Elektrofahrzeuge als mobile Energiespeicher

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

Atome streicheln für Fortgeschrittene

Presseaussendung der TU Wien vom 09.06.2020

Wie kann man Oberflächen möglichst sanft und zerstörungsfrei auf atomarer Skala abbilden? An der TU Wien verwendet man ein einzelnes Sauerstoffatom als Fühler.

Sauerstoff ist höchst reaktiv, er lagert sich an vielen Oberflächen an und bestimmt dadurch auch ihr chemisches Verhalten. An der TU Wien studiert man die Wechselwirkung zwischen Sauerstoff und Metalloxid-Oberflächen, die für viele technische Anwendungen eine wichtige Rolle spielen – von chemischen Sensoren über Katalysatoren bis hin zur Elektronik.

Allerdings ist es extrem schwierig, die Sauerstoffatome auf der Metalloxid-Oberfläche zu untersuchen, ohne sie dabei zu verändern. An der TU Wien gelang das nun mit einem speziellen Trick: An der äußersten Spitze eines Rasterkraftmikroskops wird ein einzelnes Sauerstoffatom befestigt und sanft über die Oberfläche geführt. Die Kraft zwischen Oberfläche und Sauerstoffatom wird gemessen – und so lässt sich ein Bild mit extrem hoher Auflösung anfertigen. Die Resultate wurden nun im Fachjournal PNAS publiziert.

Sauerstoff ist nicht gleich Sauerstoff

„In den letzten Jahren wurde viel daran geforscht, wie sich Sauerstoff an Metalloxid-Oberflächen anlagert“, sagt Martin Setvin vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Handelt es sich um O2-Moleküle? Oder werden die Moleküle in einzelne Sauerstoffatome zerlegt? Oder bildet sich vielleicht das sogenannte Tetraoxygen, ein Komplex aus vier Atomen? Solche Fragen sind wichtig, um chemische Reaktionen an der Metalloxid-Oberfläche zu verstehen.“

Leider ist es nicht einfach, ein Bild von diesen Atomen aufzunehmen. Oft werden Rastertunnelmikroskope eingesetzt, um Oberflächen Atom für Atom abzubilden. Dabei führt man eine feine Spitze in minimalem Abstand über die Probe, sodass einzelne Elektronen zwischen Probe und Spitze überwechseln können. Gemessen wird der elektrische Strom, der dabei fließt. Diese Methode lässt sich in diesem Fall allerdings nicht einsetzen – die Sauerstoffmoleküle würden elektrisch aufgeladen werden und dadurch ihr Verhalten völlig verändern.

Daher verwendete man stattdessen ein Rasterkraftmikroskop. Auch hier lässt man eine dünne Spitze über die Oberfläche wandern, doch in diesem Fall fließt kein Strom, gemessen wird hingegen die Kraft, die zwischen Spitze und Oberfläche wirkt. Entscheidend war ein besonderer Trick – die Funktionalisierung der Spitze: „Ein einzelnes Sauerstoffatom wird zunächst von der Spitze des Rasterkraftmikroskops erfasst und dann mit der Spitze über die Oberfläche bewegt“, erklärt Igor Sokolović. Das Sauerstoffatom dient somit als hochsensible Sonde, um Punkt für Punkt die Oberfläche zu untersuchen.

Weil dabei kein Strom fließt und das Sauerstoffatom nie ganz in Kontakt mit der Oberfläche kommt, ist diese Methode extrem sanft und verändert die Atome auf der Metalloxid-Oberfläche nicht. So kann man die Geometrie der Sauerstoff-Anlagerungen auf dem Metalloxid genau untersuchen.

