Klimaschutz und Anpassung Ergebnisse des klimazwei-förderschwerpunktes Climate Protection and Adaptation Results of the klimazwei Research Programme

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1 klimazwei Klimaschutz und Anpassung Climate Protection and Adaptation Klimaschutz und Anpassung Ergebnisse des klimazwei-förderschwerpunktes Climate Protection and Adaptation Results of the klimazwei Research Programme

2 Klimaschutz und Anpassung Ergebnisse des klimazwei-förderschwerpunktes Climate Protection and Adaptation Results of the klimazwei Research Programme

3 Vorwort Der Klimawandel stellt unsere Gesellschaft vor große Herausforderungen. Die damit verbundenen Veränderungen unserer Umwelt bergen Risiken, aber zugleich auch Chancen. Um die Risiken zu vermeiden und die Chancen zu nutzen, ist neues Wissen erforderlich. Mit der Fördermaßnahme klimazwei Forschung für den Klimaschutz und Schutz vor Klimawirkungen finanziert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Forschung zum Umgang mit dem Klimawandel. In transdisziplinären Verbünden und unter Einbindung von Nutzern aus Wirtschaft und Gesellschaft wurden konkrete Lösungen sowohl zu Maßnahmen des Klimaschutzes als auch zur Anpassung an den Klimawandel erarbeitet. klimazwei ist damit die erste Fördermaßnahme des BMBF, die den Umgang mit dem Klimawandel in den Teilaspekten Mitigation und Adaptation explizit thematisiert. Sie liefert damit einen entscheidenden Beitrag zur Hightech-Strategie zum Klimaschutz, die Bundesforschungsministerin Annette Schavan im Oktober 2007 öffentlich vorgestellt hat. Die unter klimazwei geförderten Themen können nur beispielhaft sein. Daher formuliert das BMBF weitere Forschungsgebiete, die erschlossen werden müssen, um dem Klimawandel wirkungsvoll begegnen zu können. So startete das BMBF Mitte 2008 die Fördermaßnahme Klimawandel in Regionen zukunftsfähig gestalten (KLIMZUG). Durch die Etablierung von Netzwerken aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik soll eine Anpassung von Regionen an den Klimawandel ermöglicht werden. Weitere Fördermaßnahmen im Kontext der Hightech-Strategie zum Klimaschutz sind in Vorbereitung. Die Forschung sieht sich in der Verantwortung, im Zusammenspiel aller gesellschaftlichen Kräfte die Problemlösungen zu ermöglichen, die im Rahmen einer großen Herausforderung wie dem globalen Klimawandel geboten sind. Dr. Henk van Liempt, Bundesministerium für Bildung und Forschung Introduction Climate change means great challenges for our society. The respective changes in our environment contain both risks and opportunities. Additional knowledge is required in order to minimise the risks and profit from the opportunities. With the funding programme klimazwei research for climate protection and protection from climate impacts, the German Federal Ministry for Education and Research (BMBF) is financing research on dealing with climate change. Concrete solutions both for climate protection measures and for adaptation to climate change have been developed in transdisciplinary research co-operations involving users from business and society. klimazwei is therefore the BMBF s first funding programme to explicitly discuss the management of climate change from both perspectives, mitigation and adaptation. Thus, it provides an important contribution to the High-Tech Strategy on Climate Protection, which was presented to the public in October 2007 by the German Federal Minister of Education and Research Annette Schavan. The issues funded under klimazwei can only provide examples. Consequently, the BMBF develops further research areas in order to effectively respond to climate change. As such, in mid 2008 the BMBF initiated the funding programme Managing climate change in the regions of the future (KLIMZUG). Through an establishment of networks from science, business and politics, regions shall be enabled to adapt to climate change. Further funding activities related to the High-Tech Strategy on Climate Protection under preparation. Research takes responsibility for joint efforts with all players in society to find adequate responses to the challenges of global climate change. Dr Henk van Liempt, German Federal Ministry for Education and Research

