PhD and Master Theses

CESR offers PhD and master theses in accordance with our research foci and current research projects.

Masterarbeit: Entwicklung einer ökobilanziellen Methodik zur Bestimmung des agrarischen Anteils des Produktmaterialfußabdrucks: Bestimmung der Charakterisierungsfaktoren und Implementierung in die Software openLCA

Hintergrund:
Der Abbau, die Weiterverarbeitung und der Einsatz von Rohstoffen für die Bereitstellung von Produkten, Dienstleistungen und Infrastrukturen führen zu Umweltbelastungen auf der In und Output-Seite der Technosphäre. Aufgrund des globalen Wirtschaftswachstums und einer steigenden Weltbevölkerung wird für die Zukunft ein ansteigender Rohstoffbedarf erwartet.
Europäische und nationale Initiativen, wie z.B. Resource-efficient Europe oder ProgRess II, haben Maßnahmen formuliert, um die Herstellung, Nutzung und das Recycling von Produkten so zu gestalten, dass möglichst wenig Primärrohstoffe aus der Umwelt für ein Produkt oder eine Dienstleistung, gemessen als Funktionelle Einheit (FE), aufgewendet werden müssen.

Für die Bestimmung der Materialaufwendungen sind drei Materialflüsse von Bedeutung. Erstens, der direkte Materialeinsatz in die verwendeten Produkte. Dieser Materialeinsatz wird als Ergebnis der Sachbilanz einer Lebenszyklusanalyse (LCA) ermittelt z.B. als Menge an Kupfer, Holz etc. die für die Bereitstellung der FE erforderlich ist. Zweitens der Input an Primärrohstoffen, d.h. die Menge an Rohstoffen, die zur Bereitstellung des bilanzierten Materialeinsatzes der Natur entnommen werden, z.B. das Kupfererz oder das Schnittholz. Dieser Prozessschritt wird auch als genutzte Extraktion bezeichnet. Drittens ist zu beachten, dass für die Entnahme von Primärrohstoffen immer auch Primarmaterialien entnommen werden müssen, die keinen ökomischen Wert besitzen (ungenutzte Extraktion). Sie werden
daher nicht weiterbearbeitet und verbleiben im Naturraum i.e. das Deckgebirge der Kupfermine oder das Geäst und die Borke des Baumes.

Zur Bestimmung des Materialfußabdrucks von Produkten und Dienstleistungen werden, wie bei der ökonomieweiten Materialflussanalyse, zwei Indikatoren verwendet:
(1) Total Material Requirement (TMR) misst die Menge an Primärextraktionsmaterial (genutzte und ungenutzte Extraktion)
(2) Raw Material Input (RMI) misst den Input an Primärrohstoffen (genutzte Extraktion)

Aufgabenstellung:
Grundlage für die softwaregestützte Berechnung von RMI und TMR ist ihre Implementation als Wirkungsindikatoren in openLCA unter Verwendung von LCA-Datenbanken wie bspw. ecoinvent. Hierzu müssen die Charakterisierungsfaktoren der Indikatoren mit den Elementarflüsse verknüpft werden, die den Transfer der Materialien von der Natur in die Technosphäre beschreiben. In der Berechnung des Produktmaterialfußabdrucks werden bisher nur die abiotischen Anteile der Indikatoren RMI abiotisch und TMR abiotisch berücksichtigt. Zukünftig sollen auch die biotischen Anteile RMI biotisch und TMR biotisch berechnet werden, die sich wiederum sich aus einem agrar-, forst- und fischereiwirtschaftlichen Anteil zusammensetzen. Elementarflüsse und Charakterisierungsfaktoren für die Bestimmung dieser Anteile der Indiaktoren liegen bisher nur in Ansätzen vor. Die vorliegende Arbeit soll die konzeptionelle Grundlage entwicklen und die notwendigen Daten bereitstellen, um für die in der LCA-Datenbank ecoinvent berücksichtigten agrarischen Materialien den Produktmaterialfußabdruck berechnen zu können.

