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AKTUELLE TECHNOLOGIETRENDS FÜR ÖSTERREICHISCHE KMU Chefredaktion/Projektkoordination: Sascha Ruhland, M.A./KMU Forschung Austria, ACR-Geschäftsstelle Layout: Alexander Ach Schuh März 2012 mit freundlicher Unterstützung ACR INNOVATIONSRADAR 2012 ACR – AUSTRIAN COOPERATIVE RESEARCH FORSCHUNGSEXPERTEN FÜR KMU Haus der Forschung, Sensengasse 1, 1090 Wien Tel. +431/219 85 73, Fax +431/219 85 73-13 [email protected], www.acr.at Aktuelle Technologietrends für österreichische KMU NACHHALTIGES BAUEN UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT ACR INNOVATIONSRADAR PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE Aktuelle Technologietrends für österreichische KMU INHALT ACR – AustRiAn CoopeRAtive ReseARCh FoRsChungsexpeRten FüR KMu haus der Forschung, sensengasse 1, 1090 Wien tel. +431/219 85 73, Fax +431/219 85 73-13 [email protected], www.acr.at 1 NACHHALTIGES BAUEN einleitung 7 grundlegendes zur nachhaltigkeit energieeffizienz 11 Lebenszykluskosten Literatur 2 7 21 26 UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN einleitung 29 neu- und Weiterentwicklung von Bio-Brennstoffen, deren herstellung und einsatz 30 energie aus der sonne solarthermie 39 photovoltaik 43 Literatur 3 45 LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT einleitung 47 Lebensmittelproduktion/-produkte 47 neu- und Weiterentwicklung von getreide und getreideprodukten (Kunststoff-)Lebensmittelverpackungen Literatur 4 57 66 PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE einleitung 69 neue Materialverbunde 70 untersuchungsmethoden 76 Literatur 85 ACR-INSTITUTE 87 52 Vorwort Kleine und mittlere unternehmen (KMu) Absicherung und Weiterentwicklung vationsbezogenen Anpassungspro- sind wichtige Akteure für Wirtschaft einer konkurrenzfähigen gesamtwirt- zessen und damit letztlich zu produktivi- und Beschäftigung und stellen in Öster- schaft einnehmen. tätswachstum und verstärkter Wettbe- reich 99 % aller unternehmen. werbsfähigkeit. in jedem Fall ist die Forschung, entwicklung, innovation und innovationsprozesse stellen besondere genaue Kenntnis aktueller technologie- neue technologien, herstellungspro- Anforderungen sowohl an die Ausstat- entwicklungen dafür notwendig und zesse etc. sind auch für KMu wesent- tung, organisation und Kreativität der essenziell. liche treiber für Wirtschaftswachstum unternehmen als auch an die unterneh- und Wettbewerbsfähigkeit. Die verbin- merischen Fähigkeiten. KMu sind von neben den, im vergleich zu großen dung von KMu und innovation ist diesen Anforderungen insbesondere unternehmen, begrenzten Ressourcen deshalb der schlüssel für eine dynami- betroffen, da sie aufgrund spezifischer in den Bereichen Kapitalausstattung, sche sozio-ökonomische entwicklung herausforderungen (z. B. geringere personal, Kompetenzen und Qualifika- ganz Österreichs. finanzielle und humanressourcen) tionen, die sich negativ auf das innova- größere hürden zu überwinden haben. tionsverhalten und die Anwendung von KMu sind aufgrund ihrer strukturen Zwei prinzipiell verschiedene Arten neuen technologien in KMu auswirken (flachere hierarchien und kleinerer innovativer tätigkeiten lassen sich in können, ist daher der Mangel an infor- organisationsgrößen) besonders diesem Zusammenhang unterschieden: mationen und Wissen über aktuelle geeignet, von der entwicklung und die eigene entwicklung von innova- technologietrends eines der haupthin- einführung innovativer technologien zu tionen (die damit am ehesten dem klas- dernisse für eine innovationsbasiert profitieren und dementsprechend zu sischen verständnis von innovation steigende Wettbewerbsfähigkeit von einer dynamischen, zukunftsfähigen entspricht) und die einführung (d. h. der österreichischen KMu. Fehlende oder volkswirtschaft beizutragen. Dies gilt einkauf und einsatz) bereits existie- nicht umfassend entwickelte Kenntnisse nicht nur für typische hochtechnologie- render innovativer Lösungen, technolo- über mögliche innovative Lösungsan- Branchen (z. B. Lebenswissenschaften, gien, verfahren etc. durch ein unter- sätze sowie insgesamt die zukünftige iKt), sondern in allen sektoren der nehmen. Letzteres ist für den großteil entwicklung in ihren jeweiligen Bran- industrie und des gewerbes, des der KMu deswegen von herausra- chen können aufgrund fehlender oder handels und im Dienstleistungsbereich. gender Bedeutung, da sie aufgrund der schwacher vernetzung mit Forschungs- Auch hier können KMu, bedingt durch Ressourceneinschränkung zum großteil organisationen, fehlender Ressourcen ihre hohe Flexibilität, die größere keine eigenen innovationsprozesse für ein systematisches Markt- oder tech- Kundennähe, kürzere entscheidungs- verfolgen (bzw. dies eher unregel- nologiemonitoring oder teilweise gänz- wege und ihre Fähigkeit, neue entwick- mäßig, selten oder unsystematisch tun). lich fehlendes Bewusstsein für die lungen sowohl am Markt als auch im Allerdings führt auch die einführung Chancen entstehen. Bereich des wissenschaftlichen Fort- (d. h. ohne oder nur mit geringem schritts rasch aufzunehmen und zu eigenen entwicklungsanteil) z. B. eines adaptieren, eine schlüsselrolle für die neuen herstellungsverfahrens zu inno- 4 ACR INNOVATIONSRADAR Die selbständigen Institute des ACR-Netzwerks forschen & entwickeln – mit und für KMU. An diesen herausforderungen setzen, Nachhaltiges Bauen -leistung österreichischer KMu im Allge- neben den innovationsbezogenen und • nachhaltigkeit meinen sowie der Kunden-, d.h. KMu- thematischen strategien der entspre- • energieeffizienz orientierung der ACR im Besonderen chenden Bundesministerien, auch • gebäudesicherheit die Aufgabe, interessierten kleinen und außeruniversitäre Forschungseinrich- mittleren unternehmen eine informati- tungen wie die ACR (Austrian Coopera- Umwelttechnik & onsbasis über aktuelle technologie- tive Research) an. Die außeruniversi- erneuerbare Energien aber auch Markttrends zur verfügung täre Forschung insgesamt ist in der • neu- und Weiterentwicklung von zu stellen. Die einzelnen teile des ACR- Lage, und betrachtet dies auch als eine Biobrennstoffen und deren herstel- innovationsradars richten sich an jene ihrer zentralen Aufgaben, impulse für lungsprozesse unternehmen, die für bestimmte innovationen im unternehmenssektor zu • Biomasse-Kleinfeuerungen sektoren informationen darüber benö- geben. Die ACR versteht sich als strate- • nutzung direkter solarenergie tigen, welche technologien derzeit bzw. gisches netzwerk gemeinnütziger, demnächst zur verfügung stehen selbständiger Forschungsinstitutionen Lebensmittelqualität & (werden) und welche konkreten zur unterstützung und Förderung von -Sicherheit Chancen und auch Risiken technologi- Forschung, entwicklung und innovation • sichere Rohstoffe scher oder unternehmerischer Art damit mit spezieller Ausrichtung auf österrei- • innovative verarbeitungsprozesse verbunden sind. chische KMu. Dazu forschen und • Funktionelle verpackungssysteme entwickeln ACR-institute ergebnis- und umsetzungsorientiert entlang der Bedürfnisse der KMu in definierten Forschungsschwerpunkten mit dem Ziel der intensivierung von angewandter Produkte, Prozesse, Werkstoffe • produktentwicklung und produktsicherheit • prozesskontrolle & prozessoptimie- Forschung und entwicklung sowie von rung bei der verarbeitung von holz, technologietransfer mit und für KMu. Metallen, Kunststoffen und Beschich- Diese F&e-schwerpunkte umfassen die tungssystemen vier Bereiche: • Werkstoffcharakterisierung und Werkstoffentwicklung, Mikro- & nanoanalytik Das vorliegende innovationsradar der ACR orientiert sich an diesen schwerpunkten und übernimmt im Zusammenhang mit der Zielsetzung einer insgesamt stärkeren innovationsneigung und VORWORT 5 1 NACHHALTIGES BAUEN 6 ACR INNOVATIONSRADAR Klimawandel und Ressourcenmangel fordern neue Baukonzepte. Mehr denn je braucht es Überlegungen hinsichtlich Nachhaltigkeit, Lebenszyklus und Energieeffizienz. EINLEITUNG energiegewinnung mittels solarthermi- brauch bis 2020 auf 20 % und die nachhaltiges Bauen umfasst zahlreiche scher Kollektoren bzw. neue techniken energieeffizienz bis dahin um 20 % im Aspekte, deren umweltpolitischer, wirt- der Wärmespeicherung im Mittelpunkt. vergleich zu einem „business as usual“- schaftlicher und gesellschaftlicher stel- Der teil Lebenszykluskosten widmet szenario gesteigert werden.2 lenwert gerade in den letzten Jahren sich den langfristigen, wirtschaftlichen deutlich angestiegen ist. Die erfassung Aspekten bei Bauwerken der verkehrs- in diesem Zusammenhang sind auch sämtlicher Branchen auch der österrei- infrastruktur, bei heizkesselanlagen neue nachhaltige Baukonzepte gefor- chischen immobilienwirtschaft von und Raumheizgeräten, bei solarthermi- dert, die überlegungen hinsichtlich einem zunehmend nach nachhaltig- schen systemen sowie bei der verwen- nachhaltigkeit, Lebenszyklus und vor keitskriterien auszurichtenden Wirt- dung von umweltresistenten Materialien allem energieeffizienz berücksichtigen. schafts- und sozialsystem zeigt sich und Befestigungstechniken. insbesondere wird der Betriebs- deutlich in einer zunehmenden schaf- /nutzungsphase noch immer zu wenig fung internationaler und nationaler Bedeutung im entscheidungsprozess beigemessen. Der volkswirtschaftliche dingungen, den aktuellen Forschungs- GRUNDLEGENDES ZUR NACHHALTIGKEIT schwerpunkten sowie der entwicklung Der Begriff der nachhaltigen entwick- und technologien müssen aufbereitet innovativer technologien, produkte und lung (sustainable development) wurde werden. Zu diesen Faktoren kommen prozesse. im „Brundtland-Bericht“ (Report of the zunehmend klimatische veränderungen World Commission on environment and mit ihren Auswirkungen wie die natur- im vorliegenden innovationsradar zum Development, „our Common Future“) katastrophen hagel, sturm oder stark- schwerpunktfeld nachhaltiges Bauen von der Weltkommission für umwelt regen, die die gebäudesicherheit und werden infolge des hohen umweltpoliti- und entwicklung 1987 geprägt. Dabei Beständigkeit beeinflussen.3,4 Beispiels- schen und energie- sowie immobilien- bezieht man sich im Wesentlichen weise ist die Zunahme der hagelereig- wirtschaftlichen stellenwerts aktuelle darauf, dass sich eine entwicklung als nisse an Bauwerken in Österreich5 technologische trends sowie Rahmen- nachhaltig definieren lässt, sofern die dokumentiert. Diese schadenskosten bedingungen und für KMu marktrele- Bedürfnisse der gegenwart befriedigt wirken sich nicht nur volkswirtschaftlich vante entwicklungen zu Fragen der werden, ohne zu riskieren, dass künf- aus, sondern künftig auch direkt auf normen und systemischen Rahmenbe- Druck steigt, geeignete Möglichkeiten Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und tige generationen ihre eigenen Bedürf- Kosten wie prämien und instandset- Lebenszykluskosten von Bauwerken nisse nicht befriedigen können. Die eu zungen. beschrieben. im teil Energieeffizienz hat sich daher das Ziel gesetzt, bis stehen zunächst verschiedene trends, zum Jahr 2020 den Ausstoß von treib- wie z. B. die thermische Bauteilaktivie- hausgasen um 20 % im vergleich zu rung als technologie in der Kühl- und 1990 zu reduzieren1. Darüber hinaus heizungstechnik und innovationen im soll der Anteil der erneuerbaren nachhaltigkeit auf Basis des Mandats Bereich der Ziegelbauweise sowie der energiequellen am Bruttoendenergiever- 350 der europäischen Kommission an im Rahmen der europäischen normung (technisches Komitee Cen/tC 350 „nachhaltigkeit von Bauwerken“) zur NACHHALTIGES BAUEN 7 Die neue Bauprodukte-VO beinhaltet die grundlegende Anforderung an Bauwerke, natürliche Ressourcen nachhaltig zu nutzen. Cen wurde der Begriff Nachhaltigkeit der natürlichen Ressourcen – einen globalen erwärmungspotenzial in Zusammenhang mit Gebäuden weit entsprechenden nachweis erfordert. (global Warming potential, gWp) bis gefasst. er beinhaltet neben der ökolo- Das Bauwerk muss derart entworfen, zum einsatz von süßwasserressourcen, gischen auch noch die ökonomische errichtet und abgerissen werden, dass ausweisen. Die indikatoren sollen nach und soziale bzw. soziokulturelle die natürlichen Ressourcen nachhaltig den Lebensphasen eines gebäudes Komponente der nachhaltigkeit. genutzt werden und insbesondere (produktherstellung – Bauprozess – Bauprodukte sind daher nicht unmittel- Folgendes gewährleistet ist: nutzung – entsorgung) aufgeschlüsselt barer Betrachtungs- und Bewertungsge- (a) Das Bauwerk, seine Baustoffe und werden. Weiterhin erfolgen Angaben genstand. sie sind vielmehr Quelle von teile müssen nach dem Abriss zu den technisch-funktionalen eigen- informationen, die in ihren Auswir- wiederverwendet oder recycelt schaften und zu produktspezifisch rele- kungen auf das Bauwerk und seinen werden können; vanten prüfungen, die beispielsweise Lebenszyklus zu bewerten sind und (b) Das Bauwerk muss dauerhaft sein; den einfluss des produkts auf die innen- deren ökologische, ökonomische und (c) Für das Bauwerk müs sen umweltver- raumluftqualität charakterisieren. soziale vorteilhaftigkeit für das trägliche Rohstoffe und sekundär- gebäude, quantitativ belegbar, nach- baustoffe verwendet werden. zuweisen ist. Dieser nachweis erfolgt umweltdeklarationen nach ÖnoRM en iso 14025 stellen quantitative mittels Zertifizierungssystemen, so eine Möglichkeit des nachweises der umweltbezogene Daten auf der grund- genannten green Building Labels auf umweltperformance eines produkts lage festgelegter parameter bereit und, gebäudeebene. voraussetzung für eine stellen die Umweltdeklarationen, falls notwendig, ergänzende umweltin- entsprechende Beurteilung der ökologi- kurz epDs (environmental product formationen. es müssen alle maßgebli- schen Qualität im Rahmen dieser Declarations), dar. epDs sind vorwie- chen umweltaspekte des betrachteten gebäudezertifikate stellen diesbezüg- gend für die Kommunikation zwischen produkts im verlauf des Lebenswegs lich vorhandene produktdaten dar. unternehmen („Business-to-Business“ berücksichtigt werden. Die festgelegten Communication) vorgesehen und stellen parameter gründen sich auf die iso Für die Auswahl von Bauprodukten, Daten zur gebäudebewertung zur 14040 normenreihe („Ökobilanz- besonders im Rahmen von gebäude- verfügung. tatsächlich beschränken normen“). Die zusätzlichen umweltrele- zertifizierungen werden eine Fülle von sich epDs darauf, umwelteigenschaften vanten Angaben können quantitativ informationen über die eingebauten offenzulegen. sie nehmen keine Bewer- oder qualitativ sein (ÖnoRM en iso Bauprodukte benötigt. Am 9. März tung der ergebnisse oder gar Auszeich- 14025). 2011 ist die neue Bauproduktevo nung der produkte vor. Als wesentliches (verordnung (eu) nr. 305/2011) in element beinhaltet eine umweltdeklara- umweltdeklarationen sind in erster Kraft getreten. Künftig werden daher tion eine Ökobilanz (Life Cycle Assess- Linie für den informationsaustausch ökologische Indikatoren verstärkt nach- ment, LCA). gemäß en 15804 müssen innerhalb der anbietenden Wirtschaft gefragt werden, da die neue grundan- die Ökobilanzen eine ganze Reihe von gedacht. Der Ausarbeitung einer forderung 7 – nachhaltige nutzung insgesamt 24 Indikatoren, vom umweltproduktdeklaration geht die 8 ACR INNOVATIONSRADAR erstellung von produktkategorie-Regeln ment – Ökobilanz – prinzipien und allgemeine eine weitere, allerdings reduzierte (pKR) voraus. Diese pKR stellen dann Anforderungen (iso 14040: 2006). oktober Form der ökologischen Charakterisie- (zusätzlich zur normung) die Basis für 2006; • ÖnoRM en iso 14044 umweltmanage- rung stellt die CO2-Bilanz (Co2- ment – Ökobilanz – Anforderungen und Anlei- Fußabdruck, carbon footprint/CFp) dar. werden die produktkategorien definiert tungen (iso 14044:2006), oktober 2006; sie ist bei Bauprodukten noch kaum und deren typische umweltwirkungen iso 21930 Building construction – sustainabi- verbreitet, findet aber im Lebensmittel- die erstellung von epDs dar. in den pKR geregelt. sie enthalten alle produktspezifischen Regeln, Anforderungen und prüfverfahren. Die produktkategorieRegeln werden unter einbeziehung der interessierten Kreise erarbeitet und durch ein gremium unabhängiger lity in building construction – environmental declaration of building products. oktober 2007; • ÖnoRM en 15804 nachhaltigkeit von Bauwerken – umweltdeklarationen für p rodukte – grundregeln für die produktkategorie Bauprodukte. März 2012; • Fpren 15942 nachhaltigkeit von bereich europaweit und auch in Österreich bereits Anwendung. Der carbon footprint stellt die treibhausgasbilanz (Leitsubstanz Co2 und alle treibhausrelevanten gase mit deren Wirksamkeit bezogen auf die Leitsubstanz) eines Dritter überprüft. grundlagen für Bauwerken – umweltproduktdeklaration – produktes dar und kann somit als ein, produktkategorie-Regeln sind in der Kommunikationsformate: zwischen unter- wenn auch wesentlicher, teilaspekt en 15804 zusammengestellt. nehmen. Mai 2011; • Fpren 15978 nachhaltigkeit von einer umweltdeklaration angesehen Bauwerken – Bewertung der umweltbezogenen werden. Wesentliche normenwerke, Relevante normen hierzu sind demnach (teil- Qualität von gebäuden – Berechnungsme- welche die grundlage der erarbeitung weise noch in der entwurfsphase): thode. Mai 2011 (schlussentwurf); eines CFp bilden, sind: • ÖnoRM en iso 14025 umweltkennzeich- • Fpren 15978 sustainability of construction nungen und -deklarationen – typ iii umweltde- works – environmental product declarations – klarationen – grundsätze und verfahren (iso Methodology and data for generic data. April 14025: 2010). Juli 2010; 2009 (schlussentwurf). • ÖnoRM en iso 14040 umweltmanage- • iso/CD 14067-1 Carbon footprint of products – part 1: Quantification; • iso/CD 14067-2 Carbon footprint of products – part 2: Communication. NACHHALTIGES BAUEN 9 Abbildung 1: geographische Zuordnung der gebäudezertifizierungssysteme (Quelle: hFA) green Building Labels tQB, Österreich CAsBee, Japan BReeAM, großbritannien Ögni, Österreich hQe, Frankreich LeeD, usA green star, Australien sBtool und LeeD Kanada, Kanada DgnB, Deutschland green star südafrika, südafrika igBC und LeeD, indien klima:aktiv, Österreich green star nZ, neuseeland in den letzten Jahren wurden in vielen Ländern nationale, aber auch international angewandte Green Building Labels (in Österreich: Ögni, klima:aktiv, tQB) entwickelt. Ausgereifte Zertifizierungssysteme sind ein detaillierter Leitfaden, der alle notwendigen nachhaltigkeitsaspekte umfasst Aktuelle normenentwürfe hierzu sind: • Fpren 15643-1 nachhaltigkeit von Bauwerken - Bewertung der nachhaltigkeit von gebäuden – teil 1: Allgemeine Rahmenbedingungen; • Fpren 15643-2 nachhaltigkeit von Bauwerken – Bewertung der nachhaltigkeit von gebäuden – teil 2: Rahmenbedingungen für die Bewertung der umweltbezogenen Qualität; • pren 15643-3 nachhaltigkeit von im Bereich der nachhaltigen gebäudesicherheit gibt es z.B. im D-A-Ch-Raum (Deutschland, Österreich, schweiz) Bestrebungen, (ökologische) Baumaterialien und Bauprodukte hinsichtlich ihrer hagelresistenz zu klassifizieren. Dies basiert auf den Bemühungen der schweiz, wo durch die vereinigung und deren umsetzung im Bauprozess Bauwerken - integrierte Bewertung der Qualität Kantonaler Feuerversicherungen (vKF) quantifizier- und vergleichbar veran- von gebäuden – teil 3: Rahmenbedingungen ein dementsprechender standard schaulicht6. neben vielen privaten für die Bewertung der sozialen Qualität; • pren 15643-4 nachhaltigkeit von geschaffen wurde, der nun auch in Bauwerken - integrierte Bewertung der Qualität Österreich zur Anwendung kommt.8,9 scher (Cen tC 350) und internatio- von gebäuden – teil 4: Rahmenbedingungen eine europaweite standardisierung der naler ebene (iso/tC 58/sC 17) für die Bewertung der ökonomischen Qualität; bislang nur regionalen Regelungen für initiativen gibt es auch auf europäi- Bestrebungen ein umfassendes, harmonisiertes Regelwerk zur gebäudezertifizierung zu erarbeiten7. • pren 15978 nachhaltigkeit von Bauwerken – Bestimmung der umweltleistung von gebäuden – Berechnungsmethode; • pren 15942 nachhaltigkeit von Bauwerken – umweltproduktdeklarationen- Kommunikationsformate zwischen unternehmen. 10 ACR INNOVATIONSRADAR Windlasten wird angestrebt. ENERGIEEFFIZIENZ die verwendung grüner technologien Der von Jahr zu Jahr stärker werdende bei Ren ovierungen gelegt. Leistbare werden umfassender wahrgenommen. trend zum nachhaltigen bzw. ressour- energie- und Wasserspeichergeräte Die entwick lung von systemen, die • energiesparende Maßnahmen ceneffizienten Bauen zeigt sich in werden diesen trend begleiten und eine genaue überwachung des einem beachtlichen interesse an sollten für die hersteller herausragende verbrauchs über das internet ermögli- „grünen produkten“. Dies spiegelt sich ökonomische Chancen bieten. chen, steht im Mittelpunkt dieses trends. vor allem bei geräten wider, die auf • Auch im Bereich der effizienten Die verwendung von energiemessge- energieeffizienz in gebäuden setzen. nutzung von Wasser zeichnet sich ein räten stellt dabei eine Möglichkeit dar, Derzeit investieren viele private haus- umdenken ab. Dem einsatz von spar- den energieverbrauch festzustellen und halte und unternehmen in neue ressour- samen einrichtungsgegenständen, damit sparmaßnahmen umzusetzen. ceneffiziente technologien. von ener- Regenwassernutzungssystemen und Daher gibt es bei der herstellung von gieeffizienten einbaugeräten (z. B. anderen innovativen Wassertechnolo- solchen geräten und Anwendungen Kühlschränken) über hochwärmege- gien, die den verbrauch von Wasser ein großes potenzial, das noch lange dämmte Fenster und türen bis zu zertifi- nachha ltig reduzieren, wird ebenfalls nicht ausgeschöpft ist. zierten holzprodukten und anderen ein großes Marktpotenzial attestiert. recyclierbaren Materialien wird alles • nullenergiehäuser, also gebäude • Die sicherheit von „grünen Materialien“ steigt insbesondere auch im unter dem Begriff „grünes Bauen“ die keine externe energie beziehen, Brandschutz. Dazu kommen neue zusammengefasst. sondern ausschließlich selbst erzeugte produkte, die auch die schutzziele von energie verbrauchen, werden vermehrt öffentlichen gebäuden erreichen, bei • Da immer mehr Länder investitionen als standard angesehen. von einer vergleichbaren preisen zu herkömmli- in diesem sektor vorantreiben und produktsichtweise ergeben sich hier chen produkten. verschiedenste Anreize setzen, wird beispielweise Chancen für hersteller sich der Zuspruch für „grünes Bauen“ von dreifach verglasten Fenstern oder weiterhin verstärken. in vielen Ländern energieüberwachungssystemen. gibt es bereits diverse produktzertifizie- Der Ausweis des energi everbrauchs rungen, welche die entscheidung für bei immobilien stellt einen weiteren ein „grünes produkt“ erleichtern sollen. trend dar und wird sich als entspre- • in den nächsten Jahren wird sich dieser trend auch bei gewerbebauten chender nachfragefaktor etablieren. • solarenergie wird weiterhin eine wieder deutlicher zeigen. nachdem im große Rolle im Bereich des „grünen Jahr 2010 ein dramatischer einbruch Bauens“ spielen. Möglichkeiten für in diesem sektor zu verzeichnen war unternehmen bestehen vor allem bei prognostizieren Fachexpertinnen einen neuen solarkollektoren auf Dächern, Aufschwung. die kostengünstig installiert werden • Der Blick wird weiterhin vermehrt auf können. NACHHALTIGES BAUEN 11 Die Thermische Bauteilaktivierung ist eine vielversprechende Technologie im Bereich der Kühl- und Heizungstechnik. Die Thermische Bauteilaktivie- bereich liegen dürfte. im Wohnbau ist rinnen für Kundengespräche? rung (tBA) ist eine sehr vielverspre- sie – abgesehen von Fußbodenhei- Klärung des vorwissens der Ziel- zungen – noch eine technologie, die gruppen; chende technologie TECHNOLOGISCHE TRENDS im Bereich der Kühl- derzeit eher im sinn von pilotprojekten und heizungstechnik. zu finden ist. Gerade in diesem Markt Potential. 12 Zur steigerung der liegt für KMU enormes energieeffizienz wird KMu-Zielgruppen für den Bereich der durch nutzung der tBA sind: • Klärung üblicher Lösungsstrategien, erkunden von vorbehalten bei planern und Bauherrn bzgl. tBA; interessenlagen der Branchen; • geeignete systeme für neubau und umgebungswärme oder Abwärme ein • Baufirmen / Baumeisterinnen wesentlicher Beitrag zur Reduktion des • installateurinnen / haustechnikerinnen • Bedeutung der Kühlfunktion (vorteile verbrauchs von primärenergie geleistet. • gebäudetechnik-planerinnen / Archi- der niederen Betriebstemperaturen, sanierung, passivhaus; tektinnen / Ziviltechnikerinnen nachtlüftung). die tBA zu einem hohen Maß an Der stand der technik zum thema, Wie bereits erwähnt, wird von exper- Behaglichkeit bei gleichzeitiger Ein- insbesondere die ergebnisse aus tinnen ein umfangreiches Ausbildungs- sparung von Betriebs- und Errichtungs- diversen im Jahr 2011 eingereichten programm gefordert, um diese vielver- kosten10 klassischer Klimatechnik bei. bzw. begonnenen Forschungsprojekten sprechende und nachhaltige techno- experteninnenbefragungen haben (Forschungsinitiative „nachhaltigkeit logie in die breitere umsetzung zu ergeben, dass in den einschlägigen Massiv“, Leitfaden „Wirksame spei- führen. in verbindung mit einem modernen energiestandard des gebäudes trägt Aus- und Weiterbildungen die tBA chermasse im modernen, nutzungsflexi- bisher nur ein Randthema darstellt. Auf blen Bürobau“, in weiterer Folge auch Die österreichische Zementindustrie dem Fachbuchsektor existiert eine Rechenkern und Benutzerhandbuch) plant beispielsweise: kleine Zahl durchaus wertvoller publika- sind die grundlage für die weitere • projekte zur errichtung von simulati- tionen zu Funktion, planung und Betrieb entwicklung dieser technologie. Dazu onsräumen (für praxisnahe Ausbildung) von tBA, in Fachzeitschriften gibt es muss jedoch ein umfassendes Ausbil- und die erarbeitung von Lehrunterlagen Artikel über spezifisch ausgeführte dungsprogramm geschaffen werden. 