4 Der Förderschwerpunkt klimazwei In dem Förderschwerpunkt klimazwei Forschung für den Klimaschutz und Schutz vor Klimawirkungen fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit dem Jahr 2006 rund 40 Verbundprojekte zu den beiden Herausforderungen des Klimawandels: der Verringerung von Treibhausgasemissionen und der Anpassung an die künftigen Klimaveränderungen. Der Förderschwerpunkt gehört zum BMBF-Rahmenprogramm fona Forschung für die Nachhaltigkeit und trägt zur Hightech-Strategie zum Klimaschutz bei. Sie hat ein Volumen von 38 Millionen Euro. Inzwischen liegen vielfältige Ergebnisse vor, die in dieser Broschüre gemeinsam präsentiert werden. Die Projekte zum Klimaschutz zeigen, in welchem Umfang der Ausstoß von Treibhausgasen verringert werden kann, wenn geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Dazu gehören beispielsweise regenerative Treibstoffe für die Schifffahrt, eine bessere Wärmeisolierung von Glasdächern im Gartenbau, die Wahl des besten Standorts für Biogasanlagen oder die Nutzung diffundierender Gase aus Deponien und Kohlehalden. Unternehmen erhalten Hilfen für die Bilanzierung von Emissionsintensitäten über die Wertschöpfungskette oder für die Entscheidung, ob sie besser selbst Emissionen senken oder Emissionszertifikate am Markt erwerben. Die Fähigkeit, sich an Klimaveränderungen anzupassen, wird in den Projekten zum Schutz vor Klimawirkungen verbessert. Dazu dienen Frühwarnsysteme zur Gefahrenabwehr bei Extremwetterereignissen, Entwässerungskonzepte, Anpassungsmaßnahmen bei Feldfrüchten und im Obstbau sowie veränderte Angebote in den Zielorten des Tourismus. Erarbeitet wurden zudem Maßnahmenvorschläge für die Regionalplanung und zur Stadtentwicklung. Schließlich werden Entscheidungsunterstützungssysteme für die Land- und Forstwirtschaft angeboten. Der Begleitprozess des Förderschwerpunktes bündelte die Ansätze und schaffte auf mehreren Workshops und Konferenzen die Gelegenheit zur Vernetzung innerhalb der Forschergemeinde und zu Wirtschaft, Politik und Gesellschaft. Der klimazwei-berater- und Begleitkreis unterstützte den Ergebnistransfer in die Praxis. Eine ausführlichere Darstellung der Erfahrungen und Ergebnisse wird in einer gemeinsamen Buchpublikation vorgelegt. Auch für die Zukunft bleiben die Themen bedeutsam. Eine Unternehmensbefragung bestätigte, dass der Klimawandel zu den drei strategisch bedeutsamsten Bereichen des globalen Wandels zu rechnen ist. Von den Unternehmen wird die Weiterentwicklung von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien und nachwachsender Rohstoffe als wichtigstes Forschungsfeld in diesem Zusammenhang genannt. Weiterer Forschungsbedarf besteht bei der Entwicklung von Anpassungsstrategien an die Klimafolgen. Die in den klimazwei-projekten vorgeschlagenen Strategien und Problemlösungen sind erste Schritte auf diesem Weg, der unter anderem in dem neuen BMBF-Förderschwerpunkt Klimawandel in Regionen zukunftsfähig gestalten (KLIMZUG) weiter verfolgt wird. 4 Dr. Hubertus Bardt Institut der deutschen Wirtschaft Köln Forschungsstelle Ökonomie/Ökologie

5 The Funding Programme of klimazwei Since 2006, with the funding programme of klimazwei research for climate protection and protection from climate effects, the German Federal Ministry for Education and Research (BMBF) has funded around 40 joint projects on the two challenges of climate change: reducing greenhouse gas emissions and adapting to future climate change. The funding programme forms part of the BMBF research for sustainability (fona) framework programme and contributes to the High-Tech Strategy on Climate Protection. It amounts to 38 million Euros. Numerous results are now available, which are presented collectively in this brochure. The climate protection projects demonstrate the extent to which the emission of greenhouse gases can be reduced if appropriate measures are taken. These include, for example, renewable fuels for shipping, improved heat insulation of glass roofs in horticulture, the selection of the best locations for biogas plants, and the use of diffusing gases from landfills and slag heaps. Companies receive assistance in the balancing of emission intensities over the supply chain and in deciding whether it is better for them to reduce emissions for themselves or to buy emission allowances on the market. The ability to adapt to climate change is being improved in the projects for protection from climate effects. Here, early warning systems provide risk aversion in the case of extreme weather events, drainage concepts, adaptation measures for field crops and in fruit growing as well as modified services in tourist destinations. Additionally, suggestions of measures for regional planning and urban development have been produced. Finally, decision support systems are offered for agriculture and forestry. The support process of the funding programme has combined the approaches and, over the course of several workshops and conferences, created the opportunity for networking within the scientific community and for economics, politics and society. The klimazwei advisory board has supported the transfer of results into practice. A detailed representation of the experiences and results is presented in a joint book publication. For the future too, the issues remain significant. A company survey confirmed that climate change must be considered as one of the three strategically most significant areas of global change. In this context, the companies specified the development of technologies for the use of regenerative energies and renewable raw materials as the most important area of research. There is also a requirement for research into the development of strategies for adaptation to climate effects. The strategies and problem solutions suggested in the klimazwei projects are the first steps on this path, the further pursuit of which can be found among other places in the new BMBF funding programme, Managing climate change in the regions for the future (KLIMZUG). Dr. Hubertus Bardt Institut der deutschen Wirtschaft Köln Research Center Economics & Environment 5

6 Windantrieb für Frachtschiffe Leitgedanke des Forschungsprojektes Windantrieb für Frachtschiffe ist die Entwicklung einer Schiffsantriebstechnologie mit minimalem Schadstoffausstoß, des so genannten Low-Emission-Ships. Im Fokus des Projektes lagen die Weiterentwicklung und Erprobung des Zugdrachenantriebs der Firma Sky- Sails (SkySails-System) und die Berechnung des globalen Einsparpotenzials dieser Technologie. Das System ermöglicht signifikante Treibstoffeinsparungen und damit eine Reduktion der Emissionen der Schifffahrt. Wind Propulsion for Cargo Ships The guiding principle behind the Wind Propulsion for Cargo Ships research project was the development of a ship propulsion technology with minimal emissions of pollutants the so-called low-emission-ship. The project focused on further developing and testing the towing-kite propulsion the SkySails-System of the Hamburg-based company SkySails, as well as calculating the global savings potential of this technology. The SkySails-System allows for significant fuel savings and thus a reduction in emissions from shipping.

