzes vollzogen hat, welche Erkenntnisse man daraus ableiten kann und wie man diese Erkenntnisse zur Vermeidung von Fehlentwicklungen für den zukünftigen Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland nutzbar machen kann.
Bioenergie bzw. biobasierte Rohstoffe nehmen dabei eine besondere Rolle ein. Die gewonnenen Erkenntnisse im bereich der Naturschutzkonflikte der Bioenergiegewinnung sollen auf ihre Übertragbarkeit auf Bioökonomiekonzepte überprüft werden um so synergien Nutzbar zu machen.
Ansprechpartner:
Dr. Marcus Eichhorn, Department Bioenergie
Weitere Informationen unter:
RESPONSA ist ein social Life Cycle Assessment Ansatz, der mit kontext-spezifischen sozialen Indikatoren, sozio-ökonomische Effekte von biobasierten Produkten auf Stakeholder entlang der gesamten Wertschöpfungskette in einer Region bewertet und analysiert. Der Ansatz analysiert soziale Chancen und Risiken in einzelnen Unternehmen, in einer Wertschöpfungskette oder für ein Produkt. Damit bietet er umfassende Möglichkeiten, um soziale Effekte in einer Region auf dem Weg in eine Bioökonomie zu analysieren.
Ansprechpartner:
M. Sc. Anke Siebert, Department Bioenergie
Weitere Informationen unter:
As biomass (food, feed, fodder, and fibers) is mostly scattered across the landscape, our investigation starts by teasing out questions of production using spatial thinking and perspectives. Focused on the role of biomass as the medium for supporting both modern and future sustainable lifestyles, we pay particular attention to the regional and spatial distributions of biomass production and the associated production networks. Such production networks operate at different scales and are spread across the landscape to produce products such as bioenergy (heat and electricity), biofuels and biomaterials.
This means that to assess the sustainability of such biobased networks, different scales of investigation may be required. This naturally depends on the objectives of the assessment. To help with such investigations, here at the BEN, we have identified three plausible regional contexts, which provide flexibility with regard to scales of different production networks and which help the focus and frame sustainability assessments (environmental and socio-economic) of biobased products.
For further insight on these three concepts see:
http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11367-016-1057-1
Contact person:
Dr. Sinéad O'Keeffe, Department Bioenergy
Further information:
Die räumliche Dimension der Energiewende wird zunehmend erfahrbar, mit derzeit mehr als 1,5 Millionen erneuerbaren Stromerzeugungsanlagen die in Deutschland installiert sind. Für die strategische Planung des zukünftigen Energiesystems sind Informationen zur räumlichen Verteilung von Stromnachfrage und Erzeugungspotenzialen essentiell. Jedoch liegen diese Informationen derzeit noch sehr heterogen und unvollständig vor. Vor diesem Hintergrund wurde am Department Bioenergie ein Ansatz entwickelt, mit dem die räumliche Verteilung von erneuerbarer Stromerzeugung und der Nachfrage auf verschiedenen räumlichen Ebenen (National, Regional und lokal) analysiert werden kann.
Die Analyse zeigt insbesondere, derzeit noch deutliche Dissonanzen zwischen erneuerbarer Stromerzeugung und Nachfrage für einzelne räumliche Einheiten (Gemeinden). Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen könnte Entlastungen für das Stromnetz bedeuten und zu einem Gefühl der fairen Verteilung der Lasten der Energiewende beitragen. Weitere Ziele unsere Untersuchungen sind die Analyse von Umweltwirkungen des lokal optimierten Ausbaus sowie die daraus resultierenden Anforderungen an die verschiedenen erneuerbaren Energieträger. Insbesondere die Rolle der Biomasse als bedarfsgerechte Quelle einerseits und als Ressource für bioökonomische Produkte steht im Fokus der Untersuchung.
Ansprechpartner:
M. Sc. Sebastian Rauner, Department Bioenergie
Weitere Informationen unter:
SUMINISTRO – Nachhaltigkeitsindex zur multikriteriellen Bewertung von Bioökonomie-Strategien und Regionen
Das Bioenergie Department arbeitet an der Entwicklung eines Nachhaltigkeitsindex zur ex-post Bewertung von industriellen Verbundnetzwerken in Bioökonomie-Regionen und in der Multi-Kriteriellen Entscheidungsanalyse (MCDA) zur ex-ante Bewertung zukünftiger bio-basierter Wertschöpfungsketten.
Beides sind Indikator-basierte Bewertungsinstrumente für das Scoring der technisch-ökologischen und sozio-ökonomischen Performance von Wertschöpfungsketten in regionalen industriellen Netzwerken, welche unter gemeinsamen und branchenübergreifenden Zielen zur Umsetzung von Bioökonomiestrategien kooperieren.
