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NORA 

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Der weltweite Energiebedarf wächst kontinuierlich. Dabei werden über 80% über fossile Energieträger abgedeckt, deren Reserven nur noch die nächsten Jahrzehnte reichen werden. Kernenergie versorgt zwar klimaneutral einen Teil des weltweiten Bedarfs, der Vorrat an Kernbrennstoffen ist jedoch begrenzt. Zudem gibt es in der Bundesrepublik einen großen Bevölkerungsanteil der nicht müde wird auf Gefahren und die Problematik der Endlagerung hinzuweisen. Angesichts dessen und der klimatischen Veränderungen aufgrund des Anstiegs des atmosphärischen CO2 Gehaltes muss zukünftig mehr in regenerative Energiequellen investiert werden. Nanotechnologien haben das Potential technologische Durchbrüche im Energiesektor zu ermöglichen. Dabei können zum Einen die Effektivität der konventionellen und regenerativen Energiequellen gesteigert, aber auch neue Ansätze der Energiegewinnung entwickelt werden, so dass langfristig eine nachhaltige Energieversorgung und ein weltweiter Klimaschutz bestehen können.

Die Arbeitsgruppe von NORA beschäftigt sich in diesem Themenfeld mit

  • Effektivere Energieerschließung
  • Energieumwandlung
  • Energiespeicherung
  • Energienutzung

 

Effektivere Energieerschließung

Für die Sicherstellung der weltweiten Energieversorgung gilt es Energiequellen möglichst effizient zu nutzen und Energieverluste auf dem Weg von der Quelle zum Endverbraucher zu minimieren. Zudem muss die Bereitstellung und Verteilung der Energie für den jeweiligen Anwendungszweck möglichst effizient und flexibel gestaltet werden. In jedem dieser Bereiche stecken Optimierungspotentiale, welche mit Hilfe der Nanotechnologie erreicht werden können.

 

Photovoltaik

Derzeit ist die Herstellung von Solarstrom wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig. Aufgrund hoher Materialkosten ist Strom aus Sonnenenergie in Deutschland mehr als dreimal so teuer als Strom bei konventionellen Kraftwerken. Einen Durchbruch der Photovoltaik ist nur zu erzielen, wenn kostengünstigere Materialien und Herstellungsverfahren sowie eine Effizienzsteigerung möglich werden. Eine relativ kostengünstige Methode, um die Energieausbeuten von Solarzellen und Sonnenkollektoren zu erhöhen, ist die Anwendung von Antireflexschichten. Deshalb hat unsere Arbeitsgruppe der Firma NORA eine Antireflexschicht für Flachglas entwickelt, die auf einer nanoporösen Siliziumdioxidschicht basiert und mit der es möglich ist einen effektiveren Brechungsindex zwischen Glas und Umgebungsluft zu erreichen. Die Reflexionsverluste konnten von 8 % auf 2 % reduziert werden. Obwohl die heutigen mono- bzw. multikristallinen Siliziumscheiben mit der Nanotechnologie optimiert werden können, liegt die Zukunft in alternativen Zelltypen. Nora forscht mit verschiedenen Kooperationspartnern aktuell an Dünnschichtsolarzellen (u.a. aus Silizium oder Kupfer/Indium/Selen), Farbstoffsolarzellen und polymere Solarzellen. Nach heutigem Wissenstand ist davon auszugehen, dass polymere Solarzellen aufgrund der preisgünstigen Materialen und Herstellungsverfahren sowie der flexiblen Formgebung das größte Potential besitzen.

 

Dünnschichtsolarzelle

Dünnschichtsolarzellen unterscheiden sich von den traditionellen Solarzellen (Solarzellen basierend auf kristallinem Silizium) vor allem in ihrem Produktionsverfahren und durch die Schichtdicken der eingesetzten Materialien. Das bisher gängigste Material für Dünnschichtzellen ist amorphes Silizium, d.h. die Siliziumatome bilden keine geordnete Struktur, sondern ein unregelmäßiges Muster, welches über eine Nahordnung, nicht aber über eine Fernordnung verfügt. Neben Silizium finden die Materialkombinationen (Kupfer/Indium/Gallium/Schwefel/Selen) Anwendung. Als Frontelektroden untersucht unsere Arbeitsgruppe momentan nanogroße, transparente und leitfähige Oxidschichten. Mit Ihnen soll die Lichtstreuung optimiert und die Reflexionsverluste minimiert werden. Um die Lichtausbeute weiter zu erhöhen ist es uns ein Anliegen auch die Rückseiten-Reflektoren zu verbessern. Momentan bestehen diese noch aus Metallschichten (z.B. Silber) und die Lichtausbeute soll mit nichtmetallischen Nanoschichtsystemen weiter erhöht werden.