7 Im Rahmen des Projektes wurde erstmals ein Schiff mit einem großflächigen Zugdrachenantrieb ausgerüstet: Die 55 Meter lange und 800 Tonnen schwere MS Beaufort erhielt im Mai 2006 einen Prototypen dieses neuartigen Windantriebes und die notwendigen Messeinrichtungen zur Ermittlung der Leistung und des Einsparpotenzials. Im Laufe der Testfahrten in den Jahren 2006 und 2007 gelang der entscheidende Schritt, die technische Machbarkeit des SkySails-Systems mit bis zu 160 m² Drachenfläche nachzuweisen. Es konnte gezeigt werden, dass der Zugdrachen eine Zugkraft entwickelt, die als zusätzlicher Antrieb nutzbar ist. Aus den Praxisdaten und theoretischen Grundlagen wurde ein Berechnungsmodell erstellt, mit dem die Leistung des Systems bei unterschiedlichen Windverhältnissen und Schiffsparametern simuliert werden kann. Die Berechnungen können für Zugdrachen in unterschiedlicher Größe durchgeführt werden. Unter Einbeziehung von Wetterdaten ermöglicht das Modell eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Systems für Schiffe auf beliebigen Handelsrouten. So wäre hochgerechnet z. B. beim Einsatz eines 600 m² großen Zugdrachens auf einem typischen Mehrzweckfrachter, der mit 13 Knoten auf einer Route Europa-Nordamerika fährt, ein Einsparpotenzial von 10 Prozent (Ost- West-Richtung) bzw. 36 Prozent (West-Ost-Richtung) zu erwarten. Das Gesamteinsparpotenzial der im Projekt betrachteten Schiffe beläuft sich auf ca. acht Millionen Tonnen Schweröl pro Jahr. Damit wird die Atmosphäre jährlich um 25 Millionen Tonnen Kohlendioxid, 0,6 Millionen Tonnen Stickoxide, 0,4 Millionen Tonnen Schwefeldioxid und 0,05 Millionen Tonnen Rußpartikel-Emissionen entlastet. In the context of the project, a ship was equipped with a large-scale towing-kite propulsion system for the first time. In May 2006, the 55-metre long, 800-tonne MV Beaufort was outfitted with a prototype of this innovative wind propulsion system and the required measuring equipment to determine its performance and savings potential. During the test runs conducted in 2006 and 2007, the technical feasibility of the SkySails-System was proven with kite areas of up to 160 m². It was shown that the towing kite generates a tractive force that can be used for additional propulsion. Based on theoretical principles and data gathered from practical use, a calculation model was produced, with which the performance of the system can be simulated under different wind conditions and ship parameters. The calculations can be made for towing kites of various sizes. When weather data is included, the model can also provide an evaluation of the system s economic efficiency for ships on any given trade route. Thus, projected e. g. to the use of a 600 m² large towing kite on a typical general-purpose cargo ship travelling at 13 knots on a route from Europe to North America, the expected potential savings are between 10 percent (east-west direction) and 36 percent (west-east direction). The overall savings potential for the 24,000 ships considered in the project amounts to approx. 8 million tonnes of heavy fuel oil per year. This will relieve the atmosphere of 25 million tonnes of carbon dioxide, 0.6 million tonnes of nitrogen oxides, 0.4 million tonnes of sulphur dioxide and 0.05 million tonnes of soot particle emissions per year. Prof. Dr. Reinhard Elsner Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven ANWI Institut für Angewandte Wirtschaftsforschung und Regionalanalyse University of Applied Sciences Oldenburg/ Ostfriesland/Wilhelmshaven ANWI Institute of Applied Economic Research and Regional Analysis wirtschaft.fho-emden.de 7

8 BIOCLEAN Reduktion der Emissionen aus Diesel-Großmotoren durch regenerative Treibstoffe BIOCLEAN befasst sich mit Emissionen aus Diesel-Großmotoren, die in der Schifffahrt und zur lokalen Stromerzeugung eingesetzt werden. Die Studie vergleicht Emissionen klimarelevanter Substanzen bei der Nutzung biogener und fossiler Treibstoffe. Modellstudien schätzen das CO 2 -Reduktionspotenzial und die durch eine Treibstoffsubstitution erreichbare Klimawirkung ab. Die Bilanzierung der Treibhausgasemissionen bei der Kraftstoffproduktion erlaubt eine ganzheitliche Bewertung des Einsatzes biogener Treibstoffe in den betrachteten Anwendungen. BIOCLEAN Reducing Emissions from Large Diesel Engines by the Use of Renewable Fuels BIOCLEAN deals with emissions from large diesel engines used in shipping and local power generation. The study compares emissions of climate-relevant substances from the use of biogenic and fossil fuels. Model studies estimate the CO 2 reduction potential and the climate impact that can be achieved with a fuel substitution. The balancing of greenhouse gas emissions in fuel production allows a holistic approach to the use of biogenic fuels in the application areas assessed.

