Spektrum - 2/2009

2/09

trum ek

sp THEMA: ENERGIE UND UMWELT

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2 spektrum

Redaktion:

Pressestelle der Universität Bayeuth Frank Schmälzle (ViSdP) Anschrift: 95440 Bayreuth Telefon (09 21) 55-53 23/4 Telefax (09 21) 55-53 25 pressestelle@uni-bayreuth.de http://www.uni-bayreuth.de

Herausgeber:

Universität Bayreuth Satz und Layout:

GAUBE media agentur, Bayreuth Telefon (09 21) 5 07 14 41 spektrum@gaube-media.de Auflage: 2000

Druck: Holtz Druck, Neudrossenfeld Telefon (0 92 03) 60-0

Titelseite:Die Sonnenscheibe vor dem Gebäude der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften zählt zu den markantesten Objekten auf dem Cam- pus und ist zugleich ein Symbol für das T itelthe- ma dieser Spektrtum-Ausgabe: Ener gie und Umwelt sind Themen, die über die Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften hinaus Ex- perten der unterschiedlichsten an der Univer - sität Bayreuth vertretenen Disziplinen beschäfti- gen. Auf den folgenden Seiten beleuchten sie das Thema aus ihrer fachlichen Perspektive.

Impressum Titelbild

Kürzungen und Bearbeitung eingesandter Manuskripte behält sich die Redaktion vor.

Alle Beiträge sind bei Quellenangaben frei zur Veröffentlichung. Belegexemplare sind erwünscht.

Bessere Energieeffizienz auch auf dem Campus P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 4 Abwärme – ein wertvolles Gut P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 8 Feinstaub in der Luft messen und mindern P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 10 Gefährlicher Ruß P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 12 Recyclebare Polymere – Materialien mit Zukunft P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 14 Brennstoffzellen brennen nicht durch P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 15 Strom aus Plastik P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 18 Reaktive Reststoffe fangen CO2aus Kraftwerksabgas P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 20

„Entflammt für Energie“ P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 22 Energie und Umwelt aus geologischer Sicht P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 24 Energie und Umwelt – steuern durch Steuern! P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 27 Energie(recht) an der Universität Bayreuth P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 30

Inhalt

Energie und Umwelt

Die kommunikative Konstruktion der Wirklichkeit P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 32 Religionen, Staat und Gesellschaft P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 34 Alles ist Zahl - Mathematik trifft Kunst P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 36 Verbindung zwischen Universität und Region stärken P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 37 Der 4. Tag der Mathematik bricht Rekorde P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P 38

Aktuelles

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Energieumwandlung

Der Verbrauch der Universität Bay- reuth an Wärme, Kälte und Strom summiert sich pro Jahr auf rund 60 Mio. kWh. Dies entspricht dem Energieverbrauch von etwa 4000 privaten Haushalten. Zur zentralen Erzeugung von Wärme und Kälte für den Campus stehen gas- und öl- befeuerte Heizkessel sowie Kom- pressionskältemaschinen zur Ver- fügung, die von der Bayreuther Energie- und Wasserversorgungs- GmbH (BEW) betrieben werden.

Versorgt werden damit drei univer- sitätseigene Wärme- und Kältenet- ze:• ein Hochtemperatur-Wärmenetz (HT) mit einer Vorlauftemperatur von 90 °C,

• ein Niedertemperatur-Wärmenetz (NT) mit einer Vorlauftemperatur von 50 °C und

• ein Kältenetz mit einer Vorlauf- temperatur von 6 °C.

Die Abwärme der Kältemaschinen kann entweder in das Niedertempe- ratur-Wärmenetz eingespeist oder aber über Kühltürme an die Umge- bung abgeführt werden, wobei im erstgenannten Fall die Leistungs- zahl der Kälteerzeugung etwas nied- riger ist. Als Energiespeicher für

Niedertemperaturwärme und Kälte stehen drei Pendelspeicher zur Ver- fügung (Abb. 1).

In Zusammenarbeit mit der BEW und der Base Technologies GmbH, München, wurden am Lehrstuhl für

Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) die Mög- lichkeiten der gekoppelten Wärme- und Kälteerzeugung systematisch analysiert und optimiert. Eine um- fassende Zeitreihenanalyse des Wärme- und Kälteverbrauchs der Universität für zurückliegende Jahre ermöglichte es, wesentliche Fakto- ren des Energiebedarfs zu identifi- zieren. Abb. 2 zeigt beispielhaft die zeitliche Variabilität des Wärme- und Kälteverbrauchs der Universi- tät Bayreuth über ein Jahr. Basie- rend auf verschiedenen methodi- schen Ansätzen wurden Modelle für Kurzfristprognosen des Wärme- und

Bessere Energieeffizienz

Begrenzte Ressourcen, steigende Preise, der Klimawandel – es gibt viele Gründe, mit Ener - gie bewusster und vernünftiger umzugehen. Während manche energiepolitischen Fragen kontrovers debattiert werden, ist ein Ziel unumstritten: die Einsparung von Ener gie durch erhöhte Effizienz. Dies betrifft nicht nur die Wandlung von Energieträgern in die gewünsch- ten Nutzenergien (z.B. Wärme), sondern auch eine optimierte Energieverteilung und -anwen- dung. Praxisbezogene Analysen und Konzepte zur Verbesserung der Energieeffizienz in allen drei Bereichen werden hier am Beispiel eines besonderen Energiesystems vorgestellt: dem Campus der Universität Bayreuth.

Verbesserte Umwandlung,

Abb. 1: Schematische Darstellung der gekoppelten Wärme- und Kälteerzeugungsanlagen Dieter Brüggemann

ENERGIE UND UMWELT

Kältebedarfs erarbeitet und zur Ko- stenoptimierung eingesetzt. Hieraus ließen sich Grundstrategien des An- lageneinsatzes entwickeln. Als Bei- spiel zeigt Abb. 3, für welche Gas- und Strompreise entweder eine ge- koppelte oder eine getrennte Wärme- und Kälteerzeugung von Vorteil ist. Insbesondere im Hinblick auf den Kältemaschinenbetrieb kön- nen die Energiekosten so um etwa 30.000 €/a gesenkt werden.

Energieverteilung

In einer weiteren Untersuchung wur- den die vorhandenen Wärme- und Kältenetze der Universität Bayreuth einer Systemanalyse unterzogen. Im Vordergrund standen hierbei folgen- de Aspekte:

• Optimierung des momentanen Netzbetriebs bezüglich der Netz- stabilität,

• Vermeidung einer Unterversor - gung einzelner Gebäude mit Heiz- wärme sowie

• Identifizierung geeigneter An- schlussmöglichkeiten neuer Ge- bäude an die vorhandenen Netze.

Zunächst wurde das bestehende Ver- sorgungssystem des Universität - scampus systematisch erfasst. Eine schematische Darstellung der Wärme- und Kältenetze der Univer- sität am Beispiel des im Winter auf- tretenden Betriebszustandes zeigt Abb. 4. Beispiele für eigene Ultra- schallmessungen des Volumenstroms sowie Druckmessungen im unterir- dischen Versorgungssystem sind in Abb. 5 und 6 zu sehen. Aufbauend auf den Messergebnissen wurden de- taillierte Modelle der Wärme- und Kälteversorgung entwickelt und aus den Ergebnissen Empfehlungen zur Optimierung der Netzregelung und des Netzbetriebs abgeleitet. Abb. 7 stellt als Ergebnisbeispiel berechne- te Differenzdrücke für eine empfeh- lenswerte zusätzliche Dif ferenz- druckregelung des HT-Wärmenetzes an der Netzstelle B3 dar.