Zur Implementierung des Bewertungsinstruments werden methodische Ansätze aus der Entscheidunganalyse, der Energie- und Stoffstromanalyse und der Lebenszyklus-bezogenen Nachhaltigkeitsbewertung in einer integrierten Methodik zur Multi-Kriteriellen Entscheidungsanalyse mit Sachbilanzendaten aus Referenzsystemen kalibriert und zusammengeführt.
Die Anwendung des Bewertungsinstruments liegt dabei im Vergleich der Nachhaltigkeitsperformance von alternativen Entscheidungsoptionen zur Energie- und Stoffstromintegration in bio-basierten Produktionssystemen von ausgewählten Fallstudienregionen.
Ansprechpartner:
Dr. Alberto Bezama, Department Bioenergie
M. Sc. Jakob Hildebrandt, Department Bioenergie
Weitere Informationen unter:
Ziel des Projektes ist es, einen Gesamtlösungsansatz mittels von fünf Forschungsthemen für die Energiewende in Deutschland anhand von einer umfassenden Energiesystemanalyse zu erstellen. Inhaltlich wird sich vor allem auf die Entwicklung zukunftsweisender Optionen zur Einbindung der zum Teil stark fluktuierenden erneuerbaren Energien in das Energiesystem bis 2050 fokussiert.
Die Projektarbeit erfolgt interdisziplinär, technologie-, zentren- und programmübergreifend. Es sollen strategische Impulse für die mittel- bis langfristige Entwicklung des Forschungsbereichs Energie gegeben werden. Innerhalb des Projektes erfolgt eine Verzahnung mit dem bereits am UFZ entwickelten Tool BENSIM, welches den Bioenergiemarkt für Deutschland modelliert.
"Energie System 2050" ist eine gemeinsame Initiative des Forschungsbereichs Energie der Helmholtz-Gemeinschaft. Ziel ist es, bis 2019 greifbare und verwertbare systemtechnische Erkenntnisse und technologische Lösungen zu erarbeiten, die Politik und Wirtschaft aufgreifen können.
Siehe dazu:
https://www.helmholtz.de/forschung/energie/energie_system_2050/
Ansprechpartner:
Dr. Eric Billig, Department Bioenergie
Weitere Informationen unter:
Die künftige Biomassenutzung muss zahlreiche Zielsetzungen vereinen. Dazu gehören Ernährungssicherung, Versorgungssicherheit im Energiemix, aber auch innovative Produkte und Märkte im Rahmen der Bioökonomie sowie Klima- und Umweltschutz und nicht zu letzt die Entwicklung ländlicher Räume.
Das „Smart Bioenergy“-Konzept greift diese Gedanken auf und umfasst somit die Weiterentwicklung von modernen Biomassenutzungssystemen hin zu integrierten Systemen, die in optimierten Zusammenspiel mit verschiedenen erneuerbaren Ener-giequellen einerseits und der gekoppelten stofflich-energetischen Nutzung im Rahmen der Bioökonomie andererseits bestehen.
Das Konzept besteht aus den Komponenten:
• Nutzung nachhaltiger Rohstoffe,
• Weiterentwicklung smarter Technologien und
• Integration in künftige Konzepte der Bioökonomie.
Ansprechpartner:
Prof. Daniela Thrän, Department Bioenergie
Weitere Informationen unter:
Die wissenschaftliche Begeitforschung (NACHBaR) hat die Entwicklung und Implementierung von nachhaltigen wettbewerbsstrategischen Handlungskonzepten und Steuerungsinstrumenten für den Spitzencluster BioEconomy in Mitteldeutschland zum Ziel.
Das Vorhaben entwickelt Instrumente und Dienstleistungen zur Optimierung von Prozessen, Produkten und Kooperationen innerhalb des Spitzenclusters und zur Umfeldgestaltung, so dass die Wertschöpfungsketten der verschiedenen Branchen zielgerichtet miteinander verbunden, ineinander integriert, nachhaltig entwickelt, optimiert und gemeinsam profiliert werden können.
Ansprechpartner:
Prof. Daniela Thrän, Department Bioenergie
Dr. Alberto Bezama, Department Bioenergie
Urs Moesenfechtel, M.A., Department Bioenergie
Weitere Informationen unter:
Hier finden Sie eine Zusammenstellung der Forschungen zum Themenfeld "Politikoptionen".
Darunter wird
- eine adaptive Steuerung einer nachhaltigen Ausgestaltung von Bioökonomiesystemen verstanden,
- die Fehlentwicklungen, aber auch neue Möglichkeiten erkennen und darauf reagieren kann,
- um bei begrenzten Flächen und vielfältigen Nutzungsansprüchen beispielsweise eine Erhöhung der Ressourceneffizienz zu schaffen
- und dabei Rebound-Effekte zu vermeiden.
©: Alena Bleicher, UFZ
Die soziologische Forschung im Bereich der Bioökonomie beschäftigt sich mit sozialen und kulturellen Aspekten der Entwicklung neuer Technologien im gesellschaftlichen Anwendungskontext. Sie bewegt sich damit an der Schnittstelle von wissenschaftlicher Forschung, Anwendung der Technologien und Öffentlichkeit.