9 BIOCLEAN untersucht und bewertet als überwiegend technologisch orientiertes Projekt die Nutzung von Kraftstoffen aus erneuerbaren Quellen zur lokalen Stromerzeugung und in der Schifffahrt. Es besteht im Kern aus Emissionsstudien an einem Testmotor und Vergleichsuntersuchungen an einem Vollmotor. Die Studien an einem Versuchsmotor von MAN Diesel SE belegen die generelle Eignung der untersuchten Treibstoffe Palmöl, Sojaöl, Sonnenblumenöl und Altfett zur Verbrennung in Diesel-Großmotoren. Insbesondere Palmöl und Altfett zeigen sehr gute Verbrennungseigenschaften bei deutlich reduzierten Emissionen von Partikeln. Die Emissionen gasförmiger Verbindungen wie Stickoxide und Formaldehyd liegen dagegen auf dem gleichen Niveau wie für Schweröl. An den Motoren zeigt sich keine korrosive Wirkung der Biotreibstoffe. Auf aktuellen Emissionskatastern und auf einer Marktübersicht der global installierten Leistung aus Diesel-Großmotoren basierende Modellstudien schätzen das CO 2 -Reduktionspotenzial und die maximal erreichbare Klimawirkung bei der Substitution fossiler durch regenerative Treibstoffe ab. BIOCLEAN wird nach Abschluss aller noch laufenden Arbeiten eine Empfehlung abgeben können, in welchen Bereichen der Einsatz von Treibstoffen aus regenerativen Quellen unter Berücksichtigung des gesamten Treibstoffzyklus von der Produktion bis zum Verbrauch sinnvoll ist. Die Einbeziehung der Produktionsbedingungen sowie zusätzlicher CO 2 -Emissionen durch eine veränderte Landnutzung in den Produktionsländern reflektiert die aktuelle politische Diskussion über die Verwendung von Biotreibstoffen. BIOCLEAN investigates the use of fuels from renewable sources for local power generation and shipping, viewing this as a predominantly technology-driven project. It basically consists of emission studies on a test engine and similar studies on a commercial engine. The test engine studies on a MAN Diesel SE engine prove the general suitability of the fuels investigated: palm oil, soybean oil, sunflower oil, and waste edible fat for combustion in large diesel engines. Palm oil and waste edible fat in particular demonstrate excellent combustion properties with significantly reduced particle emissions. The emissions from gaseous compounds such as nitrous oxides and formaldehyde, however, are on the same level as those from heavy fuel oil. No corrosive effects from the biofuels are visible on the engines. The current emission inventories and a market review of the power of large diesel engines installed around the world estimate the CO 2 reduction potential and the maximum achievable climate impact with the substitution of fossil for biogenic fuels. After completion of all the work that is still ongoing, BIOCLEAN will be able to make a recommendation of the areas in which the use of fuels from renewable sources is beneficial in consideration of the entire fuel life cycle, from production to consumption. Consideration of the production conditions and additional CO 2 emissions from changes in land use in the producing countries is reflected in the current political discussion about the use of biofuels. PD Dr. Andreas Petzold Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Physik der Atmosphäre German Aerospace Centre (DLR) Institute of Atmospheric Physics 9

10 Umweltgerechte Flugroutenoptimierung Ist es möglich, durch die gezielte Wahl der Flugrouten einzelner Flüge deren Klimawirkung zu verringern? Der Forschungsverbund Verminderung von Kondensstreifen durch Flugroutenoptimierung bestehend aus der Deutschen Lufthansa AG, der Deutschen Flugsicherung, dem Deutschen Wetterdienst und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt will diese Frage beantworten. Durch geeignete Routenwahl könnten die Kondensstreifen, die auf das System Erde/Atmosphäre erwärmend wirken, vermieden werden. Environmentally Compatible Flight Route Optimisation Is it possible to reduce the climatic impact of individual flights by the targeted selection of flight routes? The reduction of vapour trails by flight route optimisation research group comprising Deutsche Lufthansa AG, German Air Navigation Services, the German Weather Service and the German Aerospace Centre intends to give an answer to this question. By the selection of suitable routes it may be possible to avoid those vapour trails that have a warming effect on the earth/atmosphere system.

