Pressemitteilung der TH Ingolstadt vom 16.06.2020

Studie der Technischen Hochschule Ingolstadt untersucht Beitrag von Elektroautos zur Energiewende und potenzielle Verdienstmöglichkeiten für Fahrzeugbesitzer

Mit der vermehrten Nutzung von Sonnenenergie und Windkraft steigt auch der Bedarf an flexiblen Energiespeichern. Sind Elektroautos mit ihren Batterien hierfür eine sinnvolle und wirtschaftliche Lösung? Und unter welchen Voraussetzungen ist eine Umsetzung möglich? Diesen Fragestellungen ist Dominik Storch, Absolvent des Masterstudiengangs Automotive & Mobility Management an der Technischen Hochschule Ingolstadt (THI), im Rahmen seiner Abschlussarbeit nachgegangen. Betreut wurde er dabei von Prof. Dr. Thomas Becker, Professor für Digital Automotive Management an der THI Business School.

In seiner Masterarbeit untersuchte Storch das Potenzial des sogenannten bidirektionalen Ladens, das es Elektrofahrzeugen ermöglicht, elektrische Energie nicht nur aus dem öffentlichen Stromnetz zu entnehmen, sondern auch wieder zurück ins öffentliche Stromnetz zu speisen (Vehicle to Grid: vom Fahrzeug zum Netz).

Die Ausgangslage für die Analyse: Bis 2030 werden bis zu zehn Millionen Elektroautos auf Deutschlands Straßen prognostiziert. Durchschnittlich wird ein Fahrzeug nur eine Stunde am Tag genutzt. Unter der Annahme, dass über die restlichen 23 Stunden zehn Prozent der verfügbaren Batteriekapazität für Netzspeicherdienste verwendet werden, wäre die zusätzlich resultierende Speicherkapazität gemäß den Berechnungen von Storch in der Lage, theoretisch rund 135.000 Vier-Personen-Haushalte für einen Monat mit Strom zu versorgen.

Derzeit, so Storchs Analyse, sei eine großflächige Umsetzung aufgrund technischer und regulatorischer Barrieren noch nicht möglich: Sowohl Elektrofahrzeuge als auch Ladestationen müssten zunächst bidirektionales Laden beherrschen, um Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln (und umgekehrt). Ebenso berücksichtige das Erneuerbare-Energien-Gesetz Elektroautos noch nicht als mobile Stromspeicher. Die aktuelle Konsequenz für den Fahrzeugbesitzer, so Storch, wäre unter Umständen eine mögliche Doppelbesteuerung der bezogenen und abgeführten Energie.

Verdienstmöglichkeiten für Besitzer von E-Fahrzeugen

Um bidirektional laden zu können, kommen auf Besitzer von E-Autos derzeit noch Investitionen für eine entsprechende Ladestation und ein Energiemanagementsystem zu. Noch rechnen sich laut Storch die Ausgaben für den Nutzer nicht. Mit zunehmender Marktdurchdringung der E-Fahrzeuge, so die Analyse, werden sich auch die Investitionen in die Infrastruktur reduzieren. So sei es perspektivisch durchaus realistisch, dass Besitzer mit ihrem eigenen Auto Geld verdienen. Die Einnahmen seien je nach Vertragsform unterschiedlich, ein jährlicher Gewinn im unteren bis mittleren dreistelligen Bereich ist gemäß Storchs Berechnungen machbar.

Lernfähige Batteriesysteme der THI als technologische Lösung

Forscher an der THI rund um Prof. Dr. Christian Endisch arbeiten bereits an einer technologischen Realisierung des bidirektionalen Ladens. Die am Institut für Innovative Mobilität (IIMo) in Zusammenarbeit mit der Audi AG erforschten Lernfähigen Batteriesysteme können nicht nur Energie aus dem Netz aufnehmen, sie können auch Energie in das Netz speisen und das, so die Forscher, ohne die derzeit notwendige teure Lade-Infrastruktur. Lernfähige Batteriesysteme verbinden Datenauswertung durch Algorithmen der Künstlichen Intelligenz mit einer hochflexiblen Topologie in der Hardware. Durch diese Flexibilität sind sie in der Lage, sich den äußeren Rahmenbedingungen anzupassen, sie akzeptieren fast alle Spannungsniveaus und können sowohl an Gleich- wie auch an Wechsel- oder Drehstrom betrieben werden.