13 (Bauakademie/htL/Fh/uni); projekte. um diese vielversprechende Des Weiteren bedarf es einer systemi- und nachhaltige technologie in die schen erkundung der Ansprüche der breitere umsetzung zu führen, bedarf Zielgruppen (Lehrlinge, polierinnen, • Öffentlichkeitsarbeit; es weiterer Information, Bewusstseins- Baumeisterinnen/installateurmeiste- • veranstaltungen. bildung und fachlicher Schulung11. • Durchführung von Studienreisen mit KMU zu ausgeführten Objekten; 14 rinnen, Lehrende an Bauakade- Die tBA hat im neubau von gewer- mien/installateurinnenausbildung, Die tBA ist – abgesehen von der beimmobilien bereits einen Marktanteil Architektinnen): Anwendung im niedrigstenergiege- erobert, der nach einschätzung von expertinnen im zweistelligen prozent- 12 ACR INNOVATIONSRADAR • Welche Argumentation brauchen Baumeisterinnen/installateurmeiste- bäude – keine neue technologie, dennoch ist der Wissensstand in den betroffenen Fachkreisen noch mangel- groß ist der Anstieg der holzbauten in holzbausysteme haben vorzüge haft15. Österreich16. sowohl im Neubau als auch im Sanie- gerade aus diesem grund Auch der technische bietet die tBA zur energieeffizienzstei- Wandel in der erzeugung und in den rungsbereich, da holzbauelemente z.B. gerung von gebäuden im Wohnbau Betrieben trägt maßgeblich dazu bei, bei Aufstockungen durch das geringe enorme Chancen und potenziale für den ökologischen Baustoff holz immer gewicht nur reduzierte statische KMu, es braucht dazu aber auch noch mehr in den vordergrund zu stellen. Maßnahmen erfordern. Weitere politische und gesetzliche Rahmenbe- Besonders wichtig dabei ist, dass dem vorteile hat der holzbau aufgrund des dingungen, standards (implementie- Baustoff holz auch in den Bauord- schnellen Baufortschrittes und der rung in normen, Rechenkern etc.) und nungen, in den normen und Bautech- vermeidung des eintrags von Ausbildung, um diese vielverspre- nikgesetzen eine gleichstellung mit Baufeuchte. Während der gesamten chende technologie auf breiter Basis anderen Baustoffen zuerkannt wurde. produktionskette, welche den schnitt umsetzen zu können. hier kann die Demzufolge wird aktuell und künftig der Bäume, die herstellung, Bearbei- umsetzung der europäischen Klimapo- der holzbau mit dem Baustoff holz in tung der produkte (sägen, oberflä- litik bzw. der neuen europäischen verbindung mit anderen Baustoffen, chenbearbeitung, Zusammenbau etc.) Bauproduktenverordnung (Abschnitt 7: wie z.B. glas und Metall nahezu unbe- sowie den transport zur Baustelle und nachhaltigkeit) einen wesentlichen grenzte Einsatzmöglichkeiten bieten. die Montage mit einschließt, ist der Beitrag liefern. Diese Kombinationen bieten neue Energieaufwand (die so genannte Brandschutzmöglichkeiten, die sich „graue energie“) sehr gering.17 Der industrielle Holzbau und das auch in aktuellen normen und Richtli- Zimmererhandwerk, mit all ihren nien niederschlagen (z. B. mehrge- Die einfache vorfertigung von holzbau- einsatzmitteln und Materialien sowie schossiger holzbau in der oiB-Richt- teilen, wie sie seit Jahrzehnten prakti- holzwerkstoffen, eröffnen eine vielfalt linie). ziert und mittlerweile aufgrund der von Möglichkeiten. Dementsprechend langen erfahrung perfektioniert wurde, NACHHALTIGES BAUEN 13 Holz- und Ziegelbauweise eröffnen eine Vielfalt von Möglichkeiten. stellt ein Charakteristikum der indus- die Massivholzbauweise etabliert. hier Recycling. Die Klebetechnik von plan- triellen holzbauweise dar. Durch die sind vor allem die Brettstapel- und die ziegeln mittels pu-schaum ermöglicht werkmäßige Fertigung in der halle und Brettsperrholzbauweise zu erwähnen. durch die hohe Zugfestigkeit der Lager- die daraus resultierende unabhängig- Bei der Brettstapelbauweise werden fuge die werksmäßige vorfertigung und keit von Wind und Wetter auf der hochkant dicht an dicht stehende den transport von ganzen Wänden. Baustelle können sehr hohe genauig- Bretter durch verleimen, durch verdü- Bei der herstellung von ortmauerwerk keiten und Qualitäten erzielt werden. beln mit holz oder durch vernageln können durch schnelleren Baufortschritt Dies stellt einen wesentlichen vorteil verbunden. elemente können bis zu bei geringerem personaleinsatz wesent- dieser Bauweise dar, welcher aber 10 m lang gefertigt werden, wobei die liche einsparungen erzielt werden. auch durch entsprechende Werkzeuge elementbreite nur durch die transport- Dazu kommen die längere Bausaison wie beispielsweise Durchführung einer möglichkeit einschränkt ist. Als Brett- (verarbeitung bis –5°C) und der insge- Ökobilanz, beziehungsweise im Falle sperrholz werden kreuzweise mitei- samt geringere Materialeinsatz. des holzbaus wohl geeigneter, in Form nander verleimte Bretter bezeichnet, eines carbon footprints in verständli- wodurch ein großformatiges, flächig eine neue technologie ist der einsatz cher Weise transparent gemacht tragendes Massivholzelement entsteht, eines Mörtelvlieses, welches als werks- sollte18. Dieses, in anderen welches nicht mehr durch eine zusätz- mäßig vorgefertigtes, hochwertiges und europäischen staaten längst übliche liche holzwerkstoffplatte ausgesteift lagerfähiges produkt zwei wesentliche und etablierte system zum nachweis werden muss. Die einzelbretter werden vorteile aufweist: Mörtelverbrauch und der Klimarelevanz eines produkts, wird der Länge nach durch Keilzinkung kraft- personaleinsatz werden gegenüber mittelfristig, aufgrund der kaum schlüssig miteinander verbunden. erfor- konventioneller Mörtelung reduziert, geringer werdenden Relevanz des derliche Ausnehmungen für Leitungen zugleich sind höhere Maßtoleranzen Klimawandels, auch in Österreich etc. sind einfach einfräsbar und der der Ziegel als bei pu-verklebten plan- komplette Bauteil in der produktion ziegeln zulässig. werden eingeführt werden müssen19. Das ergebnis einer derartigen Berechnung vorkonfektionierbar. Längen bis zu ist wohl nur eine Zahl mit der entspre- 12 m sind möglich, die Breite wird hochporosierte Ziegelscherben und chenden Begleitdokumentation für den auch hier in erster Linie durch den feinstrukturierte Lochbilder reduzieren Auftraggeber. Damit lassen sich mit transport limitiert. den Wärmestrom und sorgen für einen optimalen Wärmeschutz. Für energie- dem effekt einer klimarelevanten verbesserung ökologische schwächen im Bereich der Ziegelbauweise sparende monolithische Ziegelwände in der produktion bzw. im Lebensweg werden die aktuellen entwicklungen kommen in zunehmendem Maße des produkts aufdecken und gegebe- durch drei schwerpunkte geprägt: gefüllte hochloch-Ziegel zum einsatz: nenfalls beheben. Kostensenkung bei der Bauwerkserrich- als Füllmaterial kommen dabei haupt- tung, energieeinsparung beim gebäu- sächlich mineralische Dämmstoffe in den letzten Jahren hat sich, beson- debetrieb und durchgängiger umwelt- (Wolle oder Blähmaterial) sowie eps ders im mehrgeschossigen holzbau, schutz von der produktion bis zum zum einsatz. 14 ACR INNOVATIONSRADAR NACHHALTIGES BAUEN 15 Der Baustoff Ziegel ist ein nachhaltiges Für den Bau von niedrigenergie- und rungspotenzial im herstellprozess sowie Produkt mit hoher Qualität hinsichtlich passivhäusern stehen drei Ziegelwand- bei den wandbildenden ergänzungsma- Gesundheit und Umwelt. Die ökologi- systeme zur verfügung: terialien. Ziegel erfüllen bereits die schen Maßnahmen konzentrieren sich • einschalige (monolithische) Bauweise grundlegende eigenschaft der hohen daher auf eine sinnvolle Wiederverwer- mit Ziegeln, die spezielle Wärme- Widerstandsfähigkeit gegenüber tung. Ziegel ist ein ökologischer Bau- dämmeigenschaften aufweisen; mechanischen, biologischen und chemi- • einschalige Ziegelbauweise mit schen Beanspruchungen. neue bauphy- stoff, dies beweisen positive Ökobilanzen, d. h. eine ganzheitliche Zusatzdämmung (entweder Wärme- sikalische Anforderungen wie Wärme- Bewertung aller ökologisch relevanter dämmverbundsystem oder gefüllte speicherung, Luftdichtheit und Wärme- Faktoren über den gesamten produkt- Ziegel); brückenfreiheit sind durch die Lebenszyklus des Ziegels hinweg: von • Zweischalige Ziegelbauweise mit Ziegelbauweise zusätzlich erreichbar. der herstellung über die verarbeitung einer Dämmschicht zwischen den Zur Absicherung der Marktposition sind und den gesamten Lebensweg bis hin beiden Ziegelscharen. systemtechnische Maßnahmen zur zu Recycling und Wiederverwendung. verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Die größten stärken des Ziegels sind Mit diesen drei unterschiedlichen ökologische Maßnahmen beim herstell- der ausreichend vorhandene Rohstoff, Ziegelwandsystemen lässt sich jede prozess und bei der Auswahl der sehr geringe emissionen, Langlebigkeit energiesparende Bauweise (niedrig- ergänzungsmaterialien erforderlich. und optimale verarbeitbarkeit. Mit energiehaus, niedrigstenergiehaus, modernen produktionstechnologien lässt passivhaus, plusenergiehaus, sonnen- Die energiegewinnung mittels solar- sich auch ein geringer energiever- haus etc.) errichten. es werden die thermischer Kollektoren ist welt- brauch bei der herstellung erzielen. Wärmeverluste reduziert und beson- weit betrachtet in einer ähnlichen genutzt. 20 größenordnung wie die Windenergie Die Ziegelbauweise eignet sich zur ders die solaren gewinne errichtung von niedrigenergie- und Zu den vorteilen der Ziegelbauweise und übersteigt die nachfolgenden tech- passivhäusern und für andere Co2- gehören: Behaglichkeit zu jeder Jahres- nologien geothermie, photovoltaik und Ausstoß-minimierende Konzepte (z.B. zeit, angenehme Luftfeuchtigkeit, gezeitenkraftwerke bei weitem22. Der solar-Aktivhaus), bietet die richtigen Wärme- und schallschutz, Brandschutz, weltweit größte Markt bei installierter voraussetzungen für ein angenehmes Luft- und Winddichtheit und Flexibilität solarthermischer Leistung ist China mit sommerklima und zur vermeidung von in der Ausführung. Der Ziegel kann ca. 58 %, dabei kommen vorwiegend Kühlenergiebedarf. niedrige u-Werte nicht nur als klassischer Wandbaustoff vakuumröhrensysteme zum einsatz. Der gekoppelt mit der hohen speichermasse verwendet werden sondern auch für europäische Markt deckt etwa 18 % der des Baustoffes Ziegel bewirken einen Decken, Keller und Dach eines weltweit installierten solarthermie ab, geringen heizwärmebedarf des hauses gebäudes sowie als Klinker zur und dies fast ausschließlich mit Flach- in der heiz- und übergangssaison. garten- und Fassadengestaltung 21. kollektoren. Die europäischen haupt- Beim Ziegel als natürlichem und nach- märkte sind Deutschland (38 % der neu haltigem produkt liegt das verbesse- installierten Flächen 2009), italien (9 %), 16 ACR INNOVATIONSRADAR spanien (9 %), Österreich (8 %) und Aktuelle technologieentwicklungen dabei europaweite Zuwachsraten von Frankreich (8 %). (verbesserte systemtechnik), die zumindest 5,5 Mio. m² jährlich bis entsprechende produkt- bzw. Markt- 2020 prognostiziert. Die wesentlichen herausforderungen relevanz haben, umfassen: im Bereich der solarthermischen systeme für die Forschung sind: • Die entwicklung von kompakten Wärmespeichern mit hohen energiedichten; 23 Die vision von „smart solar collectors“, • hybridsysteme in Kombination mit Wärmepumpen und Biomasse;25 • Die multifunktionelle gebäudehülle mit integrierten Kollektoren; • Die entwicklung neuer Materialien (z.B. polymer- oder nanowerkstoffe) für Kollektoren und andere Komponenten; • innovative Lösungen für die einbindung von solarwärme in Mikro-, nahund Fernwärmenetze. 26 • grundlagenforschung für verbesserungen bei solarer Kühlung. 24 die durch passiv oder aktiv ausgelöste Anpassung ihrer optischen und/oder thermischen eigenschaften auf die aktuelle Bedarfs- und Angebotssituation reagieren können, basiert im Wesentlichen auf der Weiterentwicklung von „smart materials“, der Miniaturisierung mechanischer und fluidischer Bauteile niedertemperatur-solarthermieanlagen sowie der zunehmenden vernetzung werden bislang fast ausschließlich im technischer Komponenten in gebäuden. Ausgereifte Flachkollektoren können Bereich trinkwassererwärmung und in diesen technologiebereichen sind im derzeit temperaturen bis ca. 120°C heizungsunterstützung eingesetzt. Die Zeitraum bis 2030 deutliche Fort- zur verfügung stellen. eine Anforde- in Österreich im Jahr 2010 neu instal- schritte zu erwarten, von denen die rung stellt die Entwicklung von kosten- lierten Kollektoren waren zu 94 % solarbranche profitieren kann. eine günstigen und zuverlässigen Kollek- verglaste Flachkollektoren und zu rund besondere herausforderung stellen toren für Mitteltemperatur dar. gleich- 4 % vakuumröhrenkollektoren; der Rest hierbei bewegte Kollektorkomponenten zeitig ist es aber auch notwendig, die verteilt sich auf unverglaste Flachkollek- dar, die im stand der technik üblicher- industriellen prozesse auf das tempera- toren für die schwimmbaderwärmung weise aus gründen der Langzeitstabi- turniveau der Kollektoren abzustimmen. und auf Luftkollektoren. ein ähnliches lität vermieden werden. Andererseits neben diesen Kollektoren existieren Bild ergibt sich in Deutschland, das sind bewegte Bauteile im Bereich des systeme, bei welchen solarstrahlung gerade für österreichische produzen- sonnenschutzes notwendig und üblich, konzentriert auf Kollektoren geleitet tinnen ein wesentlicher Absatzmarkt ist. so dass auch hier interessante Kombinationen vorstellbar sind. wird und dabei temperaturen bis zu Die solarbranche geht davon aus, dass 250°C erreicht werden können. Diese die solarthermie langfristig bei entspre- technologie wird vorwiegend für die chender technologischer entwicklung Wie dargestellt, wird ein erheblicher stromproduktion (erhitzen von thermo- für die meisten Anwendungen die Anteil der derzeit installierten thermi- ölen, Abarbeiten über Dampfturbinen) kostengünstigste und sicherste Wärme- schen solaranlagen nur zur Warmwas- eingesetzt. quelle darstellt. Der solarthermie wird seraufbereitung genutzt. im Laufe des in vielen studien eine große steige- letzten Jahrzehnts sind „Kombisysteme“, rungsrate vorausgesagt. es werden die sowohl Warmwasser als auch NACHHALTIGES BAUEN 17 Raumbeheizung zur verfügung stellen, logische herausforderung dar, da die die begrenzte Fläche der gebäudehülle zum standardprodukt geworden und weite verbreitung von „Aktiven solaren optimal nutzen zu können, müssen haben in Österreich einen beträchtli- gebäuden“ weitgehend von der strukturelle Anforderungen an gebäu- chen Anteil am gesamten solarthermie- entwicklung rentabler und praktikabler dekomponenten mit solaren Funktionen markt gewonnen. voraussetzungen für Lösungen für eine Wärmespeicherung oder Wärmespeicherung sowie dünnen, die vollsolare Wärmeversorgung sind abhängt. hocheffizienten Lagen aus Dämmstoff ein sehr guter Wärmedämmstandard kombiniert werden. Die weitergehende des gebäudes, eine ausreichend große Aufgrund der begrenzt zur verfügung standardisierung wird einen modularen solarkollektorfläche sowie ein saison- stehenden Dachfläche für solarsysteme Aufbau ermöglichen und zur entwick- ales Wärmespeicherungssystem, um die werden entwicklungen bei Fassadenkol- lung modularer (ersatz-) elemente in den sommermonaten gewonnene lektoren und dachübergreifenden führen, die ein komplementäres set solarenergie im Winter nutzen zu systemen benötigt, um die nutzbare multifunktionaler Komponenten und können. Die Wärmespeicherung oberfläche zur sammlung erneuerbarer schnittstellen ergeben. stellt hierbei eine entscheidende techno- (thermischer) energie zu erhöhen. um 18 ACR INNOVATIONSRADAR Entwicklungen bei Fassadenkollektoren und dachübergreifenden Systemen sind gefragt – aufgrund der begrenzt zur Verfügung stehenden Dachfläche. schwerpunkte der aktuellen ange- erlauben und den einsatz dezentraler weit wurden im industriellen sektor erst Wärmeversorgungssysteme unterstützen. wenige solaranlagen errichtet, so dass Dabei macht der reduzierte energiever- bisher nur unzureichende erfahrungen und Wärmeabgabesysteme, welche in brauch in modernen gebäuden derar- bezüglich planung, systemeinbindung, die Konstruktion integriert sind; tige neue Ansätze aus systemtechni- Realisierung und Betrieb solarthermi- scher sicht besonders aussichtsreich. scher prozesswärmeanlagen vorliegen. (solare) Wärmequellen und Wärme- Darüber hinaus eröffnen sich durch Da sich die Anwendungen stark unter- senken, als auch zur Reduzierung der neue speichermaterialien auch neue scheiden, ist der planungsaufwand Wärmeverluste genutzt werden; Einsatzmöglichkeiten im Bereich hoher relativ aufwändig und teuer. Die tech- Temperaturen für die solarthermische nologischen Ansätze bei prozesswär- aussehen aber unterschiedliche Funk- Kraftwerkstechnik und für die bessere mekollektoren können zwischen opti- wandten Forschung sind:27 • integrale speicher, Wärmeverteil- • Fassadenkollektoren, die sowohl als • Dachelemente, die identisch tionen haben wie zum Beispiel den Nutzung industrieller Prozesswärme. mierung des optischen Konzentrations- schutz vor Witterung oder die Funktion Dabei werden z. B. granulare Fest- faktors oder der nachführungsmethode als Fenster, solare Wasser- oder Luft- körper in einen Reaktionsraum geführt unterteilt werden. optische Konzentra- kollektoren, pv-Module oder energie- und die gespeicherte oder frei tion ist eine Möglichkeit, höhere speicher; werdende Wärme abtransportiert28. Arbeitstemperaturen zu erreichen, Diese neuen speicherkonzepte weisen wobei das verhältnis von Absorber- spezielle typen von Fassadenkollek- aktuell einen sehr hohen Forschungsbe- fläche zu Aperturfläche (strahlungsein- toren oder dachintegrierten Kollektoren, darf und apparativen entwicklungsbe- trittsfläche in den Kollektor) verkleinert • „unsichtbare Kollektoren“, wie welche die Materialien nachahmen, darf auf. interessant sind in diesem wird. Der nachteil der Konzentration die in alten gebäuden genutzt werden Zusammenhang auch speicher für ist die verminderung der einstrahlwin- und kleine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsan- kelabhängigen strahlungsakzeptanz lagen, da mit diesen Komponenten ein des Kollektors. Daher muss der sität der solaren Bestrahlungsstärke optimierter stromgeführter Betrieb Kollektor der sonne nachgeführt anpassender transmission. möglich ist und die anfallende Wärme werden. Die nachführung kann bei bis zu einigen tagen gespeichert geringen Konzentrationsfaktoren typi- Für neue speichertechniken sind werden kann. Bei solarthermischen scherweise saisonal realisiert werden, umfangreiche Forschungs- und entwick- Kraftwerken können die verfügbarkeit bei höherer Konzentration sind kürzere lungsarbeiten notwendig. Durch die und die stromgestehungskosten durch nachführintervalle notwendig. Die entwicklung neuer speichermaterialien installation von Wärmespeichern deut- nachführung bedingt zusätzliche auf der Basis von phasenwechsel- und lich verbessert werden. mechanische Konstruktionselemente • Fenster mit sich selbst an die inten- und bewegte teile, die zusätzliche sorptionsmaterialien sind prinzipiell völlig neue Ansätze zur Wärmespeiche- Fast 20 % des europäischen endener- Kosten und Wartungsaufwand verursa- rung mit geringen speicherverlusten gieverbrauchs werden für industrielle chen. möglich, die höhere energiedichten Prozesswärme aufgewendet. Welt- NACHHALTIGES BAUEN 19 Raumkühlung und Klimatisierung gewinnen hinsichtlich des Energieverbrauchs von Gebäuden weltweit an Bedeutung. um höhere prozesstemperaturen (150 unter Berücksichtigung des jetzigen s olaranlagen und entwicklung standar- bis 250°C) zu erreichen, sind parabol- entwicklungsstandes der thermischen disierter schnittstellen; rinnenkollektoren oder Fresnelkollek- solartechnik muss das tatsächliche • erarbeitung geeigneter strategien toren erforderlich, welche hohe nutz- und realisierbare potential der und hydrauliken zur systemeinbindung Konzentrationsraten aufweisen und solarthermischen prozesswärmeerzeu- thermischer solaranlagen in nieder- daher auch der sonne nachgeführt gung in aussichtsreichen Anwendungen temperaturprozesse sowie für Warm- werden müssen. Zur erzielung hoher und industriebranchen detailliert analy- wasser-, heißwasser- und Dampfnetze Kollektorwirkungsgrade im mittleren siert werden. Aus sicht der solar- für Mittel- und hochtemperaturanwen- temperaturbereich spielt die Minimie- technik wären die vier temperaturbe- dungen; rung der optischen und thermischen reiche bis 80°C, bis 130°C, bis 170°C verluste des Kollektors eine entsc hei- und bis 250°C von interesse und • entwicklung von branchen- bzw. prozessspezifischen Auslegungs- und dende Rolle. voraussetzung dafür ist getrennt auszuwerten. Aufbauend auf Regelungsstrategien von solaranlagen die exakte Kenntnis der optischen und den ersten Resultaten aus der überwie- und thermischen effekte im Kollektor. eine gend internationalen Zusammenarbeit • Kategorisierung von solaranlagenva- genaue Quantifizierung kann durch im Rahmen des ieA-shC-tasks 33/iv rianten zur einbindung in (kategori- Anwendung weiterentwickelter Mess- sowie eu-projekten besteht die notwen- sierte) niedertemperaturprozesse verfahren in enger verbindung mit digkeit, planungshilfsmittel (Leitfäden sowie in Warmwasser-, heißwasser- numerischen simulationen (z.B. und tools) sowie Branchenkonzepte zur und Dampfnetze. Computational Fluid Dynamics) erreicht einbindung solarthermischer Anlagen werden. Die Weiterentwicklung und in industrielle prozesse zu entwickeln. Die Raumkühlung und Klimatisierung Anwendung solcher verfahren ist eine im einzelnen sind folgende gewinnen hinsichtlich des energiever- wichtige voraussetzung für die entwick- Maßnahmen erforderlich: brauchs von gebäuden weltweit an lung und optimierung leistungsfähiger • prozessanalysen: ermittlung von Bedeutung. Auch für Österreich prog- Mitteltemperaturkollektoren. Für temperaturniveaus, Leistungen und nostiziert eine aktuelle studie einen prozesswärmekollektoren ist die Mate- energiebedarfs-profile; dramatischen Anstieg an Energiebedarf rialforschung entscheidend. Die Langlebigkeit der Komponenten bei immer • energieeffizienzstudien: Dämmung, zur gebäudekühlung. um Kühlprozesse Wärmerückgewinnung, optimierung auch mit thermischer energie anzu- höheren temperaturen muss verbessert der Wärmeverteilnetze, prozessführung treiben, existieren derzeit drei techno- werden und für die produktion der etc.; logien am Markt: Konzentratoroptik werden bessere Materialien benötigt. Diese entwick- • entwicklung geeigneter Kollektoren und anderer systemkomponenten für • Absorptionskälteanlagen: Mittels einer flüssigen Lösung aus Kältemittel lungen bedürfen einer begleitenden solare systemtemperaturen im Bereich und sorptionsmittel und einer Wärme- verbesserung sowohl hinsichtlich von ca. 90 bis 250°C; quelle wird eine thermisch angetrie- produktionstechniken, systemtests, Zertifizierung und installation. 20 ACR INNOVATIONSRADAR • identifizierung geeigneter prozessschritte zur einbindung thermischer bene verdichtung des Kältemittels erreicht und somit ein elektrisch ange- triebener verdichter ersetzt. Diese pumpen und ventilatoren zu hoch ist maschinen deutlich zu steigern, was in technologie ist im Leistungsbereich und die Primärenergiebilanz des weiterer Folge zu einer Kostenreduktion >100 kW weit verbreitet. gesamten Systems dadurch im Extrem- in der produktion führen wird. Dies fall sogar negativ gegenüber dem würde dann wiederum der solarthermi- feste sorptionsmaterialien anstelle flüs- Verbrauch herkömmlicher Kompressi- schen Kühlung zugutekommen, die siger Lösungen. Die technologie onskälteanlagen ausfallen kann. Auch derzeit noch eine sehr kostenintensive zeichnet sich durch einfachheit und die Anlagenkonfiguration (Kollektortyp, technologie darstellt. Robustheit aus. -größe, speicheranordnung, hydraulik- • Adsorptionskälteanlagen: nutzen • DeC-Anlagen (Desiccant evaporative konzept etc.) kann einen großen Cooling): offene systeme, die mit einfluss auf den primärenergiever- Wasser als Kältemittel in direktem brauch des systems haben. Die Rege- Kontakt mit der Zuluft arbeiten. es lungsstrategie einer Anlage, die z.B. im LEBENSZYKLUSKOSTEN werden derzeit systeme mit festen teillastbetrieb pumpen und ventilatoren Die Bedeutung der ermittlung von sorptionsmitteln zur trocknung der Luft drehzahlregelt und einen optimalen Lebenszykluskosten für KMu der öster- eingesetzt. Die nachträgliche Befeuch- Betrieb der Kältemaschine gewähr- reichischen Bau- und immobilienwirt- tung bewirkt die erforderliche Luftküh- leistet, kann auch wesentlich zur schaft ist als überaus hoch einzu- lung. systeme mit flüssigen sorptions- Reduktion des primärenergieverbrauchs schätzen. neben der Analyse der mitteln zur Zwischenspeicherung sind beitragen30. investitionskosten sind die Bewirtschaftungskosten für eine gesamtbeurteilung in entwicklung. Für DeC-Anlagen sind das sorptionsrad von immobilien bzw. Bauwerken von im Rahmen unterschiedlicher projekte und das Wärmerückgewinnungsrad die entscheidender Bedeutung. im sinne wird derzeit ein Monitoring einer maßgeblichen Komponenten zur erhö- des Lebenszyklus von immobilien, ganzen Reihe von Anlagen zum solar- hung der energieeffizienz. hinsichtlich welcher aus einer errichtungs- und im thermischen heizen und Kühlen durch- der entwicklung einer effizienten und Anschluss daran einer nutzungsphase hygienisch unproblematischen Rück- besteht, können erst dadurch umfas- Monitorings, bei welchen der schwer- kühleinheit wird die Methode der sende Aussagen getroffen werden. punkt eher auf den Leistungszahlen der Bakterienbekämpfung mit ultravioletter Diese sichtweise entspricht dem „total eingesetzten Kältemaschinen lag, strahlung bei einer Wellenlänge von Cost of ownership“-Ansatz (tCo), wurde und wird hier besonders viel 254 nm und die Metall-ionen Desinfek- welcher neben den investitionskosten Wert auf die Messung des stromver- tion vorangetrieben. eben insbesondere die Bewirtschaf- geführt 29. im gegensatz zu früheren brauchs aller eingesetzten Kompo- tungskosten umfasst. Diese gesamt- nenten der Anlagen gelegt. Die bisher Der einsatz von thermischen Kältema- kosten geben darüber Auskunft, welche vorliegenden ergebnisse zeigen, dass schinen im industriellen Bereich z. B. Kosten der eigentümer als auch der der stromverbrauch einiger Kompo- mit Abwärme hat das potential, die nutzer über die gesamte nutzungs- nenten wie z. B. die eingesetzten Verkaufszahlen von thermischen Kälte- dauer zu bezahlen hat. Bemerkenswert NACHHALTIGES BAUEN 21 ist der umstand, dass der Anteil der phasen des produktlebenszyklus werden Bewirtschaftungskosten an den Gesamt- in der Literatur unterschiedlich fein kosten rund 70 bis 80 % ausmacht. heruntergebrochen: Darüber hinausgehend ist der umstand • einführungsphase; (Abnutzung oder elementare schäden); • Kosten aus späteren nutzungsänderungen; • entsorgungs- (Abbruchs-)kosten. von Bedeutung, dass mit investitionen • Wachstumsphase; zu Beginn die Bewirtschaftungskosten • Reifephase; Dies hat vo r allem Auswirkungen auf nachhaltig gesenkt werden können. • sättigungsphase; die Betrachtung und Beurteilung der Diese vorgehensweise lässt unter der • Degenerationsphase (ggfs. wird auch Wirtschaftlichkeit entsprechender Annahme einer nutzungsdauer von noch von einer nachlaufphase gespro- investitionen. So können relativ Bauwerken über einen Zeitraum von 50 chen). niedrige Baukosten durch relativ hohe und mehr Jahren substantielle Beträge einsparen. Leider ist jedoch auch der Betriebskosten ausgeglichen werden im Baubereich werden im Rahmen von und umgekehrt. Des Weiteren wird im gegenteilige effekt beim sparen am Lebenszyklusbetrachtungen neben den Zusammenhang mit nachhaltigkeit der falschen platz oder zur falschen Zeit in reinen Kosten der errichtung eines Fokus zunehmend darauf gelegt, die der errichtungsphase zu beobachten. gebäudes auch alle anderen Kosten, entsorgung (den Abbruch) bereits in die während der nutzungsphase der planungsphase einzukalkulieren Der produktlebenszyklus ist ein Konzept, anfallen, erfasst. Für Bauwerke und auf umweltgesichtspunkte hin zu das den entwicklungsprozess eines bedeutet dies, dass alle der folgenden optimieren. produkts (bzw. einer Dienstleistung) von Kosten berücksichtigt werden: der Markteinführung bis zur einstellung • planungskosten; normen und Richtlinien der LCC bei der produktion (bis zur einstellung • Baukosten; gebäuden: entsprechend langfristiger serviceleis- • Betreibungskosten (z. B. energie- tungen auch über die verfügbarkeit am Markt hinaus) beschreibt. Die einzelnen 22 ACR INNOVATIONSRADAR kosten, versicherungskosten); • instandhaltungs- und Wartungskosten • Din 276 Kosten im Bauwesen – teil 1 hochbau; • Din 18960 nutzungskosten im hochbau; • Din 32736 gebäudemanagement; Die Bedeutung der Lebenszykluskosten im Straßenbau nimmt zu. Die Verfügbarkeit der Infrastruktur hat bei den Betreibern höchste Priorität. • geFMA 200 (german Facility Management) Kosten im Facility Management; • geFMA 220 Lebenszykluskostenrechnung im Facility Management; • ÖnoRM 1801. deren Anwendung für KMu aktuell und umsetzung in die praxis und technolo- zukünftig zu einem wesentlichen gischen Weiterentwicklung gibt es element ihrer Konkurrenzfähigkeit enormes potenzial für KMu, nicht nur gehören, sind u.a.: im Bereich neuer Werkstoffe/Materia- • herstellung neuer Zemente mit gerin- Die verfügbarkeit TECHNOLOGISCHE TRENDS lien/Rohstoffe, sondern auch bei neuen gerem Co 2-Anfall bei der herstel- verfahren und prozessoptimierungen. lung;33 spezialisierungen in diesen nischenbe- • helle oberflächen gegen städtisches reichen können KMu interessante der vorhandenen Aufheizen/erhöhung der sicherheit im Zukunftsperspektiven eröffnen. Bei der Verkehrsinfra- tunnel und energieeinsparung (Kühl- errichtung von gebäuden werden in struktur beeinflusst energie/Beleuchtung);34 der praxis meist die Anschaffungs- und maßgeblich die tech- • oberflächenoptimierung zur Reduk- Baukosten stark berücksichtigt, nicht nologischen entwicklungen nicht nur im tion von treibstoff- und energiever- aber die Folgekosten, d.h. es werden neubau, sondern auch bei instandset- brauch, aber auch zur erhöhung der nicht unbedingt Bauweisen bevorzugt, zung und instandhaltung. einige straßensicherheit; 35 die auf lange sicht minimale Kosten Beispiele für entwicklungen der letzten Jahre im Bereich neue Werkstoffe/Materialien/Rohstoffe, welche auch weiterhin maßgeblich die Wettbewerbsfähigkeit der KMu mitbestimmen werden, sind: • vorgespannte Betonbrücken ohne • Qs im Betonstraßenbau (optimierung Lärm/ebenheit/helligkeit etc.);37 • Keilspaltverfahren zur Beurteilung des Materialverbundes. • schadstoffreinigung mit photokatalytisch aktivierten oberflächen; 31 • Recycling und schonung natürlicher Ressourcen; • erhöht brandbeständige Betone für verkehrsinfrastruktur; verursachen. Abdichtung; 36 Bei heizkesseln und Raumheizgeräten, wie z. B. dem Kachelofen, wurde bislang hauptsächlich darauf geachtet, die Anschaffungskosten möglichst gering zu halten. Künftig werden die expertenbefragungen im Bereich Lebensdauer der heizanlage, der Lebenszykluskosten von straße/ Amortisierungszeitraum, und die Brücke/tunnel betonen die zukünftige entwicklung der heiz- und energie- Bedeutung der Lebenszykluskostenana- kosten (Öl, gas, holz etc.) zunehmend lyse (Life Cycle Cost Analysis/LCCA) eine Rolle bei der Kaufentscheidung unter einbeziehung der Betriebs- und spielen. Kachelöfen übertreffen mit erhöhter Brandbeständigkeit und nutzungsphase und der sozialen einer Mindestlebensdauer von 30 helligkeit; 32 Aspekte (verfügbarkeit, straßensicher- Jahren vergleichbare produkte zumin- heit, nutzerkomfort etc.). Die verfüg- dest um den Faktor 2. Die dadurch barkeit der infrastruktur hat bei den seltener erforderliche erneuerung bzw. Betreibern höchste priorität. viele tech- entsorgung, verbunden mit der verwen- neue verfahren, die in diesem Zusam- nologische entwicklungen der letzten dung des von nur geringeren preisstei- menhang zum einsatz kommen und Jahre sind vielversprechend. Bei deren gerungen betroffenen erneuerbaren • selbstverdichtender Beton mit • 2-stunden-Beton zur schnellreparatur von Fahrbahndecken. NACHHALTIGES BAUEN 23 Brennstoffs holz, lassen bei einer Bei den solarthermischen Die verwendung von umweltresistenten verstärkten Berücksichtigung der Systemen werden Ökobilanzen der Materialien und Befestigungstechniken Lebenszykluskosten vorteile gegenüber Kollektoren auf der Basis von hersteller- wird zukünftig nicht nur ein Kriterium anderen heizsystemen, z. B. mit angaben untersucht und mit einem bei qualitätsbewussten Käufern, fossilen Brennstoffen, erwarten. hydraulischen system38 ergänzt. sondern auch vorgabe durch versiche- Außerdem fördert eine ausreichende Berücksichtigung finden dabei auch die rungen zur Minimierung der schadens- Betrachtung der Lebenszykluskosten die über den Lebenszyklus anfallenden menge und häufigkeit 39,40 sein. verwendung hoch qualitativer (österrei- Aufwendungen für Betrieb und steigende schäden und unkalkulier- chischer) Materialen und deren Wartung, Recyclingpotentiale und bare Risiken sorgen für einen umdenk- hersteller – in der Regel KMu – gutschriften für zum Beispiel substitu- prozess der versicherungswirtschaft, wogegen bei ausschließlich kurzfris- ierte Dacheindeckungen. Für die Bilan- der sich in absehbarer Zeit direkt auf tiger Betrachtung der investitionskosten zierung wird der zur herstellung der die verwendung von resistenten Mate- ein Anstieg der verwendung weniger Anlage verwendete primärenergieinhalt rialien auswirken wird. Der einsatz von qualitativer, kostengünstigerer Materia- den erwarteten erträgen und Carbonfasern nimmt bereits jetzt in lien zu erwarten ist. eine ähnliche gutschriften aus Recycling gegenüber- vielen Anwendungsbereichen des nach- Argumentation gilt auch für die österrei- gestellt. Die energetische Amortisations- haltigen Bauens zu. Besonders in der chischen hafnerbetriebe – allesamt zeit liegt für Flachbettkollektoren im nachträglichen thermischen sanierung, gewerbliche KMu. Auch sie würden schnitt bei 1,97 Jahren, jene für vaku- die durch den steigenden Bedarf der von einer Lebenszykluskostenbetrach- umröhrenkollektoren bei 1,25 Jahren. Altbausanierung zunimmt, zeichnet sich tung gegenüber ausländischen Billigan- Bei photovoltaik-Anlagen wird der über eine langfristige Kosteneinsparung bietern profitieren. seitens des Kachel- den Lebenszyklus erbrachte ertrag und durch Qualitätseinbauten ab. Carbon- ofenverbandes werden gegenwärtig die für die herstellung erbrachten verbundstoffe weisen eine hohe Festig- grundlagendaten zu den Lebenszyklus- Aufwendungen auf eine Lebensdauer keit und steifigkeit bei gleichzeitig kosten unterschiedlicher heizsysteme von 30 Jahren ermittelt. Die ertrags- geringer Dichte auf. Durch den einbau zusammengestellt und statistisch aufbe- rechnung spiegelt im Wesentlichen die von Carbonteilen in Fassadendäm- reitet. Diese informationen stehen dann unterschiede der Wirkungsgrade der mungen wird eine verbesserte Resistenz den österreichischen hafner-Fachbe- Zellentypen wieder. Monokristalline bei hagel- oder sturmereignissen trieben zur verfügung: es gilt, das Zellen liegen bei den Wirkungsgraden erzielt. Bewusstsein der Konsumenten dafür zu wie auch bei den erwarteten Jahreser- schärfen, wie vorteilhaft sich die trägen am höchsten, amorphe Zellen im Bereich der Dacheindeckungen Lebenszykluskosten eines Kachelofens am niedrigsten und multikristalline werden vermehrt „neue“ Materialien, im vergleich mit anderen systemen Zellen dazwischen. Die energetische wie stahl, Aluminium oder sonstige darstellen. in der öffentlichen Diskus- Amortisation aller Zellen liegt im Durch- Metalle und Legierungen auf grund sion der energie- und Klimaproblematik schnitt bei ca. 3,3 Jahren. ihrer positiven eigenschaften (gewicht, ist bereits ein umdenken erkennbar. 