Arbeitsschritte:

  • Bestimmung der zu berücksichtigenden agrarischen Materialien mit Fokus auf die verwendete Datenbasis in ecoinvent (Version 3.1)

  • Ermittlung des Stands der Technik zur Bestimmung der Materialanteile bei der Ernte agrarischer Güter (Literatur- und Datenrecherche)

  • Entwicklung der ökobilanziellen Methodik zur Bestimmung des agrischen Anteil des Produktmaterialfußabdrucks

  • Berechnung der Charakterisierungsfaktoren CF RMI agrarisch und CF TMR agrarisch für die in ecoinvent berücksichtigten agrarischen Materialien

  • Implementierung der softwaregestützten Berechnung der agrarischen Anteile von RMI biotisch und TMR biotisch in openLCA unter Berücksichtigung von Unsicherheiten

  • Einordung der Daten und Ergebnisse

Dauer:
6 Monate

Betreuer:
Prof. Dr. Stefan Bringezu/Dr. Clemens Mostert

Kontakt:
Dr.-Ing. Clemens Mostert
Tel: +49 561 804-6131
Mail: mostert@uni-kassel.de

Ökologische Bewertung von Gebäudebauteilen für den Einsatz von Urban Mining

Inhalt:
Allein in Deutschland werden jährlich ca. 544 Mio. t mineralische Rohstoffe abgebaut und zur Herstellung von Baustoffen und Gebäudebauteilen verwendet [1]. Gleichzeitig stellen Abfälle aus dem Bausektor mit ca. 200 Mio. t. pro Jahr rund 50 % der Abfälle in Deutschland dar [2]. Zukünftiges Bauen gelingt nur, wenn der Energie- und Ressourcenverbrauch während der Lebensdauer von Gebäuden deutlich gesenkt werden kann, ressourcenschonende Baustoffe zum Einsatz kommen und diese am Ende ihrer Lebensdauer wieder dem Stoff- bzw. Materialkreislauf zugeführt werden können.

Anhand eines Fallbeispiels, dem Rückbau und anschließenden Neubau des Rathaus-Anbaus in Korbach, wird der optimierte Materialeinsatz für die wichtigsten Gebäudebauteile in Hinblick auf die Klimawirkung (GWI = Global Warming Impact), den Primärrohstoffaufwand (RMI = Raw Material Input) und den Gesamtprimärmaterialbedarf (TMR = Total Material Requirement) und die Wassernutzung (WU = Water Use) betrachtet.

Der Fokus der Arbeit liegt auf der Modellierung der Material-, Energie- und Wasserflüsse für die Herstellung, den Einsatz und die Entsorgung von unterschiedlichen Designs der Bauteile unter Berücksichtigung der DIN EN 15804 [3]. Die Bauteile umfassen Gründung/Bodenplatte, erdberührte Außenwand, Außenwand, Decke und Dach (Details siehe Anhang).

Die Material-, Klima- und Wasser-Fußabdrücke des optimierten Bauteileeinsatzes und eines Referenzszenarios werden mit Hilfe der Software openLCA (www.openlca.org) und eLCA (www.bauteileditor.de) berechnet und verglichen.

Die Arbeit beinhaltet folgende Schritte:

  1. Durchführung einer Vergleichenden Ökobilanz für den gesamten Lebensweg (Herstellungs-, Nutzungs- und Entsorgungsphase der Gebäudeteil (konventionelles versus optimiertes Design).
  2. Datenerhebung
  3. Erstellen der Sachbilanzen
  4. Modellierung der Material-, Energie-, und Wasserflüsse im eLCA Tool und in der Software openLCA unter Verwendung geeigneter LCA-Datenbanken.
  5. Berechnung der Material-, Klima- und Wasser-Fußabdrücke.
  6. Dokumentation und Diskussion der Ergebnisse.

