transmitter - · PDF fileBerufseinstieg, Traineeprogramm, Praktikum, Abschlussarbeit ... Hot Parts, Injection Control and Monitoring, Piping, Platforms and Tools Engine Management

www.f04.uni-stuttgart.de/transmitterwww.f07.uni-stuttgart.de/transmitter 1/2009

transmittertransmitterMAGAZIN DER FAKULTÄTEN DES STUTTGARTER MASCHINENBAUS

■ ENERGIE

■ Der Dampf aus der Steck-dose

■ Erneuerbare Energien inDeutschland

■ Kernreaktoren der viertenGeneration

■ Die Natur als chemischeFabrik

■ UMWELT UND GESUNDHEIT

■ Schädliche Stoffe anWerkzeugmaschinen

■ MATERIALPRÜFUNG

■ Schäden entdecken –Versagen verhindern

■ STUDIUM

■ Erneuerbare und WASTE

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IMPRESSUM/INHALT

a) Louvre

c) Centre Pompidou d) Eiffelturm

b) Moulin Rouge

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3transmitter 1/2009

Inhaltsverzeichnis

Editorial 4Michael Schmidt

ENERGIE

Der Dampf aus der Steckdose 6Niederdruckdampfturbine, Forschung am Arbeitspferd der KraftwerkeMichael Casey und Mitarbeiter

Erneuerbare Energien in Deutschland 9Zwischenbilanz einer ErfolgsstoryFrank Musiol

Kernreaktoren der vierten Generation 12Nur interessante Studienobjekte oder die Renaissance der Kernenergie?Eckart Laurien

Die Natur als chemische Fabrik 16Industrielle Biotechnologie – Schlüsseltechnologie für das 21. JahrhundertThomas Hirth

UMWELT UND GESUNDHEIT

Schädliche Stoffe an Werkzeugmaschinen 20IGE verbessert die Erfassung durch StrömungssimulationJörg Schmid und Bing Gu

MATERIALPRÜFUNG

Schäden entdecken – Versagen verhindern 24Innovative zerstörungsfreie Prüfverfahren für moderne WerkstoffeGerhard Busse

STUDIUM

Neuer Studiengang „Erneuerbare Energien“ 28Stuttgarter Tradition demnächst mit BachelorabschlussStefan Tenbohlen und Birgit Spaeth

Internationaler Masterstudiengang WASTE 30Michael Waldbauer

NEWS

Maschinenbau-Absolvent der Uni Stuttgart gewinnt Zukunftspreis 34

Lernfabrik aIE: Schulungen für die Industrie: Wandlungsfähigkeit lernen 35

15. Internationale Dichtungstechnik-Tagung 2008 in Stuttgart – ein Rückblick 35

Rennteam der Uni Stuttgart ist Weltmeister 35

Impressum

transmitter6. Jahrgang, Nr. 1/2009

Herausgeber

Die Fakultäten des Stuttgarter

MaschinenbausPfaffenwaldring 970569 Stuttgart

Internet: www.f04.uni-stuttgart.dewww.f07.uni-stuttgart.de

Redaktion

Dr. Birgit Spaeth (V.i.S.d.P.)Institut für Industrielle Fertigungund Fabrikbetrieb (IFF)

Universität StuttgartNobelstraße 1270569 Stuttgart

Telefon: 0711/970-1810Telefax: 0711/970-1220E-Mail: [email protected]

Internet: www.iff.uni-stuttgart.de

Schlussredaktion und Layout

Peter Fendrich

EcoText International PartGHermannstraße 570178 Stuttgart

Telefon: 0711/615562-0E-Mail: [email protected]: www.ecotext.eu

Titelbild

Jürgen Acker, photocase.declean energy

Anzeigen

Dr. Birgit SpaethInstitut für Industrielle Fertigung

und Fabrikbetrieb (IFF)

Druck

GO · Druck · Media · Verlag

Einsteinstraße 12-1473230 Kirchheim/TeckInternet: www.go-kirchheim.de

Auflage: 11.000 Ex.

Stuttgart: F7, F4, Uni Stuttgart, 2009

IMPRESSUM/INHALT


Im Bereich der Biomaterialien und der Nanobiotech-nologie werden wir uns zum Beispiel mit der Her-stellung neuer Monomere für biobasierte technischeKunststoffe beschäftigen und die kontrollierte Erzeu-gung nanoskaliger funktionaler Bausteine erfor-schen, zum Beispiel für Anwendungen in den Mate-rialwissenschaften, in der Sensorik und in der Sig-nalverarbeitung.

In der pharmazeutischen Biotechnologie beschäfti-gen wir uns mit allen in Zellen produzierten, gen-technisch maßgeschneiderten Wirkstoffen. Diese Ar-beiten beinhalten die Konzeptentwicklung, das Mo-lekül-Design, die Wirksamkeitsprüfung neuer Thera-peutika bis hin zur biotechnischen Produktion imtechnischen Prozess.Mit der Anwendung von Syntheseprinzipien der Na-tur auf industrielle Prozesse beschäftigt sich die in-dustrielle Biotechnik. Dabei steht z.B. die Produkti-on von organischen Grund- und Feinchemikalien,von Biopolymeren sowie von Synthesebausteinenund die von neuen Pharmazeutika im Fokus.Dem Forschungsgebiet der Bioenergie kommt schonheute eine große Bedeutung zu.Hier ist zum Beispiel die nachhaltige Bereitstellungvon Wärme, Strom und alternativen Kraftstoffen ge-fragt. Forschungsaktivitäten zielen z.B. auf die Nut-zung von Mikroorganismen und Algen für die Erzeu-gung hochwertiger Energiestoffe ab, letztlich mit derPerspektive zukünftiger, industriell nutzbarer Prozes-se zur Energiestoffproduktion.

Für alle, vorstehend nur angerissenen, Forschungs-felder existieren an der Universität Stuttgart ausge-wiesene Kompetenzen. Durch die Zusammenfüh-rung aller dieser Kompetenzen in einer der beidenMaschinenbau-Fakultäten wollen wir die Biotechnikals Forschungsfeld eines weiter gefassten „warmen“Maschinenbaus ausbauen, deren Profil und Sichtbar-keit stärken, die Forschung befördern und das Ge-samtgebiet des Maschinenbaus den Erfordernissendes 21. Jahrhunderts entsprechend ergänzen.Dies sehen wir als Verpflichtung in der Tradition desMaschinenbaus, der sich dem stetigen Wandel undden gestiegenen Anforderungen in den vergangenen150 Jahren immer gestellt und diese gemeistert hat.

Eine anregende Lektüre wünscht

Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt

Liebe Leserinnen und Leser,

Der Maschinenbau ist vielfältig und extrem breit ge-fächert. Dieses Bild spiegelt auch der Maschinenbauan der Universität Stuttgart mit seinen 40 Institutenwider. Die Disziplinen des „kalten“ Maschinenbaussind in der Fakultät 7 „Konstruktions-, Produktions-und Fahrzeugtechnik“ zusammengefasst, die des„warmen“ Maschinenbaus in der Fakultät 4 „Ener-gie-, Verfahrens- und Biotechnik“. Beide Fakultätensind unter dem Dach des „Stuttgarter Maschinen-baus“ verknüpft. Die Ausbildung allerMaschinenbaustudenten wird von einer Gemeinsa-men Kommission beider Fakultäten geregelt.Die letzte Veränderung im Stuttgarter Maschinenbauist die Aufnahme der Biowissenschaftlichen Institute■ Biologisches Institut■ Institut für Industrielle Genetik■ Institut für Mikrobiologie■ Institut für Zellbiologie und Immunologiein die Fakultät 4. Hiermit wurde eine weitreichendestrukturelle Richtungsentscheidung getroffen.

Die Welt steht vor neuen Herausforderungen. The-men wie Gesundheit, Rohstoff- und Energieversor-gung sowie Umwelt verlangen nach neuen Ansätzenund Lösungen in der Forschung und in der Entwick-lung. Eine große Bedeutung kommt dabei den Bio-wissenschaften und der Energie- und Verfahrens-technik zu. Es gilt, die betreffenden Ingenieur- undNaturwissenschaften zusammenzuführen in Rich-tung einer technisch orientierten Biologie und weiterzur Biotechnik.Wir verstehen die Biotechnik als das wissenschaftli-che Fachgebiet, in dem Ingenieur- und Biowissen-schaften zusammengeführt werden, mit dem Zielmittels biologischer, verfahrenstechnischer und ener-gietechnischer Verfahren biobasierte Materialien undProdukte neu, besser und einfacher herzustellen. DasSpektrum reicht dabei von Pharmazeutika über Che-mikalien bis zu Energieträgern.Aufbauend auf den anerkannten Kompetenzen wer-den durch eine gezielte Vernetzung von biologischenmit ingenieurwissenschaftlichen Instituten Erkennt-nisse der biologischen Forschung in technische Pro-zesse integriert. Diese werden für technische Prozes-se nutzbar gemacht. So werden aus technischer Sichtneue Themenstellungen für die Biologie generiert.Die Systembiologie soll gestärkt und ausgebaut wer-den. Diesem Forschungsgebiet mit Querschnittscha-rakter kommt eine Klammerfunktion zu. Hier wirddas Verhalten biologischer Systeme mit mathemati-schen Modellen abgebildet, mit rechnerischen Simu-lationen untersucht und mit experimentellen Ergeb-nissen abgeglichen. Damit werden grundlegendebiologische Vorgänge analysiert.

EDITORIAL

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ie Hauptanforderung an eineDDampfturbine ist die mög-lichst effiziente Umwandlung desEnergiegefälles in mechanische Ar-beit. Dabei wird die tatsächlich zurVerfügung stehende Energie durchden Diffusor und den – von der Kon-densatortechnologie abhängigen –möglichst niedrigen Druck be-stimmt. Die Drücke am Turbinen-austritt liegen bei konventionellenDampfturbinen unterhalb des Sätti-gungsdrucks, weshalb es im Nieder-druckteil der Turbine bereits zur teil-weisen Kondensation des Dampfeskommt.Unabhängig davon, wie der Wärme-erzeugungsprozess der Zukunft aus-

sehen mag – sei die Primärenergie-quelle Erdwärme, Sonnenenergieoder ein Fusionsreaktor – ist dieErhöhung der Leistungsdichte derDampfturbine und speziell derenEndstufe ein Gewinn für unsere En-ergiekonsumgesellschaft. Die Nie-derdruckturbine trägt je nach Mit-tel- und Gegendruck 27 bis 37 Pro-zent zur Anlagengesamtleistung beiund bietet daher Verbesserungspo-tential mit großer Hebelwirkung.Voraussetzung dafür sind neuartigeWerkstoffe, kreative Prozesszyklenund angepasste Designs der meistmit numerischen Methoden entwi-ckelten strömungsführenden Bau-teile.

Die in der Entwicklung eingesetz-ten numerischen Auslegungswerk-zeuge bedürfen vor ihrer Einbin-dung in den Auslegungsprozess ge-nauester Validierung und dazu sindextensive, verlässliche Messdatennotwendig.Strömungsfeld, Nässe- und Schwin-gungsmessungen im Modellver-suchsstand (Abb. 1) einer Nieder-druckdampfturbine am ITSM liefernexzellente Validierungsdaten für nu-merische Methoden. Der Erosions-versuchstand dient der Erforschungund Quantifizierung von Erosions-phänomenen an Niederdruckturbi-nenschaufeln und die resultierendeMinderung von Erosionsschäden ver-

Der Dampf aus der SteckdoseNiederNiederNiederNiederNiederdruckdruckdruckdruckdruckdampfdampfdampfdampfdampfturbine,turbine,turbine,turbine,turbine, F F F F Forschung am Arbeitspforschung am Arbeitspforschung am Arbeitspforschung am Arbeitspforschung am Arbeitspferererererd der Krd der Krd der Krd der Krd der Krafafafafaftwtwtwtwtwerkerkerkerkerkeeeee

70 Prozent des Strombedarfs in Deutschland werden durch den Einsatz von Dampfturbinen gedeckt.Die Energieumsetzung in der Dampfturbine selbst erzeugt keine schädlichen Emissionen, aber jedeEffizienzsteigerung der Dampfturbine reduziert die für einen gegebenen Leistungsbedarf benötigteHeizleistung. Dies führt bei herkömmlichen Kraftwerkstypen zu einer Reduktion der COX- und NOX-Emissionen oder zu weniger radioaktiven Abfallprodukten. Da auch heute schon solarbetriebeneDampfturbinenanlagen existieren, ist ein modernes optimiertes Turbinendesign für dieWirtschaftlichkeit in jeder Hinsicht unerlässlich.

■■■ KONTAKT

Prof. Michael Casey, D. Phil.Institut für Thermische Strö-

mungsmaschinen und Maschi-nenlaboratorium (ITSM)

Pfaffenwaldring 670569 Stuttgart

Tel: 0711/[email protected]

www.itsm.uni-stuttgart.de

Abb. 1: Modell-dampfturbine des ITSM

Bild: ITSM

ENERGIE

7transmitter 1/2009

ENERGIE

längert die Lebensdauer von Endstu-fenbeschaufelungen.

ITSM-Kompetenz bei derDruckmessung in Dampf

Eine große Herausforderung bei derexperimentellen Untersuchung vonDampfturbinen ist die Messung mitpneumatischen Sonden im MediumDampf. Aufgrund der Kondensationdes Dampfes in den Druckleitungenaußerhalb der Maschine bilden sichWassertropfen. Durch die Kapillar-wirkung in den nur wenige Millime-ter im Durchmesser messendenDruckschläuchen wandern die Was-sertropfen zum Druckaufnehmer undkönnen Beschädigungen hervorrufen.Auch das zu messende Fluid wirddurch die Wassertropfen vom Druck-aufnehmer getrennt und Zustandsän-derungen können nicht mehr erfasstwerden. Dem entgegnet man mit ei-nem Belüftungsverfahren. Da in derEndstufe einer Kondensationsdampf-turbine der Druck unterhalb des Um-gebungsdruckes liegt, kann über klei-ne Ventile ein Luftstrom aus der Um-gebung in den Messkreislauf ange-saugt werden. Dieser Luftstromdrückt die Wassertropfen zurück indie Turbine bzw. verhindert, dassDampf in den Druckschläuchen kon-densieren kann. Allerdings verfälschtdiese Belüftung den Messwert. Invielen Versuchen wurde eine Belüf-tungskorrektur erstellt, die abhängigvom Druck in der Maschine, vomDifferenzdruck mit und ohne Belüf-tung und vom Kondensatordruck ist.In Abb. 2 ist das mit pneumatischenSonden gemessene Geschwindig-keitsfeld für einen Teillastbetriebs-punkt dargestellt. Die zur Messungverwendete Sonde wurde speziell fürdiesen Betriebspunkt entwickelt. DieBeherrschung der Druckmessung inDampfturbinen ist eine wichtigeKernkompetenz des ITSM und wirdauch in Zukunft weiter von den In-dustriepartnern geschätzt werden.

