Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 28.04.2022

Rückgewinnung von Bewegungsenergie des Baggerarms steigert Effizienz und spart Kraftstoff

Rohstoffe und Energie verteuern sich drastisch – und damit auch das Bauen. Neben dem Klimawandel sind die hohen Kosten ein weiterer Grund, Treibstoff bei Baumaschinen einzusparen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben Möglichkeiten für einen effizienteren Betrieb am Beispiel eines Hydraulikbaggers mit Hybridantrieb untersucht. Dabei haben sie Einsparpotenziale von rund zehn Prozent gefunden. Eine spezielle Software zur Steuerung des Einsatzes unterschiedlicher Antriebe könnte die Effizienz weiter steigern.

Bei Autos sind Hybridantriebe, also die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien und Energiespeicher, längst gebräuchlich, etwa die Verbindung von Benzin- oder Diesel- mit Elektroantrieb. Baumaschinen verfügen ohnehin meist über mehrere Antriebe, wie etwa Fahrantrieb, Schwenkantrieb und Arbeitsantrieb, die jeweils hybridisiert werden könnten. Allerdings kommt in den meisten Baggern die Energie für sämtliche Antriebe vom Dieselmotor. „Wir haben jetzt unterschiedliche Hybridisierungsmaßnahmen auf ihr Potenzial zur Effizienzsteigerung hin untersucht“, sagt Niklas Bargen vom Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT. Das Ergebnis: „Der elektrische Betrieb des Schwenkwerks eines Hydraulikbaggers, also des Motors zur seitlichen Drehung, bringt beispielsweise eine Effizienzsteigerung beim Laden von Erdreich oder Schutt auf einen Lastwagen um elf Prozent und eine Kraftstoffeinsparung von rund acht Prozent.“ Mit zusätzlicher Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim Absenken des Baggerarms – ähnlich wie bei regenerativen Bremssystemen in E-Autos – seien sogar Effizienzsteigerungen von insgesamt 12,5 Prozent und neun Prozent weniger Spritverbrauch zu erwarten, meint Bargen. „Wir gehen davon aus, dass sogar noch weiteres Potenzial vorhanden ist. Zum Beispiel durch eine Software, die bedarfsgerecht und nach Effizienzgesichtspunkten entscheidet, mit welchem Antrieb die unterschiedlichen Funktionen des Baggers gerade am besten betrieben werden sollen.“

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher vom Institutsteil Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) einen Bagger mit zahlreichen Sensoren ausgestattet und die 15 Tonnen schwere Maschine so während hundert Tagen bei der Arbeit auf unterschiedlichen Baustellen genau überwacht. „Anschließend haben wir verschiedene Varianten der Hybridisierung am Rechner simuliert und ermittelt, welches Potenzial zur Effizienzsteigerung sie im realen Betrieb haben würden“, erläutert Bargen.

Hybridisierung als Brückentechnologie

In Anbetracht des geschätzten Verbrauchs eines mittelschweren Baggers von 100 000 Litern Diesel über seinen gesamten Lebenszyklus, steckt in den Hybridantrieben für Baumaschinen ein erhebliches Energiesparpotenzial. „Dennoch sehen wir die Hybridisierung mehr als Brückentechnologie auf dem Weg zur vollständigen Elektrifizierung von Baumaschinen, die wegen des hohen Energiebedarfs der Maschinen und mangelnder Speichertechnologie noch vor großen Hürden steht.“

Am Forschungsprojekt war die Firma Stoba E-Systems GmbH beteiligt. Es wurde vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus des Landes Baden-Württemberg mit 300 000 Euro gefördert. (mex)

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 13.04.2022

Forschende des KIT setzen mit Titandioxid beschichtete Polymermembranen zur photokatalytischen Reinigung ein – Nature Nanotechnology veröffentlicht Ergebnisse

Bei Mikroverunreinigungen im Wasser handelt es sich häufig um Hormone, die sich in der Umwelt ansammeln und sich negativ auf Menschen und Tiere auswirken können. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) in Leipzig haben ein Verfahren zum photokatalytischen Abbau dieser Verunreinigungen im Durchfluss durch Polymermembranen entwickelt und in der Zeitschrift Nature Nanotechnology vorgestellt. Durch Bestrahlung mit Licht, das eine chemische Reaktion auslöst, werden Steroidhormone auf den mit Titandioxid beschichteten Membranen zersetzt.

