Koordiniert vom Helmholtz-Zentrum Hereon arbeiten Forschung und Industrie
gemeinsam an einer umweltfreundlicheren Herstellung von Leichtbauteilen
für die Automobilindustrie. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Klimaschutz (BMWK) geförderte Verbundprojekt „S3-ALU“ wird den Ersatz von
reinem Aluminium durch recyceltes Aluminium testen, welches den
CO2-Fußabdruck pro Fahrzeug um 55 Prozent senken könnte.

22.000 Tonnen CO2 - das ist der Fußabdruck der täglichen in Deutschland
produzierten SUVs. Ein Teil davon geht auf das verwendete Material zurück:
Aluminium beziehungsweise Primäraluminium. Diese reine Form des Aluminiums
wird direkt aus dem Rohstoff Bauxit hergestellt und ist dank ihrer
Vorteile in Bezug auf Gewicht und Korrosionseigenschaften der
Hauptbestandteil von Legierungen in der Automobilproduktion. Ein
Zusammenschluss aus Forschung und Industrie untersucht jetzt die
Möglichkeit, das bisher verwendete Primäraluminium durch
Sekundäraluminium, also unreineres, recyceltes Aluminium, zu ersetzen –
ohne die vorteilhaften Eigenschaften zu verlieren.

Das Einsparpotential ist dabei enorm: Um eine Einheit Sekundäraluminium
herzustellen, werden nur fünf Prozent der Energie verbraucht im Vergleich
zur Herstellung von Primäraluminium. Übertragen auf die
Automobilproduktion bedeutet das eine Einsparung von 0,7 Tonnen CO2 pro
Fahrzeug beziehungsweise 700.000 Tonnen CO2 für die SUV-Jahresproduktion
in Deutschland. Aluminium wird immer häufiger in elektrischen Fahrzeugen
verwendet, um beispielsweise das Gewicht der Batterie auszugleichen. Das
verschärft die Notwendigkeit, klimafreundlichere Alternativen wie
Sekundäraluminium hinsichtlich seiner Anwendung zu untersuchen und zu
optimieren. Aktuelle Prognosen zeigen, dass das Einsparpotenzial bei
aluminiumintensiven Bauweisen bei bis zu 1,7 Tonnen CO2 pro Fahrzeug
liegt.

Der digitale Zwilling

Mithilfe eines digitalen Zwillings sollen verschiedene Zusammensetzungen
von Sekundäraluminium modelliert werden, um den bestmöglichen Ersatz für
das Original zu finden. So müssen die vielen Materialvarianten nicht alle
in Experimenten durchgetestet werden, sondern werden zeit- und
ressourcensparend im Modell erforscht. Vorherige Untersuchungen haben
bereits gezeigt, dass kleine Verunreinigungen des Primäraluminiums
auftreten und dennoch für den sicheren Einsatz des Werkstoffs akzeptabel
sind. Die Frage ist jedoch, wie groß kann bzw. darf der Anteil von
recyceltem Aluminium werden und in welcher Zusammensetzung? Die Antwort
kann der digitale Zwilling liefern.

„Die Entwicklung eines digitalen Zwillings, also einer mehrskaligen
physikalischen Abbildung des zu untersuchenden Materials – der Alu-
Sekundärlegierung – wird die experimentellen Bemühungen deutlich verkürzen
und es ermöglichen, die zur Verfügung stehenden Schrotte uneinheitlicher
Qualität in Bezug auf den möglichen Einsatz in der Materialherstellung
beziehungsweise der Produktion zu bewerten“, erklärt Eugen Gazenbiller,
Doktorand am Hereon-Institut für Oberflächenforschung.

Das Verbundprojekt „S3-ALU: Simulationsmethodiken zur Bewertung von
Bauteilen und Systemen für nachhaltigen Leichtbau mit Sekundär-Aluminium“
wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über drei
Jahre mit 2 Millionen Euro gefördert. Projektpartner aus der Forschung
sind das Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), Access e. V. und
das Helmholtz-Zentrum Hereon, dessen Institut für Oberflächenforschung das
Projekt koordiniert. Aus der Industrie sind die Volkswagen AG, Bode – die
Tür GmbH und LGL Bad Langensalza GmbH beteiligt.

