Erdgasanlagen ohne CO2-Ausstoß

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Presseaussendung der TU Wien vom 10.05.2017

So umweltfreundlich war Erdgasnutzung noch nie: Die TU Wien leitete ein Forschungsprojekt, das nun eine neue Methode der Erdgasverbrennung hervorgebracht hat – ganz ohne CO2-Ausstoß.

Wie kann man Erdgas verbrennen, ohne dabei CO2 in die Luft abzugeben? Dieses Kunststück gelingt mit einem speziellen Verbrennungsverfahren, an dem die TU Wien seit Jahren forscht – der „Chemical Looping Combustion“ (CLC). Dabei wird das CO2 direkt während der Verbrennung ohne zusätzlichen Energieaufwand abgeschieden und kann anschließend gespeichert werden. Somit wird verhindert, dass es in die Atmosphäre gelangt.

In einer Versuchsanlage mit einer Leistung von 100 kW wurde die Methode bereits erfolgreich angewandt. Jetzt gelang es in einem internationalen Forschungsprojekt, die Technik auf einen größeren Maßstab hochzuskalieren, sodass nun alle Voraussetzungen dafür geschaffen wurden, eine voll funktionsfähige Demonstrationsanlage mit einer Leistung im Bereich von 10 MW zu bauen.

CO2 vom Restabgas abscheiden

Die Verbrennung von Erdgas ist deutlich sauberer als die Verbrennung von Erdöl oder Kohle. Trotzdem hat Erdgas den großen Nachteil, dass bei der Verbrennung klimaschädliches CO2 entsteht. Dieses CO2 bildet normalerweise einen Teil des Abgas-Gemischs, gemeinsam mit Stickstoff, Wasserdampf und anderen Inhaltsstoffen. In dieser gemischten Form lässt sich das CO2 weder speichern noch sinnvoll verwerten.

„In den Anlagen, mit denen wir arbeiten, funktioniert die Verbrennung aber grundlegend anders“, erklärt Stefan Penthor vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien. „Bei unserer Verbrennungstechnik kommt das Erdgas gar nicht in Kontakt mit der Luft, weil wir den Prozess auf zwei getrennte Kammern aufteilen.“

Zwischen den beiden Kammern zirkuliert ein Granulat aus Metalloxid, das für den Sauerstofftransport zuständig ist: „Durch eine Kammer pumpen wir einen Luftstrom, dort nehmen die Partikel Sauerstoff auf. Sie gelangen dann in die zweite Kammer, die vom Erdgas durchströmt wird. Dort geben sie den Sauerstoff ab, es kommt dort zu einer Verbrennung ohne Flamme, dabei entsteht CO2 und Wasserdampf“, erklärt Penthor.

Durch die Aufteilung in zwei Kammern hat man es auch mit zwei getrennten Abgasströmen zu tun: Aus der einen Kammer entweicht sauerstoffarme Luft, aus der anderen Wasserdampf und CO2. Der Wasserdampf kann ganz einfach abgetrennt werden, übrig bleibt fast reines CO2. Dieses CO2 kann für andere technische Anwendungen genutzt werden – oder man speichert es. „Die unterirdische Lagerung von CO2 in großem Stil, in ehemaligen Erdgas-Lagerstätten, könnte in Zukunft eine wichtige Rolle spielen“, glaubt Stefan Penthor. Auch das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) der Vereinten Nationen sieht die unterirdische Lagerung von CO2 als wesentlichen Bestandteil einer künftigen Klimapolitik, doch CO2 zu lagern ist nur möglich, wenn es – wie bei der neuen Verbrennungstechnik CLC – in möglichst reiner Form abgeschieden wird.

Durch diese Trennung der beiden Abgasströme erspart man sich den sehr energieintensiven Schritt, das CO2 aus dem Abgas herauszuwaschen. Trotzdem wird auf übliche Weise Strom erzeugt, die Menge der freigesetzten Energie ist genau dieselbe wie bei der herkömmlichen Verbrennung von Erdgas.