Mit den Ergebnissen dieser Unter- suchungen konnte zum einen die Versorgungssicherheit der Gebäu- de auf dem Campusgelände verbes- sert werden. Zum anderen wurde aufgezeigt, dass die vorhandenen

Netzkapazitäten ausreichen, um auch das neue Gebäude der Ange- wandten Informatik zentral zu ver- sorgen.

auch auf dem Campus

Verteilung und Nutzung in der Universität Bayreuth

Abb. 2 (links):

Zeitliche Variabilität des Wärme- und Käl- teverbrauches der Universität Bayreuth Abb. 3 (rechts):

Darstellung der Re - lationen von Strom- und Gaspreisen, für die eine gekoppelte oder eine getrennte Wärme- und Kälteer- zeugung ökonomi - scher ist Abb. 4 (unten):

Schematische Darstellung der Wärme- und Kälteversorgung im Winterbetrieb

6 spektrum

Energienutzung

Die systematische Analyse und Be- wertung des Endenergieverbrauches sowie möglicher Ener gieeinspar- maßnahmen bildet einen weiteren zentralen Ansatzpunkt zur Erhö - hung der Energieeffizienz. Teilt sich der Endenergieeinsatz auf eine Viel- zahl an Verbrauchern auf, wie dies auf die Gebäude und Einrichtungen der Universität Bayreuth zutrif ft, sollten entsprechende Aktivitäten vorrangig auf Großverbraucher fo- kussiert werden. Der ökologisch-

botanische Garten (ÖBG) ist eine besonders bedeutsame zentrale Ein- richtung der Universität Bayreuth, zählt allerdings auch zu ihren größ- ten Energieverbrauchern. Der Ein- satz an Wärme, Kälte und Strom be- läuft sich dort auf jährlich rund 6 Mio. kWh, also auf etwa 10 % des gesamten Ener gieverbrauchs der Universität. Vor diesem Hintergrund wurde am LTTT ein Konzept aus- gearbeitet, anhand dessen die Ener- gieeffizienz im ÖBG verbessert und Kosten eingespart werden können.

Zunächst wurde die ener getische Ist-Situation im ÖBG erfasst und eine Aufschlüsselung des Gesamt- verbrauches an Wärme, Kälte und Strom nach Verbrauchsschwer- punkten vorgenommen. Hierzu wur- den verfügbare Daten ausgewertet sowie zusätzliche Verbrauchsmes- sungen wie auch umfangreiche Energiebedarfsberechnungen durch- geführt. Thermografische Aufnah- men zeigten zudem Schwachstel- len in den Außenhüllen der Gewächshäuser (Abb. 8). Daran an- schließend wurden zahlreiche tech- nische und gebäudebezogene Maß- nahmen zur Verbesserung der

Energieeffizienz untersucht und hin- sichtlich ihrer Eignung und Wirt- schaftlichkeit bewertet.

Die Untersuchungen zeigten, dass sämtliche im Detail betrachteten Maßnahmen zu einer Reduzierung des Energieverbrauches im ÖBG führen und sich nahezu alle Maß- nahmen wirtschaftlich umsetzen las- sen. Auch unter Einbeziehung der zu tätigenden Investitionen wird – über die jeweiligen Nutzungsdau- ern gerechnet – eine deutliche Re- duzierung der Gesamtkosten im Vergleich zur Ist-Situation erreicht.

Bei begrenzter Verfügbarkeit von Investitionsmitteln sollten vorran- gig diejenigen Maßnahmen umge- setzt werden, die besonders kurze Amortisationszeiten aufweisen. Die in Abb. 9 ausgewiesenen Maßnah- menbündel sind dem entsprechend geordnet und erzielbare jährliche Kosteneinsparungen sowie hierzu erforderliche Investitionen als ku- mulierte Werte angegeben. Abb. 10 umfasst eine Zusammenstellung derjenigen Maßnahmen, welche die insgesamt höchsten Ener gie- und Kosteneinsparpotenziale aufweisen.

Abb. 5:

Berührungslose Mes- sung des Heizwasser- Volumenstroms mittels Ultraschall

Abb. 6:

Druckmessung im Wärmeversorgungs - netz

Abb. 7:

Berechnete Differenzdrücke bei Differenz druckregelung des HT- Wärmenetzes an der Stelle B3

UNIVERSITÄT BAYREUTH

Die im ÖBG erzielbare Ener gie- und Kosteneinsparung könnte eine Größenordnung von 35 % errei - chen. Die dazu notwendigen Inve- stitionen belaufen sich dabei in der Summe allerdings auf mehr als 1 Mio. €. Mit dem vorgenommenen Maßnahmen-Ranking steht in jedem Fall eine Entscheidungsgrundlage zur Verfügung, anhand der – in Abhängigkeit verfügbarer Investi- tionsmittel – eine bestmögliche Aus- wahl von Verbesserungsmaßnah- men getrof fen werden kann. Die bereits während dieser Untersu - chung realisierte Energieeinsparung von 130 MWh/a und Kosteneinspa-

rung von 18.000 €/a lässt sich in jedem Fall noch deutlich ausbauen

Individuelle Konzepte

Maßnahmenkataloge und Bera- tungsinstrumente zur Verbesserung der Effizienz im Umgang mit der kostbaren Ressource Energie wer- den heute beinahe schon im Über - fluss angeboten. Als Einstieg sind diese Angebote sicherlich hilfreich, auch wenn sie sich inhaltlich zu- meist auf vielseitig anwendbare Querschnittstechnologien zur Ener- gieeinsparung beschränken. Die hier diskutierten Beispiele für die Uni- versität Bayreuth zeigen jedoch, dass gerade in größeren und kom- plexeren Energiesystemen die sach- gerechte Erfassung des Ist-Zustan- des und die systematische Analyse und Bewertung möglicher Verbes- serungsmaßnahmen einen beträcht- lichen Aufwand erfordern, der sich durch derartige Instrumente nicht oder nur bedingt eingrenzen lässt.

Optimale Lösungen erfordern hier vielmehr individuelle, auf den Ein- zelfall zugeschnittene Konzepte.

LTTT und das ihm angeschlossene Steinbeis-Transferzentrum Ange- wandte Thermodynamik, Energie- und Verbrennungstechnik (ATEV) stellen entsprechendes Know-How

zur Verfügung. ^

Abb. 8 a + b: Detektion von Schwachstellen in den Außenhüllen der Gewächshäuser im ÖBG mittels Thermografie

Abb. 9: Kumulierte jährliche Kosteneinsparungen und Investitionen von

Maßnahmenbündeln mit möglichst kurzen Amortisationszeiten Abb. 10: Kumulierte jährliche Energieeinsparungen und Investitionen von Maßnahmenbündeln mit maximalem Einsparpotenzial

8 spektrum

Stromerzeugung

In Industrieprozessen fallen häufig größere Mengen an Wärme bei durchaus hohen Temperaturen von zum Teil über 100 °C an. Statt diese als Abwärme an die Umwelt abzu- geben, ist zu erwägen, ob sie nicht zur Stromerzeugung genutzt wer- den kann. Hierzu kommt vor allem der Organic Rankine Cycle (ORC) in Betracht.

Der ORC arbeitet ähnlich dem Dampf-Kraft-Prozess konventionel- ler Kraftwerke. Im Unterschied hier- zu setzt man jedoch statt Wasser or- ganische Fluide ein (Abb. 1). Das Arbeitsmedium wird in einer Pumpe auf einen Druck von rund 20 bar ver- dichtet, im Vorwärmer auf Siede-

temperatur erhitzt und im Verdamp- fer vollständig verdampft. Der Satt- dampf expandiert anschließend in einer Turbomaschine, die einen Ge- nerator zur Stromerzeugung antreibt.

Ein Teil der Energie des Dampfes wird zur Vorwärmung des Arbeits- mediums genutzt. Die Kondensati- on des Arbeitsmediums und der Wiedereintritt in die Pumpe schlie- ßen den Kreisprozess. Um eine Zer- setzung der organischen Medien zu verhindern und eine optimale Re- gelung des Kreisprozesses zu ge- währleisten, kommt zudem ein Ther- moölkreislauf zum Einsatz, der über ein Wärmeträgerfluid (häufig ein Si- likonöl) die industrielle Abwärme in den Kreisprozess einkoppelt. Da eine Vielzahl an organischen Medien prinzipiell zur Verfügung steht, ist es das Ziel, ein auf den Anwen- dungsfall optimal zugeschnittenes Arbeitsmedium zu bestimmen.

Die ORC-Technologie wird unter anderem in Geothermieanlagen (Abb. 2) bereits erprobt.

In eigenen Arbeiten wird für ver- schiedene Betriebe individuell ana- lysiert, ob eine solche Lösung tech- nisch problemlos machbar und nicht zuletzt wirtschaftlich sinnvoll ist.

Als Er gebnis erhält man, wie in Abb. 3 beispielhaft gezeigt, die Amortisationszeit einer ORC-An- lage in Abhängigkeit der Investiti- onskosten, hier einerseits für das Standardfluid Octamethyltrisiloxan (OMTS), andererseits für zwei bes- ser angepasste Fluide.

