Forschungshighlights des Fraunhofer IFAM

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Aluminium-Faserstruktur mit aufkristallisiertem Zeolith.

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Wärmeübertrager mit aufgelöteten Aluminium-Faserstrukturen.

Aluminium-Faserstrukturen für hocheffiziente Wärmepumpen

Im Rahmen des BMWi-geförderten Projektes »Entwicklung einer Gasadsorptionswärmepumpe mit einem aufkristallisierten Zeolithwärmeübertrager und einem neuartigem Verdampfer-Kondensatorapparat (ADOSO)« entwickelt das Fraunhofer IFAM in Dresden zusammen mit der Stiebel Eltron GmbH und der Sortech AG sowie dem Fraunhofer ISE in Freiburg eine hocheffiziente Adsorptions-Wärmepumpe für die Bereitstellung von Warmwasser und Heizenergie in Wohngebäuden.

Effiziente Techniken für die Bereitstellung von Warmwasser und Heizenergie in Wohngebäuden sind ein wichtiger Baustein für eine ressourcenschonende Energieversorgung. Wärmepumpen nutzen dafür Umweltwärmequellen wie Erd- oder Solarwärme oder auch Umgebungsluft. Üblicherweise werden sie elektrisch betrieben. Um auch für den Energieträger Erdgas eine Nachfolgetechnologie zu den am Markt verfügbaren Gasbrennwertgeräten anbieten zu können, wird bei Gas-Wärmepumpen ein Gasbrennwertgerät mit einem thermisch angetriebenen Wärmepumpenmodul kombiniert.

Ziel des Projekts ADOSO ist daher die Entwicklung eines Heizgeräts auf Zeolith-Basis mit Wasser als Arbeitsmittel, welches auf Grund neuartiger Adsorptionswärmeübertrager und der optimierten Funktionsweise von Verdampfer und Kondensator bei vergleichbaren Leistungen und einer Jahresarbeitszahl von über 1,3 deutlich kompakter und kostengünstiger als die am Markt befindlichen Geräte ist.

Für die Entwicklung des Adsorptionswärmeübertragers sind poröse, aber dennoch gut wärmeleitende Materialien mit einer hohen beschichtbaren Oberfläche von zentraler Bedeutung. Am Fraunhofer IFAM wurden dafür Strukturen aus versinterten Aluminiumfasern entwickelt. Die Kurzfasern aus der Legierung AlSi1 werden durch Flüssigphasensintern stoffschlüssig miteinander verbunden. Auf diese Weise entstehen offenporöse Strukturen mit sehr hohen spezifischen Oberflächen, auf die der Zeolith aufkristallisiert wird. Durch den hohen Porenanteil von 75 % wird ein guter Zutritt des Wasserdampfes an die Zeolith-Oberflächen auch im Inneren der Strukturen ermöglicht. Am Zeolith wird der Wasserdampf eingelagert und setzt dabei eine extrem große Wärmemenge frei, die über die Aluminium-Faserstruktur an wasserführende Rohre abgegeben wird. Bei der Desorption des Wasserdampfes wird dieser Prozess umgekehrt und dem Zeolith Wärme zugeführt, so dass die Wasserdampfmoleküle wieder aus dem Zeolith freigesetzt werden.

Die große Oberfläche des Metallfaserwerkstoffs gepaart mit der dünnen Zeolith-Schicht beschleunigt die Dynamik der Ad- bzw. Desorption des Wasserdampfes erheblich gegenüber dem Stand der Technik und ermöglichte bei dem bislang getesteten, nicht weiter optimierten ersten Prototypen bereits eine Verdoppelung der Leistungsdichte auf 300 W/l. Die Realisierung kompakter und preisgünstiger Adsorptions-Wärmepumpen rückt damit in greifbare Nähe. Da sich dieses Wärmepumpenprinzip auch für die Kälteerzeugung mittels Abwärme eignet, eröffnet sich auch hier ein interessanter Markt. Aus diesem Grunde plant die Sortech AG, in Kürze mit Feldtests der neuen Adsorber-Generation in ihrer eigenen Kältemaschinen-Produktlinie zu beginnen.

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Mit SEBM additiv gefertigtes, topologieoptimiertes Ventilgehäuse (Design aus Kooperation mit Bosch und TU Dresden).

Elektronenstrahlschmelzen – Vielfältig und produktiv

Das selektive Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren zur Herstellung formkomplexer metallischer Bauteile. Industriell eingeführt ist es bislang vor allem zur Verarbeitung von Werkstoffen auf Titanbasis in den Branchen Luftfahrt und Medizintechnik.

