Pressemitteilung der RWTH Aachen vom 09.09.2009

Im studienfunktionalen Zentrum der RWTH Aachen, dem SuperC, am Templergraben soll die Temperaturregelung durch die Nutzung von Erdwärme erfolgen. Seit November 2004 ist bereits eine 2,5 km tiefe Bohrung für das Geothermieprojekt vorhanden. Die für den Einbau geplanten Rohre versagten bei einem ähnlichen Vorhaben in Arnsberg, daher musste ein neues Konzept erarbeitet werden, das jetzt zum Patent angemeldet wurde. Auf dem Vorplatz des SuperC beginnen ab sofort die Bauarbeiten, sie dauern bis Anfang Oktober.

Erdwärme nutzen

Tiefe Erdwärmesonden bestehen in der Regel aus Bohrungen mit einer Teufe von 2.000 bis 3.000 Metern. Eine geothermische Tiefenstufe ist ein Maß für eine Tiefe, in der sich die Temperatur um 1 °C erhöht. Im Durchschnitt erfolgt eine solche Erwärmung des Erdreichs alle 33 Meter. Um diese Erdwärme zu nutzen, zirkuliert bei der tiefen Erdwärmesonde ein Wärmeträgerfluid in einem geschlossenen Rohrsystem. Die Sonde besteht aus einem Außenrohr, in das ein Innenrohr eingefügt wird. Im Ringspalt dieser Anordnung fließt das Fluid in die Tiefe und erwärmt sich dort. In der eingehängten Steigleitung wird das Fluid dann zu Tage befördert. Ein solches geschlossenes System hat den Vorteil, dass es keinen Kontakt zum Grundwasser hat und somit an jedem Standort eingesetzt werden kann.

Problematisch ist jedoch der Wärmeübergang des erwärmten Fluids im Steigrohr an das kalte Fluid im Ringspalt. Bisherige Lösungen sehen eine Vakuumrohrummantelung oder ein mit PU-Schaum isoliertes Rohr vor. Beide Varianten haben entschiedene Nachteile: Im Bohrloch herrschen Drücke bis zu 300 bar. Eine Vakuumrohrummantelung hält diesem Druck nicht ohne weiteres Stand, die polyurethanummantelten Rohre verlieren mit der Zeit ihre Isolationswirkung.

Ein neues Konzept für das SuperC

Im SuperC übernimmt ein einfaches, dickwandiges Kunststoffrohr die Aufgabe, das warme Fluid nach oben zu leiten und dabei die Wärmeverluste zu minimieren. Der verwendete Kunststoff zeichnet sich durch ausreichende Temperaturbeständigkeit und eine sehr geringe Wärmeleitung aus. Mittels thermischer Simulation konnte der Nachweis erbracht werden, dass der geforderte Nutzen mit dieser kostengünstigen Lösung erreicht werden kann. Zudem wurden mit diesen Berechnungen die Abmaße der Konstruktion bestimmt und ein geeigneter Betriebszustand ermittelt. Die zwölf Meter langen Rohre werden beim Einbau mit standardisierten Schweißverfahren verbunden.

Externer Link: www.rwth-aachen.de
 

Pressemitteilung der RWTH Aachen vom 08.09.2009

In Deutschland fallen jährlich etwa 40.000 Tonnen Sondermüll aus Altbatterien an, die eine erhebliche Belastung für die Umwelt darstellen. Einen bedeutenden Anteil daran haben Batterien für Fernbedienungen, die beispielsweise für Autoschlüssel, Steuerungen von Fernbedienungen oder schnurlose PC-Tastaturen verwendet werden.