Dauer:

6 Monate

Betreuer:

Prof. Dr. Stefan Bringezu

Dr.-Ing. Clemens Mostert

M.Sc. Husam Sameer

Kontakt:

Dr.-Ing. Clemens Mostert

Tel:   +49 561 804-6131

Mail: mostert@uni-kassel.de

Quellen:

[1] Bundesverband Baustoffe, Rohstoffe, www.bvbaustoffe.de.

[2] Statistisches Bundesamt, Wiesbaden 2016.

[3] DIN, EN (2014). 15804: 2014. Nachhaltigkeit von Bauwerken – Umweltproduktdeklarationen – Grundregeln für die Produktkategorie Bauprodukte.

Masterarbeit: Vergleich unterschiedlicher LCA-Softwarelösungen zur Integration in Building Information Modeling (BIM) zur Bestimmung des Material-, CO2- und Wasser-Fußabdrucks von Gebäuden im Planungsprozess

Inhalt:

Building Information Modeling (BIM) ist ein digitales Planungstool für Gebäude und bietet vielfältige kollaborative Umgebungen für Bauprojekte. Im Rahmen von BIM werden bereits vielfältige Forschungsarbeiten zur Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten von Gebäuden durchgeführt. Die Nachhaltigkeitsbewertung anhand der Bestimmung des Material-, CO2 -und Wasserfußabdruck findet jedoch bisher noch wenig Berücksichtigung.

Für die ökologische Bewertung von Gebäuden im Planungsprozess stehen derzeit zwei unterschiedliche Softwarelösungen zur Verfügung: OneClickLCA (www.onecklicklca.com) und Tally (www.choosetally.com). Die Masterarbeit zielt darauf ab, die beiden Softwarelösungen hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten für die Bestimmung des Material-, CO2 -und Wasserfußabdrucks zu vergleichen. Zusätzlich sollen im Rahmen eines Anwendungsbeispiels die Ergebnisse mit  Berechnungen mit openLCA (www.openLCA.org) und der GaBi-Datenbank verglichen werden.

Aufgabenstellung:

  1. Ermittlung des aktuellen Stands der Technik zum Einsatz von LCA-Softwarelösungen in BIM
  2. Vergleichende Analysen der LCA-Softwarelösungen OneClickLCA und Tally hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten
  3. Berechnung des Material-, CO2 -und Wasserfußabdrucks für ein Anwendungsbeispiel.
  4. Durchführung einer Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der Verwendung unterschiedlicher Baumaterialien
  5. Empfehlungen für die Berücksichtigung der Fußabdrücke als zentrale Indikatoren von LCA-Softwarelösungen zur Integration in BIM

Beginn/Dauer:
Ab sofort /6 Monate

Betreuer:
Prof. Dr
Stefan Bringezu

Kontakt:
M.Sc. Husam Al-Baghdadi
Tel:  
+49 561 804-6150
Mail: husam.sameer@uni-kassel.de

Masterarbeit: Bestimmung des Material-, Wasser-, Energie- und THG-Fußabdrucks für unterschiedliche Technologieoptionen zur Erreichung der Vorgaben der EnEV -Fallbeispiel Rathaus in Korbach

Abbildung 1. Ausschnitt aus dem Entwurf des Rathausanbaus Korbach

 

 

Inhalt:

Der Entwurf für den Neubau des Rathausanbaus der Stadt Korbach (Abb. 1) ist im Rahmen von Nachhaltigkeitsperspektiven geplant worden. Während der effiziente Einsatz von Energie im neuen Design eine sehr wichtige Rolle spielt, wird der nachhaltige Verbrauch von Ressourcen bisher noch unzureichend betrachtet. Die vorliegende Masterarbeit soll den Material-, Wasser-, Energie-, und THG-Fußabdruck des Gebäudes für unterschiedliche Technologieoptionen Bestimmen:

  1. Nutzung von erneuerbaren Energien und System-Design in der Haustechnik, beispielsweise bei Heizung und Lüftung.
  2. Design von Kellerfußboden, Außenwänden, Dach, Fenstern und Außentüren in Bezug auf den Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) und Schichtendetails der Bauteile.
  3. Neuartige Technologien und Techniken des energieeffizienten und klimagerechten Bauens.