Unsere Forschung begleitet z.B. die Energieholzproduktion auf kontaminierten Flächen an der Schnittstelle Landwirtschaftlicher Praktiken und Praktiken ökologischer Sanierung. Dies liefert Einsichten darüber wie Konzepte zur nachhaltigeren Produktion von Biomasse zur Energiegewinnung in bestehenden Praktiken aufgegriffen und in diesen verankert werden und welche Schwierigkeiten dabei möglicherweise bestehen. Auf dieser Grundlage können Strategien entwickelt werden diese Konzepte in eine breitere Anwendung zu bringen.
Die soziologischen Fragestellungen im Bereich Bioökonomie werden im Vergleich mit anderen erneuerbaren Energieträgern, wie z.B. Geothermie und auch im Zusammenhang der Entwicklung von Technologien zur Gewinnung strategischer Rohstoffe, bearbeitet.
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Matthias Groß
Leiter des Departments Stadt- und Umweltsoziologie
Dr. Alena Bleicher
Wissenschaftliche Mitarbeiterin am
Department Stadt- und Umweltsoziologie
Weitere Informationen unter:
©: Nina Hagemann, UFZ
Im Fokus der volkswirtschaftlichen und juristischen Forschung zur Bioökonomie steht die Analyse rechtlicher, marktlicher und politischer Rahmenbedingungen für biobasiertes Wirtschaften in Deutschland. Aufbauend auf einer Identifizierung von Einflussfaktoren, die für die langfristige Wettbewerbsfähigkeit biobasierter Produkte und ihre Nachhaltigkeitssicherung relevant sind, werden Empfehlungen zur Weiterentwicklung von Rechtsrahmen und Steuerungsinstrumenten entwickelt.
Ein thematisches Schwerpunktthema bildet etwa die Weiterentwicklung der Kreislaufwirtschafts-Governance, die als Anreizgeber für die Schließung von Kreisläufen und Steigerung des Rohstoffangebots wichtige Voraussetzungen für einen Pfadübergang hin zu einer nachhaltigen Bioökonomie schafft. Weitere Kernthemen sind die Auswirkungen von politischen Steuerungsinstrumenten (z. B. im Rahmen der Erneuerbare-Energien-Politik) auf Nutzungskonkurrenzen zwischen energetischen und stofflichen Biomasseanwendungen, und die Möglichkeiten zur Schaffung fairer Wettbewerbsbedingungen durch eine konsequente Klimapolitik, die den Blick auch auf stofflichen Ressourceneinsatz legt.
Juristische und ökonomische Analysen werden dabei eng integriert, um tragfähige Weiterentwicklungsperspektiven für eine nachhaltige Bioökonomiepolitik aufzuzeigen. Die Arbeiten trugen u. a. zur wissenschaftlichen Begleitforschung für das Spitzencluster Bioökonomie bei.
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Erik Gawel
Leiter des Departments Ökonomie
Prof. Dr. Wolfgang Köck
Leiter des Departments Umwelt- und Planungsrecht
Weitere Informationen unter:
Im Rahmen der energieökonomischen Forschung am UFZ analysieren die Mitarbeiter des Departments Ökonomie einerseits Optionen zur Weiterentwicklung des Förderregimes für Bioenergie (aber auch weitere Formen erneuerbarer Energien), etwa durch Direktvermarktung und Ausschreibungen.
Andererseits untersuchen sie auch, inwieweit die Steuerung des Stromsystems an die Bedürfnisse erneuerbarer Energien, insbesondere von Bioenergie, angepasst werden kann, etwa in den Bereichen Kapazitätsmechanismen, Netzregulierung und Nutzung weiterer Flexibilitätsoptionen.
Ansprechpartner:
Prof. Erik Gawel, Department Ökonomie
Weitere Informationen unter:
Die Nachwuchsgruppe POLISES untersucht, wie sich globale Politikmaßnahmen zur Ernährungssicherheit auf lokale Landnutzungsstrategien in Afrika auswirken – und damit auf die sozial-ökologische Resilienz von Kleinbauern und Viehzüchtern. Dabei berücksichtigen wir globale Wandelprozesse wie z.B. sich verschärfende Zielkonflikte zwischen Ernährungs- und Energiepflanzenproduktion. Unser methodischer Ansatz ist die sozial-ökologische, insbesondere agentenbasierte Modellierung.
Ansprechpartner:
Dr. Birgit Müller, Department Ökologische Systemanalyse
Weitere Informationen unter:
Der Bioökonomierat berät die Bundesregierung bei der Umsetzung der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030" sowie der „Nationalen Politikstrategie Bioökonomie" mit dem Ziel, optimale wirtschaftliche und politische Rahmenbedingungen für eine biobasierte Wirtschaft zu schaffen. Das Ziel des Bioökonomierates ist es, in Deutschland sektorübergreifend eine biobasierte Wirtschaft zu etablieren, die mit möglichst wenig fossilen Rohstoffen auskommt. Sie bringt neue, nachhaltig erzeugte Produkte und Dienstleistungen hervor und vereint damit ökonomisches Wachstum mit dem Ziel ökologischer Verträglichkeit.
