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Materialforschung für die Energiewende

14.06.2012
Der Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM) und das Department für Chemie und Bioingenieurwesen (CBI) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) stellen auf der ACHEMA in Frankfurt vom 18. bis 22. Juni 2012 innovative Materialien und verfahrenstechnische Systemlösungen für die Energiewende vor.

Auf fast einhundert Quadratmetern Standfläche präsentieren der EAM mit seiner integrierten Graduiertenschule sowie das CBI in Forschungshalle 9.2, Stand E 93 zusätzlich ihr Angebot für Studierende und Wissenschaftler.


Prototyp eines maßgeschneiderten Reaktors mit optimierter Geometrie. Bild: EAM / CRT

Neue Hochleistungsmaterialien sind Grundvoraussetzung für neue Lösungen im Energiesektor. Entsprechende Innovationen setzen dabei an der gesamten Prozesskette an und erfordern interdisziplinäre Zusammenarbeit, für die im Exzellenzcluster EAM und seinem Umfeld in Erlangen (z. B. zwei Fraunhofer Institute, EnergieCampus Nürnberg, Bayerisches Zentrum für angewandte Energieforschung ZAE) exzellente Materialforschung mit verfahrenstechnischer Expertise verknüpft werden. Die ausgestellten Exponate zeigen Lösungsmöglichkeiten für die unterschiedlichsten Herausforderungen der Energiewende auf:

Optimierte Nutzung von regenerativen Energien
Stromerzeugung durch Windenergie spielt eine wichtige Rolle im regenerativen Energiemix. Ein Windrad mit gleich sechs Flügeln – bestehend aus zwei dreiflügeligen Rotoren auf einer horizontalen Rotationsachse – wurde am Lehrstuhl für Strömungsmechanik in seinem aerodynamischen Aufbau durch Simulation und experimentelle Überprüfung im Windkanal optimiert. Ziel ist es, die Gesamtleistung in der Umwandlung von Windenergie in Elektroenergie im Vergleich zum einzelnen Rad zu erhöhen. Dafür werden folgende Parameter optimiert: Querschnitt, Profil und relative Größe der Rotorblätter sowie die Rotationsrichtungen der Windräder.
Neue Speichertechnologien
Innovative Speichertechnologien sind der Schlüssel zur effizienten Nutzung erneuerbarer Energien. Die Chemische Reaktionstechnik zeigt Lösungsansätze auf. Eine neue Form der Speicherung des elektrolytisch aus regenerativem Strom hergestellten Wasserstoffs nutzt sogenannte „Liquid Organic Hydrogen Carriers“ (LOHC). Wasserstoff wird hier in einer Kohlenwasserstoffverbindung gespeichert. Diese Substanzgruppe ist nicht explosiv, hat eine ähnliche Konsistenz wie Dieseltreibstoff, erreicht bis zu 30 Prozent des Heizwertes von Heizöl und kann auch wie dieses in der bereits bestehenden Logistikkette vertrieben werden. Bei Energiebedarf wird dann die energiereiche Flüssigkeit (LOHC) unter Freisetzung von Wasserstoff in einer katalytischen Reaktion energetisch entladen und kann dann wieder zum Ort der Energieerzeugung zurückgebracht werden. Für die Wasserstoff-Freisetzung spielen katalytische Prozesse und optimierte Reaktoren die entscheidende Rolle.
Poröse Materialien für neue Reaktorsysteme
Die Chemische Reaktionstechnik zeigt außerdem Reaktorsysteme, die geometrisch komplex aufgebaut und gleichzeitig mechanisch, thermisch und korrosiv hochbelastbar sind. Als Grundstrukturen dieser Reaktoren dienen poröse metallische Bauteile, die durch selektives Elektronenstrahlschmelzen erzeugt werden. In diesem Verfahren kann nahezu jede dreidimensionale Form inklusive Reaktoreinbauten (z. B. interne Zellstruktur, Kühlschleifen) in nur einem Fertigungsschritt realisiert und danach die Oberfläche mit katalytisch aktiven Materialien beschichtet werden. So entstehen neuartige Katalysatorstrukturen oder Mikroreaktorelemente, die es in dieser Form einmalig sind. Diese Technologie wird derzeit im Projekt „Neue Materialien und Fertigungsprozesse für Komponenten in der Verfahrenstechnik – VerTec“ in Fürth etabliert und ist auf der Suche nach Pilotprojekten mit der Industrie.
Effiziente und umweltschonende Ölheizung
Auch bei der kleinsten Ölheizung der Welt spielen poröse Materialien eine entscheidende Rolle. Das Herzstück der Heizung besteht aus einem Porenbrenner, der eine emissionsarme Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht und der am Lehrstuhl für Strömungsmechanik entwickelt wurde. Im Rahmen des Projektes PyrInno haben 13 Partner von 2006 bis 2008 eine Haus­energiezentrale für flüssige Brennstoffe zur Marktreife gebracht. Die Kernkomponente bildet ein kompakter Brenner, mit einem großen Leistungsmodulationsbereich von 1 kW bis 8 kW. Dieses Heizsystem mit seinem hohem Wirkungsgrad sowie geringem Platz- und Energiebedarf, reduzierter Schadstoff- und Schallemission ist perfekt geeignet für den zunehmend geringeren Energiebedarf in gut gedämmten Häusern.
Schichtssysteme auf Partikeln und mit Partikeln
Beschichtungen auf Partikeln lassen sich u. a. mit Wirbelschichtanlagen über verschiedene Verfahren wie z. B. ALD (Atomic Layer Deposition) besonders effizient einstellen. Solche Systeme werden z. B. für die nächste Generation von Li-Ionen-Batterien am Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik (LFG) entwickelt. Funktionale Schichten mit Partikeln werden u. a. in Solarzellen, für Elektroden von Brennstoffzellen oder für die druckbare Elektronik entwickelt. Immer geht es dabei Formulierung entsprechender Pasten und Tinten, welche eine gute Stabilität gegenüber Agglomeration und optimal eingestellte Fließeigenschaften aufweisen müssen. Über entsprechende Druckverfahren können die Schichtstrukturen und die -eigenschaften in weiten Grenzen gesteuert werden.
Basis für neue Materialien: maßgeschneiderte Moleküle und Partikelsys­teme
Die Herstellung, Analyse und Nutzung molekularer Bausteine für neue Materialien stellt eine Schlüssel- und Querschnittstechnologie dar. Am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik stehen Ionische Flüssigkeiten (IL) im Vordergrund. Diese bestehen ausschließlich aus Ionen, besitzen einen sehr niedrigen Dampfdruck und sind bei Raumtemperatur flüssig. Ihre Eigenschaften lassen sich für ein breites Anwendungsspektrum maßschneidern: z. B. als Bestandteil von Schmierstoffen für Windräder oder in Verbrennungsmotoren. Eine wichtige Rolle spielen sie auch in der Katalyse, z. B. in der sogenannten SILP (supported ionic liquid phase) Technologie, bei der Ionische Flüssigkeiten auf poröse Trägermaterialien immobilisiert werden. Durch Einbringen eines Katalysators in der IL können die Vorteile von heterogener und homogener Katalyse (molekulares Katalysatordesign, leichte Produktabtrennung) kombiniert werden.