Ein automatisches Start-Stop- System und der sich daraus er ge- bende geringe Personalaufwand führen zudem zu geringen Be- triebskosten. Dies macht das Ver- fahren auch für Biogasanlagen ohne eigenes Wärmekonzept interessant, deren Wirkungsgrade über die Nachverstromung der Abwärme aus den Blockheizkraftwerken durch den ORC um mehrere Prozent- punkte gesteigert werden können.

Andere Arbeiten in Kooperation mit mehreren Industriepartnern widmen

Abwärme – ein wertvolles Gut

Rund zwei Drittel des Endener gieverbrauches der deutschen Industrie dienen der Bereitstellung von Pro- zesswärme. Die hieraus resultierende „Abwärme“ soll in zunehmendem Maße weiter genutzt werden. Das gesamte verfügbare Abwärmepotenzial ist vor allem in kleinen und mittelständischen Unternehmen noch längst nicht ausgeschöpft.

Stromerzeugung und mobile thermische Speicher

Dieter Brüggemann

Abb. 1: Anlagenschema eines Organic Rankine Cycle (ORC) mit Thermo- ölkreislauf und internem Rekuperator

Abb. 2:

Geothermieanlage in Landau auf Basis der ORC- Technologie (Quelle: Geo X)

ENERGIE UND UMWELT

sich dem Einsatz des ORC in einem regenerativ betriebenen Mini- BHWK.

Mobile Abwärmenutzung

Sind die Möglichkeiten der direk- ten Wärmenutzung ausgeschöpft und kommt eine Stromerzeugung nicht in Frage, so kann Abwärme in vielen Fällen doch noch außer- betrieblich genutzt werden.

Seit langem bekannt ist dabei der lei- tungsgebundene Transport der ther- mischen Energie in Nah- und Fern- wärmenetzen. Diese sind jedoch nicht immer sinnvoll: häufig zeigt sich, dass die teuer verlegten Rohr- leitungen unflexibel im Hinblick auf Fluktuationen von Wärmeanbietern und -abnehmern sind.

Eine andere Möglichkeit, andernfalls ungenutzte Abwärme zum Verbrau- cher zu transportieren, erschließt sich, wenn man auf eine weitaus bes-

ser ausgebaute Infrastruktur für das Transportwesen zurückgreift – die Straße. Auf Lastkraftwagen werden 20-Fuß-Container, gefüllt mit rund 20 Tonnen Speichermaterial, von der Wärmequelle zum Abnehmer beför- dert (Abb. 4). Für solche Speicher ist die Aufnahmekapazität von gro- ßer Bedeutung, da die Wirtschaft- lichkeit mit der Menge an thermi - scher Energie steigt, die mit einer Fahrt transportiert werden kann.

Statt sogenannter „sensibler“ Spei- cher, in denen wie bei herkömmli- chen Warmwasserspeichern die Tem- peratur des Speichermaterials erhöht wird, verwendet man für den hier be- trachteten Zweck besser „latente“

Speicher. Hierbei nutzt man die Energie, die auch ohne Temperatur-

änderung von einem festen Material bei seinem Schmelzen aufgenom- men und bei der Erstarrung der Flüs- sigkeit wieder abgegeben wird.

Für den Temperaturbereich der Ab- wärme von rund 60 °C bis 160 °C kommen hier vor allem Salzhydrate in Frage. Ihre hohe Speicherkapazi- tät ermöglicht es, zwischen 2 und 3 MWh thermischer Energie in einem Container zu speichern. Voll bela- den kann dieser nun wirtschaftlich bis zu etwa 30 km Fahrweg vom Wärmelieferanten zum Wärmekun- den befördert werden. Studien zei- gen, dass diese Nutzung – trotz der für den Transport benötigten Kraft- stoffenergie und des verbrennungs- bedingten Ausstoßes von Kohlendi-

oxid – ö k o n o - misch und ökologisch sinn- voll sein kann. Als Beispiel vergleicht Abb. 5 den effektiven CO2-Ausstoß der mobilen Speicher mit dem rohrge- bundenen Abwärmetransport und der direkten Wärmeerzeugung mittels Gasbrennwertkessel.

Laufende Forschungs- und Ent- wicklungsarbeiten am LTTT zielen darauf ab, die Wirtschaftlichkeit mobiler thermischer Speicher wei- ter zu steigern. Hierzu werden auch Konzepte mit verbesserter Wärme- übertragung sowie günstigeren Speichermaterialien verfolgt. Ex- perimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen des Pha- senwechsels in Abhängigkeit von geometrischen und stofflichen Pa- rametern helfen, die Vorgänge im Speicher besser zu verstehen und somit leistungsfähigere und günsti- gere latente thermische Speicher zu entwickeln.

Eine Machbarkeitsstudie für den Einsatz solcher mobiler Latentwär- mespeicher wird derzeit vom LTTT im Rahmen eines europäischen For- schungsvorhabens (EFRE) exem- plarisch für den nordbayerischen Raum angefertigt. Weitere Anwen- dungen werden im Bayerischen For- schungsverbund „Energieeffiziente Technologien und Anwendungen“

(FORETA) entwickelt.

Fazit

Vor dem Hinter grund steigender Energiepreise, verschärfter Anfor- derungen an die Ener gieeffizienz und die Reduzierung der CO2-Emis- sion von Prozessen ist eine Rück- gewinnung von Abwärme in der In- dustrie unerlässlich. An der Universität Bayreuth befassen sich LTTT und das daran angeschlosse- ne Steinbeis-Transferzentrum An- gewandte Thermodynamik, Ener- gie- und Verbrennungstechnik (ATEV) intensiv mit der Nutzung dieser bisher verschwendeten Ener- gie. Wichtige Beispiele für diese Aktivitäten sind die Stromerzeu - gung über den Or ganic Rankine Cycle und der Transport thermi - scher Energie mit Hilfe von mobi- len Speichern. ^

Abb. 3:

Amortisationszeit für einen ORC zur

Abwärmenutzung bei Einsatz der

Arbeitsfluide OMTS, Tetraethyl - silan (TES) und Ethylbenzol (EB) in Abhängigkeit der Investitionskosten;

die gestrichelten, roten Linen markie- ren den Bereich heutiger Marktprei- se von ORC-Modu- len zur Abwärme - nutzung (3000 – 4500 €/kW)

0 5 10 15 20

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Investitionskosten [Tsd €]

Amortisationsdauer [a]

OMTS

7000 h/a

8000 h/a

TES EB

0 5 10 15 20

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Investitionskosten [Tsd €]

Amortisationsdauer [a]

OMTS

7000 h/a

8000 h/a

TES EB

0 5 10 15 20

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Investitionskosten [Tsd €]

Amortisationsdauer [a]

OMTS

7000 h/a

8000 h/a

TES EB

Abb. 5:

CO2-Ausstoß durch mobile thermische Speicher im Ver - gleich zur direkten Wärmeerzeugung und zur Fernwärme Abb. 4:

Prinzip - schema der mobilen thermischen Speicher

10 spektrum

Unter den Begrif fen „Feinstaub“

und „PM10“ werden Partikel zu- sammengefasst, deren aerodynami- scher Durchmesser weniger als 10 µm beträgt. Die noch kleineren

„Feinststäube“ umfassen die Parti- kelfraktion unter 2,5 µm Durch- messer (PM2,5) und gelten als be- sonders gesundheitsgefährdend. Ein am LTTT betriebener Scanning Mo- bility Particle Sizer (SMPS) ermög- licht die schnelle größenselektive Bestimmung der Partikelanzahl im Größenbereich zwischen etwa 10 nm und 1 µm (Abb. 1).

Kleinste Partikel werden als Ruß insbesondere bei Verbrennungspro- zessen in Motoren und Feuerungs- anlagen freigesetzt. Nicht zu ver- nachlässigen sind jedoch auch andere Quellen, wie z. B. der Be- trieb eines Holzkohlegrills (Abb. 2

und 3). Die Partikelbelastung der Atmosphäre wird jedoch nicht nur durch Stoffe geprägt, die in fester Form oder als Flüssigkeitströpfchen freigesetzt werden. Auch Gase kön- nen durch atmosphärische Um-

Feinstaub in der Luft

Mit wachsender Erkenntnis, dass kleine, lungengängige Partikel die Gesundheit gefährden, wurden EU-weit geltende Grenzwerte für Fein- stäube in der Außenluft verschärft und in Gastronomiebetrieben und öffentlichen Gebäuden das Rauchen weitgehend verboten. Der Lehr - stuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) in der FAN hilft dabei, Quellen von Feinstäuben zu identifizier en, Bela- stungen zu quantifizieren und zu bewerten sowie Techniken zur Minde- rung zu entwickeln und zu erproben.