Die Vorteile des SEBM für metallische Bauteile liegen insbesondere in den Pulvern und einer weitgehenden Freiheit hinsichtlich Bauteilgestaltung und Werkstoffauswahl. So liegen die Pulverkosten deutlich unterhalb der Preise, die für laserstrahlbasierte Verfahren anfallen. Auch können Abweichungen in der Partikelform besser toleriert werden. Durch das gezielte Vorheizen des Pulverbettes bis auf Temperaturen von über 1000 °C besteht eine verringerte Neigung zu Eigenspannungen und somit zum Bauteilverzug. Daher müssen die vergleichsweise kurzen Stützstrukturen nicht bis zur Startplatte angebunden werden. Die sich hieraus ableitende Möglichkeit Bauteile komplexer zu gestalten und zu stapeln, macht das SEBM zu einem produktiven additiven Verfahren.

Ein weiterer Vorteil der erhöhten Pulverbetttemperaturen ist insbesondere die Verarbeitbarkeit auch schwer schweißbarer Werkstoffe und somit eine Erweiterung der Werkstoffpalette gängiger strahlbasierter Verfahren. Ein besonderes Potential liegt daher in der Verarbeitung von Stählen für Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau sowie im Werkzeugbau. Im neu eröffneten „Innovation Center Additive Manufacturing ICAM“ am Standort Dresden arbeitet das Fraunhofer IFAM gemeinsam mit Industriepartnern in verschiedenen Projekten an diesem attraktiven Themenkomplex.

Die additive Verarbeitung korrosionsbeständiger Stähle durch SEBM zu Bauteilen mit innenliegenden Strukturen wurde bereits mehrfach erfolgreich demonstriert. Im Projekt AGENT-3D_FunGeoS* wurde dazu das Gehäuse eines servohydraulischen Ventils fertigungsgerecht neu konstruiert und in austenitischem Edelstahl realisiert (Abbildung 1). Durch SEBM entsteht ein spezifisches Gefüge mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften. Die additive Verarbeitung von Duplexstahl und der Aufbau von Pumpenlaufrädern sind ein Schwerpunkt des Projektes RessFAST*.

Aus der wichtigen Klasse der Werkzeugstähle wurden im Projekt AddMaTs* jeweils ein Kaltarbeitsstahl und ein Schnellarbeitsstahl qualifiziert. Die Herausforderung bei diesen Werkstoffen besteht in der Vermeidung von Rissen dieser stark kohlenstoffhaltigen Werkstoffe. Der verarbeitete Werkstoff zeichnet sich durch ein feines und homogenes Gefüge aus. Die Wärmebehandlung kann in analoger Weise zum konventionell verarbeiteten Stahl erfolgen und bietet daher eine gute Basis für die Hybride Fertigung. Ein weiterer Entwicklungsgegenstand sind hoch hartstoffhaltige Legierungen für Anwendungen, die besondere Verschleißfestigkeit erfordern. Die Untersuchungen betrachten schließlich auch die Grenzen der realisierbaren Geometrien, wie Wandstärken, Kanaldurchmesser und Überhangwinkel.

* Projekte AGENT-3D_FunGeoS, RessFAST und AddMaTs sind gefördert vom BMBF

 

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Einzellen-Testelektrolyseur am Fraunhofer IFAM Dresden zur Testung von Elektrodenmaterialien.

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REM-Aufnahme einer Elektrodenoberfläche.

Entwicklung von hocheffizienten Elektrodenmaterialien für gaserzeugende Reaktionen

Die Gewährleistung der Rohstoffverfügbarkeit ist aus sicherheitspolitischen und energiestrategischen Gründen unabdingbar. Wasserstoff ist eine der unersetzbaren Grundchemikalien der chemischen Industrie und darüber hinaus als chemischer Energieträger eine der zentralen Säulen der nachhaltigen Energiewende. Eine CO2-neutrale Produktion von Wasserstoff ist industriell nur über die elektrochemische Spaltung von Wasser in einem Elektrolyseur realisierbar, sofern dieser mit regenerativen Energiequellen gekoppelt ist.

Verbesserung der Elektrolysetechnologie für »Grünen« Wasserstoff

Eine Weiterentwicklung der Elektrolysetechnologie ist somit für Deutschland von hoher strategischer Bedeutung, um »Grünen« Wasserstoff für eine wirtschaftliche Nutzung bereitzustellen. Konventionell wird Wasserstoff derzeit über Gasreformierung hergestellt, was zwar bei einer Verfügbarkeit von Erdgas ökonomisch günstig ist, aber zu einem massiven Ausstoß von CO2 führt. Am Fraunhofer IFAM in Dresden wird an einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Elektrolysetechnologie gearbeitet, die auf eine marktfähige Bereitstellung von Wasserstoff abzielt. Dabei werden die Hauptkostentreiber (Investitionskosten und operative Kosten) durch eine Elektroden- und Stack-Entwicklung in den Fokus genommen. Ziel dieser Entwicklungen ist es, durch eine langzeiteffiziente Elektrode die Anlagenkosten und Wasserstoffproduktionskosten deutlich zu senken.

