PhD and Master Theses

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

Masterarbeit: Ökologische Bewertung von Carbonbeton unter Bestimmung des Klima-, Material-, Energie- und Wasser-Fußabdrucks


Hintergrund:

Die Baubranche trägt einen nicht zu vernachlässigenden Anteil an der Klimaerwärmung und dem Ressourcenverbrauch. Allein durch die Zementherstellung wurden 2016 in Deutschland rund 19 Mio. Tonnen CO2 emittiert. Stahlbeton ist der weltweit bedeutendste Baustoff und mit über 100 Millionen verbauten Kubikmetern pro Jahr zugleich auch der wichtigste Baustoff in Deutschland. Beton wird aus Zement, Sand, Kies und Wasser hergestellt. Weltweit werden für den Bau neuer und die Sanierung alter Gebäude und Infrastrukturen rund 1,6 Milliarden Tonnen Zement, 10 Milliarden Tonnen Gesteinskörnung (Sand und Kies) und 1 Milliarde Tonnen Wasser pro Jahr verwendet.

Um in Zukunft ressourceneffizient und klimaverträglich zu bauen, sind innovative Technologien und die Substitution von Werkstoffen gefragt. Letzteres umfasst beispielsweise den Austausch konventioneller Materialien durch neue Werkstoffe. Carbonbeton ist ein Verbundwerkstoff aus Beton und einer Bewehrung aus Kohlenstofffasern (Carbon). Die nichtrostende und hochtragende Bewehrung aus Carbon lässt eine Lebensdauer erwarten, die weit höher ist als die von heutigen Konstruktionen. Zusätzlich ist die Zugfestigkeit von Kohlenstofffasern etwa sechsmal höher als die von Stahl, so dass der Carbonbeton mit einem relativ geringeren Betonanteil ausgelegt werden kann und weniger Zement und Gesteinskörnung benötigt werden. Er könnte somit eine rohstoffeffiziente Alternative im Bauwesen darstellen. Während die Herstellung der Kohlenstofffasern bisher noch weitgehend aus Erdöl erfolgt, wäre sie auch auf Basis von rezykliertem CO2 möglich, welches zuvor der Atmosphäre entzogen wurden (Carbon Capture and Use). 

Ziel und Aufgabenstellung:
Ziel dieser Arbeit ist es, Carbonbeton hinsichtlich seines Klima-, Material-, Energie- und Wasser-Fußabdrucks über die gesamte Lebensdauer (cradle-to-grave) zu analysieren und zu bewerten. Zur Ermittlung der Fußabdrücke findet die Methode der Ökobilanz gemäß DIN EN 14040 und 14044 Anwendung. Die Analyse wird zu Vergleichszwecken für Stahlbeton geführt. Die Ergebnisse werden anschließend gegenübergestellt, bewertet und für ein konkretes Praxisbeispiel angewendet. 

Arbeitsschritte:
1) Erarbeitung und Darstellung der technischen Eigenschaften und Charakteristiken der relevanten Prozesse von Stahl- und Carbonbeton über den kompletten Lebensweg

2) Anwendung der Methodik der ökobilanzierenden Fußabdruck-Analyse auf eine vergleichbare funktionelle Einheit für Stahl- und Carbonbeton und Modellierung in openLCA mit geeigneten LCA-Datenbanken

3) Bestimmung und Vergleich der Klima-, Material-, Energie- und Wasser-Fußabdrücke

4) Berücksichtigung von Unsicherheiten duch die Variation wichtiger Parameter mit Hilfe der Monte-Carlo Simulation

5) Anwendung der berechneten Baustoffprofile auf ein konkretes Praxisbeispiel

6) Abschätzung der CO2-Speicherpotenziale bei einem Umstieg von Stahl- auf Carbonbeton

7) Dokumentation der Ergebnisse


Betreuer:

Prof. Dr. Stefan Bringezu/Dr. Clemens Mostert/Husam Sameer MSc.

