Forschung

APPEAL Engineering fokussiert sich in Forschung, Entwicklung, Standardisierung und Beratung auf die Verbesserung der Umweltleistung bei Nutzung und Betrieb von Bauwerken.
Einen besonderen Platz nimmt bei uns die anwendungsorientierte Forschung zum Einsatz der DAC-Technologie zur Direktabscheidung von CO₂ aus Gebäudeabluft ein.

Forschung

Wie ist es um die Luftqualität in deutschen Gebäuden bestellt?
Wie viel Lüftung ist notwendig?
Wo gibt es Handlungsbedarf?
Wie beeinflusst Lüften die Gebäudeenergieperformance?

Entwicklung

Aus unseren Erkenntnissen erarbeiten wir neue Produkte. Dazu gehören Lüftungskonzepte, Messverfahren und Energiemonitoring. Weiterhin pflegen wir unsere Forschungsergebnisse stets aktuell in unsere Coachings und Beratungsdienstleistungen ein.

Standardisierung

Wir sind aktiv in der Gremienarbeit, um sicherzustellen, dass unsere Erkenntnisse Einzug in die Regelsetzung finden und so gute Luft und energiesparende Gebäude zum Standard werden. So sind wir beispielsweise engagiert im Bereich des standardisiertes Umweltmanagements (ISO 14001) und des Innenraumluftqualitätsmanagements (ISO 16000-40). Zudem arbeiten wir mit an der Erstellung von VDI-Richtlinien zur Bereitstellung von CO₂ für Power-to-X-Anwendungen.

Damit steht das Umweltkompartiment Luft - sowohl in der natürlichen als auch in der bebauten Umgebung - im Fokus der Forschungsarbeiten,. Die Arbeiten führen wir sowohl messtechnisch als auch modellgestützt durch. Die beiden Dimensionen „Untersuchungsumgebung“ und „Untersuchungsansatz“ spannen damit das Koordinatensystem auf, in dem unsere Projekte zu verorten sind.

INDAIRPOLLNET

INDoor AIR POLLution NETwork
Das kürzlich abgeschlossene, europäische COST-Aktionsnetzwerk, lief von September 2018 bis März 2023 unter Beteiligung von mehr als 200 Wissenschaftlern.
INDAIRPOLLNET zielt darauf ab, unser Verständnis der Ursachen für hohe Konzentrationen von Luftschadstoffen in Innenräumen zu verbessern. Außerdem soll der Bereich der Luftreinhaltung in Innenräumen erheblich vorangetrieben, zukünftige Forschungsbereiche hervorgehoben sowie geeignete Minderungsstrategien zur Optimierung der Raumluftqualität ermittelt werden. Die Ergebnisse werden an relevante Stakeholder wie ArchitektInnen, BauingenieurInnen und Messinstrumentenhersteller weitergegeben.

