Smarte Infrastrukturen für Smart Cities

Im speziellen Fokus stehen Entwicklungen im Bereich smarter Infrastrukturen, die die Themen Wasser, Energie, Ernährung und Abfall/Reststoffströme miteinander verbinden und damit eine gesamtheitliche Betrachtung aller Strukturen in der Stadt bedeuten. Das Institut hat langjährige Erfahrung im integrierten Wassermanagement in Städten und Regionen ebenso wie in der Umsetzung von Wasser-4.0-Ansätzen, die die zunehmende Digitalisierung für den Wasserbereich aufgreift. Kern ist die Erarbeitung von integrierten Strategien und Umsetzungskonzepten für Quartiere, Städte und Gemeinden, die eine Anpassung an die durch den Klimawandel verursachten Starkregenereignisse, Trockenperioden, etc. unter Berücksichtigung einer Kreislaufwirtschaft im Sinne der Bioökonomie erlauben.

Die Stadt als Bioökonomie-Labor

Eine Stadt produziert auf engem Raum enorme Mengen an Abwasser, Abfällen und Abluft, die derzeit vor allem »entsorgt« werden. Doch die Emissionen enthalten organische Reststoffe, Nährstoffe oder CO2 – Reststoffe, die sich nach dem Ansatz der Bioökonomie mit biologischen Prozessen, Verfahren und Prinzipien als Rohstoffe für neue Produkte nutzen lassen.

Wo und wieviele Bioabfälle, sonstige Abfälle und Reststoffe, Abwässer, Abgase und CO2 fallen im industriellen, gewerblichen und kommunalen Sektor einer Stadt eigentlich an? Und mit welchen konkreten Maßnahmen könnten Lösungen für die nachhaltige Gestaltung von Städten und er kommunalen Industrie mit bioökonomischen Ansätzen umgesetzt werden?

Diesen Fragen geht das Ende 2021 gestartete und vom Umweltministerium Baden-Württemberg im Rahmen der Landesstrategie Nachhaltige Bioökonomie geförderte Projekt »urban BioÖkonomieLab« nach. Mit den im Projekt erarbeiteten Szenarien und Maßnahmen will das Fraunhofer IGB drei ausgewählte Pilot-Regionen in Baden-Württemberg befähigen, einen nachhaltigen bioökonomischen Wirtschaftsraum zu etablieren. Zur Anwendung kommt hierbei die im Rahmen der Fraunhofer-Morgenstadt-Initiative entwickelte CityLab-Methodik. Deren Kernstück ist eine umfassende Analyse aller urbanen Sektoren, aus der Handlungshilfen für die Entscheidungsträger abgeleitet werden.

Wassermanagement – Neue Infrastrukturen für eine nachhaltige und energieeffiziente Wasserwirtschaft

Auf der Kläranlage Wolfsburg-Hattorf wurde die Pilotierung der Abwasserreinigung sowie ein hydroponisches System zwischen 2017 und 2019 betrieben.
Auf der Kläranlage Wolfsburg-Hattorf wurde die Pilotierung der Abwasserreinigung sowie ein hydroponisches System zwischen 2017 und 2019 betrieben.

Die Wasserinfrastruktursysteme der heutigen Industrieländer entstanden vor über 100 Jahren, das  heißt sie basieren auf den damaligen technologischen Ansätzen und sind nach heutigen Kriterien ineffizient und teuer. Konventionelle Wasserinfrastruktursysteme im überwiegenden Teil der Industrieländer sind für den einmaligen Gebrauch von Wasser ausgelegt. Eine Wiedernutzung ist bis auf internes Wasserrecycling in industriellen Produktionsstätten und erste Ansätze zur regenerativen Wasserversorgung nicht vorgesehen.

Die technologischen Herausforderungen rund um das Thema Wasser sind vielfältig. Sollen die vorhandenen Ressourcen besser genutzt oder neue erschlossen werden, müssen innovative Wege beschritten werden: Dezentrale und anpassbare Infrastruktursysteme, die Wasser sammeln und verteilen, spielen hierbei eine ebenso entscheidende Rolle wie Möglichkeiten der Mehrfachnutzung. Regenwasser sollte aufbereitet und als neue Wasserressource erschlossen werden. Eine bedarfsgerechte Reinigung von Abwasser kann mit moderner, kostengünstiger Filtertechnik und angepassten biologischen Prozessen erreicht werden. Im Idealfall werden die Inhaltsstoffe des Abwassers bei der Reinigung nahezu vollständig energetisch und stofflich verwertet.

Das Fraunhofer IGB hat bereits eine breite Palette technischer Neuerungen für ein nachhaltiges Wassermanagement entwickelt. Diese sind in ein ganzheitliches Infrastrukturkonzept eingebunden, das auch Energieversorgung und Abfallwirtschaft berücksichtigt. Wir passen einzelne Entwicklungen den jeweiligen Anforderungen der Region an und kombinieren verschiedene Bausteine zu einem individuellen Lösungskonzept.

Abwasser als Ressource

Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser

Für die Rückgewinnung anorganischer Nährstoffe aus kommunalen, industriellen und landwirtschaftlichen Abwässern hat das IGB einen elektrochemischen Prozess entwickelt, mit dem Stickstoff und Phosphor mit einer Magnesium-Elektrode als Magnesium-Ammonium-Phosphat (Struvit), einen hochwertigen Dünger, ausgefällt werden.

Die Kläranlage als Bioraffinerie

Einen Schritt weiter geht der Ansatz, alle Inhaltsstoffe des Abwassers zu nutzen. Neben der Rückgewinnung von Nährstoffen können durch geeignete Technologien auch kohlenstoffbasierte Produkte hergestellt werden.

© Fraunhofer IGB
Die Elektrolysezelle ePhos® gewinnt Stickstoff und Phosphor rein elektrochemisch. Es müssen keine Chemikalien eingelagert werden. Das gesamte Verfahren ist sehr einfach zu handhaben.

Weitere Informationen

 

Der Nexus Wasser – Energie – Ernährung – Rohstoffe