Tropfen für Tropfen – auchdie Nässe wird gemessen

Neben der Messung des Strömungs-vektors innerhalb der Turbine ist

auch die Bestimmung der Dampf-nässe, also des Massenanteils vonkondensiertem Dampf, von großerBedeutung. Zur Bestimmung desthermodynamischen Zustands desDampfes im Zwei-Phasen-Gebiet,sind nämlich nicht nur Temperaturund Druck, sondern auch Kenntnis-se über die Zusammensetzung desDampfes nötig. Darüber hinauskönnen aufgrund der Tropfengrößenauch Aussagen über den Kondensa-tionsvorgang innerhalb der Turbineund über die Gefahr der Schaufel-erosion, die durch den Aufprall vongrößeren Tropfen gemacht werden.„Größer“ bedeutet hier im Bereichvon 0,1 bis 1 mm.Daher wird am ITSM bereits seitmehreren Jahren Messtechnik zurexperimentellen Bestimmung der

Dampfnässe sowie deren Zusam-mensetzung auf Grundlage derLichtstreuung an sphärischen Par-tikeln entwickelt und eingesetzt.Um alle relevanten Parameter(Druck, Temperatur und Nässean-teil) zeitoptimiert zu messen, wer-den kombinierte optisch-pneumati-sche Sonden verwendet.

Nebelige Angelegenheit –Simulation von Dampf

Die Arbeitsumwandlung im Nass-dampfbereich ist gekennzeichnetdurch zusätzliche Dissipationsver-luste. Verantwortlich hierfür ist dercharakteristische Phasenwechsel ei-ner stark expandierenden Dampf-strömung (Abb. 3). Trotz des Unter-schreitens des Sättigungsdrucks

Abb. 2:Strömungsfeldmessungen,CFD- Stromlinien undSiebenloch-Linsenkopf-sonde

Abb. 3:CFD-Simulationender nukleierendenDampfströmung


ENERGIE

Abb. 5:Schaufelnahe Proben

Bilder: ITSM

Abb. 4 : Standard-Proben

Bilder: ITSM

bleibt die Kondensation zunächstaus und der Dampf geht über in ei-nen trockenen Ungleichgewichtszu-stand. In einem Bereich, in dem denthermischen Gleichgewichtsbedin-gungen im h s-Diagramm für Was-serdampf zufolge theoretisch schondrei bis vier Prozent des Dampfesflüssig sein müsste, kommt esschließlich zur erwarteten Konden-sation. Diese Ungleichgewichtskon-densation ist dafür verantwortlich,dass die frei werdende Kondensati-onswärme nicht direkt zur Energie-umwandlung genutzt werden kannund somit einen dissipativen Anteildarstellt.Ein Optimierungsziel bei der Ent-wicklung von Niederdruckdampf-turbinen ist es, die Nässezusam-mensetzung begünstigend zu beein-flussen. Hierzu kann die Strö-mungssimulation nicht nur einen

Beitrag zum physikalischen Ver-ständnis leisten, sondern sie dientdirekt als Optimierungswerkzeug.Am ITSM konnte in einem aufwen-digen Forschungsvorhaben im Rah-men der Initiative „KW21 – Kraft-werke des 21. Jahrhunderts“ diedreidimensionale Strömungssimu-lation der ND-Dampfturbine deseigenen Versuchstandes inklusiveder stattfindenden homogenen Kon-densationsvorgänge verwirklichtwerden.Die von IMechE, Journal of Powerand Energy, verliehene Auszeich-nung für den besten im Jahr 2007darin publizierten Artikel unter-streicht die Anerkennung dieserArbeit. Vor allem aber dienen diegewonnenen Fertigkeiten und Er-fahrungen als Grundlage für weite-re Forschungsarbeiten im Bereichder Nässe- und Wirkungsgradopti-

mierung von Nieder-druckdampfturbinen.

Materialwider-standsfähigkeitgegen Tropfen-schlagerosion

Zusätzlich zum Turbinen-prüfstand verfügt dasITSM über einen vonSiemens Energy über-nommenen und in vielenDetails ertüchtigten Prüf-stand zur Untersuchungder Tropfenschlagerosi-on. Die Effektivität einerOberflächenbehandlung

oder die Widerstandsfähigkeit einesMaterials gegen Tropfenschlagero-sion kann so ermittelt werden.Der Versuchsstand besteht im We-sentlichen aus zwei getrennten, ko-axialen, sich gegeneinander drehen-den Wellen. Am innen liegendenEnde jeder Welle sind Scheiben an-gebracht, die in einer Vakuumkam-mer rotieren. Auf der größerenScheibe sind in gleichem Abstandüber den Umfang bis zu vier Prüf-linge angeordnet, während auf derkleineren Scheibe zwei Wasserdüseninstalliert sind. Durch die Auslegungjedes Rotors auf Drehzahlen von biszu 11.000 min-1 kann eine Auftreff-geschwindigkeit der Wassertropfensimuliert werden, wie sie in moder-nen ND-Turbinen üblich ist. Durchdie Anordnung in einer Vakuum-kammer liegen darüber hinaus die-selben Umgebungsbedingungen wiein der Endstufe einer Dampfturbi-ne vor. Der Standardtest verwendeteine flache Angriffsoberfläche, wäh-rend die Laufschaufelerosion voneinem rotationssymmetrischen Prüf-körper mit einem aus Schaufelpro-fildaten erzeugten Querschnitt simu-liert wird (Abb. 4 und 5).

ITSM entwickelt Kraftwerkedes 21. Jahrhunderts mit

Die auf einer langjährigen For-schungsgeschichte basierende Kom-petenz im Bereich der Messung vonDrücken, Temperaturen und derNässezusammensetzung in einergesättigten Nassdampfströmung er-laubt die gesicherte Anwendung vonnumerischen Strömungsberech-nungsmethoden für Niederdruck-dampfturbinen.In vier im Jahr 2009 anlaufenden Pro-jekten, die durch die bewährte Ko-operation mit der Siemens AG (En-ergy Sector) und die Unterstützungder Forschungsinitiative „KW21 –Kraftwerke des 21. Jahrhunderts“ermöglicht werden, kommen die amITSM vorhandenen aktuellen Kennt-nisse zur Weiterentwicklung derMesstechnik sowie zur Verwirkli-chung innovativer neuer Design-ideen zum Einsatz.

Michael Casey und Mitarbeiter

9transmitter 1/2009

ie Erneuerbaren Energien ha-D ben in den vergangenen zweiJahrzehnten eine rasante Entwick-lung vollzogen. Ermöglicht habendies politische Weichenstellungenwie das Stromeinspeisungsgesetz,das schon seit 1991 erste wichtigeImpulse für den Ausbau von Wasser-und Windkraft gegeben hat, indemihnen ein Anschlussrecht eingeräumtund Mindestvergütungssätze garan-tiert wurden. Richtig steil bergaufging es ab dem Jahr 2000 mit demEEG, das das Stromeinspeisungsge-setz ablöste und die ökonomischenRahmenbedingungen für Wasser,Wind, Biomasse, Geothermie undPhotovoltaik kräftig verbesserte.

Anteil steigt stetig

Die Zahlen sprechen für sich: ImJahr 1998 hatten die Erneuerbaren

Erneuerbare Energien in DeutschlandZwischenbilanz einer Erfolgsstory

Noch Anfang der neunziger Jahre stellte die Stromwirtschaft in Zeitungsanzeigen klar, dass Erneuer-bare Energien auch langfristig nicht mehr als vier Prozent des deutschen Strombedarfs decken könnten.Nur rund 15 Jahre später, im Sommer 2008, beschließt der Deutsche Bundestag eine Novelle desErneuerbare Energien Gesetzes (EEG), in der das Ziel festgelegt wird, bis zum Jahr 2020 mindestens30 Prozent des Strombedarfs mit Erneuerbaren Energien zu decken.

noch einen Anteil von 4,8 Prozentam Bruttostromverbrauch. 2002waren es bereits 7,8 Prozent und2007 14,2 Prozent. Zusammen mitden Beiträgen zur Wärmebereitstel-lung (6,6 Prozent) und zum Kraft-stoffverbrauch (7,6 Prozent) habendie Erneuerbaren im Jahr 2007 da-mit bereits einen Anteil von 8,6 Pro-zent am gesamten Endenergiever-brauch in Deutschland gehabt. KeinWunder, dass längst andere Länderdabei sind, das deutsche Erfolgsre-zept zu kopieren und das EEG über-nommen haben.Mit dem starken Ausbau der Erneu-erbaren Energien, insbesondere beider Stromerzeugung, sind auch ra-sante technische Entwicklungeneinhergegangen. Deutlich wird dasam Beispiel der Windenergie, diederzeit und wohl auch in Zukunftden größten Beitrag unter den Er-

neuerbaren leistet. In den achtzigerJahren ist mit „GROWIAN“ der Ver-such gescheitert, Windenergie di-rekt im großen Stil nutzbar zu ma-chen. Anfang der 90er Jahre warendann zunächst Windenergieanlagenmit 40 oder 80 Kilowatt LeistungStandard, Ende der neunziger Jahrebereits 500 Kilowatt. Heute liegtdieser Standard bei 2 Megawatt unddie ersten 5-Megawatt-Anlagen sindbereits in Betrieb.Solche „modernen GROWIANE“werden voraussichtlich insbeson-dere offshore, also in der Nord- undOstsee eingesetzt werden. Der Vor-teil: Auf dem Meer weht der Winddeutlich stärker und stetiger als anLand, weshalb mit entsprechendhöherer Stromerzeugung pro instal-lierter Anlage gerechnet werdenkann. Der Nachteil ist allerdings,dass die Errichtung in Küstenentfer-

KONTAKT ■■■

Dr. Frank MusiolZentrum für Sonnenenergieund Wasserstoff-ForschungBaden-Württemberg (ZSW)Industriestraße 670565 StuttgartTel: 0711/[email protected]

ENERGIE

Bild

: R. S

turm

/Pix

elio


nungen von mehr als 40 Kilo-metern und in 30 Metern Was-sertiefe eine echte Herausfor-derung für Statiker und Inge-nieure bedeutet, weshalb dieEntwicklung langsamer ver-läuft als Politik und Branchesich erhofft hatten. Immerhin:Im Testfeld Alpha Ventus,nördlich der Insel Borkum, sol-len sich im nächsten Jahr dieersten zwölf Rotoren drehen.

Solarzellen werden immereffizienter

In anderen Sparten ist der Fortschrittnicht weniger beeindruckend. NochMitte der neunziger Jahren war von„Solartechnik made in Germany“kaum die Rede und 1995 wurden ge-rade einmal 4 Megawatt Photovolta-ikleistung in Deutschland installiert.Im Jahr 2007 betrug die neu instal-lierte Leistung bereits 1.100 Mega-watt, die deutsche Photovoltaikindus-trie ist qualitativ und quantitativWeltspitze und beschäftigt rund42.000 Menschen. Dabei handelt essich keineswegs nur um das reineBestreben, Masse zu produzieren.Der Boom hat vielmehr auch ermög-licht, dass Solarzellen immer effizi-enter werden und neue TechnologienMarktchancen bekommen.So erobern seit einigen Jahren auchneue Entwicklungen, insbesondereim Bereich der Dünnschichttechno-logien, immer mehr Marktanteile.Die am ZSW in Stuttgart entwickel-ten CIS-Dünnschichtmodule wer-den beispielsweise mittlerweile beiWürth-Solar in Schwäbisch Hall inSerie gefertigt. Heute haben Dünn-schichtzellen insbesondere im Be-reich großer Anlagen auf Freiflä-chen bedeutende Marktanteile. We-gen ihrer Variationsmöglichkeiten –Dünnschichtmodule können bei-

ENERGIE

Das Zentrum für Sonnenenergie und

Wasserstoff-Forschung Baden-Württem-

berg (ZSW), zu dessen Stiftern auch die

Universität Stuttgart gehört, ist an sei-

nem Standort Stuttgart unter anderem

in der industrienahen Entwicklung der

Photovoltaik tätig. Das Fachgebiet Sys-

temanalyse koordiniert zudem im Auf-

trag des Bundesumweltministeriums die

Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien

Statistik (AGEE-Stat), die für die Bundes-

regierung das Monitoring zum Ausbau

der Erneuerbaren Energien durchführt.

CIS-Dünnschicht-technologie:

Solarmodul aufflexibler Titanfolie

Bild: ZSW

11transmitter 1/2009

ENERGIE

tens 20 Prozent zu steigern. Eineentsprechende Richtlinie tritt An-fang 2009 in Kraft. Damit müssenandere EU-Länder nachziehen undauch weltweit ist der Trend zu Er-neuerbaren Energien mittlerweileklar erkennbar. So erwirtschaftet diedeutsche Windenergieindustrie in-zwischen den größten Teil ihrerUmsätze im Export und auch für diePhotovoltaikbranche zeichnet sichdieser Trend ab.Trotzdem sind noch längst nicht alleWeichen für die Zukunft gestellt.Denn der Erfolg der Erneuerbaren,wie er sich bei der Stromerzeugungin Deutschland eingestellt hat, bliebim Wärmebereich bisher aus. Eingroßer Teil der fossilen Energieres-sourcen aber wird heute für die Wär-menutzung verbraucht. Zwar sindauch Solarthermische Anlagen undHolzpelletheizungen seit Jahren aufdem Vormarsch, sie lösen bislangaber noch nicht im notwendigenMaß die Öl- und Gasheizungen ab.Abhilfe schaffen können hier ab2009 die Erneuerbare-Wärme-Ge-setze auf Bundes- und Landesebe-ne, die zukünftig für Neubauten eineNutzungspflicht für ErneuerbareEnergien vorsehen – in Baden-Württemberg ab 2010 sogar für Alt-bauten, in denen die Heizungsanla-ge ersetzt werden muss.Und auch der weltweite Trend gibtbislang noch keineswegs Grund zurEntwarnung. Zwar stehen die Zei-chen für die Erneuerbaren aufWachstum, sie schaffen es derzeitaber gerade einmal, den Zuwachs anEnergiehunger zu befriedigen.Eine Trendwende wird nur gelingen,wenn der Primärenergieverbrauchweltweit zurückgefahren wird. Fürdie Industrienationen bedeutet diesdrastische Reduktionen, die nurdurch erhebliche Steigerungen derEnergieeffizienz in allen Bereichengelingen kann – neben der Entwick-lung der Erneuerbaren Energien –die zweite, nicht weniger bedeuten-de Herausforderung für Wissen-schaft und Industrie. Die ebenfallsam ZSW entwickelten Brennstoff-zellen können so zukünftig zurSchlüsseltechnologie werden.