LUMUMBA

LUftqualitätsManagement und UmweltManagement in Bildungs- und Ausbildungseinrichtungen
LUMUMBA zielt darauf ab, praktische Lösungen bereitzustellen, die Gebäudebetreibern und -planern dabei helfen, ein zufriedenstellendes Niveau der Raumluftqualität bei gleichzeitiger Optimierung der hierzu erforderlichen Energiebedarfe sicherzustellen. Hierbei verfolgt LUMUMBA den Ansatz eines Reallabors. Wissenschaftliche Methoden des standardisierten Innenraumluftqualitätsmanagements (nach ISO 16000-40) sowie des standardisierten Umweltmanagements (nach ISO 14001) werden partizipativ mit Lernenden in Bildungs- und Ausbildungseinrichtungen angewendet, um energieeffiziente Konzepte zu entwickeln, die der Bereitstellung einer hohen Raumluftqualität dienen. Zu diesen Konzepten zählen z. B. der unterstützende Einsatz von Luftreinigungsapparaten, die bedarfsangepasste smarte Fensterlüftung, die Erhöhung des Umluftanteils bei raumlufttechnischen Anlagen in Kombination mit Luftreinigungsapparaten und / oder der Einsatz dezentraler Lüftungsanlagen mit Wärmetauschern.
Zu den umweltrelevanten Zielen von LUMUMBA zählen (i) der Schutz der menschlichen Gesundheit durch bedarfsangepasste Lüftung in einer Umgebung, für die in Bezug auf luftgetragene Schadstoffe keine weitreichenden und verbindlichen immissionsschutzrechtlichen Bestimmungen gelten, (ii) die Ressourcenschonung durch Reduktion von lüftungsbedingten Heizenergieverlusten und damit verbundener Reduktion des Verbrauchs von vorwiegend fossilen Energieträgern, (iii) die Minderung von CO₂-Emissionen durch reduzierten Verbrauch an fossilen Energieträgern zur Gebäudebeheizung, (iv) die Stärkung des Nachhaltigkeitsbewusstseins und -handelns der Lernenden in teilnehmenden Einrichtungen durch den zugrundeliegenden partizipativen Reallabor-Ansatz sowie (v) die nachhaltige Sicherung der gewonnenen Erkenntnisse durch Verankerung im Sinne betrieblicher Managementsysteme zur kontinuierlichen Verbesserung von Innenraumluftqualität und Umweltleistung der teilnehmenden Einrichtungen.
Die notwendigen Schritte umfassen die Identifikation und messtechnische Charakterisierung geeigneter Räumlichkeiten in den teilnehmenden Einrichtungen, die numerische Simulation von Luftqualität und lüftungsbedingten Energieverbräuchen der Räumlichkeiten, die Planung, Umsetzung und Validierung von Verbesserungsmaßnahmen sowie die Gesamtevaluation und Verstetigung der Ergebnisse.

DACBE

Direct Air Capturing in the Built Environment
CO₂ ist der anerkannte Leitparameter zur hygienischen Bewertung der Raumluftqualität, da die CO₂-Konzentration mit anderen Spurenstoffkonzentrationen korreliert. Zudem verursachen zu hohe CO₂-Konzentrationen Kopfschmerzen, Müdigkeit, Schwindel und Konzentrationsschwäche. Eine CO₂-Konzentration von unter 1000 ppm gilt als hygienisch unbedenklich. Bei konventionellen Lüftungsmethoden geht man davon aus, dass eine Minderung der CO₂-Konzentration auch zu einer Minderung anderer Spurenstoffkonzentrationen führt. Allerdings kann auch die Außenluft beim Lüften zur Verunreinigung der Raumluft beitragen. Hier spielen insbesondere O₃, NOₓ, organische Verbindungen und Partikel eine Rolle. Da die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre immer weiter steigt, ist mit konventionellen Lüftungsmethoden der Leitwert von 1000 ppm CO₂ in der Raumluft nicht mehr einzuhalten und es sind weitere raumlufthygienische Maßnahmen erforderlich.
DACBE stellt einen Lösungsansatz vor, bei dem CO₂ unter Verwendung des Direct-Air-Capture-Verfahrens (DAC) sowie unter Luftrezirkulation aus der Raumluft entfernt wird und so die raumlufthygienischen Anforderungen eingehalten werden können. Des Weiteren birgt dieser Ansatz das Potential zur Auflösung des Zielkonflikts zwischen energieeffizientem Gebäudebetrieb und hoher Raumluftqualität. Es ist hervorzuheben, dass in Deutschland Lüftungsanlagen mit einem Gesamtfördervolumen von ca. 5 Milliarden Kubikmeter pro Stunde installiert sind. Unter der Annahme, dass diese Anlagen kontinuierlich mit Atmosphärenluft betrieben werden, transportieren sie im Jahresverlauf 5 – 10 % der CO₂-Emissionen Deutschlands. Daraus ergibt sich ein enormes Potential für die CO₂-Bereitstellung durch Abscheidung aus dem Gebäudesektor. DACBE widmet sich der Forschungsfrage: „Wie kann durch neuartige Kopplung bestehender Lüftungsanlagen mit DAC die Raumluftqualität verbessert werden bei gleichzeitiger Senkung des Gebäudeenergieverbrauchs sowie paralleler Gewinnung von CO₂?“ Hierzu muss untersucht werden, (i) wie eine Lüftungsanlage mit DAC zur Verbesserung der Raumluftqualität beitragen kann, (ii) wie eine Anlage mit DAC zur Senkung des Gebäudeenergieverbrauchs beitragen kann und (iii) wie CO₂ aus Gebäudeluft energetisch sinnvoll abgeschieden sowie einer weiteren energetischen und/oder stofflichen Nutzung in dezentralen Anwendungen zugeführt werden kann.