Externer Link: www.thi.de

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 09.06.2020

Der neue ist leichter, natürlicher und schlagfester: Die Universität Kassel und das Fraunhofer Institut für angewandte Polymerforschung haben einen Bio-Verbundwerkstoff entwickelt, der Glasfaser-Verstärkungen ersetzen könnte. Er erfüllt auch die hohen Ansprüche der Auto- oder Elektroindustrie.

Um die Steifigkeit von Bauteilen zu erhöhen, nutzt die Auto- und Elektroindustrie bislang meist Glasfasern. Doch das Interesse an Bio-Verbundwerkstoffen, die sich auch für stark beanspruchte Bauteile eignen und diese Glasfasern ersetzen können, ist groß. Im Verbundprojekt „Bio-PPT und Bio-PBT mit Cellulosefaserverstärkung zur leichtbauorientierten Verwendung“ haben die Universität Kassel und das Fraunhofer Institut für angewandte Polymerforschung einen geeigneten Bio-Verbundwerkstoff entwickelt, der auf Zellstoff aus schnellwachsenden Bäumen basiert.

Polytrimethylenterephthalat (PPT) und Polybutylenterephthalat (PBT) zählen zu den technischen Thermoplasten. Statt fossiler Rohstoffe nahmen die Forscher für ihren neuen Verbundwerkstoff nachwachsende Rohstoffe in den Fokus. „Der Grundgedanke war: Wir ersetzen die Glasfaser durch Celluloseregenerat-Fasern, mit dem Effekt, dass das Bauteil leichter wird. Je nachdem wie viele Fasern wir einarbeiten, wiegt das Bauteil bis zu 25 Prozent weniger“, sagt Nicole Gemmeke, Wissenschaftliche Mitarbeiterin der Universität Kassel am Fachgebiet Kunststofftechnik von Prof. Hans-Peter Heim. Sie hat das Projekt betreut.

Bei der Celluloseregenerat-Faser handelt es sich zu 99 Prozent um Zellstoff, der aus schnellwachsenden Bäumen gewonnen wird. Dieser Stoff wird gelöst und chemisch aufbereitet, sodass ein homogenes Material entsteht, das weiterverarbeitet werden kann. Schließlich ist eine gleichbleibende Produktqualität in der Industrie sehr wichtig. Positiver Nebeneffekt: Cellulosefasern haben eine deutlich geringere Dichte als Glasfasern, weshalb sie sich auch für den Leichtbau eignen.

Die Wissenschaftler der Uni Kassel stellten bei ihren Versuchen die Besonderheiten des Bio-Verbundwerkstoffes fest. „Ein klarer Vorteil ist seine Kerbschlagfähigkeit“, sagt Gemmeke. Die celluloseregeneratfaserverstärkten Bio-PPT und Bio-PBT Verbundwerkstoffe sind bis zu dreimal schlagfester als die glasfaserverstärkten Kunststoffe. Das Bauteil würde also bei schlagartiger Belastung beschädigt, aber noch nicht zerstört. „Glasfaserverstärktes Material bricht bei einem spontanen Schlag dagegen mit klarer Kante“, erklärt Gemmeke.

Additive, wie Polyethylenwachs oder Aluminiumphosphat, nehmen auch Einfluss auf die Fließ- oder Flammeigenschaften des Bio-Verbundwerkstoffes. Dadurch kann der Bio-Verbundwerkstoff in allen Bereichen verwendet werden, die eine höhere Anforderung an das Material haben, als der Standardkunststoff bietet.