11 Die Klimawirkung des Luftverkehrs wird nicht nur durch die Emission von Kohlendioxid, Stickoxiden und Aerosolen bestimmt. Oft erzeugen Flugzeuge auch Kondensstreifen, die bei entsprechenden Bedingungen zu weit ausgedehnten Eiswolken anwachsen und über mehrere Stunden bestehen. Nach dem derzeitigen Stand des Wissens wirkt diese zusätzliche Bewölkung ähnlich erwärmend wie das emittierte Kohlendioxid. Im Projekt wird die gesamte Strahlungswirkung möglicher Kondensstreifen während ihrer Lebensdauer basierend auf Wetterprognosen abgeschätzt und mit der Strahlungswirkung der Kohlendioxid- und später auch Stickoxid-Emissionen verglichen, die bei unterschiedlichen Flugrouten entstehen. Dies ermöglicht, durch selektive Vermeidung derjenigen Kondensstreifen und Zirren, die einen stark erwärmenden Beitrag erwarten lassen, den Strahlungsantrieb des Flugverkehrs deutlich zu reduzieren. Bereits heute werden aus Zeit- und Kostengründen die Flugrouten so optimiert, dass Gegenwind vermieden und Rückenwind ausgenutzt wird. Aufbauend auf diesen bereits in der täglichen Praxis erprobten Optimierungsverfahren werden anhand der gegebenen meteorologischen Situation unter Berücksichtigung der Verkehrssituation, des zu erwartenden Strahlungsantriebes und des Kosten-Nutzen-Verhältnisses die günstigsten Flugprofile berechnet. Da der Nutzen einer solchen Optimierung entscheidend von der Zuverlässigkeit der Prognosen der Feuchte und der Bewölkung in den Flugniveaus abhängt, wird der Messung und Modellierung dieser Parameter besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Zur Verifikation der Prognosen werden Satellitendaten genutzt. The climatic impact of air traffic is determined not only by the emissions of carbon dioxide, nitric oxide and aerosols. Aeroplanes frequently also produce vapour trails, which under the appropriate conditions grow into widespread ice clouds and last for several hours. According to current knowledge, the warming effect of this additional cloud cover is similar to that of the carbon dioxide emitted. This project estimates the overall radiation impact of potential vapour trails over their lifetimes on the basis of weather forecasts and compares it with the impact of the carbon dioxide and later also nitrogen dioxide emissions arising for different flight routes. By the selective avoidance of those vapour trails with which a severe warming effect is expected, radiation generation from air traffic can be significantly reduced. At present, flight routes are already optimised on the basis of time and fuel costs, avoiding headwinds and exploiting tailwinds. Based on this optimisation process that has been proved and established in daily practice, the optimum flight profiles are calculated using the current meteorological situation, in consideration of the expected radiation generation and the cost-benefit ratio. As the benefit of such an optimisation depends decisively on the reliability of the humidity and cloud cover forecasts at flight levels, special attention is paid to the measurement and modelling of these parameters. Satellite data are used to verify the predictions. Dr. Hermann Mannstein Deutsches Institut für Luftund Raumfahrt (DLR) Institut für Physik der Atmosphäre German Aerospace Institute (DLR) Institute of Atmospheric Physics 11

12 Anwendung des Docking-Prinzips im Nahverkehr In dem Projekt wurde ein neuartiges Konzept zum oberleitungsfreien Betrieb von Straßenbahnen realisiert, das Docking-Prinzip. Hierfür erarbeitete die Firma Bombardier den Aufbau eines Energiespeichers aus Superkondensatoren sowie dessen Einbau in ein Neufahrzeug. Das Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme (IVI) entwickelte ein Stromübertragungssystem für die Schnellladung des Speichers bei Fahrzeugstillstand sowie ein auf der Vorhersage der Fahrzeugleistung basierendes Energiemanagement. Application of the Docking Principle in Urban Traffic The project realised an innovative concept for catenary-free tram operation the docking principle. To achieve this, Bombardier developed the concept of an on board energy storage system consisting of super capacitors and its installation in a new vehicle. The Fraunhofer institute for transportation and infrastructure systems (IVI) has developed a power transmission system for rapid charging of the storage system when the vehicle is stopped and for energy management based on predicted vehicle performance.

13 Für Aufbau und Integration des Energiespeichers wurde ein integriertes Antriebsstromrichtersystem entworfen und aufgebaut, das den oberleitungsfreien Fahrbetrieb mit punktueller Speichernachladung ermöglicht. Die erreichte hohe Integrationsdichte erlaubt es, diese Technik auch auf einem bereits bestehenden Fahrzeugtyp zu realisieren oder nachzurüsten. Dass die Vorteile dieser Antriebstechnik mit Energiespeicher überzeugen, belegt ein in der Zwischenzeit gewonnener Auftrag über die Ausrüstung von 19 Straßenbahnen mit dieser Technik. Das entwickelte Energiemanagement verbessert die Effizienz des Speichereinsatzes und kann somit zu einer deutlichen Vergrößerung der Distanz zwischen wegseitigen Nachladepunkten sowie zu einer Verbesserung der Gesamtenergiebilanz im Fahrleitungsbetrieb beitragen. Die Entwicklung des Stromübertragungssystems für die Schnellladung des Energiespeichers sollte dessen Nachladen bei Fahrzeugstillstand mit maximal zulässigem Fahrzeuggesamtstrom unter Nutzung eines Standardstromabnehmers ermöglichen. Die entworfene Einrichtung erfüllt diese Kriterien und stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Eine projektbegleitende Studie wies die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit der Technologie gegenüber konventionellen Systemen ab einer Entfernung wegseitiger Nachladepunkte von 800 Metern bei deren doppelseitiger Nutzung nach. Eine weitere Studie zu ökologischen Vorteilen des neuartigen Antriebskonzeptes ergab ein Energieeinsparpotenzial von mehr als 20 Prozent, bezogen auf den Jahresgesamtenergiebedarf einer Fahrzeugflotte. A highly integrated propulsion system with an energy storage system has been designed, allowing catenary-free travel operation with recharging of the storage systems at station stops. The high level of integration density achieved allows the implementation or retrofitting of this technology on an existing vehicle. The fact that the advantages of this propulsion technology are convincing has now been proved by the acquisition of an order to fit 19 trams with this technology. The energy management system developed improves the efficiency of the storage system and can thus contribute to achieving both a considerable increase in the distance between wayside charging points and an improvement in the overall energy balance with catenary operation. The development of the power transmission system for the rapid charging of the energy storage system should enable recharging to the maximum author ised total vehicle power when the vehicle is stopped, using a standard pantograph. The device designed meets these criteria and represents a considerable improvement relative to conventional technology. A study accompanying the project rejected the economic competitive power of the technology relative to conventional systems from a distance of 800 metres between wayside charging points, where these are in doublesided use. A further study on the ecological advantages of the innovative propulsion concept revealed an energy saving potential of over 20 percent, based on the total annual energy requirement for a fleet of vehicles. Dr.-Ing. Matthias Klingner Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme (IVI) Fraunhofer Institute for Transportation and Infrastructure Systems (IVI) 13

