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27. März 2008 • Nr. 13 Technik: F&E
Werkstoffe
Heiß und sauber:
Brennstoffzelle von Thyssen
Produktion Nr. 13, 2008
JÜLICH (sp). ThyssenKrupp VDM und
das Forschungszentrum Jülich experimentieren
mit Nickellegierungen für
zukunftsträchtige Brennstoffzellen-
Technologie.
Die Brennstoffzelle liefert saubere
Energie in Form von Wärme und
Strom bei hohen Wirkungsgraden.
Die bekannteste Form ist die Polymer-
Brennstoffzelle, die mit reinem Wasserstoff
und Luftsauerstoff betrieben
wird. Dass es noch anders geht, zeigen
die Entwicklungen des Forschungszentrums
Jülich, die mit der
Festoxid- oder Hochtemperatur-
Brennstoffzelle auf dem Weg sind,
Treibstoffe wie Diesel, Benzin oder
Methanol mit geringem Arbeitsaufwand
einzusetzen. Der Vorteil dieser
Technologie ist die bereits vorhandene
flächendeckende Infrastruktur für
die Kraftstoffe. Entscheidende Werkstoffe
für die Fertigung dieser Brennstoffzellen-Technologie
stellt die
ThyssenKrupp VDM her.
SOFC-Brennstoffzelle hält
dank Chromstahl bis zu 900° aus
Ein grundlegender Unterschied der
beiden Typen, der Wasserstoff-Brennstoffzelle
und der Festoxid-Brennstoffzelle,
liegt in der Betriebstemperatur:
Während die Polymer-Brennstoffzelle
Temperaturen von 80 bis
100 Grad Celsius erreicht, klettern die
Temperaturen in der so genannten
SOFC-Brennstoffzelle auf bis zu 900
Grad. Hier wird das benötigte wasserstoffreiche
Gas zuvor bei hoher Temperatur
aus dem Kraftstoff gewonnen.
Die Bedingungen, die in der Brennstoffzelle
herrschen, erfordern besondere
Werkstoffe: Für den Betrieb der
Zelle liefert ThyssenKrupp VDM den
ferritischen Chromstahl Crofer 22
APU (Auxiliary Power Unit).
In der Brennstoffzelle wird das Ma-
Bild: ThyssenKrupp VDM
Temperaturbeständige Werkstoffe
für die Fertigung der FestoxidoderHochtemperatur-Brennstoffzelle
liefert ThyssenKrupp.
terial in den so genannten Interkonnektoren
verwendet. Diese Stahl-
Zwischenplatten verbinden die einzelnen
Zellen zu einem leistungsfähigen
Brennstoffzellen-‚Stapel‘. Die Liste
der Anforderungen an den Werkstoff
für dieses Bauteil ist lang: Er
muss innerhalb der Brennstoffzelle
elektrisch leitend, korrosionsfest, mechanisch
stabil und belastbar sein,
leicht zu verarbeiten und keine negativen
Auswirkungen auf die Zelle haben.
Crofer 22 APU ist an diese Anforderungen
angepasst. Wichtig für den
breiten Einsatz in Brennstoffzellen ist
zudem der Preis des Materials. „Wir
müssen die Beschaffung des Materials
und damit die Fertigung der Brennstoffzelle
günstig gestalten. Es geht
nicht zuletzt um die Reduktion der
Systemkosten“, erläutert Dr. Robert
Steinberger-Wilckens vom Forschungszentrum
Jülich. „Crofer 22
APU lässt sich leicht verarbeiten und
besitzt hohe Leitfähigkeit sowie Korrosionsfestigkeit.“
Ein weiterer Vorteil
sind die Ausdehnungswerte unter
Einfluss von Wärme, die denen der
Keramik entsprechen, die für die Zellen
verwendet wird. So kommt es
zwischen beiden Materialien nicht zu
mechanischen Spannungen, die die
Keramik beschädigen könnten.
Die aktuellen Entwicklungen lassen
die Nachfrage nach geeigneten Werkstoffen
für Interkonnektorplatten
wachsen. „Vom 100-Kilogrammbereich
sind wir mittlerweile schon in
den Tonnenbereich gelangt – die
Nachfrage hat sich innerhalb der letzten
zwei Jahre vervielfacht“, so Scheide.