Das Verbundprojekt hat die Universität Kassel zusammen mit dem Fraunhofer Institut für angewandte Polymerforschung und sechs Unternehmen bearbeitet. Es wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) sowie der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 20.05.2020

Forscherinnen und Forscher des KIT haben mit einer Testanlage untersucht, wie sich textile Speicher für Biogas verbessern lassen

Biogasanlagen produzieren aus Reststoffen der Landwirtschaft Methan, das als Energieträger meist in Membranspeichern aufbewahrt wird. In Deutschland sind die Speichersysteme allerdings häufig veraltet und stoßen das Methan über Lecks in die Atmosphäre aus, wo es seine klimaschädliche Wirkung entfaltet. Mit einem verbesserten Design, wirksamen Standards und optimierten Betriebskonzepten könnten sie aber bei der Energiewende nützlich sein, so die Einschätzung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Sie haben die textilen Speichersysteme in einem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderten Forschungsprojekt experimentell untersucht.

Vor allem in den ländlichen Regionen Deutschlands sind sie präsent – kuppelförmige oder flache Membranspeicher, die manchmal gleich zu Dutzenden neben landwirtschaftlichen Betrieben stehen. Unter einer luftgefüllten Textilhülle lagern dort gasförmige Produkte aus Biogasanlagen, hauptsächlich das Energiegas Methan. „Da Biogas bei der Vergärung organischer Stoffe entsteht, ist es CO2-neutral und kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten“, sagt Professorin Rosemarie Wagner vom Institut Entwerfen und Bautechnik (IEB) des KIT. „Es lässt sich speichern und bei Bedarf verstromen, etwa um Schwankungen bei der Produktion von Wind- oder Sonnenstrom auszugleichen. In aufgearbeiteter Form kann es auch direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden.“ Dass die Membranspeicher bei vielen Klimaschützern trotzdem einen schlechten Ruf haben, sei allerdings durchaus begründet: „Aktuell sind die Speicher in Deutschland in einem schlechten Zustand. Wegen akuter technischer Mängel müssen in den nächsten Jahren bis zu 80 Prozent aller textilen Hüllen ausgetauscht werden. Etwa fünf Prozent des produzierten Methans entweicht unkontrolliert in die Atmosphäre.“

Um Handlungsoptionen für eine Modernisierung des Bestandes zu prüfen, hat das Forscherteam von Wagner in einem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderten Forschungsprojekt die textilen Speichersysteme für Biogas über zwei Jahre lang experimentell untersucht. Zusammengearbeitet haben sie dabei mit Partnern aus der Industrie, mit den Unternehmen technet, Seybold sowie Wacker Bauwerksaerodynamik.

Membranspeicher reagieren sensibel auf Umweltfaktoren

Bislang fehlten Daten und Methoden zur Berechnung einer dauerhaft, gasdichten Auslegung, Steuerung und Konstruktionsweise der Membranspeicher. „Wissenschaftliche Arbeiten, die sich mit der Interaktion zwischen Umgebungsbedingungen, Luft- und Gasmasse sowie zwischen Massen- und Volumenströmen von Membranspeichern befassen – die gab es schlichtweg nicht“, sagt Kai Heinlein (IEB), der an der Forschung maßgeblich beteiligt war. Für das Projekt wurde deshalb eine begehbare, ohne Biogas betriebene Versuchsanlage zur Datenerhebung errichtet. Sie war mit einer zweilagigen, textilen und mit Innendruck stabilisierten Abdeckung ausgestattet, unter der mit Luftgebläsen unterschiedliche Füllstände simuliert werden konnten. Mit Drucksensoren und Kameras im Speicher ließ sich sein Verhalten dann während unterschiedlicher Jahreszeiten und Wetterverhältnisse beobachten.