Hintergrund: Digitaler Zwilling

Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Darstellung eines realen
Prozesses, Objekts oder Materials mit einer wechselseitigen Verbindung.
Das heißt, dass Änderungen am realen Objekt nahezu in Echtzeit in den
digitalen Zwilling einfließen. Im nächsten Schritt kann der digitale
Zwilling unterschiedlichen Rahmenbedingungen ausgesetzt werden und so
wiederum potenzielle „Was-wäre-wenn"-Szenarien des realen Objekts
darstellen. So können zum Beispiel Materialien und Werkstücke zunächst
digital in verschiedenen Situationen getestet werden, ohne Durchlauf des
vollständigen Produktionsprozesses.

Ergänzung zur Elektro-Mobilität: Regenerativ erzeugtes Bio-LNG als Bus-
und LKW-Treibstoff kann CO2-Bilanz mehr als 65 % verringern oder sogar
negativ werden lassen

Biomethan aus landwirtschaftlichen Reststoffen ist in großen Mengen
verfügbar, die Infrastruktur steht und es eignet sich besonders als
Treibstoff für LKWs, Busse, Bau- und Landmaschinen – also für die
Fahrzeuge, bei denen die Elektromobilität nur schwer Einzug hält. Von
allen erneuerbaren Kraftstoffen weist Biomethan die beste
Treibhausgasbilanz auf. Wird es aus Gülle produziert, ist seine CO2-Bilanz
sogar negativ, weil Emissionen vermieden werden, die bei der Lagerung und
Ausbringung von unbehandelter Gülle entstehen. Welche Methoden das beste
Ergebnis erzielen, testen derzeit die Universität Hohenheim in Stuttgart,
das KIT in Karlsruhe sowie weitere Projektbeteiligte aus Industrie und
Praxis. Der erste Linienbus mit Biomethan rollt bereits auf der
schwäbischen Alb und in der Region Ravensburg.

Die verkehrsbedingten Emissionen von Kohlendioxid (CO2), Stickoxid und
Feinstaub in Deutschland sind zu hoch. Vor allem in städtischen
Ballungsgebieten ist dies deutlich zu spüren. Eine Ursache hierfür ist der
immer noch sehr geringe Anteil an erneuerbaren Energien im Verkehrssektor:
Einschließlich des Stromverbrauchs im Schienen- und Straßenverkehr lag ihr
Anteil von 2008 bis 2021 nur zwischen 5,0 und 7,6 Prozent.

„Eine vielversprechende und kostengünstige Alternative zu fossilen
Energieträgern wie Öl oder Gas sind alternative Kraftstoffe auf Basis von
Biomethan“, sagt PD Dr. Andreas Lemmer von der Landesanstalt für
Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim.

Kraftstoff Biomethan führt zu deutlicher Reduzierung des CO2-Ausstoßes

„Dies gilt vor allem für Bereiche, in denen die fortschreitende
Elektromobilität nur schwer Einzug halten wird, wie im Schwerlastverkehr
oder bei Bau- und Landmaschinen. Hier kann die verstärkte Verwendung von
Biomethan – sei es als Bio-CNG (komprimiertes Biomethan) oder Bio-LNG
(verflüssigtes Biomethan) – zu einer deutlichen Reduzierung des
CO2-Ausstoßes führen“, fährt der Experte fort.

