Aspekte zur Nachhaltigkeit am Beispiel der Massenspektrometrie

Jede Kilowattstunde zählt – auch in der Analytik

Im privaten Umfeld achten wir seit vielen Jahren bei der Anschaffung von Haushaltsgeräten und Leuchtmitteln auf deren Energieeffizienz. Diese Entwicklung wurde durch die EU-Energielabel mit Effizienzklassen anhand von Buchstaben unterstützt und macht Energiesparen bei Anschaffungen einfach. In der Wirtschaft hat das Einsparen von Energie aufgrund der aktuellen geopolitischen Weltlage, des Green Deals der EU [1] und der besorgniserregenden Preisentwicklung eine deutlich höhere Priorität eingenommen.

Auch im wirtschaftlichen Umfeld kann die Energieeffizienz positiv beeinflusst werden, z. B. bei der Anschaffung neuer Laborkühlschränke anhand des Energielabels und bedarfsgesteuerter Beleuchtung im Büro oder Labor. Wie aber verhält es sich mit stromverbrauchenden Geräten, die kein Label haben und nicht schnell ein- und ausgeschaltet werden können?

Massenspektrometer im Energievergleich

Betrachten wir ein analytisches Labor näher. Dort sind Massenspektrometer ein gutes Beispiel für Instrumente, deren Energieverbrauch nicht durch EU-Label gekennzeichnet ist. Aufgrund des Risikos für die Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit werden Massenspektrometer auch bei kurzfristiger Nichtbenutzung nicht vom Strom genommen. Ursache dafür sind die Turbopumpen, die unterstützt durch Vorpumpen das für den Betrieb erforderliche Hochvakuum erzeugen. Die benötigte Pumpleistung bedarf einer entsprechend hohen Energieleistung. Massenspektrometer, die über einen längeren Zeitraum unbenutzt belüftet waren, brauchen typischerweise mindestens einen Tag, bis das zum Betrieb erforderliche Vakuum wiederhergestellt und die Restfeuchte gering genug für eine optimale Messleistung ist. Aus den genannten Gründen werden Massenspektrometer in der Regel kontinuierlich betrieben und nur kurzzeitig für notwendige Wartungsarbeiten belüftet.

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Aspekt Pumpleistung: Je größer der Ioneneinlass, der mit der analytischen Nachweisstärke in Zusammenhang steht, desto höher muss die Pumpleistung sein und damit auch der verbundene Stromverbrauch. Unterschiedliche Konzepte bei der Entwicklung von Tandem-Quadrupol-Massenspektrometriesystemen bedingen, dass die Stromaufnahme in der modernsten Leistungsklasse je nach Hersteller in der Größenordnung 1500  bis 4500 Watt während des Betriebs und damit um bis zu 300 % abweichen kann (bezogen auf das Triple-Quadrupol-MS mit Vorpumpen).

Energieeffizienz veranschaulicht

Um die Unterschiede der Energieeffizienzklassen bei Massenspektrometern zu verdeutlichen, stellen wir folgendes Rechenmodell vor. Der Jahresverbrauch eines leistungsstarken Massenspektrometers z. B. beläuft sich im günstigsten Fall auf weniger als 13000 kWh und im ungünstigsten Fall knapp 40 000 kWh. Zum Vergleich: Ein Vierpersonenhaushalt in Deutschland verbraucht durchschnittlich etwa 4000 kWh pro Jahr [3, 4]. Der Verbrauch eines energieeffizienten TQ-MS entspricht somit im Vergleich dem Verbrauch von 3¼ Vierpersonenhaushalten. Je nach Bauweise kann der Stromverbrauch aber auch dem von zehn Vierpersonenhaushalten betragen. Die Anzahl der im Einsatz befindlichen LC-Quadrupol-MS-Systeme in Deutschland liegt grob geschätzt im unteren vierstelligen Bereich. Bei Berücksichtigung der Energieverbräuche kann das Einsparpotenzial bei Neu- oder Ersatzbeschaffungen dieser Systeme theoretisch dem Energieverbrauch von einigen tausend Haushalten entsprechen.

Abgesehen von anderen Aspekten sind durch die stark gestiegenen Strompreise auch betriebswirtschaftliche Einsparpotenziale durch geringere laufende Kosten wünschenswert. Momentan ist eine Vorhersage der Strompreise für die nächsten Jahre unmöglich, wobei der Unterschied in den Kosten für Strom tausende Euro pro Jahr und System betragen kann (wenn man von einem Preis von 20 ct/kWh ausgeht). Neben dem Stromverbrauch spielen auch weitere Faktoren bei den Kosten des Betriebs von Massenspektrometern im Labor eine Rolle.

