Flexible Pumpturbine für kompakte Speicherkraftwerke

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Presseaussendung der TU Wien vom 09.03.2015

Für Speicherkraftwerke braucht man nicht immer gleich einen See: Eine patentierte Pumpturbinenentwicklung der TU Wien ermöglicht effiziente, Kleinkraftwerke.

Sonnenschein und Wind richten sich nicht nach den Bedürfnissen der Elektrizitätswirtschaft. Pumpspeicherkraftwerke eignen sich bestens dafür, die Schwankungen von Angebot und Nachfrage auszugleichen. Allerdings waren sie bisher nur in recht großem Maßstab wirtschaftlich sinnvoll. An der TU Wien wurde eine neue, flexible Pumpturbine entwickelt, die hydraulische Energiespeicher auch bei niedrigerer Leistung rentabel macht. Statt eines Stausees genügt in Zukunft auch ein kleines Wasserreservoir.

Lukrative Energiespeicher – auch im Kleinformat

Pumpspeicherkraftwerke gibt es schon lange: Überschüssiger Strom wird genutzt, um Wasser im Gebirge nach oben zu pumpen und in hochgelegenen Seen zu speichern. Bei Bedarf kann mit dem gespeicherten Wasser eine Turbine angetrieben werden, die wiederum Strom erzeugt.

Nachdem der Strom je nach Angebot zu unterschiedlichen Zeiten ganz unterschiedliche Preise erzielt, kann sich daraus ein durchaus lukratives Geschäft ergeben – vorausgesetzt das Kraftwerk ist groß genug: „Pumpspeicherkraftwerke sind heute Großanlagen, die oft eine Leistung von mehreren hundert Megawatt bringen“, sagt Prof. Christian Bauer vom Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien. „Unser neues System lässt sich allerdings auch im niedrigen Megawatt-Bereich einsetzen.“

Das Herzstück des Systems ist eine Pumpturbine. Ein einziger Maschinenstrang kann – je nach Betriebsrichtung – sowohl Wasser nach oben pumpen als auch die Energie des herabfließenden Wassers in elektrischen Strom umwandeln. Neu an der Pumpturbine der TU Wien ist, dass sie modular aufgebaut ist. Baukastenartig kann man für unterschiedliche Anforderungen die richtige Anlage zusammenstellen. Jeder Maschinensatz besteht aus mehreren  Stufen. Ihre Zahl kann in dem an der TU Wien entwickelten System von eins bis fünf variiert werden – je nach Fallhöhe und benötigtem Durchfluss. Auf der elektrischen Seite gibt es ebenso eine Variationsmöglichkeit.

Mit diesem Konzept lassen sich die Investitionskosten senken und selbst kleinere Wasserreservoirs könnten als Energiespeicher genutzt werden – zum Beispiel Beschneiungsspeicher, in denen Wasser für Schneekanonen gesammelt wird, oder stillgelegte Kohleminen im europäischen Flachland. Viele kleine Anlagen statt wenige große Kraftwerke wären auch für das Stromnetz besser zu verkraften. „Große Pumpspeicherkraftwerke können nur dort errichtet werden, wo auch die entsprechenden Hochspannungsleitungen zur Verfügung stehen“, erklärt Bauer. „Kleinere Anlagen lassen sich problemlos in das bestehende Elektrizitätssystem einfügen.“

Wasser rauf und Wasser runter: Flexiblerer Betrieb

Die Anforderungen an Pumpspeicherkraftwerke haben sich über die Jahrzehnte deutlich verändert. „Ursprünglich waren sie dafür gedacht, tägliche oder jahreszeitliche Schwankungen auszugleichen“, sagt Bauer. Tagsüber wird mehr Energie benötigt als nachts, im Winter braucht man mehr Strom als im Sommer. Diese Schwankungen sind leicht prognostizierbar und das Kraftwerk musste nicht besonders häufig vom Pumpmodus auf Turbinenmodus umgeschaltet werden.

