Bilder

Dr. Kerstin Hermuth-Kleinschmidt, NIUB-Nach­­haltigkeitsberatung: „Viele Forschende sind sich nicht im Klaren darüber, wie viel Energie sie verbrauchen.“ © NIUB-Nach­- haltigkeitsberatung

Ein hoher Energieverbrauch entsteht auch durch die computergestützte Verarbeitung der Forschungsdaten, die auf einer umfangreichen Recheninfrastruktur aus Servern, Speichergeräten sowie Betriebs- und Kühlgeräten beruht. So werden für die Simulation der Molekulardynamik des Tabak Mosaik Virus (STMV) für 100 ns zwischen 17,8 kg und 95 kg CO₂-Äquivalente freigesetzt, je nach verwendeter Software [1]. Darüber hinaus produzieren Labore große Mengen an Kunststoff-, Chemikalien- und biologischem Abfall. Es wird geschätzt, dass Forschungslabore jährlich allein etwa 5,5 Millionen Tonnen Plastikabfall produzieren [2].

Nachholbedarf im Labor – Aspekte

Labore, die sich für Nachhaltigkeit einsetzen, können nicht nur einen wertvollen Beitrag zum Umweltschutz leisten, sondern auch von erheblichen finanziellen Vorteilen profitieren. Wenn beispielsweise die zuvor erwähnten Autoklaven durch energie- und wassereffizientere Modelle ersetzt werden, führt dies zu deutlichen Einsparungen. Die University California Riverside konnte durch diesen Schritt knapp 833 000 Liter Wasser und 25.000 kWh an Energie pro Jahr einsparen. Das führte nicht nur zu einer Einsparung von 17,6 Millionen Tonnen an CO₂, sondern auch zu einer Einsparung von 2.500 US-Dollar pro Jahr und pro Gerät [4]. Ein besonders beeindruckendes Beispiel ist die FU Berlin, die 2021 durch ihre Nachhaltigkeitsinitiativen ganze 6,1 Millionen Euro an Energiekosten einsparen konnte [5].

Dr. Kerstin Hermuth-Kleinschmidt, Gründerin der NIUB-Nachhaltigkeitsberatung, fällt auf, dass zum Thema Nachhaltigkeit im Labor noch viel Aufklärungsarbeit nötig ist: „Viele Forschende sind sich nicht im Klaren darüber, wie viel Energie sie verbrauchen. Energieverbräuche werden zwar auf Gebäudeebene gemessen, aber selten an Forschende kommuniziert – und eine Messung der Verbräuche auf Geräteebene erfolgt sehr selten.“

Matthias Schuh, CEO und Co-Founder von Essentim. © essentim

Matthias Schuh, CEO und Co-Founder des Unternehmens Essentim, bei dem IoT-Monitoring-Technologien entwickelt werden, sieht dabei auch ein zeitliches Problem: „Forscher sind durch die Bank aufmerksame und gut ausgebildete Menschen. Aufgrund ihrer intensiven, häufig noch manuellen Laborarbeit fehlt ihnen aber die Zeit, sich Gedanken über konkrete Nachhaltigkeitsmaßnahmen im Labor zu machen.“

Für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler steht der Erfolg ihrer Arbeit im Mittelpunkt. Der Druck, Projekte voranzutreiben, Finanzierungen zu sichern und ihre Forschungsergebnisse zu publizieren, ist groß. Labore sind komplexe und z. T. streng regulierte Bereiche, für die Veränderungen mit hohem Arbeitsaufwand verbunden sind. Um hier Hürden zu überwinden, müssen Unternehmen und Forschungsinstitute gleichermaßen Anreize schaffen, damit ihre Mitarbeitenden umweltbewusster arbeiten und ihren Beitrag leisten Umweltauswirkungen zu minimieren. Die Freie Universität Berlin (FU) arbeitet beispielsweise mit eben solchen Anreizen für die Umsetzung von Nachhaltigkeitsmaßnahmen. 2007 führte man dort ein Nachhaltigkeits-Bonusprogramm (Prämiensystem) ein, um einen (finanziellen) Ansporn für ihre Abteilungen zu schaffen, Energie zu sparen. Seit der Einführung dieses Programms haben fast alle Abteilungen an der FU Berlin ihren Energieverbrauch reduziert. Der besonders energieintensive Fachbereich „Biologie, Chemie, Pharmazie“ erzielte eine besonders hohe Prämie. Die Universität selbst konnte die Energiekosten um ca. 28 Prozent senken.

Mit Digitalisierung mehr Nachhaltigkeit erreichen

Die Digitalisierung ist bei der Umsetzung eines nachhaltigen Labors ein hilfreiches Werkzeug, um den Überblick über Inventar, Protokolle, Daten und Dokumentationen im Labor zu behalten. Dadurch werden datengestützte Entscheidungen ermöglicht, was Zeit und Ressourcen spart. Ein Inventory Managementsystem kann dabei helfen, Materialien-Bestände besser im Blick zu behalten und so z. B. Doppelbestellungen zu vermeiden. Ein Gerätemonitoring wiederum kann unnötige Energieverbräuche aufdecken und erinnert Nutzerinnen und Nutzer an bevorstehende Wartungen. Durch die Umstellung auf ein elektronisches Laborbuch (ELN) lassen sich historische Daten leichter abrufen, was Zeit spart und unter Umständen die unnötige Wiederholung von Versuchen reduziert. Auch der Papierverbrauch wird minimiert und insgesamt wird durch die Digitalisierung die Zusammenarbeit von Teams intern, extern und auf globalem Maßstab vereinfacht.