Als unabhängiges Beratungsgremium für die Bundesregierung wurde der Bioökonomierat 2009 durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) einberufen. Seine 17 Mitglieder decken mit ihrem Sachverstand das Thema Bioökonomie inhaltlich in seiner ganzen Breite ab, suchen nach Wegen für nachhaltige Lösungen und stellen ihre Erkenntnisse in einen globalen Kontext. Der Rat führt einen offenen Dialog mit der Gesellschaft, um die Akzeptanz für neue Technologien zu erhöhen. Zudem gibt er Empfehlungen ab, wie Aus- und Weiterbildung sowie Forschung und Entwicklung optimal gefördert werden. Die Tätigkeit des Rates orientiert sich sowohl an langfristigen Zielen als auch an aktuellen politischen Anforderungen.
Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän, Leiterin des Departments Bioenergie am UFZ, ist Mitglied des Bioökonomierats
http://biooekonomierat.de/biooekonomierat/ratsmitglieder/thraen/
Ansprechpartner:
Prof. Daniela Thrän, Department Bioenergie
Weitere Informationen unter:
Das UFZ ist seit 2013 Partner im Konsortium des Büros für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB). Ziel ist, vorhandenes Wissen über Chancen und Risiken wissenschaftlich-technologischer Entwicklungen zu synthetisieren.
Zwei Projekte haben Bezug zur Bioökonomie (Stand 2016): "Weiße Biotechnologie – Stand und Perspektiven der industriellen Biotechnologie: Umwelt- und Nachhaltigkeitspotenziale" (abgeschlossen) und "Nachhaltige Potenziale der Bioökonomie – Biokraftstoffe der 3. Generation" (laufend).
Ansprechpartner:
Prof. Bernd Hansjürgens, Department Ökonomie
Weitere Informationen unter:
IEA TASK 40
Zielgerichtete Analysen und Handlungsempfehlungen für die Etablierung der Bioökonomie in verschiedenen Ländern aber auch international liefern die Gutachten des IEA bioenergy. Die IEA bioenergy wurde 1978 von der Internationalen Energieagentur (International Energy Agency (IEA)) gegründet. Ziel der IEA ist es, die Zusammenarbeit und den Informationsaustausch zwischen den Ländern zu verbessern, die über nationale Bioenergieforschungs, -entwicklungs- und -umsetzungsprogramme verfügen.
Die IEA fungiert als Politikberater in Energiefragen für 28 Mitgliedstaaten sowie der Europäischen Kommission. Die Arbeit der IEA bioenergy organisiert sich in so genannten "tasks" (Aufgaben).
Über Prof. Dr.-Ing. Daniela Thrän ist das UFZ hier im task 40 (bioenergy trade) vertreten.
Weitere Informationen zur IEA bioenergy finden Sie hier, weitere Informationen zu task 40, hier. Die jüngsten Publikationen aus dem Task finden Sie hier:
Die Bioökonomie-Forschung am UFZ befasst sich mit innovativen (bio)technologischen Verfahren,
- die die Herstellung von Energieträgern und Wertstoffen aus Sonnenlicht und CO2, Strom und bisher im Milliarden Tonnen Umfang minderwertig genutzten Rest- oder Abfallstoffen (Cellulose, Lignocellulose, Nebenprodukte chemischer und biotechnischer Synthese) zum Ziel haben.
Dieses Forschungsfeld gliedert sich in drei Bereiche:
Gegenstand des Projektes ist es zu analysieren, ob eine Zumischung spurenelementakkumulierender Energiepflanzen zu klassischen Energiepflanzen dazu führen kann, eine ausreichende Spurenelementversorgung im Biogasprozess zu gewährleisten.
Dadurch könnte auf die bislang übliche Praxis der Zugabe künstlicher Spurenelementadditive, die sich in Gärresten und damit in Ackerböden anreichern können, weitgehend verzichtet werden. Zudem hat eine Erhöhung der Agrobiodiversität im Energiepflanzenanbau weitreichende positive Umweltauswirkungen. Das Projekt wird von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefördert.
Ansprechpartner:
Dr. Sabine Kleinsteuber, Department Umweltmikrobiologie
Dr. Heike Sträuber, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Die Arbeitsgruppe Umweltmykologie des Departments Umweltmikrobiologie bearbeitet biokatalytische Umwandlungen von landwirtschaftlichen Reststoffen (Lignocellulosen) zur Wertstoff- und Energieträgergewinnung unter Nutzung von Pilzen. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Ökothermodynamik / Biokalorimetrie des Departments Umweltmikrobiologie werden gegenwärtig Möglichkeiten der Echtzeit-Prozesskontrolle von Festphasenfermentationen auf der Basis von Lignocellulose-haltigen Reststoffen mit Hilfe von biokalorimetrischen Methoden untersucht.