Erfolgreich auf großen Maßstab skaliert

Dass die CLC-Verbrennungsmethode funktioniert, konnte an der TU Wien bereits vor einigen Jahren anhand einer Versuchsanlage demonstriert werden. Die große Herausforderung war es nun, den Prozess so umzugestalten, dass er auf wirtschaftlich interessante Großanlagen übertragen werden kann. Dafür war es notwendig, das gesamte Anlagen design zu überarbeiten, außerdem mussten neue Herstellungsverfahren für die Metalloxid-Partikel entwickelt werden. Als Basis für das überarbeitete Anlagendesign dienten zwei Patente der TU Wien im Bereich Wirbelschichttechnik.

„Für eine große Anlage braucht man viele Tonnen dieser Partikel, daher hängt die Wirtschaftlichkeit des Konzepts nicht zuletzt davon ab, dass man sie einfach und in ausreichender Qualität herstellen kann“, sagt Stefan Penthor.

Dreieinhalb Jahre lang wurde nun im Forschungsprojekt SUCCESS an solchen Fragen geforscht. Neben der TU Wien, von der das Projekt koordiniert wurde, waren 16 Partnereinrichtungen aus ganz Europa beteiligt. Tatsächlich konnten alle wichtigen technischen Fragestellungen geklärt werden. „Das Ziel ist erreicht: Wir haben die Technologie nun so weit entwickelt, dass man jederzeit beginnen kann, eine Demonstrationsanlage im Bereich von 10 Megawatt zu errichten“, sagt Stefan Penthor. Das ist nun aber nicht mehr die Aufgabe der Forschungseinrichtungen, für diesen nächsten Schritt werden nun private Geldgeber gebraucht. Auch vom Willen der Politik und künftigen Rahmenbedingungen in der Energiewirtschaft wird der Erfolg dieser Technologie abhängen. Der nächste Schritt ist auch deswegen wichtig, weil nur so die nötige Erfahrung zum Langzeitbetrieb im industriellen Maßstab gesammelt werden kann.

Inzwischen hat das Forschungsteam an der TU Wien auch bereits das nächste wissenschaftliche Ziel ins Visier genommen: „Wir möchten das Verfahren so weiterentwickeln, dass man nicht nur Erdgas, sondern auch Biomasse verbrennen kann“, sagt Penthor. „Wenn man Biomasse verbrennt und CO2 abscheidet, würde man nicht nur CO2-neutral arbeiten, man würde sogar den CO2-Gehalt der Luft reduzieren. Man könnte also gleichzeitig Energie gewinnen und etwas Gutes für das Weltklima tun.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Hitzebeständige Kondensatoren – stabil bis 300 Grad

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2017

Hitze gehört zu den schlimmsten Feinden der Elektronik. Sie kann die Funktionalität stören, sie lässt elektronische Bauteile schneller altern und kann diese sogar zerstören. Fraunhofer-Forscher haben einen Kondensator entwickelt, der Temperaturen von bis zu 300 Grad Celsius aushält. Sie nutzen dabei einen neuartigen Materialmix – und einen besonderen 3D-Trick.

Hitze, Staub und Feuchtigkeit schaden elektronischen Bauteilen. Gegen Staub und Feuchtigkeit lassen sich diese gut schützen. Doch die Hitze bleibt ein Problem, denn sie entsteht im Bauteil selbst. Überall, wo Strom fließt, wird auch Hitze generiert. Und nicht immer ist in der elektronischen Komponente genügend Platz, um die Abwärme mit Kühlrippen oder Ventilatoren abzuleiten. Noch schwieriger wird es, wenn das Gerät in einer heißen Umgebung arbeitet, beispielsweise ein Bohrmeißel in der Ölindustrie, der in einigen Tausend Metern Tiefe mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Dabei entstehen Temperaturen von bis zu 250 Grad. Hinzu kommt die enorme mechanische Belastung für die elektronischen Komponenten.

Für dieses Problem hat das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS eine Lösung parat. Die Forscher haben einen Kondensator entwickelt, der Temperaturen von bis zu 300 Grad verkraftet. Zum Vergleich: Herkömmliche Elektronik kann nur Temperaturen von bis zu 125 Grad widerstehen.