Am Fraunhofer IFAM in Dresden werden durch elektrochemische Methoden neuartige gasentwickelnde Elektrodenmaterialien bewertet - kombiniert mit struktureller Analytik. Daraufhin werden Degradationsmechanismen der Elektrode aufgeklärt, woraus Schlussfolgerungen für eine verbesserte Elektrodenzusammensetzung und -fertigung gezogen werden. Speziell konnten kostengünstige nanokristalline Elektroden (Fe- bzw. Ni-Basislegierungen) entwickelt werden, deren hohe katalytische Aktivität durch eine Aktivierung im Elektrolyseur aufrechterhalten werden kann. Darüber hinaus werden die Elektrodenmaterialien unter realen Bedingungen in Einzellversuchsständen getestet, um Informationen über das Gasblasentransportverhalten in der Zelle zu erlangen. Daraus erfolgen Anpassungen an Elektroden- und Zellgeometrie. Aus diesen Ergebnissen lassen sich maßgeschneiderte Elektroden mit vorteilhafter Gasblasenabfuhr entwickeln. Die elektrochemische Kompetenz in Kombination mit der am Fraunhofer IFAM bestehenden langjährigen Erfahrung im Bereich metallischer Werkstoffe und Fertigungstechnologien macht das Institut zu einem kompetenten Partner für Hersteller von Elektrolyseuren.

 

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REM-Aufnahme von Magnesium-Fasern.

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Metallische Fasern (Demonstrator).

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Magnesiumimplantat, Oral-Anwendung (Modell).

Metallische Implantatwerkstoffe – Hochporös und degradierbar

Ein nach wie vor nicht vollständig gelöstes Problem in der Medizin ist die Behandlung größerer Knochendefekte. Solche Läsionen heilen nicht spontan und müssen implantologisch versorgt werden. Als Goldstandard ausgedehnter Knochenaugmentationen gilt nach wie vor der patienteneigene Knochen, der allerdings nur begrenzt zur Verfügung steht und dessen Entnahme meistens aus dem Beckenkamm zusätzliche Risiken birgt. Bei der Versorgung mit synthetischem Knochenersatz entstehen dagegen Risiken durch häufig notwendig werdende Entfernungs-OPs sowie durch dauerhafte Störungen der Bildgebung. Als ideale Lösung gelten degradierbare Werkstoffe, also solche Implantate, die nach erfolgter Heilung verschwinden.

Magnesium-Faserstrukturen als knochenadaptive Werkstoffe

Dem idealem Werkstoff besonders nahe kommt Magnesium, das in biologischer Umgebung degradiert, über eine ausgezeichnete Biokompatibilität verfügt und besonders knochenadhäsive Eigenschaften besitzt.

Am Fraunhofer IFAM in Dresden wurde nun ein Magnesiumimplantat entwickelt, das aufgrund seiner Struktur weitere günstige Eigenschaften besitzt. Dabei formen metallische Faserstrukturen ein hochporöses Gerüst, das dem Knochen als Wachstumsleitstruktur dient und dabei auch das Einwachsen der Blutgefäße ermöglicht. Besonders interessant sind solche Strukturen aber vor allem aufgrund ihrer reduzierten Steifigkeit, sie kommen damit den biomechanischen Eigenschaften des Knochens sehr nahe. Das wirkt sich besonders stimulierend auf das Knochenwachstum aus.

Ausgangspunkt der technologischen Entwicklung ist die Fertigung von Magnesium-Kurzfasern durch Extraktion aus der Schmelze. Diese Fasern werden dann homogen abgelegt und gesintert. Die besondere Herausforderung der Fertigung von Magnesium-Faserstrukturen besteht in der Sinterung, der sich der hochgradig sauerstoffaffine Werkstoff aufgrund stabiler Oberflächenoxide widersetzt. Die Wärmebehandlung wird daher mit einer partiellen Schmelzphase durchgeführt, bei der die genaue Kenntnis der richtigen Schmelzphasenanteile für das Sinterergebnis entscheidend ist. Das dafür geeignete Sinterregime wurde rechnerisch durch simulatorische Methoden ermittelt.

Die so hergestellten Implantate besitzen günstige mechanische Eigenschaften und vor allem sehr gute Korrosionseigenschaften. So konnte aufgrund vermehrter Abscheidungen von Y2O3 an den Korngrenzen ein Degradationsverhalten mit reduzierten Korrosionsraten eingestellt werden, das den physiologischen Anforderungen besonders gerecht wird. Im Tiermodell wurde damit nach 12 Wochen eine zunächst langsame Korrosion festgestellt, nach 24 Wochen war der Großteil der metallischen Implantate dann verschwunden.