Ansprechpartner:
Dr. Dietmar Schlosser, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Entwicklung effizienter Biomasse-Konversionspfade für die Produktion und Verwertung von Biokraftstoffen (CONVER-B)
Lignozellulosehaltige Biomassen wie land- und forstwirtschaftliche Abfall- und Reststoffe sowie organische Fraktionen von industriellen und kommunalen Abfällen sind die häufigsten bisher nicht genutzten Stoffströme mit großem Potenzial zur Produktion von biogenen Kraftstoffen und damit zur Substitution fossiler Rohstoffe bei der Kraftstoffproduktion. Die integrierte stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse (Kaskadennutzung) sowie die Verwertung von Abfall- und Reststoffen im Sinne einer Kreislaufwirtschaft ermöglichen die effiziente Nutzung von organisch gebundenem Kohlenstoff und tragen zum Treibhausgasminderungspotenzial von Biokraftstoffen bei.
Durch die Erschließung von Lignozellulosen können Biokraftstoffe der 1. Generation, die aus Stärke-, Zucker- und Ölpflanzen hergestellt werden und damit in Konkurrenz zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion stehen (z.B. Getreide, Zuckerrohr, Zuckerrüben, Raps), durch Biokraftstoffe der 2. Generation (Lignozellulose-basiert) ersetzt werden. Eine technologische Schwierigkeit dabei ist die geringe Hydrolysierbarkeit und Bioverfügbarkeit von Pflanzenfasern aufgrund der stabilen chemischen Struktur der Lignozellulose, so dass solche Rohstoffe für konventionelle Biotechnologien, z.B. alkoholische Gärung zur Herstellung von Bioethanol aus Zucker- und Stärkepflanzen, nicht einsetzbar sind. Forschungsbedarf besteht daher für die Entwicklung von effizienten Konversionspfaden zur Produktion von Biokraftstoffen der 2. Generation.
Im Rahmen des internationalen Verbundprojektes der Projektpartner University of Eastern Finland (UEF), Jadavpur University (JU) und Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) werden effiziente Prozesse zur Konversion von lignozellulosehaltiger Biomasse in moderne Biokraftstoffe der 2. Generation (Ethanol, Butanol, höhere Alkohole, Biomethan) entwickelt. Dazu werden verschiedene thermochemische, biochemische und mikrobielle Konversionspfade (Zucker-Plattform, Carboxylat-Plattform, Syngas-Plattform) für lignozellulosehaltige Biomassen optimiert und kombiniert, um neuartige Bioraffineriekonzepte für die in den Partnerländern vorhandenen Stoffströme zu entwickeln.
Das Projekt beinhaltet auch Leistungstests der Biokraftstoffe, die Simulation von Prozessen, Stoffströmen und Konversionspfaden sowie eine ökonomische und ökologische Nachhaltigkeitsbewertung und wird vom BMBF gefördert (INNO-INDIGO).
Ansprechpartner:
Dr. Sabine Kleinsteuber, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Die Nachwuchsgruppe widmet sich mikrobiellen elektrochemischen Technologien, welche auf dem Zusammenspiel von Mikroorganismen und Elektroden basieren und die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energieträger und Plattformchemikalien ermöglichen.
Das Ziel der Arbeiten ist die skalenübergreifende Untersuchung der grundlegenden Zusammenhänge und die Entwicklung der Technologien vom Labor- in den Technikumsmaßstab.
Ansprechpartner:
PD Dr. Falk Harnisch, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Biobasierte Capron- und Caprylsäure – Herstellung, Aufreinigung, Vermarktungsstrategie (CapAcidy)
In der Biogasbranche stehen durch die Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) sowie die auslaufende Förderung durch das EEG für Altanlagen Umbrüche an. Daher besteht aktuell ein erhöhter Bedarf an alternativen Nutzungsmöglichkeiten, z. B. in Form von zusätzlichen Wertschöpfungsketten im Sinne einer Bioraffinerie. n-Capron- und n-Caprylsäure sind Spezialchemikalien, die nach entsprechenden chemischen Modifikationen ein sehr breites Anwendungsspektrum aufweisen. Durch eine spezielle Verfahrensführung könnten sie in bestehenden Biogasanlagen hergestellt werden.
Ziel des CapAcidy-Projektes ist es, die Machbarkeit einer innovativen Produktionskette zur Gewinnung der Carbonsäuren, deren Abtrennung aus der Fermentationsbrühe und die Anwendung in konkreten Produkten nachzuweisen. Das neue Nutzungskonzept verbindet bestehendes Knowhow der Anlagenbetreiber und vorhandene Infrastrukturen am Biogasanlagenstandort mit einer innovativen Betriebsweise und zusätzlichen technischen Komponenten zur Produktion und Extraktion der Chemikalien. Gleichzeitig wird eine alternative, nachhaltige Möglichkeit zur Herstellung der Carbonsäuren aus heimischen Biomassen sowie Rest- und Abfallstoffen entwickelt.