Frank Musiol

spielsweise auch flexibel sein –werden sie zukünftig mit Sicherheitauch andere Segmente erobern.Ein Ende des Aufschwungs der Er-neuerbaren Energien ist nicht abzu-sehen. Angesichts knapper – undteurer – werdender Ressourcen wirdimmer deutlicher, dass sie quasi al-ternativlos sind. Erneuerbare Ener-gien haben in Deutschland im Jahr2007 fast 400 Terawattstunden fos-sile Energieträger eingespart. Damitleisten sie den entscheidenden Bei-trag dazu, unabhängiger von Ener-gieimporten und damit auch Ener-giepreissteigerungen zu werden. Sieerhöhen die Versorgungssicherheit,von der so häufig die Rede ist, undvermindern die wirtschaftlichenRisiken unserer Energieversorgung.

Klimaschutz schafftArbeitsplätze

Längst ist auch immer weniger vonKosten und vielmehr vom Nutzendes Ausbaus der Erneuerbaren dieRede. Die Förderung durch dasEEG kostet den Durchschnittshaus-halt heute ungefähr drei Euro proMonat. Im Gegenzug wird ein En-ergiesystem aufgebaut, das nachhal-tig ist und in vielerlei Hinsicht risi-koärmer als das heutige. Fast ganznebenbei entstanden dadurch bisheute rund eine Viertelmillion neueArbeitsplätze.Und nicht zu vergessen: Erneuerba-re Energien sind heute die wichtigs-te Säule des Klimaschutzes. Schonüber 100 Millionen Tonnen CO

2 hat

ihre Nutzung in Deutschland im Jahr2007 vermieden. Auch wenn man-cher meint, der Emissionshandelwürde alles richten – ohne die Er-neuerbaren gäbe es schon heute fürdie Stromindustrie kein Auskommenmehr mit ihren Zertifikaten, derenPreise vermutlich astronomisch an-steigen würden – mit den bekann-ten Folgen für die Strompreise.Der ehemalige Vorreiter Deutsch-land steht mit seiner Strategie schonlange nicht mehr allein. So hat derEU-Rat 2007 beschlossen, den An-teil der Erneuerbaren Energien amgesamten Endenergieverbrauch derEU bis zum Jahr 2020 auf mindes-

Am ZSW aufgebautes Brennstoffzellensystem „bw-cell“ mit 4kWe

Vom ZSW gefertigte PEM-Brennstoffzellenstapel

Bild

er: Z

SW


er sagt, hier geht nichtsWmehr? Die Kernenergie istkeineswegs eine „Rolle rückwärts“in der Energieversorgung, wie derBundesumweltminister unterstellt.Im Gegenteil: In mehreren europäi-schen Ländern sind Kernkraftwer-ke Bestandteil einer zuverlässigenund umweltfreundlichen Energie-versorgung, die weiter ausgebautwird. Die Errichtung neuer Kern-kraftwerke auf der Basis weiterent-wickelter Technologien hat bereitsbegonnen. Dabei ist es gar nicht soeinfach, die vielfach bewährte Tech-nik heutiger Reaktoren zu übertref-fen.Weltweit steht ein Auftrags- undBauboom neuer Kernkraftwerkebevor, welcher dem der siebzigerJahre in nichts nachstehen wird. Ul-rich Gräber, Geschäftsführer desMarktführers AREVA-NP Deutsch-land GmbH, hat dies in seinemGastvortrag im Rahmen der IKE-Lehrveranstaltung „KerntechnischeAnlagen zur Energieerzeugung“eindrucksvoll dargestellt.

Nicht nur Finnland, wo derzeit dasgrößte und modernste Kernkraft-werk der Welt gebaut wird, sondernauch andere europäische Länderwie Frankreich, England und dieSchweiz wollen die Stromversor-gung mit Kernenergie durch Kraft-werksneubauten, die ältere Anlagenersetzen, erhalten oder sogar weiterausbauen.

In den Startlöchern für dienächste Generation

Nach einer Stagnation der Kern-energie in den neunziger Jahren ste-hen die Hersteller heute in den Start-löchern, nicht nur Komponentenund Brennelemente von Kernkraft-werken zu liefern, sondern komplet-te, neu entworfene Kraftwerke. Beidiesen heute im Bau oder in Planungbefindlichen „evolutionären“ Reak-toren der sogenannten „GenerationIII+“ wird das Fachwissen aus mehrals 35 Jahren Wartung und Betriebder rund 200 in Westeuropa und denUSA vorhandenen Anlagen genutzt.

IKE-Dissertationen inter-national beachtet

Aber auch grundlegend neue, „re-volutionäre“ Reaktorkonzepte, dieKernkraftwerke der vierten Genera-tion, werden heute international ent-wickelt. Sie sind am Markt derzeitnoch nicht verfügbar, könnten aberin Zukunft neue Möglichkeiten derKernenergie, zum Beispiel zur Was-serstoffproduktion oder einer wei-teren Optimierung des nuklearenBrennstoffkreislaufes, eröffnen. Ne-ben der Sicherheit, die stets im Vor-dergrund steht, werden Fragen wieZuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeitund Brennstoffausnutzung für die-se Anlagen neu zu beurteilen sein.

Hierfür ist die Expertise des IKEmehr denn je gefragt, sowohl imRahmen multinationaler europäi-scher Forschungsprojekte und nati-onaler Reaktorsicherheitsforschungals auch im Bereich ingenieurtech-nischer Dienstleistungen auf inter-nationaler Ebene. In diesem Umfeldwurden beispielsweise mehrere Pro-motionen an unserer Fakultät zuThemen im Zusammenhang mitdem Superkritischen Leichtwasser-reaktor SCWR und dem Hochtem-peraturreaktor HTR, beides Kon-zepte der vierten Generation, durch-geführt, die international große Be-achtung und Anerkennung gefundenhaben.Als Wissenschaftler nehmen wir unsdie Freiheit, ehrgeizige Ziele zu ver-folgen, auch wenn diese heute nochnicht realisierbar erscheinen. Kon-ventionelle Kohlekraftwerke nutzenheute die günstigen Eigenschaftenvon superkritischem Dampf, derunter hohem Druck von 250 bar indie Turbinen eingespeist wird. Die-se Technik wird mit dem Superkriti-schen Leichtwasserreaktor, der in

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Abb. 1: Anlagenschaubilddes neuen Europäischen

Druckwasserreaktors(EPR), der sich in Finn-

land im Bau befindet.

Bild: AREVA-NP

ENERGIE

Kernreaktoren der vierten GenerationNur interessante Studienobjekte oder die Renaissance der Kernenergie?

Weltweit spricht man von einer Renaissance der Kernenergie. Auch am Institut für Kernenergetik undEnergiesysteme der Universität Stuttgart (IKE) wird intensiv an neuen Reaktorkonzepten geforscht. SeinLeiter, Prof. Eckart Laurien, erklärt in seinem Plädoyer warum.


Europa auch High-PerformanceLight-Water Reactor HPLWR ge-nannt wird, aktuell im Rahmen ei-ner Kooperation mit dem For-schungszentrum Karlsruhe (FZK),erfahrenen Konstrukteuren der In-dustrie sowie Forschungseinrichtun-gen in mehreren europäischen Län-dern auch für Kernreaktoren ver-folgt. Die in diesem Zusammenhangvorliegenden Aufgabenstellungensind eine enorme Herausforderungan die Wissenschaft und Technik. Soist gegenwärtig noch kein geeigne-ter Werkstoff gefunden, der gleich-zeitig der im Reaktorkern zu erwar-tenden Strahlenbelastung sowie denauftretenden hohen Temperaturenvon bis zu 620 °C widerstehen kann.Auch die Strömung und der Wärme-übergang unter diesen Bedingungenmüssen verstanden und modelliertwerden. Moderne Computerwerk-zeuge, zum Beispiel die numerischeStrömungssimulation (Computatio-nal Fluid Dynamics, CFD) werdendazu als Entwurfsmethoden einge-setzt. Die Arbeiten haben bereits in-teressante Beiträge zur Konstrukti-on dieses Reaktors geliefert. Wirkönnen heute noch nicht sagen, ober unter allen genannten Aspektenden Systemen der GenerationIII+ überlegen sein wird.Wenn seine Konstruktionaber weiteren kritischen Ana-lysen standhält, wird durch Erhö-hung des thermischen Wirkungsgra-des ein wesentlicher Schritt zur Ver-besserung der Wirtschaftlichkeit undReduzierung radioaktiver Abfällevon Kernkraftwerken geleistet.

Es geht auch ohne Wasser-dampf

Zuweilen werden auch auf den ers-ten Blick unkonventionelle Zieleverfolgt, welche bei näherer Be-trachtung jedoch keineswegs neusind. Muss ein Kernkraftwerk im-mer mit Wasserdampf eine Turbinemit Generator antreiben, um Stromzu erzeugen? Der Hochtemperatur-reaktor HTR oder Very-High Tem-perature Reactor VHTR wird mitdem Gas Helium gekühlt, welchesihm unter hohem Druck zugeführt

Abb. 2: Reaktordruck-behälter des Hochleistungs-LeichtwasserreaktorsHPLWR der viertenGeneration

Bild: ForschungszentrumKarlsruhe und IKE

wenn er entsprechend konstruiertist, als inhärent sicher bezeichnen,das heißt selbst bei angenommenemVersagen aller Sicherheitseinrich-tungen wird keine Radioaktivität indie Umgebung freigesetzt. EineKernschmelze ist unmöglich. Zumanderen ist die hohe Temperatur alsProzesswärme, zum Beispiel für dieWasserstoffproduktion, interessant.

Neben diesen beiden neuen Kernre-aktortypen gibt es weitere, welcheweltweit innerhalb der Initiative „Ge-neration IV“ erforscht werden. Die-ser Initiative ist neben den USA,Kanada, Japan und China auch dieEU beigetreten. Zu den GenerationIV Systemen zählt neben einigen

ENERGIE

wird. Die Austrittstemperatur kannoberhalb 850 °C liegen. Hier wirdeine Technologie wieder aufgegrif-fen, die in Deutschland bis Ende der80er Jahre entwickelt und erprobtwurde. Der wesentliche Unterschieddes HTR zu in Betrieb befindlichenReaktoren betrifft die Brennelemen-te. Der Brennstoff wird hier zu nureinem Millimeter großen Partikelngeformt, die von einer stabilenSchicht auf Siliziumbasis um-schlossen sind, die dann ihrerseitsin eine kugelförmige oder zylinder-förmige Graphitmatrix eingebettetwerden. Die Gründe, diese Techno-logie erneut aufzugreifen, sind zumeinen die extrem hohe Sicherheitdieses Reaktortyps. Man kann ihn,


traktive Entwicklungsmöglichkeitenzu bieten, beteiligt sich das IKE anverschiedenen Initiativen und Förder-programmen zur „Kompetenzerhal-tung Kerntechnik“, welche vomBund, den Versorgungsunternehmenund den Herstellern initiiert wordensind. Diese Förderprogramme bietendie Möglichkeit, das Handwerk vonden erfahrenen Ingenieuren zu erler-nen und haben das Ziel, einemmöglicherweise bevorstehendenFachkräftemangel entgegenzuwirken.Daneben besteht für die Studieren-den am IKE die einzigartige Chan-ce, sich im Rahmen laufender Ent-wicklungsarbeiten zum südafrikani-schen und chinesischen HTR mit die-sen und damit zusammenhängendeninnovativen Themengebieten vertrautzu machen. Wesentliche Erkenntnis-se dieser Arbeiten wiederum fließenunmittelbar in den Lehrstoff ein undsorgen dadurch für Aktualität undAttraktivität des Lehrgebiets Kerne-nergietechnik an der UniversitätStuttgart.Der politisch motivierte Ausstiegaus der Stromerzeugung durchKernenergie in Deutschland ist un-ter den aufgeführten Aspekten undPerspektiven bei der Einschätzungder Berufsaussichten junger Absol-venten oder Doktoranden heutekaum noch von Bedeutung. Beson-dere Chancen für Berufsanfängerbestehen im Bereich Planung, Ana-lyse und Begutachtung neuer Kraft-werke im Ausland sowie in der For-schung und Entwicklung auf demGebiet der Kernenergietechnik heu-te mehr denn je. Beispielsweise istein Generationswechsel bei denFachleuten der Industrie bereits invollem Gange. So wird der Perso-nalbedarf in Deutschland in dennächsten Jahren auf mehrere tau-send Fachkräfte eingeschätzt. Dem-nach bestehen beste Aussichten,sich als junge Ingenieurin oder jun-ger Ingenieur in der innovativen, zu-kunftsorientierten Kernenergietech-nik und deren Umfeld einzubringen.Wir sind deshalb anderer Meinungals der Bundesumweltminister underwidern auf die eingangs gestellteFrage: „Hier geht was!“

Eckart Laurien

Abb. 4: Blick in denThorium-Hochtempe-raturreaktor während

der Beladung

Abb.3: KugelförmigeBrennelemente des

Hochtemperatur-reaktors der vierten

Generation

ENERGIE

eher theoretisch interessanten, auchder Brutreaktor, der in Deutschlandderzeit nicht erforscht wird. Mit ihmkann das künstliche Element Pluto-nium hergestellt und als Kernbrenn-stoff für andere Reaktoren verwen-det werden. Die Technologie istgrundsätzlich entwickelt. Allerdingsgibt es zur Zeit keinen Bedarf füreinen solchen Brennstoff-Lieferan-ten, da weltweit genügend Uran so-wohl für die bestehenden Reaktorenals auch die nachfolgenden Reaktor-generationen vorhanden ist. DieAufgabe besteht eher darin, das inden abgebrannten Brennelementenvorhandene Plutonium zu nutzen.Die zukünftigen Reaktortypen dervierten Generation existieren – sosollte man meinen – nur in unsererPhantasie oder „im Computer“.Aber dem ist nicht so! Die südafri-

kanische Firma PBMR, an der ne-ben dem südafrikanischen Staatauch amerikanische Investoren be-teiligt sind, betreibt konkret dieKonstruktion und den Bau einesHochtemperaturreaktors. Auch inChina wird bereits der Bau einesleistungsfähigen HTR vorbereitet.An beiden Vorhaben ist das IKEbzw. die dem Institut angeschlosse-ne KE-Technologie GmbH mit um-fangreichen wissenschaftlichenAufgabenstellungen beteiligt.International gesehen findet die Re-naissance der Kernenergie aufgrunddes stetig steigenden Energiebedarfsauch ohne die Reaktoren der vier-ten Generation statt. Warum ist dann,kann man sich fragen, die Verfol-gung neuartiger Reaktorkonzeptedennoch sehr wichtig? Die univer-sitäre Forschung muss stets innova-tiv sein und darf sich nicht mit derAnalyse der vorhandenen Systemebegnügen. Mit unseren Arbeitenprüfen wir, ob die technischen Mög-lichkeiten derzeit vorhandener Ent-würfe bereits ausgeschöpft sind. Ver-besserungsmöglichkeiten werdenerkundet und Grenzen aufgezeigt.Die neuen Reaktoren der viertenGeneration sind Zukunftsvisionenund Studienobjekte zugleich. Bishersind sie noch nicht bezüglich allerEigenschaften der Generation III+ebenbürtig oder überlegen, denntrotz der heute zur Verfügung stehen-den modernen Berechnungsverfah-ren und Simulationsmethoden ist esnicht einfach, diese insgesamt in al-len Belangen zu übertreffen. Wirsind uns jedoch sicher, dass weitereFortschritte in der Reaktorentwick-lung erzielt werden können, wennPrototypen neuer Reaktorsystemeentworfen, analysiert und mit heuti-gen Reaktoren verglichen werden.