14 Klimaschutz in der Logistik rechnet sich ökologisch und ökonomisch Wenn ein Kurier-, Express oder Paketdienstleister seine Treibhausgasbilanz reduziert, hilft er damit nicht nur dem Klimaschutz. Er senkt gleichzeitig auch seine Kosten. Zu diesem Ergebnis kommt das Forschungsprojekt Maßnahmen zur Minderung der Treibhausgasemissionen stationärer und mobiler Prozesse in Logistikunternehmen (StaMoLo). In diesem Projekt kooperierten das Öko-Institut und der Lehrstuhl für Verkehrssysteme und -logistik der Technischen Universität Dortmund mit der Deutschen Post AG. Climate Protection in Logistics is Beneficial Both Ecologically and Economically When a courier, express or parcel service provider reduces its greenhouse gas level, not only does it help climate protection, it also reduces costs. This was the outcome of the research project Measures for the Reduction of Greenhouse Gas Emissions of Stationary and Mobile Processes in Logistics Companies (StaMoLo). The project was jointly conducted by Öko-Institut and the Faculty of Transport Systems and Logistics of Dortmund University together with Deutsche Post AG.

15 Am Beispiel des Standardnetzes von DHL Paket Deutschland, dem Paketdienstleister der Deutschen Post AG, haben die Projektpartner Vorschläge untersucht, wie sich im stationären und im mobilen Bereich von Logistikunternehmen die klimaschädlichen Treibhausgase mindern lassen. Die Wissenschaftler fokussierten auf solche Maßnahmen, die sich ökologisch wie auch ökonomisch rechnen und sich kurzfristig in die Praxis umsetzen lassen. Dank einer gesteigerten Auslastung der Lastwagen und einer energieeffizienten Beleuchtung der Paketzentren werden pro Jahr Tonnen Treib haus gase vermieden. Zudem sparte die bessere Auslastung mehrere Millionen Euro pro Jahr. Für die neue Beleuchtung mussten zwar rund 1,5 Millionen Euro investiert werden, diese Kosten amortisieren sich aber bereits nach etwas mehr als zwei Jahren. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler weitere Vorschläge für die nächsten Jahre vorgelegt. So zeigten die Experten im Fahrzeugbereich auf, wie sich durch den Einsatz alternativer Antriebe sowie durch fahrzeugtechnische Maßnahmen Emissionen senken lassen. Beim Transport zwischen den Paket zentren kann der Einsatz von Volumenwechselbrücken einen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Besser ausgearbeitete Touren für neue Fahrer senken ebenfalls die Emissionen und Kosten. Das Reduktionspotenzial dieser zusätzlichen Maßnahmen beträgt weitere bis Tonnen Treibhausgase pro Jahr. Die Deutsche Post AG plant, diese Ideen nach Projektende weiterzuverfolgen und die bereits umgesetzten Maßnahmen auf andere Geschäftsbereiche anzuwenden. Viele der Ergebnisse lassen sich zudem problemlos auf andere Unternehmen übertragen. Based on the example of the standard parcel network of DHL Germany, the project partners investigated suggestions into how climate-damaging greenhouse gas emissions could be reduced in the stationary and mobile areas of logistics companies. The researchers focused on those measures that are beneficial both ecologically and economically and that can be implemented in practice in the short term. The increased use of lorry capacity and more energy-efficient lighting of parcel centres avoids 7,700 tonnes of greenhouse gases each year. Moreover, the improved use of capacity saves several million Euros per year. Although an investment of around 1.5 million Euros was required for the new lighting system, these costs will be recovered in just over two years. Beyond this, the researchers also made further proposals for the coming years. The experts in the vehicle sector showed how emissions could be reduced with the use of alternative propulsion and technical measures on vehicles. The use of high-volume swap bodies in transportation between parcel depots can make a contribution towards climate protection. Better mapping of routes for new drivers also reduces emissions and costs. The annual reduction potential of these additional measures amounts to a further 12,000 to 15,000 tonnes of greenhouse gases. Deutsche Post AG plans to pursue these ideas after the conclusion of the project and to apply the measures already implemented to other company divisions. Many of the results are also easily transferable to other companies. Martin Schmied Öko-Institut e.v. Bereich Infrastruktur & Unternehmen Öko-Institut e.v. Infrastructure & Enterprises Division 15