Durch eine enge Kooperation zwischen Industriepartnern, den Forschungseinrichtungen UFZ, DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH und Universität Leipzig sowie dem Wirtschaftsexperten steht eine möglichst marktorientierte Verwertung im Vordergrund. Das Projekt wird vom BMBF gefördert.
Ansprechpartner:
Dr. Heike Sträuber, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Das Departement Solare Materialien am UFZ Leipzig hat als Hauptziele die Verknüpfung von industrieller Biotechnologie und Nachhaltigkeit sowie die Produktion von solarem Wasserstoff unter Nutzung von Cyanobakterien. Für Anwendungen der industriellen Biotechnologie werden verschiedene Mikroorganismen (E. coli, Pseudomonaden, Corynebakterien, Cyanobakterien) eingesetzt. Dabei stehen neben der Etablierung neuartiger Synthesewege die Effizienz dieser Ansätze und deren Verbesserung über einen Engineering-Ansatz (Analyse-Synthese-Design) im Fokus.
Dafür wird ein integrierter Ansatz verfolgt der auf allen Ebenen (Analyse-Synthese-Design) sowohl den Ganzzellbiokatalysator selbst als auch die Prozessführung parallel und verknüpft betrachtet. Dies umfasst Ansätze des Metabolic Engineering und der Synthetischen Biologie wie auch der Reaktionstechnik wie Biofilmreaktoren, Mehrphasensysteme (in situ product removal), Mikroreaktionstechnik und Zellheterogenitätsuntersuchungen (Einzelzellanalyse).
Ansprechpartner:
Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schmid
Leiter des Departments Solare Materialien (SOMA)
Prof. Dr. sc. nat. Bruno Bühler
Department Solare Materialien (SOMA)
Prof. Dr. rer. nat. Katja Bühler
Department Solare Materialien (SOMA)
Weitere Informationen unter:
© Dr. Mi-Yong Lee
Um den Bedarf an fossilen Ressourcen abzubauen und gleichzeitig die Grundlagen der Bioökonomie etablieren zu können sind neue Materialien und Energiequellen erforderlich, die auch effektiver genutzt werden sollten. Das ist umso wichtiger im Falle des Wassers als einer der weltweit knappsten Ressource. Mehr integrative Ansätze und zukunftsweisende Technologien werden benötigt, damit die Herausforderungen der Wasserwiederverwertung effektiver realisiert werden können.
Das Projekt INCOVER hat die Zielstellung ganzheitliche und innovative soziale und technische Lösungen bei der Verwendung von Abwässern als Kohlenstoffquellen bereitzustellen um damit den Ausbau der Bioökonomie zu fördern. Im Rahmen des Projektes werden innovative Abwasserbehandlungs- und Wiederverwertungstechnologien demonstriert, die wertvolle Abwasserbestandteile wiederverwerten, Energie produzieren und das Abwasser für die Wiederverwendung reinigen. Diese Prozessentwicklungen sollen dazu beitragen, dass einerseits die Abwasserbehandlungskosten enorm reduziert werden und anderseits die Ressourceneffektivität erhöht wird, da Stoffe und Energie wiederverwertet werden.
© eigene Darstellung
Das INCOVER Projekt verwendet ein Technologienportfolio, welches die folgenden Technologien umfasst: Algenproduktion, anaerobe Vergärung, mikrobiologische Biokunststoffherstellung, hefebasierte Produktion von Zitronensäuere, biologische Biogasaufbereitungsverfahren und hydrothermale Karbonisation. Diese Techniken sind in der Abbildung unten zusammengefasst. Die hinreichende Entwicklung und Strukturierung dieser Technologien wird durch eine Analyse der Systemqualitäten und durch eine Ökobilanzierung hergestellt, die sowohl sozio-ökonomische als auch umweltrelevante Faktoren berücksichtigen. Diese kontinuierliche Technikfolgenabschätzung und -bewertung ermöglicht eine frühzeitige Feinskalierung der Technologien sowie die Erstellung einer Datenbank, welche der Herstellung eines Entscheidungsunterstützungssystems für die Entscheidungsträger im Abwasserbereich dient.
Das Projekt hat 18 Partner aus Ländern wie Dänemark, Frankreich, Deutschland, Griechenland, Portugal, Spanien, und dem Vereinigten Königreich. Zusätzlich werden aus der Wasserbranche von Projektanfang an wichtige Stake Holder einbezogen, um eine verbraucherorientierte Technologieentwicklung und möglichst schnelle Vermarktung der Technologien zu erreichen.