Chancen für Studierende

Das Institut für Kernenergetik undEnergiesysteme der Universität Stutt-gart ist nicht nur in der Forschung,sondern auch mit seinem aktuellenLehrangebot sowohl auf bestehendeals auch auf neue Reaktorkonzepteausgerichtet. Um jungen Ingenieur-innen und Ingenieuren schon früh at-B

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as Institut für Grenzflächen-D verfahrenstechnik IGVT unddas Fraunhofer IGB können dankihrer wissenschaftlichen Ausrich-tung und interdisziplinären Zusam-menarbeit auch in der industriellenBiotechnologie neue Ansätze eröff-nen. So arbeiten Biologen und Bio-technologen an IGVT und IGB mitChemikern, Physikern und Verfah-renstechnikern Hand in Hand, umneue und effiziente Screening- undExpressionssysteme sowie Produk-tions- und Aufarbeitungsverfahrenzu entwickeln.Über die Photosynthese, die Ener-giegewinnung aus Sonnenlicht, pro-duziert die Natur eine Vielfalt annachwachsenden Rohstoffen, dieder Mensch sowohl stofflich alsauch energetisch nutzen kann. DieNutzung biogener Rohstoffe zurHerstellung technischer, chemi-scher und pharmazeutischer Pro-dukte ist untrennbar mit der indus-triellen Biotechnologie verknüpft.

Die Natur als chemische FabrikIndustrielle Biotechnologie – Schlüsseltechnologie für das 21. Jahrhundert

Die Industrie – und viele andere Interessengruppen mit ihr – will den Verbrauch an Wasser und Energiereduzieren, Rohstoffe und chemische Grundstoffe besser nutzen und zu einem höheren Anteil nach-wachsende Rohstoffe einsetzen. Ein Schwerpunkt der Aktivitäten liegt laut einem Positionspapier dereuropäischen Chemieunternehmen künftig in der industriellen, der so genannten »weißen Biotech-nologie«, wobei nachwachsende Rohstoffe, Reaktions- und Prozesstechnik sowie Materialforschungbesonders berücksichtigt werden.

Zucker, Stärke, Zellulose, Öle undandere nachwachsende Rohstoffehaben eine lange Tradition, sindaber im Industriezeitalter durch denEinsatz von Kohle, Erdöl und Erd-gas in Vergessenheit geraten.Derzeit werden etwa 2,3 MillionenTonnen nachwachsende Rohstoffein der chemischen Industrie einge-setzt. Dies entspricht einem Anteilvon etwa 11 Prozent, nach wie vorwerden 77 Prozent aller Chemika-lien aus Erdöl, 10 Prozent aus Erd-gas und 2 Prozent aus Kohle gewon-nen (Abb. 1). Voraussetzungen füreine Steigerung dieses Anteils sinddie ausreichende Verfügbarkeit,konstante Qualität, wettbewerbsfä-hige Preise und nachhaltige Prozes-se. Welche Inhaltsstoffe derzeit inder Chemie verarbeitet werden,zeigt Abbildung 2.Als in der CO

2-Klimabilanz neutra-

ler Rohstoff gewinnen die nach-wachsenden Rohstoffe und andereBiomasseformen wie Feldfrüchte

und Ernteabfälle, kommunale Fest-stoffabfälle, Rückstände aus derWald- und Forstwirtschaft derzeitweltweit an Bedeutung, sowohl alsChemierohstoff als auch für dieEnergie- und Kraftstoffgewinnung.

Schlüsseltechnologie für das21. Jahrhundert

Die Biotechnologie wird von allenführenden Chemieunternehmen derWelt als die Schlüsseltechnologie fürdas 21. Jahrhundert bezeichnet. Sollder Anteil biotechnologischer Ver-fahren an der chemischen Produkti-on mittelfristig auf 10 bis 20 Pro-zent steigen, sind folgende Voraus-setzungen von entscheidender Be-deutung: Nachwachsende Rohstof-fe müssen langfristig wettbewerbs-fähig verfügbar sein, hochselektive,ökonomische und nachhaltige bio-technologische Prozesse sind zu ent-wickeln und verbesserte Enzymeund Produkte herzustellen.Für einen verstärkten Einsatz derBiotechnologie in der industriellenProduktion muss anstelle vieler Ein-zelaktionen ein integrativer Prozess-und Produktansatz im Vordergrundstehen, der die gesamte Prozessket-te von der Auswahl biogener Roh-stoffe und biobasierter Vor-/Zwi-schen-Produkte über die Biokataly-satorentwicklung bis zur Produkti-on und anwendungstechnischenCharakterisierung der so erzeugtenEnd-Produkte umfasst.

Biomasse – Nahrung, Heil-mittel oder Energielieferant?

Biomasse stellt die einzige alterna-tive Kohlenstoffquelle zu fossilen

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Abb. 1: Rohstoffeinsatz inder deutschen Chemie2003 (nach VCI, FNR)

ENERGIE

Bild

er: I

GB

/IGV

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ENERGIE

Rohstoffen dar. Ein Problem bei derVerarbeitung von nachwachsendenRohstoffen besteht darin, dass die-selben Primärstoffe wie etwa Mo-nomerzucker und stärkereiche Le-bensmittel, die die wenigsten undeinfachsten Verarbeitungsschritteerfordern, auch wichtige Nahrungs-mittelquellen und unverzichtbar fürdie menschliche Ernährung sind.Deshalb müssen weitere Bio-Roh-stoffquellen für den weltweit stei-genden Kraftstoff- und Chemikali-enbedarf erschlossen werden.

Aquatischer Rohstoff Mikroalgen:Wie die Pflanzen fixieren auch imWasser wachsende einzellige Mik-roalgen im Zuge der Photosyntheseatmosphärisches Kohlenstoffdioxidund produzieren eine Vielzahl wert-voller chemischer Verbindungen wieFarbstoffe, ungesättigte Fettsäurenoder pharmazeutisch wirksame Sub-stanzen. Dabei wachsen sie schnel-ler und mit höherer Produktivität alsdie Pflanzen auf dem Land. Sie sindsomit eine interessante, alternativeRohstoffquelle für die industrielle,weiße Biotechnologie.

Organische Rest- und Abfallstof-fe: Auch organische Reststoffe, wiesie in der Landwirtschaft oder beider Lebensmittelherstellung (z.B.Extraktionsschrote, Rübenschnit-zel, Trester) anfallen, enthalten häu-fig noch nutzbare Kohlenstoffver-bindungen. Mit integrierten Biopro-zessen, bei denen spezielle Mikro-organismen oder Biokatalysatoreneinzelne Inhaltsstoffe gezielt undspezifisch umwandeln, lässt sichdie Abfallbeseitigung mit der Wert-stoffgewinnung verbinden. So kannbeispielsweise die in Sauermolke,einem Reststoff bei der Milchver-arbeitung, noch reichlich vorhande-ne Lactose durch eine Kombinati-on aus Fermentation und verschie-denen Membranverfahren in Milch-säure umgewandelt werden. Diegewonnene Milchsäure kann alsPlattformchemikalie in der chemi-schen Industrie eingesetzt oder di-rekt durch Polymerisation zu einembioabbaubaren Kunststoff weiterveredelt werden. Weitere Ansätze

sind die Verwertung von Chitin ausKrabbenschalen, die in großer Men-ge als Abfall anfallen. Eine Aufga-be für die nahe Zukunft wird sein,Lignozellulose und Hemizelluloseaus Stroh- und Holzabfällen ver-wertbar zu machen.

Der Biokatalysator –Screening und Design

Bei der Herstellung chemischer undpharmazeutischer Produkte durchbiotechnologische Verfahren kommtden Mikroorganismen oder derenEnzymen große Bedeutung zu.Neue oder verbesserte Enzyme fürneue Anwendungen, besonders zurGewinnung oder Modifizierung vonSpezialchemikalien, werden benö-tigt. Dabei spielen sowohl konven-tionelle Methoden der Suche vonMikroorganismen und deren Enzy-men eine Rolle, als auch innovativeMethoden wie das komplette Scree-ning der Gene oder Proteine, dasman als Genomics, Metagenomicsund Proteomics bezeichnet.Um effiziente und kostengünstigeProzesse zu entwickeln, konzentrie-ren sich das IVGT und das Fraun-hofer IGB auf:■ Die Identifizierung und Charak-

terisierung neuer bzw. verbesser-ter industrieller Enzyme, vor al-lem durch metagenomischesScreening nicht kultivierbarerMikroorganismen,

■ die Optimierung industriell nutz-barer Enzyme durch molekulareEvolution und kombinatorischeBibliotheken,

■ die verbesserte Produktion re-kombinanter technischer Enzy-me und deren Reinigung.

Beim Screening nach diesen neuenindustriell nutzbaren Enzymen kön-nen wir auf umfangreiche Erfahrun-gen in den Bereichen Metageno-mics, Hochdurchsatz-Screening-Verfahren und Produktion rekombi-nanter Proteine in heterologen Sys-temen zurückgreifen. Dies wirddurch die systematische Nutzungvon Genominformationen aus Se-quenzierungsprojekten unterstützt.Gefundene Enzyme können durchmolekulare Evolution weiter opti-miert werden, um verbesserte En-zymvarianten für diverse Applika-tionen maßzuschneidern.

Entwicklung von Bio-prozessen

Im Mittelpunkt der industriellenBiotechnologie steht die Biokonver-sion: die Umwandlung der Roh-stoffbestandteile in Wertstoffe. DieForschung sucht dabei vor allemnach den optimalen Bedingungenfür die Biokonversion, die im Zu-sammenspiel mit weiteren Prozes-sen wie Stoff- und Wärmetransportzu betrachten ist. Unter anderem

Abb. 2: Nachwachsen-de Rohstoffe in derChemie 2003 (nachVCI, FNR, meo)


können Maßnahmen wie die Immo-bilisierung von Mikroorganismenoder Enzymen zur Gestaltung opti-maler Verfahren beitragen.

Algenproduktion im Photobiore-aktor: Mikroalgen und Cyanobak-terien beispielsweise stellen mithil-fe der Photosynthese eine Vielfaltvon Substanzen wie Fettsäuren, Ca-rotinoide, Pigmente oder Vitamineher, die für die Nahrungsergänzungoder die Herstellung von Pharma-zeutika geeignet sind. Voraussetzungfür eine preiswerte Massenproduk-tion sind Photobioreaktoren, in de-nen – mit Sonnenlicht als Energie-quelle – hohe Biomassekonzentra-tionen bei gleichzeitig hoher Pro-duktivität erreicht werden. DerFlachplatten-Airlift-Reaktor (Abb.3) erfüllt die Voraussetzungen für

eine kommerzielle Massenprodukti-on von Mikroalgen im Freiland. Einvon Algen produziertes Pigmentkann sowohl in der Aquakultur (ro-ter Lachsfarbstoff) als auch aufgrundseiner starken antioxidativen Wir-kung in Nahrungsergänzungsmittelnoder Kosmetikprodukten eingesetztwerden. Algen mit hohem Lipidge-halt werden ferner für die energeti-sche Nutzung untersucht.

Hochwertige Lacke aus Rohglyze-rin: Aus pflanzlichen Ölen könnennach entsprechender AufbereitungDiole und Dicarbonsäuren alsGrundstoffe für Biopolymere herge-stellt werden (Abb. 4). Bei der Her-stellung von Biodiesel beispielswei-se entsteht Glyzerin als Nebenpro-dukt der Umesterung von Rapsöl.Es liegt als 80-prozentige viskose

Flüssigkeit vor und enthält nochFettsäuren und Salze bei einem pH-Wert von 11. 1,3-Propandiol ist einchemischer Grundstoff, der zumBeispiel zur Herstellung von Poly-estern oder für hochwertige Lackeverwendet wird. Bislang wird erdurch chemische Synthese herge-stellt. Es gibt aber einige Mikroor-ganismen, die Glyzerin zu 1,3-Pro-pandiol umsetzen können.

Chitin – nachwachsender Roh-stoff aus Krabbenschalen: Chitinist nach Zellulose das am häufigs-ten vorkommende Biopolymer aufder Erde und fällt in der Aquakulturin großen Mengen als Abfall an.Chitin kann von vielen Bakteriendurch Chitinasen abgebaut werden.Ziel ist es, ein enzymatisches Ver-fahren zu entwickeln, bei dem Chi-tin zunächst biotechnisch zu Mono-meren abgebaut wird, die anschlie-ßend chemisch zu gut modifizier-baren Grundbausteinen der Poly-merchemie (Stickstoffheterozyklen)umgesetzt werden.Mit einem Anreicherungsscreeninghaben wir Organismen mit neuen,noch nicht geschützten Chitinasengesucht (Abb. 5). Laborversuchemit den Isolaten zeigten, dass dieProduktion der Chitinasen wachs-tumsgekoppelt erfolgt und die En-zyme ins Medium sekretiert wer-den. Dies erleichtert die Abtrennungder Enzyme von der Biomasse.

Milchsäureproduktion aus StärkeStärke ist eine wichtige Speichersub-stanz pflanzlicher Zellen und Haupt-bestandteil von beispielsweise Ge-treide und Kartoffeln. Als Polysac-charid aus Glucose-Einheiten kannStärke auch für biotechnologischeProzesse genutzt werden. Hierbeiwird Stärke über die enzymatischeSpaltung zu Glucose und mit Hilfevon Mikroorganismen zu Milchsäu-re umgesetzt. Der Prozess wird tech-nisch heutzutage in zwei Schrittendurchgeführt, nämlich der enzyma-tischen Spaltung der Stärke zu Glu-cose mit technischen Enzymen undder fermentativen Umsetzung derGlucose in Milchsäure. Milchsäureist ein chemischer Grundstoff, der in

ENERGIE

Abb. 3: Mehrere FPA-Photobioreaktoren können

miteinander gekoppeltund so Algenbiomasseim Kilogrammmaßstab

hergestellt werden.