Die Fußabdrücke sind im Rahmen der Erstellung einer Ökobilanz (Life Cycle Assessment-LCA) zu berechnen. Hierzu werden die Open-Source Software openLCA sowie entsprechende LCA-Datenbanken wie GaBi Construction materials und ecoinvent verwendet. Die LCA-Modellierung erfolgt innerhalb der Vorgaben der DIN EN 15804 (Nachhaltigkeit von Bauwerken – Umweltproduktdeklarationen – Grundregeln für die Produktkategorie Bauprodukte).

Aufgabenstellung:

  1. Datenanalyse des neuen Designs für den Neubau des Rathausanbaus in Korbach. insbesondere Bestimmung der Baumaterialien inklusive der entsprechenden Mengen.
  2. Systemperspektiven des Energieverbrauchs, einschließlich der Nutzung von erneuerbaren Energien.
  3. Berechnungen der benötigen Energie für die Nutzungsphase des Gebäudes.
  4. Modellierung und Ergebnisanalyse des Material-, Wasser-, Energie-, und Treibhausgas-Fußabdrucks.
  5. Sensitivitätsanalyse der unterschiedlichen Technologieoptionen innerhalb des bestehenden Designs. 

Anforderungen:

  • Masterstudium im Bereich der Architektur, Bau- und Umweltingenieurwesen, oder Regenerative Energien und Energieeffizienz (RE2)
  • Grundkenntnisse im Bereich der Ökobilanzierung.
  • Grundkenntnisse oder Interesse an nachhaltiger Gebäudegestaltung.

Beginn/Dauer:
Ab sofort /6 Monate

Betreuer:
Prof. Dr
Stefan Bringezu

Kontakt:
M.Sc. Husam Al-Baghdadi
Tel:  
+49 561 804-6150
Mail: sameer@cesr.de

Masterarbeit: Analyse der Kupfergewinnung auf globaler Ebene zur Bestimmung der damit verbundenen Primärmaterialextraktion

Hintergrund und Zielsetzung:

Der weltweite Erzbergbau zeichnet sich aus durch stetig wachsende Produktionsvolumina bei gleichzeitig sinkenden Metallgehalten in den abgebauten Erzen. Beide Entwicklungen verursachen einen Anstieg der absolut abgebauten Gesteinsmasse, wodurch die durch den Bergbau verursachten Umweltbelastungen ebenfalls zunehmen.

Das Metall Kupfer ist weltweit gesehen nach Eisen und Aluminium der drittwichtigste metallische Rohstoff, wobei dessen Bedeutung eine steigende Tendenz aufweist. Gründe hierfür sind das Wachstum von Weltwirtschaft und Weltbevölkerung, aber auch der Ausbau der erneuerbaren Energien und eine zunehmende Elektrifizierung des Verkehrssektors. Aus diesem Grund sind hinreichende Informationen über die Kupfergewinnung notwendig, um den Rohstoffabbau und dessen Auswirkungen besser bewerten zu können. 

Ziel der Arbeit ist deshalb, die globalen Prozesse der Kupfergewinnung statistisch zu charakterisieren und einen Prozess zu beschreiben, welcher den Medianprozess der Kupfergewinnung quantitativ darstellt. Dieser soll zukünftig eine valide Basis darstellen, anhand derer die mit der Kupfergewinnung verbundene Primärmaterialextraktion in Lebenszyklusanalysen bewertet werden kann.