Auch Hochtemperatur-Nickellegierungen
spielen in anderen Baugruppen
der SOFC-Zelle wie Wärmetauscher,
Reformer und Bipolarplatten
eine Rolle.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
wie Gebäude, Auto oder Schiff
Die Brennstoffzelle als ‚Auxiliary
Power Unit‘, also als Hilfs-Stromversorgungsaggregat,
soll vielfältig Verwendung
finden, vom stationären
Einsatz in Gebäuden, Klein- und
Blockheizkraftwerken bis zum mobilen
Einsatz im Auto, Schiff und U-
Boot. Zu Demonstrationszwecken arbeitet
diese Art der Brennstoffzelle
bereits in Bereich der Hausenergie
und mobil als Bordstromversorgung.
Die kleinen dezentralen Kraftwerke
sind auf dem Vormarsch: Sie sind
enorm energieeffizient, liefern Wärme
und elektrische Energie bei unschädlichen
Emissionen – alles Eigenschaften
einer erfolgreichen Zukunftstechnologie.
Emissionshandel
Umwandlung des Klimakillers CO2
Produktion Nr. 13, 2008
DUISBURG-ESSEN (sp). Der Klimawandel
gilt als eines der größten Probleme
des 21. Jahrhunderts. Hauptverantwortlich
ist der hohe CO2-Ausstoß.
Wissenschaftler stellen nun den
‚Algenreaktor‘ vor, er wandelt Industrieemissionen
zu Biomasse.
Um den Treibhauseffekt aufzuhalten,
versuchen sich Wissenschaftler an
unterschiedlichen technischen Entwicklungen.
Eine Lösung macht die
Natur vor: Grünpflanzen filtern durch
Photosynthese das Treibhausgas aus
der Luft. Ähnliches passiert in Bioreaktoren,
wo Grünalgen zugeführtes
CO2 zu Biomasse umwandeln. Diesen
Prozess wollen Physiker der Uni Duisburg-Essen
(UDE) industriell nutzen.
Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Hilmar
Franke hat einen faseroptischen
Photo-Bioreaktor entwickelt. Das bislang
einzigartige System filtert Kohlendioxid
aus dem Abgas fossiler
Energieerzeugung: CO2-Emissionen
aus Heizungsanlagen werden zu Biomasse,
sprich Sauerstoff und Algen.
Der CO2-Vernichter transportiert Tageslicht
mit Hilfe von Lichtleitfasern
vom Gebäudedach über einen Lichtsammler
in den Bioreaktor. Hier wird
die Algensuppe mit den Emissionen
Bild: Universität Duisburg-Essen
einer Industrieanlage begast. Die Algen
verwerten dank des Lichts das
CO2 und vermehren sich.
Aus den zwei Effekten – Vernichtung
von Treibhausgas und Entstehung
von Biomasse – lässt sich Kapital
schlagen, erklärt Prof. Franke:
„Stichwort Emissionshandel: Wer
Kohlendioxid einspart, kann überschüssige
Verschmutzungs-Zertifikate
verkaufen. Stichwort Biomasse: Algen
lassen sich als Biotreibstoff oder
für Baustoffe vermarkten.“
Die technische Entwicklung des Algenreaktors
ist abgeschlossen. Was
den UDE-Forschern noch fehlt, sind
Investoren. „Wir denken da an die
Biogastechnologie oder an Betreiber
von Klär- oder Heizanlagen“, so Franke
und rechnet vor: „Ein 50 m 2 großes
Dach würde ausreichen, eine Tonne
Algenreaktor mit Lichtleiter. Durch die Fasern des Lichtleiters
kann man Licht auch in große Tiefen transportieren
und so das Volumen effizient ausnutzen.
CO2-Emissionen im Jahr umzusetzen.