Bilder: IGB/IGVT


zugänglich zu machen, sind – jenach Art des Ausgangsstoffes –mehrere Aufbereitungsstufen zudurchlaufen. Dabei handelt sich ummechanische, thermische oder che-mische Prozesse, die auf die nach-folgende Biokonversion abge-stimmt werden müssen.Der Erfolg biotechnologischer Ver-fahren wird auch wesentlich von denProzessen der Produktisolierungund -reinigung bestimmt, die derBiokonversion folgen. Die mecha-nischen, thermischen oder chemi-schen Trenntechniken müssen opti-mal auf die vorgelagerte Biokonver-sion und die nachfolgende Weiter-verarbeitung abgestimmt werden.Die dabei entstehenden Rohprodukt-gemische weisen in der Regel einegeringe Konzentration der ge-wünschten Wertstoffe auf. Gleich-zeitig sind oft hohe Anforderungenan die Reinheit des Endproduktes zuerfüllen.Wir haben schonende und effizienteAufarbeitungsverfahren für Synthe-sebausteine, Pharmaka, Lebensmit-telzusatzstoffe oder pflanzliche Na-turstoffe entwickelt, darunter auchspezifische Membranverfahren. Die-se können mehrstufige Downstream-Prozesse vereinfachen und falls er-forderlich mit herkömmlichen Trenn-verfahren wie Zentrifugation undExtraktion oder chromatographi-schen Verfahren kombiniert werden.Beispiele hierfür sind Membranfilt-rationsverfahren oder Elektrodialysezur schonenden Abtrennung uner-wünschter Begleitsubstanzen oderzur Aufkonzentrierung der Produkte.

Die Bioraffinerie: In der Bioraffi-nerie wird die Biomasse sowohl

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chemischen Prozessen zu verschie-denen Endprodukten weiterverarbei-tet werden kann.Ziel war es, einen Prozess zu ent-wickeln, bei dem die Stärke direktvon stärkespaltenden Mikroorganis-men hydrolysiert und die resultie-rende Glucose in Milchsäure ver-stoffwechselt wird. Zu diesemZweck wurde ein Screening durch-geführt, bei dem stärkespaltendemilchsäureproduzierende Bakterienvon der Deutschen Sammlung fürMikroorganismen und Zellkulturen(DSMZ) und Wildisolate aus demAbwasser einer Stärkefabrik auf dieVerwertung von Weizen- und Mais-mehl als gut verfügbare Stärkequel-le untersucht wurden. Die meistender getesteten Mikroorganismen-Stämme konnten die Stärke imMehl nur sehr langsam oder garnicht umsetzen. Das mag daran lie-gen, dass zum Abbau komplexerStärkequellen wie Mehl verschiede-ne Enzyme notwendig sind, die diemeisten stärkespaltenden Stämmeoffenbar nicht in geeigneter Kom-bination aufweisen.Es gelang uns jedoch einen Stammzu isolieren, der Mehlstärke mit sehrhoher Geschwindigkeit und guterAusbeute in Milchsäure umzuwan-deln vermag. Es handelt sich dabeium einen Lactobacillus-Stamm, der60 g/l Mehl innerhalb von etwa 7Stunden umsetzen kann. Dieser Or-ganismus wird nun für die weitereProzessentwicklung eingesetzt.

Rohstoff zum Energie-lieferanten aufbereiten

Um die Rohstoffbestandteile denMikroorganismen und Enzymen

stofflich als auch energetisch ge-nutzt. Nach oder neben der Gewin-nung von Kraftstoffen und Baustei-nen für chemische Synthesen kannaus der Restbiomasse kohlendioxid-neutral Energie gewonnen werden,in dem man sie verbrennt oder bio-technisch zu Biogas umsetzt. DieBiovergasung im Fermenter bietetsich vor allem bei sehr feuchtenRückständen an, sowohl aus ener-getischer Sicht als auch im Sinnedes Klimaschutzes, denn diese Va-riante birgt das größte Potenzial zurReduktion von Kohlenstoffdioxid.Die Erzeugung von Biogas lässtsich außerdem optimal mit chemi-schen Verfahren verbinden, da bei-de Prozesse in wässriger Phase undbei niedrigen Temperaturen ablau-fen. Biogas kann in Wärme undStrom umgewandelt oder zu Metha-nol als Kraftstoff oder Basischemi-kalie umgesetzt werden.

Thomas Hirth

Abb. 4: Schema einernachhaltigen Nutzungvon pflanzlichen Ölen

Abb. 5: Chitinolytische Bakterien auf chitinhaltigen Agarplatten


ie dreidimensionale Simula-D tion der Strömungs- und Stoff-ausbreitungsvorgänge in Einhausun-gen von Werkzeugmaschinen eröff-net Beurteilungsmöglichkeiten, diemit experimentellen Untersuchungenbei weitem nicht in diesem Umfanggegeben sind. Allein schon die Visu-alisierung der Vorgänge hinsichtlichStrömungsgeschwindigkeiten und-richtungen, Temperaturen undDruckverhältnissen bietet die Chan-ce, diese Vorgänge und deren Auswir-kungen grundsätzlich zu verstehenund erste Verbesserungsmöglichkei-ten im Hinblick auf eine Verringe-rung der Freisetzung der von der Luftmitgetragenen KSS-Partikel abzulei-ten. Dies wird am Beispiel einer aus-

gewählten Werkzeugmaschine desWerkzeugmaschinenlabors WZL ander RWTH Aachen gezeigt.

Wie das Gift in die Hallekommt

An Werkzeugmaschinen gelangenKühlschmierstoffe auf verschiede-nen Wegen in die Produktionshalleund damit in den Aufenthaltsbereichder Arbeiter. Über die Restkonzent-ration in der sogenannten Reinluft(Abb. 1) oder über die warmen bzw.heißen mit Kühlschmierstoffen be-netzten Späne und Werkstücke(Abb. 2), aber auch über Öffnungenund Undichtigkeiten, wenn diese imAbschleuderbereich rotierender Tei-

le liegen bzw. örtlich Überdruckherrscht. Schließlich ist das Öffnender Türen am Ende eines Bearbei-tungszyklus eine Gefahrenquelle.Um die Kühlschmierstofffreiset-zung über Öffnungen und Undich-tigkeiten zu vermeiden, muss sicher-gestellt werden, dass an allen diesenÖffnungen Unterdruck herrscht. DieKühlschmierstoffkonzentrationmuss sowohl aus Gründen des Ex-plosionsschutzes als auch aus bear-beitungstechnischen Gründen be-grenzt werden, Wärme muss abge-führt werden. Letzteres ist aller-dings nur bei der Minimalmengen-schmierung bzw. bei der Trocken-bearbeitung von Bedeutung, da beider überfluteten Kühlung/Schmie-

Schädliche Stoffe an WerkzeugmaschinenIGE verbessert die Erfassung durch Strömungssimulation

Die gesundheitsschädliche Wirkung von Kühlschmierstoffen auf die Haut und das Atmungssystem der Men-schen ist unbestritten, aber die Zusammenhänge sind noch lange nicht erschöpfend erforscht. NachSchätzungen des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften (HVBG) sind allein inDeutschland rund 4,5 Millionen Arbeitnehmer in etwa 200.000 überwiegend mittleren und kleinerenUnternehmen Kühlschmierstoffen ausgesetzt. Die Erfassung der Kühlschmierstoffe an den Werkzeugma-schinen gelingt nur unvollständig und bedarf dringend der Verbesserung. Das Institut für GebäudeenergetikIGE arbeitet mit der Schwesterfirma HLK Stuttgart GmbH an diesem Problem mit dem Mittel der Simulation.

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Abb. 1 und 2:Reinluftrückführung und

KSS-Emissionen

Abb. 3 und 4:Drehmaschine und ihr

Simulationsmodell


gelangt etwa die Hälfte der nach-strömenden Luft durch diese Öff-nung in die Einhausung. Der Luft-strom legt sich an den Boden an undströmt nach links. Von der Seiten-wand wird er dann nach oben undim weiteren Verlauf von der Deckewieder nach rechts zur Abluftöff-nung hin abgelenkt.Die zugehörige Druckverteilung inder untersuchten Drehmaschine istin Abb. 6 dargestellt. Im Mittelherrscht ein Unterdruck gegenüberder Umgebung von etwa 7 Pa. Manerkennt, dass an den Umlenkungs-stellen in den beiden Ecken linksunten und oben der Unterdruck we-gen des Staudrucks der Luftströ-mung etwas schwächer ist.Bei abgeschalteter Abluftanlagewirken die Spannbacken der Dreh-maschine wie ein Propeller, der dieLuft radial verdrängt (Abb. 7). DieNachströmung erfolgt axial über daseingespannte Werkstück hinweg.Vom Backenfutter ausgehend ent-stehen so zwei entgegengesetzt ge-richtete Luftwalzen.Im Bereich der Schließfugen derSchiebetür entsteht Überdruck(Abb. 8). An diesen Stellen kann mitKühlschmierstoff beladene Luftausströmen.Bei der Kombination beider Vorgän-ge, die der Simulation des realenBetriebs entspricht, sind keine kla-ren Luftwalzen mehr zu erkennen(Abb. 9). Die Strömung erfasst indiesem Fall die gesamte Einhau-sung. Der vom Abluftventilator er-zeugte Unterdruck reicht dabei nichtaus, das Ausströmen von mit Kühl-schmierstoff beladener Luft an denbereits erwähnten Türfugen zu ver-meiden (Abb. 10).

Wieviel Abluftstrombraucht man?

Aus dem Vergleich der Druckver-hältnisse bei Rotation von Spindelund Werkzeug ohne Abluftstrom mitden entsprechenden Druckverhält-nissen bei Betrieb der Abluftanlagekann der Zusammenhang zwischendem statischen Druck an den poten-tiell undichten Stellen der Einhau-sung und dem Abluftstrom abgelei-

rung die wesentlichen thermischenLasten vom Kühlschmierstoff auf-genommen werden.Eines der Probleme ist, dass dieWirkungsgrade der Abscheider vomLuftstrom abhängen. Mit zuneh-mendem Luftstrom nehmen dieWirkungsgrade grundsätzlich ab,wodurch der Anteil der Kühl-schmierstoffbestandteile in derReinluft steigt.Die Forderung, dass keine Späneoder Kühlschmierstoffpartikel direkthinaus geschleudert werden, ist inden meisten Fällen verhältnismäßigeinfach zu erfüllen. Sofern die Ab-luftöffnungen nicht eindeutig außer-halb dieses Schleuderbereiches an-geordnet sind, sollten sie mit einerBlende versehen werden, derenDurchmesser größer ist als derjeni-ge der Abluftöffnung selbst. Um zuvermeiden, dass größere Kühl-schmierstoffpartikel zum Abscheidergelangen, sollten sich so genannteSpritzwasserabscheider bzw. Vorab-scheider direkt an die Abluftöffnungan der Einhausung anschließen.Dem Problem der Freisetzung vonKühlschmierstoffpartikeln über dieSpäne kann man begegnen, indemman die Späneabfuhr in das Abluft-system mit einbezieht.

Analyse der Strömungs-vorgänge

Abb. 3 zeigt eine der Drehmaschinen,die im Rahmen eines vom Hauptver-band der Gewerblichen Berufsgenos-senschaften (HVBG) gefördertenForschungsprojekts exemplarischuntersucht wurden. In Abb. 4 ist dasModell der Maschine für die Strö-mungssimulation mit den wesentli-chen Einbauten sowie Öffnungen undUndichtigkeiten zu sehen.In den Abbildungen 5 bis 10 sinddie Strompfadlinien sowie die zu-gehörigen Druckverhältnisse in derEinhausung für einen Abluftstromvon bis zu 650 m³/h und für eineSpindeldrehzahl der Maschine vonbis zu maximal 3.000 U/min darge-stellt. Abb. 5 zeigt die Strompfadli-nien ausgehend von der Öffnung fürdie Späneabfuhr. Für den Fall, dassnur die Abluftanlage in Betrieb ist,


Abb. 5

Abb. 6

Abb. 7

Abb. 8

Bild

er: H

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tet werden. Der Durchmesser der Ab-luftöffnung spielt in dieser Hinsichtpraktisch keine Rolle (Abb. 11).Für die Ermittlung des Verlaufs ge-nügen zwei Punkte, weil man weiß,dass die Abhängigkeit zwischen denbeiden Größen quadratisch ist. DieMaschine erreicht demnach beiBetrieb mit einer Maximaldrehzahlvon 3.000 U/min erst bei einemAbluftstrom von 1.350 m3/h an denkritischen Stellen einen statischenDruck von 0 Pascal.In Abb. 12 ist der Zusammenhangzwischen dem Mindestabluftstromund der Spindeldrehzahl dargestellt.Wenn keine bzw. nur geringe Ther-mik innerhalb der Einhausung ge-geben ist und keine Teile rotieren,ist auch kein Abluftstrom erforder-lich. Damit ist der Nullpunkt vor-gegeben. Aufgrund des linearen Zu-sammenhangs der beiden Variablengenügt ein weiterer Punkt für dieErstellung des Diagramms.Bei den Versuchen des Berufsge-nossenschaftlichen Instituts für Ar-beitsschutz – BGIA an dieser Ma-schine betrug die maximale Dreh-zahl beim Schlichten 950 U/min.Aus Abb. 12 folgt, dass unter die-sen Bedingungen ein Mindestab-luftstrom von etwa 450 m³/h erfor-derlich gewesen wäre.

Wenn nicht aus anderen Gründen (z.B. Begrenzung der Kühlschmier-stoffkonzentration aus Gründen desExplosionsschutzes oder aus Grün-den der notwendigen Abfuhr thermi-scher Lasten) der Abluftstrom hochgehalten werden muss, besteht alsodie Möglichkeit, den Abluftstrom andie Spindeldrehzahl zu koppeln undso den Abscheidegrad am Abschei-der günstig zu beeinflussen.

Weniger Gift in der Abluft

Ist es also möglich, durch eine ent-sprechende Anordnung der Abluftöff-nung in der Einhausung den Min-destabluftstrom auch für stationäreBearbeitungsvorgänge zu senken unddamit die Abscheider zu entlasten?Im stationären Betrieb muss ausBilanzgründen der aus der Maschi-ne abgeführte Kühlschmierstoff-strom gleich groß sein wie der Kühl-schmierstoffstrom an der Quelle.Dabei ist nicht der über die verschie-denen Zufuhrsysteme in die Einhau-sung eingebrachte Kühlschmier-stoffstrom ausschlaggebend, son-dern der Strom an luftgetragenenKühlschmierstoffpartikeln, der ander Bearbeitungsstelle entsteht.Man kann davon ausgehen, dassdieser Kühlschmierstoffquellstrom

Abb. 9

Abb. 10

Abb. 11

Abb. 12

Abb. 13

Abb. 14

Bild

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Wenn die Tür sich öffnet

Die Vorgänge beim Türöffnen sindindividuell sehr verschieden undhängen neben der Maschinengeo-metrie von folgenden Faktoren ab:■ den Luftgeschwindigkeiten und

-richtungen unmittelbar vor derTüröffnung; die hier gespeicher-ten Impulse bauen sich zwarschnell ab, beeinflussen aber denVorgang während der allererstenZeit nach bzw. während des Tür-öffnens,

■ der Thermik an mehr oder weni-ger heißen Werkzeugen undWerkstücken,

■ dem Abluftstrom und der Luft-führung bei offener Tür; beideskann vom Fall der stationärenBearbeitung abweichen.

