Archiv der Kategorie: Umwelttechnologie

Photovoltaik-Anlagen, die nicht blenden

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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.

Externer Link: www.fraunhofer.de

IT-optimierte Steckdosenleiste für aktiven Umweltschutz

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 22.02.2013

Die Universität Tübingen und die Firma Brennenstuhl haben gemeinsam eine Steckdosenleiste entwickelt, die nachts Strom spart und trotzdem die Wartung von EDV-Systemen ermöglicht.

Schaltbare Steckdosenleisten liefern einen kleinen, aber wichtigen Beitrag zum nachhaltigen Umgang mit unseren Ressourcen. Für den Einsatz an Endgeräten wie in der professionellen IT sind sie allerdings ungeeignet: Zwar ist die Stromabschaltung für Peripheriegeräte sinnvoll, aber zentral gemanagte PCs werden üblicherweise in der Nacht mit Updates versorgt und brauchen dafür Strom.

Die Universität Tübingen und die Firma Brennenstuhl haben deshalb in Kooperation eine Steckerleiste  speziell für die Belange der professionellen IT designt: Durch optimierte Anordnung der Schaltung bleiben die PCs weiter am Stromnetz, während der Anwender mit einem Schalter sämtliche Peripherie vollständig vom Netz trennen kann. Weitere Universitäten aus Baden-Württemberg haben bereits Interesse an der Innovation signalisiert.

„Die neu entwickelte Steckerleiste erlaubt es uns, nachts unsere EDV-Systeme zu warten und gleichzeitig Strom zu sparen. Sie ist daher für den flächendeckenden Einsatz bei allen PC-Systemen an der Universität Tübingen geeignet und ein weiterer wichtiger Schritt zur Verbesserung unserer Ökobilanz im Rahmen unseres EMAS-Prozesses“, sagt Dr. Andreas Rothfuß, Kanzler der Universität Tübingen mit Verweis auf das Eco Management and Audit Scheme.

In der gemeinsamen Entwicklung konnte eine Steckerleiste realisiert werden, die zu den gleichen Kosten herkömmlicher Leisten durch Optimierung der Schaltung die PC-Systeme dauerhaft  mit Strom versorgt. „Hiermit können wir zu attraktiven Konditionen eine spezielle Steckdosenleiste anbieten, die die besonderen Belange der IT mit dem Umweltschutz verbindet“, sagt Jens Bleckmann von der Firma Brennenstuhl. Bei der neuen Leiste für sechs Endgeräte werden zwei besonders gekennzeichnete permanent mit Strom versorgt und vier vom Anwender geschaltet. Das Produkt stammt aus deutscher Produktion und ist vom TÜV zertifiziert.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Neues Material verspricht bessere Solarzellen

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Presseaussendung der TU Wien vom 12.02.2013

Aus einer erst kürzlich entdeckten Materialklasse lässt sich eine neue Form von Solarzellen herstellen, fand ein Forschungsteam der TU Wien heraus.

Atomschicht für Atomschicht stellt man sie her, um ganz bestimmte Materialeigenschaften zu erzielen: Geschichtete Sauerstoff-Heterostrukturen sind eine neue Klasse von Materialien, die seit einigen Jahren großes Aufsehen in der Materialwissenschaft erregt. Ein Forschungsteam an der TU Wien konnte nun gemeinsam mit Kollegen aus den USA und Deutschland zeigen, dass sich daraus eine ganz neue, effizientere Klasse von ultradünnen Solarzellen bauen lässt. Die Forschungsergebnisse wurden nun im Journal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Materialeigenschaften am Computer entdeckt

„Einzelne Atomlagen aus unterschiedlichen Sauerstoff-Verbindungen werden übereinandergeschichtet. Dabei entsteht ein Material, das ganz andere elektrische Eigenschaften haben kann, als die einzelnen Sauerstoff-Verbindungen alleine hätten“ erklärt Prof. Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Um Materialvarianten mit präzise maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen zu können, werden diese Strukturen in Computersimulationen untersucht. Dabei erkannte man an der TU Wien nun, welches Potenzial diese Strukturen für die Herstellung von Solarzellen haben.

Strom aus Licht

Das Grundprinzip der Solarzelle ist der photoelektrische Effekt, dessen einfachste Variante schon 1905 von Albert Einstein erklärt wurde: Wenn ein Lichtteilchen absorbiert wird, kann das dazu führen, dass Elektronen ihren Aufenthaltsort verlassen und elektrischer Strom zu fließen beginnt. Wird ein Elektron von seinem Platz entfernt, bleibt eine positiv geladene Stelle zurück, ein sogenanntes „Loch“. Sowohl die negativ geladenen Elektronen als auch die positiv geladenen Löcher können zum Stromfluss beitragen.

„Wenn in einer Solarzelle allerdings Elektron und Loch nicht als Strom abtransportiert werden, sondern sich wieder vereinen, dann ist alles wieder wie vorher – die Energie kann nicht genutzt werden“, erklärt Elias Assmann, der einen großen Teil der aufwändigen Computersimulationen an der TU Wien durchführte. „Der entscheidende Vorteil des neuen Materials ist: Hier herrscht auf mikroskopischen Größenordnungen ein starkes elektrisches Feld, das Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen voneinander forttreibt.“ Das steigert die Effizienz der Solarzelle.