Die Folgen der Abwärme

Die verbrauchte Energie ist nicht nur teuer, sie wird auch nahezu komplett als Wärme abgegeben. Zur Abfuhr der Wärmelast sind je nach Laborgröße und -ausstattung leistungsfähige Klimaanlagen erforderlich, die wiederum zusätzliche Energie verbrauchen. Steigende Probenzahlen und die damit verbundene Erweiterung der Messkapazität erforderten oftmals Kapazitätserweiterungen der Klimatisierung mit zusätzlichen Installationsarbeiten und damit verbunden höherem Wartungsaufwand.

Ressource Gas

Ein weiterer Faktor ist der Verbrauch an Gasen eines LC-MS-Systems. Auch hier kann eine entsprechende Bauweise ein hohes Einsparpotenzial an Ressourcen bedeuten. Für ESI-Quellen (ESI  = Elektrosprayionisation) wird überwiegend Stickstoff genutzt, dessen Verbrauch sich in Abhängigkeit vom Design der Ionenquelle (je nach Hersteller) um bis zu 200 % unterscheiden kann. Bei Nutzung von flüssigem Stickstoff müssen neben den Beschaffungskosten auch die Energiebilanz für Erzeugung, Transport und auftretende Verluste berücksichtigt werden. Bei alternativem Betrieb mit einer Kombination aus Druckluftkompressoren und Stickstoffgeneratoren sind wiederum Stromaufnahme und Abwärme des Kompressors zu berücksichtigen. Daneben ist der Kompressor eine potenzielle Lärmquelle, und sowohl Kompressor als auch Stickstoffgenerator benötigen zusätzliche Standfläche. Letztere ist ein wichtiger Faktor, insbesondere, wenn Kapazitäten erweitert werden müssen. Der Platzbedarf von Geräten kann sich mit Blick auf aufwendige Haustechnik und z. B. zu klimatisierendem Laborraumvolumen auch indirekt auf den Energieverbrauch auswirken. Viele

Das MS-System „Xevo™ TQ Absolute“ hat eine Aufstellbreite von 43 cm (inklusive UPLC: 80 cm). © Waters

Labore haben aufgrund gestiegener Nachfrage an Auftragsanalysen und Probenmengen die Messkapazitäten in den letzten Jahren stetig erhöht. Hier ist der Platzbedarf der Geräte durch die Erweiterung ein wichtiger Punkt. Ein Beispiel: Bei der Entwicklung des „Xevo™ TQ Absolute“-Massenspektrometers (Bild) von Waters wurde der Fokus neben der Steigerung der analytischen Empfindlichkeit auf die Aspekte Nachhaltigkeit und auch Platzbedarf gerichtet. Der Stickstoffverbrauch des Massenspektrometers im ESI-Betrieb beträgt max. 23 l/min. Die typische Stromaufnahme dieses Massenspektrometers inklusive Vorpumpen beträgt weniger als 1 500 W. Die aus dem Stromverbrauch resultierende Wärmeabgabe an den Raum und die Anforderung an die Klimaanlage sind dementsprechend gering.

Zusammenfassung

Die Ziele der Energiewende und die Kostensteigerung für Energie sind drastisch, und daher müssen alle Einsparpotenziale ausgeschöpft werden. Derzeit gewinnt die Nachhaltigkeit in allen Lebensbereichen und auch in Laboren eine zunehmende Bedeutung. So sind Strom- und Gasverbrauch sowie Wärmelast wichtige Faktoren, die in der Vergangenheit bei Auswahl der Laborgeräte nur eine geringe Priorität hatten. Daher ist davon auszugehen, dass bei zukünftigen Beschaffungen von Laborequipment auch bei analytischen Instrumenten neben der Leistungsfähigkeit von Geräten verstärkt der Aspekt Nachhaltigkeit berücksichtigt werden wird.

Quellen:
[1] https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal/delivering-european-green-deal_de
[2] https://www.destatis.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Umwelt/UGR/private-haushalte/Tabellen/stromverbrauch-haushalte.html
[3] https://www.stromspiegel.de/stromverbrauch-verstehen/stromverbrauch-4-personen-haushalt

AUTOREN
Dr. Claudia Rathmann, Dr. Gunnar Weibchen
Waters, Eschborn
info@waters.com
www.waters.com

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