24 ACR INNOVATIONSRADAR Witterungsbeständigkeit etc.) einge- Steigende Schäden und unkalkulierbare Risiken sorgen für einen Umdenkprozess der Versicherungswirtschaft. setzt. Dies ermöglicht metallverarbei- indem beispielsweise eine geringere tenden KMu in einen neuen Markt prämie für eine sturm- und hagelversi- einzutreten, der jedoch rein auf cherung erreicht werden kann. verdrängung basiert. Durch die zunehmende verwendung von „neuen“ Materialien und verbundstoffen sind auch die verarbeitungsmethoden einem Koordination: Wandel unterworfen. so werden Klebe- Mag. Andreas oberhuber (FgW) und schweißtechniken gegenüber schraubtechniken immer mehr bevor- Autorinnen: zugt, auch weil sie in vielen Fällen die Di harald Dehner, Di hilbert Focke, Langlebigkeit eines produktes fördern. Dr. gerald steinmaurer, Als Beispiel sei hier das hybridfügen Dr. Bernhard Zettl (AsiC) erwähnt: durch die verknüpfung von Di (Fh) isabella hofer, zwei oder mehreren Fügetechniken Di harald Mayr (Bti) können die jeweiligen vorteile der Mag. Andreas oberhuber (FgW) einzelnen techniken gezielt genutzt Miriam Leibetseder, Di Bernhard werden. schmiedinger, Di hans starl (iBs) Di Dr. Franz Dolezal (hFA) Diese neuen verarbeitungstechniken peter Krauthaufer, Msc, tragen dazu bei, dass Dacheinde- Di Dr. thomas schiffert (vFh) ckungen oder Fassadenkonstruktionen Di sebastian spaun, in Bezug auf extremereignisse, wie Dr. Johannes steigenberger (vÖZFi) hagel oder sturm, widerstandfähiger sind. Wichtig in diesem Zusammenhang sind jedoch korrekte handhabung und Aufbringung, die nur auf grund guter schulung und Ausbildung möglich sind. Die verwendung von resistenteren Materialien und techniken führt zu einer senkung der instandhaltungs- und Wartungskosten. Auch wird der einbau von widerstandsfähigen Materialien in Zukunft zu einer einsparung bei den Betriebskosten führen, LITERATUR 1 schneider Jürgen, Klimaschutzbericht 2009, herausgegeben von umweltbundesamt, Wien. 2 König holger, Kohler nikolaus, Krießig Johannes, Lützkendorf thomas, Lebenszyklusanalyse in der gebäudeplanung. grundlagen, Berechnung, planungswerkzeuge, institut für internationale Architekturdokumentation, Redaktion DetAiL. 2009. Dolezal F ranz, gebäudezertifizierung und nachhaltiges Bauen. Ökostandards in Österreich. in: Zuschnitt Attachment – sonderthemen im Bereich holz, holzwerkstoffe und holzbau. proholz Austria. Wien 2010. 3 Böhm, D. 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BMv it Bericht 14/2010 aus nachhaltig Wirtschaften projekt „Austrian Masterplan thermal energy storage”, gefördert vom Klima- und energiefonds im Rahmen der Ausschreibung „neue energien 2020“. projekte „solar Cooling opt“ und „solar Cooling Monitor“, gefördert von Klimaund energiefonds im Rahmen der Ausschreibung „neue energien 2020“ bzw. „haus der Zukunft+“. projekt „ne-ee: Monolith – Kombisystem von hybridkollektor und Luftwärmepumpe mit effizienter Anlagentechnik und innovativen Regelstrategien“, gefördert von vom 26 ACR INNOVATIONSRADAR Klima- und energiefonds im Rahmen der Ausschreibung „neue energien 2020“. 26 projekt „solheat.net – Lastmanagement für solarthermische Fernwärmeunterstützung am Beispiel Wels“, gefördert von der FFg, im Rahmen der Ausschreibung „energie der Zukunft“. 27 s. endnote 23 28 projekt „Flow-t Cs: verlustfreie solarspeicher mittels thermochemischer granularFlow-Materialien“, gefördert von vom Klima- und energiefonds im Rahmen der Ausschreibung „neue energien 2020“. 29 projekt „solar Cooling Monitor“, gefördert vom Klima- und energiefonds im Rahmen der Ausschreibung „haus der Zukunft +“. 30 projekt „solar Cooling opt“, gefördert vom Klima- und energiefonds im Rahmen der Ausschreibung „neue ene rgien 2020. 31 Krispel st., peyerl M., schadstoffreduktion durch Betonflächen – neueste entwicklungen; Betonfahrbahndecken 2009 – Kongress 11./12. november 2009 Bratislava, slowakische Republik, s. 53–66. 32 Krispel st., peyerl M., selbstverdichtender Beton mit erhöhter Brandbeständigkeit und helligkeit, BMvit straßenforschung heft 598, 2011, s. 145. 33 Krispel st., nischer p., peyerl M., Macht J., ein n euer Zement als Win-win-situation sowohl für Zement- und Betonhersteller als auch für Konsumenten und umwelt, Zement und Beton 5/2011, s 34 -36. steigenberger J., Zement mit geringem Co 2Anfall bei der herstellung, ACR Jahresbericht 2009, Ausgabe Mai 2010, seite 56–57. 34 Krispel st., peyerl M., erwärmung städtischer straßennetze bei sommerlichen hitzewellen, vÖZ-Broschüre 1/2011, s. 14, innovatio n & nachhaltigkeit im Betonstraßenbau, publikation anlässlich der Festveranstaltung zum 75. geburtstag von BR h.c. prof. Di Dr. techn. hermann sommer. 35 Concrete pavements contribute to decarbonising of transport, eupAve; Brüssel 2011. Milachowski Ch., stengel th., gehlen Ch., Life cycle assessment for road construction and use, 11th international symposium on concrete Roads, sevilla, 13.–15. oktober 2010. 36 peyerl M., vorgespannte Betonbrücken 37 38 39 40 ohne Abdichtung und Fahrbahnbelag, BMvit straßenforschung heft 599, 2011, 104 seiten. steiner M., Modernes Qs – Manangement – unabdingbare voraussetzung für eine nachhaltige Betondeckenbauweise, innovation & nachhaltigkeit im Betonstraßenbau, publikation anlässlich der Festveranstaltung zum 75. geburtstag von BR h. c. Di Dr. techn. hermann sommer, Februar 2011, W ien, seite 11. ÖnoRM env 12977-2:2001 – thermische solaranlagen und ihre Bauteile – Kundenspezifisch gefertigte Anlagen – teil 2: prüfverfahren ipCC 2007: Zusammenfassung für politische entscheidungsträger. in: Klimaänderung 2007: Wissenschaftliche grundlagen. 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Dabei lage entwickelter Volkswirtschaften von werden technische Fragestellungen bei der Warenproduktion über private oder der Konstruktion der Kollektoren und staatliche Dienstleistungen bis hin zur der Integration in Dach oder Fassade Gestaltung individueller Lebensstan- bearbeitet. dards. Um die dafür benötigten Energieressourcen bereitzustellen, werden Das vorliegende Innovationsradar nach wie vor überwiegend fossile Ener- stellt eine Auswahl aus den Themen gieträger eingesetzt, was bei einem Biobrennstoffe und Solarthermie/Photo- zusätzlich steigenden Energiebedarf voltaik in den Fokus, und präsentiert von Haushalten und Industrie zuneh- auf Basis der entsprechenden ACR- mend negative Auswirkungen (vor Kompetenzen detaillierte Informationen allem über die damit einhergehenden zu innovativen Technologien und deren CO2-Emissionen) auf den globalen Kli- Nutzen auch für kleine und mittlere mawandel hat. Es ist daher dringend Unternehmen (KMU). Im ersten Teil geboten, den weiteren Anstieg von kli- stehen die festen Biobrennstoffe im marelevanten Emissionen zu drosseln. Mittelpunkt und darin werden basie- Österreich ist in diesem Bereich bereits rend auf der Prozesskette verschiedene unter den Technologieführern und die Stationen bei der Produktion bzw. Strategie 2020 des Rats für Forschung Konzeption genauer beleuchtet. Der und Technologieentwicklung regt zweite Teil widmet sich der direkten dementsprechend an, die Themen Sonnenenergie. Sie kann ebenso zur Nachhaltigkeit, Umwelt und Energie als Erzeugung von Wärme für unterschied- Schwerpunktthemen für Forschung und liche Anwendungen in Haus und Indus- Innovation zu forcieren. Das Schwer- trie herangezogen werden wie auch für punktfeld Umwelttechnik und erneuer- die Stromerzeugung. Dieser Teil gibt bare Energie leistet hier mit den darin u. a. Einblick in Nutzen und Möglich- gebündelten Expertisen der beteiligten keit der Integration (Dach oder ACR-Institute einen Beitrag. Diese Fassade) sowie der Speicherung der Expertise umfasst sowohl die Weiterent- erzeugten Energie. 1 wicklung fester Biobrennstoffe (Pellets) als auch die Erzeugung und Prozessoptimierung zur Nutzung von Biogas. UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 29 Feste Biobrennstoffe können aus unterschiedlichen Quellen gewonnen werden. Neben land- oder forstwirtschaftlichen Nebenprodukten werden auch Rückstände aus Produktionsprozessen eingesetzt. NEU- UND WEITERENTWICKLUNG VON BIO-BRENNSTOFFEN, DEREN HERSTELLUNG UND EINSATZ Der B ereich der neuen Biomassepo- blick zu bereits betrachteten Energie- Die Suche nach nachhaltigen und tenziale kann grundsätzlich in land- pflanzen in Mitteleuropa bietet die erneuerbaren Energiequellen beschäf- und forstwirtschaftliche Nebenprodukte Fachagentur Nachwachsende tigt die internationale F&E-Szene, und den expliziten Anbau von Energie- Rohstoffe2 (oder auch Internetplatt- Politik, Wirtschaft und Industrie in pflanzen unterteilt werden. Soll eine formen wie etwa http://www.energie- hohem Maß. Folgende zentrale Biomassefraktion der energetischen pflanzen.at). Aussagen charakterisieren die aktuelle Verwertung zugeführt werden, ist es schaften bei der Pelletierung und Der Anbau von Energiepflanzen in Verbrennung derzeit noch wenig Form von Energiegräsern und Energie- erschlossen. holz steht im Fokus vieler internationaler FEI-Aktivitäten. Einen guten Über- essenziell, die passende Technologie Unter Energiegras werden landwirt- zu wählen. Im Folgenden wird vor schaftlich angebaute Gräser zur ener- der wirtschaftlichen Herstellung und allem auf feste Biomasse eingegangen, getischen Nutzung verstanden. In des effizienten Einsatzes von nachhal- die einer Verbrennung zugeführt Österreich wird Miscanthus (Miscan- Situation: • In Zukunft werden alle Möglichkeiten tigen Energiequellen benötigt, auf die werden soll. Dies schließt jedoch thus giganteus, auch Chinaschilf oder wir zurück greifen können – ungenutzte andere Verfahren nicht aus. Elefantengras) großes Potenzial zuge- Potentiale müssen mit neuen Technolo- In der land- und forstwirtschaftlichen schrieben. Der hohe Heizwert, die gien erschlossen werden. Produktion liegt der Schwerpunkt auf günstige CO2-Bilanz und die hohe jähr- Nebenprodukten, die während der liche Ertragsmenge zeichnen diese instabilen Bio-Brennstoffmarkt verur- Ernte oder im Produktionsprozess Energiepflanze aus. Informationsmate- sacht durch Preisschwankungen anfallen. Besonders erfolgsverspre- rial und Erfahrungsberichte werden u.a. • Verunsicherung der Nutzer durch einen (abwechselnd Unterversorgung und Überproduktion z. B. bei Pellets 2006). • Politische Vorgaben und Richtlinien zur Erreichung von Klimasc hutzzielen vergrößern die Nachfrage an CO2neutralen Brennstoffen, z. B. Förderung für Biomassekessel und Biomasseheizkraftwerke, Mitverbrennung von Biomasse in Kohlekraftwerken. • Rückstände, die bei der Ernte von chende Ressourcen hierbei bilden: von den Landwirtschaftskammern bereitgestellt. Nahrungsmittel anfallen (Getreidestroh, Rapsstroh, Maisspindel, Sonnenblu- Energieholz, schnell wachsende Bäume • Produktionsseitige Nebenprodukte oder Sträucher, werden in Kurzum- (Kleie, Siloausputz, Treber, Trester, kurzer Umtriebszeiten (3 bis 10 Jahre) • Rückstände, die bei der Pflege von werden sie maschinell geerntet. Zuneh- menstängel etc.) Pülpe etc.) triebsplantagen angebaut. Innerhalb mend werden längere Umtriebszeiten Kulturen anfallen (diverse Rückstände z. B. für Pappel bis zu 20 Jahren und wird heute überwiegend Holz einge- in der Forstwirtschaft, hölzerne Neben- die Ernte mit herkömmlicher Forst- setzt. Andere landwirtschaftliche Rest- produkte des Wein- und Obstbaus etc.) technik z. B. Harvestern in Betracht • Als Rohstoff für feste Biobrennstoffe stoffe sind aufgrund ihrer Eigen- 30 ACR INNOVATIONSRADAR gezogen. Geschieht dies ausschließlich für die Energieerzeugung, wird gerne Der zugrunde Anschluss kann durch unterschiedliche liegende Entschei- Aufbereitungsschritte eine Nutzbarma- dungsprozess, ob chung bzw. eine Veredelung der diesem Zweck vorwiegend Pappeln sich eine Biomasse- Biomasse erreicht werden. Parallel oder Weiden eingesetzt, die sich fraktion zur Energie- dazu müssen Rahmenfragen geklärt der Begriff „Energiewald“ verwendet. In gemäßigten Klimazonen werden zu TECHNOLOGISCHE TRENDS neben ihrem schnellen Wachstum durch gewinnung eignet, ist in folgender werden, die den zukünftigen Einsatz erneuten Austrieb abgeernteter Triebe Abbildung dargestellt. des Rohstoffes als Brennstoff sowohl positiv als auch negativ beeinflussen auszeichnen. Nach 10 bis 20 Jahren ist die Plantage erschöpft und muss neu Zu Beginn steht jeweils die detaillierte können. Im Folgenden werden Techno- bepflanzt werden. Charakterisierung des Rohstoffs. Im logien und Entwicklungen näher erläu- Das Potenzial einer Pflanze als Abbildung 1: Entscheidungsweg „Biomasse zur energetischen Nutzung“ 3 biogener Brennstoff wird durch viele Kriterien bestimmt, allen voran ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften. Bis zu einem gewissen Grad können diese auch durch Veredelung positiv beeinflusst werden. Ob eine grundsätzlich geeignete Biomassefraktion in weiterer Folge zu einer breiten Anwendung als Brennstoff kommen kann, hängt stark von ihrem Aufkommen, ihrer saisonalen Verfügbarkeit, der Wirtschaftlichkeit ihres Transports und ihrer Lagerfähigkeit sowie der Möglichkeit, eine gleich bleibende Qualität zu garantieren, ab. Fällt die Bewertung dieser Kriterien nicht ausreichend positiv aus, kann eine dezentrale Nischenlösung den richtigen Weg darstellen. Lokale Synergien können oft durch solche innovativen Systeme genutzt werden und leisten einen wertvollen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung. UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 31 tert, die kurz und mittelfristig großes AnlagenplanerInnen vor die Frage, wie schiedlichen Branchen, die Pressen z. B. Innovationspotential besitzen. Die viel- diese zusätzlichen Prozessschritte am aus der Futtermittelproduktion. Sie versprechendsten Lösungsansätze in der energie- und kosteneffizientesten inte- waren ursprünglich nicht für die Aufbe- Biomassebranche werden im Folgenden griert werden können. Für Pelletswerke reitung unterschiedlichster, biogener präsentiert. in direkter Nachbarschaft zu Säge- Rohstoffe zu pelletierfähigem Material werken, wobei die „Produktion“ der entwickelt worden. Mit zunehmendem Biomasseverbrennungsanlagen müssen Rohstoffe (Hobel- bzw. Sägespäne) in ökonomischem und ökologischem Druck auf eine bestimmte Qualität von diesen Betrieben erfolgt, ist diese werden Fragestellungen wie die Biomassebrennstoffen dimensioniert Fragestellung eher von untergeordneter tatsächliche Eignung der Trocknungs- werden. Dies bedeutet, dass der Brenn- Bedeutung. Eine optimale, kaskadische und Zerkleinerungstechnologien im stoff so homogen wie möglich der Nutzung der Sägenebenprodukte wird Rahmen der Pelletierung in Bezug auf Feuerung zugeführt werden muss, um jedoch vor allem bei Großproduktionen Energieeffizienz, Kosten, Spanform einen reibungsfreien Betrieb gewähr- (z. B. >100.000 t Jahresproduktion) oder die angestrebte Pelletsqualität leisten zu können. Zu den relevanten immer problematischer, da mit zuneh- immer relevanter. Vor allem in verglei- Eigenschaften gehören der Feuchtege- mender Größe eine permanente, chenden Untersuchungen der unter- halt und die Korngröße. Diese beiden unterbrechungsfreie Produktion für den schiedlichen Technologien (z. B. Band-, Parameter sind Kriterien bei der wirtschaftlichen Erfolg unerlässlich ist. Rohrbündel-, Trommeltrockner bzw. direkten Verbrennung als auch bei der Zusammen mit der steigenden Rohstoff- Schredder, Hacker, Hammer-, Koller- Weiterverarbeitung zu einem hochwer- konkurrenz und der Abhängigkeit oder Prallmühlen) und ihrer Eignung für tigen, standardisierten Brennstoff wie z. vom Bedarf der grundverschiedenen die unterschiedlichen Biomassen sowie B. Pellets. Feuchtegehalt und Korn- Baubranche setzen viele Produzent- deren Einfluss auf die Pelletsqualität • Heizwert/Feuerraumtemperatur • Förderfähigkeit • Lagerfähigkeit • Aufwand und Energiebedarf bei der Innen auf Unabhängigkeit und somit wird ein technisches Innovationspoten- ganzheitliche Verarbeitung von Rund- zial für kooperative Forschung von holz. Unternehmen und Forschungsinstituten, größe sind relevant für: aber auch für unternehmerische EigenEine vermehrt stattfindende Integration forschung gesehen.4 Ernte und Logistik (Wirtschaftlichkeit der Prozessschritte am Beginn des des Produktionsprozesses) Verarbeitungsprozesses bietet ein Feld Einen weiteren Aspekt der Auswahl von neuen Optimierungsmöglichkeiten bestimmter Technologien stellen die Um Rohstoffe für die Pelletierung nutzen in Bezug auf die Energieeffizienz des Investitionskosten sowie die Betriebs- zu können, müssen dem konventio- Gesamtprozesses und die erzielbare kosten für eine Anlage dar. In der nellen Pelletierverfahren die Prozess- Pelletsqualität. Praxis bedeutet dies z. B. beim Einsatz schritte Zerkleinerung und Trock- eines Bandtrockners die notwendige nung bzw. Konditionierung vorgela- Die derzeit verwendete Technologie zur Investition in einen kostenintensiven gert werden. Dies stellt Holzpelletsproduktion stammt aus unter- Trockenspansilo zur Materialreifung, 32 ACR INNOVATIONSRADAR Durch die Vorbehandlung der Biomasse z. B. durch Torrefikation kann die Einsetzbarkeit verbessert werden. der bei Verwendung eines Trommel- breites Betätigungsfeld offen. Nicht nur Biobrennstoff. Das Verfahren selbst ist trockners gerne eingespart wird. Der Maschinen- oder Anlagenbauer können in hohem Maße energieeffizient, da Bandtrockner besitzt im Vergleich zu ihr Produktportfolio ergänzen oder die Reaktion nach dem Start weitge- Trommeltrocknern eine größere Flexibi- erweitern, sondern auch die Planung hend exotherm abläuft. Die Anfahr- lität beim gewählten Temperaturniveau neuer oder Optimierung bestehender energie wird mit nachhaltigen Brenn- und kann daher, verglichen mit dem Anlagen wird an Bedeutung gewinnen. stoffen erzeugt und das entstehende Torrefikationsgas wird wiederum zur Trommeltrockner, besser in eine kaskadische Wärmenutzung integriert Noch vor einem Jahr nur wenigen thermischen Energiegewinnung einge- werden. Die Auswahl der geeigneten FachexpertInnen bekannt, gewinnt setzt. Das Verfahren ist in der Lage Technologien bei Nutzung von Syner- torrefizierte Biomasse zunehmend an insbesondere landwirtschaftliche Rest- gien z. B. die Einbindung günstiger Bedeutung. Torrefikation wird stoffe, wie z. B. Waldrestholz, Bambus, Niedertemperaturwärme, hat somit derzeit international als eine der wich- Maisspindeln, Zuckerrohrrückstände, großen Einfluss auf die Wirtschaftlich- tigsten Entwicklungen im Bereich fester Palmkernschalen, aber auch Energie- keit des gesamten Produktionsprozesses Biomassebrennstoffe gehandelt. Die gräser wie Miscanthus zu einem Brenn- und muss immer im Gesamtkontext Grundzüge des Prozesses an sich sind stof f mit relativ homogenen Eigen- bewertet werden. Umfangreiche relativ leicht erklärt, die Gesamtheit schaften umzuwandeln. Wird die Systemkenntnis und sorgfältige Planung der Reaktionen stellt jedoch, insbeson- torrefizierte Biomasse im Anschluss sind Voraussetzung für jede Investition dere im industriellen Maßstab, eine kompaktiert, entsteht das Zielprodukt, in Pelletieranlagen. Herausforderung dar. Holzartige und das direkt als Kohlesubstitut eingesetzt krautartige Biomasse besteht haupt- werden kann, ohne bestehende Unter Zusammenarbeit von drei ACR- sächlich aus Wasser, Zellulose, Hemi- Einrichtungen der Kohleverbrennung Instituten5 wird ein europaweit zellulose und Lignin. Im Torrefikations- kostenintensiv verändern zu müssen. führendes Biomassezentrum aufgebaut. prozess wird bei 200–300°C unter Die Vorteile im Vergleich zu herkömm- Dieses Zentrum bietet die Möglichkeit, Sauerstoffausschluss zuerst das unterschiedliche Technologien direkt gesamte vorhandene Wasser ausge- miteinander zu vergleichen und die trieben, danach zersetzt sich die optimale Kombination sowie mögliches Hemizellulose und teilweise auch das Verbesserungspotenzial zu identifi- Lignin des Rohmaterials. Diese zieren. Prozesse führen zur Änderung der lichen Holzpellets sind: 18 GJ/m³ (zum Vergleich: Holzpellets • hydrophobe (wasserabweisende) 11 GJ/m³), Eigenschaften – der Brennstoff kann im chemischen und physikalischen EigenDurch die zentrale Bedeutung der • hohe Energiedichte von 15 bis schaften. Darüber hinaus kommt es zu • verbesserte Mahlbarkeit – weniger Freien gelagert werden, • geringere biologische Aktivität – daher Energieaufwand bei der Verarbeitung, Zerkleinerung und Trocknung auf die einem Masseverlust von ca. 70 %, Nutzbarmachung unterschiedlicher wobei 90 % des Energieinhalts im Fest- Ausgangsmaterialien für die Pelletie- stoff erhalten bleibt. Das sind ideale rung, steht KMU in diesem Bereich ein Voraussetzungen für den neuen sind kaum Abbauvorgänge zu beob- achten, UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 33 Abbildung 2: Rohstoffportfolio für die Torrefikation – Auswahl: Holz, Nussschalen, Bambus (Foto: ofi) Abbildung 3: Kompakteres Produkt aus torrefiziertem Material (Foto: ofi) • aus unterschiedlichsten Rohmaterialien Sie soll in den Kraftwerken fossile Ener- werken mit über 40 % weit über denen kann ein relativ einheitliches Produkt gieträger ersetzen und somit zur nach- von Biomassekraftwerken (10 bis 25 %). hergestellt werden. haltigen Energiegewinnung beitragen. Kurz- und mittelfristig ist die Co- Unter den derzeit gegebenen Bedin- Verbrennung von Biomasse die einzig Durch diese Verbesserungen können gungen ist es (noch) nicht möglich, aus nachhaltige Möglichkeit einer Verringe- hohe Einsparungen von bis zu 30 % der Stromproduktion mittels Kohle rung des fossilen CO2-Ausstoßes. beim Transport und bei der Anwen- auszusteigen. Ganz im Gegenteil, Gelingt die Entwicklung, bietet alleine dung erreicht werden, was zusätzlich Kohlekraftwerke erfahren einen kontinu- die Kohlesubstitution ein enormes zur Attraktivität des neuen Biobrenn- ierlichen Zuwachs und Kohle ist seit Einsatzpotenzial. Selbst in einem stoffes beiträgt. Langem einer der weltweit wichtigsten Szenario von „nur“ 10 % Co-Verbren- Energieträger für die Stromerzeugung. nung in lediglich 10 % der weltweit Torrefizierte Biomasse zielt vorwiegend Darüber hinaus liegt der elektrische installierten Kohlekraftwerke führt dies auf den Einsatz als Kohlesubstitut ab. Wirkungsgrad in modernen Großkraft- zu einem Bedarf von etwa 33 Mio. t 34 ACR INNOVATIONSRADAR Ein breites Rohstoffportfolio ist für die Biobrennstoffproduktion wichtig. Damit auch Energiegräser oder landwirtschaftliche Nebenprodukte Verwendung finden, müssen Zusatzstoffe eingesetzt werden. torrefizierter Biomasse pro Jahr, beiten liegt in der Entwicklung von Ascheschmelzverhalten, die Stickoxid- dadurch könnten jährlich 97 Mio. t Mischpellets, die sich analog zu den (NOx) und Staubemissionen sowie die CO2 eingespart werden. hohen Qualitätsstandards für Holzpel- korrosiven Eigenschaften verursacht lets (z. B. ENplus, DINplus, ÖNORM M durch einen hohen Chlorgehalt. Für die Die Umsetzung des technischen 7135) an eigenen gerade entwickelten Entwicklung eines standardisierten Prozesses in den industriellen Maßstab Standards orientieren (z. B. EN 14961- Brennstoffs zielt die Forschung darauf ist nicht einfach. Weltweit arbeiten 6, ÖNORM C 4000 oder ÖNORM C ab, die kritischen Parameter der derzeit mehrere F&E-Konsortien an der 4002). Unter dem Begriff Mischpellets zukünftigen Mischpellets zu optimieren, Inbetriebnahme von Demonstrationsan- werden Pellets aus unterschiedlichen wobei unterschiedliche Strategien lagen. Die Umsetzung der österrei- Rohstoffquellen zusammengefasst. verfolgt werden. Beim Ascheschmelz- chischen Technologie, des ACB- Folgende Ressourcen können zukünftig verhalten wurden gute Ergebnisse Prozesses (accelerated carbonisation für deren Produktion in Betracht durch die Beimengung des Additivs biomass6) findet in der Steiermark statt. gezogen werden: Kalk erzielt, wodurch der Ascheerwei- Auf einem ähnlichen Entwicklungsstand stehen vergleichbare Forschungsgruppen in Skandinavien, Frankreich und Belgien. In dieser letzten Phase der Forschung und unter Berücksichtigung des enormen Potenzials des neuen • Ein breites Spektrum an Nebenprodukten aus der agrarischen Produktion chungspunkt bis auf ein holzähnliches Niveau angehoben werden kann. (z. B. Kleie, Trester, Treber, Pülpe) • Energiegras (z. B. Miscanthus, Malvengewächse) Zur Reduktion der NOx-Emissionen können unterschiedliche Strategien gewählt werden. Investitionen in eine • Kurzumtriebsholz (z. B. Weiden, Produktes haben sich große Energiever- Pappel, Robinie) hoch entwickelte Verbrennungssteue- sorger bereits die ersten Kontingente Die Vorteile dieser Neuentwicklung rung sind vor allem bei mittleren und torrefizierten Materials gesichert. Die bestehen vor allem in der Sicherstellung größeren Biomassefeuerungen zielfüh- gesamte verfügbare Produktmenge der nötigen Ressourcen. Ein wichtiger rend. Für kleinere Anlagen müssen wird problemlos Absatz finden, ganz Aspekt, der im Rahmen des gesamten Möglichkeiten zur Reduktion des Stick- gleich, welches der Entwicklungsteams Entwicklungsprozesses einbezogen stoffgehalts im Brennstoff durch letztendlich den Wettlauf um die wirt- werden muss, ist die Vermeidung einer spezielle Vorbehandlung des Rohstoffs schaftlichste, industrielle Anlage Konkurrenzsituation zur Nahrungs- bzw. gefunden werden. Hier wird z. B. der gewinnen wird. Futtermittelproduktion. Einsatz von bestimmten Enzymen analysiert, die den brennstoffseitigen Stick- Das Rohstoffportfolio zur Energie- Grundsätzlich kann davon ausge- stoff eliminieren. Die Entwicklung eines versorgung muss zukünftig signifikant gangen werden, dass alternative