Aus zwei Isolatoren wird ein Metall

Eigentlich handelt es sich bei den Sauerstoff-Verbindungen, aus denen die neuen Materialien bestehen, um Isolatoren. Wenn man Schichten zweier geeignete Isolatoren aufeinanderpackt, entwickelt das Material an den Grenzflächen oben und unten erstaunlicherweise metallische Eigenschaften und leitet elektrischen Strom. „Das ist für uns von großer Bedeutung: Dadurch kann man oben und unten die elektrischen Ladungsträger sehr einfach ableiten und Strom fließen lassen“, sagt Karsten Held. Bei herkömmlichen Solarzellen aus Silizium muss man leitende Drähte aus Metall anbringen, um den Strom abzuführen – dadurch versperrt man aber einem Teil des Sonnenlichts den Weg ins Innere der Solarzelle.

Nicht alle Photonen werden von einer Solarzelle gleich effizient in elektrischen Strom umgewandelt. Für unterschiedliche Lichtfarben sind jeweils unterschiedliche Materialien besonders gut geeignet. „Bei den Oxid-Heterostrukturen kann man passende Eigenschaften erzielen, indem man geeignete chemische Elemente auswählt“, erklärt Prof. Peter Blaha vom Institut für Materialchemie. In den Simulationsrechnungen analysierte das Team Oxid-Schichten mit Lanthan und Vanadium, weil die dadurch aufgebauten Materialien besonders gut zur Strahlung der Sonne passen. „Es ist sogar möglich, verschiedene Schichttypen zu kombinieren, sodass unterschiedliche Lichtfarben optimal in unterschiedlichen Materialschichten in Strom verwandelt werden können“, sagt Elias Assmann.

Nächster Schritt: Praxistest

Unterstützt wurde das Team der TU Wien bei den Forschungen von Dr. Satoshi Okamoto vom Oak Ridge National Laboratory in Tennessee (USA) und von Prof. Giorgio Sangiovanni, einem ehemaligen Mitarbeiter der TU Wien, der nun an der Universität Würzburg forscht. In Würzburg sollen die neuen Solarzellen nun auch gebaut und getestet werden. „Die Produktion der Solarzellen aus Oxid-Schichten ist aufwändiger als bei herkömmlichen Solarzellen aus Silizium. Doch zumindest dort, wo besonders hohe Energie-Effizienz oder minimale Dicke gefragt ist, sollten die neuen Strukturen die bisherigen Silizium-Zellen ersetzen können.“, ist Karsten Held zuversichtlich. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Gesundes Saatgut – umweltfreundlich behandelt

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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.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Neuer Katalysator für die Wasserspaltung

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Presseinformation der LMU München vom 23.01.2013

Energie aus Sonnenlicht

Die Spaltung von Wasser mittels Sonnenlicht ist eine vielversprechende Option für die Gewinnung erneuerbarer Energie. Neue Katalysatoren auf der Basis von Kohlenstoffnitriden könnten die Entwicklung dieser Technologie vorantreiben.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft, da er einerseits eine hohe Energiedichte aufweist und andererseits eine umweltverträgliche Energiequelle darstellt. Die photokatalytische Wasserspaltung – die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Sonnenlicht – stellt dabei eine technologisch wichtige Alternative zur energieaufwendigen elektrolytischen Wasserspaltung dar. Ein zentrales Anliegen der Materialchemie ist daher die Entwicklung umweltfreundlicher, preiswerter und stabiler Photokatalysatoren.

Kohlenstoffnitride waren lange nur für ihre strukturelle Vielfalt bekannt. „Aufgrund ihrer interessanten elektronischen Eigenschaften ist der Einsatz derartiger polymerer Halbleiter aber auch in der Photokatalyse vielversprechend“, sagt Professor Bettina Lotsch, LMU-Chemikerin und Leiterin einer Arbeitsgruppe am MPI für Festkörperforschung in Stuttgart. Kohlenstoffnitride sind chemisch und thermisch stabil, haben ein geringes Eigengewicht und können relativ einfach und kostengünstig synthetisiert werden – dies macht sie den meist teureren und vor allem weniger umweltfreundlichen schwermetallhaltigen Photokatalysatoren überlegen.

Chemische Modifizierung steigert photokatalytische Aktivität um ein Vielfaches

Lotsch entwickelte mit ihrem Team um die Doktoranden Katharina Schwinghammer und Brian Tuffy in Zusammenarbeit mit Münchner und Bayreuther Kollegen nun eine neue Klasse von Kohlenstoffnitrid-Photokatalysatoren, deren photokatalytische Aktivität im sichtbaren Bereich des solaren Spektrums signifikant besser ist als diejenige des bisher meist untersuchten Kohlenstoffnitrids Melon, einem eindimensionalen Polymer aus Heptazin-Einheiten.

Der neue Katalysator basiert auf Poly(triazinimid) (PTI), das eine zweidimensionale, aus Triazin-Einheiten aufgebaute Grundstruktur besitzt und selbst unmodifiziert dem bislang aktivsten Kohlenstoffnitrid-Photokatalysator Melon ebenbürtig ist. Eine entscheidende Verbesserung erreichten die Wissenschaftler durch die Beimengung einer niedermolekularen organischen Verbindung – dies steigerte die Aktivität von PTI noch einmal um das 5- 6-fache.

Damit die photokatalytische Wasserspaltung nutzbar gemacht werden kann, muss die Effizienz dieser Reaktion deutlich erhöht werden. Die bisherigen Katalysatoren sind für eine technische Nutzung noch nicht aktiv genug. Der nun von Lotschs Gruppe entwickelte polymere Katalysator könnte diesem spannenden Forschungsfeld neue Möglichkeiten eröffnen. „Ein großer Vorteil von  PTI ist seine zweidimensionale Struktur und gute Verfügbarkeit, die das Spektrum möglicher Kohlenstoffnitrid-Photokatalysatoren erweitert und auf eine breitere Grundlage stellt“, sagt Lotsch. (göd)

Publikation:
Angewandte Chemie International Edition, 2013

Externer Link: www.uni-muenchen.de