Partikel-Messtechnik im vielfältigen Einsatz

Dieter Brüggemann

Abb. 1 (ganz oben):

Einsatz des SMPS- Messsystems an ei nem Autobahnabschnitt Abb. 2 (oben rechts):

Verbrennungsprozesse zählen zu den wesent- lichen Quellen von Feinststäuben Abb. 3 (2. v. o.):

Partikelgrößenvertei - lung in der Luft neben einem Holzkohlegrill Abb. 4 (rechts.):

Ta gesgang der Parti - kel größenverteilung in Tiefenbach im Bayerischen Wald während hochsom - mer licher Witterung

Abb. 5: Zeitlicher Verlauf vom bayer. LfU gemessener PM10- Konzentrationen und der aus SMPS-Messungen berechneten Partikelmasse an der Station Bayreuth Rathaus

UNIVERSITÄT BAYREUTH

wandlungsprozesse sogenannte se- kundäre Partikel bilden. Abb. 4 zeigt als Beispiel den zeitlichen Verlauf der Partikelgrößenverteilung wäh- rend hochsommerlicher Witterung im Reinluftgebiet Tiefenbach im Bayerischen Wald. Neben einem konstanten Maximum der Größen- verteilung bei ca. 100 nm in den an- transportierten Luftmassen sind ab etwa 11 Uhr die Neubildung und das Wachstum sehr feiner Partikel zu beobachten. Mitursache hierfür sind von Wäldern ausgehende Emissio- nen biogener Kohlwasserstoffe, die aufgrund ihrer hohen chemischen Reaktivität unter dem Einfluss in- tensiven Sonnenlichts rasch umge- wandelt werden.

Auch in Innenstädten können aus zielgerichteten Immissionsmessun- gen Rückschlüsse gezogen werden, in welchem Maße verschiedene Emittentengruppen zur Beeinträch- tigung der Luftqualität beitragen.

Aus zeitlich hoch aufgelösten SMPS-Messungen, wie sie in Abb.

5 zusammen mit halbstündigen PM10-Messdaten des bayerischen Landesamtes für Umweltschutz für die Station „Bayreuth Rathaus“ dar- gestellt sind, kann z.B. der Anteil des lokalen Straßenverkehrs an der Fein- staubbelastung abgeschätzt werden.

Sind die maßgeblichen Feinstaub- quellen identifiziert, lassen sich diese beseitigen oder durch verbes- serte Abscheidetechniken entschär- fen, welche am L TTT untersucht und weiterentwickelt werden. Abb.

6 zeigt den Versuchsaufbau eines selbstansaugenden Venturiwäschers, dessen Eignung zur effektiven Ab- scheidung auch sehr kleiner Parti-

kel in umfangreichen Messreihen nachgewiesen wurde. Wie aus Abb.

7 hervorgeht, kann sogar die Ab- scheideleistung eines wesentlich teureren Elektrofilters annähernd er- reicht werden, wobei allerdings ein relativ hoher Druckverlust auftritt.

In jüngerer Zeit wird verstärkt die Luftqualität in Innenräumen, insbe- sondere im Hinblick auf den Nicht- Um zur Versachlichung dieser Dis kussion beizutragen wurde z.B. un- tersucht, inwieweit spezielle tech- nische Lüftungssysteme die Luft- qualität in Raucherräumen verbes- sern. Entsprechende Partikelmes- sungen wurden vom Steinbeis- Transferzentrum Angewandte Ther- modynamik, Ener gie- und Ver- brennungstechnik (ATEV), das dem LTTT angegliedert ist, in verschie- denen Räumen durchgeführt. In einer von der British American To- bacco (BAT) betriebenen Lounge in Berlin (Abb. 8) gewonnene Mess- ergebnisse sind in Abb. 9 dargestellt.

Sie zeigen, dass mit einer leistungs- fähigen Lüftung bei höheren Luft- wechselraten eine Verminderung der Partikelkonzentration um etwa 50

% erreicht werden kann.

Die hier dargestellten Beispiele zei- gen einige Möglichkeiten der mess- technischen Erfassung kleiner Par- tikel; sie können leicht auch in an- deren Bereichen genutzt werden. ^

messen und mindern

Abb. 6 (rechts): Versuchsaufbau eines selbstansaugenden Venturiwäschers zur Abscheidung von Feinststäuben Abb. 7 (oben): Fraktionsabscheidegrade eines Elektrofilters sowie eines Venturiwäschers bei unterschiedlichen Beladungen

Abb. 8 (unten):

SMPS-Messungen von Tabakrauch in der von der British American Tobacco Germany be- triebenen Dunhill- Lounge, Berlin

Abb. 9: Reduktion der Tabakrauch-Konzentration in Innenräumen durch leistungsfähige Ventilationssysteme in Abhängigkeit der Luftwechselrate

12 spektrum

Das Grundgerüst von Rußpartikeln besteht aus Kohlenstoff-Nanostruk- turen mit Größen zwischen etwa 15 nm und 200 nm. Auf diesem gra- phitischen Grundgerüst sind häufig weitere Substanzen, z.B. polyzykli- sche Kohlenwasserstoffe, angela- gert. Aufgrund ihrer geringen Größe gelangen die Rußpartikel beim Menschen bis in die Alveolen und können sogar über die Luft-/Blut- Schranke hinaus vordringen.

Aktuelle Forschungsarbeiten wei- sen darauf hin, dass sich die Zu- sammensetzung und biologische Wirkung der Partikel aus neueren, rußärmeren Dieselmotoren nen- nens wert von denen aus älteren Mo- torgenerationen unterscheidet. So - mit ist nicht auszuschließen, dass

heute zwar weniger, jedoch gefähr- lichere Rußteilchen ausgestoßen werden. Im Rahmen mehrerer For- schungsarbeiten wird im Lehrstuhl- verbund BERC (Abb. 1) untersucht, wie man über motorische Parame- ter spezifische Eigenschaften der Partikel beeinflussen und den er - reichten Stand der Technik der Ruß- abscheidung weiter verbessern kann.

Lasergestützte

Verbrennungsdiagnostik

Um die Entstehung motorspezifi- scher Rußpartikel zu analysieren, werden sowohl Prüfstände für Se- rienmotoren (Abb. 2) wie auch spe- zielle, optisch zugängliche Ver- suchs motoren als Versuchsträger verwendet. Die Palette der einge- setzten Messtechniken ist dabei besonders breit, um die gesamte Prozesskette von der Kraftstoffein- spritzung über die Gemischbildung bis hin zur Zündung und Verbren- nung abdecken zu können. Abb. 3 zeigt ein Bild der Einspritzung von Biodiesel. Aus solchen Messungen

des Mie-Streulichts der Tropfen können Eindringtiefe und Ge- schwindigkeit des Kraftstoffsprays bestimmt werden. Mittels laserin- duzierter Exciplex-Fluoreszenz (Abb. 4) wird darüber hinaus die für die Verbrennung wichtige zeitliche und räumliche Variabilität des Ver- hältnisses von Kraftstoff und Ver- brennungsluft ermittelt.

Gefährlicher Ruß

Dass Dieselmotoren Ruß ausstoßen, ist ein seit langem bekanntes Pr oblem. Nachdem man zunächst die pro Fahrkilometer emittierte Masse begrenzt hat, stellt man nun fest, dass die Gesundheitsgefährdung durch Rußteilchen besonders von deren Größe und darüber hinaus auch von Form und Beschaffenheit abhängt. Lehrstühle der FAN untersuchen im Bayreuth Engine Research Center (BERC) gemeinsam, wie man im und am Motor nicht nur die Menge, sondern auch die Eigenschaften von Rußpartikeln messen und sowohl dur ch den Verbren- nungsprozess wie auch mit verbesserten Rußfiltern gezielt beeinflussen kann.