marktreifen Verfahrens ist erst mittel- erweitert werden, um die ambitio- Biomassefraktionen im Vergleich zu fristig zu erwarten. nierten Schlüsselziele des Europäischen Holz schlechtere Verbrennungseigen- Rats im Bereich der festen Biomasse zu schaften besitzen. Zu den besonders Die Staubemissionen stellen besonders erreichen. Das Ziel der Forschungsar- kritischen Parametern zählen das bei Kleinanlagen einen heftig disku- UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 35 Durch Optimierungsmaßnahmen bei den Produkteigenschaften sowie den Verbrennungsparametern wird ein signifikanter Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung geleistet. tierten Punkt dar. Die in Deutschland privaten Haushalte kann durch sind herkömmliche Pelletskessel bereits gesetzlich verankerte, wieder- optimierte Pellets ein Wettbewerbs- hinsichtlich ihrer Leistung oftmals über- kehrende Messung der Staubemis- vorteil entstehen, da auch zukünftige dimensioniert für die niedrige, benö- sionen von Kleinanlagen gibt die eingeführte Vorschriften oder tigte Heizlast. Dies führt zu verstärktem Forschungsrichtung vor. Neben der strengere Grenzwerte eingehalten Teillastbetrieb und verursacht bei gerin- Entwicklung von Messtechnik ist die werden können. gerer Effizienz höhere Emissionen sowie zahlreiche Probleme beim Entwicklung besonders emissionsarmer Feuerungen und Sekundärmaßnahmen Neben den unterschiedlichen Feue- Betrieb (z. B. erhöhter Wartungsauf- wie z. B. Staubfilter für Kleinanlagen rungstechnologien wird gerne die wand). Analysen am Markt erhältlicher notwendig. Feuerungswärmeleistung als Klassifizie- Systeme haben wesentliches Optimie- rungskriterium heran gezogen. Interes- rungspotenzial ergeben.8 Eine andere Art der Zugabe von Addi- sante Entwicklungen finden nach wie tiven betrifft die nachträgliche Behand- vor in allen Leistungsbereichen statt, Zielsetzung der aktuellen Entwick- lung der Biomasse (speziell von Pellets) hervorgehoben wird die Entwicklung lungen ist ein Kleinstbrenner (6 kW), mit z. B. flüssigen Materialien wie Ölen. der kleinsten Anlagen für feste der sowohl bei Nennlast, als auch bei Durch Besprühen bzw. Tauchen wird Biobrennstoffe (< 10 kW). Diese Teillast (30%) strengen Emissions- und nach dem eigentlichen Kompaktierungs- Entwicklung ist mit der Implementierung Wirkungsgradvorgaben, sowie vorgang eine Verbesserung bestimmter der europäischen Richtlinie für Gesamt- Vorgaben an den Hilfsenergiever- 7 brauch entspricht. Zur Einhaltung Eigenschaften wie dem Abriebverhalten energieeffizienz von Gebäuden und der Rieselfähigkeit erreicht. verknüpft. Die Richtlinie zielt auf eine dieser Vorgaben ist eine möglichst signifikante Reduktion des Energiebe- vollständige Verbrennung erforderlich, Durch die unterschiedlichen Optimie- darfs von Gebäuden ab. Ab dem Jahr diese hängt im Wesentlichen von rungsmaßnahmen bei den Produkt- 2020 sollen alle Neubauten dem Nied- eigenschaften sowie den Verbrennungs- rigstenergie- bzw. Passivhausstandard parametern kann ein signifikanter entsprechen. Mittelfristig wird davon Beitrag zur Erfüllung der europaweiten ausgegangen, dass ein neugebautes Ziele zur nachhaltigen Energieversor- Haus mit einer Heizlast von weniger als • Temperatur in der Brennkammer • Verweilzeit in der Brennkammer • Durchmischung der Brenngase mit gung bei gleichzeitig geringen Schad- 10 kW auskommen wird. 3 Faktoren ab: Sauerstoff Die wesentlichen Innovationen, die zur stoffemissionen geleistet werden. KMU, die im Zuge ihrer Produktion pelletierfä- Pellets entsprechen einerseits in hohem Erreichung der hoch gesteckten Ziele hige Nebenprodukte zur Verfügung Maß dem Bedarf nach einer automati- geführt haben beziehen sich insbeson- haben, können durch den Einsatz sierten Heizung und stellen eine dere auf die Brennkammer, den Brenn- geeigneter Blends eine zusätzliche komfortable Möglichkeit dar, im Nied- teller bzw. Rost und auf die Brennstoff- Einkommensquelle erreichen. rigstenergie- und Passivhaus einen Rest- zufuhr9. Den EndkundInnen stehen nun Insbesondere im Kundensegment der wärmebedarf zu decken. Andererseits automatische Pellets-Zimmerheizgeräte 36 ACR INNOVATIONSRADAR Auch bei der Verwendung von Pellets muss der ökologische Rucksack berücksichtigt werden. Dieser Aspekt wird zukünftig an Bedeutung gewinnen und den Einsatz von Pellets beeinflussen. zur Verfügung, die sowohl ökologisch, Gebäudeverband werden bereits jetzt Verfahren kann zu weiteren Wettbe- als auch hinsichtlich ihrer Investitions- Deklarationen zu den ökologischen werbsvorteilen führen. kosten eine echte Alternative darstellen, Auswirkungen jeder eingebauten auch weil gegebenenfalls Pufferspeicher entfallen können. Komponente verlangt, in Bezug auf den „CO2-Rucksack“ gehen die Bestrebungen international in die gleiche Die Frage nach den Umweltauswir- Richtung. Bei der Umsetzung gibt es kungen eines Produktes/einer Techno- allerdings national unterschiedliche logie spielt eine wichtige Rolle für die Strategien. Diese reichen von einer nachhaltige Sicherung des sozioökono- bloßen Information für PlanerInnen bis mischen Fortschritts und allgemeinen hin zu einem Zertifikat, das den Konsu- Lebensstandards. Aufstrebende Bran- mentInnen als Vergleichsbasis innerhalb chen mit Wachstumspotenzialen sind einer Produktgruppe dienen soll. von dieser Fragestellung besonders betroffen. Die Wertschöpfungskette In naher Zukunft wird sich jedes Unter- rund um die Energiebereitstellung aus nehmen mit seinen Umweltauswir- fester Biomasse gehört dazu. Nicht kungen bzw. den ihrer Produkte ausei- zuletzt, da auch zukünftig alternative nander setzen müssen. Die ernsthafte Energiebereitstellung intensiv ausgebaut Beschäftigung mit dieser Thematik hat werden muss, um den steigenden Ener- auch Vorteile, da Optimierungsmaß- giebedarf decken zu können. Eine nahmen zumeist mit finanziellen wesentliche Kenngröße zur Bewertung der Klimarelevanz stellt der Product Carbon Footprint dar. Er ist ein Maß für die treibhausrelevanten Emissionen, die über den gesamten Lebenszyklus eines • Energieeinsparung • Materialeinsparung und • Verwertung von ProduktionsrückEinsparungen einhergehen: ständen. Produktes entstehen. Obwohl das Rohmaterial Holz bzw. andere biogene Eine entsprechende Analyse und Zertifi- Rohstoffe an sich klimaneutral sind, zierung der Produkte und Prozesse sind die Produktionsschritte entlang kann nicht nur zur Optimierung von seiner Wertschöpfungskette und die Kosten führen, sondern zusätzlich die Nutzungsphase vielfach mit Material allgemeine Zukunftsfähigkeit eines und Energieeinsatz verbunden und Unternehmens sichern. Die aktive haben somit einen nicht unwesentlichen Kundenkommunikation der Nachhaltig- Einfluss auf unser Klima. Speziell im keit der eigenen Produkte und UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 37 38 ACR INNOVATIONSRADAR ENERGIE AUS DER SONNE Energiebedarfs auf Basis erneuerbarer Nutzung von solarthermischen Energieträger. So werden die knappen Systemen im Bereich der industriellen fossilen Ressourcen frei, um sie in Berei- Prozesswärme oder das solar unter- SOLARTHERMIE chen einzusetzen, in denen sie weniger stützte Kühlen. Im Folgenden wird den Thermische Energie macht einen leicht zu substituieren sind. Es ist dabei Kollektoren und Speichern als zentralen wesentlichen Anteil des gesamten welt- zu bemerken, dass schon aktuell die Elementen einer solarthermischen weiten Energiebedarfs aus. Allein der solarthermische Energiebereitstellung Anlage jeweils ein Kapitel gewidmet. Gebäudesektor verbraucht 35,3 %, von weit vor anderen (elektrischen) erneuer- Als Vertreter von Einsatzbereichen mit denen 75 % auf die Bereiche Raumhei- baren Technologien liegt (Abbildung 4). hohem Innovations- und Zukunftspoten- zung und Brauchwassererwärmung zial werden das „Solare Kühlen“ und fallen. Neben dem Gebäudebereich Die Innovationen im Bereich der solar- der Einsatz von „Solarer Prozesswärme“ besteht ein beträchtlicher Verbrauch thermischen Energienutzung (z. B. vorgestellt. thermischer Energie auch bei indus- Kollektoren, Speicher oder System- triellen Prozessen und wärmeintensiven technik) betreffen sowohl die Neu- und Dienstleistungen. Weiterentwicklung von Komponenten als auch die Erschließung von neuen Die Schwerpunkte TECHNOLOGISCHE TRENDS der angewandten Forschung liegen bei Effizienzsteigerungen schaffen die Anwendungsgebieten, z. B. das „Aktive den Kollektoren in notwendigen Voraussetzungen für eine Solare Gebäude“, das 100 % seines den Bereichen zunehmende Deckung des thermischen Wärmebedarfs solar deckt, die Reduktion der Herstellungs- und Montagekosten sowie der Optimierung der Abbildung 4: Weltweite Gesamtleistung / Energie bei erneuerbaren Energietechnologien 10 Kollektoren, um den Systemertrag weiter zu erhöhen. Ein verhältnismäßig neuer Bereich der Entwicklung liegt in der Integration von Kollektoren in das Dach oder die Fassade. Durch die Möglichkeit, die Kollektoren nicht nur als Zusatzgerät auf das Dach zu installieren, sondern als integralen Bestandteil des Gebäudes zu konzipieren, eröffnen sich zusätzliche Anwendungsbereiche. Solche integrierten Kollektoren sind z. B. in der Lage, architektonische Anforderungen an ein Gebäude besser zu erfüllen. Aus technologischer Sicht muss dabei UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 39 Nicht nur die Weiterentwicklung und Produktion von Kollektoren erfolgt zum großen Teil durch KMU, auch die Umsetzung innovativer Ideen bei den Einsatzbereichen wird durch KMU ermöglicht. gewährleistet werden, dass Speicher, rukturierte Firmen interessante Möglich- Darüber hinaus eröffnen sich durch Wärmeverteil- und Wärmeabgabesys- keiten. Die vielfältigen Adaptierungs- neue Speichermaterialien auch neue teme etc. bereits in der Grundkonstruk- möglichkeiten bei den Kollektoren und Einsatzmöglichkeiten im Bereich hoher tion integriert sind. Dachelemente mit die Schaffung von Systemen zur Temperaturen für die solarthermische integrierten Kollektorsystemen können Gebäudeintegration eröffnen die Kraftwerkstechnik und für die bessere trotz identischen Aussehens unterschied- Möglichkeit, sich in diesem Marktseg- Nutzung industrieller Prozesswärme. liche Funktionen erfüllen. So kann ment mit Spezialanwendungen und Dabei werden z. B. granulare Fest- neben dem Witterungsschutz auch die Nischenprodukten zu etablieren. körper in einem Reaktionsraum geführt Funktion eines Dachfensters erfüllt und die gespeicherte oder frei wer- werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, Eine wesentliche Komponente bei solar- dende Wärme abtransportiert. Diese die Funktionalitäten von solaren thermischen Anlagen stellt der neuen Speicherkonzepte weisen aktuell Wasser- bzw. Luftkollektoren, Photovol- Wärmespeicher dar. Thermische einen sehr hohen Forschungs- und taikmodulen oder Energiespeichern Energiespeicher entkoppeln immer apparativen Entwicklungsbedarf auf. einzubinden. Angebot und Nachfrage und sind daher essentiell für den Betrieb von Allgemein besitzen insbesondere Indus- Im Fassadenbereich können integrierte solarthermischen Systemen. Während triebranchen, die in ihren Produktions- Kollektoren als (solare) Wärmequelle aktuell praktisch nur Wasser als Spei- prozessen eine hohe Zyklenzahl oder Wärmesenke zum Einsatz kommen. chermedium verwendet wird, werden aufweisen, großes Potenzial für den Darüber hinaus ist die Funktionalität der derzeit alternative Speichertechnolo- Einsatz thermischer Speicher. Als Dämmung integrierbar. Ein Fassaden- gien untersucht, allerdings sind für neue Beispiele für solche Industrien können kollektor kann also auch passive Speichertechniken umfangreiche die Lebensmittelindustrie, Gießereien, Wärmeverluste reduzieren helfen. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten Galvanik-Betriebe, Verzinkereien notwendig. Durch die Entwicklung (Vorwärmung), Lackierereien, Beschich- Typen von Fassadenkollektoren oder neuer Speichermaterialien auf der Basis tungsbetriebe oder landwirtschaftliche dachintegrierten Kollektoren, ahmen von Phasenwechsel- und Sorptionsmate- Betriebe angeführt werden. Mit der die in alten Gebäuden verwendeten rialien sind prinzipiell völlig neue Ergänzung der bestehenden Energie- Materialien nach und sind daher vor Ansätze zur Wärmespeicherung mit versorgungssysteme um thermische allem im Bereich Denkmalschutz von geringen Speicherverlusten möglich. Wärmespeicher, können die Prozess- Interesse. Dadurch werden höhere Energiedichten kosten mittelfristig gesenkt werden. „Unsichtbare Kollektoren“, wie spezielle möglich, was den Einsatz dezentraler Die Produktion von Kollektoren bzw. Wärmeversorgungssysteme unterstützt. Am Markt gibt es momentan eine von Kollektorkomponenten wird zum Dabei macht der reduzierte Energiever- zunehmende Anzahl an Systemanbie- großen Teil durch KMU durchgeführt. In brauch in modernen Gebäuden derar- tern, die eine Kombinationen von Solar- diesem Forschungs- und Entwicklungs- tige neue Ansätze aus systemtechni- thermie und Wärmepumpen anbieten. feld bestehen insbesondere für kleinst- scher Sicht besonders aussichtsreich. Durch den Einsatz eines Wärmespei- 40 ACR INNOVATIONSRADAR chers (z. B. über Sonnenkollektoren Prozesse finden sich auch zahlreiche chemisch-sorptiver Wärmespeicher. beladen) als Wärmequelle für die Möglichkeiten zum mobilen Einsatz. Ebenso kann eine dezentrale Wärme- Wärmepumpe kann die Effizienz Gerade dieses Anwendungsfeld ist für bereitstellung in transportierbaren solcher Systeme gesteigert werden. KMU besonders attraktiv, da es aktuell Containern für die Gebäudeheizung Durch die relativ niedrige nutzbare einen Nischenmarkt darstellt, zukünftig realisiert werden, wenn die Beladung Temperaturdifferenz ergibt sich beim aber großes Potenzial aufweist. Die des Speichers aus industrieller Prozess- Einsatz von Phasenwechselmaterial möglichen Anwendungen reichen abwärme gewonnen werden kann. eine im Vergleich zur konventionellen dabei von Kabinenheizungen für Elek- (sensiblen) Wärmespeicherung wesent- trofahrzeuge (diesen fehlt die Abwärme Was auf den ersten Blick unvereinbar lich höhere Speicherkapazität. des Verbrennungsmotors für das klingt, zeigt in der Praxis erhebliches Erwärmen des Innenraums) über die Potenzial. Das solarthermische Neben den Anwendungen zur Wärme- Entfeuchtung und Klimatisierung von Kühlen ist eine Möglichkeit, den Ener- bereitstellung in Gebäuden und für Fahrzeugen durch den Einsatz giebedarf zur Gebäudekühlung abzu- UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 41 decken. Die gängigen, verfügbaren DEC-Anlagen sind als offene Systeme der solarthermischen Kühlung im Funktionsprinzipien am Markt sind konzipiert, die mit Wasser als Kälte- Bereich der Anlagenkonzeption sowie Absorptionskälteanlagen, Adsorptions- mittel in direktem Kontakt mit der Zuluft bei der Reduktion des Energiever- kälteanlagen und Desiccant-Evapora- arbeiten. Es werden derzeit Systeme brauchs der Aggregate. Der Markt im tive-Cooling (DEC) Anlagen. mit festen Sorptionsmitteln zur Trock- Bereich der solar unterstützten Klimati- nung der Luft eingesetzt. Die nachträg- sierung bzw. Kühlung ist im Vergleich Sowohl Absorptions- als auch Adsorpti- liche Befeuchtung bewirkt die erforder- zu den jährlich millionenfach onskälteanlagen funktionieren im liche Luftkühlung. Systeme mit flüssigen verkauften konventionellen Kühlaggre- Wesentlichen wie ein Kühlschrank. Sorptionsmitteln zur Zwischenspeiche- gaten kleiner und befindet sich in einer Durch die Verdichtung und Entspan- rung sind in Entwicklung. sehr frühen Phase. Aktuell existieren nur wenige Unternehmen weltweit, die nung eines Kältemittels kann durch thermodynamische Prozesse Das solarthermische Kühlen profitiert Gesamtlösungen für solare Kühlsysteme Wärmeenergie aufgenommen und an dabei auch vor allem von der saison- anbieten. Dies bietet zukünftig ein anderer Stelle abgegeben werden. alen Gleichzeitigkeit von solarer großes Betätigungsfeld, daneben Diese Art von Kälteanlage ist weit Einstrahlung und anfallender Kühllast. besteht großer Bedarf an der Entwick- verbreitet, wobei Absorptionsanlagen Zudem kann die solarthermische lung von effizienten Kühlaggregaten im mit einem flüssigen Kältemittel arbeiten Anlage nicht nur zur Kühlung, sondern kleinen Leistungsbereich. und Adsorptionsanlagen mit einem auch zur Warmwasserbereitung und festen. Beiden gemeinsam ist die Heizungsunterstützung ganzjährig Fast 20 % des europäischen Endener- Möglichkeit, die für die Funktion genutzt werden. Primärenergieeinspa- gieverbrauchs werden für industrielle notwendige Verdichtung des Kältemit- rungen im Vergleich zu Kompressions- Prozesswärme aufgewendet. Diese tels nicht durch einen elektrisch betrie- kältetechnologie bis zu 40 % sind wird z. B. zur Trocknung oder zum benen Kompressor zu erreichen, derzeit realisierbar. Erhitzen von Material eingesetzt. In vielen industriellen Prozessen ist der sondern hierfür thermische Energie zu nutzen. 42 ACR INNOVATIONSRADAR Mittelfristige Schwerpunkte von Energiebedarf relativ konstant und Forschung und Innovation bestehen bei daher werden schon heute vergleichs- Die Sonne wärmt nicht nur; sie kann auch für angenehme Kühle im Sommer sorgen. Moderne Technik und die Grundsätze der Thermodynamik machen dies möglich. weise geringe spezifische solare Die Herausforderung für KMU ist in Mit einem Anteil am Gesamtstromauf- Wärmegestehungskosten erreicht. Bei zweifacher Hinsicht zu sehen: Einer- kommen von weniger als 1% steckt die vielen industriellen Prozessen können seits müssen Komponenten für Prozess- Photovoltaik (auch im Vergleich mit prozessinterne Wärmespeicher genutzt wärmesysteme (vor allem Kollektoren Nachbarländern) in Österreich zwar werden, was zu Kostenvorteilen für die aber auch Speicher oder Wärmetau- noch in den Kinderschuhen. Die von solarthermische Wärme führen kann. scher) entwickelt oder zumindest modi- Österreich verfolgte Förderstrategie Allerdings sind die Anforderungen der fiziert werden. Andererseits muss zeigt in den letzten Jahren aber mehr Industrie an die Amortisationszeiten bedacht werden, dass die Einbindung und mehr positive Ergebnisse. Ende sehr hoch und die Einspeisung der von erneuerbarer Wärme immer die 2010 waren in Österreich 95,5 Mega- Solarwärme in die industriellen Analyse des bestehenden Prozesses Prozesse ist teilweise aufwändig. bedingt. Gerade die Einbindung kann wattpeak (MWp) an photovoltaischer Nennleistung installiert12, wobei mit kaum verallgemeinert werden und 42,7 MWp beinahe die Hälfte davon Berücksichtigt man den jetzigen macht eine Konzeptentwicklung für allein im Jahr 2010 installiert wurde. Entwicklungsstand der thermischen jeden Kunden notwendig. Dies bietet Solartechnik muss das tatsächlich nutz- für Systemlieferanten aber auch für und realisierbare Potenzial der solar- Planungsbüros ein weites Betätigungs- thermischen Prozesswärmeerzeugung feld. Die Vorherrschaft der TECHNOLOGISCHE TRENDS in aussichtsreichen Anwendungen und Industriebranchen detailliert analysiert kristallinen Solarzellen auf dem Welt- werden. Dazu zählen u.a. die PHOTOVOLTAIK markt sowie auch in Prozessanalyse zur Ermittlung von Die Photovoltaik (PV) gilt heute als Österreich ist nach Temperaturniveaus, Leistungen und ausgereifte Technologie zur direkten wie vor ungebrochen. Während vor Energiebedarfs-Profilen. Aus Sicht der Erzeugung von Strom aus solarer Strah- einigen Jahren noch monokristalline Solartechnik sind die vier Temperatur- lung. Mit sinkenden Preisen setzte um Solarzellen aufgrund ihrer höheren bereiche bis 80°C, bis 130°C, bis die Jahrtausendwende auch eine Wirkungsgrade weit verbreitet waren, 170°C und bis 250°C mittelfristig Wende in der Photovoltaikbranche ein: verloren diese mehr und mehr Markt- voraussichtlich von Interesse. Je höher Im Jahr 2000 war erstmals der Anteil anteile an polykristalline Zellen. Diese die zur Verfügung gestellt Prozess- netzgeführter Photovoltaikanlagen ermöglichten aufgrund ihres Preisvor- wärme ist, desto höher sind die Anfor- höher als Inselanlagen, d.h. Einzelan- teils höhere Renditen bei Investitionen. derungen an Dämmungen und Kollek- lagen ohne Anschluss an das Zusätzlich konnten bei der Entwicklung tormaterialien. Außerdem muss die Stromnetz . Spätestens zu diesem Zeit- polykristalliner Solarzellen große Fort- Einbindung bzw. Einbindbarkeit in punkt wurde deutlich, dass sich die schritte beim Wirkungsgrad und der bestehende Prozesse – insbesondere Photovoltaik hin zu einem vollwertigen optischen Erscheinung gemacht werden, Niedertemperaturprozesse – gewähr- Stromträger im öffentlichen Stromnetz sodass die Vorteile der monokristallinen leistet sein. entwickeln würde. Technologie stark schrumpften. End- 11 UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 43 Die Photovoltaik stellt eine wichtige Alternative zur konventionellen Stromerzeugung dar. Durch neue Speicherkonzepte wird sie nicht nur für PrivatkundInnen, sondern auch für die Industrie interessant. kundInnen entschieden sich vermehrt für stellung kann der Anteil an selbst ver- Austria Federal Association unter polykristalline Zellen mit geringerem brauchtem Solarstrom aber durchaus www.pvaustria.at. Wirkungsgrad in Kombination mit hoch- bis zu 90 % betragen. Angesichts steigender Energiepreise, effizienten Wechselrichtern. Insgesamt verloren kristalline Zelltypen in den Betriebe, die ein Zeichen für den Klima- insbesondere wenn die wirtschaftliche letzten Jahren einiges an Boden gegen- schutz setzen wollen, können dies gut Entwicklung wieder stärker anzieht, über Dünnschichtzellen. Diese sichtbar direkt an ihrem Standort tun. bietet der Einsatz einer PV-Anlage auch verwenden kostengünstigere Halbleiter- Solche Maßnahmen lassen sich übri- aus betriebswirtschaftlicher Sicht materialien als kristalline Solarzellen gens auch in Umweltproduktdeklara- Vorteile. Dies gilt sowohl für geförderte und benötigen nur einen Bruchteil des tionen der hergestellten Produkte oder als auch ungeförderte Einspeisetarife. Materials. Die Kostenvorteile sanken Dienstleistungen einrechnen, was ange- Das größte Risiko besteht im Moment durch enorme Preisstürze bei den kris- sichts zunehmenden KundInnenbewusst- darin, dass Photovoltaik auch ohne tallinen Solarzellen, wodurch die unter- seins zu Image- und Wettbewerbsvor- Förderungen rentabel wird, wie dies schiedlichen Technologien seither unge- teilen führen kann. gerade in Spanien und Teilen Italiens geschieht. Die dadurch steigende fähr gleich bedeutend sind. Als wichtiger Punkt muss jedoch bei der Nachfrage nach PV-Anlagen wird Grundsätzlich ist Photovoltaik eine sehr Planung beachtet werden, dass eine deren Preise tendenziell steigen lassen. attraktive Energieform für KMU, da in Eigenverbrauchsanlage momentan in den meisten Betrieben der Großteil des Österreich keine Förderung von der Im Gegensatz zum Einsatz solarer Stromverbrauchs tagsüber anfällt, wenn OEM-AG (Abwicklungsstelle für Energie zum Kühlen, besteht bei der potenziell auch Solarstrom verfügbar ist. Ökostrom) erhält. Aufgrund der Photovoltaik ein teilweiser zeitlicher Großbetriebe mit Schichtbetrieb können sinkenden Anlagenpreise ist jedoch die Versatz zwischen Erzeugung und davon weniger profitieren. KMU Investition in eine PV-Anlage ohne Nutzung. Somit besteht Bedarf zur können so einen Teil ihres Stromver- Förderung auch heute schon eine Speicherung elektrischer Energie brauchs selbst decken und Stromkosten mögliche Alternative. Betriebe, die eine zum späteren Einsatz. Der größte sparen. Um diesen Vorzug nutzen zu Anlage zwischen 5 kWp und 20 kWp Forschungsbedarf bei Batteriesystemen können, muss die PV-Anlage für die oder größer mit gefördertem Einspeise- liegt im Bereich der Speicherdichte, Nutzung des Solarstroms für den tarif errichten wollen, sollten sich aller- deren Erforschung den Platzbedarf Eigenverbrauch ausgelegt werden. Bei dings möglichst bald dafür anmelden. sowie die Kosten von Batteriespeichern dieser Planung ist es nicht notwendig Fördermittel stehen nur in begrenztem senken soll. Eine Schlüsselrolle bei der oder angestrebt, dass ein Betrieb das Umfang zur Verfügung und alle einge- Entwicklung und Marktdurchdringung ganze Jahr ausschließlich mit Solar- henden Anträge werden entsprechend von Batteriespeichern dürfte schon in strom versorgt wird, was ohnehin nicht ihrem Datum gereiht bearbeitet. Alle naher Zukunft der Elektromobilität möglich ist. Je nach Anlagengröße notwendigen Informationen finden sich zukommen. Hintergedanke ist, dass (beginnend ab 1 kWp) und -zusammen- auf der Website der Photovoltaic überschüssiger Strom (aus Wind und 44 ACR INNOVATIONSRADAR LITERATUR Sonne) in geparkte Elektrofahrzeuge Aufdachanlagen bisweilen sehr gespeichert wird und bei Bedarf aus aufwändig und die Unterkonstruktion diesen zu einem gewissen Teil auch sehr materialintensiv ist, können BIPV– wieder entnommen werden kann. Anlagen heute schon ökonomische Vorteile bieten. Auf dem Gebiet der Wasserstoffspeicherung gehört Österreich zu den Tech- Aus technischer Sicht liegt die Zukunft nologieführern. Überschussstrom wird der Photovoltaik in der Gebäudeinte- zur Erzeugung von Wasserstoff gration. Durch Synergie- und Einspa- verwendet, der wiederum bei Bedarf rungseffekte können die vielfältigen mittels einer Brennstoffzelle zur Stromer- Möglichkeiten von Photovoltaikbau- zeugung herangezogen wird. teilen ideal ausgenutzt werden. Bei weiterhin sinkenden Systempreisen Bauwerkintegrierte Photovoltaik wird der Anteil der Unterkonstruktions- (building integrated photovoltaics, kosten an den Gesamtkosten weiter BIPV) konnte sich bisher nur in Ländern steigen. durchsetzen, in denen sie durch gesonderte Behandlung in den Förderungen Schließlich können auch Fenster einge- finanzielle Anreize bietet. Ursprünglich setzt werden, die sich selbstständig an sollten dadurch zusätzliche Kosten, die die Intensität der solaren Bestrahlungs- bei der integrierten Bauweise entstehen, stärke anpassen können und so einen gedeckt werden. Im Neubau entfallen Beitrag für ein angenehmes Wohnklima jedoch diese zusätzlichen Kosten, leisten. wenn die Anlage von Anfang an in der Planung Eingang findet und andere Baustoffe und Bauteile substituiert Koordination: werden können. Dipl. Forstw. Peter Linsenmann (HFA) Es zeichnet sich ab, dass die BIPV auch AutorInnen: international vor dem Durchbruch steht. DI Dr. Gerald Steinmaurer (ASiC) Aufgrund der ständig fallenden Modul- DI (FH) Dr. René Eckmann (BTI) preise der letzten Jahre steigt der DI (FH) Stefan Nagl (HFA) Kostenanteil der Montage und der DI Angelika Rubick (ofi) 1 Austrian Council, 2009: FTI Strategie 2020 des Rats für Forschung und Technologieentwicklung, Wien, 2009 2 http://www.energiepflanzen.info/ pflanzen/ 3 A. Rubick, Bioupgrade Brennstoffzentrum 2010 4 Sitzmann 2009, Nielsen 2009 (Zerkleinerung); Stahel R. 2009: Niedertemperaturtrocknung von Ausgangsmaterialien. Tagungsband Industrieforum Pellets 2009, Stuttgart 70–75 5 Holzforschung Austria, Österreichisches Forschungsinstitut, Versuchs- und Forschungsanstalt der Hafner 6 ACB GmbH bestehend aus Andritz AG, der Polytechnik Feuerungsanlagen GmbH und Wild&Partner unter der wissenschaftlichen Leitung des Österreichischen Forschungsinstitut für Chemie und Technik 7 Directive 2010/31/EU on the energy performance of buildings 8 J. Brandt, Windhager Zentralheizung Technik GmbH „Der kleinste Pelletskessel der Welt”, 11. Industrieforum Pellets, St uttgart 2011 9 M. Staudinger, Calimax Energietechnik GmbH, Inkrementelle Weiterentwicklung und radikale Neuentwicklung eines 6 kW Zimmerkessels zu einem neuen Stand der Technik”, 11. Industrieforum Pellets, Stuttgart 2011 10 Internationale Energieagentur IEA, Programme ”Solar Heating and Cooling”: „Solar Heating Wordwide.