Laborprozesse nachhaltig gestalten

Wie Nutzer zum nachhaltigen Betrieb beitragen können

  • Dr. Kerstin Hermuth-KleinschmidtDr. Kerstin Hermuth-Kleinschmidt

Der Laborbetrieb ist energie- und ressourcenintensiv. Seit einigen Jahren nimmt das Bewusstsein dafür zu und an Lösungen, wie nachhaltigen Laborbauten und Geräten, die weniger Energie und Ressourcen verbrauchen, wird gearbeitet. Doch auch der Nutzer ist gefragt und hat einen nicht unerheblichen Einfluss auf einen nachhaltigen Laborbetrieb.

Labore sind wahre „Energiefresser“ - sie verbrauchen drei- bis viermal so viel Energie wie ein normales Bürogebäude. Lüftung-, Klima- und Heizungstechnik tragen dazu bei aber auch die vielen Instrumente, die Forscher für ihre Arbeit benötigen. Geräte, die durchgehend an sein müssen, wie Kühl- und Tiefkühlschränke, Großgeräte, wie NMR oder Massenspektrometer und die vielen kleinen Helfer wie Wasserbäder, Autoklaven, Zentrifugen, PCR-Maschinen und so weiter. Das hat Auswirkungen. Eine Studie aus den USA schätzt (konservativ!), dass die in kalifornischen Laboren vorhandenen Geräte ohne Berücksichtigung der Abzüge zwischen 800 GWh und 3200 GWh pro Jahr verbrauchen. Das entspricht dem Energieverbrauch von bis zu 920.000 Haushalten [1]. Die Universität Stanford hat in einem groß angelegten Projekt den Energieverbrauch von unterschiedlichsten Geräten gemessen, die auf dem Campus in den verschiedenen Gebäuden genutzt werden. Dazu gehörten alltägliche, die alle Studierenden nutzen, z. B. IT-Geräte, aber auch eine Auswahl von dreizehn Laborgerätetypen [2]. Diese Geräte trugen 50% zum Gesamtenergieverbrauch der Universität bei, wobei Ultratiefkühlschränke, Wasserbäder und Inkubatoren den größten Anteil ausmachten. Wenn man bedenkt, dass lediglich dreizehn Laborgerätetypen gemessen wurden, kann man davon ausgehen, dass der tatsächliche Beitrag zum Energieverbrauch noch um einiges höher liegt.

Ultratiefkühlschränke

Ultratiefkühlschränke sind, nach den Abzügen, die energieintensivsten Geräte im Laborbetrieb. Ein einzelner dieser Schränke verbraucht, vor allem wenn es sich um ein älteres Modell handelt, bis zu 30 kWh pro Tag [3], ein Einfamilienhaus benötigt im Durchschnitt 14 kWh am Tag [4].

Moderne Ultratiefkühlschränke sind sparsamer und die energieeffizientesten Modelle verbrauchen durch bessere Isolierung sowie effizient arbeitende Kompressoren und Wärmetauscher heutzutage mit 8 kWh/Tag nur noch ein Drittel älterer Geräte.

Das heißt, allein durch den Ersatz eines einzigen Ultratiefkühlschrankes können bis zu 22 kWh/Tag eingespart werden, was sich auch wirtschaftlich lohnt. Gerade von älteren Modellen sollte der tatsächliche Energieverbrauch bekannt sein, denn ein Ultratiefkühlschrank altert, Dichtungen werden ineffizienter, Kompressoren ermüden und durch geringe Wartung kann der Energieverbrauch um bis zu 3% pro Jahr steigen [3].

Der Ersatz von Geräten

Der Ersatz von Geräten ist eine Möglichkeit Energiesparpotentiale auszunutzen. Bei der Auswahl eines nachhaltigen Gerätes helfen Zertifizierungsstandards wie Egnaton-CERT, der die Nachhaltigkeitsperformance eines Gerätes umfassend bewertet (siehe Beitrag S. 20). Bei Ultratiefkühlschränken gehören dabei neben den rein ökologischen Effizienzaspekten u.a. auch die Sicherheit, vor allem in Bezug auf die Proben, die technische Qualität sowie die Wirtschaftlichkeit des Gerätes dazu, weshalb die Lebenszykluskosten in die Bewertung mit eingehen.

Gerätemanagement

Aber nicht immer ist das Geld im aktuellen Budget vorhanden, um ältere Geräte durch Neuanschaffungen zu ersetzen. Hier hilft ein Blick auf den Betrieb, über ein gutes Gerätemanagement können ebenfalls erhebliche Energieeinsparungen verwirklicht und Betriebskosten gesenkt werden. Die regelmäßige Wartung und Reinigung der Geräte, dazu zählen so banale Dinge wie regelmäßiges Abtauen und Reinigen der Filter, verlängern die Lebensdauer eines Ultratiefkühlschranks. Eine Eisschicht wirkt isolierend und erhöht den Stromverbrauch, je nach Dicke, um 10% bis zu 50%. Gleichzeitig kann sie die Funktion der Dichtungen beeinträchtigen oder sogar schädigen und ein korrektes Schließen verhindern, wodurch warme Luft in den Ultratiefkühlschrank eindringt. Auch staubige Filter verhindern eine gute Luftzirkulation und die Abgabe der warmen Luft, die am Kondensor entsteht. Auf den ersten Blick sind das alles Kleinigkeiten, aber in allen Fällen muss der Kompressor mehr arbeiten, um die Kühltemperatur zu halten. Das wirkt sich auf den Energieverbrauch aus, der bei nicht „gemanagten“ Geräten um 12% auf bis zu 25% steigen kann [3]. Gut gewartete Geräte halten länger, verursachen weniger Betriebskosten und gleichzeitig wird das Risiko für einen Geräteausfall auf diese Weise minimiert.