Überall wo Menschen leben, gelangen Hormone, wie sie in Arzneimitteln zur Empfängnisverhütung und in der Landwirtschaft eingesetzt werden, in das Abwasser. Steroidhormone wie Sexualhormone und Corticosteroide können sich in der Umwelt ansammeln und sich negativ auf Menschen und Tiere auswirken, indem sie die Verhaltensentwicklung und die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen. Sexualhormone können beispielsweise dazu führen, dass männliche Fische weibliche Geschlechtsmerkmale entwickeln. Umso wichtiger ist es, neben anderen Mikroverunreinigungen auch Hormone aus dem Abwasser zu entfernen, bevor diese in den natürlichen Wasserkreislauf zurückgelangen, aus dem wiederum das Trinkwasser kommt. „Die Menschen mit sauberem Trinkwasser zu versorgen, gehört weltweit zu den wichtigsten Herausforderungen der Gegenwart“, sagt Professorin Andrea Iris Schäfer, Leiterin des Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) des KIT. „Spurenschadstoffe sind eine enorme Bedrohung für unsere Zukunft, da sie unsere Fruchtbarkeit und Gehirnfunktion beeinträchtigen.“

Inspiration aus der Solarzellentechnologie

Schäfer befasst sich seit Jahren mit der Wasseraufbereitung über Nanofiltration. Dazu setzt sie Polymermembranen mit nanometerkleinen Poren ein. Allerdings arbeitet die Nanofiltration mit hohem Druck und benötigt daher viel Energie. Außerdem kann es passieren, dass sich Mikroverunreinigungen in den polymeren Membranmaterialien ansammeln und allmählich in das gefilterte Wasser übergehen. Selbst wenn die Entfernung der Verunreinigungen vollständig gelingt, entsteht dabei ein Strom mit konzentrierten Schadstoffen, der weiterbehandelt werden muss.

Inspiriert von der Solarzellentechnologie, mit der sich der ebenfalls am KIT tätige Professor Bryce S. Richards befasst, kam Schäfer auf die Idee, Polymermembranen mit Titandioxid zu beschichten und photokatalytische Membranen zu entwickeln: Photokatalytisch aktive Titandioxid-Nanopartikel werden auf Mikrofiltrationsmembranen aufgebracht, deren Poren etwas größer sind als bei der Nanofiltration. Durch Bestrahlung mit Licht, das eine chemische Reaktion auslöst, werden Steroidhormone auf den Membranen zersetzt. Nun hat Schäfer ihre Idee mit ihrem Team am IAMT des KIT und mit Kolleginnen am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) in Leipzig verwirklicht und die neue Technologie in der Zeitschrift Nature Nanotechnology vorgestellt.

Katalysator für Wasser

„Wir haben sozusagen einen Katalysator für Wasser entwickelt“, resümiert Schäfer. Mit den photokatalytischen Polymermembranen gelang es, Steroidhormone im kontinuierlichen Durchfluss so weit zu entfernen, dass die analytische Nachweisgrenze von vier Nanogramm pro Liter erreicht wurde – die Werte kamen sogar ziemlich nah an ein Nanogramm pro Liter heran, was der neuen Trinkwasserrichtlinie der WHO entspricht. Die Forschenden arbeiten daran, ihre Technologie weiterzuentwickeln, um den Zeitbedarf und den Energieverbrauch zu senken sowie die Verwendung von natürlichem Licht zu ermöglichen. Vor allem aber zielt die weitere Forschung darauf ab, auch andere Schadstoffe mithilfe der Photokatalyse abzubauen, beispielsweise Industriechemikalien wie per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) oder Pestizide wie Glyphosat. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die Technologie in größerem Maßstab zu verwirklichen. (or)

Originalpublikation:
Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze and Andrea I. Schäfer: Photocatalytic degradation of steroid hormone micropollutants by TiO2-coated polyethersulfone membranes in a continuous flow-through process. Nature Nanotechnology, 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01074-8

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 09.02.2022

Forschende des KIT demonstrieren farbige Perowskit-Solarmodule für Häuserfassaden

Ab 2022 gilt für alle Neubauten in Baden-Württemberg die Photovoltaik-Pflicht. Betroffen sind davon ab Mai auch private Haushalte, bei denen der Anteil an Solarinstallationen noch sehr gering ist. Studien zufolge könnte neben den hohen Anschaffungskosten die mangelnde Ästhetik der Anlagen ein Grund dafür sein. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben farbige Solarzellen aus günstigem Perowskit-Halbleitermaterial entwickelt, die auf lange Sicht in Gebäudefassaden oder Dächern integriert werden können und dabei die Optik bekannter Baumaterialien imitieren. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Solar RRL.