16 CO 2 -Reduktion bei der Herstellung chemischer Grundstoffe Rund 70 Prozent aller Chemieprodukte werden direkt oder indirekt mit Chlor und/oder Natronlauge hergestellt. Die Herstellung erfolgt durch Chlor- Alkali-Elektrolyse (Kochsalz-Elektrolyse), wobei große Mengen an elektrischer Energie eingesetzt werden. Ziel des Projektes ist eine deutliche Reduktion des Bedarfs an elektrischer Energie in der Elektrolyse durch Einsatz von Sauerstoff verzehr kathoden (SVK) und da mit die Reduktion von CO 2 -Emissionen aus Kraftwerken. Das Energieeinsparpotenzial beträgt mindestens 30 Prozent, was ca. 2,3 Millionen Tonnen CO 2 pro Jahr in Deutschland entspricht. CO 2 Reduction During the Production of Basic Chemicals About 70 percent of all chemical products are produced, directly or indirectly, using chlorine and/or caustic soda. Chlorine and caustic soda are produced by chloralkali electrolysis (sodium chloride electrolysis), requiring enormous amounts of electrical energy. The project objective is to significantly reduce the electrical energy demand of electrolysis by using oxygen depolarised cathodes and thus reducing CO 2 emissions from power stations. The energy saving potential is at least 30 percent, which corresponds to about 2.3 million tons of CO 2 per year in Germany.

17 Basierend auf dem Know-how von 12 Partnern aus Universitäten und Industrie wurde die Entwicklung der Technologie gestartet. Notwendig war, Katalysatoren, Herstellverfahren für die SVK sowie eine geeignete Elektroly sezelle zu deren Betrieb zu entwickeln. Die Wertschöpfungskette wurde durch die Erarbeitung eines Recycling-Verfahrens für die eingesetzten Komponenten geschlossen. Zur standortspezifi schen ökologischen Bewertung (CO 2 -Ökobilanz) der neuen SVK-Technologie wurde eine Software entwickelt. Die Energieeinsparung in der Elektrolyse erfolgte durch Integration von Komponenten der Brennstoffzelle. Durch Einsatz von Gasdiffusionselektroden, in diesem Fall SVKs, konnte die Elektrolysespannung von 3,1 V auf 2,0 V gesenkt und somit das Meilensteinziel erreicht werden. Zur Senkung der Elektro lysespannung war die Entwicklung von hochaktiven Katalysatoren notwendig. Es wurden mehrere Katalysatoren identifiziert, für die geeignete Verfahren zur SVK-Herstellung entwickelt wurden. Flankiert wur den diese Arbeiten durch neu zu etablierende Test- und Charakterisierungsmethoden zur Be stimmung der Aktivität von Katalysatoren und den daraus hergestellten SVKs. Neuartige elektro chemische Messmethoden sowie eine rechnergestützte Modellierung führten zu einem tieferen Verständnis der Funktionsweise der SVK. Für den Betrieb der SVK wurde eine geeignete Elektrolysezelle entwickelt. Bei einer Chlorproduktionskapazität von 68 Millionen Tonnen (rund 4,9 Millionen Tonnen in Deutschland 2008) besteht ein Einsparpotenzial von weltweit ca. 30 Millionen Tonnen CO 2. The technology was developed with the expertise of 12 partners in the university and industry communities. It required the development of catalysts, manufacturing processes for the oxygen depolarised cathodes (ODC) and a suitable electrolysis cell to operate the ODCs. The value chain was completed by designing a method for recycling the components. A software application was developed to assess the site-specific ecological impact (CO 2 ecobalance) of the new ODC technology. Energy was saved during electrolysis by integrating components of the fuel cell. Using gas diffusion electrodes in this case oxygen depolarised cathodes it was possible to reduce the electrolysis voltage from 3.1 V to 2.0 V (milestone). The development of highly active catalysts was required in order to decrease the electrolysis voltage. Several catalysts were identified, for which suitable ODC manufacturing methods were developed. This work was supported by new testing and methods to determine the activity of catalysts and ODCs made from them. The work resulted in a deeper understanding of how ODCs work, and was supported by novel electrochemical measurement methods and computer-assisted modeling. A suitable electrolysis cell was developed to operate the ODCs. The reduction potential in the worldwide chlorine production (capacity: 68 million tons per year approx 4.9 million tons per year in Germany in 2008) is about 30 million tons per year. Andreas Bulan Bayer MaterialScience AG 17