„Mit regenerativ erzeugtem Bio-LNG als LKW- und Landmaschinen-Treibstoff
kann der CO2-Ausstoß im Schnitt um mehr als 65 Prozent verringert werden“,
fasst  PD Dr. Lemmer seine Forschungsergebnisse zusammen. „Verwenden wir
ausschließlich Gülle als Ausgangsmaterial, dann ist die CO2-Bilanz sogar
negativ.“

Zweistufige Druckfermentation für höhere Methanproduktion

Gleich in zwei Projekten beschäftigen sich er und seine Arbeitsgruppe mit
der Umsetzung in die Praxis: Im Verbundprojekt probioLNG (Innovative
Prozesskette zur ressourceneffizienten Erzeugung von Bio-LNG) bauten sie
gemeinsam mit weiteren Projektbeteiligten aus Wissenschaft, Industrie und
Praxis eine Pilotanlage zur Bio-LNG-Erzeugung auf. Das Vorhaben wird vom
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Diese Anlage wurde gemeinsam mit dem KIT konzipiert und ist auf der
Forschungsstation „Unterer Lindenhof“ der Universität Hohenheim
stationiert. Sie ermöglicht es erstmals, neue Verfahren der
Biogasherstellung und Aufbereitung zu einer vollständigen Prozesskette zu
kombinieren. Der Clou dabei: eine zweistufige Druckfermentation.

„Im Vergleich zur üblichen Biogasproduktion trennen wir zwei Schritte
räumlich, zeitlich und prozesstechnisch voneinander“, beschreibt Elena
Holl, Doktorandin in der Arbeitsgruppe. Zunächst zerlegen Mikroorganismen
in der sogenannten Hydrolyse feuchte Biomasse, wie beispielsweise Gülle,
organische Reststoffe oder Energiepflanzen in kleinere Moleküle. Im
zweiten Schritt wandeln spezielle Mikroorganismen diese Bausteine in
Methan um.

„Durch die Trennung der beiden Vorgänge können wir die Bedingungen, wie
beispielsweise Temperatur und pH-Wert, ideal an die Bedürfnisse der
verschiedenen Mikroorganismen anpassen und so die Methanproduktion
deutlich erhöhen“, erklärt Elena Holl. Diese steigt noch weiter, wenn
zusätzlich Wasserstoff eingeleitet wird: „Auf diese Weise erzeugen wir
Biogas mit einem Methangehalt von über 90 Volumenprozent“, so die
Wissenschaftlerin.

Biomethan im Linienbusverkehr

Mit einer der vielen Verwendungsmöglichkeiten des so erzeugten Biomethans
befasst sich das Verbundprojekt „NEOBus – negative Emission ÖPNV“, das vom
Ministerium für Ernährung, Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-
Württemberg (MLR) gefördert wird: Biomethan als klimafreundlicher
Treibstoff für Linienbusse im ÖPNV.

Dafür kann es in zwei Varianten eingesetzt werden, die die Forschenden
miteinander vergleichen: Wird Methan mit einem Druck von 350 bar
verdichtet, entsteht Bio-CNG, das in gasförmiger Form gespeichert werden
kann. Bei der Herstellung von Bio-LNG hingegen wird Methan auf -162 °C
abgekühlt und dadurch verflüssigt. Es kommt als gekühlter, flüssiger
Treibstoff zum Einsatz.

Das verflüssigte Methan dient als Kraftstoff für einen Bio-LNG-Hybridbus,
den ein Busunternehmer auf der Strecke Münsingen-Reutlingen im
Praxisalltag testet. Parallel wird an der Biogasanlage der Firma Duelli
eine neuartige Gasaufbereitung erprobt und das so erzeugte Bio-CNG in
einem Bus in der Region Ravensburg eingesetzt.

Dabei führt der Biomethan-Kraftstoff nicht nur zu geringeren
Treibhausgasemissionen, auch der Ausstoß von Schadstoffen nimmt ab. So
reduziert verflüssigtes Methan den Ausstoß von Stickoxiden im Vergleich zu
einem Euro VI Dieselbus um 60 Prozent, während die Feinstaubbelastung im
Vergleich zu konventionellen Dieselbussen um 90 Prozent sinkt.

Biomethan als Kraftstoff: Zukunftsmusik oder schon bald Gegenwart?

