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Leuchtdioden im Pflanzenlabor sparen Energie

Ideenwettbewerb im Rahmen der Energiesparinitiative sorgt für Senkung der Energiekosten.

Das Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme (IBBS) beherbergt im 10. Stock des NWZII zwei große Pflanzenlabore. Es handelt sich um Wachstumskammern für Pflanzen mit umfangreicher Beleuchtung und entsprechend hohem Energieverbrauch. Als der Energiemanager der Universität, Harald Hentze, vor drei Jahren eine Energiesparinitiative ins Leben rief und im Zusammenhang damit den Ideenwettbewerb „Goldene Glühbirne“ ausschrieb, beteiligten sich die Verantwortlichen des Instituts. Sie schlugen vor, die Leuchtstoffröhren in den Wachstumskammern gegen Leuchtdioden (LED) auszuwechseln, um auf diese Weise Energiekosten einzusparen. „Damit überzeugten wir den Nutzerbeirat Energie und den Energiemanager, die das Projekt unter allen Vorschlägen des Wettbewerbs zur Umsetzung auswählten“, erzählt Dr. Simon Stutz, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts und hauptverantwortlicher Ideengeber.

Wellenlängen der LEDs passgenau für die Bedürfnisse der Pflanzen

Pflanzen können nur Licht bestimmter Wellenlängen zur Energiegewinnung nutzen. Herkömmliche Leuchtmittel, unter anderem Leuchtstoffröhren, decken einen breiten Bereich des Lichtspektrums ab. LEDs hingegen emittieren nur Licht einer relativ genau definierten Wellenlänge. „Wählt  man passende LEDs aus, dann können sie genau das von den Pflanzen nutzbare Spektrum abdecken und somit sehr energieeffizient arbeiten“, erklärt Stutz. „Da in den Pflanzenkammern auch gearbeitet wird, mussten wir allerdings einen kleinen Anteil des eigentlich einsparbaren Lichtes wieder zugeben – ein Arbeiten nur unter Rot- und Blaulicht ist für Menschen unmöglich.“ Dieses Problem wurde durch den Einsatz von weißen LEDs gelöst. Das Institut entschied sich schließlich für den Einsatz von sechs unterschiedliche LED Typen.

Die LEDs emittieren Licht einer definierten Wellenlänge.  (c) Kovalenko
Die LEDs emittieren Licht einer definierten Wellenlänge.

LEDs haben gegenüber anderen Leuchtmitteln zudem den Vorteil, dass sie einen geringeren Anteil der zugeführten Energie in Wärme umsetzen:  Damit lässt sich auch bei der Kühlung deutlich Energie einsparen, wobei dies von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Positiv an LEDs sind darüber hinaus ihre fast uneingeschränkte Dimmbarkeit und ihre sehr hohe Lebensdauer. Nur in der Anschaffung sind LEDs derzeit noch kostenintensiver als herkömmliche Lichtquellen.

Die Gesamtkosten für den Umbau betrugen 145.000 Euro. Neben dem Austausch von 120 LED-Modulen (Kosten eines Moduls ca. 1.000 Euro) wurden neue Zwischendecken, die praktisch kein Licht absorbieren, sowie Reflektoren an allen Wänden zur Optimierung des Systems eingebaut. Die Anlage ist – nach einer recht langen Testphase, wie die Pflanzen auf die veränderte Lichtsituation reagieren – seit Anfang des Jahres fertiggestellt.

Einsparung liegt bei mindestens 55 Prozent

„Der eingereichte Vorschlag von Dr. Simon Stutz begeisterte die Jury des Wettbewerbs“, erklärt Energiemanager Harald Hentze, „und die Umsetzung zahlt sich nun aus“. Er rechnet vor: „In den Wachstumskammern waren Leuchtstoffröhren mit einer Gesamtleistung von rund 33 kW verbaut, die nun durch LEDs ersetzt wurden und bei weniger Verbrauch sogar deutlich heller sind. Die neuen Leuchten werden  meist auf etwa 40 Prozent gedimmt, wodurch im Durchschnitt sogar die Einsparung von elektrischer Energie im Bereich von 65 Prozent erreicht wird!“ Darüber hinaus wird durch die geringere Wärmeemission auch Kälteenergie zur Raumklimatisierung eingespart. Die längere Lebensdauer der LEDs verbessert zudem die Wartungsintervalle der Beleuchtung. „Trotz der noch relativ hohen Kosten dieser jungen Technologie amortisiert sich die Maßnahme nach gut fünf Jahren“, erläutert der Energiemanager.

Mit der Umsetzung dieses Projekts wird also für das Ziel der Universität Stuttgart, Energie einzusparen, ein beträchtlicher Beitrag geleistet. Die Anlage dient auch als  Referenzprojekt für die Ausstattung weiterer Gebäude der Universität Stuttgart mit LED-Leuchtmitteln, so Hentze.

Die Abteilungen Pflanzen-Biotechnologie sowie Molekularbiologie und Virologie ziehen in den Wachstumskammern Pflanzen für ihre Forschungen an.  (c) Kovalenko
Die Abteilungen Pflanzen-Biotechnologie sowie Molekularbiologie und Virologie ziehen in den Wachstumskammern Pflanzen für ihre Forschungen an.

Wofür werden die Wachstumskammern genutzt?

Die Abteilung Pflanzen-Biotechnologie zieht in den Kammern hauptsächlich die Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) an, und zwar verschiedene Ökotypen aus ganz Europa sowie verschiedene Stoffwechselmutanten. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen zum Beispiel die Auswirkungen von Kälte, Trockenheit und Salz auf den Pflanzenstoffwechsel. Darüber hinaus erforschen sie die Auswirkungen von steigendem CO2-Gehalt auf die Pflanzen. Diese Grundlagenforschung ist insbesondere im Zuge des Klimawandels für die Nutzpflanzenzucht von zentraler Bedeutung.

Um die Untersuchung von Geminiviren und ihre Bedeutung als Schädlinge und der Resistenz von Kulturpflanzen geht es der Abteilung Molekularbiologie und Virologie. Dafür braucht sie tropische und subtropische Nutzpflanzen. Darüber hinaus bauen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Tabakpflanzen zur Produktion von Tabakmosaikviren (TMV) an. Unter anderem nutzen sie diese, um vielfältige Virusderivate als nanostrukturierte Bausteine für analytische, technische und therapeutische Anwendungen herzustellen.