Heute sind die Anforderungen aber viel höher geworden. Durch stark fluktuierende erneuerbare Energieträger kann sich innerhalb kurzer Zeit ein Überschuss oder ein Mangel an elektrischer Energie ergeben. Die Pumpspeicherkraftwerke müssen viel schneller reagieren als früher. „Unsere Pumpturbine kann in weniger als vier Minuten zwischen Pumpbetrieb und Turbinenbetrieb wechseln“, betont  Bauer. „Dadurch wird sie zum idealen Gerät für eine dezentrale, flexible Energiespeicherung.“

Das Pumpturbinenkonzept der TU Wien ist bereits patentiert, und es gibt bereits konkrete Fallstudien über mögliche Anwendungsorte. Gerade im Gebirge gibt es eine Vielzahl kleineren Wasserreservoirs, für die eine Nutzung als Energiespeicher bisher völlig unmöglich schien. Für die neue Technologie wären sie aber genau richtig. „Wir sind zuversichtlich, dass unser Pumpturbinenkonzept in einigen Jahren einen Beitrag leisten wird, die Herausforderungen zu meistern, vor denen unsere Energiewirtschaft heute steht“, zeigt sich Bauer optimistisch. Für ihn ist das Projekt nun reif, von der Industrie aufgegriffen zu werden. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Auf und Ab im Laser-Lift

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Presseinformation der LMU München vom 11.03.2015

Winzige Glaskügelchen mit einer goldenen Hälfte: LMU-Wissenschaftler entwickeln Nanoteilchen, die sich mit einem Laserstrahl äußerst präzise bewegen lassen – fast wie in einem Aufzug.

Der doppelgesichtige römische Gott Janus ist ihr Namensgeber: Sogenannte Janus-Partikel sind winzige Nano-Teilchen mit zwei sehr unterschiedlichen Seiten. Einem Team um Professor Jochen Feldmann und Dr. Alexander Urban, LMU-Physiker und Mitglieder des Exzellenzclusters NIM (Nanosystems Initiative Munich), gelang nun die Herstellung von Janus-Partikeln, die dank ihrer speziellen Eigenschaften mit noch nie erreichter Präzision in einem Laserstrahl bewegt werden können.

Wird ein Laserstrahl durch das Objektiv eines Mikroskops fokussiert, wirkt er wie eine optische Pinzette und hält Nanopartikel an dem Punkt fest, an dem das Licht gebündelt wird. Das funktioniert mithilfe von Kräften, die durch die Streuung des Lichts am Partikel hervorgerufen werden. „Diese Partikel nicht nur festzuhalten, sondern auch gezielt zu bewegen, ist für viele Anwendungen, etwa für die Analyse flüssiger Proben mithilfe sogenannter Mikrofluidik-Chips, sehr wünschenswert“, sagt Urban. „Die Nutzung von optischen Pinzetten für solche Anwendungen war bisher aber nur begrenzt möglich, weil die Position und die Bewegungsrichtung der Teilchen nur unzureichend kontrolliert werden konnten.“

Goldüberzug macht mobil

Diese Begrenzung konnte Urbans Team nun aufheben. Der Trick: Die Wissenschaftler überzogen Nano-Glaskügelchen zur Hälfte mit einer hauchdünnen Goldschicht. „Die Goldschicht ist nur fünf Nanometer dick, also etwa 20-mal dünner als Blattgold“, sagt Urban. Die goldüberzogene Seite der so erzeugten Janus-Partikel wird durch den Laserstrahl erwärmt, während die gläserne Seite kein metallischer Leiter ist und nicht auf den Laser reagiert. Schwimmt ein solches Janus-Teilchen im Wasser, entsteht durch die Erwärmung der goldenen Seite ein Temperaturgefälle, durch das sich das Teilchen nach oben zum Laser hin bewegt.

Laserstärke kontrolliert Bewegung

Welchen Kurs es dabei nimmt und welche Strecke es zurücklegt, bestimmt ein komplexes Zusammenspiel der Kräfte, die auf das Teilchen wirken: Die Streukräfte kontrollieren die Ausrichtung des Teilchens im Raum und halten es im Laserstrahl, während die Intensität des Lasers den Grad der Erwärmung und damit die in der dritten Dimension zurückgelegte Strecke steuert. Durch eine Veränderung der Laserstärke können die Wissenschaftler das Janus-Teilchen deshalb wie mit einem Aufzug im Laserstrahl auf und ab bewegen: Wird die Laserstärke erhöht, bewegt sich das Teilchen aufwärts, wird sie schwächer, sinkt das Teilchen wieder.