“ 2010 11 Quelle: IEA – PVPS, Trends in photovoltaic applications, Report IEA – PVPS T119:2010 12 Quelle: bmvit, Innovative Energietechnologien in Österreich, Marktentwicklung 2010, Berichte aus Energie- und Umweltforschung 26/2011. Unterkonstruktion an den Systemkosten ständig an. Da die Montage von UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN 45 3 LEBENSMITTELQUALITÄT UND –SICHERHEIT 46 ACR INNOVATIONSRADAR Im Lebensmittelbereich zählt für KonsumentInnen Natürlichkeit & Nachhaltigkeit. Beurteilt wird der Gesundheitswert, die Sicherheit, ob das Produkt stark verarbeitet ist oder ob es chemische Stoffe enthält. EINLEITUNG Vor diesem Hintergrund sowie entlang rung widmen. Es ist deshalb das Ziel Die Fortschritte in der Technologie der der entsprechenden ACR-Expertise der Weiterentwicklung der Technolo- Lebensmittelverarbeitung und -verpa- fokussiert das folgende Innovations- gien der Lebensmittelverarbeitung, die ckung, sowie der Kulturtechnik und radar auf allgemeine technologische Lebensmittelsicherheit und -qualität zu Kontrolle eröffnen neue Möglichkeiten Trends in der Lebensmittelproduktion, steigern, wobei die Konsumtrends die für KMU in der Lebensmittelbranche Entwicklungen im Getreidebereich und Richtung vorgeben. Technologische und bieten großes Potenzial für die neue innovative Verpackungstech- Neuerungen betreffen sowohl die Weiterentwicklung von innovativen nologien. Verarbeitung als auch die Kontrolle der Lebensmittel – letzteres nicht nur bezüg- Verfahren und Produkten. LebensmittelEntwicklungen am Markt und die Ände- LEBENSMITTELPRODUKTION UND -PRODUKTE rungen bei Rechtsnormen und Stan- In der Lebensmittelbranche folgen die dardvorgaben im Auge zu behalten, aktuellen Trends dem KundInnenwunsch produzentInnen sind gefordert, die lich ihrer Qualität, sondern auch in puncto Herkunft. Die Haltbarma- TECHNOLOGISCHE TRENDS chung von Frische- um die steigenden Anforderungen an nach Natürlichkeit und Nachhaltigkeit Lebensmittelqualität und -sicherheit zu bei gleichzeitigem Erhalt von Qualität erfüllen und Konsumtrends zu erkennen. und Convenience. Einer Umfrage des Lebensmitteln, die Die Basis für technologische Innova- Deloitte-Institutes1 von 2010 zufolge vor allem keine ther- tionen in der Lebensmittelproduktion machen sich die KonsumentInnen bei mische Behandlung erfahren dürfen, ist bilden neue Rezepte, Herstellverfahren Lebensmitteln hauptsächlich Gedanken ein von wissenschaftlicher Seite intensiv und Verarbeitungsmethoden, alternative über ihren Gesundheitswert, die Sicher- bearbeitetes Thema4. Um die auf den Konservierungstechnologien, neu entwi- heit, ob sie stark verarbeitet sind und ersten Blick widersprüchlichen Themen ckelte biologische Techniken, und ob sie chemische Stoffe enthalten. Die Convenience und Frische auf einen aktuell die Nanotechnologie in Verar- von KonsumentInnen eingeforderte Nenner zu bringen, wurden Technolo- beitung und Verpackung. Neuartige Lebensmittelsicherheit steht auch im gien wie Kaltplasma-Desinfektion5,6, Materialien und Zutaten erlauben die Fokus des Gesetzgebers und ist Gegen- Hochdruckpasteurisierung (High Pres- Entwicklung innovativer Produkte bei stand gesetzlicher Vorgaben und Stan- sure Pasteurization, HPP)7, Behandlung Verpackungen und Lebensmitteln, dards. Die Lebensmittelwirtschaft muss mit UV-Licht-Impulsen und Strategien, wobei Nachhaltigkeit und neue Kombi- nicht nur in der Lage sein, mit sich die mit der Verwendung von Schutzkul- nationen bestimmende Trends sind. Die ändernden Rechtsvorschriften umzu- turen funktionieren8,9, entwickelt und Komplexität der Anwendungsmöglich- gehen („Lebensmittelinformationsverord- kommen bereits in der Lebensmittelpro- keiten von Materialien und Methoden nung“2), duktion zum Einsatz. Intensive bringt einen hohen Weiterbildungsbe- vergangener Lebensmittelinfektionen Forschung zum Thema Schutzkulturen darf für das Personal und verfeinerte (EHEC-Ausbruch) unter hohem Druck. wurde auf EU-Ebene10 durchgeführt. Kontrollmethoden für die Sicherung der Dazu kommen Vorgaben von privaten Die wissenschaftliche Basis ist gelegt, Lebensmittelqualität mit sich. Standards3, die Anwendung erfordert aber Fach- sondern steht auch wegen die sich der Qualitätssiche- produkten, also LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 47 Bei immer mehr Lebensmitteln geht der Trend Richtung Herkunftskontrolle und lückenlose Rückverfolgbarkeit bis zum Ursprung. personal und die KundInnenakzeptanz im Handel ergeben sich auch Vorteile, Das sind schnellere und aussagekräfti- ist umstritten. Das Thema Schutzkulturen da die Haltbarkeit im Vergleich zu gere Nachweisverfahren, leistungsfähi- berührt unmittelbar die Methoden zur herkömmlichen Methoden deutlich gere Systeme für die Rückverfolgbarkeit Haltbarmachung von Lebensmitteln, da länger ist. Haltbarkeitsverlängernde (z. B. RFID). Im Falle von Reklamationen ihr Einsatz eine völlig andere Strategie Maßnahmen haben von sich aus ein spielt ein gutes System für Rückverfolg- als die üblicherweise keimvermei- Rationalisierungspotenzial durch barkeit eine wichtige Rolle. Können die denden und keimabtötenden Methoden verbesserte Lagerungs- und damit beanstandeten Produktchargen genau darstellt. HPP, Kaltplasma-Desinfektion einhergehenden Vermarktungsmöglich- eingegrenzt werden, können unter oder UV-Lichtimpulse verfolgen eine keiten. Welche Methode für ein Umständen weniger Produkte zurückge- grundsätzlich anderen Ansatz und sind bestimmtes Lebensmittel oder eine rufen werden. Dies spart Kosten und in der Anwendung völlig verschieden. vorgegebene Produktionskette geeignet hält auch den Imageschaden in über- Während HPP und Kaltplasma in ist, muss im Einzelfall geklärt werden. schaubaren Grenzen. Die Sicherheit, Europa noch vergleichsweise selten Die Entscheidung für eine Methode die eine verlässliche Rückverfolgbarkeit angewendet werden, gibt es in den zieht weitreichende Konsequenzen mit sich bringt, lässt sich auch in gestei- USA bereits auf diesem Gebiet aktive nach sich. Apparative Ausrüstung und gertem KundInnenvertrauen und damit FeinkostherstellerInnen und Verleiher Arbeitsweise ändern sich unter verbundener Umsatzsicherheit messen. von passendem Equipment. Die größte Umständen grundlegend, ebenso muss Nach dem Vorbild des bereits beste- Hürde für die Einführung dieser Techno- der Schulungsgrad der Mitarbeite- henden Systems für die Kennzeichnung logien sind der apparative Aufwand rInnen angepasst und eventuell Fach- von Rindfleisch geht der Trend auch bei und die damit verbundenen Kosten. Auf personal hinzugezogen werden. anderen Lebensmitteln hin zur der anderen Seite steht eine Reihe von Herkunftskontrolle und lückenlosen Vorteilen. Dazu zählen die Schonung Die Sicherung der Qualität eines Rückverfolgbarkeit bis „zum Ursprung“. von Ressourcen, da die Methoden mit Lebensmittels ist unter zwei Aspekten zu Eine gesetzes- und regelkonforme weniger Wasser und Energie betrachten. Einerseits bezogen auf die Produktion von Lebensmitteln setzt ein auskommen als herkömmliche Tech- Herstellpraxis, andererseits im Hinblick großes Maß an organisatorischer niken zur Haltbarmachung, und die auf die Rezeption bei KonsumentInnen. Arbeit bezüglich Qualitätssicherung hohe KundInnenakzeptanz, da das Von zunehmender Wichtigkeit werden und Lebensmittelsicherheit voraus. Dies Produkt relativ unbehandelt wirkt und in diesem Zusammenhang die wird begleitet von einem Trend zur vor allem frei von Konservierungsmit- Herkunftskontrolle und die Rückverfolg- Ausweitung von Hygienemaßnahmen teln ist (so genannte „clean label“). Der barkeit sowohl für die Qualitätssiche- beim Personal und in der Produktion Vorteil, den HPP und Kaltplasma für die rung als auch für die Lebensmittelsicher- (Gute Hygienepraxis, HACCP, Hygienic Produktion mit sich bringen, ist die heit. Für eine funktionierende Design). Allgemein müssen eine strikt Senkung der Betriebskosten, da diese Qualitätssicherung im hygienische Arbeitsweise und ein Methoden wasser- und energiesparend Herstellungsprozess gibt es Neue- hygienisch einwandfreies Produktions- sind. Für die Logistik und Lagerfähigkeit rungen bei den Mitteln der Kontrolle. umfeld eingehalten und erhalten 48 ACR INNOVATIONSRADAR FOTO: LVA bleiben11. Die Grundlage dafür ist mit prozess die LebensmittelherstellerInnen (z. B. „Bionade“)12. Dies ermöglicht der Guten Hygienepraxis (GHP) beschäftigen. Dadurch wird der Bedarf eine völlig neuartige Palette von alko- beschrieben. Dies bedarf technischer an geeigneter IT und fachlich holfreien Erfrischungsgetränken. Der Hilfsmittel (Hygienic Design) und vor geschultem Personal bzw. einem Cross-Over-Trend brachte Entwick- allem auch intensiv geschulter und passenden Schulungsangebot steigen. lungen hervor wie z. B. essighaltige verantwortungsvoller MitarbeiterInnen. Fruchtgetränke, angereicherte SmootDer Konsumtrend „Nachhaltigkeit und hies mit Joghurt, Smoothies mit Gemüse Der Trend geht sowohl bei privaten Natürlichkeit“1 (Kürbis) und stärkehaltigen Zutaten Lebensmittelstandards3 führte Produktqualitäten beantwortet, (Haferflocken, Tapioca), die Funktiona- vonseiten des Gesetzgebers in Richtung die mit Rezepturänderungen lität und Exotik verbinden. Das Inte- strengerer Auflagen und der Einführung einhergehen, die für die Unternehmen resse der KonsumentInnen für Exotik einer möglichst lückenlosen Rückver- sehr herausfordernd sein können. Auf erweitert die Palette der Zutaten um folgbarkeit der verarbeiteten Lebens- der einen Seite setzen solche Rezeptur- Acerola, Acai-Beere, Noni-Frucht mittel. Es ist für KMU von Bedeutung, änderungen geänderte Verarbeitungs- (Novel Food), Stevia-Extrakt (als Zutat), dass der Aufwand für die Erfassung methoden voraus, die durch Testproduk- Goji-Beere etc. Diese „Super-Fruits“ und Dokumentation von Zutaten, tionen optimiert werden müssen. Auf werden mit zahlreichen Gesundheits- Arbeitsschritten und Produkten in der anderen Seite kann sich z. B. bei wirkungen in Verbindung gebracht, und diesem Sinne weiter steigt. Eine der Umstellung auf regionale Lebens- so vermarktet. Getränke müssen auch entsprechende apparative Ausrüstung mittel das Problem stellen, dass eine nicht mehr klar und homogen sein. mit Überwachungsgeräten, Technik für Zutat in passender Qualität und Menge Stückige Produkte sind im Kommen und die Erfassung von Rohstoffen bis hin zu zu den vorgegebenen Parametern nicht mit ihnen eine neue Herstellungstechno- Produkten, technische Hilfen für die regional Verfügung steht. Zu den mikro- logie. Leitung von Materialströmen und die biologischen Innovationen zählt die Nutzung von Dokumentations-Software Lenkung der Vergärung von Zucker Für die Zielgruppe gesundheits- und wird zusätzlich zum reinen Produktions- weg von Alkohol hin zu Gluconsäure ernährungsbewusster KonsumentInnen als auch wird durch neu einge- LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 49 finden sich neuartige Mischge- Bedürfnis nach angepassten Lebensmit- oder durch eine Anreicherung von Salz tränke13,14 teln für bestimmte Personengruppen mit Eisen und Jod. Der Verzicht auf dem Markt. Fermentierte Erfrischungs- (z. B. AllergikerInnen, SeniorInnen, aber Farbstoffe und Färben mit Lebensmitteln getränke mit Gluconsäure oder probioti- auch die trendbewusste urbane spielt eine zunehmend größere Rolle, schen Milchsäurebakterien sprechen Schicht).1,17 Neue Zutaten, wie Farb- da der Konsumtrend zur Natürlichkeit diese KonsumentInnenschicht an. Near- stoffe natürlichen Ursprungs, Stärkepro- dies vorgibt. Ebenfalls von Interesse ist Water-Getränke gehören in die Sparte dukte mit maßgeschneiderten Eigen- es, ohne Konservierungsmittel auszu- der funktionellen Getränke, und ihre schaften, Süßungsmittel, Essig in alko- kommen, was zumeist einen tiefen Palette wird laufend erweitert. Pflanzen- holfreien Getränken u. ä. werden Eingriff in die Herstellungstechnologie extrakte oder Mineralien werden laufend von HerstellerInnen nachgefragt darstellt, da geänderte Haltbarma- und von Entwicklungsabteilungen der chungsmethoden eingesetzt werden die dem Wasser eine bestimmte Zulieferfirmen der Nahrungsmittelindus- müssen. Schwingungsqualität verleihen sollen. trie auf diversen Fachmessen aus Fruchtsaft und Tee auf ebenso eingesetzt wie Frequenzen15, vorgestellt.18,19 Rezepturanpassungen Rezepturanpassungen sind auch Aus rechtlichen Änderungen, wie können Technologieänderungen nach notwendig, wenn ein Produkt auf eine derzeit die Zulassung von Stevia- sich ziehen, wenn z. B. Mischvorgänge bestimmte KundInnengruppe maßge- Extrakt16, ergibt sich ein neuer Hand- oder Zubereitungsschritte (Temperatur- schneidert werden soll. Dazu zählt lungsspielraum, auf den Lebensmittel- Zeit-Profile) umgestellt werden müssen beispielsweise die Verwendung von herstellerInnen mit Tests zu reagieren oder sich Volumina ändern (Süßungs- Hydrokolloiden zusätzlich zu Mehl in haben (z. B. zur Verwendung des mittel statt Zucker, Reduktion von Salz- Brot, um es für SeniorInnen besser Extraktes in bestehenden Rezepturen oder Zuckergehalt). Eine besonders konsumierbar zu machen. In diesem bzw. Neuentwicklungen, die sich durch sorgfältige Vorgangsweise ist Fall muss auch technologisch auf die die Eigenschaften der neuen Zutat notwendig, wenn der ursprüngliche geänderte Zusammensetzung des verwirklichen lassen). Charakter des Produktes unverändert Produktes reagiert werden. bleiben soll. Ein Grund für RezepturanRezepturanpassungen sind nicht nur passungen ist die Vermeidung „kriti- Vor dem Hintergrund steigender aufgrund der gestiegenen Rohstoff- scher“ Zutaten. Dies kann sich auf die Rohstoffpreise spielt die Einsparung von preise ein aktuelles Thema. Einerseits nachhaltige Wirtschaft beziehen, wie teuren Zutaten im Moment eine nicht geht es darum, die Qualität des z. B. die Vermeidung von nicht zertifi- unwesentliche Rolle (z. B. alternative eigenen Produktes zu sichern, anderer- ziertem Palmöl oder Meerestiere nur Süßungsmittel zu Zucker). Für die Tech- seits, spezifische Ansprüche von aus zertifiziertem Fischfang. Ein nologie der Herstellung kann auch dies bestimmten KonsumentInnengruppen zu anderes Ziel kann eine positive einige Umstellungen erfordern. Die erfüllen. Dazu gehören der Wunsch Gesundheitswirkung sein. Diese soll Rheologie der neuen Zutat, die Misch- nach „ethischem“ Konsum (Fair Trade), z. B. durch die Reduktion von Salz- barkeit, das Verhalten bei Temperatur- Nachhaltigkeit, Regionalität und das oder Zuckergehalt erreicht werden, wechseln, der Garprozess, die Gefrier- 50 ACR INNOVATIONSRADAR Tau-Stabilität und weitere Parameter kontrovers diskutiert. KonsumentInnen teln werden laufend entwickelt. Eine spielen dabei eine Rolle und ergeben stehen Nanomaterialien und Nanopar- Anwendungsmöglichkeit ist die Verkap- ein komplexes Problemfeld. tikeln in Lebensmitteln skeptisch gegen- selung (Einschluss von Wirkstoffen). über (Parallelen zur Gentechnik), Dadurch kann die Löslichkeit verbessert, obwohl es inzwischen eine Risikoein- eine kontrollierte Abgabe ermöglicht, Wenn Rezepturen verändert werden, Sicherheitsbewertung20 ergeben sich für das betreffende KMU schätzung und verschiedene Chancen. Der Ersatz von für Nanomaterialien gibt. Das Miss- Substanz vor Verfall geschützt werden. Zutaten mit dem Ziel Rohstoffkosten zu trauen gründet sich auch darauf, dass Verbesserte Löslichkeit und Bioverfüg- senken, wirkt sich positiv auf die nicht erkennbar ist, in welchen barkeit, außerdem einen Gewinn an Produktionskosten aus. Der Einsatz Produkten Nanotechnologie steckt. Viel- sensorischen Eigenschaften verspricht regionaler Zutaten eröffnet Möglich- fältig stellen sich die Anwendungsmög- der Einsatz der Microfluidizer-Techno- keiten im Marketing, da die Auslobung lichkeiten der Nanotechnologie dar, logie. Damit lassen sich Nanoemul- „aus der Region“ und die Verbindung zu allerdings sind sich hier die Experten sionen herstellen, die sensorisch bei nachhaltiger Produktion dem Trend über den Nutzen und die Risiken geringerem Fettgehalt überzeugen und entspricht und die Vertrauensbildung uneins. Im Lebensmittelbereich können außerdem klar sind. Einsatzbeispiele bei KonsumentInnen unterstützt. KMU nanopartikuläre Stoffe eingesetzt für Nanotechnologie im Lebensmittelbe- können auch den Trend zu Gesundheit werden, um den Nährwert eines reich sind: und Exotik nutzen und entsprechende Produktes zu erhöhen, sie werden als Zutaten einsetzen und bewerben. Die Rieselhilfen in Salz und Brühen, zur steigenden Ansprüche der Konsumen- Verkapselung von Wirkstoffen wie tInnen zeigen sich auch in maßge- Konservierungsmitteln, Farbstoffen und Lycopin als Nahrungsergänzungsmittel schneiderten Produkten, die für Nährstoffen verwendet und um Lebens- und zur Anreicherung, Menschen mit Allergien (z.B. „free- mittelverpackungen zu verbessern. from-Produktlinie“) oder mit bestimmten Besonders interessant stellen sich die altersbedingten Bedürfnissen (z.B. Nanoemulsionen dar, die wegen der angereicherte Kinder-Produkte oder minimalen Tröpfchengröße in der Emul- weiche Brote für ältere Menschen) sion klar erscheinen.21 die Bioverfügbarkeit erhöht und die • Funktionelle Lebensmittel (Functional Food), • Synthetisches nanopartikuläres • Nanopartikuläres Beta-Carotin als Farbstoff bei der Getränkeherstellung, • Nanopartikuläres Siliciumdioxid (SiO2) als Würzmittel, Nahrungsergänzungsmittel, Kochsalz, Kochsalzersatz und als Trägerstoff von Emulgatoren, entwickelt wurden und werden. Natürliche Nanomaterialien spielen Der Erhalt der Lebensmittelsicherheit ist schon jetzt eine bedeutende Rolle (z. B. ein bestimmender Faktor für alle Kristallstrukturen, Pektin bei Garen, Eingriffe, die in einem Herstellungspro- Kollagen im Fleisch, kristalline Struktur zess vorgenommen werden. Deshalb von Stärke, Molkenproteinen und wird die Anwendung von Nanotech- Caseinen). Synthetische (gezielt herge- nologie in der Lebensmittelindustrie stellte) Nanomaterialien in Lebensmit- Farbstoffen und Aromen, • Nanopartikuläres Titandioxid (TiO 2) als Lebensmittelfarbstoff, • Zerkleinerung von Heilkräutern auf Nanogröße, • Wasseraufbereitung mittels NanoMembranen (in Entwicklung), LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 51 Der Einsatz von Nanotechnologie in der Lebensmittelproduktion wird von VerbraucherInnen und ExpertInnen kontroversiell diskutiert. • Verbesserung von Frittieröl mittels Verwendung in Lebens- und Futtermit- züglich stellen die neuen Technologien teln befasst. Der Leitfaden bezieht sich eine wesentliche Grundlage dar, um auf die Bewertung von Risiken im auf die Ansprüche gesunder und Rahmen von Anträgen im Lebens- und sicherer Lebensmittel in Zukunft besser Futtermittelbereich, unter anderem für eingehen zu können. Der Großteil der für Verpackungen und Kühlschränke Lebensmittelzusatzstoffe, Enzyme, Betriebe am Getreidesektor leidet (z. B. Silber, TiO 2, SiO2, Nano-Ton), Aromastoffe, Lebensmittelkontaktmate- außerdem unter scharfem Preiswettbe- • Sensoren mit Nanoschichten (Mikro- rialien, Novel Food, Futtermittelzusatz- werb. Der Entwicklung von innovativen stoffe und Pestizide. Der Leitfaden Produkten zur Differenzierung am enthält Empfehlungen dazu, wie mit Markt kommt daher besondere Bedeu- diesen Unsicherheiten bei den Risikobe- tung zu. nanokeramischer Filter, • Entkoffeinierung von Kaffee (in Entwicklung), • Antimikrobielle Nanobeschichtungen biologische Schnellmethoden), • Nanoemulsionen in Getränken. Wird der Einsatz von nanotechnologi- wertungen umzugehen ist. Da die Risi- schen Verfahren und/oder Zutaten kobewertung technisch hergestellter Das Ziel der aktu- TECHNOLOGISCHE TRENDS angedacht, ist nicht nur die technologi- Nanomaterialien einem raschen Fort- sche Umsetzung zu bedenken. Eine schritt unterliegt, wird der Leitfaden große Hürde ist die mangelnde Akzep- kontinuierlich überprüft und bei Bedarf der Erhalt der wich- tanz bei KonsumentInnen, ebenso wie überarbeitet. tigen technologi- nische Beschreibungen der Nanotechnologie, jedoch keine Legaldefinition. Die zukünftige EU-Lebensmittelinforma- Mehlmischungen ist schen Qualitäten des Weizenmehls bei die nicht eindeutig geklärte rechtliche Situation. Aktuell existieren zwar tech- ellen Forschung für NEU- UND WEITERENTWICKLUNG VON GETREIDE UND GETREIDEPRODUKTEN tions-Verordnung (verabschiedet am gleichzeitiger Einführung zusätzlicher positiver Effekte (z. B. Aroma, Frischhaltung) durch die Beimengungen. In der Müllerei zeichnet sich ein Trend 06.07.2011) wird die besondere Vor dem Hintergrund umwälzender für sogenannte Composite Flours Kennzeichnung von bestimmten Nano- demographischer und gesundheitspoliti- (zusammengesetzte bzw. gemischte materialien als Lebensmittelzutaten scher Veränderungen im Gesundheits- Mehle)22 ab. Zu Weizenmehl können sowie eine Definition derselben in das status der Gesellschaft, kommt der als Mischungspartner etwa Mehle aus Lebensmittelrecht einführen. Die Euro- Entwicklung von innovativen getreide- stärkereichen Knollen zugesetzt werden päische Behörde für Lebensmittelsicher- basierten Lebensmitteln besondere oder es kommen proteinreiche Mehle heit (EFSA) hat im Mai 2011 einen Leit- Bedeutung zu. Es ist somit erforderlich, aus Soja und Erdnuss zum Einsatz. faden veröffentlicht, der sich mit der innovative Technologien im Kontext Weitere Möglichkeiten bieten der Risikobewertung im Rahmen von genussvoller, gesunder und sicherer Zusatz von Cerealien wie Mais, Reis, Anträgen auf Zulassung von technisch Lebensmittel vom Rohstoff Getreide Millet und Pseudocerealien wie Buch- hergestellten Nanomaterialien (engi- über Mehl bis hin zu Brot und Gebäck weizen und Amaranth oder Quinoa. neered nanomaterials – ENM) zur für die Betriebe bereitzustellen. Diesbe- Die Backfähigkeit der Mehlmischung 52 ACR INNOVATIONSRADAR muss dabei sichergestellt bleiben, d. h. handlung, mit Enzymen als zentraler Enzymtechnologie können ausglei- der Weizenmehlanteil darf einen Bestandteil, wird ein wichtiges Arbeits- chende Maßnahmen zur Qualitätssiche- bestimmten Prozentsatz nicht unter- feld für die Branche der Müllerei und rung und -steigerung gesetzt werden. schreiten. Dies ist auch für die Wirt- Bäckerei sein. Durch neue Enzymsys- Das heißt, durch den gezielten Einsatz schaftlichkeit der Mehlmischung von teme sind KMU in der Lage, komplexe von Enzymen können negative back- Bedeutung. Der Einsatz von Mehlmi- Aufgaben und Entwicklungen, die sich technologische Eigenschaften wie z. B. schungen bietet die Möglichkeit, sich aus den Marktanforderungen ergeben, das Trockenbacken von Weizen positiv am Markt markanter zu positionieren zu bewältigen. Enzyme unterstützen beeinflusst werden, wodurch sich eine und von Mitbewerbern zu differen- den Fermentationsprozess, tragen zur Qualitätssteigerung im Endprodukt zieren. Die Auswirkungen dieser Steigerung des Backvolumens bei, ergibt. Bereits seit Jahrzehnten bekannt Composite Flours bzw. der Einsatz von stabilisieren die Teigstrukturen, ermögli- sind stärkeabbauende Enzyme wie Mehlmischungen erweitert die Produkt- chen eine längere Frischhaltung und alpha- und beta-Amylasen sowie die palette für KMU, wodurch sich eine die Entwicklung von innovativen Conve- Eiweiß-spaltenden Proteasen. Sie Sortimentserweiterung und somit auch nience-Produkten. Die Anwendung von werden bereits umfassend eingesetzt. eine Absatzsteigerung in Zukunft Enzymen ist in vielfältiger Weise Enormes Potenzial der Mehlverbesse- ergeben werden. möglich und erleichtert viele Arbeits- rung bzw. Mehlanpassung auf unter- und Verfahrensschritte in Produktion schiedlichste Anforderungen in der Des Weiteren zeichnet sich der Trend und Logistik. Produkte von gleichmä- Verarbeitung besteht durch die eben- ab, verstärkt Enzyme zur Verbesse- ßiger Qualität und der im Handel falls natürlich vorkommenden Enzyme rung der Mehlverarbeitungseigen- geforderten Stabilität werden Hemicellulase, Xylanase und durch die schaften23 einzusetzen, sowohl bei außerdem durch den Einsatz von emul- Pentosanase23. Diese Enzyme und herkömmlichen Mehlen, als auch bei gatorhaltigen Formulierungen deren Wirksamkeit sind bereits seit Mehlmischungen. Moderne Mehlbe- möglich23. zwei Jahrzehnten bekannt. In Öster- Durch den Einsatz der LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 53 Enzymen kommt durch die Entwicklung neuer Produkte und den verstärkten Einsatz von Teiglingen eine steigende Bedeutung zu. reich wird das Potenzial jedoch noch In der Mehlanalytik zeigt sich eine flächendeckende, schnelle Unter- kaum genutzt. Das heißt, dass ein verstärkt die Nachfrage nach Analysen suchung von Getreide und Getreidepro- Großteil der Betriebe derzeit nicht über mit dem Alveogramm, mit dessen Hilfe dukten möglich. Das Ziel der aktuellen die Einsatzmöglichkeiten von Enzym- die Auswirkungen von Proteasen, Forschung im Bereich Nah-Infrarot- präparaten verfügt. Durch das Aktiv- Lipasen und Transglutaminasen analy- Reflexions- und Transmissions-Techno- werden innerhalb dieses technologi- siert werden können. Die Teigrheologie, logie ist der Ausbau der Qualitätsana- schen Bereiches ergeben sich viele also das Verformungs- und Fließver- lytik für Getreide und Mehl im Fokus Möglichkeiten zur Entwicklung von halten von Teigen, ist eine Grundlage der teigrheologischen Eigenschaften innovativen Produkten. Durch die für die Ausnutzung von neuen Möglich- von Mahl- und Schälprodukten. Die Entwicklung neuer Produkte und keiten und Chancen in der Verarbei- Spektroskopieverfahren sind kalibrati- Getreideprodukten23. Auf onsabhängig, d. h. Berechnungen den verstärkten Einsatz von Teiglingen tung von kommt diesen Wirkstoffen in den Basis der Teigrheologie ist die Entwick- werden mit Referenzwerten verglichen. nächsten Jahren steigende Bedeutung lung von neuen und innovativen Aus diesem Grunde verbessert sich die zu. Produkten möglich (z. B. Einkorn- Kalibrierung mit der Zeit. Nachteile weckerl, Sojaspitz, Bergsteigersemmel), dieser Technologie bestehen bei Klein strukturierte Bäckerei- und Mülle- wozu allerdings auch die Erfahrung Verwendung neuer Getreidesorten oder reibetriebe stehen oft vor individuellen und das Know-how im Umgang mit den (etwa aufgrund von extremen Witte- Problemen, die im Einzelfall gelöst entsprechenden Analysemethoden rungsschwankungen) stark andersar- werden müssen. Für die Beurteilung der aufgebaut werden muss. In diesem tiger Proben. Bereits sehr zuverlässige Mehlqualität ist das Know-how über die Zusammenhang wird in der Produktent- Ergebnisse für die Qualitätssicherung Enzymatik für MüllerInnen und Bäcke- wicklung der praktische Backversuch in mittels NIR-Technologie können bei rInnen von großer Bedeutung. In Verbindung mit der Teigrheologie folgenden Parametern erzielt werden: diesem Zusammenhang spielt die weiterhin an Bedeutung gewinnen. Teigrheologie eine große Rolle, mit • Produktfeuchtigkeit sowohl bei Getreide als auch bei Mehlen und deren Hilfe die Eigenart regionaler Die Nah-Infrarot-Spektroskopie Gebäcke analysiert und charakterisiert (Nah-Infrarot-Reflexions- und Transmis- werden kann, um in weiterer Folge mit sions-Technologie NIR/NIT-Technik) hat geänderten Produktions- und Backpro- bei der Untersuchung von Getreide, zessen darauf reagieren zu können. Es Mehl und Schrot und Ölsaaten einen eingenommen24. Die Schroten, • Rohproteingehalt (Getreide und Mehlen), • Mineralstoffgehalt bei Mehlen (Basis für die Typenregelung der Mehle gemäß Codexkapitel B20 Mahl- und gilt viele Eigenheiten des Herstellungs- festen Platz prozesses in Betracht zu ziehen, z. B. Vorteile der Nah-Infrarot-Spektroskopie erfordert die intensive maschinelle Knet- als Schnellmethode hat sich vor allem • Klebermenge (Glutengehalt), Beanspruchung eine andere Mehlbe- der Getreidehandel zu Nutze gemacht. • Sedimentationsgehalt (Glutenqualität), handlung als das Kneten des Teiges Mit Hilfe von NIR- bzw. NIT-Geräten • Kornhärte und von Hand. werden qualitative Beurteilungen und • Fett-/Ölgehalt. 