Abb. 15 zeigt die Konzentrationsver-teilungen in der Einhausung und imBedienbereich des Arbeiters. Darge-stellt sind die Werte für die Zeitpunk-te unmittelbar nach dem Öffnen derTür sowie nach einer Sekunde, nachvier Sekunden und nach ungefährzehn Sekunden. Die Schnittebeneliegt in der Mitte der Tür. Dabei istzu beachten, dass wegen der gewähl-ten Skalierung nur Konzentrationenbis zum 0,1-fachen der Abluft darge-stellt werden. Es ist deutlich zu se-hen, wie nach wenigen Sekunden mitKühlschmierstoff beladene Luft inden Aufenthaltsbereich gelangt.

Was also kann die Belastungreduzieren?

Das Simulationsprojekt des IGEgemeinsam mit der HLK hat erge-ben, dass die Belastung mit gesund-heitsschädlichen Kühlschmierstof-fen insbesondere durch angepassteLuftströme in Verbindung mit einerintelligenten Luftführung deutlichreduziert werden kann. Wenn wiralso diese Erkenntnisse ständig er-weitern und auf breiter Basis in derPraxis umsetzen, dann schaffen wirwesentliche Randbedingungen füreine nachhaltig menschen- undumweltfreundliche sowie kostenop-timierte Produktionsumgebung.

Jörg Schmid und Bing Gu


im Wesentlichen vom Bearbeitungs-vorgang und der Art der Einbrin-gung abhängt. Für den stationärenFall ist die Kühlschmierstoffkon-zentration in der Abluft unabhängigvom Ort der Anbringung innerhalbder Einhausung.

Auf die Luftführungkommt es an

Die Abbildungen 13 und 14 zeigendie Verteilung der Kühlschmierstoff-konzentration in einer Längsebeneder Einhausung für einen Referenz-fall und drei Varianten. Die Skalie-rung der Kühlschmierstoffkonzent-rationen ist normiert auf die mittle-re Konzentration in der Abluft. Dem-nach zeigen die roten Bereiche ört-liche Konzentrationen, die dreimalso hoch sind wie die in der Abluft.Im Referenzfall (siehe Abb. 13) er-folgt der Schlichtvorgang bei einerDrehzahl von 950 U/min. Dies ent-spricht einer Schnittgeschwindig-keit von 400 m/s bezogen auf denaktuellen Werkstückdurchmesser.Die Abluft wird über die vorgese-hene Abluftöffnung (rechts oben)abgeführt (650 m³/h). Die Konzen-trationsverteilung ist sehr ungleich-mäßig und die mittlere Konzentra-tion in der Einhausung hoch. Siebeträgt das 1,4-fache der Konzent-ration in der Abluft.In einer Variante werden die oberenTürfugen als Abluftöffnungen ange-nommen (siehe Abb. 14). Hier sinddie Verhältnisse im Vergleich zumReferenzfall deutlich verbessert.Die mittlere Konzentration in derEinhausung beträgt nur das 0,4-fa-che der Abluft.Die Kühlschmierstoffkonzentrationin der Abluft stellt kein geeignetesKriterium für die Anordnung derAbluftöffnungen innerhalb der Ein-hausung dar. In Verbindung mit derFührung der Zuluft hat die Anord-nung aber großen Einfluss auf dieKonzentrationsverteilung und diemittlere Konzentration in der Ein-hausung. Dies wiederum ist wich-tig im Hinblick auf Fragen des Ex-plosionsschutzes und hinsichtlichder Anfangsbedingungen für denMoment des Öffnens der Tür.

Abb. 15a

Abb. 15b

Abb. 15c

Abb. 15d

Bild

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Schäden entdecken – Versagen verhindernInnovative zerstörungsfreie Prüfverfahren für moderne Werkstoffe

Mit der Einrichtung der Abteilung „Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung“ im Jahre 1988 am damaligenIKP, dem heutigen Institut für Kunststofftechnik (IKT), sollten die Bedürfnisse der Qualitätssicherunginsbesondere moderner Werkstoffe berücksichtigt werden. Seither ist dieses Fachgebiet in der For-schungslandschaft der Universität Stuttgart durch Sonderforschungsbereiche, Landesforschungs-schwerpunkte, Industriekooperationen und andere Projekte fest verankert. An den Lehrveran-staltungen nehmen zukünftige Ingenieure aus fünf verschiedenen Fakultäten teil.

■■■ KONTAKT

Prof. Dr. rer.nat.habil.Gerhard Busse

Institut für Kunststofftechnik(IKT) Abteilung Zerstörungs-

freie Prüfung (IKT-ZfP)Pfaffenwaldring 32

70569 StuttgartTel. 0711/685-62626

[email protected]

www.zfp.uni-stuttgart.de

MATERIALPRÜFUNG

echnischer Fortschritt ist häu-T fig mit den Einsatz neuartigerWerkstoffe verbunden, die im Hin-blick auf neue Anwendungen nichtnur ausgesucht, sondern sogar neugeschaffen werden, den sogenann-ten „Werkstoffen nach Maß“. Beiimmer knapper werdenden Ressour-cen – etwa im Bereich Energie – undbei wachsender Produktionskonkur-renz in Drittländern ist damit zurechnen, dass Bauteile in Zukunftnoch leichter, funktionsorientierterund dauerhafter ausgelegt werdenmüssen, so dass die langfristigeChance unserer Industrie im Wis-

sensvorsprung liegt. Daher sindintensive Forschungsaktivitäten imBereich der Werkstoffe gefordert.

Werkstoffforschung inInnovationen umsetzen

Materialwissenschaft und Werk-stofftechnik sind eine Stärke derUniversität Stuttgart. Die Werkstoff-aktivitäten erstrecken sich hier ineinmaliger Breite von den naturwis-senschaftlichen Grundlagen bis zurNutzung mit der gesamten dazu er-forderlichen zerstörenden und zer-störungsfreien Prüftechnik.

Ergebnisse dieser spannenden Ent-wicklung sind beispielsweise mo-derne Polymer- und Keramikwerk-stoffe, die inzwischen besser sindals die Metalle, die sie ursprünglichersetzen sollten. Die Einsatzberei-che dieser Werkstoffe, etwa in derLuft- und Raumfahrt, der Medizin-und der Kraftfahrzeugtechnik, stel-len an die Zuverlässigkeit vonWerkstoffen und Bauteilen hoheAnsprüche, denn Versagen führthier zu Kosten, die um Größenord-nungen über den Kosten des versa-genden Bauteils liegen.Mit der Überwachung des Bauteil-zustandes im Produktionsprozess,im Betrieb oder bei Inspektionenleistet die zerstörungsfreie Prüfung(ZfP) einen wesentlichen Beitragzur Qualitätssicherung, die auf-grund der Produkthaftung an Be-deutung gewonnen hat.

Fragen bringt neues Wissen

Die Mitarbeiter der Abteilung IKT-ZFP bilden ein interdisziplinäresTeam aus Physikern und Ingenieu-ren verschiedener Fachrichtungen(Maschinenbau, Luftfahrt, Werk-stoffwissenschaft). Das Wechsel-spiel der Fragen „ Verstehst du gutgenug, was du da machst?“ und „Wokann man das in der Praxis gebrau-chen?“ führt daher im selben Teamvon der Idee und den Grundlagenzu neuen zerstörungsfreien Prüfver-fahren und somit zur frühen Erken-nung von Bauteilfehlern und ihrerEntwicklung auf dem Weg zumSchaden. So werden die Ergebnis-se der Grundlagenforschung schnellund in enger Zusammenarbeit mitindustriellen Partnern in die Praxis

Grundidee der nicht-linearen Vibrometrie:

Ein Riss verhält sich imUltraschallfeld wie einlokaler mechanischer

Gleichrichter: Ererzeugt Oberwellen,

die ihn markieren.

Grundlagenversuch:Das ganze Bauteil emit-

tiert bei der eingeleitetenUltraschallfrequenz

(links), vom Riß geht je-doch ein Ultraschallfeld

mit der halben Wellenlän-ge bzw. der doppeltenFrequenz aus (rechts).

Bilder: IKT-ZfP


MATERIALPRÜFUNG

Optisch angeregte Lockin-Thermografie

Links unten: Phasenbildbei 0,1 Hz zur zerstörungs-freien Prüfung eines CFK-Panels aus dem Luftfahrt-bereich. Gemessen wurdean der glatten Außenseite,die schwarzen Striche sindStringer an der Rückseitedes Panels. Die Unterbre-chungen dieser Striche zei-gen, wo sich die Stringerunter Last vom Panel ab-gelöst haben (Probefreundlicherweise vom DLRBraunschweig überlassen).

Rechts unten: Phasenbildbei 0,05 Hz zur zerstö-rungsfreien Prüfung derTragfläche eines Ultra-leichtflugzeugs. Identifizie-rung einer schlechtenKlebung: Die Beplankunghat sich stellenweise vomTragflächenholm getrennt.Bei idealer Klebung würdeder schwarze Bereich ganzzwischen den beiden mitPfeilen markierten Geradenverlaufen (Flügel freund-licherweise vom Sport-fliegerclub Waiblingenüberlassen).

umgesetzt, um Bauteile sicherer zumachen.Diese Brückenfunktion der Abtei-lung IKT-ZFP zwischen Grundla-gen und industrieller Anwendungzeigt sich auch in der Art der Finan-zierung, die zu etwa 80 % aus Dritt-mitteln erfolgt.An drei aktuellen Beispielen sollhier gezeigt werden, wie IKT-ZFP– von den Grundlagen ausgehend –neue zerstörungsfreie Prüfverfahrenentwickelt, wie sich diese an Pra-xisbauteilen bewähren und welchenFortschritt diese neuen Verfahrengegenüber den bisherigen bieten:

Filtern von Wellen hilft Risseentdecken

Die „abbildende nichtlineare Vibro-metrie“ stammt aus dem Bereich derAkustik. Ein Bauteil sollte eigent-lich mit der Frequenz schwingen,mit der man es zum Schwingenbringt. Es gibt aber Schäden – vorallem die besonders gefürchtetenRisse – die nur die Druckphase ei-ner Schwingung übertragen könnenund nicht die Zugphase, sie verhal-ten sich also wie ein mechanischerGleichrichter. In der Elektrotechnikist bekannt, dass Gleichrichter Ober-wellen produzieren, und bei den me-chanischen ist es nicht anders: EinRiss erzeugt Wellen mit anderen Fre-quenzen, und diese Wellen lassensich zur Defektidentifizierung her-ausfiltern. Die Wellen bleiben beimDefekt und markieren ihn. So liefertdie abbildende nichtlineare Vibro-metrie ein defektselektives Bild auchvon großen sicherheitsrelevantenBauteilen. Die Erkennungssicherheitist dadurch so hoch, dass die Beur-teilung nicht durch Subjektivität desPrüfers beeinflusst wird.

Erfindung des IKT-ZFP imindustriellen Einsatz

Die Ultraschall-Lockin-Thermogra-fie erzeugt ebenfalls defektselekti-ve Bilder. Diese Technik basiert aufder optisch angeregten Lockin-Thermografie, bei der ein Bauteilperiodisch beleuchtet und die soberührungslos eingebrachte Tempe-

Anwendung zur Qualitäts-sicherung: Beim Abras-tern eines CFK-Panels mitrückseitigen Stringern fin-det man Oberwellen indem Bereich mit Stringer-delamination. Die Ober-wellen werden zur rotenEinfärbung und damit zurdefektselektiven Abbil-dung verwendet.

Bilder: IKT-ZfP


Optisch angeregte Lockin-Thermografie zur Überprü-

fung der CFK-Felgen desRennwagens der Univer-

sität Stuttgart. Aufgrundder gleichmäßigen Grau-färbung (oben) kann eineDelamination in der Felgeausgeschlossen werden.

Bilder: IKT-ZfP, Rennteam

MATERIALPRÜFUNG

Methodenzusammen-führung: Lockin-Thermo-grafie mit optischer Anre-

gung zeigt thermischeGrenzflächen (links), Lockin-

Thermografie mit Anregungdurch Ultraschall dagegendie Umsetzung elastischer

Wellenenergie in Wärme, siespricht daher auf Risse

(rechts) an. Werden diesebeiden an derselben C/C-

SiC- Probe erhaltenen Bilderübereinandergelegt („Data-

Fusion“, Mitte), so sieht manUrsache (Delamination) undWirkung (Risse) in direktem

Zusammenhang.

nicht das ganze Bauteil thermischan, sondern praktisch nur die De-fekte, charakterisiert durch Lastkon-zentration oder etwa erhöhte mecha-nische Hysterese.Beides führt zu lokaler Erwärmung,wenn sich in dem Bauteil eine elasti-sche Welle ausbreitet, und zwar umsostärker, je höher die Frequenz ist.Wenn die Welle amplitudenmoduliertwird, ändert der Defekt seine Tem-peratur periodisch und emittiert so-mit eine „thermische Welle“, die mit

raturmodulation mit einer Thermo-grafiekamera verfolgt wird. Der aufdiese Weise aufgenommene Bild-stapel wird anschließend pixelwei-se bei der Modulationsfrequenz fou-riertransformiert, daraus resultierendann ein Amplituden- und ein Pha-senbild der lokalen Temperaturmo-dulation. Das Phasenbild liefert ro-buste Bilder verborgener Grenzflä-chen und ihrer schadensbedingtenVeränderungen. Die Ultraschall-Lockin-Thermografie regt hingegen

dem Lockin- Prinzip aus dem Bild-stapel extrahiert wird. Mit dieser „Ul-traschallangeregten Lockin-Thermo-grafie“, die 1992 vom IKT-ZFP pa-tentiert und inzwischen mehrmalsnacherfunden wurde, sind daher de-fektselektive Bilder möglich – imUnterschied zur optisch angeregtenLockin-Thermografie, die sämtlichethermische Grenzflächen zeigt. Inso-fern ergänzen sich die Aussagen bei-der Bildarten in idealer Weise, wiedas folgende Beispiel zeigt: Hierwurde ein Silizierungsdefekt in derFaserkeramik C/C-SiC nachgewie-sen, die bei Hochleistungsbrems-scheiben und bei Kacheln von Raum-schiffen verwendet wird.Von ehemaligen Mitarbeitern derAbteilung wurde im Rahmen derTTI-Initiative der Universität Stutt-gart eine Firma gegründet, die sol-che modernen Thermografieanla-gen baut und mit Erfolg verkauft.Sie werden bereits bei der automa-tischen industriellen 100-Prozent-Qualitätskontrolle am Fließbandeingesetzt.


MATERIALPRÜFUNG

Prinzip der Lockin-Interferometrie, veran-schaulicht an der elektroni-schen Speckle-Interfero-metrie (ESPI): Die periodi-sche Beleuchtung führtdurch Absorption zu modu-lierter Erwärmung und ent-sprechender thermischerAusdehnung und Verbie-gung. Die Höhenmodu-lation wird dekodiert undals Bild (Amplituden- oderPhasenbild) dargestellt.

