Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2013

Immer mehr Hauseigentümer dämmen ihre Wände, um Energiekosten zu senken. Häufig entscheiden sie sich für die billige Variante Polystyrol. Doch es gibt umweltfreundliche Alternativen: So eignet sich Rohrkolben hervorragend als natürliches Isoliermaterial.

Rohrkolben wird schon seit langem für verschiedene Zwecke verwendet, wie zur Reinigung von Abwässern in Kläranlagen, zum Entgiften von Böden, als Rohstoff für handwerkliche Flechtarbeiten, als Nahrungsmittel oder in der traditionellen Medizin als Heilpflanze bei verschiedenen Erkrankungen. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP in Valley wollen das Material aus der Natur jetzt als Baustoff nutzen – etwa zum Dämmen von Außenwänden oder als Putzträger. Dr. Martin Krus, Prüfstellenleiter am IBP, bescheinigt dem nachwachsenden Rohstoff zahlreiche positive, für den Bau relevante Eigenschaften: »Rohrkolben ist als Sumpfpflanze von Natur aus schimmelresistent und bestens gegen Feuchtigkeit gerüstet. Die Blätter der Pflanze haben ein faserverstärktes Stützgewebe, das mit einem weichen Schwammgewebe ausgefüllt ist. Durch diesen speziellen Aufbau sind sie außerordentlich stabil und besitzen eine gute Dämmwirkung. Die bleibt auch in den fertigen Produkten erhalten.« Ein solches Produkt hat der Forscher bereits parat. In enger Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner typha technik Naturbaustoffe entwickelte er eine magnesitgebundene Dämmplatte aus Typha (lateinisch für Rohrkolben), die bereits zum Patent angemeldet ist. Die Platte verfügt über eine geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,052 W/mK (Watt pro Meter und Kelvin). Sie bietet einen guten Brand-, Schall- und Wärmeschutz und ist relativ diffusionsoffen, aber ausreichend dicht, um bei den meisten Anwendungen auf eine Dampfbremse verzichten zu können. Vor allem ist das Material in Richtung der Plattenebene mit hohen Drücken belastbar. Die guten Werte der Typha-Platte konnten der Forscher und sein Team nach eineinhalbjährigen Messungen in einem Nürnberger Fachwerkhaus bestätigen. Dessen Außenwände und auch das Fachwerk waren mit Typha saniert worden. »Die Handwerker vor Ort waren von dem nachhaltigen Material begeistert«, sagt Krus.

Niedermoore durch Typha-Anbau regenerieren

Doch trotz der zahlreichen Vorzüge von Typha wird der Baustoff aus der Natur bislang noch nicht im größeren Stil verbaut und industriell verwertet. »Rohrkolben wächst in großen Beständen vor allem in Osteuropa, vornehmlich in Rumänien und Ungarn. Hierzulande wird die Feuchtgebietspflanze nicht kultiviert, sie müsste also extra importiert werden«, schildert der Ingenieur einen wesentlichen Hinderungsgrund. Dabei gäbe es in Deutschland geeignete Anbauflächen. Beispielsweise ließen sich trockengelegte Niedermoore, die jahrzehntelang landwirtschaftlich genutzt wurden, durch den Anbau von Typha regenerieren. Dass dies möglich ist, wurde bereits in dem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt »Rohrkolbenanbau in Niedermooren« unter Leitung des Lehrstuhls für Landschaftsökologie der TU München gezeigt. »Entwässerte Niedermoore sind eine Quelle von CO2-Emissionen. Durch das Trockenlegen werden in Deutschländ jährlich bis zu 40 Millionen Tonnen Kohlendioxid freigesetzt«, weiß Krus. Zum Vergleich: Der Pkw-Verkehr in Deutschland verursacht jährlich 105 Millionen Tonnen CO2. Durch den Rohrkolbenanbau könnte dieser Prozess gestoppt werden. Der Torfschwund wird reduziert und viele der Nährstoffe bleiben im Boden. Zugleich bieten Rohrkolbenflächen Lebensraum für seltene Tiere und Pflanzen. »Der Anbau von Typha trägt also auch zum Umweltschutz bei«, sagt der Forscher.

