Neue Jülicher Materialien bringen Energiewende voran

Neue CMC-Klasse – protonen-leitende Membranen

FZ Jülich logoDas BMBF fördert zwei Projekte des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) namens MAXCOM und ProtOMem im Rahmen der Förderinitiative „Materialforschung für die Energiewende“ mit rund 2,6 Millionen Euro. Der Parlamentarische Staatssekretär Thomas Rachel überreichte dazu im Forschungszentrum Jülich die Förderbescheide.

Dr. Mariya E. Ivanova demonstriert Forschungsstaatssekretär Thomas Rachel die Arbeiten im Projekt ProtOMem.[note Mariya Ivanova demonstriert Forschungs-Staatssekretär Rachel (Mitte) Arbeiten im Projekt ProtOMem – weiter: Prof. Olivier Guillon (2.v.l.) , Jesus Gonzalez (3.v.l.), Prof. Joachim Mayer (2.v.r.) und Prof. Harald Bolt (r.) – Foto © Forschungszentrum Jülich]

„Der Erfolg von Energietechnologien basiert wesentlich auf der Verfügbarkeit geeigneter Materialien“, sagte Rachel. Genau hier setzen die zwei neuen Jülicher Projekte an. Das BMBF fördert die Vorhaben MAXCOM und ProtOMem mit insgesamt zwar rund 3,1 Millionen Euro, davon gehen allerdings 2,6 Millionen Euro an das Forschungszentrum. „Mit den zur Verfügung gestellten Mitteln kann Jülich sein Profil in der Energieforschung weiter schärfen. Bereits heute ist das Zentrum ein Eckpfeiler der deutschen Energieforschung“, so Rachel.

Die Energiewende erfordert viele Komponenten, die ineinander greifen müssen: Das Material muss leistungsfähiger, die Energieeffizienz gesteigert und die Speichermöglichkeiten ausgebaut werden. Ein Grundstein für all diese Ziele ist die Materialforschung, seit vielen Jahren ein Schwerpunkt des Bereichs Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren des IEK-1. Neue Materialien helfen die Effizienz bestehender Systeme steigern und bilden die Basis für neue, moderne Technologien.

MAXCOM – neues Material für höhere Betriebstemperaturen

Die Nachwuchsgruppe MAXCOM (MAX-Phasenkomposite oder MAX phase COMposites) entwickelt innovative Materialien für Hochtemperatur-Anwendungen. Eine neue Klasse Ceramic Matrix Composite - Foto © CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.orgvon keramischen Faserverbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composites: CMCs) soll eine höhere Betriebstemperatur von Gasturbinen ermöglichen. Dies würde nicht nur ihre Effizienz steigern, sondern auch die Schadstoffemissionen verringern. Darüber hinaus sind die geplanten CMCs leichter als die derzeit benutzten metallischen Legierungen – das Gewicht der entsprechenden Bauteile würde sich um 40 bis 60 Prozent reduzieren – und können oxidierenden und korrodierenden Atmosphären besser standhalten.

Grundlage dieser CMCs sind sogenannte MAX-Phasen: Stickstoff- oder Kohlenstoffverbindungen, die sowohl keramische als auch metallische Eigenschaften haben, und ein Übergangsmetall und ein Hauptgruppenelement enthalten. Um deren Vorteile nutzen zu können und ein Konzept in ein marktfähiges Material weiterzuentwickeln, sind systematische Studien notwendig. Leiter von MAXCOM ist Dr. Jesus Gonzalez-Julian, das BMBF fördert MAXCOM mit gut 1,7 Mio. Euro für eine geplante Laufzeit von fünf Jahren.

ProtOMem – Entwicklung protonen-leitender Membranen mit optimierter Mikrostruktur für Separations-Anwendungen

Zwei besonders bedeutende Aspekte der Energiewende sind hocheffiziente Umwandlung von chemischer in elektrische Energie – zum Beispiel in Brennstoffzellen – und die Erzeugung von Energieträgern wie reinem Wasserstoff, der dann als Ausgangsstoff in vielen Prozessen weiter verwendet werden kann. In beiden Fällen spielen ionen-leitende Membranen eine wichtige Rolle. So benötigen protonenleitende Brennstoffzellen Elektrolyte, die undurchlässig für Gase sind, aber von Wasserstoffionen durchdrungen werden können.

Festoxidbrennstoffzellen aus Jülich - Foto © fz-juelich.de[note Festoxidbrennstoffzellen ( SOFCs – engl.: Solid Oxide Fuel Cell) aus Jülich – auf sauerstoffionenleitenden (und keinen protonenleitenden) Festkörperelektrolyten beruhend – Bild ©  fz-juelich.de]

Die Abtrennung von Wasserstoff aus Gasgemischen dagegen kann durch sogenannte protonisch-elektronisch leitende Membranen erreicht werden. Diese keramische Hochtemperaturmembranen müssen in der Lage sein, sowohl Protonen als auch Elektronen getrennt zu transportieren. Für den zukünftigen industriellen Einsatz solcher Systeme sind intrinsische Materialeigenschaften (wie z.B. Leitfähigkeit, chemische und mechanische Stabilität) ebenso ausschlaggebend wie die Fähigkeit, eine geeignete Mikrostruktur in ausreichender Größe und Festigkeit herzustellen. Dies erfordert ein detailliertes Grundlagenverständnis ebenso wie eine Optimierung der Herstellungsprozesse. Das Projekt wird von Dr.-Ing. Mariya E. Ivanova (s. Foto oben) geleitet, seine Laufzeit beträgt drei Jahre. Die Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen und dem Max-Planck Institut für Festkörperforschung Stuttgart durchgeführt. Das BMBF fördert ProtOMem mit insgesamt 1,4 Millionen Euro.

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