ZfP-Patent zum Erkennenvon Klebefehlern

Die Lockin-Shearograf ie wurdeebenfalls am IKT-ZfP entwickelt und1992 patentiert. Sie nutzt das Lo-ckin-Prinzip, also die Dekodierungeiner zuvor erfolgten Effektkodie-rung, zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses interferomet-risch erzeugter Bilder um mehr alsFaktor zehn. Bei diesem Verfahrenwird das Bauteil ebenfalls periodischbeleuchtet, und zwar so tieffrequent(typischerweise etwa 0,1Hz), dassTrägheitseffekte keine Rolle spielen,sodass sich eine quasistatische Ver-formung ergibt, bei der im Wesent-lichen die Phasenverzögerung desWärmetransports eine Rolle spielt.Nach der Dekodierung der modulier-ten thermisch bedingten Verformungsind Defekte im Phasenbild selektivzu erkennen, weil die Phasenlage nurder intakten Bauteilbereiche überallgleich ist. So ergibt sich zusätzlichzum reduzierten Rauschen gegenü-ber der konventionellen Interferome-trie (z.B. Shearografie) eine Verbes-serung der Ortsauflösung.Ein anwendungsrelevantes Beispielzum Einsatz der Lockin-Shearogra-fie ist das Erkennen eines Klebefeh-lers in der Tragfläche eines Flug-zeugs: Bei intakter Klebung ist derBeplankungsbereich zwischen Rip-pen, Holm und Nasenleiste oderEndleiste eine eingespannte Mem-bran mit entsprechendem Verfor-mungsverhalten. Ist die Klebung –etwa zwischen Rippe und Beplan-kung – nicht intakt, so greift dieVerformung von einem Feld insNachbarfeld durch und entlarvt soden Klebefehler. Das Verfahrenwurde zwischenzeitlich in eine of-fizielle luftfahrttechnische Anwei-sung aufgenommen.Die Beispiele haben gezeigt, dassdie Verzahnung von Grundlagen,beispielsweise aus der Physik oderder Messtechnik, und den Bedürf-nissen der Praxis zu neuartigen Lö-sungsansätzen führt, deren Nutzenfür die Universität Stuttgart, ihr in-dustrielles Umfeld und darüber hi-naus schnell sichtbar wird.

Gerhard Busse

Tragflächenbereich einesUltraleichtflugzeugs (links)und Amplitudenbild derLockin-Shearografie diesesBereichs. Die moduliertethermische Beule sieht beidiesem Verfahren wie seit-lich beleuchtet aus. Die bei-den unteren der vier Feldererscheinen als separateBeulen, die beiden oberenFelder bilden hingegen einegemeinsame Beule und zei-gen dadurch die Ablösungder Beplankung von denTragflächenrippen.

UltraschallangeregteLockin-Thermografie(Trägerfrequenz 20 kHz,amplitudenmoduliert bei0,18 Hz) zur Erkennungeines Ermüdungsrisses inmetallischer Flugzeug-struktur (oben links). EinBild aus dem Bildstapel(rechts) entspricht einemüblichen Thermografiebild.In dem aus dem Bildstapelextrahierten Phasenbild(links) ist die intakte Struk-tur unterdrückt, die beidenhellen Punkte markierendefektselektiv die Spitzendes Ermüdungsrisses.


ede Form von EnergiewandlungJ etwa in Solarkollektoren oder ineinem Windrad, unterliegt spezifi-schen physikalisch-technischen Prin-zipien. Diese technologische Vielfaltinnerhalb der Erneuerbaren Energienspiegelt der interdisziplinäre Aufbaudes Bachelorstudiengangs wider. DieKombination elementarer Studienfä-cher aus dem Maschinenbau, derElektrotechnik, Informatik sowieLuft- und Raumfahrttechnik öffnenden Zugang zu verschiedensten Kom-petenzfeldern. Für den Bachelorstu-diengang Erneuerbare Energien ar-beiten 21 Institute aus sieben Fakul-täten zusammen.Im Grundstudium werden mathe-matisch-naturwissenschaftliche undingenieurwissenschaftliche Grund-lagen gelehrt. Ab dem vierten Se-mester wählen die Studierenden ei-nen der drei Wahlbereiche „Elektri-sche Energiesysteme“, „ThermischeEnergiesysteme“ oder „KinetischeEnergiesysteme“ aus.Der Bachelorstudiengang Erneuer-bare Energien bereitet Studierendefür verschiedene andere zukünftigeMasterstudiengänge der UniversitätStuttgart vor. Die Absolventen ha-ben also die Möglichkeit, sich im

Rahmen von viersemestrigen Mas-terstudiengängen zu vertiefen.

Was die Studierenden lernen

Energiewandlung und -anwendungsind zentrale Themen der Ingenieur-wissenschaften. Neben der Schaf-fung politischer und rechtlicherRahmenbedingungen werden Kon-zepte und Technologien sowohl fürden privaten, industriellen als auchkommunalen Bereich benötigt.Dabei kommt dem Know-how undder Qualifikation der beteiligtenWissenschaftlerinnen und Wissen-schaftler sowie den in der Praxis tä-tigen Ingenieurinnen und Ingenieu-ren eine entscheidende Rolle zu.Die Absolventinnen und Absolven-ten des Bachelorstudiengangs Er-neuerbare Energien kennen die na-tur- und ingenieurwissenschaftli-chen Zusammenhänge und Konzep-te der Energiewandlung Erneuerba-rer Energien und verfügen übergrundlegendes Fachwissen auf denGebieten Energiewandlung und -an-wendung.Sie können die Bedeutung, die Po-tenziale und die Wirtschaftlichkeitverschiedener Erneuerbarer Energi-

en (Solarthermie, Photovoltaik,Windenergie, Wasserkraft, Biomas-se) und deren Integration in das En-ergiesystem quantitativ einschätzen.Die Basis dafür bildet ein Überblickdes gesamten Bereichs der Erneuer-baren Energien und einer vertieftenEinführung in zwei Formen der Er-neuerbaren Energien aus dem Be-reich der elektrischen, thermischenoder kinetischen Energiesysteme.

Klimawandel erzeugt Nach-frage nach Fachleuten

Die Nachfrage nach qualifizierten,international ausgerichteten Ingeni-eurinnen und Ingenieuren im Be-reich der Erneuerbaren Energiensteigt seit Jahren stetig an. DieBranche zählt derzeit zu den wachs-tumsstärksten WirtschaftsbereichenDeutschlands. Die Rolle der Er-neuerbaren Energien wird in nächs-ter Zeit erwartungsgemäß auch aufglobaler Ebene an Bedeutung deut-lich zunehmen. Nicht nur die Ver-knappung von Öl und Gas und diedamit verbundene Preisentwicklungsind dafür der Grund, sondern auchdie verstärkte politische Auseinan-dersetzung mit dem Klimawandel

Neuer Studiengang „Erneuerbare Energien“Stuttgarter Tradition demnächst mit Bachelorabschluss

Erneuerbare Energien und Verfahren zur Steigerung der Energieeffizienz sind gefragte Zukunftstechno-logien. Der steigende Bedarf an speziell ausgebildeten Fachkräften bietet prächtige Zukunftschancenfür Absolventen. Der Verein Deutscher Ingenieure schätzt, dass bereits heute jede zehnte Ingenieur-stelle mit Erneuerbaren Energien zu tun hat. Der neue Bachelorstudiengang Erneuerbare Energien willab dem WS 2009/2010 junge Menschen an der Universität Stuttgart auf die vielfältigen Tätigkeitsfelderdieser Wachstumsbranche vorbereiten.

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Prof. Dr.-Ing. Stefan TenbohlenInstitut für Energieübertragung und

Hochspannungstechnik (IEH)Pfaffenwaldring 47

70569 StuttgartTel. 0711 / 685 67870

[email protected]

www.ee.uni-stuttgart.de

Prof. Dr.-Ing. Stefan Tenbohlen

STUDIUM

Wasserkraftwerk Augst-Wyhlen (links) und Meeres-

strömungskraftwerk

Bilder: Kraftwerk Augst AG, Renetec


und der Importabhängigkeit. Gera-de neue Technologien mit einem in-novativen Image wie ErneuerbareEnergien können junge Menschenverstärkt für eine Ingenieurausbil-dung motivieren.

In Stuttgart war Windenergieschon in den fünfziger Jahrenein Thema

Die Forschung im Bereich Erneuer-barer Energien, insbesondere derNutzung von Wind- und Solarener-gie, hat in Stuttgart eine lange Tra-dition. Bereits Anfang der 50er Jah-re entwickelte Professor Hütter zu-sammen mit den Allgaier-WerkenVorläufer moderner Windenergiean-lagen. Gemeinsam mit dem Institutfür Computeranwendungen, demInstitut für Aero- und Gasdynamikder Universität, mit der DFVLR –später dem DLR – sowie der Indus-trie wurden verschiedene Wind-energieanlagen entwickelt und aufdem Testfeld bei Schnittlingen aufder Schwäbischen Alb erprobt. Die-se Stuttgarter Arbeiten waren grund-legend für die industrielle und wis-senschaftliche Entwicklung derWindenergie seit Beginn der neun-ziger Jahre. Zum 1. Januar 2004wurde an der Universität Stuttgartder erste deutsche Lehrstuhl fürWindenergie vom Gründer derAichtaler Putzmeister AG, Dipl.-Ing. Karl Schlecht, gestiftet.Bereits in den siebziger Jahrenforschte die InstitutsgemeinschaftINSOLAR auf den Gebieten der So-larthermie, der Photovoltaik und derHerstellung und Speicherung vonSolarem Wasserstoff. Über vieleJahre war Stuttgart das Zentrum derdeutschen Forschung auf dem Ge-biet der Solarenergie. Die damali-gen Aktivitäten werden heute, wennauch in veränderter Form, am Zen-trum für Luft- und Raumfahrt, DLR,am Zentrum für Sonnenenergie undWasserstoffforschung und am Ins-titut für Physikalische Elektronikfortgesetzt. Eine Vielzahl von neu-en Forschungsaktivitäten an ande-ren Universitätsinstituten ist inzwi-schen dazu gekommen.Stefan Tenbohlen u. Birgit Spaeth

Versuch zum Vergleich desJahresenergieertrags von 13unterschiedlichen Photo-voltaiktechnologien an dreiStandorten:a) Stuttgart,b) Nikosia, Zypern,c) Kairo, Ägypten

Bilder: IPE

STUDIUM

Parabolrinnenkraftwerk

Bild: DLR

Flexible, nur 50 µm dünneSolarzelle aus Silizium

Bild: IPE


STUDIUM

WASTE erfolgreich akkreditiertDer englischsprachige Studiengang Air Quality Control, Solid Waste and Waste Water Process Engineering(WASTE) mit Abschluss Master of Science wurde zum Sommersemester 2002 eingerichtet und wird seit-her sehr erfolgreich in interdisziplinärer Zusammenarbeit von 13 Instituten aus vier Fakultäten unter Fe-derführung der Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik durchgeführt. Seit Wintersemester 2008/2009 findet der Studiengang nun mit einer neuen modularisierten Studienstruktur und vier Semesternstatt und entspricht damit noch besser den Anforderungen der Studierenden und der Berufspraxis.

chon bei der Einrichtung desS Studiengangs WASTE fordertedas Ministerium für Wissenschaft,Forschung und Kunst Baden-Würt-temberg ein Akkreditierungsverfah-ren. Jetzt wurde gehandelt: Die Uni-versität Stuttgart beauftragte dafürim Februar 2008 die Akkreditie-rungsagentur ASIIN. Um es gleichvorweg zu nehmen, WASTE hat dasVerfahren mit Bravour gemeistertund wurde ohne Auflagen bis zumJahr 2014 akkreditiert.

Von innen und außenbetrachtet

Die Verantwortlichen von WASTEmussten für das Akkreditierungs-verfahren zunächst bis Juni einenSelbstbericht mit umfangreichen

Anlagen wie Modulhandbuch, Cur-riculums-Analyse, Personalhand-buch, Ordnungen und Institutsbe-schreibungen erstellen. Auf Basisdieses Selbstberichtes fand dannEnde Juli eine eintägige Vor-Ort-Be-gutachtung an der Universität statt.Dabei wurden in Gesprächen mitder Hochschulleitung, den Pro-grammverantwortlichen, den Leh-renden und den Studierenden undanschließenden Institutsbesichti-gungen der Studiengang und diebeteiligten Akteure auf Herz undNiere geprüft. Das Gutachterteamsetzte sich aus drei externen Profes-soren, einem Industrievertreter undeinem externen studentischen Ver-treter zusammen und wurde vonzwei ASIIN-Mitarbeiterinnen unter-stützt.

Für ASIIN war insbesondere die Er-gebnis-Orientierung des Studien-ganges bedeutsam. Für den Quali-fizierungsprozess war nachzuwei-sen, dass die Ziele, der Input unddie Ergebnisse kongruent und effek-tiv sind. So war im Selbstbericht ineiner Ziele-Matrix darzustellen, wiedie einzelnen Module mit ihren Zie-len und Lernergebnissen zu denübergeordneten Studiengangzielenbeitragen. Dies war eine große He-rausforderung. Bei einem Studien-gang stehen nun vielmehr Kenntnis-se, Fertigkeiten und Kompetenzen,die bei den Studierenden amSchluss vorhanden sind, im Vorder-grund und weniger die gelehrten In-halte. Offensichtlich wurde die Auf-gabe mit der Ziele-Matrix gut ge-löst, da im Gutachterbericht die For-

■■■ KONTAKT

Dr.-Ing. Michael WaldbauerMaster of Science Study-Program

„Air Quality Control,Solid Waste and Waste Water

Process Engineering“ (WASTE)Pfaffenwaldring 23

70569 StuttgartTel. 0711/ 685 65493

[email protected]

WASTE-Studenten aufExkursion in Stuttgarts

Kanalnetz

Bild: WASTE


STUDIUM

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mulierung der Studiengangszieleund die Darstellung der Lernergeb-nisse gelobt wurden. Großes Augen-merk wurde von den Gutachternauch auf die Modulbeschreibungenund auf die Arbeitslast und derenUmrechnung auf die Leistungs-punkte gelegt. Auch hier konntegepunktet werden, da die Modulbe-schreibungen der Universität Stutt-gart von den Gutachtern als äußerstpositiv beurteilt wurden.Im Bericht musste auch der Bedarffür den Studiengang aufgezeigt wer-den. Dies war nicht schwer, daWASTE die hochaktuellen ThemenLuftreinhaltung, Abfall- und Ab-wasserbehandlung behandelt unddie Nachfrage nach gut qualifizier-

ten international ausgerichteten In-genieurinnen und Ingenieuren indiesem Bereich seit einigen Jahrenstetig ansteigt.Darzustellen, dass die zur Durch-führung des Studiengangs benötig-ten Ressourcen vorhanden sind, wareher eine Fleißaufgabe: Sowohl diezentralen Einrichtungen wie Hörsä-le, Rechenzentrum, Universitätsbi-bliothek als auch die am Studien-gang beteiligten 13 Institute mit ih-ren Stärken in Forschung und Leh-re sowie ihrer Ausstattung musstenbeschrieben werden. Darüber hin-aus waren die Lebensläufe allerLehrenden in einem Personalhand-buch zusammenzutragen und inter-ne und externe Kooperationen so-

wie internationalen Partnerschaftenaufzuzeigen.