„Die neue Technik erlaubt uns eine noch nie erreichte Kontrolle über die Partikelbewegung und hat viele interessante Einsatzmöglichkeiten“, sagt Urban. In einem nächsten Schritt gelang es den Wissenschaftlern bereits, eine goldene Nano-Kugel gemeinsam mit dem neuen Janus-Teilchen im Laserstrahl einzufangen und die Entfernung zwischen den beiden Partikeln zu kontrollieren. „Das macht unseren Laserstrahl-Aufzug zu einem vielversprechenden Werkzeug sowohl für die Grundlagenforschung als auch für viele praktische Anwendungen. Denkbar wäre etwa ein Nano-Kraftmessgerät, bei dem ein Molekül zwischen die beiden Partikel gespannt und mithilfe des Lasers gemessen wird, welche Kraft man braucht um die Partikel auseinanderzuziehen“, sagt Urban. (göd)

Publikation:
ACS Photonics 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

technologiewerte.de – MOOCblick März 2015

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform Coursera – sollte einen Blick wert sein:

Nanotechnology and Nanosensors
Hossam Haick (Technion – Israel Institute of Technology)
Start: 16.03.2015 / Arbeitsaufwand: 60-100 Stunden

Externer Link: www.coursera.org

LECs – Langlebige Leuchtmittel

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.03.2015

Forscher der Universitäten Basel und Valencia machen wichtige Fortschritte in der Entwicklung der nächsten Generation von Leuchtmitteln. Die Resultate hat die Fachzeitschrift «Chemical Science» veröffentlicht.

Die Beleuchtungstechnologie befindet sich im Wandel. Die klassische Glühbirne, die Strom vielmehr in Wärme als in Licht umwandelt, wird zunehmend von fluoreszierenden Geräten abgelöst. Lichtemittierende Dioden (LEDs) sind im Begriff, die veraltete Technologie mittelfristig ganz zu ersetzen.

Die Forschungsgruppe unter der Leitung der Basler Chemieprofessoren Catherine E. Housecroft und Edwin C. Constable beschreibt in ihrer jüngsten Studie neuartige molekulare Bausteine und Strategien, um lichtemittierende elektrochemische Zellen (LECs) mit eindrücklicher Lebensdauer aufzubereiten.

Einfachere und robustere LECs

LEDs sind komplexe, vielschichtige Objekte, die unter Hochvakuum und hohen Temperaturen hergestellt und rigoros vor Luft und Wasser geschützt werden müssen. LECs hingegen sind einfacher aufgebaut: Sie bestehen aus nur einer Schicht aktiven Materials und können bei Raumtemperatur und ohne Vakuum hergestellt werden.

Bisher hatten LECs eine relativ kurze Lebensdauer, was einer kommerziellen Nutzung im Weg stand. Die Teams aus Basel und Valencia konnten nun zeigen, dass dank einem neuen Verfahren Geräte mit einer Laufzeit von weit über 2500 Stunden möglich sind. Dabei stabilisieren sogenannte aromatische Molekülringe die molekularen Bausteine.

Die Forscher bestückten Metallkomplexe mit Ringen, die sich von selbst wie eine Hülle um ein Metall-Molekül legen. «Man kann sich das wie eine sich schliessende Blüte vorstellen – die flachen, blattartigen Ringe falten sich um das Molekül und machen es dadurch zu einer kompakten und robusten Struktur», erklärt Constable. Ausserdem ermöglicht es die präzise chemische Struktur der Hülle, die Farbe des Lichts anzupassen – womit das Ziel, LECs herzustellen, die Weisslicht emittieren, einen Schritt näher gerückt ist.

Originalartikel:
Andreas M. Bünzli, Edwin C. Constable, Catherine E. Housecroft, Alessandro Prescimone, Jennifer A. Zampese, Giulia Longo, Lidón Gil-Escrig, Antonio Pertegás, Enrique Ortí and Henk J. Bolink
Exceptionally long-lived light-emitting electrochemical cells: multiple intra-cation π-stacking interactions in [Ir(C^N)2(N^N)][PF6] emitters
Chem. Sci., 2015, 1-10 | doi: 10.1039/c4sc03942d

Externer Link: www.unibas.ch

Nervengewebe bei Darmoperationen schonen

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.03.2015

Mehr als die Hälfte der Patienten leidet nach einer Darm-OP an den Folgen von irreparablen Nervenverletzungen. Wissenschaftler haben ein Assistenzsystem entwickelt, das die Operateure während des Eingriffs im kleinen Becken vor Verletzungsrisiken warnt. Derzeit arbeiten die Experten an einer Lösung für die minimalinvasive Chirurgie.