Bayreuther Motorzentrum

entwickelt verbesserte Dieselmotoren

Bayreuth Engine Research Center

Abb. 1: Im Bayreuth Engine Research Center (BERC) bündeln mehrere Lehrstühle der FAN ihre Kom petenzen rund um den Motor

Abb. 2 (links): Ansicht eines von den BERC-Lehrstühlen für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) und für Funktionsmaterialien (FM) gemeinsam betriebenen Motorprüfstandes

Abb. 3 (rechts ): Bestimmung der Flüssigphasen-Eindringtiefe und der Sprayge schwin - digkeit bei der Einspritzung von Biodiesel anhand der Mie-Streuung durch Tropfen

ENERGIE UND UMWELT

Physikalische und chemische Analyse von Rußpartikeln

Zur Bestimmung der Eigenschaf- ten der bei unterschiedlichen mo- torischen Betriebszuständen entste- henden Rußpartikel werden diese nach dem Austritt aus dem Motor über Filter abgeschieden und phy- sikalisch-chemischen Analysen un- terzogen. Größe und exakte Struk- tur der Rußpartikel werden anhand der hochauflösenden Transmissi- ons-Elektronenmikroskopie (HR- TEM) erfasst (Abb. 5). Mittels Thermogravimetrie werden Aussa- gen über die Oxidationsbeständig- keit und die Kinetik der Rußoxida- tion abgeleitet. Diese Parameter spielen eine wesentliche Rolle so- wohl im Hinblick auf gesundheitli- che Wirkungen von Partikeln als auch in technischer Hinsicht – etwa bei der gezielten Veränderung mo- torischer Parameter und dem Ein- satz von Rußpartikelfiltern.

Sensorik und

Abgasnachbehandlung

Mit der Kenntnis über Rußeigen- schaften und deren Beeinflussung lassen sich neue Sensoren für den Abgasbereich und Konzepte für Ab- gasnachbehandlungssysteme ent- wickeln. Geeignete Rußsensoren

sollen beispielsweise darüber Auf- schluss geben, wie sich die Rußbe- ladung im Abgas über die Zeit än- dert (Abb. 6). Mit dieser

Information und den Erkenntnissen aus der Verbrennungsdiagnostik kann dann optimierend in die Mo- torsteuerung eingegriffen werden.

Mit dem Wissen über die Oxidati- onskinetik des Rußes lässt sich vor allem die kraftstoffintensive Rege- neration, also der Abbrand, von Rußpartikelfiltern und damit der Verbrauch moderner „Low-Emissi- on“-Fahrzeuge weiter senken. Wei- terhin können mit einem geeigne- ten Sensor die Forderungen nach der On-Board-Diagnose (OBD) er- füllt werden, in dem eine mögliche Fehlfunktion des Partikelfilters während des Betriebs erkannt und gemeldet wird.

Interdisziplinäre Forschung und Entwicklung

Die Vielschichtigkeit der Fragestel- lungen rund um die Entstehung, Charakterisierung, Minderung und Wirkung des Rußes lässt sich nur durch interdisziplinäre Forschung und Entwicklung sinnvoll behan- deln. Einen wichtigen Ansatz in

diese Richtung stellt das Bayreuth Engine Research Center (BERC) dar, in dem mehrere Lehrstühle ihr Know-How zusammenführen und Prüfstände und Messgeräte gemein-

sam nutzen. ^

Abb. 4:

Mit laserinduzier- ter Exciplex-Fluo - reszenz gemes sene

Verteilung des Kraft stoff-Luft- Verhältnis ses (λ)

in einer Brenn - raum ebene

Abb. 5: Aufnahmen von Rußpartikel-Agglomeraten aus kleinen Primärpartikeln bei verschiedenen Diesel-Einspritzdrücken (Pinj );

Hauptmerkmal sind hier die unterschiedlich großen Primärpartikel, die die spezifische Oberfläche des Rußes beeinflussen

Abb. 6: Sensor zur Rußdetektion im Abgas nach einem Testlauf am Motorprüfstand; der 5 mm breite Prototyp ist in keramischer Mikro- system tech nik hergestellt

14 spektrum

Verschiedene Firmen beschäftigen sich schon seit Jahren mit innova- tiven Recycling-Prozessen, so wur- den, abgestimmt auf das zugrunde- liegende Polymer , Prozesse entwickelt, bei denen diese nach Verwendung aufgelöst werden und anschließend wieder ausgefällt wer- den können. Durch anschließende Abtrennung und Trocknung erhält man erneut das nun wieder saubere Ausgangsmaterial. Dieses kann wie- der problemlos zu neuem Catering- geschirr oder Dämmmaterialien ver- arbeitet werden.

Ein aktuelles Projekt des Lehrstuhls Polymere Werkstoffe, das von der Oberfrankenstiftung gefördert wird, beschäftigt sich mit dem Schäumen recyclebarer Polymere. Polymere Schäume finden immer häufiger Anwendung in Bereichen, in denen es auf Gewichtseinsparung, aber

auch auf thermische oder akustische Isolierung ankommt. Auch im Le- bensmittelbereich bieten ge- schäumte Verpackungen hinsicht- lich der thermischen Isolierung Vorteile. Dabei ist es auch bei die- ser Anwendung von Vorteil, wenn der Schaumstoff nach seiner Nut- zung wieder problemlos recycelt werden kann. Ziel des Projektes ist es unter anderem neue Anwen- dungsbereiche zu finden und geeig- nete Verarbeitungsprozesse zu ent- wickeln.

Der Lehrstuhl Polymere Werkstof- fe beschäftigt sich schon seit Jah- ren mit der Entwicklung von Poly- merschäumen (siehe Abb. 1), und kann mit diesem Projekt seine Ex- pertise im Hinblick auf das Schäu-

men von recyclebaren Polymeren erweitern.

Bisher wurden am Lehrstuhl vor allem umfangreiche Untersuchun- gen im Bereich des Extrusions- schäumens und Schaumspritzgie- ßens durchgeführt, seit einem Jahr geht der Trend auch in Richtung Herstellung neuer Partikelschäume Damit werden die Kompetenzen in Bayreuth in diesem Bereich weiter ausgebaut, da sich bisherige Akti- vitäten auf die Verarbeitung von EPP, und dabei vor allem auf Mög- lichkeiten zur Ener gieeinsparung bei der Formteilherstellung be- schränkt haben. Für das geplante Projekt sollen diese Polymere auf den vorhandenen Anlagen extrusi- onsgeschäumt werden (Abb. 2).

Durch das aktuelle Projekt kann somit die Prozesskette von der Her- stellung eigener Partikel bis zur Her- stellung fertiger Formteile auf der Basis eines recyclebaren Kunststof- fes entwickelt und untersucht wer-

den. ^

Recyclebare Polymere –

Materialien mit Zukunft

Marieluise Stumpf

Abb. 2:

Extruder zur Her- stellung von Poly- meren Schäumen, vgl. auch Abb. 1, Mitte

Abb. 1:

Alle drei Bilder zeigen durch unter - schiedliche Prozes - se hergestellte Poly- propylenschäume.

Im Vergleich sieht man schaumspritz - gegossenes PP, extrusionsgeschäum tes PP und einen geschäumten PP- Partikel.

Recyclebare Polymere – das sind Kunststoffe, die durch einen innovativen Prozess nach dem Einsatz recycelt werden können. Hauptanwendung finden derartige Materialien derzeit vor allem im Lebensmittel-Bereich, wo sie unter anderem in Stadien als Becher verwen - det werden. Die Becher werden nach der Verwendung im Stadion wieder eingesammelt und recycelt. Diese Materialien können jedoch auch auf vielfältige Weise für andere Anwendungen verwendet werden.

Lehrstuhl erweitert seine Expertise

UNIVERSITÄT BAYREUTH

Lebensdauerrekord mit Mathematik

Brennstoffzellen besitzen wegen ihrer Effizienz und der niedrigen Schadstoffemissionen ein hohes Zu- kunftspotenzial. Unter den unter - schiedlichen Brennstoffzellensyste- men nehmen die so genannten Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen eine Sonderrolle ein. Sie sind näm- lich für die gleichzeitige Erzeugung von elektrischem Strom und Nutz- wärme (bzw. Nutzkälte) in statio- nären Heizkraftwerken (300 – 500 kW) geeignet. Dies liegt an ihrer Betriebstemperatur von ungefähr 650°C. Diese Temperatur ist einer- seits nicht zu hoch, so dass die elek- trochemischen Umsetzungen an den Elektroden ohne teure Spezial-Ka- talysatoren ablaufen. Nickel ist aus- reichend um die Brennstoffzellen- reaktionen anzustoßen. Sie ist

andererseits aber auch hoch genug, so dass aus konventionellen Brenn- gasen (z. B. Erdgas, aber auch De- ponie- oder Biogas) der benötigte Wasserstoff in der Brennstoffzelle selbst her gestellt werden kann.