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

Bachelor-/Masterarbeit: Entwicklung der Berechnungsgrundlagen für die Berücksichtigung von Unsicherheiten bei der ökobilanziellen Bestimmung des Produkt-Materialfußabrucks mittels Monte-Carlo Simulation


Hintergrund:

Zur Berücksichtigung von Unsicherheiten in der Datenbasis von Ökobilanzen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Hierbei kann zwischen den analytischen Verfahren der Fehlerrechnung, wie z.B. dem Gaußschen Fehlerfortpflanzungsgesetz, und der Simulation von Unsicherheiten, wie z.B. der Monte-Carlo Simulation, unterschieden werden.

Die Monte-Carlo Simulation hat den Vorteil, dass sie die Unsicherheiten im Ergebnis über den Berechnungsalgorithmus der Ökobilanz berechnet, so dass keine vereinfachenden Annahmen zu treffen sind. Vergleichende Untersuchungen haben gezeigt, dass gerade bei großen Unsicherheiten die Monte-Carlo Simulation zu deutlich genaueren Ergebnissen als andere Verfahren führt. Mögliche Probleme hinsichtlich der hohen Anforderungen an die Hardwareressourcen bestehen aufgrund der Leistungssteigerung der Rechner und der Softwareentwicklung nicht mehr.

Zur Bestimmung des abiotischen Anteils des Produkt-Materialfußabrucks (PMF) wurden für 43 abiotischen Materialien die Werte der Charakterisierungsfaktoren CF RMI zu Berechnung des Raw Material Input (RMI) bestimmt (Mostert und Bringezu, 2019). Für 10 Metallen erfolgte die Berechnung der globalen Medianwerte der CF RMI, Metall i auf Grundlage einer globalen Minendatenbank. Grundlage der Berechnung sind minenspezifische Werte CF RMI, Metall i, Mine j, deren Verteilungsfunktionen nach einer ersten Analyse des CF RMI, Kupfer, Mine j mit einer logarithmischen Normalverteilung approximiert werden können. 

Aufgabenstellung:
Die geplante Arbeit soll das bestehende Berechnungsverfahren für den PMF mittels ökobilanzieller Methoden um die Berücksichtigung von Unsicherheiten mittel Monte-Carlo Simulation erweitern. Dazu ist die Berechnungsgrundlage zur Approximation der Verteilungsfunktion des CF RMI, Kupfer, Mine j zu validieren und auf weitere Metalle zu übertragen. Diese erfolgt mit der Anwendung einer Statistik-Software (bspw. SPSS). Die ermittelten Daten werden in das Bewertungsverfahren PMF in openLCA mit der Datenbank ecoinvent integriert, um bei der Bestimmung der Materialintensität von Produkten und Dienstleistungen die Unsicherheiten hinischtlich der Charakterisierungsfaktoren berücksichtigen zu können. Der erweiterte PMF soll mit einer Fallstudie erprobt und gegebenenfalls angepasst werden. 

Arbeitsschritte:
1) Einarbeitung in die Grundlagen der Bestimmung von Charakterisierungsfaktoren CF RMI zur Berechnung des Raw Material Input (RMI),

2) Erarbeitung der Theorie für die Durchführung von „Goodness-of-fit“ Tests für empirische kumulative Verteilungsfunktionen mit Hilfe von Statistik-Softwarelösungen

3) Auswertung und Dokumentation der Approximation der Verteilungsfunktion des CF RMI, Kupfer, Mine j und die Bestimmung der Approximation für die Verteilungsfunktion der CF RMI, Metall i, Mine j für neun weitere Metalle

4) Erweiterung des Bewertungsverfahrens PMF um die Berücksichtigung von Unsicherheiten in der Bestimmung des RMI mittels Monte-Carlo Simulation in openLCA mit der Datenbank ecoinvent

5) Berechnung des Produkt-Materialfußabdrucks in openLCA mit der Datenbank ecoinvent unter Berücksichtigung von Unsicherheiten mittels Monte-Carlo Simulation für eine Fallstudie

6) Dokumentation der Ergebnisse.

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

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

Literatur:
Mostert, C.; Bringezu, S. Measuring Product Material Footprint as New Life Cycle Impact Assessment Method: Indicators and Abiotic Characterization Factors. Resources 2019, 8, 61.

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

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.