Kondensatoren speichern Ladungsträger und zählen zu den am häufigsten verwendeten passiven Bauelementen in der Elektronik. Der Aufbau eines Kondensators ist simpel: Zwei leitfähige Platten fungieren als Plus- beziehungsweise Minus-Elektrode, dazwischen liegt eine isolierende Schicht, das sogenannte Dielektrikum. Um die Hitzebeständigkeit zu verbessern, nutzt das Team um Dorothee Dietz, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IMS, einen neuartigen Materialmix und einige konstruktive Kniffe.

3D-Trick für mehr Fläche

Bei der Fertigung der leitenden Metallschichten werden winzige Löcher in die Grundfläche geätzt, um die Fläche zu vergrößern. Der 3D-Trick erhöht die Kapazität und ermöglicht es gleichzeitig, ein dickeres Dielektrikum zu verwenden. Eine dickere Schicht wiederum widersteht hohen Temperaturen besser und kann unkontrollierte Leckströme im Kondensator vermindern.

Auch bei der Produktion des isolierenden Dielektrikums gehen die Experten neue Wege. Sie verwenden Tantalpentoxid, eine Verbindung aus dem Metall Tantal und Sauerstoff, sowie Aluminiumoxid. Der Materialmix speichert die Ladungsträger besser als das üblicherweise verwendete Siliziumoxid und bewirkt so einen höheren Kapazitätsbelag des Kondensators. In der Elektrotechnik werden diese besonders leistungsfähigen Materialien deshalb auch als High-k-Dielektrika bezeichnet.

Außerdem verwenden die Fraunhofer-Forscher ein elektrisch hochleitfähiges Silizium sowie das besonders robuste und hitzebeständige Ruthenium. »Mit unserem Materialmix und den konstruktiven Tricks können wir einen Kondensator herstellen, der äußerst robust und hitzebeständig ist, ohne an Leistung zu verlieren«, erklärt Dorothee Dietz.

Extrem präzise: Schichten mit nur einer Atomlage

Doch die Hochtemperatur-Fähigkeit ist nicht der einzige Vorteil der Halbleiter aus dem Fraunhofer-Labor. Hergestellt werden die Kondensatoren nämlich im Metall-Oxid-Halbleiter-Verfahren (MOS). Dabei werden Schichten mit jeweils nur einer Atomlage Dicke verarbeitet (Atomic Layer Deposition). So lässt sich die Gesamtdicke der Schichten exakt einstellen. »Das macht die Produktion sehr flexibel. Der Hersteller kann Bauteile genau nach den Vorgaben des Kunden anfertigen, ohne den Prozessablauf verändern zu müssen«, sagt Dietz.

Das Know-how im Bereich der Hochtemperaturelektronik lässt sich auf viele andere passive oder aktive Bauelemente wie Widerstände, Dioden oder Transistoren anwenden. Die am Fraunhofer IMS etablierte Technologie eignet sich auch für komplette integrierte Schaltungen. Damit kann der Kondensator nicht nur im Bohrmeißel, sondern ebenso in Einspritzanlagen von Motoren oder Flugzeugturbinen verbaut werden – also überall da, wo extrem hitzebeständige und robuste Bauteile gefragt sind.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Mai 2017

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

How Virtual Reality (VR) Works
Jurgen P. Schulze (UC San Diego)
Start: 15.05.2017 / Arbeitsaufwand: 30-42 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Neue Wege im Technologietransfer: Saar-Uni gründet mit externem Gründerteam Start-Up

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 26.04.2017

Nicht selten stockt der Technologietransfer von der Forschung in die Anwendung, da an den Hochschulen ungenutzte Entwicklungen vorhanden sind, deren Potenzial selbst den Wissenschaftlern manchmal nicht bewusst ist und für die teilweise auch keine Gründer vorhanden sind. Die Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer (KWT) der Saar-Uni hat dafür nach neuen Ansätzen gesucht und hat jetzt als Pilotprojekt gemeinsam mit einem externen Gründerteam ein Unternehmen gegründet. Die Mac Panther Materials GmbH soll Hightech-Metallschäumen, die an der Saar-Uni entwickelt wurden, zum kommerziellen Erfolg verhelfen.