Dank einer Entwicklung der RWTH Aachen werden für diese Fernbedienungen zukünftig womöglich nur noch selten Batterien benötigt. Mitarbeiter vom Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (KEmikro) haben Mikropfeifen entwickelt, die so klein sind, dass mindestens jeweils zwei unter der Taste einer PC-Tastatur Platz finden. Wird auf die Taste gedrückt, so werden zwei Silikonbälge komprimiert; diese erzeugen einen Luftstrom, der die kleinen Pfeifen ansteuert. Aus den Tönen erkennt ein am PC angebrachtes Mikrofon, welche Taste gedrückt wurde und kann die sich daraus ergebende Anweisung ausführen. Für den Menschen stellen die Töne keine Belästigung dar, weil das menschliche Ohr sie nicht wahrnehmen kann.

Die Herstellung der Kunststoffpfeifen ist sehr preiswert. Daher bieten sie auch kleinen Unternehmen die Chance, mit geringen Investitionen neue Märkte zu erschließen. (i. A. Gabriele Renner)

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 21.08.2009

Einsatz bei der Extraktion von Naturstoffen und Reinigung – Technologietransfer-Projekt mit Schweizer Firma

Beim Gewinnen von Naturextrakten für die Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie sowie für Reinigungsprozesse mit Kohlendioxid (CO2) gab es bisher keine Möglichkeit, den Verlauf dieser energieintensiven Prozesse direkt zu verfolgen. Dies führte in der Vergangenheit dazu, dass die Extraktion länger als für ein optimales Ergebnis notwendig durchgeführt wurde. Ein am Forschungszentrum Karlsruhe entwickeltes mobiles Modul ermöglicht nun, derartige Prozesse genau zu verfolgen und punktgenau zu beenden. Der Vorteil ist eine erhebliche Energieeinsparung.

Mögliche Anwendungen sind das Entkoffeinieren von Kaffee und Tee sowie das Gewinnen von Hopfenextrakt, Gewürzen und Rapsöl für die Lebensmittelindustrie. Ebenso lässt sich das Modul bei der Herstellung von Etherischen Ölen für Aromastoffe und Kosmetika sowie pharmazeutischen Wirkstoffen wie auch für das Entfetten von Kakao, die Reinigung von Kork, das Entfernen von Pestiziden aus Reis sowie die Teilereinigung einsetzen. Für diese Prozesse sind erhöhte Temperaturen und hohe Drücke notwendig.

Das nun entwickelte NIR-Modul ermittelt mithilfe der Nahinfrarotspektroskopie, also mit Infrarotlicht, den genauen Zustand des Reinigungs- bzw. Extraktionsprozesses mit CO2. Auf diese Weise werden Naturstoffe nur so lange hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt, wie notwendig ist, um das Extrakt zu gewinnen.

„Somit lassen sich die Extraktions- und Reinigungs-, aber auch Reaktionsprozesse optimal führen“, so Dr. Gabriele Wiegand vom Institut für Technische Chemie (ITC-CPV) des KIT, die das Gerät entwickelt hat. „Nachdem in der Branche Versuche in diese Richtung seit vielen Jahren erfolglos geblieben sind, schaffen wir es nun, bei den Prozessen an einer großen Anlage tägliche Betriebskosten bis zu einem vierstelligen Eurobereich einzusparen. Da die Laufzeiten der Maschinen geringer sind, wird auch deutlich weniger Energie verbraucht.“ Im Rahmen eines Technologietransfer-Projektes, unterstützt von der Stabsabteilung Innovation des KIT, wurde das Modul jetzt gemeinsam mit der Schweizer Firma SITEC Sieber Engineering AG zur Marktreife gebracht. „Erste Anwenderfirmen sind bereits dabei, die Messzelle in deren Extraktionsanlagen einzusetzen“, so Dr. Manuella Werp von der Stabsabteilung Innovation. Für darüber hinausgehende spezifische Anforderungen der Industrie entwickeln die Wissenschaftler am ITC-CPV Applikationen.