DACME

Direct Air Capturing – Material Evaluation
Direct Air Capture (DAC) beschreibt das Verfahren zur Abscheidung von CO₂ aus Atmosphärenluft. Dieses Verfahren bietet großes Potential, da sich dadurch echte, negative CO₂-Emissionen erzielen lassen, die für die Einhaltung der Klimaziele der Bundesrepublik unerlässlich sind. Weiterhin wird Kohlenstoff als essentieller Baustein für die Industrie und Energiespeicherung gewonnen, der sonst durch Defossilisierung der Wirtschaft in der Zukunft wegfallen würde. Das größte Hemmnis der DAC-Technologie ist derzeit der hohe Energiebedarf der Abscheidung von 2-5 MWh/t CO₂. Aus unserer aktuellen Konzeptstudie (siehe DACBE), geht hervor, dass die Energieeffizienz von DAC erheblich erhöht werden kann, wenn die Technologie in ein ganzheitliches Gebäudelüftungskonzept integriert wird. Es wird also nicht Umgebungsluft verwendet, sondern Abluft aus z. B. Bürogebäuden. Diese Luft beinhaltet mehr CO₂ als Außenluft. Weiterhin kann die durch DAC und Hygienefilter aufgereinigte Luft ins Gebäude zurückgeführt werden, was den Frischluftbedarf des Gebäudes, und so die Heiz- und Stromkosten massiv senkt. Energieeinsparungen um ca. 50% sind realistisch. Die so eingesparte Energie kann für die Abscheidung von CO₂ verwendet werden. So ergibt sich ein reduzierter Energiebedarf pro Tonne CO₂ bei sonst gleichbleibenden Gebäudebetriebskosten. Die Absolutmenge an Energie, die für DAC verwendet werden kann, ist dabei stark abhängig von Gebäude- und Nutzungsparametern. Besonders ältere Gebäude und solche, mit einer hohen Luftwechselrate bieten dahingehend große Potentiale.
Die zuvor genannten Erkenntnisse wurden im Rahmen des DACME-Projektes durch Untersuchungen geeigneter Adsorbermaterialien gestützt. Da moderne CO₂-Adsorbentien auf dem freien Markt kaum verfügbar sind, wurden verschiedene potentielle Materialien untersucht. Ziel war die Charakterisierung verschiedener CO₂-adsorbierender Materialien im Hinblick auf Ihr Potential für Indoor-DAC Anlagen.
Es konnte gezeigt werden, dass PEI-Silica-basierte Materialien, welche in Pilotanwendungen genutzt werden, verhältnismäßig gute Eigenschaften besitzen. Allerdings sind diese Materialien sehr teuer und in ihrer Standzeit eingeschränkt. Auch die Entsorgung bzw. Recycling ist nicht trivial. Alternativ wurden speziell imprägnierte Aktivkohlen untersucht, welche zwar weniger effizient CO₂ binden, dafür jedoch deutlich billiger sind und leicht vollständig und sauber entsorgt werden können. Als Ausblick könnte Aktivkohle als Trägermaterial betrachtet werden, um ein Hybridmaterial mit PEI zu bilden, welches die vorteilhafte Absorptionsfähigkeit mit ökologischer Nachhaltigkeit und ökonomischen Vorteilen kombinieren könnte.

Referenzen

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