624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
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Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are organic compounds consisting of carbon chains in which the hydrogen atoms are completely or partially replaced by fluorine atoms. The strong chemical bonds between carbon and fluorine atoms in PFAS lead to very stable substances with particularly useful properties such as chemical inertness, water repellency, lubricity, non-stick properties, fire resistance and heat resistance. However, they are not readily biodegradable and are therefore difficult to break down in the environment (Ye et al. 2015).
PFAS are used in many fields of application in industry and in end products, such as in industrial production, in seals, lubricants, packaging, metal coatings, in medical technology products, electronic devices, solar cells, fuel cells, batteries, in the construction sector and also in consumer products in textiles, cookware and cosmetics (Glüge et al. 2020, ECHA 2023). Due to their effects on the environment and humans and their persistence in the environment, PFAS are currently the subject of much debate and an initiative has been launched at EU level to potentially ban substances (ECHA 2023). Companies from Baden-Württemberg and all over Europe are now looking for substitutes for the use of PFAS in order to have alternatives available in the event of a possible substance ban.
This meta-study therefore provides an overview of possible substances and substance groups that have the potential to replace the technical functions of PFAS. This is analysed in depth using selected examples.
Using software tools based on artificial intelligence (AI), possible substitutes were identified and analysed in a structured manner. After analysing 35,246 scientific documents worldwide, 420 materials and their summary in 32 classes were identified for five participating well-known companies from Baden-Württemberg. After analysing the requirements of the participating companies in more detail, only a very limited number of potential substitutes could be identified that could partially replace PFAS as things stand today.
Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sind organische Verbindungen aus Kohlenstoffketten, bei denen die Wasserstoffatome vollständig oder teilweise durch Fluoratome ersetzt sind. Die starken chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Fluor-Atomen in PFAS führen zu sehr stabilen Substanzen mit besonders nützlichen Eigenschaften wie chemischer Inertheit, Wasserabweisung, Schmierwirkung, Antihaftwirkung, Feuerbeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Sie sind jedoch nur schwer biologisch abbaubar sind und lassen sich daher in der Umwelt nur schwer zersetzen (Ye et al. 2015).
PFAS werden in vielen Anwendungsfeldern in der Industrie und in Endprodukten eingesetzt, wie z. B. in der industriellen Produktion, in Dichtungen, Schmierstoffen, Verpackungen, Metallbeschichtung, in Medizintechnik-Produkten, elektronischen Geräten, Solarzellen, Brennstoffzellen, Batterien, im Baubereich und auch in Consumer-Produkten in Textilien, Kochgeschirr und Kosmetik (Glüge et al. 2020, ECHA 2023). Aufgrund ihrer Wirkungen auf Umwelt und Menschen und ihrer Persistenz in der Umwelt werden PFAS aktuell stark diskutiert und auf EU-Ebene wurde eine Initiative hin zu möglichen Stoffverboten angestoßen (ECHA 2023). Unternehmen aus Baden-Württemberg und ganz Europa suchen inzwischen Substitute für die Anwendung von PFAS, um bei einem möglichen Stoffverbot Alternativen zur Verfügung zu haben.
In dieser Metastudie wird daher eine Übersicht über mögliche Stoffe und Stoffgruppen gegeben, die das Potenzial besitzen, die technischen Funktionen von PFAS zu ersetzen. Dies wird an ausgewählten Beispielen vertieft untersucht.
Unter Nutzung von Softwaretools auf Basis von Künstlicher Intelligenz (KI) wurden mögliche Substitute identifiziert und strukturiert ausgewertet. Nach der Analyse von 35.246 wissenschaftlichen Dokumenten weltweit wurden 420 Materialien und deren Zusammenfassung in 32 Klassen für fünf beteiligte namhaften Unternehmen aus Baden-Württemberg identifiziert. Nach genauerer Analyse der Anforderungen der beteiligten Unternehmen konnte nur eine sehr begrenzte Anzahl potenzieller Ersatzstoffe ermittelt werden, die PFAS nach heutigem Stand partiell substituieren könnten.
Um Energiesysteme hinsichtlich minimaler Umweltwirkungen zu planen und zu optimieren, werden unter anderem technologiespezifische Daten von Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie benötigt. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, eine solche Datengrundlage für Kleinwindenergieanlagen zu schaffen, um diese in ein ökobilanzbasiertes Energiesystemmodell zu integrieren. Teil dieser Datengrundlage sind Sachbilanzdaten einer Kleinwindenergieanlage, die mithilfe einer ökobilanziellen Untersuchung erzeugt werden. Mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Skalierungsmodell lassen sich diese Sachbilanzdaten auf Kleinwindenergieanlagen unterschiedlicher Größe skalieren. Um auch Kosten als Kriterium im Energiesystemmodell zu berücksichtigen, werden die Investitions- und Betriebskosten der Anlage abgeschätzt.
Mithilfe einer Ertragsprognose für einen gewählten Standort in Süddeutschland und der Wirkungsabschätzung werden über den Lebenszyklus einer Kleinwindenergieanlage entstehende Umweltwirkungen je erzeugter Energieeinheit analysiert und ausgewertet. Insbesondere in Bezug auf das Treibhauspotential und die Verknappung fossiler Energieträger zeigt die Energieerzeugung durch die Kleinwindenergieanlage Vorteile verglichen mit dem deutschen Strommix. Das Verknappungspotential von Mineralien und Metallen ist dagegen bei der Kleinwindenergieanlage um ein Vielfaches größer. Die Berechnung von Amortisationszeiten und Stromgestehungskosten erfolgt auf Basis der Investitions- und Betriebskosten und ermöglicht eine Einordnung der Wirtschaftlichkeit. Hierbei zeigt sich, dass die Stromgestehungskosten der betrachteten Kleinwindenergieanlage deutlich höher liegen als bei anderen etablierten erneuerbaren Energieerzeugern.
Tracer Based Sorting ist ein innovativer Ansatz für Erkennungs- und Sortierschritte in Abfallwirtschaft, der die Sortierung von Materialien oder Produkten unabhängig von deren physikalischen Eigenschaften ermöglicht. Die Technologie nutzt dabei anorganische Markersub-stanzen in ppm-Konzentrationen. Diese Substanzen werden im Recy-clingprozess detektiert und ermöglichen so die Rückgewinnung hochwertiger Sortierfraktionen und positive Klimawirkungen. Fünf deutsche Unternehmen sowie zwei Hochschulen und ein assoziierter Netzwerkpartner untersuchten im Rahmen eines durch das BMBF geförderten Forschungsvorhabens die Umsetzbarkeit dieses Ansatzes für Leichtverpackungen.