PAPILIO | TOBIAS TRÜBENBACHER | BA 2021

 

PAPILIO | Bachelorarbeit 2021

Je höher wir unsere Städte bauen, um so windiger werden sie auch. Einerseits steigern Flurwinde, der Venturi-Effekt und Klimawandel die Windintensität, andererseits wird auch durch den Menschen immer mehr Wind aktiv erzeugt — etwa durch Verkehr oder in U-Bahn Schächten. Es existieret daher ein wachsendes Potenzial zur Nutzung von Windkraft im urbanen Raum.

Gleichzeitig nehmen schädliche anthropogenen Einflüsse auf unseren Planeten immer weiter zu, ganz besonders in dicht besiedelten Gebieten. Ein bislang oft vernachlässigtes, sich immer weiter zuspitzendesProblem ist in diesem Zusammenhang die zunehmende Lichtverschmutzung. Jedes Jahr wächst die Menge künstlichen Lichts weltweit um 6 Prozent. 83 Prozent der Weltbevölkerung leiden schon heute unter einem unnatürlich hellen Nachthimmel. Die damit einhergehende Lichtverschmutzung hat nicht nur ernste gesundheitliche Auswirkungen auf Menschen, sondern auch gravierende Folgen für Flora und Fauna. Artensterben, Orientierungsverlust von Zugvögeln, Einschränkungen für Fischwanderungen, sowie gestörte Biorhythmen von Pflanzen sind nur ein kleiner Teil der Konsequenzen. Ganz besonders betroffen sind Insekten. So wird geschätzt, dass derzeit in einer einzigen Sommernacht nur in Deutschland ca. 1,2 Milliarden Insekten durch Straßenbeleuchtung sterben.

Gleichzeitig verbraucht die Weltbevölkerung laut Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit für öffentliche Beleuchtung weiterhin rund ein Fünftel der gesamten globalen Elektrizität — und setzt dadurch indirekt eine riesige Menge an Treibhausgasen frei. Allein in Deutschland verursachen Straßenlaternen eine Emission von 2,5 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr.

Die Straßenlaterne PAPILIO reduziert den ökologischen Fußabdruck von Straßenbeleuchtung um ein Vielfaches, indem sie Strom durch einen integrierten Windgenerator erzeugt und Lichtverschmutzung gleichzeitig minimiert. Zur Energiegewinnung dient ein Savonius-Rotor, bei dem die Windrichtung irrelevant ist. Durch dessen diagonale Anordnung kann dieser sowohl aus vertikalen (natürlicher Wind), wie auch horizontalen Luftströmungen (z.B. Luftverdrängung durch Verkehr) klimaneutrale Energie erzeugen.

Ein Akku speichert den erzeugten Strom und kann so auch windstille Phasen überbrücken. Dies macht es möglich, PAPILIO einerseits komplett autonom zu betreiben, sodass die aufwendige Verlegung von Elektrizitätsinftrastruktur entfällt. Alternativ kann das Produkt auch mit einem bestehenden Stromnetz verbunden werden, um bei starkem Wind überschüssigen Strom einzuspeisen.

Um Lichtverschmutzung zu minimieren, ist das Produkt als „Full-Cut-Off-Leuchte“ konstruiert, die Licht ausschließlich nach unten auf die Straße abstrahlt und deren Abstrahlwinkel dabei weit unter der Horizontalen liegt. Darüber hinaus verfügt die Straßenlaterne über einen Infrarotsensor, der das Licht nur dann aktiviert, wenn es tatsächlich benötigt wird. Das verwendete Lichtspektrum hat durch eine warme Farbtemperatur von 2700 Kelvin eine geringere Anziehung auf Insekten.

Bei der Straßenlaterne PAPILIO wird der Prozess der Energiegewinnung zum zentralen Element der Straßenlaterne zu einem ästhetischen Spiel, das die Umgebung bereichert — sowohl am Tag, wie auch in der Nacht. Es ist eine Straßenlaterne für eine lebenswerte Zukunft.

The higher we build our cities, the more windy they become. On the one hand, rising air masses above cities, the Venturi effect and climate change increase the wind intensity in urban surroundings. On the other hand, also humans actively generate more and more wind – for example by traffic or in subway shafts. As a result, there is a growing potential for using wind power in urban areas.

At the same time, however, the harmful anthropogenic influences on our planet are increasing — especially in densely populated areas. A problem that has hitherto often been neglected in this context is the drastically intensifying light pollution. Every year the worldwide amount of artificial light is growing by 6 percent. 83 percent of the world’s population already suffer from an unnaturally bright night sky. Light pollution not only has bad health effects on people, but also a serious impact on flora and fauna. Extinction of species, orientation loss of migratory birds, significant restrictions on fish migration, as well as disturbed biorhythms of plants, are only a fraction of these consequences. It is estimated that currently in Germany alone around 1.2 billion insects die because of street lighting in one single summer night.

Nonetheless, according to the BMU, the world’s population continues to spend nearly a fifth of the total global electricity on public lighting, which releases a significant amount of greenhouse gases. In Germany alone, street lights indirectly emit 2.5 million tons of CO2 per year.

The lamp PAPILIO is reducing the ecological footprint of street lighting many times over by generating electricity with an integrated wind generator while at the same time minimizing light pollution. An integrated Savonius rotor made of folded sheet metal, is used to produce climate neutral energy. For its operation the wind direction is irrelevant and due to its diagonal orientation, the rotor works with vertical (natural wind) as well as horizontal air streams (e.g. airflow caused by traffic).

A rechargeable battery stores the generated electricity and can thereby also bridge periods of calm. This makes it possible to either operate PAPILIO completely autonomously without a necessity for expensive underground electricity infrastructure. Alternatively, the product can also be connected to an existing power grid in order to feed surplus energy into the network during strong winds.

In order to minimize light pollution, the product is designed as a “full-cut-off light”, which only emits light downwards, while the lighting angle is far below the horizontal. Moreover, the street lamp provides an infrared sensor, only activating the light when it is actually needed. In addition, the used light spectrum is less attractive to insects due to a warm color temperature of 2800 Kelvin.

With PAPILIO, the process of generating energy becomes the central element of the street lamp and an aesthetic play, enriching streets, walkways and city squares — both during the day and at night. It is a street lamp for a future worth living in.

 

 

 

Prozess

 

 

Betreut durch

Prof. Ineke Hans, Prof. Holger  Neumann, Steffen Herm

Contact

www.tobiastruebenbacher.com