KIT-Experten zu aktuellen Themen: Wissenschaftsjahr 2020 – Bioökonomie
Die wachsenden Bevölkerungszahlen und der steigende Lebensstandard stellen unsere Gesellschaft vor große ökologische Herausforderungen.
Vom Klimawandel über die Vermüllung der Meere bis zu schwindenden landwirtschaftlichen Nutzflächen und Rohstoffen. Nachhaltig leben und gleichzeitig unseren Lebensstandard sichern – das ist Grundgedanke der Bioökonomie, die im Fokus des Wissenschaftsjahres 2020 steht. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten an neuen Technologien und wissenschaftlichen Ansätzen, die nachwachsende Ressourcen als Alternative zu fossilen Rohstoffen etablieren und dabei eine effiziente, erfolgreiche Wirtschaft sichern können.
„Weltweit stehen Ökosysteme und die Artenvielfalt am Rande des Zusammenbruchs. Gründe sind unter anderem das Übernutzen von Ressourcen und der Klimawandel“, sagt Professorin Almut Arneth vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Umweltforschung des KIT. „Die wirksamste und wichtigste Maßnahme, um dem entgegenzuwirken, ist, die von Menschen verursachten Emissionen von Treibhausgasen rapide und stark einzuschränken. Die Art und Weise, wie wir unser Land nutzen, kann hier durchaus auch zeitnah einen Beitrag leisten. Beispiele sind eine nachhaltige Forstwirtschaft oder eine schonende Bodenbearbeitung in der Landwirtschaft. Aber: Wir dürfen die Klimawandelminderung nicht dem Land überlassen.“
Prof. Arneth zum Erhalt und Schutz von Ökosystemen
Nachhaltige Antriebsstoffe für die Mobilität im Alltag erforscht die Initiative „reFuels – Kraftstoffe neu denken“. Ziel ist das effiziente Herstellen regenerativer Kraftstoffe (reFuels). Diese haben dieselbe Energiedichte wie fossile Treibstoffe und lassen sich aus CO2-haltigen Reststoffen der Landwirtschaft sowie Industrie- und Siedlungsabfällen herstellen. „Regenerative Kraftstoffe sind ein wichtiger Bestandteil hin zu einer schnellen, CO2-neutralen Lösung. Wir wollen, dass alle schon heute gebauten Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor reFuels tanken können.
Denn auch in den nächsten Jahren werden sie den Großteil der Mobilität ausmachen“, sagt Projektkoordinator Dr. Olaf Toedter. Das Projekt umfasst die gesamte Wertschöpfungskette, vom Energieversorger, der Kraftstoffsynthese bis hin zu Motoren- und Fahrzeugherstellern. Neben dem KIT sind unter anderem das baden-württembergische Ministerium für Verkehr und zahlreiche Partner aus der Automobil-, Automobilzuliefer- und Mineralölindustrie an der Forschungsinitiative beteiligt.
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In der der bioliq-Pilotanlage erzeugen Wissenschaftler des KIT Kraftstoff-Komponenten aus pflanzlichen Reststoffen wie Weizenstroh. „Wir können mit unserer Anlage zeigen, dass Kraftstoffe aus regenerativen Rohstoff-Quellen möglich sind und einen wichtigen Beitrag zum Erreichen der Klimaziele Deutschlands leisten können. Das Know-how dafür steht am KIT bereit“, erklärt Professor Jörg Sauer, Sprecher des bioliq-Projekts. „Da die Pflanzen CO2 für das Wachstum aus der Atmosphäre entnehmen, kann so ein Beitrag zur Schließung von Stoff-Kreisläufen geleistet werden. Zusätzlich konkurriert unser Prozess nicht mit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion, da er auf biogene Reststoffe zurückgreift, die keine zusätzlichen Anbauflächen beanspruchen.“
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Um die Wertschöpfung in Baden-Württemberg bioökonomisch zu gestalten, unterstützt der THINKTANK „Industrielle Ressourcenstrategien“ Politik und Industrie dabei, einen nachhaltigen Rohstoffkreislauf zu etablieren: von der Gewinnung über die Nutzung bis zum Recycling, einschließlich der technologischen, wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Folgen. Die deutschlandweit einzigartige Denkfabrik mit Sitz am KIT ist eine Initiative der Industrie und des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg. „Begrenzte Rohstoffe spielen heute für die Entwicklung und Weiterentwicklung neuer Technologien eine wichtige Rolle.