18 Prozessverkürzung und CO 2 -Einsparung bei der Herstellung von Stahlbändern Bandgießen ist eine neue Technologie für die Stahlbandherstellung, bei der die Prozessstufen Gießen und Warmwalzen in einer Linie direkt gekoppelt sind. Die im Vergleich zur konventionellen Fertigungstechnologie verkürzte Prozessroute führt zu einer Reduzierung des Energieeinsatzes von 3,24 auf 0,43 Gigajoule pro Tonne und der CO 2 -Emissionen von 186 auf 25 Kilogramm pro Tonne. Zur Realisierung dieser Potenziale wird am Standort Krefeld eine Bandgießanlage semi-industriell mit geringen monatlichen Gesamterzeugungsmengen betrieben. Process Reduction and CO 2 Saving in the Production of Steel Strips Strip casting is a new technology for the production of steel strips, in which the casting and hot rolling process stages are directly linked in one line. The process route, which is shortened relative to conventional production technology, results in a reduction of energy use from 3.24 to 0.43 gigajoules per tonne and of CO 2 emissions from 186 to 25 kilograms per tonne. In order to realise this potential, a strip casting plant is in operation on a semi-industrial scale, with low overall monthly production quantities, on the Krefeld site.

19 Die maximale Gießlänge beim Bandgießen wird aufgrund der sehr hohen Temperaturen maßgeblich durch die Beschädigung der Gießrollenoberflächen durch Schürfstellen und die Zunahme der Bandrauheit mit zunehmendem Verschleiß der Arbeitswalzen des Walzgerüstes beschränkt. Zur Steigerung des Ausbringens der Bandgießroute auf das Niveau der konventionellen Erzeugung ist eine Erhöhung der maximalen Gießlänge erforderlich. Das vorliegende Projekt verfolgt das Ziel, die Standzeit der Gießrollenbeschichtung und der Arbeitswalzen durch Entwicklung einer Gießrollenbeschichtung höherer Härte und einer bandgussspezifischen Arbeitswalzenschmierung zu erhöhen. Bei der MetallVeredlung GmbH&Co. KG wird eine Verfahrenstechnik zur Beschichtung der Gießrollen mit einer Nickel-Grundschicht und einer Dispersionsschicht höherer Härte verfolgt. Mit der im Rahmen dieses Projektes entwickelten Prozesstechnik konnten bereits Laborgießrollen und Thermoschockringe am Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen erfolgreich untersucht werden. Die bereitgestellten Beschichtungen wurden auf Schädigungen und Schädigungsmechanismen nach Durchlaufen der Laborversuche analysiert. An der Bandgießanlage der ThyssenKrupp Nirosta GmbH wurde gestützt auf experimentelle und numerische Untersuchungen am Institut für Bildsame Formgebung eine Arbeitswalzenschmierung zur Erhöhung der Standzeit der Arbeitswalzen erfolgreich umgesetzt. Zudem wurde ein Inspektions system zur Erkennung von beginnenden Schädigungen der Gießrollenoberfläche entwickelt. The maximum casting length with strip casting is limited considerably by the damage to the surfaces of the casting rolls from prospects and by the increase in strip roughness as the wear on the working rolls of the hot rolling stand increases. In order to increase the efficiency of the strip casting route to the level of conventional production, the maximum casting length must be increased. The present project pursues the objective of increasing the casting rolls coating and working roll standing times by the development of a harder casting roll coating and a working roll lubrication that is specific to strip casting. At MetallVeredlung GmbH & Co. KG, a process technique is being pursued whereby the casting rolls are coated with a nickel primary layer and a harder dispersion layer. With the process technique developed in the context of this project, successful testing has already been carried out on laboratory casting rolls and thermal shock rings at the Institute of Metal Forming at RWTH in Aachen. The coatings provided were analysed for damage and degradation mechanisms after running through the laboratory tests. A working roll lubrication to increase the standing time of the working rollers has been implemented successfully on the ThyssenKrupp Nirosta GmbH strip casting plant on the basis of experimental and numerical investigations at the Institute of Metal Forming. Furthermore, an inspection system has been developed to detect initial damage to the surface of the casting rolls. Dr.-Ing. Lutz Ernenputsch ThyssenKrupp Nirosta GmbH 19

20 CO 2 -Minderung bei der Eisenerzeugung im Hochofen Das CO 2 -Minderungspotenzial für den Hochofenprozess ist bei üblicher Betriebsweise ausgeschöpft. Die Nutzung von Koks und Kohle liegt an der maximal möglichen technischen Grenze. Potenzial für die Senkung der CO 2 -Emission hat jedoch das Einblasen heißen Reduktionsgases in den Hochofenschacht, wenn dieses CO 2 -neutral herstellbar ist. Der Prozess wird durch diese Verfahrensmodifikation so intensiviert, dass der Koksverbrauch über das heutige Maß hinaus gesenkt werden kann. CO 2 Reduction in the Production of Iron in the Blast Furnace Conventional operation exhausts the CO 2 reduction potential for the blast furnace process. The use of coke and coal is at the maximum limit that is technically possible. However, by injecting hot reduction gas into the blast furnace shaft, potential is available for a reduction in CO 2 emissions, if this can be produced in a manner that is CO 2 neutral. This process modification intensifies the process to such an extent that the use of coke can be reduced beyond the present level.

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