 

Farbstoffsolarzellen

Farbstoffsolarzellen absorbieren Licht mit Hilfe eines Farbstoffes. Durch den Einsatz von nanokristallinem Titandioxid ist es gelungen die Zelle zu optimieren. Die Farbstoffmoleküle werden mit Titandioxid dotiert (Dotierung meint das Einbringen von Fremdatomen in eine Schicht), was für die Ladungstrennung genutzt wird. Die Absorption von Licht führt in den Farbstoffzellen zur Freisetzung von Elektronen, die von den Titandioxidpartikeln aufgenommen und über einen Redoxelektrolyten an die Elektroden weitergeleitet werden. Die Farbstoffmoleküle werden anschließend durch ein Redoxpaar Jodid/Trijodid im Elektrolyten wieder regeneriert. Farbstoffzellen werden nach ihrem Erfinder auch Grätzelzellen genannt und sind durch ihre wesentlich geringeren Herstellungskosten deutlich günstiger als herkömmliche Solarzellen. Das liegt u.a. auch daran, dass sie vollständig ohne Silizum auskommen. Weitere Vorteile der Farbstoffsolarzellen sind ihre Einsatzmöglichkeit auch bei diffusem Lichteinfall, die Transparenz und variable Farbgestaltungs- und Formmöglichkeiten. Nachteile sind die eingesetzten chemischen Elektrolyte, die bei Undichtigkeiten in die Umwelt gelangen können und der relativ niedrige Wirkungsgrad von unter 10 %.

 

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen bestehen aus Materialen der organischen Chemie, d.h. auf Kohlenstoffbasis. Die vielversprechendsten dabei sind die Polymersolarzellen, bei welchen zwei organische Materialen miteinander kombiniert werden: eines welches gut Elektronen abgeben kann (Donor) und eines, das gut Elektronen aufnehmen kann (Akzeptor). Als Donor eignen sich konjugierte Polymer hervorragend, also Makromoleküle, die aus mindestens einer Kette von alternierenden Doppel- und Einfachbindungen bestehen. Die Polymere werden bereits in der flüssigen Phase verarbeitet und können so allen architektonischen Ansprüchen gerecht werden. Als Akzeptor kommen Fullerene zum Einsatz. Donor und Akzeptormaterial werden so auf das Trägermaterial aufgetragen, dass sie sich durchdringen. Dadurch entsteht eine große Grenzfläche zwischen den Komponenten. Organische Solarzellen haben eine geringere Lebensdauer und geringeren Wirkungsgrad als herkömmliche Silizium-Solarzellen. Dafür sind sie aber wesentlich einfacher und zukünftig wohl auch preisgünstiger herzustellen. Außerdem liefern die Zellen auch bei einem ungünstigen Einfallswinkel der Sonne noch eine akzeptable Leistung und durch Aufprägung von Nanostrukturen kann der Lichteinfall erhöht werden.

 

Windenergie

Windenergie ist in Deutschland bereits konkurrenzfähig, d. h. die Stromerzeugungskosten liegen etwa in der gleichen Größenordnung wie bei konventionellen Kraftwerken. Die Problematik liegt eher bei der Auswahl geeigneter Standortmöglichkeiten. Nanotechnologien können wesentlich zur Optimierung der Windenergienutzung beitragen bspw. durch hochfeste Leichtbaumaterialien aus Kohlenstoffnanoröhren für Rotorblätter mit denen Luftwirbelungen entgegengewirkt werden kann. Der Geräuschpegel von Windrädern kann reduziert und der Energieeintrag optimiert werden. Zudem verbessern die Kohlenstoffnanoröhren durch ihre hervorragende elektrische Leitfähigkeit den Blitzschlagschutz, der für über 10 % der Betriebsausfälle von Windgeneratoren verantwortlich ist. Auch nanoskalige Hartschichten für den Leichtlauf- und Verschleißschutz von Lagern und Getrieben und nanooptimierte Energiespeicher, die ein effizienteres Einspeisen von Windenergie in das Stromnetz ermöglichen tragen zur effizienteren Nutzung der Windenergie bei.