Diese Fähigkeit zur sogenannten in- ternen Reformierung macht diesen Brennstoffzellentyp unabhängig vom Aufbau einer breiten Wasser- stoffversorgung. Wasserstoff, der Brennstoff für alle Brennstoffzel- len, kommt nämlich in der Natur nicht in reiner Form vor.

Als weltweit erstes Brennstoffzel- lensystem dieser Art erreichte der HotModule am Magdeburger Uni- versitätsklinikum im Mai 2006 eine Rekord-Betriebsdauer von 30.000 Stunden und demonstrierte damit,

dass diese Technologie auf dem be- sten Weg zur wirtschaftlichen Nut- zung ist. Diese HotModule genann- te Brennstof fzellenanlage des Herstellers MTU CFC Solutions GmbH wurde 2002 im Kraftwerk des Universitätsklinikums der Otto- von-Guericke-Universität Magde- burg von der IPF Heizkraftwerks- betriebsgesellschaft mbH in Betrieb genommen - im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Feld- versuchs.

Der Betrieb der Anlage wurde par- allel dazu von Forschern der Otto- von-Guericke-Universität Magde- burg und des Max-Planck-Institutes für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg sowie des Lehrstuhls für Ingenieurmathema-

Brennstoffzellen

brennen nicht durch

Hans Josef Pesch, Kurt Chudej

Abb. 1:

HotModule im Bau:

Einbau des Brenn - stoffzellenstapels

Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Anlagen sind umweltfreundliche Ener- gielieferanten, können sogar den nötigen W asserstoff intern produ- zieren und liefern nicht nur Str om, sondern auch Abwärme. Hohe Tem peraturschwankungen führen jedoch zu Materialermüdungen und verkürzen ihre Betriebszeiten. Mit Hilfe von innovativen mathemati- schen Methoden der Optimalen Steuerung kann ein Dur chbrennen von Brennstoffzellen verhindert werden.

Abb. 2:

HotModule des Magdeburger Uni- versitätsklinikums

tik der Universität Bayreuth wis- senschaftlich begleitet, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung. Ziel war die Entwicklung neuer Regelungs- strategien für Brennstoffzellensys - teme.

Aus der Sicht der beteiligten Wis- senschaftler gestaltete sich die Zu- sammenarbeit zwischen Forschung und Industrie bei diesem Projekt einzigartig und idealtypisch: Die in- dustriellen Kooperationspartner ge- währten den beteiligten Wissen- schaftlern freien Zugang zur Anlage und ermöglichten die Erfassung der relevanten Messdaten über das Pro- zessleitsystem.

Mit diesem Forschungsprojekt bot sich die Möglichkeit, neue Werk- zeuge für eine weitere grundlegen- de Brennstof fzellenforschung zu entwickeln. Der Weg für leistungs- fähigere Brennstoffzellen mit län- geren Laufzeiten wurde geebnet.

Zudem sind im Zuge dieses Pro- jektes erhebliche Erfolge in der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses zu verzeichnen: Die Vorlesung zum Thema Brennstoff- zellensysteme fand unmittelbar

neben der HotModule-Anlage statt.

Zahlreiche interdisziplinäre Di- plomarbeiten, Promotionen und Ha- bilitationen wurden an den beiden Universtätsstandorten erfolgreich abgeschlossen.

Darüber hinaus erwies es sich so- wohl für den Hersteller MTU CFC Solutions GmbH, als auch für die Partner aus der Wissenschaft als ein glücklicher Umstand, mit Herrn Dr.h.c. Joachim Berndt, Senior Chef der IPF Heizkraftwerksgesellschaft Magdeburg, einen engagierten, technologischen Vorreiter mit un- ternehmerischer Initiative und Durchsetzungskraft getrof fen zu haben, um dieses Vorhaben umzu-

setzen. Der Betrieb der Brennstoff- zellenanlage HotModule war und ist ein wichtiger Meilenstein zu einem ausgereiften, umweltfreund- lichen System.

Aus Sicht der Mathematik stellen sich folgende Fragestellungen:

Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen können, wie gesagt, Erdgas in Was- serstoff umwandeln und daraus thermische und elektrische Energie mithilfe elektrochemischer Reak- tionen gewinnen. Bei der Analyse und der Steuerung der physikalisch- chemischen Abläufe innerhalb der Zelle müssen die Wechselwirkun- gen zwischen den einzelnen Kom- ponenten der Brennstof fzelle bei

16 spektrum

Abb. 3:

Funktionsweise des HotModules

Brennstoffzellen brennen nicht durch – Lebensdauerrekord mit Mathematik

ENERGIE UND UMWELT

Abb. 5:

Funktionsweise des HotModules

Abb. 4: HotModule des Magdeburger Universitätsklinikums

hohen T emperaturen verstanden und vorhergesagt werden können.

Dazu ist eine formale Beschreibung der zeitlichen Entwicklung der Gas- ströme, der Temperaturen und der elektrischen Spannung in Abhän- gigkeit der intern stattfindenden elektrochemischen Reaktionen auf dem örtlich verteilten Gebiet der Brennstoffzelle erforderlich. Das re- sultierende mathematische Glei- chungssystem besteht aus einer pa- rabolischen Gleichung für die Wärmeleitung im Elektrolyten der Zelle sowie hyperbolischen Trans- portgleichungen für den reaktiven Gastransport. Die Potentialfelder werden in jedem Ortspunkt durch ein differential-algebraisches Glei-

chungssystem beschrieben. Darüber hinaus gehen in die rechten Seiten der Differentialgleichungen Inte- gralterme ein. Der Gasstrom zwi- schen Anode und Kathode wird über einen katalytischen Nachbren- ner und eine Mischkammer geführt, sodass die Verknüpfung von Anode zu Kathode durch ein gewöhnliches differential-algebraisches Glei- chungssystem beschrieben wird.

Die Einlassbedingungen am Ano- deneingang und am Lufteinlass bie- ten die Möglichkeit der Steuerung der Brennstoffzelle.

Damit sind numerische Simulatio- nen und extrem zeitaufwändige op- timale Steuerungen, z.B. eines Last- wechsels, möglich, die den Brennstoffzellenstapel optimal von einem stationären Zustand in einen anderen überführen, wenn sich die Anforderungen zur Stromerzeugung an das Brennstof fzellensystem schlagartig ändern. Die numeri- schen Resultate belegen die Lei- stungsfähigkeit moderner Metho- den der Optimalen Steuerung.

Insbesondere konnten durch ge- schickte Wahl der zu optimierenden Größen abrupte Änderungen der

Temperatur innerhalb der Brenn- stoffzelle vermieden werden, die zu kostspieligen Materialermüdungen bis hin zum Durchbrennen des Zel- lenstapels führen können.

Damit sind wir in einem hochaktu- ellen Forschungsgebiet der Mathe- matik angekommen, der Optimalen Steuerung von dynamischen Pro- zessen, die mithilfe partieller Dif- ferentialgleichungen beschrieben werden. Ohne Zweifel stellt das ma- thematische Modell des HotModu- les eines der kompliziertesten opti- malen Steuerungsprobleme bei partiellen Differentialgleichungen dar – immerhin sind es 28 nichtli- near gekoppelte partiell differenti- al-algebraische Gleichungen ge- mischten Typs.

Erst kürzlich erschien dazu ein Ar- tikel der Bayreuther Ingenieurma- thematiker Hans Josef Pesch, Kurt Chudej und deren ehemalige Dok- torandin, Frau Dr. Kati Sternberg, jetzt Merz Pharmaceuticals, Frank- furt, im renommierten SIAM (So- ciety for Industrial and Applied Ma- thematics) Journal on Applied

Mathematics. ^

18 spektrum

Abb. 1:

a) Die physikalischen Prozesse einer Donor-Akzeptor-Doppelschichtsolarzelle. Durch die Absorption von Licht werden Exzitone erzeugt, die in alle Richtungen diffundieren.