Perowskit-Solarzellen zeigen schon jetzt im Labor Wirkungsgrade von über 25 Prozent – und das bei kostengünstigeren Ausgangsstoffen und einfacheren Herstellungsmethoden als die ähnlich effizienten Silizium-Solarzellen. Noch gilt das allerdings nur im Kleinen: „Eine zentrale Hürde für den Markteintritt der Technologie ist es, neben der Stabilität, den auf kleinen Flächen erzielten hohen Wirkungsgrad auf große Flächen zu übertragen“, so Tenure-Track-Professor Ulrich W. Paetzold vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT. Nur so könne die Technologie jedoch zur Entwicklung von kosteneffizienten Solarmodulen führen. Die Perspektive sei attraktiv, denn eben solche könnten massenhaft in noch ungenutzte Gebäudeteile wie zum Beispiel Fassaden integriert werden. Weil für eine solche Nutzung neben Kosten und Wirkungsgrad insbesondere auch die Ästhetik eine wichtige Rolle spielt, untersuchte das Forschungsteam um Paetzold zusammen mit dem Industriepartner SUNOVATION eine Tintenstrahldruck-Methode, mit der die Perowskit-Solarmodule eingefärbt werden kann. Ihr Vorteil: Die Färbung der Module per Tintenstrahldruck ist kostengünstig und auch für größere Flächen geeignet.

Farbeindruck ist unabhängig vom Lichteinfall

Der gewählte Ansatz hat einen weiteren erheblichen Vorteil: „Bisher war bei der Herstellung von farbigen Perowskit-Solarzellen der farbliche Eindruck der Solarzelle für den Betrachter stark vom Winkel des einfallenden Lichts abhängig“, erklärt Projektkoordinator Helge Eggers vom IMT. „Bei unserer Methode ist die verwendete Farbe dagegen fast gar nicht vom Einfallwinkel des Sonnenlichts abhängig, sondern sieht immer gleich aus“, so Eggers. In einer groß angelegten Experimentreihe konnten die Forschenden belegen, dass diese ursprünglich für Solarmodule aus Silizium entwickelte Methode auch bei Perowskit-Solarmodulen effizient anwendbar ist. Die lebhaft in den Basisfarben Cyan, Magenta und Gelb kolorierten Solarzellen zeigten bis zu 60 Prozent der ursprünglichen Effizienz beim Umwandeln von Solarenergie in Strom.

Solarmodule in Marmoroptik dank Farbmischung

Die Methode hat außerdem einen weiteren Vorteil: Durch die Tintenstrahldrucktechnik können diese Farben gemischt werden. Damit ist nicht nur ein weites Farbspektrum möglich, sondern auch der Druck komplexer Farbmuster. Die Forschenden nutzten dies, um Solarmodule in der Optik von verschiedenen Baumaterialien herzustellen. Besonders effizient zeigten sich Perowskit-Solarmodule in weißer Marmoroptik. Hier konnte das Team Wirkungsgrade von bis zu 14 Prozent erreichen. „Das Ziel von gebäudeintegrierter Photovoltaik ist es, photovoltaische System nicht auf Dächer oder Fassaden zu montieren, sondern diese durch Module zu ersetzen und damit zusätzliche Kosten zu vermeiden“, sagt Eggers. „Für in gebäudeintegrierte Photovoltaik gilt: Eine integrierte Solarzelle mit geringer Effizienz ist besser als eine Wand, die gar keinen Strom liefert. Ein Wirkungsgrad von 14 Prozent ist da enorm.“ (rli)

Originalpublikation:
Eggers, H., Gharibzadeh, S., Koch, S., Schackmar, F., Ritzer, D.B., Abzieher, T., Richards, B.S., Erban, C., Paetzold, U.W.: Perovskite Solar Cells with Vivid, Angle-Invariant, and Customizable Inkjet-Printed Colorization for Building-Integrated Photovoltaics. Solar RRL, 2022. DOI: 10.1002/solr.202100897

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Presseaussendung der TU Wien vom 17.11.2021

Um in Zukunft eine kohlenstoffneutrale Kreislaufwirtschaft zu etablieren, werden Technologien benötigt, die als Rohstoff CO2 verwenden. In Form von Formiat kann CO2 von bestimmten Bakterien verstoffwechselt werden.

Acetogene sind eine Gruppe von Bakterien, die Formiat verstoffwechseln können. Sie bilden beispielsweise Essigsäure – eine wichtige Basischemikalie. Manipuliert man diese Bakterien dahingehend, dass sie Ethanol oder Milchsäure produzieren, ließe sich eine umfassende Kreislaufwirtschaft für das Treibhausgas CO2 realisieren. Damit der Prozess nachhaltig ist, wird das CO2 direkt aus der Luft gewonnen und unter Verwendung von erneuerbarer Energie zu Formiat umgewandelt.

