Nachhaltigkeit und Energiewende: Die Rolle der Oberfläche

Sintflutartige Überschwemmungen in Deutschland, andauernde Waldbrände in Australien und den USA und darauf eine globale Pandemie: Spätestens seit 2021 ist klar, dass wir uns immer schneller auf die ökologischen Belastungsgrenzen der Erde zubewegen. Der einzige Lösungsweg, der nicht die Rückkehr in vorindustrielle Zeiten bedeutet, besteht darin, effiziente Verfahren zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen und nachhaltige, industrielle Prozesse zu entwickeln. Wir brauchen: Innovation.

Die Oberflächenbeschaffenheit von Materialien ist oftmals der Schlüssel zur Effizienz eines bestimmten Verfahrens. Wie schnell läuft eine Reaktion ab? Wie selektiv ist mein Verfahren? Wie korrosionsbeständig ist die neue Anlage? Die Oberflächentechnik nimmt als absolute Querschnittstechnologie eine äußerst wichtige Rolle ein, die den Erfolg erneuerbarer Technologien, wie Brennstoffzellenautos, Batterien und Korrosionsschutz von Windenergieanlagen, mitentscheiden wird.

Wasserstoff: Graphit statt Gold verspricht Durchbruch bei Bipolarplatten

Die Themen Brennstoffzelle, Wasserstoffdiffusion und -versprödung sind mit Hinblick auf die zentrale Rolle von Wasserstoff als zukünftigen Energieträger (Nationale Wasserstoffstrategie) höchst relevant. Der Siegeszug des Brennstoffzellen-Autos gerät durch die hohen Herstellungs- und daher Anschaffungskosten momentan jedoch noch ins Stolpern. Neben Effizienzproblemen ist dies vor allem den mit Gold beschichteten Bipolarplatten geschuldet. Diese sind Kernkomponenten der Brennstoffzellen und sorgen z.B. für die elektrische Verbindung, die Gasverteilung und Dichtung der Zellen. Doch Gold ist teuer und die Herstellung aufwendig.

Hier hat letzten Sommer ein Durchbruch in der Oberflächentechnik am Fraunhofer IWS in Zusammenarbeit mit Daimler und dem finnischen Stahlunternehmen Outokumpu Nirosta für Aufregung gesorgt. Es wurde eine preiswerte Alternative in Aussicht gestellt: dünne Kohlenstoffschichten, die sich für die Massenproduktion eignen, sind deutlich günstiger in der Herstellung bei gleichzeitig ähnlicher oder besserer Performance der Bipolarplatte. [1]

Trotz dieser positiven Nachrichten gibt es immer noch genug Raum zum Anpacken, z.B. bei der Entwicklung von günstigen Schichten zum Schutz vor Wasserstoffversprödung und bei der Abdichtung gegen Wasserstoffdiffusion im Transportsektor. Auch hier kann die Oberflächentechnik das Züngelchen an der Waage sein.

Bitte ein Photo(n)! – Beschichtungen und Oberflächen, die durch Sonnenlicht aktiviert werden können, zeigen Zukunftspotential

Neben Wasserstoff wird auch Solarenergie als zukünftiger Energieträger und primäre Stütze der Energiewende heiß gehandelt. Das besonders Attraktive: Sonnenlicht ist überall zugänglich und mit der Energie, die in einer Stunde Sonneneinstrahlung auf die Erde trifft, könnte man theoretisch die Weltwirtschaft ein ganzes Jahr versorgen.

Solarzellen sind dementsprechend schon Teil des Alltags. In Deutschland wurde die anfänglich exemplarische Entwicklung zwar ausgebremst, doch gerade über die letzten Jahre erleben wir hierzulande wieder einen Boom mit innovativen Konzepten zur Solarstromerzeugung.