 

Biomasse

Biomasse ist mit 10% Anteil weltweit der größte Sektor bei den regenerativen Energien und dient einerseits der Strom- und Wärmeerzeugung und zum Anderen auch der Bereitstellung von Kraftstoffen (Bio-Ethanol). Die energetische Nutzung von Biomasse insbesondere von Bio-Kraftstoffen ist klimapolitisch allerdings äußerst umstritten, denn sie ist mit einem hohen Flächenverbrauch verbunden und steht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion. Gerade deshalb muss die Nanotechnologie Optimierungsbeiträge leisten. Ob bei der Entwicklung neuer Umwandlungsverfahren (Katalysatoren, Prozesstechniken und Sensorik) oder durch nano-optimierten Anbau von Biorohstoffen (effizientere Düngemittel- und Pestizideinsatz durch Nanoverkapselung), durch Nanotechnologie kann der Biomasseeinsatz umweltfreundlicher und effektiver gestaltet werden.

 

Energieumwandlung

Im Bereich der Energieumwandlung spielt Nanotechnologie in erster Linie bei der Verbesserung der Umwandlungseffizienz eine Rolle. Hierbei steht die Erzeugung von Strom durch Turbinen oder Brennstoffzellen, aber auch die Effizienzsteigerung von Verbrennungs- und Elektromotoren im Vordergrund. Will man den Wirkungsgrad, also das Verhältnis von abgegebener Leistung zu zugeführter Leistung, eines Kraftwerkt anheben und gleichzeitig die Kraftwerksprozesse beibehalten, ist eine höhere Arbeitstemperatur erforderlich. Hierfür müssen für Turbinen neue Werkstoffe mit extremer Hitzebeständigkeit geschaffen werden. Verbesserung lassen sich z.B. durch thermisch optimierte Nano-Barriereschichten erzielen. Deshalb hat NORA das Entwicklungsziel in den nächsten zehn Jahren die zulässige Heißgastemperatur in Gasturbinen auf über 1600°C anzuheben und dadurch den Wirkungsgrad des Kraftwerkes um 60% zu steigern.

 

Brennstoffzellen

Auch in der Forschung über Brennstoffzellen ist unser Forscherteam mit dabei. Brennstoffzellen wandeln chemische Energie eines Energieträgers mit hohem Wirkungsgrad direkt in elektrischen Strom um. Für den Betrieb der Brennstoffzelle können neben reinem Wasserstoff auch Erdgas, Methanol, Benzin oder Biogas eingesetzt werden. Aus diesen Brennstoffen wird dann in einem Reformierungsprozess der notwendige Wasserstoff gewonnen. Das Einsatzspektrum der Brennstoffzelle reicht von der Stromversorgung von Handys oder Laptop über den Antrieb von Elektroautos bis hin zum Kleinkraftwerk. Dabei kann die Stromausbeute bei der Umwandlung der chemischen Energie durch nanostrukturierte Elektroden, Katalysatoren und Membranen gesteigert werden. Bei den Festkörperbrennstoffzellen lässt sich die Ionenleitfähigkeit durch den Einsatz keramischer Nanopulver auf Basis von Ytterium-stabilisiertem Zirkonium verbessern. Bei den Membran-Brennstoffzellen können durch die Nanotechnologie die Temperaturstabilität der Polymermembran durch den Einsatz anorganischer-organsicher Nanokomposite verbessert werden. Durch höhere Betriebstemperaturen lassen sich bessere Wirkungsgrade erzielen und die Empfindlichkeit der Katalysatoren gegenüber Kohlenmonoxid reduzieren, das bei der Herstellung von Wasserstoff aus Methanol im Reforming-Prozess entsteht. Die Nanostrukturierung spielt auch bei den Elektrodenmaterialien eine große Rolle. Das Ziel von NORA ist es, mit einem möglichst geringen Einsatz kostspieliger Edelmetallkatalysatoren eine möglichst hohe Effizienz bei der elektrochemischen Wasserstoff- /Sauerstoffumsetzung bzw. bei der Wasserstofferzeugung durch Umwandlung von Erdgas oder Methanol zu erhalten. Durch Nanostrukturierung kann die Aktivität der Elektrodenmaterialen und Edelmetall-Katalysatoren für die elektrochemische Umwandlung von Wasserstoff erhöht werden. Werden z.B. Fullerene in das Elektrodenmaterial eingearbeitet, wird die Effizienz der Stoffumwandlung erhöht und Material beim Edelmetallkatalysator eingespart.