Um herauszufinden, wie genau sich Formiat durch das Acetobakterium woodii (kurz A. woodii) verwerten lässt, untersuchte ein Team um Stefan Pflügl vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der TU Wien, wie das Bakterium verschiedene Substrate – darunter auch Formiat – verstoffwechselt. Weiters schauten sich die Forschenden über ein metabolisches Modell an, wie sich A. woodii gentechnisch verändern ließe, um andere Substanzen als Essigsäure zu produzieren.

Kreislaufwirtschaft für CO2

„Die Wirtschaft der Zukunft muss kohlenstoffneutral sein“, fordert Stefan Pflügl. Da Kohlenstoff jedoch ein wichtiger Bestandteil vieler Produkte ist – wie beispielsweise Kraftstoff oder Plastik – sollte das vorhandene CO2 recycelt und in den Kreislauf zurückgeführt werden. Eine klimaneutrale Möglichkeit dazu ist, das CO2 aus der Luft zu fixieren und mithilfe erneuerbarer Energie in Formiat umzuwandeln. Diese Verbindung aus Kohlen-, Sauer- und Wasserstoff kann schließlich ein Grundbaustein der Bioökonomie sein. Vorteile von Formiat sind, dass es sich leicht transportieren lässt und flexibel für die Herstellung von Chemikalien und Treibstoffen verwendet werden kann. Die Herstellung dieser Stoffe kann mithilfe von acetogenen Bakterien erfolgen, die sich von Kohlenstoffverbindungen ernähren und daraus Essigsäure produzieren.

Formiatverwertung durch A. woodii

Um Acetogene für die Produktion von Rohstoffen zu nutzen, muss man deren Stoffwechsel und Physiologie verstehen. Zwar handelt es sich bei A. woodii um einen Modellorganismus, das heißt, das Bakterium wurde bereits umfangreich untersucht, doch wollte das Forschungsteam eine vergleichende Beobachtung durchführen. So untersuchten Stefan Pflügl und sein Team, wie sich Substrate wie Formiat, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Fruktose auf den Stoffwechsel von A. woodii auswirken.

„Der größte Unterschied, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Substrate, besteht in der Energiemenge, die A. woodii gewinnt“, beobachtet Stefan Pflügl. Dies erklärt er wie folgt: „Acetogene sind wahre Überlebenskünstler, die auch Substrate wie CO, CO2 oder Formiat verstoffwechseln können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Acetogene den wahrscheinlich ältesten Stoffwechselweg für die CO2-Fixierung verwenden. So gelingt es ihnen auch, unter extremen Bedingungen und aus alternativen Nahrungsquellen genug Energie zum Überleben zu erzeugen.“

Damit sind Acetogene nicht nur dazu fähig, CO2 zu verwerten, auch gehen sie dabei sehr effizient vor. Folglich muss nur wenig Energie aufgewendet werden, um CO2 in Formiat umzuwandeln, das dann in die Basischemikalie Essigsäure umgewandelt wird.

Austausch Öl-basierter Produkte

Um das volle Potenzial von A. woodii auszuschöpfen, untersuchten die Forschenden außerdem, wie sich das Bakterium gentechnisch verändern lässt, um statt Essigsäure Ethanol oder Milchsäure zu produzieren. Während Ethanol die Basis für Kraftstoff bildet, lässt sich aus Milchsäure biologisch abbaubarer Kunststoff herstellen. Öl-basierte Stoffe könnten folglich durch nachhaltigere Alternativen ausgetauscht werden. „Dies wäre nicht nur im Sinne der Bioökonomie, auch könnten CO2 und Kohlenmonoxid, die bei der Verbrennung von Kraft- oder Kunststoff entsteht, wieder zum Ursprungsprodukt werden,“ stellt Stefan Pflügl in Aussicht.

Die Studie, die in der Fachzeitschrift „Metabolic Engineering“ erschienen ist, gibt somit Aufschlüsse über das, was Acetogene wie A. woodii unter bestimmten Bedingungen leisten können. Auf Basis der experimentellen Daten und unter Verwendung eines Modells entwickelten die Forschenden außerdem Strategien, wie sich A. woodii gentechnisch manipulieren und für die Produktion weiterer Stoffe nutzen lässt. (Sarah Link)

Originalpublikation:
Neuendorf, C. S., Vignolle, G. A., Derntl, C., Tomin, T., Novak, K., Mach, R. L., … & Pflügl, S. (2021). A quantitative metabolic analysis reveals Acetobacterium woodii as a flexible and robust host for formate-based bioproduction. Metabolic Engineering, 68, 68-85.

Externer Link: www.tuwien.at