Beliebt und angesehen –besonders bei Frauen

Da der Studiengang WASTE bereitsseit 2002 sehr erfolgreich läuft, konn-te bei der Überprüfung, ob WASTEseine Ziele erreicht, wieder gut ge-punktet werden: Der Studiengangwurde bisher so stark nachgefragt,dass in den ersten Jahrgängen 197Studierende aus 41 Ländern das Stu-dium aufgenommen haben. Dabei lagder Frauenanteil mit 36 Prozent füreinen Ingenieurstudiengang sehrhoch. Sehr positiv war auch, dass dieim März 2008 durchgeführte Absol-ventenbefragung gezeigt hat, dassdiese eine gute Anstellung in Unter-nehmen, Hochschulen und For-schungseinrichtungen in Ihren Hei-matländern, in Deutschland und welt-weit gefunden haben und WASTE beiihnen ein hohes Ansehen genießt.Ein übergeordnetes Ziel des Master-studiengangs ist es, dass die Absol-ventinnen und Absolventen auf in-ternationaler Ebene mit Spezialistenverschiedener Disziplinen zusam-menarbeiten können. Daher wirdden interkulturellen und fachüber-greifenden Aspekten bei WASTEgroße Bedeutung beigemessen. ImSelbstbericht wurde deswegen auchüber die vielen außercurricularenAktivitäten berichtet, die zur beson-deren Atmosphäre („WASTE Spi-rit“) im Studiengang beitragen. Dazugehören das offizielle Welcome, dasSommerfest, der Newsletter, Exkur-sionen, der Besuch von Fachmessenund das WASTE Intercultural Mee-ting „WIM“ bei dem sich die Stu-dierenden monatlich zu umwelttech-nischen und kulturellen Themen aus-zutauschen.Die feierliche Zeugnisübergabe„Graduation Ceremony“ ist der jähr-liche Höhepunkt im Studiengangund findet in internationaler Atmos-phäre unter Beteiligung weit ange-reister Eltern, Geschwister undFreunde in der schönen Villa Eulen-hof statt. Stets konnte dafür ein re-nommierter Festredner wie etwaProf. Ernst Ulrich von Weizsäcker

STUDIUM

WASTE ist insbesondereauch bei Frauen beliebt.

Bild

er: W

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Die „GraduationCeremony“ ist der jähr-

liche Höhepunkt imStudiengang WASTE.


im Jahre 2005 gewonnen werden.Ermöglicht werden diese Aktivitä-ten insbesondere durch den WAS-TE Club Stuttgart e.V., der im Jahr2003 zur Förderung des Studien-gangs, seiner Studierenden und Ab-solventen gegründet wurde undinzwischen 160 Mitglieder hat. DerClub hat durch die Kontakte zu ehe-maligen Studierenden maßgeblichdie Absolventenbefragung im März2008 unterstützt und somit positivzur Akkreditierung des Studien-gangs beigetragen.

Zeitlicher Einsatz hat sichgelohnt

Obwohl die Akkreditierung einenhohen Zeitaufwand erforderte, hatsie sich für den Studiengang undseine Studierenden sehr gelohnt: Sowurden zum Beispiel die Studien-ziele und -inhalte noch einmal ge-nau durchdacht und in verständli-cher Form dargestellt. Auch wurdenweitere Informationen über die ers-ten sechs Jahrgänge der Studieren-den sowie über die Absolventinnenund Absolventen gewonnen, diesich nun für die kontinuierlicheWeiterentwicklung des Studien-gangs verwenden lassen. Für dieAbsolventinnen und Absolventenwird sich das Gütesiegel positiv aufdie Chancen der auf dem Arbeits-markt oder bei ihrer wissenschaft-lichen Laufbahn auswirken.Die Studiengangsverantwortlichenfreuen sich, dass der Studiengangohne Auflagen akkreditiert wurde.„Eine Akkreditierung ohne Auflagenist eher der Ausnahmefall“, weiß derStudiendekan Prof. Günter Baum-bach, der bereits selbst Gutachter beimehreren Verfahren an anderenHochschulen war. Die Universitäts-leitung hat den Verantwortlichen desStudiengangs Glückwünsche zurAkkreditierung übermittelt. Dabeihat der Rektor, Prof. Ressel, heraus-gehoben, dass das Verfahren vorbild-lich im Hinblick auf die vorbereite-ten Unterlagen und den Prozessab-lauf durchgeführt wurde und nun alsMuster für die Universität Stuttgartübernommen werden soll.

Michael Waldbauer

NEWS

Die Fakultäten des Maschinenbausder Universität Stuttgart gratulierenherzlich: Einer der Gewinner des mit250.000 Euro dotierten DeutschenZukunftspreises für Technik und In-novation 2008 ist nämlich ein Ma-schinenbau-Absolvent aus Stuttgart:Dr.-Ing. Frank Melzer gehört zumEntwicklerteam der Firma Bosch umDr.-Ing. Jiri Marek und Dr.-Ing.Michael Offenberg, die Bundesprä-sident Horst Köhler für ihr Projekt„Smarte Sensoren erobern Konsum-elektronik, Industrie und Medizin“kürzlich auszeichnete.Frank Melzer (45) hat an der Univer-sität Stuttgart Maschinenwesen stu-diert und anschließend am Institut fürTechnische und Numerische Mecha-nik ITM promoviert. In seiner Dis-sertation von 1994 behandelte er die„Symbolisch-numerische Modellie-rung elastischer Mehrkörpersystememit der Anwendung auf rechnerischeLebensdauervorhersagen“.„Herr Dr. Melzer besucht auch heutenoch trotz seinen vielfältigen Ver-pflichtungen regelmäßig Veranstal-tungen unseres Instituts und ist „sei-ner“ Uni eng verbunden. Wir sindsehr stolz,“ so Prof. Peter Eberhard,Institutsleiter des ITM.

Über den Erfolg von Frank Melzerfreuen sich neben den Angehörigendes ITM, sein Doktorvater, derEmeritus Prof. Werner Schiehlen,und Rektor Prof. Wolfram Resselgleichermaßen. „Wir werten dieseAuszeichnung für unseren Alum-nus, gleichermaßen als Anerken-nung der hohen Qualität von Lehreund Forschung an der UniversitätStuttgart“, betont Wolfram Ressel.

Die drei Forscher der Robert BoschGmbH und der Bosch SensortecGmbH (beide mit Sitz in Reutlin-gen) entwickeln Mikrosensoren fürdie Serienproduktion. EmpfindlicheMessfühler aus Silizium sorgen inAutomobilen für Sicherheit. Auchin Handys, Navigationsgeräten oderin der Unterhaltungsindustrie kön-nen sich solche Sensoren sinnvolleinsetzen lassen. Dafür müssen sieallerdings klein und preisgünstigsein und sich industriell herstellenlassen. Die drei Gewinner haben mitihrer Entwicklung ein neues Ge-schäftsfeld für ihr Unternehmen er-öffnet und damit die Jury überzeugt,der auch der Dekan der Fakultät 7,Prof. Dieter Spath, angehörte.

bjs

Maschinenbau-AbsolvMaschinenbau-AbsolvMaschinenbau-AbsolvMaschinenbau-AbsolvMaschinenbau-Absolvenenenenenttttt der Uni Stuttg der Uni Stuttg der Uni Stuttg der Uni Stuttg der Uni Stuttgararararartttttgggggeeeeewinnwinnwinnwinnwinnttttt Z Z Z Z Zukukukukukunfunfunfunfunftsprtsprtsprtsprtspreiseiseiseiseis

V.l.n.r. Dr.-Ing. MichaelOffenberg, Dr.-Ing. JiriMarek und Dr. Frank Melzer– das Siegerteam des Deut-schen Zukunftspreises 2008

Bild: Stifterverband


NEWS

Die Lernfabrik für advanced Industrial Engineering am

IFF der Universität Stuttgart bietet 2009 zahlreiche

Schulungen an. Der erste Kurs beginnt bereits am 12.

Februar 2009. Weitere Termine finden Sie unter

www.lernfabrik-aie.de

Themen:

■ Aufgaben und Rollen des advanced Industrial

Engineers

■ Partizipative Prozess-, Arbeits- und System-

gestaltung

■ Methoden der ganzheitlichen Optimierung der Pro-

duktion

■ Einsatz von Werkzeugen der Digitalen Fabrik bei

der Gestaltung und Veränderung von Produktions-

prozessen sowie Fertigungs- und Montagesystemen

■ Integration digitaler Werkzeuge

■ Veränderungstreiber und Auswirkungen auf den

Fabrikbetrieb

■ Proaktives Fabrikmanagement und -monitoring

■ Gestaltung wandlungsfähiger Unternehmens-

strukturen

■ Erarbeiten von Umsetzungskompetenz für das ei-

gene Unternehmen

Schulungsmodule:

1. Wandlungsfähige Unternehmensstrukturen

2. Strategisches Unternehmensmanagement

3. Fabrikanalyse

4. Fabrik- und Produktdatenmanagement

5. Dynamische Fabrik- und Logistikplanung

6. Wandlungsfähige Arbeitssysteme

7. Turbulenzbewältigung live

Ziele:

Im Wesentlichen werden Methoden und Software-

systeme der Fabrik- und Prozessplanung sowie

Produktentwicklung geschult und trainiert.

Die Lernfabrik, bestehend aus einer digitalen Lerninsel

und einer physischen Modellfabrik zur Realisierung der

Planung, bietet eine einzigartige Lernumgebung zur

Vermittlung dieser Inhalte.

Zielgruppe:

Techniker, Ingenieure und Manager aus den Bereichen

Produkt- Produktions- und Unternehmensgestaltung

Teilnahmegebühr: 500,– Euro pro Schulungstag

Kontakt:

Dipl.-Ing. Philipp Riffelmacher

Tel: (0)711/685-61888, E-Mail: [email protected]

LLLLLernfernfernfernfernfabrik aIabrik aIabrik aIabrik aIabrik aIE:E:E:E:E:

SchulungSchulungSchulungSchulungSchulungen für die Industrie:en für die Industrie:en für die Industrie:en für die Industrie:en für die Industrie:WWWWWandlungsfandlungsfandlungsfandlungsfandlungsfähigkähigkähigkähigkähigkeiteiteiteiteit lernen lernen lernen lernen lernen Am 7. und 8. Oktober 2008 fand

zum vierten Mal die InternationalSealing Conference – ISC, an derUniversität Stuttgart mit überwälti-gendem Erfolg statt. Das große In-teresse schlug sich nicht zuletzt beider Teilnehmerzahl nieder, die kon-tinuierlich von 208 im Jahre 2002auf aktuell 315 Teilnehmer anstieg.Unter dem Leitgedanken „Innovati-ve Dichtungstechnik – statisch unddynamisch“ wurden in 47 Refera-ten – hiervon ein Vortrag von derMPA und sieben vom Institut fürMaschinenelemente, die gemein-sam den Kompetenzverbund Dich-tungstechnik an der UniversitätStuttgart bilden – aktuelle Ergebnis-se aus Forschung und Entwicklungpräsentiert.Ein zentrales Thema war die Reduk-tion der CO

2-Emission bzw. die

Minderung der Verlustleistung. VonSpezialkunststoffen, die festeSchmierstoffe enthalten, über dia-mantartige Beschichtungen bis hin

1515151515..... In In In In Internaternaternaternaternationale Dichtionale Dichtionale Dichtionale Dichtionale Dichtungstechniktungstechniktungstechniktungstechniktungstechnik-----TTTTTagungagungagungagungagung2008 in Stuttg2008 in Stuttg2008 in Stuttg2008 in Stuttg2008 in Stuttgarararararttttt – ein R – ein R – ein R – ein R – ein Rückblickückblickückblickückblickückblick

zu strukturierten Gleitflächen wur-den neue Möglichkeiten zur Rei-bungsminderung vorgestellt. EinTeil dieser Neuentwicklungen wur-de bereits in der Praxis umgesetztund hat sich durch Verringerung derReibleistung – sogar bis in denzweistelligen Prozentbereich – zurReduktion der CO

2-Emission be-

währt.In der begleitenden Fachausstellungpräsentierten 17 Firmen innovativeProdukte und messtechnische Ap-paraturen.Die 16. ISC wird am 12. und 13.Oktober 2010 wieder an der Univer-sität Stuttgart unter der wissen-schaftlichen Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas von Insti-tut für Maschinenelemente, in Zu-sammenarbeit mit dem VerbandDeutscher Maschinen- und Anla-genbau e.V. (VDMA) stattfinden.Weitere Informationen im Internetunter: www.sealing-conference.com.

IMA

RRRRRennennennennennteam der Uni Stuttgteam der Uni Stuttgteam der Uni Stuttgteam der Uni Stuttgteam der Uni Stuttgarararararttttt ist ist ist ist ist WWWWWeltmeistereltmeistereltmeistereltmeistereltmeisterBeim Formula Student Wettbewerbin Australien hat das Rennteam derUni Stuttgart den Weltmeistertitelgeholt. Mit ihrem selbst entwickel-ten Rennwagen setzten sich dieStuttgarter gegen über hundert Stu-dententeams aus der ganzen Weltdurch.Bei dem Wettbewerb in Melbourneerreichten sie nicht nur für Ingeni-eurleistung und Fahrdynamik Höchst-

wertungen, sondern verbrauchtenauch noch am wenigsten Sprit. Dermit dem Rekordergebnis von 961von 1000 möglichen Punkten er-reichte Weltmeistertitel stellt dieKrönung der bisherigen Erfolge fürdie Mannschaft des Rennteams dar.

Kontakt: Moritz Baber, Tel. 0711/685-68117 oder 0172/9752590,[email protected]


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Wild ThingWer hier mehr als eine Druckmaschine sieht, bringt genau die Leidenschaft mit,

die wir von Ihnen erwarten.

Der Rhythmus unserer Druckmaschinen ist Musik in unseren Ohren. Wenn Sie mit

Ihrem ingenieurwissenschaftlichen oder betriebswissenschaftlichen Talent auf der

Bühne des Weltmarktführers mitspielen möchten, dann bewerben Sie sich für ein

Praktikum oder eine Abschlussarbeit über den Link www.heidelberg.com/karriere

Documents

transmitter - · PDF fileBerufseinstieg, Traineeprogramm, Praktikum, Abschlussarbeit ... Hot Parts, Injection Control and Monitoring, Piping, Platforms and Tools Engine Management