 

Verbrennungs- und Elektromotoren

Einen erheblichen Teil des weltweiten Energieverbrauchs verursacht der motorisierte Verkehr. Daher lassen sich durch Verbesserungen des Wirkungsgrades bei Verbrennungsmotoren erhebliche Energiemengen einsparen. Der Kraftstoffverbrauch in PKW-Verbrennungsmotoren wird zu etwa 10-15% von der Motorreibung bestimmt. Durch eine Beschichtung der beweglichen Motorkomponenten wie Zylinder, Kolben und Ventile mit nanokristallinen Kompositmaterialien können Reibung und Verschleiß reduziert und dadurch Kraftstoffe eingespart werden. Die Firma NORA hat eine innovative Beschichtungstechnologie entwickelt, bei der durch den Einsatz von Nanopartikeln die Oberfläche metallischer, mechanischer Komponenten in Motoren, Getrieben etc. keramisiert und dadurch vor Verschleiß geschützt werden. Die Nanopartikel werden hierbei beim laufenden Betrieb zugesetzt und reagieren bei den durch die Reibkontakte entstehenden hohen Drucke und Temperaturen mit den Metalloberflächen zu harten keramischen Verbindungen. Dadurch werden die Komponenten nicht nur vor Verschleiß geschützt, sondern auch Beschädigungen repariert.

Ein weiterer Ansatz für Kraftstoffeinsparungen bieten unsere nanogroßen Dieselzusätze aus Ceroxid. Sie optimieren die Verbrennung in Dieselmotoren und ermöglichen so Kraftstoffeinsparungen von 5-10 %. Allerdings ist über mögliche Nebenwirkungen, durch die in die Umwelt eingebrachten Ceroxidpartikel, bislang wenig bekannt.

Auch Elektromotoren können von der Nanotechnologie profitieren, denn Nanostrukturen liefern den Schlüssel zur weiteren Optimierung der Supraleittechnik. Durch Materialverbesserungen bei den Hochtemperatursupraleitern werden deutlich höhere Leistungen und damit effizientere Elektromotoren ermöglicht.

 

Nanokatalysatoren zur Herstellung von Kohlenwasserstoff-basierten Kraftstoffen

Zur Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe bei der Raffination von Erdöl werden Nanomaterialen, wie Zeolithe und nanostrukturierte Metalloxide eingesetzt. Wegen der Verknappung der Weltölreserven wird die Verflüssigung der in größeren Mengen vorhandene Kohle für flüssige Treibstoffe und Chemierohstoffe immer interessanter. Bislang scheiterten jedoch die bekannten technischen Verfahren zur Kohleverflüssigung an der mangelnden Wirtschaftlichkeit. Die Effizienz der Kohlehydrierung kann durch nanostrukturierte Katalysatoren deutlich gesteigert werden. Interesse an der Kohleverflüssigung ist derzeit insbesondere in China zu verzeichnen, wo mehrere Pilotanlagen installiert werden.

 

 

Energiespeicherung

Von der Energieumwandlung zum Endverbraucher sind Energiespeicher an verschiedenen Stellen unentbehrlich. Strom muss entweder als elektrische Energie oder in Form anderer Energiearten wie chemischer Energie (Wasserstoffspeicher) oder mechanischer Energie (Druck- und Pumpspeicher) reversibel gespeichert werden. Die Firma NORA beschäftigt sich in diesem Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien und Wasserstoffspeicher.

 

Lithium-Ionen-Batterien

Aufgrund der hohen Zellspannung und der guten Energie- und Leistungsdichte gilt die Lithium-Ionen-Technologie als eine aussichtsreiche Variante der Stromspeicherung. Die Optimierung der Elektrodenmaterialien und Elektrolyte stehen dabei im Vordergrund. Mit Hilfe von Kohlenstoffnanoröhrchen können höhere Lade- und Entladekapazitäten erreicht werden. Auch mit einer größeren Zellspannung können höhere Energiedichten erreicht werden, beispielsweise durch Kathoden aus Mischoxiden mit Mangan, Cobalt oder Nickel. Nanotechnologie lässt auch Lithium-Ionen- Batterien sicherer werden. So sind Folien aus Nano-Keramik trotz hoher Stabilität äußerst flexibel.

Auch bei anderen Batterietypen, wie z.B. Blei- oder Nickelhybridakkus, lassen sich Lebensdauer und Temperaturstabilität durch den Einsatz carbonbeschichteter Nanopartikel verbessern.