Einem hohen Rohstoffertrag tut das keinen Abbruch, da Rohrkolben sehr schnellwüchsig ist. Dem geernteten Typha räumt Krus gute Absatzchancen ein. »Die Pflanze lässt sich leicht verarbeiten«, betont der Forscher. Die Blätter werden längs in stabförmige Partikel aufgetrennt und anschließend auf die richtige Länge von rund sieben Zentimeter gekürzt. Anschließend werden sie in einer Trommel mit einem umweltfreundlichen mineralischen Kleber eingesprüht und in eine beheizte Presse gebracht. Derzeit erfolgt dieser Vorgang noch manuell. Einen Hersteller, der die Platte in Serie herstellt, haben der Experte und seine Kollegen noch nicht gefunden. »Dabei wäre die Typha-Platte äußerst konkurrenzfähig, wenn man sie in einem rationellen Verfahren herstellen würde«, ist der Wissenschaftler überzeugt.

Aufgrund der vielen positiven technischen Eigenschaften und der vollständigen Rückführbarkeit in den Stoffkreislauf sind die Einsatzmöglichkeiten von Typha vielfältig. Wegen der hohen Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht kann das Material für  Dachkonstruktionen oder als Leichtbausandwichelement für Fußböden und Zwischendecken verwendet werden. Auch Türblätter, Fenster- und Türstürze lassen sich damit gestalten, ebenso ist der Ersatz von Holzbalken möglich. Selbst die Putzarmierung mit Samenschirmchen haben die IBP-Forscher realisiert, indem sie Samenschirmchen der Rohrkolbenpflanze in Lehmputz vermischten, um so die Bildung von Rissen zu vermeiden. »Im Prinzip kann man ein komplettes Gebäude aus Typha bauen, sieht man mal von den Rohren, Fenstern und der Eindeckung ab«, sagt Krus.

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.04.2013

Elektroautos haben nach wie vor einen schweren Stand auf Deutschlands Straßen. Die Fahrzeuge sind zu teuer und ihre Reichweite zu gering. Doch jetzt ist ein Durchbruch bei der leistungsfähigen und kostengünstigen Lithium-Schwefel-Batterie gelungen.

Mehr als 40 Millionen Autos rollen derzeit über Deutschlands Straßen. Lediglich ein Bruchteil davon fährt jedoch mit elektrischer Energie. Rund 6400 Fahrzeuge sind es aktuell laut Verkehrsministerium. Die Gründe liegen in der vergleichsweise geringen Reichweite und den hohen Kosten der Stromspeicher: Käufer müssen nach wie vor mehrere Tausend Euro für die Akkus auf den Tisch legen und die Suche nach einer Aufladestation beginnt oft schon nach den ersten 100 Kilometern. Forscher tüfteln deshalb an effizienteren Technologien. Äußerst vielversprechend ist dabei die Lithium-Schwefel-Batterie. Sie ist wesentlich leistungsfähiger und kostengünstiger als die bislang bekanntere Lithium-Ionen-Variante. Doch bislang ist sie wegen ihrer geringen Lebensdauer noch in keinem Auto zu finden. Das könnte sich in absehbarer Zeit ändern.

Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden haben jetzt ein neues Batteriedesign entwickelt, dass die Aufladezyklen von Lithium-Schwefel-Akkus um das Siebenfache erhöht. »Bisher kam man bei Tests kaum über 200 Zyklen hinaus. Durch eine besondere Kombination aus Anoden- und Kathodenmaterial konnten wir nun die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Knopfzellen auf 1400 Zyklen ausdehnen«, beschreibt Dr. Holger Althues, Leiter »Chemische Oberflächentechnologie« am IWS den Durchbruch seines Teams. Die Anode ihres Prototyps besteht nicht – wie sonst üblich – aus metallischem Lithium, sondern aus einer Silizium-Kohlenstoff-Verbindung. Diese ist wesentlich stabiler, da sie sich bei jedem Ladevorgang weniger verändert als das Lithium-Metall. Denn je stärker sich das Anodenmaterial verformt, desto mehr vermischt es sich mit dem flüssigen Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode liegt und den Strom transportiert. Bei diesem Vorgang zersetzt sich die Flüssigkeit in Gas und Feststoffe. Die Batterie trocknet aus. »Im Extremfall ›wächst‹ die Anode bis zur Kathode und sorgt mit einem Kurzschluss für den vollständigen Zusammenbruch der Batterie«, erklärt Althues.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einer Batterie ist das Zusammenspiel von Anode und Kathode. Beim Lithium-Schwefel-Modell bildet elementarer Schwefel die Kathode. Der Vorteil: Schwefel ist im Vergleich zum knappen Kobalt – dem hauptsächlich in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Kathodenmaterial – in nahezu unbegrenzten Mengen verfügbar und dadurch günstiger. Doch auch der Schwefel tritt mit dem flüssigen Elektrolyt in Wechselwirkung. Die Leistungsfähigkeit der Batterie sinkt, im schlimmsten Fall verliert sie vollständig an Kapazität. Die Forscher am IWS nutzen poröse Kohlenstoffe, um diesen Vorgang zu entschleunigen. »Wir haben die Poren der Kohlenstoffe exakt angepasst, damit sich der Schwefel dort einlagern kann und sich langsamer mit dem Elektrolyt verbindet«, veranschaulicht Althues. Zusammen mit seinen Kollegen hat der Forscher eine Methode entwickelt, um diese speziellen Kathoden herzustellen.

Doppelt so weit fahren

Die Experten vom IWS messen die Leistungsfähigkeit einer Batterie in Watt-Stunden pro Kilogramm (Wh/kg). Von Lithium-Schwefel-Batterien versprechen sie sich langfristig eine Energiedichte von bis zu 600 Wh/kg. Zum Vergleich: Aktuell verwendete Lithium-Ionen-Akkus kommen lediglich auf maximal 250 Wh/kg. »Mittelfristig realistisch sind eher Zahlen um 500 Wh/kg. Das heißt, man kann bei identischem Batteriegewicht doppelt so weit fahren«, so Althues. Im Umkehrschluss sind deutlich leichtere Batteriemodelle möglich. Das ist nicht nur für Automobil-, sondern auch für Smartphone-Hersteller interessant: Die mobilen Alleskönner würden mit leichteren Akkus deutlich an Gewicht verlieren. »Vielleicht macht Lithium-Schwefel ja sogar das elektrische Fliegen möglich. Bis dahin muss aber noch viel passieren«, ergänzt Althues. Aktuell arbeiten die Wissenschaftler daran, das Material weiter zu optimieren und es an größeren Batteriemodellen einzusetzen. Auch auf geeignete Herstellungsmethoden wollen sie ihr Augenmerk legen. Denn nur so besteht die Chance, dass die Technologie es in den Massenmarkt schafft und sich die Zahl der Elektroautos auf deutschen Straßen entscheidend vergrößert.

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2013

Blenden Photovoltaikanlagen Piloten bei Start oder Landung, kann das riskant sein. Eine neue Software soll künftig bereits bei der Planung solcher Anlagen berechnen, wann und wo Blendungen auftreten und wie sie sich vermeiden lassen.

Der Pilot ist im Landeanflug, als ihn plötzlich gleißendes Licht blendet – hervorgerufen durch eine großflächige Photovoltaikanlage, in der sich die Sonne spiegelt. In Flughafennähe stellen solche Blendungen ein großes Sicherheitsrisiko dar. Auch in der Nähe von Autobahnen erhöhen sie die Unfallgefahr. Bevor eine Photovoltaikanlage gebaut werden darf, berechnen Ingenieure daher für einige ausgewählte Beispieltage im Jahr, wann und wo die störenden Lichtreflexionen auftreten – insbesondere dann, wenn Flughäfen, Autobahnen oder größere Wohngebiete in der Nähe liegen.