Ein Hallendach von einem Hektar
könnte in Deutschland rund 200 Tonnen
Treibhausgas vernichten.“
Und auch das spricht aus Sicht des
Physikers für das System made in
Duisburg-Essen: „Ein Algenreaktor
mit einem Hektar Lichtsammelfläche
kann mehr als 200-mal mehr CO2
umsetzen als ein Buchen- oder Eichenwald
gleicher Fläche. Auch die
Ausbeute gegenüber einem Hektar
Mais ist bis zu 20-mal höher.“
Für Privathaushalte allerdings ist
der Bioreaktor noch nicht geeignet.
Ein CO2-Filter für kleine Objekte stelle
ganz andere Anforderungen an die
Technik, sagt Franke. „Die Idee, dass
der Schornsteinfeger nicht den Ruß,
sondern Algenpulver aus dem Kamin
kehrt, ist allerdings sehr reizvoll.“
Clean Energy Power
Fördergelder für
Bioenergie-Projekte
Produktion Nr. 13, 2008
STUTTGART (sp). Im Rahmen der
Fachmesse ‚Clean Energy Power‘, die
in Stuttgart stattfand, präsentierten
und diskutierten Experten aktuelle
Zahlen und Informationen zum Thema
Bioenergie.
Mit der Veranstaltungsreihe ‚Brüssel
Background‘ informiert das Brüsseler
Europabüro der Region Stuttgart
über neue Entwicklungen zum Thema
Bioenergie in der EU. Rund 60
Wissenschaftler, Unternehmer und
Politiker nutzten in der Stuttgart
Lounge auf der Neuen
Messe Stuttgart die Gelegenheit,
sich über
den Forschungsstand
und die Fördermöglichkeiten
zu informieren.
Prof. Dr. Frithjof
Staiß, geschäftsführender
Vorstand des Zentrums
für Sonnenenergie
und Wasserstoff-
Forschung, ZSW, beschrieb
die dramatischen
Folgen des Klimawandels
und die positiven
Effekte der erneuerbaren
Energien
auf die wirtschaftliche
Entwicklung.
Im Vergleich zum
Jahr 2004 habe sich der
Gesamtumsatz der Branche in
Deutschland bis zum Jahr 2006 verdoppelt.
Sein Vortrag machte deutlich,
dass aus ehemals stark geförderten
forschungsnahen Wirtschaftszweigen
exportstarke Branchen wurden.
Aus der Sicht des Praktikers sprach
Dr. Andreas Lemmer, Mitarbeiter der
Universität Hohenheim, Landesanstalt
für Landwirtschaftliches Maschinen-
und Bauwesen, über die Vorteile
von Biogas. Am Beispiel der Biogas-
Forschungsanlage ‚Unterer Lindenhof‘
erklärte er, wie durch die Zusammenarbeit
von Verfahrenstechno-
Produktion 15
logie und Mikrobiologie das ‚Multitalent
Biogas‘ hergestellt wird. Um Forschungsergebnisse
zeitnah in Produkte
umsetzen zu können, bedarf es der
Kooperation von Maschinen- und Anlagenbauern,
Agrartechnikern sowie
Spezialisten aus Biotechnologie und
Energiewirtschaft. Gastgeber und
BioRegio-Stern-Geschäftsführer Dr.
Klaus Eichenberg betonte daher die
Interdisziplinarität des Themas. Dr.
Eichenberg ist davon überzeugt, dass
es noch großer gemeinsamer Anstrengungen
bedarf, bis die gestekkten
Ziele – aus den bestehenden
Ressourcen genügend Nahrung und
Geschäftsführer der BioRegio Stern, Dr. Klaus Eichenberg,
fördert im öffentlichen Auftrag die Biotechnologie.
Energie für alle Menschen zu gewinnen
– erreicht werden können.
Dr. Hans-Jörg Lutzeyer von der Europäischen
Kommission, der vom
Brüsseler Europabüro der WRS eingeladen
worden war, und Dr. Renata
Ch. Feldmann vom Projektträger Jülich
stellten die Eckdaten europäischer
Forschungsförderung vor, während
Dr. Feldmann das mit 50 Millionen
Euro ausgestattete Forschungsförderungsprogramm
‚BioEnergie
2021‘ zum Thema Energiepflanzen
und Bioraffinerie-Konzepte des
Bundesministeriums für Bildung und
Forschung präsentierte.
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Bild: BioRegio Stern