Ansprechpartner:
Dr. Mi-Yong Lee, Department Umwelt- und Biotechnologisches Zentrum (UBZ)
Weitere Informationen unter:
© Dr. Andreas Aurich
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von Bioverfahren zur Co-Kultivierung von phototrophen Mikroalgen und heterotrophen Hefen für die Herstellung von Biofuels und hochwertigen Biochemikalien. Die Co-Kultivierungen von Algen und Hefen ermöglichen durch einen in situ O2/CO2-transfer eine Effizienzsteigerung der Bioproduktion in der Form, dass die Hefen einen in situ Kohlendioxidproduzenten für die photosynthetische CO2-Fixierung der Mikroalgen darstellt, während die Algen den Sauerstoff für das aerobe Hefewachstum produzieren.
Zwei Varianten bezüglich der Zielprodukte werden mit dem Vorhaben angestrebt:
- Mischkultivierungen lipidbildender Algen und Hefen mit dem Ziel höherer Gesamtlipidmengen und -konzentrationen im Vergleich zu den Monokulturen. Die mikrobiellen Lipide sollen als Edukte für die Erzeugung von Biodiesel oder Biokerosin eingesetzt werden.
- Erstmalig werden carbonsäurebildende Hefen und lipidbildende Algen gemeinsam kultiviert, sodass zusätzlich zu der lipidhaltigen Algen- und Hefebiomasse vor allem industriell wichtige organische Säuren (z.B. Citronensäure) in hoher Konzentration extrazellulär akkumuliert werden.
Potentiale der Co-Kultivierung von Algen und Hefen
© Dr. Andreas Aurich
Als heterotrophe Kohlenstoffquellen für Wachstum und Produktbildung der Hefen werden nachwachsende Rohstoffe und preiswerte Reststoffe der Lebensmittel- und Biokraftstoffindustrie vorgesehen.
Die mit dem Projekt zu entwickelnden innovativen Co-Kultivierungsprozesse zielen durch die angestrebten geschlossenen O2/CO2-Kreisläufe auf eine höhere ökologische Effizienz und sollen die Nachhaltigkeit der Gewinnung von Biokraftstoffen und vermarktungsfähigen Carbonsäuren verbessern.
Ansprechpartner:
Dr. Andreas Aurich, Department Umwelt- und Biotechnologisches Zentrum (UBZ)
Weitere Informationen unter:
Mikrobielle Gemeinschaften hoher Diversität ermöglichen die Umwandlung von Biomasse in den erneuerbaren Energieträger Biogas. Während die grundlegenden Schritte des mehrstufigen Prozesses aufgeklärt sind, ist der unmittelbare Zusammenhang zwischen mikrobieller Diversität, Aktivität und Dynamik und der Reaktorleistung jedoch noch weitgehend unklar. Um diesen Zusammenhang zu beleuchten, werden im Rahmen des Projektes dem Systembiologie-Ansatz folgend experimentelle Arbeiten mit mathematischer Modellierung verknüpft.
Dazu werden in Laborreaktoren Acetogenese und Methanogenese als die finalen Schritte der anaeroben Vergärung etabliert. Reaktorparameter und mikrobielle Diversität und Aktivität als zeitabhängige Antwort auf Störungen werden mittels verschiedener Hochdurchsatzmethoden aufgezeichnet. Konzepte und Methoden werden entwickelt, die diese Daten zu dynamischen metabolischen Netzwerkmodellen verdichten können, die der mikrobiellen Diversität Rechnung tragen und sowohl intrazelluläre metabolische Flussverteilungen als auch metabolischen Austausch berücksichtigen.
Dazu kommen sowohl differentialgleichungsbasierte als auch netzwerkbasierte Modellierungstechniken zum Einsatz. Die aus den Daten generierten Modelle sollen qualitative und quantitative Vorhersagen zur Reaktordynamik und -leistung ermöglichen. Damit entsteht eine in silico Platform zur Identifikation von kritischen Zuständen, mit der auch Interventionsstrategien getestet werden können. So soll das Projekt langfristig zu neuen Ideen hinsichtlich Prozessüberwachung, Steuerung und Optimierung beitragen und Biogas als verlässlichen, effizienten und nachhaltigen Energieträger stärken.
Ansprechpartner:
Dr. Florian Centler, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Als wissenschaftlich-technisches Arbeitsziel dieses Projekts wird die Entwicklung einer Messmethodik zur schnellen und robusten Bestimmung der mikrobiellen Zusammensetzung und der Verfolgung der Dynamik in realen Biogasanlagen definiert. Weiterhin soll darauf aufbauend ein möglichst konkreter Katalog von Handlungsempfehlungen für die Anlagenbetreiber erarbeitet werden, um einen stabilen und resilienten Vergärungs- und Methan produzierenden Prozess zu erreichen.
Zusätzlich wird ein Softwarepaket entwickelt, dass den Anlagenbetreibern übersichtlich die Prozesse in der Anlage aufzeigen und sie beim Betrieb aktiv unterstützen kann, zum Beispiel mit Hilfe eines Substrat-Dosierungskonzepts oder Hinweisen für die Atmosphärenregulierung. Als übergreifende Darstellung der mikrobiellen Dynamiken und Handlungsempfehlungen wird eine "Anlagenampel" erarbeitet.