PD Dr. Lemmer sieht in der Biomethanproduktion auch eine gute zusätzliche
Einnahmequelle für landwirtschaftliche Betriebe: „Der Zusammenschluss von
Verkehrsunternehmen mit einem oder mehreren lokalen
Biogasanlagenbetreibern eröffnet im ländlichen Raum ein vielversprechendes
Geschäftsmodell für beide Seiten.“

„Biomethan ist einer der wenigen erneuerbaren Energieträger, der bereits
derzeit in großer Menge zur Verfügung steht, der auf eine vorhandene
Infrastruktur zurückgreifen kann und der bei intelligenter Herstellung die
beste Treibhausgasbilanz aller erneuerbaren Treibstoffe aufweist“, ist der
Experte überzeugt.

Weitere Informationen
Website des Projektes probioLNG: https://www.probiolng.de/
Expertenliste Bioenergie: https://www.uni-hohenheim.de/expertenliste-
bioenergie

Mit Stolz und Vorfreude hat das „Race-Ing. Team“ der Fachhochschule Dortmund am 15. Juni 2023 seinen diesjährigen Rennwagen vorgestellt. Der „Rhino Two“ ist leichter als sein Vorgänger – und in fast jeder Hinsicht moderner, sicherer und besser.

Bevor das Team das rote Tuch vom neuen „Rhino Two“ zog und den Boliden erstmals dem Publikum präsentierte, gab es einen Überblick auf die technischen Neuerungen im Vergleich zum „Rhino One“ von 2022. Und die haben es in sich: Fast überall konnten die Teams der einzelnen Baugruppen des Fahrzeugs Gewicht reduzieren, Eigenschaften verbessern und Verbindungen wartungsfreundlicher machen.

Letzteres wird bei den Renn-Events im Sommer wichtig, denn dort verlangen die Prüfer*innen oft Umbauten, die die Teams unter hohem Zeitdruck umsetzen müssen.

Als das rote Tuch dann flog, gab es die Blicke auf eine automobile Schönheit frei: orangefarbene, Stromlinien andeutende Rennstreifen und weiße Beschriftungen über eleganten Wölbungen auf einem Lack so schwarz, als sei es bereits dem Licht davongefahren.

Lange begutachteten die Besuchenden den Wagen und ließen sich von den Team-Mitgliedern die Details erläutern. Das Monocoque, die Karosserie, wiegt jetzt sieben Kilo weniger – 25 Prozent Einsparung. Beim Fahrwerk und beim Lenksystem wurden zahlreiche Details verbessert. Der Kabelbaum – das ist die Gesamtheit aller Kabelverbindungen – wiegt mit rund drei Kilo nur noch die Hälfte.

Als eigene Baugruppe zählt das Team „Business“. Es umfasst Organisation des Teams und aller Events, Finanzierung, Sponsoring, Recruiting und Design. Eine Idee des Teams für dieses Jahr: Potenzielle Sponsoren können den „Rhino Two“ auf einer abgesperrten Strecke fahren, während ihnen mittels VR-Brille eine Formel-1-Rennstrecke wie zum Beispiel der Hockenheimring ins Visier eingeblendet wird.

Mit dem „Rhino Two“ wird das Team schon eine Woche nach dem Rollout auf die erste Strecke gehen: vom 22. bis 25. Juni beim Testevent „VDI Racecamp“ auf der „LaSiSe“ in Selm. Im Juli und im August nimmt das Team an drei offiziellen, internationalen Renn-Events für Studierendenteams teil: auf dem Assen TT Circuit in den Niederlanden, auf dem Red Bull Ring in Spielberg in Österreich und schließlich beim größten und bekanntesten Event, dem „Student Formula Germany“ auf dem Hockenheimring.

Bei diesen Rennen geht es nicht nur um Rundenzeiten. Mindestens genauso wichtig sind die „statischen Events“, die in die Gesamtwertung mit einfließen und bei denen zum Beispiel der fiktive, aber vollständig ausgearbeitete Businessplan eines jeden Teams begutachtet wird. 2022 waren bei den Rennen 96 studentische Rennteams mit weit mehr als 2000 Studierenden aus aller Welt dabei.

Wenn der „Rhino Two“ dort die anspruchsvollen Tests und Prüfungen besteht, wäre er seit 2015 der erste Rennwagen der FH Dortmund, der gegen die internationale Konkurrenz über die Piste bügelt.