Grünen Strom rentabel zwischenspeichern

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.06.2019

Regenerative Energiequellen liefern nicht immer gleich viel Strom – dieser muss daher in Batterien zwischengespeichert werden. Lithium-Ionen-Akkus haben eine kurze Lebensdauer, Redox-Flow-Batterien waren bislang zu teuer. Neuartige Redox-Flow-Systeme liegen nun im selben Preisbereich wie Lithium-Ionen-Batterien, halten jedoch mehr als doppelt so lange. Volterion, einem Spin-Off des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, ist es gelungen, die Herstellungskosten deutlich zu reduzieren.

Erneuerbare Energien nehmen einen immer größeren Stellenwert in unserer Stromerzeugung ein. Allerdings schwankt die erzeugte Strommenge stark – die elektrische Energie muss daher zwischengespeichert werden, bis sie benötigt wird. Auch für moderne Technologien wie die Elektromobilität sind leistungsfähige Batteriesysteme nötig: So ist das Stromnetz beispielsweise nicht für Schnellladestationen mit 350 Kilowatt ausgelegt. Zudem ist nicht überall dort, wo Schnellladestationen sinnvoll wären, ein Stromnetz vorhanden. Lithium-Ionen-Akkus eignen sich für solcherlei Anwendungen nur bedingt: Ihre Zyklenfestigkeit reicht nicht aus – würde man sie zwei- bis dreimal täglich be- und entladen, wären sie nach zwei bis drei Jahren kaputt. Anders dagegen Redox-Flow-Batterien: Sie bieten eine große Zyklenfestigkeit und sind zudem nicht brennbar, recycelfähig und ihre Kapazität und Leistung lässt sich gut anpassen. Sie eignen sich daher insbesondere für Anwendungen, bei denen die Batterie stark gefordert wird. Bisher waren sie jedoch schlichtweg zu teuer.

Neuartige Redox-Flow-Batterien werden erstmalig rentabel

Forscher des Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen konnten die Kosten der Batterien nun deutlich senken. Hergestellt und vermarktet werden die neuartigen Redox-Flow-Batterien vom Fraunhofer-Spin-Off Volterion. Um zu verstehen, wie die Forscherinnen und Forscher Redox-Flow-Batterien optimiert haben, gilt es zunächst einmal einen Blick auf den Aufbau dieser Batterien zu werfen. Sie bestehen aus Stacks – Zellstapel, die den zu speichernden Strom in chemische Energie umwandeln, und Elektrolytflüssigkeit, die diese chemische Energie speichert. Für die hohen Kosten der Batterien sind vor allem die Stacks verantwortlich. »Wir konnten das Gewicht der Stacks auf zehn Prozent reduzieren und somit auch deren Kosten erheblich senken«, erläutert Dr. Thorsten Seipp, ehemals Wissenschaftler am Fraunhofer UMSICHT und nun Geschäftsführer bei Volterion. »Während herkömmliche Stacks oftmals pro einzelne Zelle acht bis zehn Millimeter dick sein müssen, kommen wir mit einer Stackdicke von zwei bis drei Millimetern aus.« Die neuartigen Redox-Flow-Batterien liegen durch diese Materialersparnis in der gleichen Preisklasse wie Lithium-Ionen-Akkus, halten aber mehr als doppelt so lange. Das heißt: Sie werden erstmalig für zahlreiche Anwendungen rentabel.

Der Clou liegt in der Materialentwicklung

Der Clou lag vor allem in der Materialentwicklung. Üblicherweise bestehen die Stacks aus einer Graphit-Kunststoff-Mischung. Durch die Verarbeitung büßen die Materialien ihre polymeren Eigenschaften allerdings ein. Sprich: Die langen Polymerketten werden zerstört, das Material verliert seine Flexibilität und auch einen Teil seiner Stabilität. Zudem lässt es sich nicht verschweißen, sondern muss mit Dichtringen versehen und verschraubt werden. »Wir haben das Material und den Herstellungsprozess am Fraunhofer UMSICHT so angepasst, dass die polymeren Eigenschaften erhalten bleiben. Das heißt: Das Material bleibt stabil und flexibel, kann somit erheblich dünner ausgelegt werden und die Stacks lassen sich miteinander verschweißen. Schnell verschleißende Dichtungsringe sind unnötig«, so Seipp. Das lässt die Stacks nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich robuster werden.

Vom Klärwerk bis zu MRT-Untersuchungen

Eingesetzt werden die neuartigen Redox-Flow-Batterien unter anderem in einer Kläranlage. Dort wird Strom aus Methan produziert, künftig sollen auch Photovoltaikanlagen zur Energieerzeugung beitragen. Hier soll eine 100-Kilowatt-Batterie gleich zweierlei Schwankungen ausgleichen: Die der Stromerzeugung und die des Stromverbrauchs. Somit kann die Kläranlage künftig ihren gesamten Energiebedarf selbst decken.