Gerade deshalb sehen wir es als unsere gesellschaftliche Verpflichtung an, sie nachhaltig und verantwortungsvoll einzusetzen“, sagt Professor Thomas Hirth, Sprecher des THINKTANK. Der Vizepräsident für Innovation und Internationales am KIT hat das Forschungsprogramm Bioökonomie BW der Landesregierung wesentlich mit auf den Weg gebracht, war Mitglied des Bioökonomierats der Bundesregierung und bis 2019 Sprecher des Lenkungskreises Bioökonomieforschung BW. „Der gesellschaftliche Nutzen und der Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen stehen für uns beim Schritt von der Erkenntnis zur Anwendung genauso im Fokus wie der wirtschaftliche Erfolg.“
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„Wir wissen bereits seit Anfang der 1970er Jahre, dass viele gängige metallische oder mineralische Rohstoffe, die wir zum Bau einsetzen, mit heutiger Technik und vertretbarem ökologischen sowie ökonomischen Aufwand in den nächsten Jahrzehnten nur noch begrenzt zur Verfügung stehen“, sagt Professor Dirk Hebel vom Institut Entwerfen und Bautechnik. Die Baubranche wird entsprechend reagieren und nach Alternativen zu etablierten Materialien suchen müssen. „Unsere Vision ist, das nötige Material für Gebäude künftig wachsen zu lassen und Bauteile nach ihrer Nutzungsphase kompostieren zu können.“
Der Architekt erforscht und verbaut kompostierbare Baustoffe, etwa ein Gemisch aus dem Wurzelgeflecht von Pilzen und Holzspänen. Als Teil der Forschungsplattform NEST, der Eidgenössischen Material- und Prüfungsanstalt Empa im Schweizerischen Dübendorf, baute er gemeinsam mit Werner Sobek und Felix Heisel die Forschungseinheit „Urban Mining & Recycling“, die ausschließlich aus biologisch kompostierbaren und technisch wiederverwertbaren Materialien besteht. „Neuartige nachwachsende Baustoffe und wiederverwendbare oder -verwertbare Materialien des technischen Kreislaufs haben definitiv das Potenzial, konventionelle Stoffe in vielen architektonischen Strukturen zu ersetzen“, erklärt Hebel.
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Mikroalgen sind die unsichtbaren Hoffnungsträger einer klimaneutralen Energieversorgung. Sie können bis zu fünf Prozent des Sonnenlichts in chemische Energie umwandeln und dabei große Mengen des anthropogenen Treibhausgases CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen. Mit den kleinen Einzellern lassen sich verschiedene Energieträger wie Biodiesel, Bioethanol und Biokerosin erzeugen. Und das ohne zusätzlichen Konkurrenzdruck um wertvolle, begrenzte Ressourcen wie Land, Wasser oder den Nährstoff Phosphat. „Denn Mikroalgen benötigen weder Ackerfläche noch Frischwasser oder synthetische Düngemittel“, erklärt Dr. Christine Rösch vom ITAS. Die Leiterin der interdisziplinäre Forschungsgruppe Nachhaltige Bioökonomie erforscht mit ihrem Team Chancen und Herausforderungen neuer Technologien der Bereitstellung, Umwandlung, Nutzung von biogenen Ressourcen.
Ziel ist, praxisrelevantes und handlungsorientiertes Wissen zu gesellschaftlich machbaren und nachhaltigen bioökonomischen Transformationspfaden zu entwickeln, für Entscheidungsträger und Akteure in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft. „Dies setzt voraus, dass die ‚Algentechnologie‘ umfassend sowohl aus ökologischer, ökonomischer wie sozialer Sicht bewertet wird und unterschiedliche gesellschaftliche Wissensbestände, Sichtweisen und Perspektiven erfasst werden“, so Rösch.