Weniger verbreitet ist der Begriff Photokatalyse. Diese Form der Katalyse bezieht ihre Energie aus Photonen, also Licht. Halbleitermaterialien haben die Fähigkeit, durch Licht soweit angeregt zu werden, dass sie Energie für die Spaltung von eigentlich unreaktivem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff liefern können. Im großen Verbundprojekt H2Demo sollen nun bis 2026 Ziel erstmals Demonstratoren mit einer Fläche von 1300 cm2 für die direkte solare Wasserstofferzeugung mit einem Wirkungsgrad > 15 % erbaut werden.[2] Zudem können Photokatalysatoren organischen Stoffen und theoretisch auch CO2 in weitere Plattformmoleküle wie Methanol umwandeln. Photokatalytisch aktive Schichten und Materialien können zudem für selbstreinigende und antimikrobielle Oberflächen benutzt (in Asien ist dies schon kommerziell verbreitet), oder in Luftfiltern zur Viren-/Schadstoffbekämpfung sowie in der Abwasserreinigung verwendet werden.

Batterien, In-line Sensorik und High-End Korrosionsschutz

Auch im Bereich der Batterien und damit allen verbundenen Anwendungen sind Beschichtungsverfahren nicht wegzudenken. Themengebiete, in der die Oberflächentechnik eine Rolle spielt, sind beispielsweise neuartige, lösemittelfreie Beschichtungsverfahren für Energiespeicherelektroden als ökologisch freundliche Alternative; die Etablierung von Inline-Sensorik zur Reduzierung von Elektrodenausschuss; sowie eine optimierte Oberflächenstrukturierung von Elektroden zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Batterien.

Ein guter Verschleiß-/Korrosionsschutz steigert die Langlebigkeit von Produkten, und somit auch deren Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit der Lebenslaufzeit. Im Alltag haben sich hier schon Produkte wie Zinklamellenschichten als Standard am Markt etabliert. Herausforderungen treten jedoch in besonders aggressiven Umgebungen auf, wie z.B. in maritimen Umgebungen, wo das Salzwasser Materialien besonders zusetzt. Dies ist interessant im Bereich von Off-Shore Windanlagen oder auch in der Schifffahrt. Intelligente Lösungen in der Oberflächentechnik sind hier gefragt.

Neues Technologienetzwerk im Aufbau

Es gibt also viel zu tun: Daher plant die EurA AG ein neues ZIM-Kooperationsnetzwerk „FONIE – Funktionale Oberflächen für eine nachhaltige Industrie und Energieanwendungen“. Die Entwicklung neuer Endprodukte und Verfahren sowie die Weiterentwicklung bestehender Technologien sind dabei ein essenzieller Teil des Netzwerks sowie der zukünftigen, wirtschaftlichen Entwicklung.

Ziel des, vom BMWK geförderten Kooperationsnetzwerks, ist die Generierung, Kooperation, Beantragung und Begleitung von geförderten FuE-Projekten. Konkret stellen Ihre Bedarfe und Probleme dafür die Basis dar. Das Netzwerkmanagement der EurA AG unterstützt Sie dabei während des gesamten Innovations- und Fördermittelprozesses. Entlang der vorgestellten Themengebiete sollen möglichst Synergien zwischen den Teilbereichen generiert werden, um technologische Fortschritte zu beschleunigen. Hierbei werden Vertreter der gesamten Wertschöpfungskette berücksichtigt. Die Resultate der Projekte dienen als technologische Grundlage für eine zukünftige Markteinführung innovativer Oberflächentechnologien. Durch erfolgreiche Förder- und Netzwerkprojekte wird die Oberflächentechnik auf nationaler und internationaler Ebene gestärkt. Die Anbahnung und Umsetzung der technologischen Innovationen ermöglicht die Erschließung neuer Anwendungsfelder und damit einhergehend eine Umsatzsteigerung Ihres Unternehmens. Durch eine Mitgliedschaft im Netzwerk werden Wettbewerbsvorteile gesichert und durch neue Kooperationsmöglichkeiten ausgebaut. Außerdem führt eine ressourcenorientierte Entwicklung zu nachhaltigen und wirtschaftlichen Produkten.

Das hört sich interessant an? Dann einfach kurz zum Hörer greifen oder eine E-Mail schicken! Oder auf unsere Seite speziell zum Thema Oberflächentechnik noch mehr erfahren. 

 

Autorin: Dr. Greta Haselmann


[1] „Graphit statt Gold: Dünne Schichten für bessere Wasserstoff-Autos - Fraunhofer IWS“. https://www.iws.fraunhofer.de/de/newsundmedien/presseinformationen/2020/presseinformation_2020-09.html

[2]  H2Demo https://h2demo.de/

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