Vielseitig einsetzbare Methode

„Dieses Funktionalisieren der Spitze, indem man ein ganz bestimmtes Atom daraufsetzt, wurde in den letzten Jahren entwickelt, wir zeigen nun erstmals, wie erfolgreich die Methode bei Metalloxid-Oberflächen sein kann“, sagt Setvin. Es zeigt sich, dass die Sauerstoffmoleküle auf unterschiedliche Weisen am Metalloxid angelagert werden können – entweder auf den Titan-Atomen der Oberfläche, oder an bestimmten Stellen, an denen im Titanoxid ein Sauerstoffatom fehlt. Je nach Temperatur kann es dann zu einem Aufspalten der Sauerstoffmoleküle in zwei einzelne Sauerstoffatome kommen. Tetraoxygen, ein hypothetischer Komplex aus vier Sauerstoffatomen, wurde hingegen nicht gefunden.

„Die Titanoxid-Oberflächen, die wir auf diese Weise untersuchen, sind ein prototypischer Fall, um die Methode genau zu testen“, erklärt Martin Setvin. „Aber die Erkenntnisse, die wir daraus gewinnen, gelten natürlich auch für viele andere Materialien.“ Die Mikroskopie mit funktionalisierter Spitze in einem Rasterkraftmikroskop ist eine vielseitige Methode, um zerstörungsfrei und ohne elektronische Veränderung eine Oberflächenstruktur mit atomarer Auflösung abzubilden. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
M. Setvin et al., „Resolving the adsorption of molecular O2 on the rutile TiO2(110) surface by non-contact atomic force microscopy,“ PNAS (2020)

Externer Link: www.tuwien.at

Vom Baum zum Bauteil: Bio-Verbundwerkstoff für die Industrie

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

Clever bauen mit mobilem Roboter

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.06.2020

Husky A200 heißt die mobile Roboterplattform, mit der erforscht wird, wie künftig mobile Plattformen autonom über Baustellen fahren und Lasten transportieren können. Der rollende Roboter ist eines von vielen Projekten, mit denen das Fraunhofer Italia Innovation Engineering Center die Digitalisierung im Bauwesen vorantreibt und eine Brücke zwischen Robotik und Bauwirtschaft schlagen will. Damit der mobile Roboter eigenständig den richtigen Weg findet, entwickeln die Forscherinnen und Forscher am Institut in Bozen die erforderliche Software-Schnittstelle.

Die steigende Nachfrage nach bezahlbarem Wohnraum, aber auch große und komplexe Bauvorhaben verlangen nach zeit- und kosteneffizienten Lösungen. Um diese zu realisieren und Entscheidungsfindungen in Bauprozessen zu beschleunigen, entwickelt Fraunhofer Italia Innovation Engineering Center, selbstständige Auslandsgesellschaft von Fraunhofer, Software-Systeme und Schnittstellen rund um das Building Information Modeling (BIM). Mit BIM haben alle Beteiligten – vom Planer über den Bauherren bis hin zu den Handwerkern und dem Facility Management – während des gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks Zugriff auf ein digitales Gebäudedatenmodell. »Unser Anliegen ist es zum einen, BIM in Südtirol zu etablieren und in die Anwendung zu überführen. Zum anderen wollen wir die digitale Planung auf die Baustelle bringen und eine Brücke zwischen Bauwesen und Robotik schlagen«, sagt Michael Terzer, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Forschungsteams Automation and Mechatronics Engineering am Bozner Center. Im Projekt ROSBIM entwickelt der Forscher gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen des Forschungsteams Process Engineering in Construction eine Software-Schnittstelle, die BIM mit dem Robot Operating System ROS verbindet. Diese modulare Open Source-Plattform ist auf einem Mini-PC installiert, der sich auf dem mobilen Roboter befindet. Da das Entwicklungstool plattformunabhängig ist, lassen sich unterschiedlichste Roboter damit ausrüsten. ROS unterstützt verschiedene Programmiersprachen.