Es zeigte sich, dass ein textiler Biogasspeicher äußert sensibel – und je nach Füllstand unterschiedlich – auf Umweltfaktoren wie Wind, Wärme oder Kälte reagiert. Bei ungünstigen Betriebszuständen kann das zu Problemen führen: „In einem prall gefüllten Speicher genügt vielleicht ein heißer Sommertag, um Versagen an den Nähten zu verursachen, weil sich die Gase schnell ausdehnen“, sagt Heinlein. „Trifft dagegen starker Wind auf einen niedrigen Füllstand, kann die Membran durch Flattern und Schlagen beschädigt werden.“ Signifikant werden diese Effekte vor allem durch die großen Gasmengen, die in den Membranspeichern gelagert werden. In Deutschland sind bis zu 10000 Kubikmeter möglich.

Halbkugeldesign für dreifaches Speichervolumen

Den Abschlussbericht mit den Ergebnissen der Experimente hat das Forscherteam aus dem IEB inzwischen dem Landwirtschaftsministerium übergeben. Mit den Messergebnissen sollen nun in Folgeprojekten datenbasierte Modelle zur Interaktion der verschiedenen Einflussparameter und Zustände entwickelt werden. „Solche Modelle werden dringend benötigt, um den nachhaltigen Betrieb der Speichersysteme dauerhaft zu sichern“, sagt Wagner. Neben den Daten bietet der Bericht auch Hinweise auf Defizite marktüblicher Speichersysteme. So führt die typische Messtechnik zur Ermittlung des Füllstands als zentraler Parameter zu ungenauen Ergebnissen. Bei der Steuerung des Luftdrucks in der Außenhülle wiederum gibt es zu wenig Flexibilität, um auf Außenbedingungen zu reagieren. Meist wird das Tragluftdach nämlich einfach nach festen Rhythmen nachgepumpt. Als Lösung könnte eine Druckluftsteuerung sinnvoll sein.

Eine zentrale Erkenntnis der Forscherinnen und Forscher bei ihrer Pionierarbeit betrifft das Design zukünftiger Speichersysteme: Untersuchungen mit der Halbkugelform haben ergeben, dass sich auch diese geometrisch günstige Bauweise für Biogasspeichersysteme eignet. Gegenüber der gängigen Kugelabschnittsform ließe sich das Speichervolumen so verdreifachen. (mhe)

Externer Link: www.kit.edu

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 15.04.2020

Neuer Ansatz für nachhaltige Unkrautbekämpfung untersucht biologische Kommunikation zwischen Pflanzen – Menthon hat Potenzial als Bioherbizid

Im Wettbewerb um Bodenfläche, Nährstoffe und Wasser sind manche Pflanzen sehr erfolgreich: Sie behindern das Wachstum ihrer Konkurrenten durch chemische Signale, die bei der Nachbarpflanze den Zelltod auslösen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Botanischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen, wie dieser Effekt zustande kommt, um ihn für die Entwicklung umweltfreundlicher Bioherbizide zu nutzen.

Hobbygärtner und Waldspaziergänger kennen das Phänomen, dass im Umkreis eines Walnussbaums andere Pflanzen nicht gedeihen, und dass Bärlauch und Minze ihre Nachbarn verdrängen. Allelopathie nennen Fachleute diese chemische Kriegsführung. „Dabei handelt es sich zumeist nicht um Gifte, sondern um chemische Signale, die bei der Zielpflanze die Wirkung hervorrufen“, erläutert Peter Nick, Professor für Molekulare Zellbiologie am Botanischen Institut des KIT. Während Bärlauch und Minze selbst gegen die Wirkung ihrer chemischen Signale immun sind, löst die biologische Kommunikation in der Nachbarpflanze den selbstgesteuerten Zelltod aus. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erkennen in diesem Mechanismus der Pflanzenkommunikation einen Weg zur Entwicklung neuartiger und umweltfreundlicher Bioherbizide, deren Wirkung spezifisch für eine jeweilige Unkrautart ist, ohne die Nutzpflanzen zu beeinträchtigen.