Auch bei MRT-Scannern in Kliniken ist eine Redox-Flow-Batterie vielfach lohnenswert. »Jedes MRT-Gerät hat eine Leistung von 200 Kilowatt – sollen drei oder vier Geräte gleichzeitig laufen, ist die Leitung schnell überlastet. Eine neue Stromleitung zu legen ist jedoch mit 80.000 Euro pro Kilometer extrem teuer. Hier ist eine Redox-Flow-Batterie eine gute Alternative«, sagt Seipp. Denn die MRT-Geräte laufen jeweils einige Minuten, verbrauchen in dieser Zeit sehr viel Strom und werden dann bis zur nächsten Untersuchung wieder ausgeschaltet. Die Batterie durchläuft also zahlreiche Be- und Entladezyklen täglich. »Unsere optimierten Batterien sind wie geschaffen dafür – ebenso wie für andere Anwendungen, in denen kurzfristig viel Energie nötig ist, die das Netz nicht zuverlässig liefern kann«, fasst Seipp zusammen.

Momentan arbeiten die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit den Kollegen von Volterion daran, die Kosten für die Batterien noch weiter zu senken. Auch wollen sie die Größen der Anwendungen skalieren: Momentan sind die Batterien auf 100 bis 300 Kilowatt ausgelegt, künftig sollen sie auch im Megawattbereich nutzbar sein.

Externer Link: www.fraunhofer.de

TU Wien entwickelt verbesserte Tunnelröhren

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Presseaussendung der TU Wien vom 28.05.2019

Ressourcenschonenderen Tunnelbau ermöglicht nun eine Erfindung der TU Wien: Durch spezielle Bewehrungen aus Metall wird die Stabilität der Röhrenelemente erhöht.

Eine Tunnelröhre muss stabil und belastbar sein, gleichzeitig möchte man mit möglichst wenig Material auskommen. Entscheidend ist, wie die Kraft von einem Betonelement auf das andere weitergegeben wird. An der TU Wien wurde nun eine neue Tunnelbau-Technik patentiert, die mehrere Probleme gleichzeitig lösen kann: Sie ermöglicht ressourcenschonenden Tunnelbau, sorgt für langfristig haltbare Strukturen, vermindert Schwierigkeiten mit Korrosion und möglichen Brandschäden.

Betonringe aus mehreren Einzelteilen

Eine Tunnelröhre besteht aus großen Betonringen, die ihrerseits wieder aus einzelnen gekrümmten Elementen aufgebaut ist. „Diese Elemente nennt man Tübbinge – jeweils sechs bis zehn Tübbinge bilden normalerweise einen Tübbingring“, erklärt Prof. Johann Kollegger vom Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien.

Die Tübbinge sind an den Rändern abgeschrägt, um Abplatzungen an den Kanten zu vermeiden. Das verkleinert allerdings die Fläche, auf der die Tübbinge einander berühren. Wenn die Kräfte über eine kleinere Fläche abgeleitet werden, steigt die mechanische Spannung, die Bauelemente werden stärker belastet.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen: Man kann einfach den gesamten Tübbingring dicker und massiver gestalten, damit auch die verkleinerte Querschnittsfläche immer noch groß genug ist, doch dann wird die Gesamtkonstruktion schwerer und teurer. Oder man verstärkt die Fugen mit Metall. Das kostet allerdings viel Geld, das Metall befindet sich direkt an der Oberfläche der Konstruktion, wodurch es zu Korrosion kommen kann, und noch dazu ist eine solche Lösung nicht feuerbeständig: Im Brandfall verlieren solche Verstärkungskörper aus Metall rasch ihre Tragkraft.

Der Bewehrungsstab nimmt Kräfte auf

An der TU Wien entwickelte man nun eine ganz andere Methode: In den Beton der Tübbinge wird ein Bewehrungsstab aus Metall eingebaut. Er reicht bis zur Querschnittsfläche, wo der Tübbing auf dem Nachbartübbing aufliegt. So kommt jeder Bewehrungsstab in direkten Kontakt mit dem nächsten, ein Teil der Kräfte werden von den Metallstäben aufgenommen. Die Bewehrungsstäbe liegen vollständig innerhalb des Tübbingrings, daher besteht keine Korrosionsgefahr.

„Diese Entwicklung wird die Herstellung von Tunnelröhren mit schlankeren Tübbingen ermöglichen und damit einen wichtigen Beitrag zum nachhaltigen Bauen leisten“, sagt Johann Kollegger. „Schlanke Tübbinge bedeuten einen geringeren Betonverbrauch und damit eine Schonung der natürlichen Ressourcen.“

Die neue Technik wurde mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien bereits patentiert. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Exzellente Navigation mit wenig Information

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Presseinformation der LMU München vom 17.05.2019

LMU-Forscher widerlegen bisherige Annahmen über die Echoortung: Fledermäuse haben deutlich weniger räumliche Daten zur Verfügung als bislang gedacht. Dennoch ist ihre Navigation exzellent.