Die Baustelle lebt

Die Schnittstelle nutzt das Dateiformat IFC der BIM-Modelle. Über diese werden digitale, objektorientierte Informationen an den Roboter übertragen. »Eine Baustelle lebt, sie verändert sich fortlaufend. Zeitabhängige Daten wie etwa Angaben zu Hindernissen, die der Roboter mithilfe seiner Sensoren nicht erkennen kann, erhält er über die Schnittstelle ROSBIM. Über das Interface wird er beispielsweise informiert, dass ein Kabel- oder Aufzugschacht auf der Baustelle an einem bestimmten Tag geöffnet ist und daher umfahren werden muss. Der Roboter kann seine Hinderniskarte über das Robot Operating System also fortlaufend erweitern«, erläutert Terzer. Sämtliche Daten werden in der BIM-Datenbank gesammelt und ständig aktualisiert. Die digitalen, objektorientierten Informationen betreffen von der Planung über die Bauausführung bis hin zum Betrieb eines Gebäudes oder eines Infrastrukturbaus alle Etappen des Bauprozesses.

»Die Digitalisierung bietet der Bauindustrie ganz neue Möglichkeiten, integrativ arbeiten zu können. BIM ist ein zentrales Element der Digitalisierung im Bausektor. Die Kombination dieser innovativen Arbeitsmethode mit Robotik ist eine von vielen Möglichkeiten, die die Digitalisierung der Bauindustrie bietet. Wir am Fraunhofer Italia IEC haben eine Schnittstelle implementiert, die BIM mit dem kommerziell erhältlichen Forschungs-Roboter verbindet, sodass er die BIM-Daten nutzen kann«, sagt Carmen Marcher, Teamleiterin des Forschungsteams Process Engineering in Construction. Ziel der Forscherteams ist es, bereits digital vorliegende Gebäudedaten auf der Baustelle optimal zu nutzen. In diesem konkreten Fall besteht der Hauptnutzen darin, den Transport von schweren Lasten wie Baumaterial und Werkzeugen mit dem mobilen Roboter in einer sich ständig ändernden Umgebung zu ermöglichen und somit die physische Arbeit auf der Baustelle zu erleichtern.

Assistent bei Logistikprozessen

Die für raue Umgebungen konzipierte mobile Roboterplattform ist mit einer Steuerungselektronik sowie mit Beschleunigungs-, Laser- und Neigungssensoren ausgestattet, die ihr helfen, im unwegsamen Gelände zu navigieren. Derzeit rollt der Roboter noch über das Institutsgelände im Bozner NOI Techpark. Er übernimmt quasi die Rolle eines Assistenten bei Logistikprozessen auf der Baustelle und folgt dem Menschen, indem der Bauarbeiter eine implementierte Follow-me-Funktion aktiviert. Dennoch ist der mobile Roboter in der Lage, autonom zu fahren, wie die Forscherinnen und Forscher in ersten Indoor-Tests demonstrieren konnten. »Der Roboter kann mit Hilfe seiner digitalen Gedächtniskarte eigenständig beispielsweise Lasten von A nach B bringen. Die autonome Fortbewegung in unstrukturierten Umgebungen ist jedoch komplex, hier sind noch weitere Entwicklungsschritte erforderlich«, so Terzer. Dank der Informationen, die die Roboterplattform durch die BIM-Daten erhält, können die Navigationsfähigkeiten verbessert und die sensorische Wahrnehmung des Roboters ergänzt werden. Denkbar ist der Einsatz des mobilen Roboters auch in anderen Anwendungsfeldern – etwa in der Landwirtschaft.

Digitalisierung als Schlüssel zu mehr Effizienz

Digitale Transformation und Automatisierung sind das Kerngebiet von Fraunhofer Italia Innovation Engineering Center in Bozen. Geforscht und entwickelt wird in drei Geschäftsfeldern: der Digitalisierung im Bauwesen, der flexiblen Automatisierung in Industrie, Handwerk und Landwirtschaft und der Entwicklung digitaler Geschäftsmodelle.

Externer Link: www.fraunhofer.de