Das mobile Modul lässt sich einfach in bestehende Extraktionsanlagen einbauen. Bei der Extraktion und Reinigung handelt es sich jeweils um geschlossene Kreislaufprozesse, bei denen flüssiges CO2 durch Komprimieren und Verdampfen in einen überkritischen Zustand gebracht wird. Überkritisches Kohlendioxid ist ein umweltfreundliches Lösungsmittel für Naturstoffe, Fette und Öle und ersetzt die bisher verwendeten giftigen organischen Substanzen. Nach Ende des Extraktions- oder Reinigungsprozesses verdampft es rückstandsfrei im Gegensatz zu organischen Lösungsmitteln. Das Extrakt selbst wird durch Druckentlastung in einem Behälter gesammelt, CO2 als Gas wieder in seinen ursprünglichen flüssigen Zustand versetzt und somit der Kreislauf geschlossen.

Die bisher verfügbaren Messzellen sind entweder für hohe Temperaturen bei niedrigen Drücke (300 Grad Celsius bei 25 bar) oder für niedrige Temperaturen bei hohen Drücken (50 Grad Celsius bei 300 bar) ausgelegt. Die NIR Messzelle schafft es nun, gleichzeitig bei maximal 180 Grad Celsius und 1000 bar zu arbeiten. „Neben der Energieeinsparung hat die Messzelle noch weitere Vorteile“, so Wiegand. „Durch die kürzere Betriebszeit bei den einzelnen Vorgängen können letztendlich mehr Extraktionen als bisher pro Tag gefahren und somit mehr produziert werden.“ (lg)

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.07.2009

„Algenplattform“ am KIT entwickelt effiziente Photoreaktoren und neuartige Methoden für den Zellaufschluss

Angesichts der Verknappung petrochemischer Rohstoffe und des Klimawandels ist die Entwicklung CO2-neutraler nachhaltiger Brennstoffe eine der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit. Energiepflanzen wie Raps oder Ölpalme sind wegen der Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion in die Diskussion geraten. Einen wichtigen Beitrag für die Energieversorgung von morgen könnte daher die Kultivierung von Mikroalgen bieten. Um diese energetisch nutzen zu können, entwickeln Wissenschaftler am KIT geschlossene Photoreaktoren und neue Verfahren für den Zellaufschluss.

Mikroalgen sind einzellige, pflanzenartige Organismen, die Photosynthese betreiben und Kohlendioxid (CO2) in Biomasse umwandeln. Aus dieser Biomasse lassen sich sowohl Wert- und Wirkstoffe, als auch Energieträger wie Biodiesel gewinnen. Da Algen bei ihrem Wachstum zuerst die Menge an CO2 aufnehmen, die sie später bei der energetischen Nutzung wieder freisetzen, lässt sich Energie aus Algen im Gegensatz zu konventionellen Energieträgern CO2-neutral gewinnen.

Neben der Chance der CO2-neutralen Kreislaufwirtschaft, haben die Algen noch einen weiteren Vorteil: Industrielle CO2-Emissionen lassen sich als „Rohstoff“ nutzen, da Algen bei hohen Kohlendioxid-Konzentrationen schneller wachsen und damit mehr energetisch nutzbare Biomasse produzieren.

Dies ist jedoch nicht ihr einziger Pluspunkt: „Verglichen mit Landpflanzen produzieren Algen bis zu fünfmal so viel Biomasse pro Hektar und enthalten 30 bis 40 Prozent energetisch nutzbare Öle“, so Professor Clemens Posten, der diese Forschung am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik am KIT leitet. Da sich Algen auch in ariden, also trockenen Gegenden kultivieren lassen, die sich für den Landbau nicht eignen, bestehe kaum Konkurrenz zu den Agrarflächen. Dazu sind dort jedoch geschlossene Systeme notwendig.

Gegenwärtig werden Algen in offenen Becken in südlichen Ländern mit relativ geringer Produktivität produziert. Genau hier setzt Postens neue Technologie an. „Wir gehen verfahrenstechnisch ganz anders heran und arbeiten mit geschlossenen Photo-Bioreaktoren“, so der Wissenschaftler. „Unsere Anlagen wandeln Sonnenenergie mit fünffach höherem Wirkungsgrad in Biomasse um als offene Becken.“ Die Plattenreaktoren stehen dabei senkrecht, ähnlich wie Photovoltaikzellen. „So sieht jede Alge ein bisschen weniger Licht, die Anlage arbeitet dafür aber mit höherem Wirkungsgrad“, betont der Biologe und Elektrotechniker.