Fledermäuse orientieren sich in der Dunkelheit mithilfe von Echos, wofür sie Ultraschall-Signale ausstoßen. LMU-Forscher widerlegen nun bisherige Annahmen über ihre Echoortung. „Bislang ging man davon aus, dass eine Art Hörbild mit räumlichen Informationen entsteht, wenn Fledermäuse Laute aussenden und sie auch die Lücken zwischen Objekten wahrnehmen können. Diese Vorstellung ist falsch. Unsere Experimente zeigen, dass Fledermäuse kein räumliches Auflösungsvermögen haben. Sie navigieren auf der Basis von extrem wenig räumlichen Informationen. Ihr Navigationssystem funktioniert völlig anders, als wir es kennen“, sagt Lutz Wiegrebe, Professor am Department Neurobiologie der LMU. Die Ergebnisse sind aktuell im Fachmagazin Current Biology veröffentlicht.

Für die Studie haben die Forscher mit Fledermäusen gearbeitet, die darauf dressiert waren, zu signalisieren, wenn sie Reflexionen von Objekten erkennen. Im Versuchsaufbau kamen von rechts und links Störreflexe, während die Tiere zugleich ein Objekt direkt vor ihnen erkennen sollten. „Die Fledermäuse waren von den Störreflexen extrem irritiert. Erst wenn die seitlichen Objekte relativ weit weg waren, haben sie das Objekt vor sich erkannt.“

Als visuelles Experiment wäre die Aufgabe sehr einfach. Das visuelle System liefert über die Sehzellen in der Retina sofort eine sehr gute räumliche Auflösung. „Echoortung funktioniert völlig anders als die visuelle Abbildung“, erklärt Lutz Wiegrebe. „Die Sinneszellen in den Ohren kodieren nicht Raumachsen, sondern Frequenz und Zeit. Rauminformation muss daraus erst neuronal berechnet werden. Unsere Experimente zeigen, dass das räumliche Auflösungsvermögen von Fledermäusen um ein Vielfaches (um drei Größenordnungen) schlechter ist als die Auflösung des visuellen Systems des Menschen. Fledermäuse „sehen“ per Echoortung sozusagen ein extrem verschwommenes Bild. Eine visuell einfache Aufgabe wie: „Sage mir, wie viele Finger einer Hand ich hochhalte“, ist biosonar sehr schwer zu lösen. Trotzdem navigieren Fledermäuse sehr erfolgreich“, sagt Wiegrebe. Die Forscher nehmen an, dass die Fledermäuse diese schlechte Wahrnehmung ausgleichen, indem sie während des Fluges fortlaufend die räumlichen Informationen über Entfernung und Richtung auswerten und sich dabei auf die Position nächstliegender Objekte konzentrieren.

Ihre Ergebnisse könnten Implikationen für technische Anwendungen haben. „Beim autonomen Fahren werden laufend Informationen mit der Kamera erfasst, um das Auto zu steuern. Womöglich werden dabei viel mehr Information erfasst als nötig. Fledermäuse verfügen über ein viel einfacheres Navigationsschema und navigieren dennoch exzellent. Sie verfügen nicht über ein 3-D-Bild wie es bei der visuellen Wahrnehmung entsteht“, sagt Lutz Wiegrebe.

In einer ebenfalls kürzlich veröffentlichten Arbeit im Fachmagazin iScience hatten Leonie Baier aus der Arbeitsgruppe von Lutz Wiegrebe und Dr. Holger Goerlitz vom Max-Planck-Institut für Ornithologie gezeigt, dass Fledermäuse sehr sensitiv für verschiedene Raumfrequenzen sind. Dadurch gelingt es ihnen zum Beispiel ein Insekt über einer Wasseroberfläche zu erkennen. „Aus unserer neuen Arbeit wissen wir nun, dass die Fledermäuse diese Informationen aber nicht räumlich auflösen können“, sagt Wiegrebe. In dem Moment, wo neben dem Insekt etwa auch Pflanzen auf der Wasseroberfläche schwimmen, können die Tiere ihre Beute nicht erkennen.

Publikationen:

Cornelia Geberl, Kathrin Kugler, Lutz Wiegrebe: The spatial resolution of bat biosonar quantified with a visual resolution paradigm. In: Current Biology 2019

A. Leonie Baier, Lutz Wiegrebe, Holger R. Görlitz: Echo-Imaging Exploits an Environmental High-Pass Filter to Access Spatial Information with a Non-Spatial Sensor. In: iScience 2019

Externer Link: www.uni-muenchen.de