Aufgabenstellung:

  • Literaturrecherche hinsichtlich Lagerstätten- und Erztypen, Abbau- und Aufbereitungsverfahren
  • Erarbeitung von Charakterisierungskriterien für die Einordnung von bestehenden Kupferminen
  • Statistische Analyse und Charakterisierung der global angewendeten Bergbau- und Aufbereitungsprozesse von Kupfer mit Hilfe einer nicht öffentlich zugänglichen Minendatenbank
  • Untersuchung und Bewertung der unterschiedlichen Allokationsarten für polymetallische Erze, die bei der Berechnung der Umweltwirkungen angewendet werden können
  • Definition und quantitative Beschreibung eines global repräsentativen Prozesses der Kupfergewinnung und die Berechnung der damit verbundenen Primärmaterialextraktion unter Verwendung der RMI und TMR Indikatoren
  • Vergleich der Ergebnisse mit bereits bestehenden Studien
  • Auf Wunsch kann die Arbeit auch in englischer Sprache verfasst werden

Anforderungen:

  • Masterstudium in den Fächern Umweltingenieurwesen, RE2, Wirtschaftsingenieurwesen Wirtschaftswissenschaften, oder Nachhaltiges Wirtschaften
  • Grundkenntnisse im Bereich der statistischen Datenauswertung
  • Grundkenntnisse im Bereich der Anwendung von Indikatorsystemen (optional)
  • Technische Kenntnisse im Bereich der Ressourcenextraktion (optional)

Beginn/Dauer:
ab sofort/6 Monate

Betreuer:
Prof. Dr. Stefan Bringezu

Kontakt:
Simon Kaiser
Center for Environmental Systems Research
Wilhelmshöher Allee 47, 34117 Kassel
Telefon: +49 561/804 6122
Email:
simon.kaiser@uni-kassel.de

Masterarbeit (PO 2014) im Umweltingenieurwesen: Implementierung eines Ansatzes zur Abschätzung von Pestizidkonzentrationen in ein globales Gewässergütemodell

Hintergrund

Die Belastung von Oberflächengewässern durch Pestizide aus der Landwirtschaft ist ein weltweites Problem. Die regionalen Belastungssituationen sind jedoch sehr heterogen und hängen von zahlreichen Faktoren wie den Substanzeigenschaften, der Topographie und der Hydrologie ab. Zudem werden weltweit unterschiedliche Pestizide in unterschiedlichen Mengen eingesetzt. Zur Analyse der regionalen Belastungssituation werden Computermodelle eingesetzt, die im Maßstab großer Ein-zugsgebiete oder ganzer Kontinente angewandt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit soll die Machbarkeit überprüft werden, einen halb-empirischen Ansatz zur Abschätzung von Pestizidkonzentrationen aus der Landwirtschaft in das großskalige Gewässergütemodell WordQual des Center for Environmental Systems Research (CESR) zu übernehmen. Dafür soll zunächst recherchiert werden, welche Daten zur Parametrisierung, Kalibrierung und Validierung des Ansatzes zur Verfügung stehen. Weiterhin soll der neue Ansatz in WorldQual implementiert und das Modellverhalten beispielhaft an einem Kontinent getestet (Senisitivitätsanalyse) und mit Messdaten verglichen werden.

Kenntnisse/Interesse: Gewässergüte, Hydrologie, Modellierung

Bearbeitungsbeginn: nach Absprache; sofort möglich

Kontakt:
Prof. Dr. Matthias Gaßmann, Raum 4119, Tel. 0561-804-3462, gassmann@uni-kassel.de
Dr.-Ing. Martina Flörke, Center for Environmental Systems Research, floerke@usf.uni-kassel.de

Für Psychologie-Studierende:

Wir betreuen Bachelor- und Masterarbeiten für Psychologiestudierende im Bereich Umweltpsychologie. Themen werden idealerweise selbst gewählt (d.h. eigene Motivation) und in Abstimmung mit dem Betreuer vorbereitet.

Schreiben Sie uns (Prof. Dr. Andreas Ernst) gerne an, wenn Sie grundlegendes Interesse an einer umweltpsychologischen Arbeit, Fragen zum Thema Abschlussarbeit in der Umweltpsychologie oder auch schon konkretere Idee oder Fragestellungen für eine eigene Arbeit haben.