54 ACR INNOVATIONSRADAR Schälprodukte) 25, LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 55 Um schnelle Entscheidungen über die umzusetzen, da die Entwicklung neuer ischen Selektion am Getreidesektor ist Lagerung und Trennung von Partien mit Sorten mit neuen Qualitätseigen- es, robuste, ertragreiche Brot- und unterschiedlichen Qualitäten treffen zu schaften Jahre in Anspruch nimmt. Durumweizensorten zu entwickeln, können, wird intensiv an den Kalibrie- Neue Kulturtechniken setzen Akzente welche die agronomischen Anforde- rungen der noch unsicheren Qualitätser- zur Verbesserung der Ertragssicherheit rungen der LandwirtInnen in den Zielre- mittlung in unterschiedlichen Bereichen und der Produktqualität nicht nur im gionen genauso erfüllen wie die Anfor- gearbeitet. Es gibt bereits Entwicklungs- biologischen sondern auch im konven- derungen der MüllerInnen, der Teigwa- fortschritte im Bereich Gelbpigmentmes- tionellen Bereich. In der Getreidezüch- renindustrie und der KonsumentInnen. sung in Durum Weizen, wobei diese tung geht der Trend eindeutig zur Diese Technologie dient somit der Kalibrierung noch nicht am Markt massiven Beschleunigung der Züch- ganzen Wertschöpfungskette. In aktu- verfügbar ist. Die NIR-Technologie wird tungserfolge. Eine Erhöhung des Korn- ellen Forschungsprojekten wird Genma- außerdem für einen Einsatz zur Quali- ertrages und die Verbesserung der terial aus einem bestehenden Genpool tätsüberprüfung von Mehlen weiterent- Weizenqualität sind oberste Ziele im auf molekularer Ebene „genotypisiert“, wickelt. Dies bedeutet für die KMU, Hinblick auf die Deckung des stei- wozu ein neuer SNP-Chip (Single dass der Einsatz der Nah-Infrarot-Refle- genden Bedarfs. In der Kulturtechnik Nucleotide Polymorphism) verwendet xions- und Transmissions-Technologie werden verstärkt bioaktive Substanzen wird. Alternativ wird die Diversity Array zur Schnellbestimmung der Qualität in zur Verbesserung des symbiotischen Technology (DArT) genutzt. Die Genoty- den Bereichen Feuchtigkeit, Rohprotein, Zyklus genutzt, allerdings bislang nur pisierung wird nicht nur für die Entwick- Mineralstoffgehalt, Klebergehalt, Sedi- im biologischen Landbau. Da dort lung eines neuen genomischen Selekti- mentationswert, Kornhärte und Fett- Qualitäts- und Ertragssteigerungen onsverfahrens verwendet, sondern kann /Ölgehalt bereits zuverlässige Ergeb- erzielt werden konnten, sind derartige gleichzeitig auch der Bewahrung der nisse liefert. Sollte sich die NIR-Techno- Pflanzenhilfsmittel wie z. B. Vitazyme genetischen Diversität, dem Schutz des logie auch in der Teigrheologie nun auch für die konventionelle Land- geistigen Eigentums und der Kontrolle Interesse26, durchsetzen, könnten KMU in Qualitäts- wirtschaft von weil KMU der Saatgutreinheit dienen. Im Rahmen sicherung und -analyse enorme Kosten- auch im konventionellen Bereich mit dieser Technologieentwicklung werden und vor allem Zeiteinsparungen reali- höheren Deckungsbeiträgen aufgrund wissenschaftliche Erkenntnisse auf dem sieren. von Qualitäts- und Ertragssteigerungen Gebiet der Weizenzüchtung im allge- rechnen können. Der aktuelle internatio- meinen, sowie im speziellen über die In der Getreidezüchtung und in der nale Trend geht in Richtung phänotypi- Leistungsfähigkeit und Limitierungen der Kulturtechnik ist das Ziel, auf die sich scher Selektionsprogramme durch die Genomischen Selektion im Hinblick auf rasch veränderten Qualitätsansprüche Entwicklung einer genomischen Selekti- ihre praktische Anwendung bei Weizen der unterschiedlichen getreidebasierten onsstrategie. Die Genomische Selektion forciert. Durch diese neuen Technolo- Verarbeitungsprodukte reagieren zu (GS) revolutioniert derzeit die Nutztier- gien ergeben sich für die Produktions- können. Dies ist im Fokus der herkömm- züchtung sowie die Züchtung von Feld- und Verarbeitungsbetriebe höhere lichen Getreidezüchtung sehr schwierig früchten.27,28,29 Deckungsbeiträge mit verbesserter und 56 ACR INNOVATIONSRADAR Das Ziel der genom- sicherer Produktqualität. Zudem stehen KonsumentInnen sind hier innovative durch das neue Selektionsverfahren Verfahren besonders gefragt. Ganz- schneller angepasste und qualitäts- und heitliche Methoden zur Erkennung der ertragssichere Sorten für die Verarbei- Herkunft 30 tung zur Verfügung. Auch auf mögliche fenden Methoden zusammengefasst: werden in den bildschaf- klimatische Veränderungen (Trocken- • Kupferchloridkristallisation, heit/Temperaturanstieg) kann damit • Steigbild und schneller und gezielter reagierte • Rundfilterchromatogramm. in diesem Zusammenhang u. a.: • Produktschutz (insbes. Sicherstellung der Mindesthaltbarkeitsdaten der verpackten Füllgüter): • Schutz vor Feuchtigkeitseintrag und/oder -verlust • Schutz vor Aromaverlust und/oder Aufnahme von Fremd- werden sodass die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf Produktqualität und Über ein Rechenmodell werden ermit- Produktsicherheit nachhaltig erhalten telte Indikatoren für biologischen • Schutz vor Lichteinwirkung Anbau oder konventionelle Kultivierung • Schutz vor Einwirkung von Luft- bleibt. ausgewertet und klassifiziert in: Für das Vertrauen der KonsumentInnen • typisch biologisch, sind insbesondere im biologischen • neutral bzw. nicht klar zuordenbar, Sektor die Produktsicherheit und die • das Produkt stammt aus konventio- damit zusammenhängende neller Produktion. Herkunftssicherheit von besonderer gerüchen sauerstoff • Sicherstellung der Produkthygiene • Anforderungen im Bereich Abfüllung, Transport und Vertrieb: • rechtliche Rahmenbedingungen Bedeutung. Ein enges Kontrollsystem Der Nutzen liegt darin, im Zuge von bezüglich der im direkten stellt die Grundlage für die Nachvoll- Qualitätsuntersuchungen zusätzlich Lebensmittelkontakt stehenden ziehbarkeit des Produktionssystems dar. auch Auskunft über die Herkunft des Verpackungsmaterialien Darüber hinaus sind spezifische Grundproduktes zu erhalten. Produktprüfungen zur Absicherung des • Füllgut-spezifische Anforderungen bei der Abfüllung (Heißab- der indirekten Methode zur Bestim- (KUNSTSTOFF-)LEBENSMITTELVERPACKUNGEN mung der Herkunft (Pestizidrückstands- Lebensmittelverpackungen müssen analysen) sind weitere, ganzheitliche heute auf Grund bestehender gesetzli- Methoden zur Detektion des Produkti- cher und/oder normativer Rahmenbe- Lagerkosten durch optimales onsverfahrens in Entwicklung. Mit dingungen, spezifischer Anforderungen Handling von Wareneinheiten herkömmlichen analytischen Methoden im Bereich der Transportlogistik, des (z. B. Stapelbarkeit) (Pestizidanalysen) ist jedoch keine Vertriebs und des Marketings sowie Kontrollsystems erforderlich. Neben Unterscheidung zwischen biologischem nicht zuletzt in Bezug auf die Erwar- und konventionellem Anbau bzw. tungshaltung der KonsumentInnen eine Kulturmaßnahmen möglich. Zur Vielzahl an Funktionen bzw. Anforde- Sicherheit für VerarbeiterInnen und rungen erfüllen. Typische Aspekte sind füllung, Sterilisation etc.) • Schutz vor mechanischen Einwirkungen • Mi nimierung von Transport- und • Träger von Produktinformation • Erwartungen seitens der KonsumentInnen: • konsumgerechte Verpackungsgrößen LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 57 • Produktinformation ckungsmaterialien aus Kunststoff liegt erfahren. Einerseits ist das Sicherheits- • Convenience darin begründet, dass aufgrund stei- denken gestiegen, auf der anderen • umweltschonende Herstellung gender Qualitätsanforderungen (z. B. Seite kann man mit hochsensitiven IFS – International Food Standard) der Analysenverfahren immer häufiger Markt nach geeigneten Verpackungs- Stoffübergänge nachweisen. Diese Aktuelle innovative Verpackungskon- materialien sucht. Auch aufgrund waren bis dahin noch unbekannt und zepte tragen oft mehreren dieser Punkte diverser negativer Schlagzeilen rückt sind aus Sicht des Gesetzgebers (z.B. Rechnung. Insgesamt lassen sich vor diese Thematik ins öffentliche Interesse. LMSVG Verordnung (EG) Nr. allem die folgenden wichtigen Entwick- Hinsichtlich der Nachhaltigkeit wird 1935/2004) auch unerwünscht: Mehr- lungen und Trends erkennen. neben dem Einsatz von Materialien aus fach haben in diesem Zusammenhang nachwachsenden Rohstoffen der Fokus einzelne Substanzgruppen (Acetal- Die hier dargestellten vermehrt auf Materialreduktion gelegt, dehyd, ITX, Semicarbazid, PFOS/PFOA, technologischen da sich ökonomische und ökologische Mineralöl, Bisphenol A etc.) Schlag- Entwicklungen im Nachhaltigkeit hier sehr gut kombi- zeilen gemacht – begleitet von umfang- Kunststoffverpa- nieren lassen. reichen Analysenprogrammen und und Entsorgung TECHNOLOGISCHE TRENDS darauf basierenden Empfehlungen ckungsbereich sind im Wesentlichen durch das Stichwort „Minimierung“ geprägt, um den Ansprü- In den letzten Jahren hat die Erfor- bezüglich maximal zulässiger Konzen- schung und Bewertung von Stofftrans- trationen.31,32 chen der Nachhaltigkeit bzw. der portvorgängen (Migration) aus Lebens- Sicherheit gerecht zu werden. Der mittelverpackungen in die darin befind- Speziell Verpackungen aus organi- Trend von migrationsarmen Verpa- lichen Lebensmittel hohe Aktualität schen Werkstoffen wie Papier, 58 ACR INNOVATIONSRADAR Der Einsatz von migrationsarmen Verpackungsbestandteilen hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Karton oder Kunststoff sind grundsätz- sowie definierter, meist relativ enger pelten Verpackungstypen dem lich nicht als inert (untätig) anzusehen Molekulargewichtsverteilung (Stich- Phänomen des „Abklatsches“ – also und können einzelne Inhaltstoffe (z. B. wort: Metallocen-Katalyse); der Stoffübertragung von der (z. B. Verarbeitungshilfsmittel, Restmonomere, • Substitution und/oder Modifikation bedruckten) Außenseite auf die Innen- Additive) an angrenzende Lebensmittel von Additiven (Reduktion der Additiv- seite der Verpackung während der abgeben. Die festgestellten Konzentra- Migration durch bessere Einbindung in Lagerung der Packmittel – ausrei- tionen dieser im verpackten Lebens- die Polymermatrix z. B. auf Basis chendes Augenmerk zu widmen: Wenn- mittel unerwünschten Komponenten gezielter chemischer Modifikation) gleich aus theoretischen Überlegungen variieren oft in weiten Bereichen und und/oder durch den Einsatz von Addi- schon länger bekannt, wird diesem hängen in starkem Ausmaß von der Art tiven mit höherem Molekulargewicht Effekt in der Praxis nach wie vor oft nur des Verpackungsmaterials und des (und somit geringerer Migrationsnei- ungenügend Aufmerksamkeit geschenkt gung); (u.a. wegen des Fehlens einfacher stan- Lebensmittels sowie von Abfüll- und Lager- bzw. Kontaktbedingungen ab.33 • Einsatz von Barriereschichten (aus dardisierter Untersuchungsmethoden). Wegen der niedrigen Konzentrationen produktionstechnischen Gründen ist es Gleichzeitig ist jedoch zu bedenken, haben die genannten Komponenten oftmals einfacher, so genannte Migrati- dass zumindest für bedruckte Lebens- meist keine unmittelbar akut toxikologi- onsbarrieren einzusetzen, die aus mittel-Verpackungsmaterialien allge- sche Relevanz, können jedoch zu Bean- organischen oder anorganischen Mate- meine diesbezügliche Anforderungen standungen wegen geruchlicher rialien bestehen können). bereits auf europäischer Ebene (in der so genannten GMP-Verordnung Nr. und/oder geschmacklicher Veränderung der Lebensmittel führen bzw. – Konkrete Marktzahlen über die Nach- 2023/2006) festgelegt wurden. Die wie z. B. im Fall der so genannte Xeno- frageentwicklung sind für migrations- Entdeckung von Mineralöl-Rückständen hormone (s. u.) – zur massiven Verunsi- arme Verpackungsmaterialien derzeit (zunächst unbekannter Herkunft) in cherung von VerbraucherInnen führen. nicht verfügbar. Wenn man jedoch Lebensmitteln zählte ebenfalls zu den ausgewählte Teilbereiche der gesamten Auslösern für die Neukonzeptionierung Speziell im Bereich der Kunststoff- Verpackungssparte wie z.B. die Druck- migrationsarmer Verpackungs- verpackungen wurde aus diesem und Lackindustrie näher betrachtet, so systeme: Seit bekannt ist, dass diese Grund in den letzten Jahren der erkennt man, dass der Einsatz von Mineralölreste in vielen Fällen mit dem Entwicklung neuer, migrationsarmer migrationsarmen Verpackungsbestand- Rezyklatanteil von Verpackungskartons Verpackungsmaterialien sehr hohes teilen (z. B. Druckfarben, Lacke) seit in Zusammenhang stehen, werden Augenmerk geschenkt. Die Neuentwick- 2005 deutlich zugenommen hat.36 aus 100 % Frischfasern gefertigt. lungen basierten dabei sehr häufig auf einem oder mehreren der nachfolgenden Konzepte: 34,35 • Einsatz höhermolekularer Polymertypen mit geringem Restmonomergehalt kartonhaltige Verpackungen verstärkt Ungeachtet der angeführten Trends bzw. Lösungsmöglichkeiten ist in Eine völlig neue Dimension in Bezug diesem Zusammenhang speziell bei auf migrationsarme Verpackungsmate- Rollenware bzw. genesteten/gesta- rialien wurde zuletzt durch den LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 59 Der Schlüssel zu einer wirtschaftlichen und ökologischen Verpackung liegt im Verbrauch von weniger Material. Wunsch nach Xenohormon-freien wird seitens der Gesetzgebung in der zur Entsorgung) mit allen limitierenden Verpackungsmaterialien eröffnet: Die Verpackungsverordnung gefordert. Faktoren abzuklären. Inkludiert ist damit angesprochenen Inhaltsstoffe mit Verpackungsminimierung ist eine dabei die Vereinbarkeit von KundInnen- hormonähnlicher Wirkung (endocrine Entwicklung, welche sich schon seit akzeptanz für einen Leichtbehälter mit disruptors) können teilweise schon in Jahrzehnten herauskristallisiert hat. Bei dem VerbraucherInnenwunsch nach geringsten, mit rein analytischen Verpackungen stellt das Material in den Convenience. Verpackungsminimierung Methoden kaum mehr nachzuweisen- meisten Fällen einen essentiellen bringt sowohl ökonomische als auch den, Spurenkonzentrationen wirksam Kostenfaktor dar. Durch die stark ökologische Vorteile. Diese erstrecken werden und sind derzeit weltweit gestiegenen Rohstoffpreise hat sich das sich von der Beschaffung der Rohstoffe Gegenstand umfangreicher Forschungs- Kostenbewusstsein nochmals geschärft. über die Herstellung der Verpackung programme. Um das mögliche Gefähr- Deshalb liegt der Schlüssel zu einer bis hin zur Logistik und Entsorgung. dungspotenzial derartiger Inhaltsstoffe wirtschaftlicheren und zugleich ökologi- Durch einen geringen Rohstoffeinsatz (z. B. Bisphenol A) überhaupt beurteilen scheren Verpackung im Verbrauch von werden nicht erneuerbare Ressourcen Material.38 Die Vielzahl der geschont und Beschaffungskosten zu können, wurden zellbiologische Test- weniger verfahren (so genannte Bioassays) auf Neuerung macht es schwierig, allge- gesenkt. Besonders bei Massenpro- Basis von Hefe- bzw. Humanzellkul- mein gültige Trends abzuleiten, dukten ist dies zusätzlich mit Kostenein- turen entwickelt. Die Anwendung derar- weshalb sich das vorliegende Innovati- sparungen verbunden. Auch wenn die tiger Screening-Verfahren auf Verpa- onsradar mit den allgemeinen Vorteilen Verpackungsminimierung zum Alltags- ckungsmaterialien erlaubt inzwischen der Verpackungsminimierung beschäf- problem in der Verpackungsbranche die grundsätzliche Ermittlung der tigt. gehört, besteht in vielen Firmen noch erhebliches Potenzial hinsichtlich der Hormonaktivität von Produkten, die dabei erzielten Beurteilungsergebnisse Nach beachtenswerten Gewichtsein- Vereinheitlichung von Verpackungs- (positiv/ negativ) sind jedoch teilweise sparungen sind derzeit teilweise größen oder der Reduktion an Material noch vom jeweils angewandten Testver- Verfahrensinnovationen erforderlich bei Überverpackungen. Der Vorteil für fahren abhängig und lassen zum geworden. Sowohl durch Umgestaltung KMU liegt vor allem darin, dass eigene gegenwärtigen Zeitpunkt auch noch des Behälterdesigns mithilfe von Soft- Ideen relativ schnell realisiert werden keine Rückschlüsse auf die tatsächliche wareprogrammen, durch die Kombina- können. Sie können dabei helfen, dass Ursache für die Hormonaktivität zu. tion von Werkstoffen als auch durch Materialkosten langfristig eingespart Außerdem sind Untersuchungsmöglich- Änderungen im Herstellprozess kann werden. Als konkrete Beispiele in keiten bis dato noch auf einige wenige eine signifikante Materialreduktion diesem Zusammenhang ist die Materi- Hormone (fast ausschließlich Östrogen) erreicht werden. Um das volle alreduktion von Kunststoffverschlüssen beschränkt.37 Ausschöpfungspotenzial zu erreichen, um ca. 10 % zu nennen. An der 2l PET- gilt es bereits zu Beginn des Designpro- Flasche eines bedeutenden Softdrink- Eine Optimierung des Materialein- zesses den gesamten Lebenszyklus der Herstellers konnte eine Gewichtsopti- satzes bei Lebensmittelverpackungen Verpackung (von der Herstellung bis mierung von 42 auf 40 g, gleichbedeu- 60 ACR INNOVATIONSRADAR tend einer Materialersparnis von 4,8 %, erzielt werden.39 aus fossilen Quellen. Während baren Polyestern – weisen auch auf zunächst primär bioabbaubare konventionellen Verarbeitungsma- Produkte den Markt erobert haben, ist schinen relativ gute Maschinengäng- Bereits in den frühen 1980er Jahren in letzter Zeit eine deutliche Forcierung keit auf und sind aufgrund ihres Eigen- präsentierte man erstmals so genannte von Produkten auf Basis von nach- schaftsprofils für kurzlebige Verpa- biologisch abbaubare Kunststofffolien wachsenden Rohstoffen zu ckungsanwendungen besonders am Markt, auch wenn diese den heute erkennen.41,42 prädestiniert. Für langlebige und allgemein anerkannten Kriterien von Lebensmittelverpackungen lassen sich besonders sensible Produkte können Biokunststoffen (s. u.) nicht entspro- in diesem Zusammenhang insbeson- diese Systeme meist nur im Verbund mit chen haben: Gemäß einer heute in dere folgende Konzepte erkennen: herkömmlichen Materialien eingesetzt weiten Kreisen anerkannten Definition Im Bereich innovativer • Im Rahmen der Erhöhung des Anteils werden. des Dachverbandes European Bioplas- an nachwachsenden Rohstoffen im tics40 versteht man unter Biokunst- Fertigprodukt wird konventioneller sender Rohstoffe sind im Vergleich zu stoffen: Kunststoff mit Füllstoffen auf Basis von den beiden erstgenannten Möglich- nachwachsenden Rohstoffen versetzt – keiten e in relativ junges Anwendungs- • Kunststoffe, die auf Basis von nach- • Kunststoffe auf Basis nachwach- wachsenden Rohstoffen erzeugt meist handelt es sich dabei um Stärke, gebiet, da die ökonomische Wettbe- werden (so genannte bio-basierte Cellulose und/oder Cellulose-Derivate. werbsfähigkeit der so gewonnenen Kunststoffe) und/oder Die Modifikation führt zu einer Reduk- Werkstoffe erst in den letzten Jahren tion des fossilen (nicht erneuerbaren) durch die steigenden Rohstoffpreise • Kunststoffe, die alle Kriterien zum Nachweis der biologischen Abbaubar- Anteils der Verpackungsmaterialien gegeben ist. In den meisten Fällen keit und Kompostierbarkeit erfüllen (so und lässt darüber hinaus auch eine werden im Zuge der Polymerherstel- genannte bioabbaubare Kunststoffe). begrenzte Beeinflussung physikalisch- lung eine oder mehrere Rohstoffkompo- Speziell in Europa wird der Nachweis mechanischer Eigenschaften zu. Je nenten, welche bis dato aus fossilen der biologischen Abbaubarkeit dabei nach Anwendung ist die maximale Quellen stammten, durch gleichwertige meist auf Basis der EN 13432 erbracht. Zusatzmenge des nachwachsenden oder ähnliche Produkte aus biotechno- Anteils häufig mit ca. 10 –20 % limitiert. logischen Prozessen ersetzt. Beispiele Obwohl mit rund 0,2 % des Gesamt- • Der Einsatz biologisch abbaubarer in diesem Zusammenhang sind „Bio- kunststoffmarktes derzeit nach wie vor Verpackungen erfreut sich besonders PET“ (Monoethylenglykol wird aus eine Nischenanwendung, wächst der im Bereich kurzlebiger Verpackungs- Melasse und Zuckerrohr gewonnen), weltweite Markt für Biokunststoffe jähr- produkte (z. B. Folien für Obst und lich zwischen 15–20 %. Diese hohen Gemüse) großer Beliebtheit. Die dafür „Bio-PE“ (Ethylen-Monomer basiert auf Ethanol aus Zuckerrohr) oder „Bio-PA“ Wachstumsraten basieren einerseits auf eingesetzten Materialkombinationen – (Sebacinsäure wird aus Rizinusöl einem steigenden Umweltbewusstsein häufig PLA (Polymilchsäure), PHA (Poly- gewonnen). der KundInnen, andererseits auf deutli- hydroxyalkanoate) oder Stärke-Blends • Dem verstärkten Einsatz industrieller chen Preissteigerungen bei Rohstoffen in Kombination mit biologisch abbau- Koppelprodukte für Verpackungsan- LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 61 wendungen ist speziell aus dem Aspekt und aufgrund bestimmter Inhaltsstoffe keit hinsichtlich dieser Aspekte stark der Nachhaltigkeit hohe Relevanz (Lactoperoxidase, Lactoferin und limitieren kann. Ungeachtet derartiger beizumessen: So kann z. B. eine Reihe Lysozym) antimikrobielle Wirksamkeit Diskussionen ist jedoch im Allgemeinen derartiger Produkte mittels biotechnolo- zeigt. festzustellen, dass VerbraucherInnen gischer Prozesse zu Polymeren veredelt verstärkt Produkte nachfragen, denen werden (z. B. Fermentation von Poly- Trotz des in der Regel günstigeren ein Nachhaltigkeits-Gedanke milchsäure aus Weizenkleie), wobei carbon footprint und des nach wie vor innewohnt.43 Dieser Trend dürfte sich die gegenwärtig erreichten Ausbeuten beträchtlichen Anwendungspotenzials auch in den kommenden Jahren die Wirtschaftlichkeit oft noch stark von Biokunststoffen, wird von Kritike- verstärkt fortsetzen. Wie auch bei eingrenzen. Vielversprechend gilt rInnen oftmals die direkte Konkurrenz anderen Verpackungsmaterialien aus derzeit auch der direkte Einsatz solcher zur Nahrungsmittelproduktion als Kunststoff, lassen sich aufgrund der Materialien für spezielle Verpackungs- großes Problem gesehen, auch wenn Eigenschaften von Biokunststoffen (z. B. anwendungen – auf wissenschaftlicher BefürworterInnen betonen, dass z. B. Permeation von Gasen und Wasser- Ebene werden z. B. den tierischen Stärke in verschiedenen Industrieberei- dampf) nicht alle Lebensmittel abpa- Molkeproteinen und den pflanzlichen chen (insbes. Bau- und Papierindustrie) cken. Eine Abklärung hinsichtlich des Sojaproteinen hohe Erfolgschancen bereits seit Jahrzehnten eingesetzt wird. Einsatzpotenzials ist für einen Erfolg am zugeschrieben. Besonders Molke Auch wird z. T. befürchtet, dass aus Markt unerlässlich. scheint für nachhaltige Beschichtungs- einem verstärkten Einsatz nachwach- systeme gut geeignet zu sein, da dieses sender Rohstoffe für die Kunststoffpro- Nanotechnologie verspricht auch im System über ähnliche Barrierekenn- duktion fast zwangsläufig auch ein Bereich der Lebensmittelverpackung werte wie EVOH verfügt, sich relativ erhöhter Einsatz von Pestiziden und hohes Innovationspotenzial in unter- einfach auf Kunststoffe au ftragen lässt Wasser resultiert, was die Nachhaltig- schiedlichsten Anwendungsgebieten. 62 ACR INNOVATIONSRADAR Nanotechnologie polarisiert: Hohes Innovationspotenzial versus Unsicherheit bei KonsumentenInnen. Neben der Erzielung von Verpackungseigenschaften, die mit herkömmlichen Materialien nicht oder nur in unzurei- tivierung von Bakterien. • Mit Hilfe von Nanobeschichtungen kann eine Hydrophobierung und/oder tiert. 47,48,49 Seit Erscheinen der europäischen Kunststoffverordnung Nr. 10/2011 dürfen Nanomaterialien im chendem Ausmaß erreicht werden eine Reduktion der Rauheit der mit dem Bereich von Lebensmittelkontaktmate- können, belegt eine internationale Füllgut in Kontakt stehenden Verpa- rialien nur nach spezieller Evaluierung Studie auch das ökonomische Poten- ckungsoberfläche erreicht werden, die und Zulassung durch die europäische zial dieser Technologie und geht trotz in weiterer Folge zu einer verbesserten Lebensmittelbehörde EFSA verwendet Wirtschaftskrise von einem weltweiten Wachstum von etwa 12 % bis 2014 Restentleerbarkeit führt. • Durch den Einsatz bestimmter Nano- werden; letztere hat in diesem Zusammenhang im Mai 2011 einen entspre- aus. 44 Derzeit sind vor allem folgende Partikel (z. B. carbon nano-tubes, nano- chenden Leitfaden zur Risikoabschät- nanoskalige Anwendungen im Verpa- kristalline Stärke) kann schon bei zung veröffentlicht. 50 Zusammenfas- ckungsbereich beschrieben bzw. ange- vergleichsweise geringer Konzentration send kann also festgestellt werden, dacht:45 eine deutliche Erhöhung sowohl der dass Nanotechnologie trotz ihres Zähigkeit als auch Steifigkeit von großen Potenzials viele Probleme im Kunststoffmaterialien erreicht werden – Bereich Verpackung zu lösen hat, an • Durch den Einsatz nanoskaliger Schichtsilikate (z. B. Montmorillonit) als Füllstoff kann eine deutliche Erhöhung ein Effekt, der mit konventionellen denen zurzeit geforscht und entwickelt der Barrierewirkung gegenüber Gasen Additiven und/oder Füllstoffen so nicht wird. Sie befindet sich hinsichtlich erreicht werden – bedingt durch eine erzielt werden kann. Akzeptanz und Einbeziehen demzu- Verlängerung des Permeationsweges folge noch in einem sehr frühen Ungeachtet dieser Anwendungspoten- Stadium. Genau hier liegt die Chance ziale stehen viele KonsumentInnen und für Unternehmen: Sie können sich auf tende Beschichtungssysteme sind europäische VerbraucherInnenschutz- ganz bestimmte Nischen spezialisieren optisch transparent, weisen jedoch Organisationen dem Einsatz der Nano- und sich dadurch einen Vorteil im Wett- bei gleicher Gesamtschichtdicke. • TiO 2- oder ZnO-Nanopartikel enthal- gleichzeitig eine deutliche Barriere für technologie im Lebensmittelbereich bewerb gegenüber anderen Anbietern UV-Strahlung auf und dienen daher nach wie vor sehr kritisch gegen- verschaffen. Demgegenüber steht das dem (Licht-)Schutz empfindlicher Füll- über46: Kernpunkt der Diskussionen bei Problem der Risikobewertung: Hierzu güter. Lebensmittel-Kontaktmaterialien ist in fehlen derzeit noch ausreichende der Regel die mögliche Freisetzung der Daten, um gesicherte Aussagen zu sites (Silberionen eingebettet in eine Nanopartikel aus dem Verpackungs- treffen. amorphe Glas-Matrix) erlaubt eine material und die damit eventuell effektive antimikrobielle Ausrüstung verbundenen Auswirkungen auf die • Der Einsatz von Silber-Nanocompo- Während bis vor kurzem Lebensmittel- von Verpackungen; Oberflächenbe- menschliche Gesundheit. Auch auf verpackungen überwiegend ihrem schichtungen mit speziell dotierten wissenschaftlicher Ebene werden diese eigentlichen Zweck, dem „Verpacken“, TiO 2-Nanopartikel bewirken unter Licht- Fragestellungen seit nunmehr bereits dienten und auf diese Weise auch die einwirkung eine photokatalytische Inak- mehreren Jahren intensiv disku- Distribution der Lebensmittel erleich- LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 63 terten, so fungieren sie heute zumin- lich weniger aufgeschlossen sind als besonders zur Kontrolle von Kühl- oder dest teilweise auch als High Tech- bspw. die japanische Bevölkerung. Tiefkühlprodukten, insbesondere der Lösungen, mit deren Hilfe die Haltbar- Darüber hinaus basieren einige Reakti- lückenlosen Einhaltung der Kühlkette. keit von Produkten aktiv verlängert und onsmechanismen der aktiven und intel- Ihr Wirkungsprinzip beruht meist auf deren Qualität überwacht wird. Derar- ligenten Materialien auf nanoskaligen irreversiblen Farbänderungen, die tige Systeme sind unter dem Namen Zusatz- bzw. Rohstoffen, denen – wie durch chemische, physikalisch-chemi- aktive und intelligente Verpa- bereits erwähnt – ebenfalls mit teil- sche, enzymatische oder mikrobielle ckungen (AIP) bekannt und bieten weise erheblicher Skepsis begegnet Prozesse ausgelöst werden oder zu sowohl ProduzentInnen als auch wird. Im Bereich der Lebensmittelverpa- einer mechanischen Verformung führen. EndVerbraucherInnenn eine enorme ckungen wurden folgende Konzepte Die Änderungsgeschwindigkeit der Steigerung von Produktqualität und bereits vorgestellt bzw. sind die Farbe läuft in den meisten Fällen bei Prozesstransparenz. Zwei Mecha- Anwendungen schon in Asien oder höheren Temperaturen entsprechend nismen sind dabei zu unterscheiden: Amerika am Markt erhältlich (Eintei- schneller ab. Die Indikatoren können lung nach Wirkungsweise): somit je nach Art ihrer Funktionalität • Zeit-Temperatur-Indikatoren und des Wirkprinzips Informationen • aktive Verpackungen, welche direkt in den Verderbnisprozess des Lebensmittels eingreifen bzw. das Wachstum • Absorbersysteme zum aktuellen Zustand des Füllgutes unerwünschter Mikroorganismen • Antimikrobielle Systeme geben. 51 Hinsichtlich ihrer Indikation lassen sich TTI folgendermaßen klassifi- hemmen bzw. • intelligente Verpackungen, welche Auf die genannten Systeme wird in die Qualität der Produkte überwachen weiterer Folge noch näher einge- und mittels entsprechender Indikatoren gangen, daneben finden sich jedoch über den tatsächlichen Zustand des auch noch andere aktive und intelli- verpackten Lebensmittels Auskunft gente Systeme, die sich aber teilweise noch im Prototyp-Status befinden: geben. • Intelligente Verpackungen mit diagDie weltweiten Wachstumsrate n von aktiven und intelligenten Verpackungs- nostischen und Indikatorfunktionen zieren: • CTI: Kritischer Temperatur-Indikator – Critical temperature indicators • CTTI: Kritischer Zeit-Temperatur-Indikator – Critical temperature/time integrators • TTI: Zeit-Temperatur-Indikatoren – Time-temperature integrators/indicators • Gas-/Leckage-Indikatoren systemen wird je nach Anwendungs- • Frische-Indikatoren Die Entwicklung von immer einfacher zweck mit 6 % für intelligente und mit • Feuchte-Indikatoren zu handhabenden und billigen Indika- rund 12 % für aktive Verpackungen • RFID-Systeme torlösungen ist ein momentanes Haupt- angegeben. 44 Unklar ist in diesem Bei Zeit-Temperatur-Indikatoren (TTI) augenmerk der Industrie. Ein Problem Zusammenhang, ob diese Raten auch handelt es sich meist um Etikettenfor- in diesem Zusammenhang stellt die für Europa erreicht werden können, da mate, welche die Zeit-Temperatur- Unschärfe der Indikatorsysteme dar, hier die KonsumentInnen gegenüber Historie verpackter Lebensmittel zumal die beim kritischen Umschlags- derartigen Verpackungslösungen deut- begleitet. Die Indikatoren eignen sich punkt auftretenden Toleranzen zu 64 ACR INNOVATIONSRADAR Aktive und intelligente Verpackungen bieten sowohl ProduzentInnen als auch VerbraucherInnen eine Steigerung von Produktqualität und Prozesstransparenz. Verunsicherungen bei KundInnen führen beschränkt sind. In Europa wird in Vermarktung und die Verwendung von können.52 diesem Zusammenhang vermehrt an antimikrobiellen Produkten unterliegen Intelligenten Verpackungssysteme größ- Proteinen (z. B. Nisin) und Enzymen im Allgemeinen den Regelungen der tenteils die Aufklärung beider Seiten (z. B. Lysozym) gearbeitet, da sich europäischen Biozid-Produkt-Richtlinie (Konsument sowie Produzent) hinsicht- diese Produkte relativ einfach aus 98/8/EG. lich Einsatzmöglichkeiten fehlt, wurde Koppelprodukten der Milchindustrie eine „Competence Platform“ gewinnen lassen. Prinzipiell lassen sich Absorber in Verpackungsmaterialien (http://kb.activepackaging.eu/) etab- antimikrobielle Wirkstoffe für Verpa- haben den Zweck, qualitätsmindernde liert, um sich ein Bild hinsichtlich des ckungen nach ihrem Wirkungsmecha- oder verderbnisbergende Stoffe in der Da bisher im Bereich der Leistungspotenzials der Zeit-Temperatur- nismus wie folgt einteilen: 55 Verpackung zu reduzieren. Bei diesen • Release-Mechanismus, d. h. Wirk- Indikatoren zu machen. Stoffen handelt es sich im Allgemeinen stoffe diffundieren aus der Oberfläche um Sauerstoff, Ethylen und Feuchtigkeit. Antimikrobielle Verpackungen sind in in das umgebende Medium und verhin- Die absorbierenden Komponenten der Lage, verschiedenste Mikroorga- dern dadurch das Wachstum von können – ähnlich wie bei antimikro- nismen zu hemmen oder abzutöten. Mikroorganismen. biellen Verpackungen – entweder direkt Die antimikrobielle Wirkung basiert • Kontakt-Mechanismus, d. h. die anti- in das Packmittel eingearbeitet werden entweder durch die Zugabe eines anti- mikrobielle Wirkung entfaltet sich oder in speziellen Sachets bzw. mikrobiellen Wirkstoffes als Additiv durch direkten Kontakt der Mikroben Etiketten enthalten sein, die der Verpa- (z. B. Ag+-Ionen) zu der konventio- mit der Oberfläche. Die Ansiedlung ckung zusätzlich zugegeben werden. nellen Packung oder andererseits durch und das Wachstum werden wirksam Allgemein betrachtet haben die Absor- den Gebrauch von antimikrobiell wirk- gehemmt. bersysteme den großen Vorteil, dass die Lebensmittelqualität länger auf samen Polymeren (z. B. antimikrobiell wirkende Seitenketten auf Basis von Säuren). 