Unternehmensgründer sind die Brüder Andreas Kleine, promovierter Festkörperphysiker und ehemaliger Forschungsmanager, und Michael Kleine, Wirtschaftsingenieur und Geschäftsführer eines Kaltumformungs- und Maschinenbauunternehmens mit 40 Mitarbeitern aus Bremen. An dem neuen Unternehmen weiterhin beteiligt sind die ‚Universität des Saarlandes Wissens- und Technologietransfer GmbH‘ (WuT) sowie die promovierte Materialforscherin Anne Jung und Stefan Diebels, Professor für Technische Mechanik der Saar-Uni.

Die Erfinderin Anne Jung hat bereits im Rahmen ihrer ersten Doktorarbeit in Mechanik bei Professor Diebels in Zusammenarbeit mit dem promovierten Chemiker Harald Natter und Rolf Hempelmann, Professur für Physikalische Chemie, an der Beschichtung von offenporigen Metallschäumen gearbeitet. Sie hat dabei eine neuartige Nanobeschichtung entwickelt, die von der Saar-Uni 2009 zum Patent angemeldet wurde. Für die Erfindung der Hightech-Metallschäume im Rahmen ihrer Doktorarbeit wurde Anne Jung im Jahr 2013 mit dem Deutschen Studienpreis ausgezeichnet. Konsequent hat sie die Technologie seither weiterentwickelt, so dass zwischenzeitlich auch Polyurethanschäume beschichtet werden können, was die Kosten erheblich senkt. Die Verwertung ihrer Entwicklung in einer eigenen Gründung kam für die Wissenschaftlerin nicht in Betracht, so dass diese nun von der Mac Panther Materials GmbH gemeinsam mit dem Lehrstuhl von Professor Diebels und dem Transfercentre Sustainable Electrochemistry für unterschiedliche Anwendungsgebiete wie Leichtbau oder Energieabsorption weiterentwickelt und vermarktet wird.

„Mein Bruder und ich sehen eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und Marktchancen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallschäumen können wir leicht anwendungsoptimierte Lösungen anbieten“, so Geschäftsführer Andreas Kleine. Bereits existierende Metallschäume können von Mac Panther Materials mit unterschiedlichen Materialien und Dicken beschichtet werden, was eine deutliche Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften mit sich bringt. „Wir sehen hier ein großes Potenzial, in bestehende Märkte vorzudringen oder neue zu schaffen“, führt der zweite Geschäftsführer Michael Kleine aus. „Wichtiger für Mac Panther Materials wird voraussichtlich die neuentwickelte Technologie sein, auch dicke Platten aus Polyurethanschaum homogen mit einem Metall beschichten zu können. Durch drastisch gesenkte Herstellungskosten bei vergleichbaren Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Metallschäumen sind wir sehr optimistisch, eine erfolgreiche Zukunft mit Mac Panther Materials zu haben“, so Michael Kleine.

Auch KWT-Geschäftsführer Axel Koch ist von dem neuen Ansatz überzeugt: „Wir waren positiv überrascht, wie groß das Interesse von erfahrenen Gründerpersönlichkeiten an unserer Technologie war und sind überzeugt, auch in Zukunft weitere spannende Technologien mit externen Gründern zusammenbringen und so vermarkten zu können.“ An der Saar-Uni werden seit vergangenem Jahr im Rahmen des Projektes „IP->Company Initiator“ von KWT-Mitarbeiter Michael Weidner gemeinsam mit Wissenschaftlern Ideen und Innovationspotenziale detektiert, mit der Patentverwertungsagentur der saarländischen Hochschulen (PVA) evaluiert und mit hochkarätigen externen Unternehmerpersönlichkeiten zusammengebracht.

Externer Link: www.uni-saarland.de