Künftig soll das einfacher gehen – und umfassender: Mit einer Software, die Blendungen auf Knopfdruck dreidimensional darstellt. Entwickelt wird sie von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT in Sankt Augustin gemeinsam mit ihren Kollegen des Landesamts für Umwelt, Naturschutz und Geologie in Mecklenburg-Vorpommern und verschiedenen Solarplanern. »Die Software erstellt eine 3D-Ansicht von allen Seiten zu jeder beliebigen Uhr- und Jahreszeit«, sagt Alexander Wollert, Wissenschaftler am FIT. »Dabei rekonstruieren wir die ganze Szene in einem dreidimensionalen Raum, mit Karte, Höhenprofil, Sonne, dreidimensionalen Gebäuden und Photovoltaikanlagen.« Die Forscher simulieren also den Sonnen- und Blendverlauf für jede beliebige Zeiteinheit und in beliebiger Richtung. Dabei berücksichtigen sie sowohl die Höhe verschiedener Bodenflächen als auch Hindernisse wie Bäume oder Lärmschutzwände.

Reflexionen ermitteln

Die Planer können die PV-Anlage am Monitor beliebig verschieben und erfahren sofort, wann und wo es dadurch Konflikte gibt. Bei welchem Sonnenstand, zu welcher Tagesund Jahreszeit blenden die Solarmodule? In welcher Richtung treten die Reflexionen auf – sind beispielsweise auch Menschen betroffen, die nicht in Richtung des Sonnenkraftwerks schauen? Und was kann man tun, damit die Blendungen ausbleiben? So können die Anlagenplaner beispielsweise die Ausrichtung und den Neigungswinkel der Elemente ändern. Reicht das nicht aus, um die Störeffekte zu vermeiden, lässt sich die Software auch um andere Modelle von Photovoltaikmodulen mit einer matteren Oberfläche erweitern. Sie reflektieren die Sonne zwar weit weniger als übliche Module, sind allerdings auch teurer.

Für die Region um den Frankfurter Flughafen haben die Forscher die Software bereits erstellt und getestet. Darauf aufbauend entwickeln sie nun eine Version, die Photovoltaikbetreibern in ganz Deutschland weiterhelfen soll. »Die Software bezieht ihr Kartenmaterial dynamisch vom Bundesamt für Kartographie und Geodäsie«, erklärt Wollert. »Von dort lädt sie automatisch das benötigte Kartenmaterial herunter sowie passende Karten zur Höheninformation. Diese Informationen kombiniert sie zu einer dreidimensionalen Ansicht der jeweiligen Umgebung, die die Basis für alle weiteren Berechnungen bildet.« Im kommenden Jahr, erwartet Wollert, dürfte die Software einsatzbereit sein.

Interessant ist die Anwendung auch für private Anlagen: Denn mitunter kommt es zu Gerichtsverfahren, wenn Nachbarn sich durch das Blenden belästigt fühlen. Mit der Software ließe sich dieses Problem künftig umgehen – und der nachbarschaftliche Frieden bliebe erhalten.

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.02.2013

Um Samen von Schädlingsbefall zu befreien, behandeln Landwirte das Saatgut chemisch. Forscher haben eine Methode entwickelt, die Erreger ohne Umweltbelastung abzutöten. Erste Saatgutlieferanten setzen das Verfahren jetzt kommerziell ein.

Auf Saatgut tummeln sich Pilze, Bakterien und Viren. Um diese abzutöten und so zu verhindern, dass sich Pflanzenkrankheiten ausbreiten können, wird die Saat in der Regel chemisch gebeizt. Doch in jüngster Zeit ist diese Methode in Verruf geraten. Einigen chemischen Beizmitteln wurde die Zulassung entzogen, aber auch Neuzulassungen sind stark zurückgegangen. Und nicht zuletzt hat ein schwerer Fall von E.coli-Infektionen durch Sprossensaatgut, der im Sommer 2011 für Schlagzeilen sorgte, die Rufe nach Alternativen laut werden lassen. Eine umweltfreundliche Methode, Saatgut von Keimen zu befreien, haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden entwickelt. Sie behandeln die Saat mit Elektronen, die innerhalb von Millisekunden die DNA der Schädlinge zerstören. Durch einen speziellen apparativen Aufbau wirken die Elementarteilchen nur auf der Oberfläche und in der Samenschale. Der Keimling im Inneren des Samenkorns wird nicht getroffen, die Keimfähigkeit des Saatguts somit nicht beeinträchtigt.