53,54 Generell Im Allgemeinen lassen sich durch diese einem bestimmten Niveau gehalten Technologien die Keimzahlen im werden kann, was sich einerseits sind die derzeit gebräuchlichsten anti- Lebensmittel durch relativ gut um etwa positiv auf die Lebensmittelqualität mikrobiellen Substanzen chemischen 2–4 log10 Stufen reduzieren. Was in während der Lagerung auswirkt und Ursprungs. Die Gruppe an biozid diesem Zusammenhang jedoch anderseits zu einer Reduktion von wirkenden Verbindungen umfassen im beachtet werden muss ist, dass verderbnisbergenden Reaktionen Wesentlichen organische Säuren, Alko- aufgrund der unterschiedlichen Lebens- führen kann.56,57 hole und/oder Metall-Ionen. Im asiati- mittelzusammensetzungen die Wirk- schen Raum finden vermehrt natürliche samkeit der antimikrobiellen Trotz der großen Anwendungspoten- organischen Extrakte auf Basis von Wasabi, Substanzen reduziert werden kann (z. B. ziale von aktiven und intelligenten Curcuma und Chili in Verpackungen Ag+-Ionen können bei bestimmten Verpackungen sind von KonsumentIn- Einsatz, wobei diese Anwendungen Lebensmitteln in Form von Ag- nenseite nach wie vor Bedenken derzeit meist nur auf Pilotanlagen Komplexen gebunden werden).54 Die vorhanden. Dennoch zeigt sich die LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT 65 Mehrheit der KonsumentInnen gegen- LITERATUR über diesen Systemen zunehmend aufgeschlossen.57 Seit Erscheinen der 1 europäischen Verordnung Nr. 2 975/2009 über aktive und intelligente Materialien dürfen diese Produkte nur nach einer detaillierten Bewertung 3 4 durch die EFSA58 für Lebensmittelkontaktmaterialien eingesetzt werden. Da diese Systeme oftmals mit nanoskaligen 5 Zusatz- bzw. Rohstoffen arbeiten, sind in diesem Zusammenhang auch die Rahmenbedingungen für Nanotechno- 6 logie zu berücksichtigen. Koordination: DI Julian Drausinger (LVA) 7 AutorInnen: DI Julian Drausinger (LVA) 8 DI Christine Grabler-Mayr (LVA) DI Michael Pitzl (ofi) 9 DI Christian Kummer (VFG) 10 11 12 13 66 ACR INNOVATIONSRADAR Deloitte Development LLC, (2010) Survey conducted online on March 22-24, 2010 EU-Lebensmittelinformations-Verordnung (LMIV, VO (EU) Nr. 1169/2011), 22.11.2011 Hrsg. SGS (2011) White Paper: Comparing GFSI recognized standards Knorr, D. et. al. (2010) Emerging and New Technologies in Food Science and Technology, IUFOST Scientific Information Bulletin Moreau M., Orange N., Feuilloley M.G.J. (2008). Non-thermal plasma technologies: New tools for biodecontamination; Biotechnology Advances 26, 610–617. Novel continuous in-pack decontamination sys tem for fresh produce (SAFE-BAG), funded under 7th FWP (Seventh Framework Programme), research area: SME2011-2 Research for SME associations, Start Date: 2011-09-01, duration: 36 months http://www.safebag-fp7.eu/ Knorr, D. (2002). 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Beschränkte man sich in das sind heute oft die Werkstoffanfor- der Vergangenheit überwiegend auf Da Schadensfälle immer auch Image- derungen, die an moderne Konstrukti- klassische Methoden der zerstörenden verlust und oft hohe Folgekosten nach onsteile (z. B. in der Automobilindustrie) Materialcharakterisierung, so kommt sich ziehen – beides Faktoren, die gestellt werden. In vielen Fällen ist heute ganzheitlichen Betrachtungs- insbesondere für KMU extrem kritisch dieses Ziel alleine durch den Einsatz weisen steigende Bedeutung zu. Damit sein können – empfiehlt es sich, im eines einzigen Werkstoffes nicht zu einher geht die Anwendung zerstö- Rahmen begleitender qualitätssi- erfüllen: Optimierte Materialkombina- rungsfreier Prüfmethoden in der Mate- chernder Maßnahmen rechtzeitig tionen aus zwei (oder mehreren) unter- rial- und Bauteilcharakterisierung: Ihre entsprechendes Know-how über den schiedlichen Werkstoffklassen (hetero- zunehmende Verbreitung verdanken sie eingesetzten Werkstoff oder Material- gene Multimaterialverbunde) bzw. die insbesondere der Verfügbarkeit hoch- verbund aufzubauen: Die Beschäfti- Kombination metallischer Werkstoffe empfindlicher Sensortechnik und ausge- gung mit den Möglichkeiten neuer, mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) reifter Datenverarbeitungssysteme zu innovativer Charakterisierungsver- stellen häufig geeignete Lösungsan- wirtschaftlich vertretbaren Konditionen. fahren kann hierzu oft einen wesentli- sätze dar. Die Analyse von Ausfallteilen im chen Beitrag leisten. Vergleich zu fehlerfreien Chargen hilft, Der allgemeine Trend zu Leichtbau- die Schadensursachen aufzuklären und Im sehr breiten Feld der entsprechend Konstruktionen sowie verschärfte wirt- latente Mängel oder Fehler der Produk- verfügbaren innovativen Produkte, schaftliche Rahmenbedingungen in der tion zu lokalisieren; auf diese Weise Prozesse und Werkstoffe fokussiert sich Produktion führen zunehmend entsteht ein besseres Verständnis für das vorliegende Innovationsradar den eingesetzten Werkstoff, dessen entlang der Kompetenzen der ACR- Verarbeitung und Einsatzgrenzen. Institute auf zwei Themenbereiche: • zum Einsatz innovativer Materialien bzw. Materialkombinationen, • zur Herausforderung, diese Werkstoffe untereinander zu verbinden sowie • zur Anwendung neuartiger bzw. Opti- • Neue Materialverbunde durch innovaSpeziell in technischen Anwendungsbe- tive Herstellungsverfahren sowie Füge- reichen wird darüber hinaus immer und Hybridfügetechniken mierung bestehender Fertigungstechno- öfter eine 100 %ige Kontrolle der logien. ausgelieferten Teile gefordert: Entspre- • Innovative Untersuchungsmethoden in der Material- und Bauteilprüfung. chend ausgereifte inline-Prüfmethoden Aufgrund steigender Qualitätsanforde- erlauben hier nicht nur die Sicherung rungen an moderne Werkstoffe und der Produktqualität sondern können Bauteile spielt außerdem die sichere auch zur Prozesssteuerung herange- PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 69 Konstruktionsteile im Leichtbau zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften in Kombination mit geringem Gewicht aus. NEUE MATERIALVERBUNDE lich vertretbaren Fertigungsprozessen spezifischen Gewichtes am häufigsten realisieren zu können (Energieeinspa- eingesetzt – entweder in Form von Nach wie vor stellen wirtschaftliche rung und Effizienzsteigerung bei der Endlosfasern, oder aber auch als Fertigung); Matten, Gewebe und/oder Kurzglasfa- Überlegungen oft ein Haupthindernis für die Umstellung herkömmlicher • Umweltfreundlichkeit der Produkte, Produktionsverfahren bzw. für die insbesondere in Bezug auf die Life vergleichsweise kleinen Mengen im Einführung neuer Füge- und Hybridfüge- Cycle Performance sowie die Recyclier- Einsatz, die Verbrauchsmengen der techniken dar. Den relativ hohen barkeit. letzten Jahre zeigen jedoch einen konti- Anfangsinvestitionen stehen jedoch die nuierlich steigenden Bedarf. Carbon- erzielbaren deutlichen Einsparungen an eingesetzten Materialmengen sowie eine erhöhte Produktivität gegenüber. sern. Carbonfasern sind derzeit noch in TECHNOLOGISCHE TRENDS In diesem dynamischen Arbeitsgebiet Im Bereich der Composites weisen eine enorme Steifig- Faser-Kunststoff- keit und Festigkeit bei gleichzeitig Verbunde (FKV) geringer Dichte auf und haben sich wird in den bisher vor allem in High-Tech-Anwen- kommenden 5 dungen (Raumfahrt, Militär, Spitzen- ergeben sich für Entwickler und Jahren eine Verdoppelung des Bedarfes sport) etabliert. Für die kommenden Anwender allerdings oft die folgenden von 2011 erwartet. Gründe hierfür Jahre wird ein deutlich zunehmender Herausforderungen: liegen insbesondere in der zuneh- Einsatz in der Serienfertigung, z. B. im menden Substitution herkömmlicher Automobilbau, erwartet. Zukunftspoten- von Werkstoffen und Multimaterialver- (insbes. metallischer) Werkstoffkompo- tiale liegen hier einerseits in der bunden, um die gesteckten Ziele (z. B. nenten – heterogene Multimaterial- Verwendung von Mischgeweben, mit Gewichtseinsparung, Prozessoptimie- Verbunde werden als Zukunftspotential deren Hilfe Verbundwerkstoffe hinsicht- rung, Designanforderungen) zu errei- der Branche angesehen. Signifikante lich ihrer Steifigkeit und Zähigkeit exakt chen; technologische Entwicklungen sind ausbalanciert werden können; anderer- • Notwendigkeit der Weiterentwicklung • Korrekte und anwendungsspezifische dabei sowohl in den Bereichen der seits aber auch in der Ausgestaltung Auswahl und Abstimmung von Verbin- Faser- und Matrix-Werkstoffe als auch bzw. Anfertigung innovativer textiler dungstechnologien im Hinblick auf die bei den Verarbeitungstechnologien zu Vorformlinge. jeweiligen Anforderungen moderner erkennen. Die in den FKV eingesetzten Konstruktionsteile – sowohl im Bereich Fasermaterialien verleihen dem Materi- Aramidfasern (aromatische Polyamidfa- metallischer Werkstoffe untereinander alverbund seine typischen Eigen- sern) werden im Bereich der FKV als auch im Bereich heterogener Mulit- schaften, wie hohe Festigkeit, Steifig- künftig verstärkt gemeinsam mit den materialverbunde (z. B. mit metalli- keit, Zähigkeit und Wärmeformbestän- vergleichsweise steifen Carbonfasern schen und polymeren Materialkompo- digkeit. eingesetzt werden. Diese dabei erhal- nenten); tenen Composites zeichnen sich durch • Optimierung von Prozesstechnologien, Nach wie vor werden Glasfasern aus sehr hohe Festigkeit, hohe Dehnung um intelligentes Design mit wirtschaft- Preisgründen trotz ihres relativ hohen und exzellente Schlagzähigkeit aus und 70 ACR INNOVATIONSRADAR eignen sich daher insbesondere für tivität) wesentliche Bedeutung zu, sind Bereits gut etablierte Herstellungstech- schlagbeanspruchte Bauteile. Speziell sie doch für die letztlich erzielbare nologien werden sowohl verfahrens- als in den letzten Jahren werden zuneh- Zykluszeit von entscheidender Bedeu- auch materialspezifisch laufend weiter- mend auch Naturfasern (Hanf-, Flachs-, tung. Bei faserverstärkten Thermo- entwickelt oder miteinander kombiniert Holz-, Sisal- oder Kokosnussfasern) im plasten ist neben dem derzeit überwie- – erwähnt seien in diesem Zusammen- Bereich von FKV eingesetzt: Zum einen gend eingesetzten Polypropylen ein hang z. B. die Bemühungen um Reduk- wegen ihres Eigenschaftsspektrums zunehmender Einsatz technischer, hoch- tion der Zykluszeiten bei der Prepreg- (geringe Dichte, hohe Zähigkeit, hohe temperaturbeständiger Thermoplaste Verarbeitung (preimpregnated fibers) Steifigkeit), insbes. aber mit öko- (z. B. Polyamide, PEEK) festzustellen; durch die „Quickstep“-Technologie, die logischen Argumenten (Nachhaltigkeit, treibende Faktoren sind dabei vor Herstellung komplexer großflächiger Recyclierbarkeit, gute CO2-Bilanz). allem die Themen Metallersatz, Funkti- Leichtbau-Formteile durch das RRIM- onsintegration und Designfreiheit. Verfahren (Reinforced Reaction Weiterentwicklungen im Bereich von Injection Moulding) oder aber auch die Harz- und Matrixsystemen erfolgen Im Bereich der Fertigungstechnolo- Kombination von textilen Wickeltech- heute meist sehr zielgerichtet und gien etablieren sich infolge steigender niken mit Pultrusionsverfahren zur anwendungsorientiert in Bezug auf Stückzahlen und erhöhten Kostendrucks Herstellung thermoplastischer FKV- Temperaturbeständigkeit, Alterungsbe - zunehmend automatisierte Verfahren Endlosprofile. Daneben entstehen aber ständigkeit, Chemikalien- und Korrosi- und Prozesse, auch wenn dafür häufig auch immer wieder neue Verfahrens- onsfestigkeit, Schlagzäh- und Brandfest- ein vergleichsweise hoher Maschinen- technologien, mit deren Hilfe z. B. ausrüstung sowie Licht- und UV-Bestän- einsatz erforderlich ist; offene und Leichtbauteile durch hochdefinierte digkeit. Im Bereich der Reaktivharz- manuelle Verfahren (Faserspritzen, Faserorientierung möglichst material- systeme kommt zudem der Optimierung Handlaminieren etc.) geraten demge- sparend hergestellt werden können der Aushärtungsreaktionen (Harz-Reak- genüber zunehmend unter Kostendruck. (z. B. TFP – Tailored Fibre Placement, PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 71 Heterogene Multimaterial-Verbunde sind die Zukunft. Signifikante technologische Entwicklungen gibt es sowohl in den Bereich der Faser- und Matrix-Werkstoffe als auch bei den Verarbeitungstechnologien. FPP – Fibre Patch Placement, ATL – deren Einsatz in Kombination mit Nicht- durch Kombination von mehreren unter- Automated Tape Laying). Gusswerkstoffen stellen in Hinblick auf schiedlichen Werkstoffen erreicht neue Anwendungen sowie gesteigerte werden. Getrieben wird diese Entwick- Großes Entwicklungspotenzial wird Anforderungen an Bauteile und lung sowohl aus wirtschaftlichen auch diversen Sandwichbauweisen Konstruktionen eine Herausforderung Gesichtspunkten (Energieeinsparung, zugeschrieben, in denen vermehrt nicht für die Zukunft im Bereich der innova- bessere Ressourcennutzung) als auch nur Harz und Fasern, sondern diverse tiven Bauteilherstellung durch Gieß- wegen verstärkter Berücksichtigung von weitere Materialkomponenten, wie z. B. Prozesse dar. Die Fahrzeugindustrie ist Umweltaspekten. Metallverbunde Schaumkerne, gezielt zum Einsatz mit Abstand der größte Gussanwender können grundsätzlich entweder mittels kommen. Für eine Vielzahl von Produkt- und auch der innovative Treiber, wenn Füge- oder Hybridfügetechniken, wie anwendungen wird auf die Weiterver- es darum geht, Gießprozesse und z. B. Schweißen, Löten, Nieten, arbeitung von Thermoplast-Halbzeugen Gusswerkstoffe zu optimieren. Schrauben oder Kleben oder aber auch (GMT / Organobleche) gesetzt. Vorteil gießtechnisch hergestellt werden. Die ist die im Vergleich zu Prepregs unbe- Als technologischer Trend ist die Topo- gießtechnische Herstellung bietet grenzte Haltbarkeit des Vorprodukts. logie-Optimierung von Gussstücken zu gegenüber den anderen Verfahren den erwähnen: Die Geometrie von großen Vorteil, dass selbst komplexeste Als Beispiel, welches die Vorteile der Bauteilen wird hier derart gestaltet, Geometrien realisiert werden können. Weiterentwicklung in Bezug auf die dass an Oberflächen minimierte Span- Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe und die Fertigungstechno- nungsspitzen auftreten – das Ergebnis Werkstoffe erfordert technisch logie verdeutlicht, ist die Ausführung ist ein festigkeits- und gewichtsopti- anspruchsvolle Lösungen und es sind der Fahrgastzelle des Lamborghini miertes Bauteil, welches oft dem Vorbild noch große Anstrengungen in Aventador zu nennen. Durch Verwen- der Natur nachgeahmt ist (bionische Forschung und Entwicklung notwendig, dung von Carbonfasern in einem Kunst- Herleitung). Mit diesem Trend einherge- um das gesamte Potential zu nutzen, stoffverbund (CFK) konnte im Vergleich hend sind Verbesserungen im Bereich das durch Werkstoffverbunde ermög- zu herkömmlichen Werkstoffen das der Formfüllungs- und Erstarrungs- licht wird. Während es für die Verbin- Gewicht reduziert und gleichzeitig simulation zu nennen. dung arteigener Werkstoffe meist durch die hervorragenden Werkstoffei- mehrere Möglichkeiten gibt und diese genschaften die Sicherheit der Insassen Metall-Verbunde als Bauteile der auch weitgehend technisch beherrscht erhöht werden; durch Weiterentwick- Zukunft werden sich dadurch werden, bedarf die Verbindung von lungen in der Fertigungstechnologie auszeichnen, dass jeweils der für die artfremden Materialien noch weiterer konnten auch komplexere Geometrien lokale Beanspruchung am besten geeig- Forschung und es ist erst mittelfristig mit realisiert werden. nete Werkstoff an der richtigen Stelle serientauglichen Lösungen zu rechnen. eingesetzt wird bzw. dass durch FunktiDie Weiterentwicklung von Gießpro- onsintegration aus mehreren Bauteilen Bei der gießtechnischen Herstellung von zessen und Gusswerkstoffen sowie ein einziges Bauteil entsteht. Dies kann Metall-Metall-Verbunden, wird ein 72 ACR INNOVATIONSRADAR Der Einsatz innovativer Materialien bzw. Materialkombinationen ermöglicht KMU, sich auch künftig erfolgreich am Markt zu behaupten. vorgefertigtes metallisches Teil in einem Composites – MMC oder Ceramic Transponder (Radiofrequenz-Identifika- weiteren Schritt durch Gießen ein- bzw. Matrix Composites – CMC) wird ein tion), in der Erkennung von Bauteil- umgossen. Ein hervorragendes Beispiel metallisches Trägermaterial mit kerami- Überbelastung mittels integrierter Piezo- dafür ist ein Verbundgusskurbelgehäuse schen Hartstoffpartikeln verstärkt. Die Sensoren sowie in der Beeinflussung aus einer Aluminium- und Magnesium- Leichtigkeit des Metalls lässt sich auf des Schwingungsverhaltens von legierung: Dabei wird das innere, diese Weise mit der Beständigkeit der Bauteilen und deren Akustik mittels inte- höher belastete Skelett, aus einer über- Keramik kombinieren. Entweder grierter Piezo-Aktoren. eutektischen Legierung im Niederdruck- werden die Keramikpartikel mit der gießverfahren hergestellt und in einem metallischen Schmelze vergossen (Parti- Speziell der Fahrzeugbau wird immer weiteren Schritt im Druckgießverfahren kelverstärkung) oder hochporöse wieder als „Trendsetter“ für die Einfüh- mit einer leichten Magnesiumlegierung Keramik-Vorformlinge, sogenannte rung neuer Fügetechnologien ange- zum fertigen Motorblock umgossen. Preforms, beim späteren Gießen des sehen. Der Einsatz unterschiedlichster Gegenüber einer reinen Aluminium- Leichtbauteils von der Metallschmelze Werkstoffe (Stahl, Aluminium, Magne- Ausführung kann dadurch eine infiltriert (Kurz- oder Langfaserverstär- sium, Kunststoffe, Faser-Kunststoff- Gewichtseinsparung von ca. 25 % kung). Ein Beispiel für eine derartige Verbunde etc.) sowie die Anwendung realisiert werden. Anwendung ist die lokale Verstärkung innovativer Konstruktionsprinzipien der Zylinderlaufflächen im Motorblock erfordert fast zwangsläufig auch eine Weitere Metall-Metall-Verbunde, an der Porsche Boxster und 911. Dabei entsprechende Weiterentwicklung der deren Herstellung derzeit geforscht werden keramische Preforms in eine Fügetechniken. Leichtbau-Konstruk- wird, ist z. B. hybrider Stahlblech-Leicht- metallische Form eingelegt und im tionen sowie verschärfte wirtschaftliche metall-Verbundguss: Dabei werden Druckgießverfahren mit einer Alumini- Rahmenbedingungen erfordern zuneh- umgeformte Blechstrukturen im Druck- umschmelze infiltriert und im Motor- mend den Einsatz und die Entwicklung gießverfahren mit einer Aluminiumle- block eingegossen. innovativer Materialien bzw. Material- gierung umgossen, sodass eine formschlüssige Verbindung entsteht. kombinationen und deren VerbindungsBei funktionsintegrierten Gussbauteilen methoden. Schweißen, Clinchen, Stanz- geht es darum, elektronische und nieten und Kleben sind als anerkannte Ein Metall-Keramik-Verbund verdeutlicht adaptronische Funktionsele- (Einzel-)Fügetechniken bereits seit Möglichkeiten zur Gewichtsreduktion mente direkt im Druckgießverfahren langem Stand der Technik. Durch die im Automotive-Bereich durch Einsatz einzugießen. Dadurch können erwei- zunehmende Komplexität neuer Leicht- von Verbundwerkstoffen auf Aluminium- terte elektronische, sensorische oder bauteile gelangt die Anwendung dieser und Magnesiumbasis, die durch kera- aktorische Funktionalitäten in Guss- Verbindungstechniken jedoch zuneh- mische Komponenten höhere Festig- teilen integriert werden. Die Anwen- mend an die Grenzen der einzelnen keiten bei geringerem Bauteilgewicht dungspotenziale liegen bspw. in der Verfahren. Die folgenden Herausforde- erreichen. Bei Verbundwerkstoffen aus eindeutigen Gussteilkennzeichnung und rungen sind zukünftig zu bewältigen: Metall und Keramik (Metal Matrix -verfolgung mittels integrierter RFID- • die Reduzierung des Bauteilgewichts PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 73 Das Hybridfügen gleicht durch Kombination zweier oder mehrerer Fügetechniken die Vorund Nachteile der jeweiligen Verfahren aus. • die Effizienzsteigerung bei der mechanischen Verfahrenskomponenten deln, Nocken). Weiters kann dieses die Fixierung der Fügepartner bis zur Verfahren auch zur Plattierung auf Klebstoffaushärtung. Auch beim Fügen Bauteiloberflächen seine Anwendung unedler Metalle, wie z. B. Aluminium- finden (z. B. Fertigung von Führungs- und Magnesium-Legierungen, ist das bahnen).3,4 Zu erwähnen sind in keit und Dauerfestigkeit von Bauteilen Kleben bzw. Punktschweißkleben oft diesem Zusammenhang auch Halb- sowie die Fügetechnik der Wahl. zeuge aus nicht oder nur schwer Bauteilfertigung • die Optimierung der Prozessbeherrschung • die Erhöhung der Langzeitbeständig- schweißbaren Materialienkombina- • die Verbesserung der RecyclierbarBeim Laserinduktionswalzplattieren tionen (Ti-Al, Ni-Ti, Ni-Al) sowie werden Metall-Bänder, die nicht Verbinder aus Kupfer und Aluminium Diese Anforderungen sind nur mithilfe zwangsweise geometrisch deckungs- für Antriebskomponenten.5,6 Auch an innovativer produktionstechnischer gleich sein müssen, beim Einlaufen in einer für den Leichtbau interessanten Lösungen zu erreichen. den Walzstock zunächst induktiv vorge- Kombination aus Stahl mit einer Alumi- wärmt. Unmittelbar vor dem Walzspalt nium-Legierung, die in den kommenden Das sogenannte Hybridfügen kann hier erwärmt ein Linienlaser die Innenflä- Jahren zur industriellen Umsetzung zur Abhilfe schaffen, weil es durch gezielte chen der Bänder, anschließend werden Verfügung stehen wird, wird gearbeitet. Kombination zweier oder mehrerer die Bänder zusammengewalzt und Fügetechniken die Vor- und Nachteile können sodann umformtechnisch keit. werden.1,2 Ziel dieser Intensiv wird auch an der Weiterentwicklung der Bimetall-Doppelschweiß- der jeweiligen Verfahren in sinnvoller weiterverarbeitet Weise ausgleicht. Ziel ist es dabei, die Fügetechnik ist es, hochwertige Metall- technik („TWIN-Schweißen“) gearbeitet Stärken der jeweils integrierten Füge- bleche mit preiswerteren Typen zu – eine Technik zum Verbinden unter- techniken zu akkumulieren und auf verbinden und so kostengünstigere schiedlicher Metalle (z. B. Stahl / diese Weise deren Schwächen zu Materialkombinationen mit hochwer- Aluminium) durch Verschweißen mit kompensieren. Besondere Bedeutung tigen Gesamteigenschaften zu einer Bimetallkomponente im Schweiß- haben in den letzten Jahren Hybridfü- erzeugen. Auch können auf diese nahtbereich.7,8 Die Vorteile liegen im geverfahren erlangt, bei denen umform- Weise bestimmte Materialkombina- nahezu beliebigen kontinuierlichen technische oder thermische Fügever- tionen erzielt werden, die anders nicht Nahtverlauf und dem damit univer- fahren (z. B. Falzen, Clinchen, Stanz- oder nur sehr schwer herstellbar sind. sellen Einsatzgebiet. Als Hauptschwie- nieten, Punktschweißen) mit klebe- Bisher wird diese Technologie zur rigkeit ist die Verfügbarkeit der jewei- technischen Prozessen kombiniert Herstellung von Halbzeugen aus der ligen Bimetalle anzusehen; letztere werden. Auf diese Weise können Kombination härtbarer Stähle zur Ferti- werden z.T. mittels Laserinduktionswalz- alterungsbedingte Eigenschaftsverluste, gung von Werkzeugen (z. B. Bohrer) plattieren hergestellt. Aluminium und wie sie z.T. bei reinen Klebeverbin- eingesetzt und findet ihre Verwendung Stahl sollen kombiniert werden9, als dungen zu beobachten sind, vermieden auch bei der Erzeugung von Teilen der auch die Verbindung anderer Material- werden; umgekehrt übernehmen die Antriebstechnik (z. B. Zahnräder, Spin- kombinationen (zur weiteren Optimie- 74 ACR INNOVATIONSRADAR rung von Design, Gewicht und Festigkeit von Bauteilen). • gute Überwachbarkeit des Prozesses den letzten Jahren stetig weiter, um in sowie • Dauerfestigkeit der Material-Design) und entwickelt sich in Verbindung.10,11 Im Gegensatz zu konventionellen Zukunft einen breiten Anwendungsbereich abzudecken. Schweißverfahren wird beim Rührreib- Ausgehend von Aluminium und seinen schweißen (Friction Stir Welding – Legierungen eignet sich das Verfahren Metallstifte (Pins), die auf Metalloberflä- FSW) der Werkstoff nicht völlig aufge- insbesondere auch im Bereich von chen geschweißt werden (häufig ca. schmolzen, sondern mit Hilfe eines Magnesium(legierungen), Kupfer, Stahl 10 Pins/cm2), sind als weitere neuar- rotierenden, verschleißfesten Werk- und Titan(legierungen); darüber hinaus tige Verbindungstechnologie (lösbar zeugs erwärmt (plastifiziert) und wurden in den letzten Jahren auch oder nicht lösbar) zu nennen. Verbin- gleichzeitig verdichtet; durch dieses vermehrt Anstrengungen unternommen, dungen zwischen verschiedenen Fügen in der festen Phase entsteht nach das Rührreibschweißen auch für ther- Metallen und die Möglichkeit, Metall dem Abkühlen eine feste Verbindung. moplastische Kunststoffe einzusetzen. mit Kunststoffen oder Keramik zu Ein Arbeiten unter Schutzgasatmo- Ein besonderer Vorteil der Anwendung verbinden, sind auf diese Weise sphäre ist dabei nicht erforderlich, ergibt sich auch durch die Tatsache, möglich. Dieses Verfahren bietet sich auch besteht durch die geringere dass viele Materialkombinationen, die an als Abstandshalter für definierte Temperaturbelastung deutlich geringere üblicher Weise als nicht miteinander Distanzen, Beschriftung von Bauteilen Neigung zur Riss- und/oder Porenbil- verschweißbar gelten, durch Rührreib- oder auch lösbare Verbindungen; die dung in der Schweißnahtzone. Als schweißen erfolgreich verbunden Variantenvielfalt liefert ein großes tech- weitere Vorteile werden u.a. genannt: werden können. Diese Technologie legt nologisches Potential für Unternehmen • ein hoher Grad an Automatisierbarkeit ihren Schwerpunkt auf qualitativ hoch- und ist in ihrer Einsatzmöglichkeit noch • hohe Reproduzierbarkeit wertige Verbindungen und in die nicht ausgeschöpft.12,13 • geringe Fehleranfälligkeit Bereiche Leicht- und Hybridbau (Multi- PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 75 Der verstärkte Einsatz innovativer Verbundwerkstoffen stellt die Werkstoffprüfung vor große Herausforderungen. UNTERSUCHUNGSMETHODEN derungen an die Charakterisierungsme- So kann neben einer Steigerung der thoden dramatisch angestiegen – insbe- Bauteilsicherheit oft auch ein Einspar- Für die Untersuchung struktureller und sondere durch den zunehmenden potenzial durch Verringerung von funktioneller Eigenschaften von Mate- Einsatz nanotechnologischer Beschich- Produktionsschwankungen realisiert rialien und Bauteilen sind in den letzten tungen und/oder Strukturen, die immer werden. Jahren eine Vielzahl neuer, innovativer höheres Auflösungsvermögen der Charakterisierungsmethoden entwickelt einzelnen Methoden verlangen, um Bei der Wärmefluss-Thermografie wird worden. Einige dieser Verfahren haben diese Strukturen auch wirklich korrekt dem Prüfobjekt (meist impulsartig) bereits Eingang in die Qualitätskon- darstellen und charakterisieren zu Wärme zugeführt und mit einer hoch- trolle hochwertiger Bauteile bzw. können. empfindlichen Infrarotkamera die zeit- Bauteilkomponenten erlangt bzw. liche und örtliche Änderung der Tempe- werden im Bereich der Schadensursa- raturverteilung registriert. Verborgene chenforschung mit Erfolg eingesetzt. Die zunehmende Defekte, wie Materialrisse, Inhomogeni- Anwendung täten, Faserbrüche oder Delamina- zerstörungsfreier tionen stören den Wärmefluss im Prüf- jedoch ein erhebliches Entwicklungspo- Prüfmethoden für körper und können daher auf diese tential erkennen. Bauteile aus Kunst- Weise detektiert werden. Die Prüfung Andere wiederum stehen erst am Beginn ihrer Markteinführung, lassen TECHNOLOGISCHE TRENDS stoffen, Metallen, Keramiken und von Verbundmaterialien ist mittlerweile Wegen der zunehmenden Bedeutung Verbundwerkstoffen ist einer der einer der wichtigsten Anwendungen von Verbundwerkstoffen in der großen aktuellen Trends im Bereich der der Wärmefluss-Thermografie Bautechnik und im Fahrzeugbau stieg Material- und Bauteilcharakterisierung. geworden. Die Empfindlichkeit der in den letzten Jahren der Bedarf an Er beruht zum einen auf der Verfügbar- Kamerasysteme liegt dabei oft um Möglichkeiten, Bauteile aus diesen keit immer höher empfindlicherer Größenordnungen über jener, wie sie neuen Werkstoffen auf Defekte und Sensortechnik und zum anderen auf bei herkömmlichen Thermografie- Abweichungen zu prüfen. Der hetero- der Möglichkeit, riesige Mengen von Systemen im Bereich des Bauwesens gene Aufbau und die meist anisotrope anfallenden Primärdaten mit Hilfe von (z. B. zum Erkennen