Am Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik stehen die großtechnische Herstellung, Charakterisierung, Funktionalisierung und Anwendung neuer Partikelsysteme im Fokus. Ein besonders vielversprechendes Gebiet ist der Einsatz in modernen Solarzellen auf Basis von anorganisch-organischen Hybridmaterialen mit großem Potential. Diese könnten seltenen Erden und Silizium bald vollständig ablösen und spielen in vielen Materialbereichen wie Quantumdots in der Optoelektronik, Partikeln als Verstärkung in Leichtbaumaterialien, als Komponenten in der Optik und Photonik, sowie in der Katalyse eine tragende Rolle.

Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials (EAM)
Der an der FAU im November 2007 eingerichtete Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials – Hierarchical Structure Formation for Functional Devices“ befasst sich mit der Erforschung und Entwicklung neuartiger Materialien. Die Vision des Clusters ist es, die Lücke zwischen der naturwissenschaftlich geprägten Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Nanotechnologie und ihrer ingenieurwissenschaftlichen Umsetzung in wichtigen technologisch-wirtschaftlichen Schlüsselbereichen im Bereich Nanoelektronik, Optik & Photonik, Katalyse und Leichtbau zu schließen. In über 90 Projekten arbeiten 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus acht Disziplinen (Angewandte Mathematik, Bio- und Chemieingenieurwesen, Chemie, Elektrotechnik, Informatik, Maschinenbau, Physik und Werkstoffwissenschaften) entlang der Prozesskette vom Molekül bis zum Material zusammen. Sie kooperieren dabei u. a. mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen wie den beiden Erlanger-Fraunhofer Instituten, dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichtes sowie mit ausgewählten Industriepartnern. Für den Zeitraum von fünf Jahren konnten 40 Millionen Euro aus der Exzellenzinitiative sowie weitere 41 Millionen vom Bund, dem Land Bayern, der FAU und der Industrie eingeworben werden.
Department Chemie- und Bioingenieurwesen (CBI)
Das Chemie- und Bioingenieurwesen (CBI) beschäftigt sich mit der Veränderung von Stoffen durch chemische, physikalische und biologische Verfahren. Dabei sollen durch ständige Optimierung bestehender bzw. durch den Einsatz neuer Verfahren die Produkteigenschaften verbessert sowie die Anzahl und Menge unerwünschter Neben- und Abfallprodukte reduziert werden. Dank ihrer breiten Ausbildung sind Chemie- und Bioingenieure in vielen Industriezweigen vertreten: in der chemischen, pharmazeutischen, Erdöl- und Lebensmittelindustrie, im Anlagen- und Automobilbau sowie in der Energietechnik und dem Umweltschutz. In der Forschung engagieren sich die Lehrstühle des Departments CBI bei den Schwerpunkten chemische Reaktionstechnik, thermische, biologische medizinische Verfahrenstechnik, Grenzflächenverfahrenstechnik und vielskalige Simulationsverfahren, Anlagentechnik, Strömungsmechanik und Thermodynamik. Seit März 2011 werden durch den neu gegründeten Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik auch neue Technologien und Konzepte für eine CO2 arme Energieversorgung abgedeckt. In der Ausbildung trägt das Department die Bachelor- und Masterstudiengängen „Chemie- und Bioingenieurwesen“, „Life Science Engineering“ sowie „Energietechnik“ und ist an anderen Studiengängen der Technischen Fakultät beteiligt.

Weitere Informationen für die Medien:

Annette Tyrach
Tel.: 09131/85-20480
annette.tyrach@eam.uni-erlangen.de

Heiner Stix | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-erlangen.de

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