„Wir sind mit offenem Blick durch die Natur gegangen und haben uns gefragt, ob es sein könnte, dass es einen Zusammenhang zwischen dem starken Wuchern von Minzen und ihrem ausgeprägten Duft gibt, der bei jeder Minzsorte unterschiedlich ist“, sagt Nick. Anhand der umfangreichen Minzsammlung am Botanischen Institut des KIT wurden ätherische Öle verschiedener Minzen extrahiert, einzelne bioaktive Komponenten mit molekularen Markern versehen und ihre Signalwirkung auf andere Pflanzen untersucht. In den Zellkulturen ließ sich erkennen, dass die im ätherischen Öl der Minze vorhandene Verbindung Menthon bei konkurrierenden Pflanzen einen Prozess aktiviert, durch den sich Mikrotubili – feinverzweigte, röhrenförmige Eiweißstrukturen – selbst zerstören. „Es zeigte sich, dass Menthon besonders gegen das auf Bergweiden vorkommende Unkraut Ampfer wirksam ist“, so Dr. Mohammed Sarheed. Der Biologe hat die Ergebnisse seiner Forschung am Botanischen Institut des KIT als Doktorarbeit mit dem Thema „Allelopathic compounds from Mint target the cytoskeleton from cell biology towards application as bioherbicides“ veröffentlicht. Darin beschreibt er auch, dass das Duftöl der Pferdeminze auf das Protein Actin zielt, dort zur zellulären Selbsttötung führt und auf diese Weise hochwirksam gegen die Ackerwinde ist. Hier verstehen die Forscherinnen und Forscher den Mechanismus, obwohl sie den dafür ursächlichen Stoff noch nicht identifiziert haben. Sarheeds Untersuchungen am KIT ergaben zudem, dass Menthon das Wachstum von HeLa-Zellen – menschlichen Krebszellen – hemmt. „Das macht seine Nutzung als Krebstherapeutikum denkbar“, so der Wissenschaftler, dessen Forschung durch Stipendien des irakischen Ministeriums für Bildung und Wissenschaft, aber auch des Karlsruhe House of Young Scientists am KIT gefördert wurde.

Unkräuter sind einer der Hauptgründe für Ernteverluste, sie konkurrieren mit den Kulturpflanzen um dieselbe ökologische Nische. „Würde man sie nicht bekämpfen, gingen 30 bis 50 Prozent des landwirtschaftlichen Ertrags verloren“, sagt Nick. „Konventionelle Herbizide stellen eine ökologische Belastung dar und Unkräuter werden bald resistent. Sie wirken immer nur eine begrenzte Zeit“, so der Biologe. Die Entwicklung umweltfreundlicher Mittel gegen Unkräuter sei deshalb eine globale Herausforderung für die Ernährungssicherheit. Es gehe darum, Strategien zu finden, mit denen sich landwirtschaftliche Ökosysteme in Harmonie mit der Evolution steuern lassen. An der Forschung des Botanischen Instituts des KIT zur Allelopathie der Minze sind unter anderem das Schweizer Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FiBL) und das Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena beteiligt. (afr)

Originalpublikation:
Mohammed Mahmood Sarheed: Allelopathic compounds from Mint target the cytoskeleton from cell biology towards application as bioherbicides, KITopen, 2019. DOI: 10.5445/IR/1000099195

Externer Link: www.kit.edu

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 22.04.2020

Dank einer neuen Methode kann das Erbgut von SARS-CoV-2 erstmals im Zulauf österreichischer Kläranlagen nachgewiesen werden. So lässt sich ein regionales Auftreten der Viren frühzeitig erkennen.

Die große Frage nach der Dunkelziffer der mit SARS-CoV-2 infizierten Personen beschäftigt derzeit verschiedene wissenschaftliche Disziplinen. Eine erfolgversprechende Möglichkeit, um einen umfassenden Überblick über die Ausbreitung der Krankheit und den Verlauf der Pandemie zu erhalten, bietet die Untersuchung von Abwasserproben, in denen das Virus noch bruchstückhaft vorhanden, aber nicht mehr infektiös ist.