Auch bei der Hardware (z. B. Cloud vs. Server-Computing-Plattformen) und Software sollte der Energieverbrauch berücksichtigt werden. Zum Beispiel können rechenintensive Analysen, wie genomweite Assoziationsstudien (GWAS), sehr ressourcenintensiv sein. Eine genomweite Assoziationsstudie in der UK Biobank für ein einzelnes Merkmal, durchgeführt mit der Bolt-LMM-Software, emittiert 17,29 kg CO₂-Äquivalente, wenn sie mit Version 1.0 der Software durchgeführt wird, aber nur noch 4,7 kg CO₂-Äquivalente, wenn sie mit Version 2.3 durchgeführt wird. Durch den Wechsel der Softwareversion können Forscher daher den CO₂-Fußabdruck dieser Analyse um 73 Prozent reduzieren [1]. Mit dem „Green Algorithms-Calculator“ können Forscher sogar den CO₂-Fußabdruck ihrer Berechnungen abschätzen.

Nachhaltigkeitsmaßnahmen und Aufwand

Geringfügige Anpassungen im Arbeitsalltag können schon viel bewirken und weitreichend Nutzen bringen, wie z. B. auch eine Umstellung auf ein digitales Laborbuch die Dokumentation von Experimenten und Ergebnissen vereinfacht. Trotz der Vielzahl an Vorteilen, die mit der Verbesserung der Nachhaltigkeit im Labor einhergehen, entsteht durch die Einführung entsprechender Maßnahmen ein zusätzlicher Zeit- und Organisationsaufwand. Darüber hinaus kann die Implementierung nachhaltiger Lösungen zu Beginn zusätzliche Kosten bedeuten. Unternehmen beziehungsweise Labore müssen stets das Budget für nachhaltige Lösungen sowie die Kosten-Nutzen-Relation berücksichtigen, denn auch die Ökonomie ist Bestandteil einer umfassenden Nachhaltigkeitsberatung. Zudem erzeugt die Integration technologischer Lösungen viele Daten, was eine höhere Rechenleistung und Speicherkapazität erfordert.

Dr. Simon Bungers, CEO und Co-Founder bei Labforward: „Gemeinsam [mit Forschenden] finden wir effektive Wege, um nachhaltiger zu werden.“ © Labforward

„Als Wissenschaftler tragen wir die Verantwortung, die Umwelt zu schützen, uns zu engagieren und unsere Arbeitsweisen entsprechend anzupassen. Gut, dass Forschende hochgradig kreativ sind. Gemeinsam finden wir effektive Wege, um nachhaltiger zu werden. Bei Labforward streben wir an, unsere technologischen Lösungen auf informative und durchdachte Weise in Laboren zu implementieren und sicherzustellen, dass unsere Produkte sowohl Wissenschaftler als auch die Umwelt im Blick haben. Die Digitalisierung ist dabei ein wichtiger Schritt“, fasst Dr. Simon Bungers, CEO und Co-Founder bei Labforward, zuversichtlich zusammen. Der Softwareanbieter Labforward arbeitet mit verschiedenen Partnern zusammen, um eine herstellerübergreifende Lösung zu entwickeln, die in bereits vorhandene Laborstrukturen integriert werden kann, um Labore digitaler und nachhaltiger zu gestalten.

Kooperation für mehr Nachhaltigkeit

Spezialisten der Unternehmen Essentim, die NIUB-Nachhaltigkeitsberatung und Labforward haben gemeinsam eine umfassende, maßgeschneiderte und digitalisierte Lösung für mehr Nachhaltigkeit im Labor entwickelt. Diese entwickelte Lösung in Form eines individuellen und maßgeschneiderten Aktionsplans für jedes Labor, soll nicht nur negative Umwelteinflüsse verringern, sondern auch dazu beitragen, dass Labore durch die Reduzierung ihres Energieverbrauchs Geld sparen und langfristige „Gewohnheiten“ zur Verbesserung der Effizienz entwickeln.

Diese Lösung für Labore macht eine umfassende Überwachung verschiedener Anwendungen möglich. Diese umfasst das Monitoring der Temperatur von Kühlgeräten, des Stromverbrauchs sowie die Überwachung von Geräten und Umweltparametern wie der Luftfeuchtigkeit. Implementiert werden die von Sensoren generierten Daten in das Laborausführungssystem, kurz LES (Lab Execution System), Laboperator von Labforward, wo die Daten visualisiert und verarbeitet werden. Die Erkenntnisse aus den Sensordaten werden dann von Dr. Kerstin Hermuth-Kleinschmidt genutzt, um mit Hilfe der Ecomapping-Methode dem Labor beim Erstellen eines Aktionsplans zu helfen.