 

Wasserstoffspeicher

Einsatzmöglichkeiten der Nanotechnologie bei der Wasserstoffspeicherung liegen in erster Linie bei der Optimierung von Feststoffspeichern die Wasserstoff chemisch oder adsorptiv im Speichermaterial reversibel binden und wieder abgeben. Ein möglicher Ansatz sind die von uns entwickelten metallorganischen Gerüstmaterialien (MOF), welche z.B. aus Zinkoxid und Terephthalsäure bestehen. Sie bilden Käfige mit sehr hoher Stabilität und einer riesigen, nanoporösen Oberfläche im Innern. So ist in nur einem Gramm MOF eine Oberfläche von ca. 3400 m2 versteckt. Damit entsprechen zweieinhalb Gramm dieser Verbindung der Fläche eines Fußballfeldes. Die derzeit erreichbaren Speicherkapazitäten sind leider noch weit von einem möglichen Einsatz als Wasserstoffspeicher in Automobilen entfernt. Allerdings bestehen dank unserer Forschungsgruppe Entwicklungspotentiale, die zumindest für den Betrieb von Brennstoffzellen in Elektronikgeraten wirtschaftlich erscheinen. Generell besteht aber noch ein hoher Forschungsbedarf.

 

 

Energienutzung

Die größten Potentiale im Hinblick auf die Vermeidung von Treibhausgasemissionen liegen in einer effizienteren Nutzung von Energie im privaten und industriellen Verbrauch. Nanotechnologie werden dabei bei der thermischen Isolierung, der Energieeffizienz von Produktionsprozessen und beim Leichtbau durch Nanokomposite eingesetzt.

Nanoporöse Materialen bieten aufgrund ihrer Größe ein wirksamer Schutz gegen das Eindringen von Gasmolekülen. Der Wärmeaustausch, der eine Folge von Zusammenstößen von Gasmolekülen ist, kommt dadurch zum Erliegen und es besteht eine wirksame Dämmung. Zum Einsatz kommen u.a. Aerogele, die zu 99 % aus Porenvolumen in einem Netzwerk von Nanopartikeln z.B. aus Siliziumdioxid bestehen und daher extrem leicht sind. Es entsteht ein nanopöroser, fester Schwamm mit einer inneren Oberfläche von etwa 750 m2/g. Die Porengröße beträgt dabei zwischen 20 und 40 nm und ist damit kleiner als der mittlere Abstand zwischen zwei Luftmolekülen. Die eingeschlossenen Luftmoleküle (bis zu 95 % des gesamten Materials) machen Aerogel zu einem idealen Isoliermaterial.

Um die Energieeffizienz von Produktionsprozessen zu verbessern, müssen bei energieintensive Reaktionsschritten nanostrukturierte Katalysatoren oder thermische Isolationsstoffe eingesetzt werden. Die Katalyse spielt bei der Herstellung von mehr als 80 % aller in der chemische Industrie erzeugten Produkte eine Rolle. Nanomaterialien sind mit ihren ultragroßen Oberflächen für effizientere Katalysatoren in Industrie und Kraftfahrzeugen prädestiniert. Sie ermöglichen durch die erhöhte aktive Oberfläche eine verbesserte Reaktionsausbeute oder teilweise auch neue, energetisch günstigere Synthesewege. NORA entwickelte u.a. Fullerene als Katalysator für die Styrolsynthese, wodurch die Reaktionsausbeuten gesteigert und die Prozesstemperatur deutlich abgesenkt werden konnte.

Im Verkehrssektor können insbesondere hochstabile Leichtbaumaterialen zu erheblichen Energieeinsparungen beitragen. Unser Forschungsteam experimentiert mit nanoskaligen Metall-Matrix-Kompositen (MMC) und polymere Nanokomposite. MMC’s und auch faserverstärkte Titan- und Aluminiumlegierungen besitzen wegen ihrer Temperaturstabilität, Festigkeit und geringen Dichte ein hohes Anwendungspotential in der Luft- und Raumfahrttechnik. Auch die Umwelt steht bei unseren Forschungen stets im Mittelpunkt. So ist es NORA gelungen eine nanobasierte Schutzschicht für Magnesiumlegierungen herzustellen. Im Fahrzeugbau werden dafür derzeit Chrombeschichtungen verwendet. Unsere Schutzschicht hingegen besteht aus Siliziumdioxid und ist nicht nur umweltfreundlicher, sondern bietet auch einen besseren Korrosionsschutz.

 

 

Quellen:
Technoseum - Landesmuseum für Technik und Arbeit (2010): Nano! Nutzen und Visionen einer neuen Technologie. Katalog zur gleichnamigen Ausstellung.

Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung (2008): Einsatz von Nanotechnologien im Energiesektor, Bd.9.



 

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