Zwei österreichischen Forschungsgruppen – einer Gruppe um Heribert Insam von der Universität Innsbruck und dem Team von Norbert Kreuzinger an der TU Wien  – gelang es nun gleichzeitig, das Erbmaterial von SARS-CoV-2 im Zulauf von zwei österreichischen Kläranlagen nachzuweisen. Solche Tests könnten einen besseren und rascheren Einblick in die Ausbreitung von COVID-19 erlauben. Dadurch soll ein Frühwarn- bzw. Monitoringsystem aufgebaut werden, mit dessen Hilfe die Gesundheitsbehörden rasch Informationen über Auftreten und Verbreitung des Virus erhalten.

Schneller Erfolg des neugegründeten Konsortiums

Forschungsteams der Medizinischen Universität Innsbruck, der Technischen Universität Wien und der Universität Innsbruck haben sich Anfang April zum „Coron-A“ Konsortium zusammengeschlossen, um gemeinsam herauszufinden, wie das Auftreten von SARS-CoV-2 in häuslichem Abwasser mit der Anzahl der Infektionen im Einzugsgebiet von Kläranlagen im Zusammenhang steht.

Das soll auch neue Information über die Dunkelziffer liefern. Ein relevanter Teil an Infizierten, auch solche mit keinen oder nur milden Symptomen, scheidet nämlich das Virus über den Stuhl aus. Da die Fäkalien am Knotenpunkt Kläranlage zusammenlaufen, können aus der Analyse von dort entnommenen Proben Rückschlüsse auf die Verbreitung der Infektionen in der Bevölkerung gezogen werden. Dadurch soll ein zusätzliches Instrument für ein aussagekräftiges Breiten-Screening bereitgestellt werden.

Ganz ähnliche Methoden wurden zum Nachweis von SARS-CoV-2 im Abwasser auch bereits in den Niederlanden und den USA eingesetzt. Mit diesen Forschungsgruppen stehen die „Coron-A“-Partner in engem Kontakt und arbeiten gemeinsam an der Umsetzung des Verfahrens in Österreich. Die ersten Schritte in Innsbruck wurden vom Förderkreis 1669 unterstützt.

Selbst winzige Spuren werden entdeckt

Nun konnten erste reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden, anhand von Abwasserproben von Kläranlagen aus Tirol und dem Großraum Wien. Mittels PCR-Methode wird dabei nicht das aktive, infektiöse Virus nachgewiesen, sondern dessen virale RNA. Der Test reagiert somit auch auf Virenbruchstücke, die nicht infektiös sind. Selbst geringste Spuren des Virenerbguts können detektiert werden.

Das ist von zentraler Bedeutung, weil die Menge viraler RNA im Abwasser weit unter jener von infektiösen Tröpfchen liegt, und Abwasser daher nicht als Infektionsquelle gilt. Auch wenn Viren-RNA im Wasser nachgewiesen werden kann, bedeutet das also nicht, dass vom Wasser eine Infektionsgefahr ausgeht.

Österreichisches Monitoring-System

Das Coron-A-Konsortium möchte nun einerseits weitere Untersuchungen über die Stabilität der viralen RNA in Abwasserproben durchführen, andererseits sollen in weiterer Folge österreichweit Abwasserproben in unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Auflösung gesammelt und analysiert werden, um die Grundlagen für ein abwasserepidemiologisches Monitoring zu schaffen. Ein regionales Wiederaufflammen der Epidemie soll sich dadurch frühzeitig erkennen lassen.

Dieses Monitoring könnte Gesundheitsbehörden unterstützen, die über Zeitpunkt und Schwere von Interventionen wie Kontaktvermeidung oder Quarantänemaßnahmen entscheiden müssen. Den Behörden wird damit ein Instrument in die Hand gegeben, mit dem die Wirksamkeit der gesetzten Interventionen zeitnah abgeschätzt werden kann.

Externer Link: www.uibk.ac.at