Die Algenproduktion funktioniert daher nicht nur in Ländern mit extrem hoher Sonneneinstrahlung. Die meisten Algen benötigen maximal zehn Prozent des ankommenden Sonnenlichts. Der Rest werde einfach verschwendet, falls man nicht ein optimales Lichtmanagement im Photo-Bioreaktor habe, so der Wissenschaftler Posten. Denn in der Sahara gebe es gerade mal doppelt so viel Sonne wie bei uns, dafür müsse man dort aber den Reaktorinhalt kühlen. Weitere Vorteile des geschlossenen Systems sind drastische Ersparnisse an Wasser und Düngemitteln. Dabei ist auch eine Doppelnutzung zur Produktion von Lebensmitteln oder Feinchemikalien aus den Algen und der anschließenden energetischen Verwertung der Restbiomasse denkbar.

An Postens Institut ist eine der beiden Arbeitsgruppen des KIT angesiedelt, die intensiv auf dem Gebiet der Algen-Biotechnologie forschen. „Bei der Entwicklung von Photo-Bioreaktoren gehören wir mittlerweile zu den drei Standorten weltweit, in denen man in der Verfahrenstechnik, und nicht nur in der Biologie, deutlich vorankommt“, so Posten.

Wo sein Forschungsgebiet am Campus Süd des KIT aufhört, setzt die Abteilung Hochleistungsimpulstechnik am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik am KIT-Campus Nord an. Hier geht es darum, mittels Elektroimpulsbehandlung der Algenbiomasse die wertvollen Inhaltsstoffe zu entlocken. Bisher hat Dr. Georg Müller, der die Abteilung leitet, zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie den Aufschluss von Pflanzenzellen wie Oliven, Weintrauben, Äpfeln, Zuckerrüben und terrestrischen Energiepflanzen erforscht und teilweise großtechnisch umgesetzt. „Unser Ziel ist es, neue wirtschaftliche und nachhaltige Extraktionsverfahren zu entwickeln, um möglichst viel energetisch nutzbare Zellinhalte aus den Algen zu erhalten“, so Müller. „Bei unserem Verfahren werden Pflanzenzellen für sehr kurze Zeit einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Dies führt zur Perforierung der Zellmembran und Freisetzung von Inhaltsstoffen“.

Die Kooperation der beiden Arbeitsgruppen soll nun das vorhandene Know-how bündeln und nutzt dazu eine Anschubfinanzierung des KIT-Zentrums Energie. Geplant ist der Aufbau einer KIT-„Algenplattform“ für die energetische Nutzung von Mikroalgen. Mittelfristig sollen hierfür auf dem Campus Nord des KIT Pilot- und Demonstrationsanlagen entstehen unter Nutzung der räumlichen und infrastrukturellen Vorteile. „Damit knüpfen wir einen wichtigen Knoten in der momentan rapide ablaufenden Vernetzung in der Algenbiotechnologie“, so Posten. Um die Energiegewinnung aus Algen wirtschaftlich zu machen, wird es darum gehen, die Investitions- und Betriebskosten für Photo-Bioreaktoren gering zu halten und gleichzeitig hocheffiziente Verfahren zur Ernte und für den Aufschluss der Algen zu entwickeln.

Um den Kreislauf zur vollständigen energetischen Nutzung der Algenbiomasse zu schließen, gehen die KIT-Forscher noch einen Schritt weiter. Die nach der Extraktion verbleibende Biomasse (60-70 Prozent) soll durch das am Campus Nord entwickelte Verfahren der hydrothermalen Vergasung in weitere Energieträger wie Wasserstoff oder Methan umgewandelt werden. (lg)

Externer Link: www.kit.edu