Der Nutzer hat also allein über eine gute Wartung und Pflege seiner Ultratiefkühlschränke einige Mög­lichkeiten, Energieverbrauch und Kosten zu senken. Dieses Potenzial haben Universitäten in den USA erkannt. Mitarbeiter wurden über interne „Freezer Challenges“ motiviert, diese und noch weitere Maßnahmen umzusetzen, wie die Änderung der Betriebstemperatur von -80°C auf -70°C oder die Nutzung neuer Methoden, wie die Lagerung von Proben bei Raumtemperatur. Die besten Energiesparer wurden mit Auszeichnungen belohnt  und mit dem eingesparten Geld konnten neue, energieeffizientere Geräte angeschafft werden. Anfang 2017 wurde dieser Wettbewerb USA-weit ausgetragen und war mit über 200 teilnehmenden Laboren sehr erfolgreich. Von Oktober 2017 bis April 2018 gibt es nun eine internationale Auflage des Wettbewerbs, an dem sich Labore aus aller Welt beteiligen können. Auf europäischer Ebene wird die „Freezer Challenge“ durch Egnaton unterstützt und die drei besten Labore aus Europa erhalten einen Egnaton-Award. Weitere Infos sind auf der Egnaton-Homepage erhältlich: http://www.egnaton.com/de/Home.aspx oder direkt unter: http://www.freezerchallenge.org/

Weitere Geräte

Was für Ultratiefkühlschränke gilt, kann auf andere Geräte und Laborprozesse übertragen werden. Die Vermeidung von Stand-by-Betrieb sowie die komplette Abschaltung nicht genutzter Instrumente kann pro Gerät eine Einsparung von durchschnittlich 77 kWh pro Jahr ausmachen [2]. Und indirekt belastet jedes Gerät, das heizt oder kühlt, die Klimaanlage. Denn diese muss die zusätzliche Wärmelast abtransportieren und gleichzeitig dafür sorgen, dass die Raumtemperatur gehalten wird. Auch das erhöht den Energiebedarf. Somit kann über ein gut durchdachtes Energiemanagement, die die Sensibilisierung des/der Einzelnen für seinen Beitrag einschließt, der Laborbetrieb energie- und kosteneffizienter gestaltet werden.

Das größere Bild

Natürlich können nicht alle Prozesse und Methoden in einem Labor von heute auf morgen geändert werden. Es braucht Zeit und Geld. Beides ist kostbar im Leben eines Forschers. Auch etablierte Methoden, die die Grundlage für Forschungsergebnisse und deren Vergleichbarkeit sind, dürfen und sollen nicht „einfach so“ geändert werden. Aber mit relativ einfachen Dingen kann bereits einiges erreicht und begonnen werden. Laborprozesse nachhaltig zu gestalten bedeutet schließlich auch, den Nutzer zu sensibilisieren und anzuregen, nach Möglichkeiten und Alternativen im eigenen Umfeld zu suchen und diese nach und nach umzusetzen. Dazu gehören Maßnahmen für mehr Energie- und Ressourceneffizienz, zur Abfallvermeidung, der Ersatz von toxischen Lösungsmitteln durch umweltfreundliche Alternativen oder die Umsetzung von nachhaltigen Methoden für die eigenen Versuchsansätze, wie sie die Prinzipien der „green chemistry“ oder „green analytics“ vorgeben.

Fazit

Es ist nicht allein der Planer oder Architekt gefragt, der eine nachhaltige Umgebung bereitstellt, oder der Hersteller, der technische Lösungen anbietet. Auch die Nutzer, die den Betrieb gestalten und die Unternehmen oder Universitäten, die die notwendige Infrastruktur und Unterstützung anbieten, tragen Verantwortung, denn im Endeffekt kann Nachhaltigkeit nur gemeinsam umgesetzt werden.

Autorin
Kerstin Hermuth-Kleinschmidt

Kontakt
Dr. Kerstin Hermuth-Kleinschmidt

NIUB-Nachhaltigkeitsberatung
Freiburg, Deutschland
hk@niub-nachhaltigkeitsberatung.de

[1] Emerging Technologies Program: Market Assessment of Energy Efficiency Opportunities in Laboratories.

[2] Inventorying Plug Load Equipment and Assessing Plug Load Reduction Solutions on a University Campus

[3] ULT Freezer Management User Guide: Everything You Wanted to Know about Running an Ultra Low Temperature (ULT) Freezer Efficiently but Were Afraid to Ask

[4] Energieheld: Durchschnittlicher Stromverbrauch und Energieverbrauch im Einfamilienhaus: Energieverbrauch – Welche Werte sind normal?

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NIUB-Nachhaltigkeitsberatung
Am Neugraben 44
79112 Freiburg
Deutschland

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