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„Nachhaltiger Konsum ist im Kommen. Allerdings erwarten Verbraucher von sich selbst zehn Mal mehr Nachhaltigkeit als momentan in ihren Einkaufstüten landet“, sagt Professorin Nora Szech vom Institut für Volkswirtschaft. Wie kommt es dazu? Zum einen fokussieren Menschen in Märkten Profit statt moralischer Werte, wie eine verhaltensökonomische Studie zeigte: „Wir stellten Probanden vor die Wahl: Einer Maus das Leben schenken, oder stattdessen zehn Euro in die eigene Tasche stecken.“ Individuell entschied sich die Mehrheit für das Mäuseleben, in größeren Märkten jedoch für das Geld und gegen das Tier. Zum anderen erliegen viele Konsumenten sogenannten „Ablasseffekten“: Wer an einer Stelle Gutes tut, rechtfertigt damit ein Weggucken an anderer.
„Beispiel Textilbranche: Bilder der schlechten Arbeitsbedingungen in Textilfabriken gehen regelmäßig um die Welt und viele Konsumenten wollen auch Verbesserungen“, sagt Szech. „Unsere Studie zeigt jedoch, dass dieses Interesse schmilzt, sobald das Produkt ein anderes Siegel als ‚Bio-Baumwolle‘ trägt, obwohl es nichts über Arbeitsbedingungen aussagt.“ Die Ökonomin untersucht, wie institutionelle Mechanismen dazu beitragen können, dass sich Marktakteure moralischer verhalten. „Wir müssen die individuelle Verantwortung beim Konsum in den Vordergrund stellen und bewusst machen, dass die Handlungen jedes Einzelnen Auswirkungen haben.“
Portrait von Prof. Szech im Expertenportal des KIT
Kulturreben sind sehr anfällig für Parasiten und werden rund fünfzehnmal im Jahr mit Pflanzenschutzmittel gespritzt. „70 Prozent der Fungizidproduktion gehen auf das Konto des Weinbaus“, sagt Professor Peter Nick vom Botanischen Institut des KIT. Aber Krankheiten sind nicht alles, auch der Klimawandel bringt neue Herausforderungen wie Trockenheit oder Bodenversalzung. „Wilde Weinreben haben viele dieser Probleme schon für sich gelöst. Wir gehen daher der Frage nach, wie wir der Natur in die Trickkiste schauen können, um unsere Reben resistenter zu machen.“ Über ein Kreuzungsprogramm wollen Nick und sein Team versuchen, die Abwehrtaktiken des wilden Weins auch auf die Kulturreben in Weinbergen zu übertragen, und somit einen Baustein für den biologischen Pflanzenschutz und den ökologischen Weinbau zu liefern.
Portrait von Prof. Nick im Expertenportal des KIT
Beitrag auf der Wissensplattform ESKP zum nachhaltigen Pflanzenschutz
Eine ressourcenschonende und kostengünstige Herstellung von Bioplastik – etwa für Verpackungen oder Abfallbeutel – verspricht ein von Biowissenschaftlern des KIT entwickeltes Verfahren. Grundlage ist die mikrobielle Elektrosynthese, bei der Mikroorganismen elektrischen Strom nutzen, um CO2 in wertvolle Basischemikalien umzuwandeln. „Wir haben diesen Prozess so optimiert, dass die Mikroorganismen auch komplexere Moleküle – zum Beispiel Polymere – produzieren können, indem wir ihnen mehr Energie zur Verfügung stellen“, sagt Professor Johannes Gescher vom Institut für Angewandte Biowissenschaften. Als Biokatalysator nutzen die Forscher einen Mikroorganismus, der sich ständig selbst regeneriert und Rauchgas als CO2-Quelle. „Damit reduzieren wir nicht nur das Treibhausgas, sondern schonen auch andere Kohlenstoff-Quellen wie landwirtschaftliche Produkte.“ Die erforderliche elektrische Energie beziehen die Wissenschaftler aus regenerativen Quellen.
Weitere Informationen zur Abteilung Angewandte Biologie
SRH Campus Report „Recycling statt Import“