Der Anteil, der die D-A-Grenzfläche erreicht, kann in freie Ladungen getrennt werden, dabei wandern die Elektronen in das LUMO des Akzeptors und die Löcher in das HOMO des Donors. Anschliessend werden die Ladungen zu den jeweiligen Elektroden (Al und ITO) abtransportiert. b) Schematische Darstellung einer Polymersolarzelle.

Elektronische Bauelemente und be- sonders Solarzellen aus organischen Materialien haben in der letzten Zeit aufgrund ihres Potenzials in der günstigen Herstellung, der Anwen- dung auf großen Flächen und der Verträglichkeit mit flexiblen Sub- straten immer mehr Aufmerksam- keit auf sich gezogen. Im Gegen- satz zu anorganischen Halbleitern werden in organischen Materialien

unter Beleuchtung keine freie La- dungsträger erzeugt, sondern es ent- stehen Elektronen-Loch Paare, die Exzitone genannt werden. Diese Exzitone müssen, um getrennt zu werden und zu den Elektroden zu gelangen, eine Donor -Akzeptor- Grenzfläche (D-A) erreichen. Un- günstigerweise können Exzitone nur einige zehn Nanometer zurück- legen, bevor sie rekombinieren.

Diese Weglänge wird als Exzito- nendiffusionslänge bezeichnet.

Damit alle Exzitone die D-A- Grenzfläche erreichen können, ist eine sehr dünne Absorptionsschicht notwendig. Im Gegensatz dazu liegt die optische Absorptionslänge (die notwendige Schichtdicke für ma- ximale Absorption) im Bereich ei- niger hundert Nanometer. Für eine

effiziente Solarzelle wird deshalb eine dicke Absorptionsschicht be- nötigt, die dann aber mit der sehr kurzen Exzitonendif fusionslänge nicht mehr verträglich ist. Um die- ses Problem zu lösen, wurde die ursprüngliche Doppelschichtsolar- zelle weiterentwickelt durch die Einführung des Konzepts einer Multischichtsolarzelle und durch das der ‘bulk heterojunction’ von D-A (Abb. 1). Ein ‘bulk hetero- junction’ kann im einfachsten Fall durch das Blenden von D und A er- reicht werden.

Aber in Polymer -Polymer-blends findet normalerweise eine Makro- phasenseparation statt, die den Wir- kungsgrad der Ladungstrennung und somit den Gesamtwirkungsgrad einer Solarzelle begrenzt. Die Na-

Strom aus Plastik

Unter „Strom aus Plastik“ versteht man die Sonnen- energieumwandlung mit Hilfe von Polymersolarzel- len. Hier werden die Funktionsweise, die Materialan- forderungen und diverse Konzepte der organischen Solarzellen beschrieben. Im Gegensatz zu anorgani- schen Halbleitern werden in organischen Materialien unter Beleuchtung keine freie Ladungsträger erzeugt, sondern Elektronen-Loch Paare. Diese sollen zunächst getrennt und zu den Elektroden abtransportiert wer- den, um effiziente Solarzellen aus Kunststoff zu be- kommen.

Mukundan Thelakkat

Abb. 2:

Verschiedene Architekturen der aktiven Schicht zur Erzeugung von D-A-Grenzflächen für die Ladungstrennung.

Bayreuther Forscher arbeiten an effizienten

nostrukturierung von ‘bulk hetero- junction’ wäre eine geeignete Lö- sung dieses Problems, weil sie die notwendige Perkolationspfade für den Abtransport der Ladungen bie- tet.

Blockcopolymere, in denen zwei Polymere mit angepassten elektro- nischen Eigenschaften (Donor- und Akzeptorblock) kovalent verknüpft sind, können durch Selbstorganisa- tion ‘nanostrukturierte bulk hetero- junction’ erzeugen. Das Wechsel- spiel der kovalenten Verknüpfung und der Unmischbarkeit der beiden Blöcke führt zu einer spontanen Bil- dung geordneter Mikrophasen im Bereich molekularer Größenord- nungen. Damit kann das Problem des Exzitonentransports zu der D-A-Grenzfläche gelöst werden (Abb. 2). Vor dem Hintergrund des enormen Potentials für Anwendun- gen in der Nanotechnologie waren die Grundlagen zur Selbstorgani- sation von Blockcopolymeren in dünnen Filmen im letzten Jahrzehnt Bestandteil zahlreicher Studien. Der eindeutige Vorteil der Blockcopo- lymere bei der Anwendung in eini- gen elektronischen Bauteilen aus organischen Materialien wurde be- reits erkannt, aber eine Anwendung in Solarzellen steckt immer noch in den Kinderschuhen.

In der Arbeitsgruppe, Angewandte

Funktionspolymere, werden diver- se wissenschaftliche Aspekte die- ses Themas genau unter die Lupe genommen. Dabei werden neue Materialien synthetisiert, völlig neue Konzepte zur Donor-Akzep- tor-Heterojunction entwickelt und die Mesostrukturbildung in kom- plexen Blockcopolymersystemen untersucht. Dabei werden Proto- typsolarzellen hergestellt und cha- rakterisiert, um Struktur -Eigen- schaft Beziehung zu erlangen.

Eine Alternative zum rein organi- schen System sind Hybridmateria- lien aus anorganischen und organi- schen Halbleitern. Hierbei werden meistens Breitbandhalbleiter-Me- talloxide als n-typ Halbleiter (Ak- zeptor) und organische Moleküle oder Polymere als Donormaterial verwendet. Die gewünschte D-A Grenzfläche und Ladungstrans- portpfaden können in diverser Art erzeugt werden, wie in Abb. 3 dar- gestellt. Bei den Farbstof f/TiO2- Feststoffsolarzellen, wird eine po- röse TiO2-Schicht (hergestellt aus TiO2-Nanokristallen) mit Farbstoff sensibilisiert und anschließend die Poren mit Feststofflochleitern ge- füllt und kontaktiert. Für die Her- stellung von TiO2-Nanorohrsolar- zellen werden auf ein Substrat senkrecht ausgerichtete TiO2-Na- noröhren statt TiO2-Nanokristallen verwendet. Diese beiden Systeme gehören zu Hybridsolarzellen und

beide, der Farbstof f und der Lochleiter, können entweder nie- dermolekulare oder polymere Ver- bindungen sein. In der Angewand- ten Funktionspolymeregruppe werden Hochleistungsmaterialien für diese Funktionen maßgeschnei- dert entwickelt und getestet. Anders als bei den Hybridsolarzellen, liegt bei der Blockcopolymersolarzellen der Schwerpunkt auf der Entwick- lung neuer multifunktionaler Poly- mermaterialien mittels moderner Polymerisationsmethoden. In den letzten 3 Jahren ist es uns gelungen, konjugierte Polymersegmente, die sehr gute Ladungstransporteigen- schaften besitzen, in Blockcopo- lymere zu integrieren und daraus effiziente Polymersolarzellen her-

zustellen. ^

UNIVERSITÄT BAYREUTH

Angewandt Funktionspolymere, Makromolekulare Chemie I, UBT.

Kontakt-E-mail:

mukundan.thelakkat@uni-bayreuth.de

Prof. Dr.

Mukundan Thelakkat

Solarzellen aus Kunststoff

Abb. 3:

Die nach der Herstellungsart eingeordneten Typen der organischen und Hybridsolarzellen.

(links) Farbstoff/TiO2 - Feststoffsolarzelle, (mitte) TiO2 -Nano - rohrsolarzelle, (rechts) Blockco- polymersolarzelle

20 spektrum

Reaktive Reststoffe fangen

Markus Bauer

Die Begrenzung der CO2-Emissio- nen als Beitrag zum Klimaschutz gehört zu den wichtigen Vorhaben der Bundesregierung im Bereich Energie und Umwelt. Das ALCA- TRAP-Projekt (ALcaline CArbon TRAPping), Start 2008 im Rahmen des Geotechnologien-Programms des BMBF , beschäftigt sich mit einem technischen Verfahren zur Bindung von CO2aus Kraftwerks- rauchgasen. Im Gegensatz zu ande- ren Ansätzen, die sich mit der Ab- trennung und anschließenden Verbringung von reinem CO 2 in geologische Formationen beschäf- tigen, wird im ALCATRAP-Me- chanismus CO2-haltiges Rauchgas direkt am Kraftwerk mit sogenann- ten alkalischen Reststoffen (z. B.