Darmoperationen zählen nach Angaben des Statistischen Bundesamts zu den häufigsten chirurgischen Eingriffen in Deutschland. Dabei kommt es oft zu Komplikationen: Über die Hälfte der Patienten hat nach einem Eingriff im kleinen Becken mit Inkontinenz oder sexuellen Funktionsstörungen zu kämpfen, weil Nervengewebe verletzt wurde. Die Nerven, welche Blasen-, Darmausgangs- und Geschlechtsfunktionen steuern, liegen wie ein hauchdünnes Netz um den Darm herum. »Dieses Nervengeflecht lässt sich von seiner Farbe und Struktur äußerst schwer von anderem Gewebe und kleineren Blutgefäßen unterscheiden. Aus diesem Grund kommt es oft zu Verletzungen«, erklärt Prof. Klaus-Peter Hoffmann vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in St. Ingbert. Das Tückische: Oftmals kann es der Chirurg während der OP nicht bemerken. Die Probleme machen sich meist erst einige Wochen nach dem Eingriff bemerkbar.

Chirurgen werden gewarnt, bevor sie Nerven während der OP verletzen

Wissenschaftler des IBMT entwickelten im, von ihnen koordinierten, Projekt IKONA (kurz für: Kontinuierliches intraoperatives Nervenmonitoring als mikrotechnologisches Navigationsinstrument) mit mehreren Partnern ein Assistenzsystem zum interoperativen Neuromonitoring: Hauchdünne, flexible Elektroden werden direkt an Nervenfasern angelegt und diese mit elektrischen Impulsen stimuliert. Die Software des Partners inomed wertet aus, ob das autonome Nervengeflecht durch den chirurgischen Eingriff beeinflusst wird. Kommt der Chirurg einem Nerv zu nahe, bzw. drückt oder dehnt er ihn, beeinflusst dies die Funktionalität des Nervs. Droht Verletzungsgefahr, wird der Arzt optisch und akustisch gewarnt. Das System befindet sich bereits in der klinischen Testphase.

Derzeit arbeiten Hoffmann und sein Team im Nachfolgeprojekt autoPIN (kurz für: Assistenzsystem zur Stimulation autonomer pelviner Nerven zum Intraoperativen Neuromonitoring in der Laparoskopie) mit ihren Partnern daran, ein solches operationsbegleitendes Neuromonitoring auch für minimalinvasive Eingriffe zu ermöglichen. Anders als bei konventionellen Operationen müssen die Elektroden dabei außen am Körper platziert werden. Der Haken an der Sache: Zwischen Elektroden und dem Nervengeflecht befindet sich das Kreuzbein – dieses behindert das elektrische Feld. »Die Herausforderung besteht darin, die Elektroden so zu setzen, dass sie trotzdem das Nervengeflecht stimulieren können«, erläutert Hoffmann. Dazu platzieren die Wissenschaftler der Mainzer Universitätsklinik für Allgemein-, Viszeral- und Transplantationschirurgie am Körper ein Elektroden-Array, das ein rasterförmiges Feld erzeugt. »Wir sprechen dann die einzelnen Elektroden an. Dadurch identifizieren wir diejenigen, mit denen die Geometrie des elektrischen Feldes so optimiert werden kann, dass eine Neuromodulation – eine spezielle Form der Nervenstimulation – möglich wird«, schildert Hoffmann die Forschungsarbeiten der IBMT-Wissenschaftler. inomed hat einen intelligenten Algorithmus entwickelt, der die Rohsignale aus der Neuromodulation auswertet und so aufbereitet, dass der Arzt auf einen Blick erkennt, ob Verletzungsgefahr besteht. »Unser Ziel ist es, ein qualitätsgesichertes nervenerhaltendes Operieren an den Beckenorganen zu etablieren. Im Zentrum steht dabei die Erhaltung der postoperativen Lebensqualität«, sagt der zuständige Oberarzt im Team, Prof. Dr. Werner Kneist.

Da chirurgische Eingriffe im kleinen Becken oft mehrere Stunden dauern können, kommen bei dem Assistenzsystem die am IBMT während IKONA entwickelten, trockenen Elektroden auf Silikonbasis zum Einsatz, bei denen Nanopartikel im Silikon für die nötige Leitfähigkeit sorgen. Im Vergleich zu konventionellen Elektroden ermöglichen diese Silikonelektroden über einen längeren Zeitraum eine stabile und zuverlässige Schnittstelle. Das neue Assistenzsystem für minimalinvasive Eingriffe wird derzeit in der präklinischen Phase getestet.

Externer Link: www.fraunhofer.de