von Kältebrücken) Struktur dieser Materialien stellen die Software-unterstützten Verfahren eingesetzt werden. Die Möglichkeiten, Werkstoffprüfung und die Qualitätssi- auswerten und/oder korrelieren zu den Wärmefluss im Prüfling anzuregen, cherung vor große Herausforderungen, können – beides inzwischen durchaus sind sehr vielfältig: Neben Strahlern die mit herkömmlichen Charakterisie- innerhalb wirtschaftlich vertretbarer und optischen Blitzen kann auch eine rungsmethoden oft nicht mehr bewältigt Rahmenbedingungen. Die Verfahren Anregung mittels Ultraschall erfolgen, werden können. kommen sowohl in Prüf- und Qualitätssi- bei der die Wärme nicht von außen auf cherungslaboratorien, zunehmend aber das zu prüfende Werkstück aufge- Aber auch im Bereich der mikrosko- auch für die Prozesskontrolle direkt bei bracht wird, sondern im Prüfling selbst pisch kleinen Strukturen sind die Anfor- der Fertigung der Bauteile zum Einsatz. (über die eingeleiteten Ultraschall- 76 ACR INNOVATIONSRADAR PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 77 schwingungen) induziert wird. Dabei können. Durch Einbindung in automati- Durchstrahlung von Bauteilen mit Rönt- können teilweise auch Materialdefekte sche Prüfabläufe mit Roboteranbindung genstrahlen basiert, steigende Bedeu- festgestellt werden, die mittels optischer wird die Methodik auch zur 100 %ige tung zu. Durch den Einsatz der kurz- Anregung nicht detektierbar gewesen Prüfung von Verbundbauteilen (z. B. welligen Strahlung ist hohe Material- wären. Speziell im Metallbereich Rotorblätter von Helikoptern oder von durchdringung kombiniert mit einer kommt auch induktive Erwärmung der Windkraftanlagen) eingesetzt. Auflösung von deutlich unter 1 µm Prüflinge zur Anwendung. Insbesondere möglich. Damit können innere Material- für den Bereich der Verbundwerkstoffe Elektrisch oder magnetisch leitfähige ungänzen wie z. B. Poren, Risse und wurden in den letzten Jahren auch Materialien sind online im Wirbelstrom- Einschlüsse detektiert und bezüglich Verfahren entwickelt, die Kombina- Prüfverfahren zerstörungsfrei bis in ihrer Größe und Form quantifiziert tionen aus thermographischen Prüfme- Tiefen von mehreren Millimetern prüfbar. werden. Mit diesem zerstörungsfreien thoden mit anderen zerstörungsfreien Das Verfahren kann sowohl berüh- Blick ins Innere von Materialien und Verfahren nutzen, wie z. B. Thermo- rungslos oder im Kontakt durchgeführt Bauteilen können wesentliche neue grafie & Röntgen-Technik oder aktive werden und detektiert oberflächennahe Erkenntnisse hinsichtlich Eigenschaften Thermografie & digitale Shearografie. Defekte oder Gefügefehler. Diese und Herstellprozessen gewonnen zerstörungsfreie Prüfmethode findet ihre werden. Die Bilderfassung erfolgt Bei der Shearografie wird das Prüfob- Anwendung häufig bei der Prüfung von mittels spezieller Hochleistungsdetek- jekt mit kohärentem Laserlicht Materialien (z. B. Rohre), in der toren, sodass die dabei generierten beleuchtet und das Bild mittels CCD- Prozesssicherung des Schweißens elektronischen Daten (Volumen-Pixel = Kamera aufgezeichnet. Durch interfero- sowie im Bereich der Qualitätssiche- Voxel) zur Visualisierung und weiterfüh- metrischen Vergleich eines Bildes unter rung in der Automobilindustrie und bei renden Auswertungs- und/oder Verar- (vergleichsweise geringer) Belastung Wartungsprüfungen. Aktuelle Entwick- beitungsschritten zugänglich gemacht mit einem Referenzbild ohne Belastung lungen sind im Bereich der Carbon- werden können. Interessant ist in können Defekte, Schädigungen und Fiber-Composites absehbar. Es ist diesem Zusammenhang z. B. die Über- Verformungen – Letztere mit einer bekannt, dass die Leitfähigkeit der führung des Voxel-Modells in Oberflä- Größe von nur wenigen Mikrometern – Fasern ausreicht, um sie für die Prüfung chennetze oder Punktwolken, wodurch erkannt werden. Die Belastungsart ist mittels hochauflösender Wirbelstrom- die Ergebnisse aus der RCT für Simula- stark vom vermuteten Fehlertyp technik zu nutzen. Detektiert werden tionen oder CAD-Anwendungen genutzt abhängig und wird daher meist bauteil- können Delaminationen, Faserbrüche werden können. Dadurch wird auch ein spezifisch gewählt (z. B. Druck, Vakuum, oder auch die Faserausrichtung an Soll-/Ist-Vergleich von Geometriedaten thermische Belastung). Shearografie- Prüflingen.14 möglich. Da das Verfahren materialun- Systeme stehen auch in mobiler Ausfüh- abhängig ist, wird es in vielen Berei- rung zur Verfügung, sodass großflä- Vor allem wegen der Möglichkeiten der chen wie z. B. Keramik- und Baustoffin- chige Verbundbauteile vergleichsweise 3D-Visualisierung kommt der Röntgen- dustrie, Kunststoffe oder Archäologie einfach und rasch geprüft werden Computertomografie (RCT), die auf der zunehmend zur Prüfung herangezogen. 78 ACR INNOVATIONSRADAR Strukturen mit nur geringen Dichteunter- 1mm bis 10 µm) ist vergleichsweise in industriellen Produktionsumge- schieden lassen sich im Röntgen- energiearm und nicht-ionisierend, bungen). Kunststoffe, Papier, viele Absorptionskontrast nur schwer sichtbar sodass sie auch in Bereichen eingesetzt Keramiken und nichtpolare Substanzen machen. Für derartige Anwendungs- werden kann, in denen Röntgenstrahlen sind für THz-Strahlung weitestgehend fälle wurde die Röntgen-Phasenkontrast- aus Gründen des Arbeitnehmerschutzes transparent, während Metalle die tomografie entwickelt, die – wie in der nicht angewendet werden können (z. B. Strahlung reflektieren. Substanzen mit optischen Mikroskopie – die räumliche Kohärenz des „weißen Röntgenlichts“ für Phasenkontrastmessungen ausnutzt und so in vielen Fällen auch die Darstellung von Strukturen mit minimalsten Absorptionsänderungen möglich macht. Für tomographische Untersuchungen in der Material- und Bauteilprüfung wurden bisher meist Systeme auf Basis Röntgenstrahlung eingesetzt. In neuerer Zeit stehen geeignete gepulste Quellen mittels Femtosekundenlaser zur Verfügung, mit denen Terahertz-Strahlen von ausreichender Intensität erzeugt und für tomografische Untersuchungen herangezogen werden können. Als ein mögliches Anwendungsbeispiel ist nachfolgend ein mittels RCT untersuchtes Gussteil dargestellt. In der transparenten Darstellungsweise sind deutlich die im Gussteil vorhandenen Poren ersichtlich (Abb. 1). Die bei der Terahertz-Tomografie eingesetzte Strahlung (0,1 bis 10 THz, entsprechend einer Wellenlänge von Abbildung 1: a, b, c, d, e – Detailaufnahmen und Kennzeichnung der größten Lunker; Quelle: ÖGI PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 79 Die Röntgen-Computer-Tomografie ermöglicht es, Poren, Risse und Einschlüsse in Bauteilen leicht zu erkennen und bezüglich ihrer Größe und Form zu quantifizieren. polaren Gruppen absorbieren charakte- faser-Verbundwerkstoffen, Untersu- abzutasten, um auf diese Weise die ristische Frequenzbereiche, wodurch chungen von Einzelschichten in Mehr- variierenden Materialkonstanten bezüg- eine tomografische Bildgebung und schichtfolien, zur Schichtdickenmessung lich Reflexion und Dämpfung berück- Identifizierung der bestrahlten Materia- und zur Visualisierung von inneren sichtigen zu können. Hier kommt die lien möglich wird. Durch Terahertz- Strukturen in Spritzgussbauteilen einge- Phased Array Technologie zum Einsatz, Tomografie, die ein hohes Durch- setzt. bei der der Prüfkopf aus einer Reihe dringungsvermögen hat, wird die von einzelnen Schwingerelementen Aufklärung und Visualisierung innerer Ultraschallmikroskopie und Ultraschall- besteht. Durch variable elektronische makroskopischer Strukturen von prüfung zählen mittlerweile zu den Ansteuerung kann das Schallfeld (Verbund-) Werkstoffen ermöglicht. In klassischen und etablierten Verfahren in gezielt moduliert werden und so der industriellen Qualitätssicherung ist der zerstörungsfreien Bauteilprüfung. mehrere Einschallwinkel oder Prüf- Terahertz-Spektroskopie von beson- Die nur punktförmige Durchführbarkeit zonen (Sectorscans) erzeugt werden. derem Interesse zur 3D-Rekonstruktion der Messungen, die im Fall von Bauteil- Phased Array-Prüfköpfe werden zur von Bauteilen aus verschiedenen Werk- prüfungen ein langwieriges Abrastern Schweißnahtprüfung, zur Prüfung von stoffen und dem Lokalisieren von darin der Prüflinge erforderlich macht, sowie Metallen und zum Untersuchen von verborgenen Anomalien und Abwei- die in der Regel notwendige Einbrin- Bauteilen aus Verbundwerkstoffen, wie chungen von Fertigungstoleranzen. gung der Proben in Wassertauchbäder glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) sind als wesentliche Nachteile zu oder carbonfaserverstärkten Kunst- Eine Weiterentwicklung der CT stellt die nennen. Die Prüfung mittels Ultraschall stoffen (CFK), eingesetzt. Das Verfahren Optische Kohärenztomografie (OCT) stellt speziell bei massiven Bauteilen mit ermöglicht eine Aussage darüber, in dar: Sie ist eine kontakt- und zerstö- hohen Wandstärken oft die einzig welcher Tiefe die Fehler im Bauteil oder rungsfreie Methode zur Visualisierung mögliche zerstörungsfreie Prüfmethode in der Schweißnaht liegen. Diese Tech- mittels Infrarotlicht. Die Methode detek- dar. Umgekehrt lassen sich heute mit nologie wird stetig weiterentwickelt, tiert kleinste Brechungsindex-Unter- bildgebender Ultraschall-Mikroskopie sodass nicht nur die klassischen schiede im Beobachtungsvolumen. im Tauchbad hochpräzise tomographi- Einsatzgebiete wie Luftfahrt, Schweiß- Durch interferometrische Überlagerung sche Aufnahmen von Bauteilen aus naht- oder Korrosionsprüfung, und auch von Infrarotwellen, die aus verschie- Verbundwerkstoffen mit lateralen Auflö- die Charakterisierung komplexer denen Tiefenbereichen der Probe sungen von weniger als 5 µm Geometrien und schwer zugänglicher zurück gestreut werden, mit einer Refe- erzielen.15 Bauteilbereiche abgedeckt und verbes- renzwelle, kann aus dem detektierten sert werden, sondern sich auch immer Signal auch Information über die Posi- Bei Prüfungen im Feld ist es aus techni- wieder neue Möglichkeiten, z. B. im tion des Streuers in der Tiefe des unter- schen oder wirtschaftlichen Gründen Bereich der Niederdruckturbinen, der suchten Bauteils erhalten werden. meist nicht möglich, einen Prüfkörper Überprüfung von Pipelines oder der Derzeit wird die OCT im industriellen mit mehreren Messköpfen unterschiedli- Verbundwerkstoffe von Raketendüsen, Bereich zur Defektanalyse bei Glas- cher Frequenzbereiche systematisch erschließen.16,17,18 80 ACR INNOVATIONSRADAR Die Ultraschallmikroskopie wird heute Pikosekundenbereich, welcher im schall-Erzeuger ist und die Ausbrei- nicht nur zur Detektion von Anomalien Probenmaterial selbst Ultraschallwellen tungsrichtung der Wellen bestimmt, ist eingesetzt, sondern auch zur Bestim- erzeugt, mit deren Hilfe Störstellen es nebensächlich, unter welchem mung von physikalischen Parametern erfasst werden können. Der große Winkel der Laserstrahl auf die Probe und Materialkonstanten und in weiterer Vorteil der LUS ist somit das berüh- auftrifft.19 Sind extrem hohe Auflö- Folge zur Lebensdauerabschätzung. rungslose Prüfen, z. B. wenn ein sungen (z. B. zur Beurteilung von sehr Während bei klassischen Ultraschall- Kontakt mit Ultraschallkoppel - dünnen Schichten) notwendig, so kann Messverfahren die Probe de facto in mittel/Wasser nicht möglich ist das sogenannte modulierte Laser-Ultra- direktem Kontakt mit dem Messkopf (heiße/glühende Medien, nicht rost- schall-Verfahren zum Einsatz kommen: stehen muss, erfolgt bei der soge- freier Stahl) oder wenn extrem schwer Dabei werden bestimmte Frequenzen nannten Laser-Ultraschall-Technologie zugängliche Stellen untersucht werden des Lasers amplitudenmoduliert und mit (LUS) die Energieübertragung durch sollen: Da die Probe selbst (über den einem entsprechend frequenzange- einen Laserlicht-Impuls im Nano- oder eingebrachten Laserimpuls) der Ultra- passten Detektor ausgewertet. Diese PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 81 Mit bildgebender Ultraschall-Mikroskopie lassen sich hochpräzise tomographische Aufnahmen von Verbundbauteilen mit Auflösungen im Mikrometer-Bereich erzielen. Methode findet auch Einzug bei der dauer ist das Verfahren heute schon digen Kenngrößen können somit belas- Schichtdickenbestimmung und der weit verbreitet. Das Anwendungsgebiet tungsunabhängig und insbesondere Ermittlung von elastischen Eigen- dieser Messmethode liegt in der Quali- auch für Kompositwerkstoffe ermittelt schaften von dünnen Schichten und tätskontrolle elektronischer Bauteile werden. Beschichtungen. Bisher wurde diese sowie in der fertigungsintegrierten Technologie noch kaum industriell Vermessung von Schweißnähten und Die dynamischen Eigenschaften von eingesetzt, jedoch wird an der Techno- Faserverbundbauteilen. Vorteile liegen Elastomeren sind abhängig von logie und Umsetzung derzeit noch im in der Robustheit und der hohen Auflö- verschiedenen Einflussgrößen (z. B. Rahmen verschiedenster Entwicklungs- sung bei der Vermessung von Schweiß- Frequenz, Lastamplitude, Temperatur), nähten, die wiederum ein großes die wiederum großen Einfluss auf die Inspektionsfeld und eine hohe Verarbei- Betriebsfestigkeit des Bauteils haben. Die Lasertriangulation ist ein in der tungsgeschwindigkeit ermöglichen. Elastomerbauteile unterliegen im realen Qualitätssicherung und Prozessüber- Dieses Messverfahren liefert ein Instru- Betrieb mehrachsigen Belastungen; wachung einsetzbares, berührungs- ment zur Qualitätssicherung und einachsige Prüfungen weichen von den loses optisches Messverfahren, das auf Prozessüberwachung, wobei auch Versuchsergebnissen mehrachsiger trigonometrischen Zusammenhängen automatisierte Lösungen, die die Experimente häufig ab. Typische Prüf- beruht. Es trägt dem Faktum Rechnung, Prozesse automatisch überwachen, objekte für multiaxiale Lebensdauerprü- dass die in vielen Fällen geforderte einsetzbar sind. fung sind Elastomer-Verbundbauteile projekte gearbeitet.20 100 %ige Kontrolle im Fertigungstakt bei Schienenfahrzeugen. Diese Bauteile der Bauteile nicht mehr mit Hilfe manu- Bei der Schwingungsprüfung werden unterliegen häufig relativ großem eller Messverfahren (z. B. mit Lehren) Proben zu Schwingungen angeregt und Verschleiß und stellen zudem oft sicher- oder mittels Koordinatenmessmaschinen aus der Schwingungsanalyse Informa- heitsrelevante Bauteile dar. Aus diesem vorgenommen werden kann. tionen über z. B. Materialkennwerte Grund sind, um die Sicherheit der oder die zu erwartende Lebensdauer Produktqualität zu gewährleisten, mehr- Beim sogenannten Laserlicht-Schnittver- abgeleitet; die Verfahren unterscheiden achsige Betriebsfestigkeitsprüfungen fahren wird z. B. eine Laserlinie auf das sich je nach Werkstoff der Proben deut- unumgänglich.22 Messobjekt projiziert, von einer lich. Metallische Bauteile werden Kamera erfasst und mit einem Rechner mittels piezoelektrischer Ultraschall- In der Holzwirtschaft stellen Schwin- ausgewertet. Fehler (z. B. Poren, Poro- geber zu Schwingungen angeregt; gungsprüfungen und damit zerstörungs- sität) ändern die Entfernung des auftref- über Spektralanalyse des Schwingungs- freie Prüfungen ebenfalls eine Möglich- fenden Laserstrahls zur Kamera und spektrums werden sodann Material- keit der Materialcharakterisierung dar. können so auch automatisiert detektiert kennwerte (E-Modul, Schubmodul, Pois- Aktuelle Entwicklungen zeigen, dass werden.21 Durch den vergleichsweise sonzahl in Abhängigkeit von der das Aufkommen von Laubholz in den einfachen Messaufbau, die geringen Temperatur) ermittelt. Diese speziell für nächsten Jahrzehnten ansteigen wird. Kosten und einer relativ kurzen Mess- Finite Elemente Berechnungen notwen- Laubhölzer weisen aufgrund ihrer unter- 82 ACR INNOVATIONSRADAR schiedlichen Struktur und Ausprägung dynamischen Elastizitätsmodul eines den tragenden Einsatz eignen, bietet deutlich unterschiedliche Festigkeits-, Rund- oder Schnittholzes zu ermitteln. die maschinelle Sortierung eine objek- Steifigkeits- und Rohdichtekennwerte In der Praxis wird das untersuchende tive Möglichkeit zur Qualitätserken- auf. Die Zusammenhänge können bei Holz durch einen Schlag auf die Stirn- nung. Darüber hinaus ist es möglich, unterschiedlichen Laubholzarten deut- seite zu Schwingungen angeregt und den Anteil an Schnittholz, das nicht lich voneinander abweichen. Mit diese durch Laser oder Mikrofone weiterverwendet werden kann, zu Verbesserungen im Bereich der zerstö- erfasst. Nachteilig wirkt sich hier senken und damit die Ausbeute zu rungsfreien Untersuchungsmethoden ist derzeit die Feuchte- und Temperaturab- erhöhen. auch mit einem Einsatz von Laubholz hängigkeit des dynamischen Elastizi- als Konstruktionswerkstoff zu rechnen. tätsmoduls auf die Vorhersage der Die Eigenschaften von Werkstoffen und Der Rohstoff Holz weist insgesamt von Festigkeitswerte aus. Maschinelle Bauelementen werden in hohem vornherein eine natürliche Streuung Systeme werden solche Abhängigkeiten Ausmaß auch von der Mikro- und seiner Eigenschaften auf, die die z. B. über die Bestimmung des Anteils Nanostruktur beeinflusst. Daher steigt Streuung von technisch hergestellten an gefrorenem Wasser im Holz berück- die Bedeutung der mikroskopischen Produkten bei weitem übersteigt. Um sichtigen müssen, damit die Vorhersa- und nanoanalytischen Untersu- Holz überhaupt im Bauwesen gegenauigkeit gesteigert werden kann. chungsmethoden in der praktischen verwenden zu können, muss dieser Aktuell wird an der Anwendung der Materialforschung und Fehlerana- Streuung durch Sortierung des Schnitt- Schwingungsmessung auch an Rundhöl- holzes begegnet werden. Dabei spielen zern gearbeitet.23 Dadurch stünden im die drei Kennwerte Festigkeit, Elastizi- Sägewerk zu einem wesentlich früheren Als wichtigste technologische Entwick- tätsmodul und Rohdichte eine entschei- Zeitpunkt Informationen zur Qualität lungen im Bereich der Lichtmikroskopie dende Rolle. Während die Rohdichte eines Rundholzes zur Verfügung, was sind das 3D-Lichtmikroskop sowie das mit geringem Aufwand bestimmbar ist, wiederum Rückschlüsse auf die wahr- konfokale Lichtmikroskop anzusehen: konnte die Festigkeit bisher nur durch scheinlich zu erwartenden Qualitäten Beim 3D-Lichtmikroskop können durch zerstörende Versuche genau bestimmt des Schnittholzes zuließe. Der Einsatz Fokus-Variation größere Probenbe- werden. Damit diese auch zerstörungs- entsprechender maschineller reiche in Bezug auf ihre Form und frei abgeschätzt werden kann, wird Sortiersysteme bietet die Möglich- Rauigkeit mit einer Genauigkeit von bis keit, die natürliche Streuung des Holzes zu 10 nm vermessen werden; das (neben anderen Verfahren) die Schwingungsmessung eingesetzt. Anhand „in den Griff“ zu bekommen. Es wird lytik.24,25 konfokale Lichtmikroskop kommt auf zahlreicher Versuche wurde ein guter möglich, das Ausgangsmaterial Grund seiner hohen axialen Auflösung Zusammenhang zwischen dem dynami- entsprechend der Qualität einzuteilen vor allem bei biologischen und medizi- schen Elastizitätsmodul und der Festig- und auf diese Weise die Wertschöp- nischen Problemstellungen zum Einsatz. keit bestätigt. Das Grundprinzip der fung aus einem Stamm zu erhöhen. Da Schwingungsmessung ist dabei die nicht alle Schnitthölzer, die „schön Rasterelektronenmikroskopie (SEM) ist Ermittlung der Eigenfrequenz, um den aussehen“ auch fest sind und sich für eine inzwischen schon weit verbreitete PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 83 Untersuchungsmethode, die aussage- skopie kann der Ablauf physikalischer oxidativer Oberflächenschädigungen kräftigere Informationen als die klassi- und chemischer Prozesse bei Vergröße- nachgewiesen werden. Das laterale sche Lichtmikroskopie liefert (mit einer rung im Mikro- und Nanobereich direkt Auflösungsvermögen der beiden wesentlich besseren Auflösung und beobachtet werden. Typische prakti- Methoden liegt in der Regel bei etwa Tiefenschärfe). In Verbindung mit Rönt- sche Anwendungen sind etwa die 10 µm, im Falle der konfokalen Raman- genspektroskopie kann die chemische Hochtemperaturkorrosion von Stählen, Mikroskopie werden Tiefenauflösungen Zusammensetzung von Materialien mit das Bruchverhalten von Materialien von unter 2 µm erreicht. Mikrometer-Auflösung rasch und effi- oder Quellvorgänge in Textilien. zient analysiert werden. Ein für KMU Für die Erfassung lokal eng begrenzter interessanter Trend besteht in der Im Falle organischer Materialien, wie Phänomene, wie z. B. die Chemie an Einführung von kleinen, günstigen SEM etwa Kunststoffe oder Biomaterialien, inneren Grenzflächen, die Charakteri- (so genannte „table-top“-Geräte), die können mit Hilfe von Infrarot- oder sierung von Sekundärphasen in Festkör- jedoch nicht an die Leistungsfähigkeit Raman-Mikroskopen oft wichtige pern und deren Wechselwirkung mit herkömmlicher Geräte herankommen, Erkenntnisse über lokale Änderungen der Festkörpermatrix oder aber auch sondern häufig in einem ähnlichen chemischer Bindungen, Materialzusam- für die Charakterisierung der Struktur Vergrößerungsbereich wie bei der Licht- mensetzungen und/oder kristalliner von einzelnen Nanoteilchen ist die mikroskopie eingesetzt werden. Mit Strukturen erzielt werden („chemical Auflösung der bisher genannten mikro- Einführung des „Environmental“-Raster- imaging“). Speziell im Bereich von skopischen Methoden in vielen Fällen elektronenmikroskops (ESEM) konnte Phasengrenzflächen können auf diese nicht ausreichend. Mit Hilfe der Trans- der Anwendungsbereich von SEM auf Weise z. B. Stoffübergänge (Weichma- missionselektronenmikroskopie (TEM), feuchte Proben und dynamische mikro- cher-Wanderungen etc.) zwischen den deren Auflösung im Bereich von einem skopische Untersuchungen erweitert einzelnen Phasen oder z. B. auch die Zehntel Nanometer (ein Milliardstel werden. Bei dieser „in-situ“-Mikro- Eindringtiefe chemischer und/oder Millimeter) liegt, können derartige 84 ACR INNOVATIONSRADAR Die Rasterelektronenmikroskopie liefert wesentlich aussagekräftigere Informationen als die klassische Lichtmikroskopie. Mit Hilfe spezieller Aufnahmetechniken sind auch Untersuchungen feuchter Proben sowie dynamische in situ-Analysen möglich. Phänomene umfassend charakterisiert Koordination: werden – teilweise sogar mit atomarer DI Udo Pappler (ofi) Auflösung.26 In Verbindung mit der Focused-Ion Beam Methode (FIB) AutorInnen: können aus Werkstoffen und Bauele- Dr.-Ing. Julia Denzler (HFA) menten in sehr kleinen Probenberei- DI Udo Pappler (ofi) chen (lokale Defekte) zielgenau Proben DI Gerhard Schindelbacher (ÖGI) entnommen und im TEM analysiert DI Dr. Klaus Wichart (SZA) werden (z. B. Analyse von Materialde- Prof. DI Dr. Ferdinand Hofer fekten, Korngrenzen in Werkstoffen, (ZFE Graz) dem Aufbau von elektronischen Bauelementen, Materialbeschichtungen und Biomaterialien). Aufgrund der aufwändigen Probenpräparation, der teuren und schwierig zu bedienenden Mikroskope müssen TEM und FIB in speziellen Labors mit kritischer Größe z. B. an Universitäten und außeruniversitären Forschungsinstituten aufgebaut werden, die in den meisten Fällen dann auch für KMU zur Verfügung stehen. Für die lateral aufgelöste Visualisierung der Oberflächenmorphologie (Rauigkeit, Topografie) bieten sich verschiedene Methoden der Rastersondenmikroskopie an: Profilometer sind aufgrund der raschen Messzeit nahezu ideal, wenn lediglich Linienprofile von Interesse sind, während die Rasterkraftmikroskopie (AFM) durch den quantitativen dreidimensionalen Charakter inzwischen ein zentrales Element der Oberflächencharakterisierung darstellt. LITERATUR 1 „Presseinformation VII/2011: Kupfer und Aluminium, eine feste Verbindung – Fraunhofer IWS Dresden auf der Messe LASER 2011“, http://www.iws.fraunhofer.de/presse/20 11/pr1107.html (September 2011) 2 „Fügen von Al-Cu-Mischverbindungen – Technologien für die Elektromobilität“, IWS Dresden, http://www.iws.fraunhofer.de/pub/info_p df_neu/300-4_al-cu-verbindungen_de.pdf (September 2011) 3 „Presseinformation V/2008: Induktiv unterstütztes Laserwalzplattieren – Fraunhofer IWS Dresden auf der Messe „O&S vom 3.5. Juni 2008 in Stuttgart“, IWS Dresden 4 Fraunhofer IWS Dresden, http://www.iws.fraunhofer.de/de/presseundmedien/presseinformationen/2008/pr esseinformation_2008-05.html (Dezember 2011) 5 „Walzplattierte Kupfer-AluminiumVerbinder“, IWS Dresden, Fraunhofer IWS Jahresbericht 2010 6 Fraunhofer IWS Dresden, http://www.iws.fraunhofer.de/presse/20 11/download/p11_05_jb_42-43.pdf (September 2011) 7 Patentschrift AT 413 502 B „ Verfahren zum Verbinden von Stahl- und Aluminiumbauteilen mittels Schmelzschweißen“, Schweißtechnische Zentralanstalt SZA, Dr. Dipl.-Ing. Klaus Wichart, Wien (AT), Ausgabetag: 15.3.2006 8 Schweißtechnische Zentralanstalt SZA, Projektberichte und Präsentationen, 20062009. 9 „Einsatz von Bimetallen für Hybridverbindungen“, Wichart, K. et al., Schweiß&Prüftechnik. JOIN Sonderband: S.28-31 (2009) 10 Fa. STIRZONE Cool Welding: http://www.stirzone.at, September 2011 11 „Anwendungsmöglichkeiten von Rührreibschweißen“, Weinberger, T.; Enzinger N., Metall. 09 (2008): S. 24-27 12 „Metall mit organischem Material verpinnen – Pinnen, was nicht zu schweißen ist“, Österreichische Betriebstechnik. 3/4 (2010): S. 48. PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE 85 13 „Multi-Material Joints for Manufacturing of Trend-Setting Hybrid Components“, Jank, N.; Waldhoer, A., Stieglbauer, W.; Fronius International GmbH, Sheet Metal Welding Conference XIV, Mai 2010 14 „Wirbelstromprüfverfahren zur Volumensinspektion von CFK-Platten“, Fraunhofer Institut IZFP Dresden, http://www.izfpd.fraunhofer.de/assets/downloads/2009lur-sens.pdf (Jänner 2012) 15 „Vergleich von Ultraschallprüftechniken zum quantitativen Fehlernachweis und zur Fehlergrößenbewertung“, Walte, Friedhelm; Li, Xuezheng, http://www.ndt.net/article/dgzfp2010/In halt/di1b1.pdf, DGZfP-Jahrestagung 2010 16 „Bildgebende Ultraschallprüfung in Prüfanlagen und manuellen Anwendungen“, Berke, Michael; Büchler, Johannes, http://www.ndt.net/article/dgzfp07/Inha lt/v04.pdf, DGZfP-Jahrestagung 2007 17 “Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications – Advanced Practical NDT Series”, Olympus, http://www.olympusims.com/data/File/book-1/Olympus-Introduction_to_Phased_Array.en.pdf (Jänner 2012) 18 „Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications”, Olympus, http://www.olympusims.com/data/File/books/OlympusAdvances_in_Phased_Array.en.pdf (Jänner 2012) 19 Projektdatenblatt „Laserultraschall“, http://www.recendt.at/files/LUS_deutsch. pdf (September 2011) 20 Projektdatenblatt „Modulierter Laser-Ultraschall zur Vermessung dünner Schichten“, http://www.recendt.at/files/LUS_MODULIERT_deutsch.pdf (September 2011) 21 „Lasertechnik für die Fertigung: Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur“, Poprawe, Reinhart, Springer (2005) 22 „Schweißtechnik – Im Labor erprobt“, Staufer, Martin, Metall 4 (2011): S. 24–27 23 „Timber in Material, Building and Environmental Research“, K-Projekt 24 „Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2010“, 2. Auflage, 2010, Herausgeber 86 ACR INNOVATIONSRADAR Werner, Ferdinand Hofer und Siegfried Psutka, Graz (2010) 25 “Proceedings of the Microscopy Conference 2009”, Bände 1–3, Graz, Verlag der Technischen Universität Graz (2009) ISBN 978-3-85125-062 26 „Elektronenmikroskopie“, C. Colliex, H. Kohl, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart (2008) ACR-Institute Austria Solar Innovation Center (ASiC) www.asic.at Bautechnisches Institut Linz (BTI) www.bti.at Bautechnische Versuchs- und Forschungsanstalt Salzburg (bvfs) www.bvfs.at Forschungsgesellschaft für Wohnen, Bauen und Planen (FGW) www.fgw.at Güssing Energy Technologies (GET) www.get.ac.at Holzforschung Austria (HFA) www.holzforschung.at Institut für Brandschutztechnik und Sicherheitsforschung (IBS) www.ibs-austria.at KMU Forschung Austria (KMFA) www.kmuforschung.ac.at Lebensmittelversuchsanstalt (LVA) www.lva-verein.at Österreichisches Forschungsinstitut für Chemie und Technik (ofi) www.ofi.at Österreichisches Gießerei-Institut (ÖGI) www.ogi.at Österreichisches Institut für angewandte Telekommunikation (ÖIAT) www.oiat.at Schweißtechnische Zentralanstalt (SZA) www.sza.info Versuchsanstalt für Getreideverarbeitung (VFG) www.vfg.or.at Versuchs- und Forschungsanstalt der Hafner Österreichs (VFH) www.kachelofenverband.at Forschungsinstitut der Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie (VÖZFI) www.zement.at Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz (ZFE Graz) www.felmi-zfe.at ACR-INSTITUTE 87 AKTUELLE TECHNOLOGIETRENDS FÜR ÖSTERREICHISCHE KMU Chefredaktion/Projektkoordination: Sascha Ruhland, M.A./KMU Forschung Austria, ACR-Geschäftsstelle Layout: Alexander Ach Schuh März 2012 mit freundlicher Unterstützung ACR INNOVATIONSRADAR 2012 ACR – AUSTRIAN COOPERATIVE RESEARCH FORSCHUNGSEXPERTEN FÜR KMU Haus der Forschung, Sensengasse 1, 1090 Wien Tel. +431/219 85 73, Fax +431/219 85 73-13 [email protected], www.acr.at Aktuelle Technologietrends für österreichische KMU NACHHALTIGES BAUEN UMWELTTECHNIK UND ERNEUERBARE ENERGIEN LEBENSMITTELQUALITÄT UND -SICHERHEIT ACR INNOVATIONSRADAR PRODUKTE, PROZESSE, WERKSTOFFE