Förderer: BMWi – Kooperationsnetzwerke
Laufzeit: 1.8.2015 - 3.7.2018
Ansprechpartnerin:
Dr. Susann Müller, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Das Vorhaben befasst sich mit der Etablierung eines cytometrischen Verfahrens zur schnellen Analyse von Prozesszuständen in Biogasanlagen mit dem Ziel, den technischen Betrieb von Fermentern hinsichtlich der einzuhaltenden Prozessparameter zu stabilisieren, zu steuern und zu optimieren sowie eine Flexibilisierung der Methanerzeugung zu erreichen.
Die Abbildung zeigt beispielhaft mikrobielle Gemeinschaften, entnommen aus einem Biogasreaktor vor (links) und nach (rechts) Erhöhung der Substratmenge. Die gelb-grünen bis dunkelblauen Cluster stehen für mikrobielle Sub-Gemeinschaften, die dominant in der Gesamtprobe vorhanden sind. Die unterschiedliche mikrobielle Zusammensetzung der beiden Proben wird automatisch erfasst und bioinformatisch ausgewertet. Dieser Ansatz bildet die Grundlage für die Erarbeitung von Steuerungskonzepten in diesem Projekt.
Förderer: BMEL-FNR
Laufzeit: 1.2.2015-31.01.2018
Ansprechpartnerin:
Dr. Susann Müller, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Projektziel ist eine grundlegende Untersuchung, inwieweit Isotopenanalysen Rückschlüsse auf Methanbildungsprozesse und deren Variabilität in Biogasanlagen und damit auf die Prozessstabilität geben können. Es soll mit unabhängigen Methoden sichergestellt werden, dass anhand der Isotopenanalysen verlässliche Aussagen zur Differenzierung der Methanogeneseprozesse getroffen werden können. Anhand der Laborergebnisse wird ein Konzept zur Überwachung der Methanbildungsprozesse in Biogasanlagen mittels Kohlenstoff- und Wasserstoffisotopenanalysen erarbeitet.
Perspektivisch soll dieses Konzept als Monitoringmethode zur Prozessoptimierung und Ausfallverminderung von Biogasanlagen eingesetzt werden. Um Isotopenanalysen zur Differenzierung von Methanbildungsprozessen in Biogasanlagen und damit zur Prozessüberwachung einsetzen zu können, bedarf es der grundlegenden Bestimmung spezifischer Bereiche von Isotopenverhältnissen, die repräsentativ für die Methanogenesewege in Biogasanlagen sind. Weiterhin muss deren Variabilität für eine Reihe von Einflussfaktoren (z.B. Substratmischung, C/N-Verhältnis, Raumbelastung und Verweilzeit) überprüft werden.
Hierfür sollen im Rahmen des Projektes Laborversuche in Biogasreaktoren mit unterschiedlichen Fahrweisen durchgeführt werden. Für die Verifizierung der für die Methanbildungswege spezifischen Isotopenverhältnis-Bereiche werden verschiedene molekularbiologische Methoden verwendet. Das Projekt wird von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefördert.
Ansprechpartner:
Dr. Sabine Kleinsteuber, Department Umweltmikrobiologie
Dr. Marcell Nikolausz, Department Umweltmikrobiologie
Weitere Informationen unter:
Ziel dieses Projektes ist es, einen neuen methodischen Ansatz zu etablieren, der auf der Basis der Einzelzellanalytik in Kombination mit der Massenspektrometrie sehr schnell hochaufgelöste Struktur- und Aktivitätsbeziehungen von mikrobiellen Gemeinschaften bereitstellen kann. Dieser methodische Ansatz wird vielseitig anwendbar sein, d.h. sowohl für mikrobielle Gemeinschaften aus Umweltproben (Erde, Wasser, Grundwasser), als auch aus biotechnischen Anwendungen (Biogas, Abwasser, Produktionskulturen).
Der Ansatz beruht auf der Kombination von 3 Methoden:
- 1) Erfassung der Dynamik mikrobieller Gemeinschaften mittels multi-parametrischer und hochaufgelöster Durchflusszellanalyse,
- 2) Sortierung funktionell aktiver Zellen mittels des Hochgeschwindigkeitssortiersystem und
- 3) deren Aufschluss und Analytik von Metaboliten und Stoffwechselprodukten zur direkten Funktionsbestimmung mittels Massenspektrometrie.
Förderer: (EFRE)Fond zur Verbesserung der Forschungsinfrastruktur und Forschungsvorhaben mit jeweils anwendungsnaher Ausrichtung (über SMWK und SAB)
Laufzeit: 05.05.2014-31.03.2015
Ansprechpartnerin:
Dr. Susann Müller, Department Umweltmikrobiologie
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