Verbrennungsaschen) zur Reaktion gebracht (Abb. 1). Es bilden sich mineralische Karbonat-Festphasen (z. B. CaCO3), die über lange Zeit-

räume stabile Senken für CO2dar- stellen. Ziel des ALCATRAP-Ver- bundes zwischen dem Lehrstuhl für Hydrologie der Universität Bay- reuth, der Fachhochschule Nürnberg und dem Verfahrenstechnikunter- nehmen RVT Process Equipment ist die Optimierung des CO2-Bin- dungsprozesses für verschiedene Reststoffe und Reaktionsbedingun- gen sowie der Betrieb eines Pilot- systems unter Kraftwerksbedingun- gen.

Einsetzbare Rohstoffe und Produkte

Entscheidend für das Vermögen zu einer schnellen CO2-Bindung ist der Mineralbestand in den eingesetz- ten alkalischen Materialien. Bei den niedrigen Drücken und Temperatu- ren im ALCATRAP-Verfahren sind besonders Materialien mit einem hohen Anteil an reaktiven Oxiden (CaO, MgO) zur CO2-Bindung ge- eignet (Abb. 2). Dazu gehören bei-

spielsweise Aschen aus der Ver- brennung von Braunkohle. Aber auch andere alkalische Reststoffe mit geringerem CaO-Anteil haben ihr CO 2-Bindungsvermögen im Labor unter Beweis gestellt. Aschen aus der Biomasse- oder Hausmüll- feuerung oder Schlacken aus der Stahlherstellung enthalten Mg-Pha- sen oder Ca-haltige Silikate, die vermutlich zur Fixierung von CO2

beitragen. Während der Reaktion wird das zugeführte CO2in Form von Karbonat mit Ca bzw. Mg aus- gefällt und damit dauerhaft festge- legt. Neben anthropogenen Abfall- stoffen enthalten auch natürliche Gesteine alkalisch reagierende Mi- nerale. Diese weisen allerdings eine geringe Reaktivität unter atmo- sphärischen Bedingungen auf und erfordern zudem Abbau, Aufberei- tung und Transport, weshalb sie für das ALCATRAP-Verfahren nicht geeignet.

Optimale

Reaktionsbedingungen

Die Reaktionsbedingungen wäh- rend der Behandlung von Rest- stoffsuspension mit CO2-Gas spie- Bei der Verbrennung von Energieträgern wie Steinkohle, Braunkohle oder Biomasse entsteht

das klimawirksame Gas CO2. Daneben fallen aber auch sogenannte alkalisch reagierende Reststoffe an, beispielsweise Filter- oder Bettaschen. Im ALCATRAP-Projekt untersucht der Lehrstuhl für Hydrologie der Universität Bayreuth die Eignung und das Bindungsvermögen dieser Abfallmaterialien zur Festlegung von CO2 .

Abb. 2:Verschiedene alkalische Reststoffe:

a) Ca-/Mg-Oxid-Anteil, b) CO2-Aufnahme innerhalb von 2 h bei unterschiedlichen Fest-/Flüssig-Verhältnissen Abb. 1:

Schematische Darstellung der CO2-Bindung im ALCATRAP-Ver - fahren. CO2und Asche aus der Verbrennung von Kohle, Biomasse oder Hausmüll wer- den zur Reaktion gebracht, wobei CO2in Form von Karbonat-Mineralen gebunden wird.

a) b)

Lehrstuhl für Hydrologie untersucht

ENERGIE UND UMWELT

CO ₂ aus Kraftwerksabgas

len eine wichtige Rolle für die Ge- schwindigkeit der Bindung und die erreichbare Aufnahme. Das Vorläu- ferprojekt CO2-Trap hat gezeigt, dass Mineralauflösung, CO2-Nach- lieferung und Karbonat-Fällung die Gesamtreaktion kontrollieren. Die dort gefundenen hohen Reaktions- raten und CO2-Bindungskapazitä- ten haben sich im Rahmen des AL- CATRAP-Projekts für verschiedene Reststoffe und vor allem auch für geringe Fest/Flüssig-Verhältnisse bestätigt (Abb. 2 b). Diese Erkennt- nisse sind wichtige, positive Vor- aussetzungen für eine Anwendung auf industrieller Skala und liefern neue Ansätze, wie das Design und der Betrieb der Pilotanlage optimiert werden kann.

Von Labor zum Pilot

Der wichtigste Baustein des AL- CATRAP-Projektes ist der Aufbau und Betrieb einer Pilotanlage zur CO2-Bindung. Diese wurde von RVT Process Equipment im Som- mer 2009 am Biomassekraftwerk des Gewerbeparks Natur und Ener- gie in Rednitzhembach gebaut. Das System basiert auf Komponenten aus der nassen Gaswäsche (Abb. 3).

In Wasser suspendiertes alkalisches Reststoffmaterial wird mit CO2-hal- tigem Rauchgas an einer großen be- netzbaren Oberfläche zur Reaktion gebracht. Der rasche Austausch zwi- schen Gas-, Flüssig- und Festphase ermöglicht eine effiziente, schnelle CO2-Bindung. Die ersten Tests an der Pilotanlage durch die Ohm- Hochschule Nürnber g waren er - folgreich. Derzeit wird an der Op- timierung der Prozessbedingungen,

der Verfahrenstechnik und der ab- schließenden Entwässerungsschrit- te gearbeitet.

Potenzial, Sicherheit, Anwendung

Die verschiedenen alkalischen Rest- stoffe zeigten je nach Prozessbe- dingungen eine Aufnahme-Kapazi- tät von 50 – 200 mg CO2kg Asche.

Je nach Art des Brennstoffs, anfal- lender Aschemenge und Reststoff- zusammensetzung lassen sich in einem internen Kreislauf nach den bisherigen Erkenntnissen damit rund ein Prozent des z. B. in einem Braunkohlekraftwerk entstehenden CO2wieder binden. Deutschland- weit fallen jährlich mehr als 10 Mio.

t Aschenmaterial an, die zu einem großen Anteil ungenutzt deponiert werden. Insgesamt ist die Menge an im ALCATRAP-Verfahren fixier- baren CO2 jedoch durch das Ge- samtaufkommen an alkalischen Reststoffen limitiert. Zusätzliches alkalisches Material bedeutet auch höhere CO2-Bindung, mögliche an- dere Quellen dafür sind beispiels- weise Stahlschlacken. Ist ein sol- ches Material bei geringem fi- nanziellem und energetischem Auf- wand verfügbar lässt es sich auch effizient einsetzen.

Anders als bei der Verpressung von CO2 in geologische Formationen kann man für das ALCATRAP-Ver- fahren der mineralischen CO2-Ab- scheidung eine Gefährdung der Um- welt durch CO2-Gas ausschließen und von einer langfristigen Festle- gung ausgehen. Dafür stellen sich Fragen die für eine Verwertung oder

Deponierung des karbonatisierten Produkts wichtig sind. Sprich: Be- sitzt ein solches Material Eigen- schaften die einen Einsatz als Zu- schlagsstoff in der Bauindustrie ermöglichen? Erleichert die Karbo- natisierung die Deponierung des Materials bzgl. Deponiestandsi- cherheit oder Grundwassergefähr- dung? Ein zusätzlicher Mehrwert in diesem Bereich wird dem ALCA- TRAP-Verfahren sicher einen Schub geben, selbst wenn andere Verfahren eine höhere CO 2-Ab- scheideleistung versprechen.

Insgesamt scheint eine technische Realisation des ALCATRAP-Ver- fahrens innerhalb der nächsten 3 – 5 Jahre durchaus machbar und könn- te dann einen der sicher vielen not- wendigen Bausteine zur Reduktion der CO2-Emissionen liefern. Ob der Einsatz sinnvoll und wirtschaftlich ist, hängt von der Effizienz der Pi- lotanlage und vor allem aber auch von der Entwicklung der Preise bei den CO2-Zertifikaten ab. ^

Abb. 3:

Schematische Dar - stellung und Bild der CO2-Wäscher- Pilotanlage in Rednitzhembach

Abb. 4:

Karbonatisierte Asche

Eignung und Bindungsvermögen