»Im Getreidesaatgut finden sich fast nur pilzliche Erreger, doch durch den Klimawandel ist es mittlerweile zunehmend von Bakterien aus dem Süden befallen, gegen die es noch keine chemischen Mittel gibt. Unsere Behandlung mit niederenergetisch beschleunigten Elektronen hingegen wirkt gegen bakterielle und pilzliche Schaderreger. Auch können Schädlinge gegen dieses Verfahren keine Resistenzen ausbilden«, sagt Frank-Holm Rögner, Diplom-Physiker und Abteilungsleiter am FEP. Da der Forscher und sein Team keine chemischen Zusatzstoffe verwenden, vernichten sie mit ihrer Methode die Keime auf umweltschonende Weise. Saatgutüberschuss kann problemlos verfüttert werden.

Dass die Keimfähigkeit des so behandelten Samens gleichwertig mit der des chemisch gebeizten Saatguts ist, konnten die Experten seit langem unter Beweis stellen: Seit zwei Jahrzehnten versuchen sie, ihre Methode zu etablieren und weiterzuentwickeln. 2002 bauten sie eine mobile Demonstrationsanlage, mit der sie seither deutschlandweit Testbehandlungen durchführen. Doch obwohl die EPPO (European and Mediterranean Plant Protection Organization) das Verfahren sowohl für die konventionelle als auch für die ökologische Landwirtschaft empfiehlt, konnte sich die Technologie bislang nicht am Markt durchsetzen, und kam nicht über den Demonstrationsstatus hinaus. Ein Grund für den ausbleibenden wirtschaftlichen Erfolg seien unter anderem die Landwirte, die erst mit langjährig guten Praxisergebnissen in Verbindung mit den Empfehlungen ihres Saatgutlieferanten oder Fachberaters überzeugt werden könnten, neue Ideen fachfremder Wissenschaftler aber selten ernst nähmen, so Rögner.

Nun arbeiten die Forscher mit der Nordkorn Saaten GmbH zusammen. 2010 ließ sich Nordkorn das Verfahren erstmals mit dem mobilen Demonstrator – einem Truck, auf dem sich die Anlage befindet – direkt am Heimatstandort in Güstrow vorführen. Der Saatgutproduzent war begeistert, schließlich lief der Prototyp Hunderte von Stunden mit einem Durchsatz von bis zu 30 Tonnen pro Stunde – das Vertrauen in die Robustheit der Technik war gegeben. Inzwischen hat Nordkorn die Pilotanlage gemeinsam mit dem langjährigen Saatgutpartner des FEP, der BayWa AG, gekauft und das FEP mit dem Bau einer zweiten maßgeschneiderten Anlage beauftragt. Dieses Unikat soll Ende Juni 2013 in Güstrow in Betrieb gehen. Gemeinsam mit BayWa und Nordkorn sowie einem Anlagenbauer ist auch die Weiterentwicklung der Anlage geplant, unter anderem soll die Technik preiswerter und kompakter werden. Zur Zeit bemühen sich die Forscher und ihre Partner um eine Projektförderung.

Die Forscher vom FEP sind zuversichtlich, dass sich die Elektronenbehandlung langfristig als Erfolgsgeschichte erweisen wird. Hierfür spricht einiges: Ab 2015 müssen Landwirte nachweisen, dass sie sich bemühen, ihren CO2-Fußabdruck zu verringern und den Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln zu senken. »Hier können wir mit unserer Anlage einen wesentlichen Beitrag leisten«, sagt Rögner. Sollte sich die Elektronenbehandlung breiter durchsetzen, könnten die Forscher vom FEP ihr Verfahren an Anlagenbauer lizensieren.

Derzeit treiben die Wissenschaftler ihre Auslandsaktivitäten voran. Das FEP bemüht sich, die Elektronenbehandlung in den chinesischen und in den indischen Markt einzuführen. »Hier sehen wir aufgrund der großen Saatgutproduktionsmengen gute Chancen«, sagt Rögner.

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