Umsetzung

Als Sieger des Innovationswettbewerbs Medizintechnik wurde der Ansatz vom BMBF gefördert. Die günstigen Eigenschaften haben in der Zwischenzeit auch Unternehmen überzeugt. So konnte die Botiss Dental GmbH als Lizenznehmer des mittlerweile erstellten Patents gewonnen werden. Das Unternehmen plant die Umsetzung des Werkstoffs in der Oral-Chirurgie und evaluiert derzeit den Aufbau einer geeigneten Fertigungskette.

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PowerPaste auf Basis von Magnesiumhydrid.

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Technologiereifegrad 4-Demonstrator zur Hydrolyse von PowerPaste mit 50 Watt PEM-Brennstoffzelle. Die Abmessungen betragen ca. 40 × 40 × 40 cm3.

PowerPaste – Wasserstoff ohne Druckspeicher

Die wichtigsten Vorteile von Wasserstoff als Sekundärenergieträger sind lange bekannt. Wasserstoff konnte sich jedoch bislang für viele Anwendungen, beispielsweise für Brennstoffzellenanwendungen im mittleren Leistungsbereich, noch nicht breit am Markt etablieren, weil verfügbare Wasserstoffspeicherlösungen an den Kosten, der technischen Umsetzung oder fehlender Wasserstoffinfrastruktur bislang scheiterten. PowerPaste, eine Neuentwicklung des Fraunhofer IFAM am Dresdner Standort, bietet das Potenzial, dies grundlegend zu ändern.

Bereits seit langem ist als Alternative zu heute gebräuchlichen Wasserstoffspeichern wie Druck- oder Kryospeichern die Wasserstofferzeugung durch sogenannte Hydrolysereaktionen bekannt. Die Herausforderungen dieser Technologie bestehen zum einen in vergleichsweise niedrigen Energiedichten der in der Vergangenheit zur Hydrolyse genutzten Materialien. Problematisch ist jedoch vor allem, dass bei der Wasserstofferzeugung durch Hydrolyse der benötigte Gesamtwasserstoffbedarf im Vorfeld abgeschätzt werden muss, da das Material mit Wasser stetig zu Wasserstoff abreagiert, wenn beide Komponenten einmal vermischt sind. Außerdem kann prinzipbedingt nur ein vergleichsweise enger, vorher festzulegender Leistungsbereich abgedeckt werden.

Am Fraunhofer IFAM in Dresden wurde erstmals eine neue Technologie entwickelt, die alle drei Probleme löst. Die wichtigste Komponente der Technologie ist die PowerPaste, ein hochenergetisches pastöses Materialgemisch auf Basis von Magnesiumhydrid (MgH2), das bei Kontakt mit Wasser gemäß der folgenden chemischen Reaktion Wasserstoff freisetzt:

MgH2 + 2 H2O à Mg(OH)2 + 2 H2

Die Freisetzung von Wasserstoff auf diese Weise war in der Vergangenheit so nicht möglich, da Magnesiumhydrid bei Kontakt mit Wasser Passivierungsschichten bildet, die die Reaktionsgeschwindigkeit sehr stark herabsetzen. Erst durch Weiterentwicklung der Technologie am Fraunhofer IFAM ist es gelungen, Magnesiumhydrid für technisch relevante Anwendungen einsetzbar zu machen: Pulverförmiges Magnesiumhydrid wird durch die Zugabe ungiftiger preisgünstiger Additive zunächst so modifiziert, dass die Bildung störender Passivierungsschichten wirkungsvoll unterbunden wird. Im nächsten Schritt wird durch das Zumischen von Estern ein pastöses Material – die sogenannte PowerPaste – hergestellt. Die PowerPaste kann sehr dynamisch mit Wasser reagieren, so dass eine vollständig geregelte Wasserstofferzeugungsreaktion möglich wird, um eine Brennstoffzelle bedarfsgerecht zu versorgen, die dann direkt elektrischen Strom erzeugt.

Die Machbarkeit funktionsfähiger Stromgeneratoren auf Basis dieser Technologie ist bereits an einem stationären 50-W-Demonstrator des Technologiereifegrads 4 sowie einem mobilen 300-W-Stromgenerator des Technologiereifegrads 5, die beide innerhalb von weniger als einem Jahr am Fraunhofer IFAM entwickelt worden sind, nachgewiesen. Insgesamt bietet die Technologie ein großes wirtschaftliches Potenzial insbesondere für energiehungrige mobile und portable Brennstoffzellenanwendungen, wie beispielsweise Leichtelektromobilität (z. B. Consumer- und Flotten-eBikes) oder Drohnen, aber auch für Notstromsysteme.

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Beispiel für magnetisches Altmaterial.

Recycling von Seltenerdmagneten und Produktionsabfällen

Seit der Verhängung von Ausfuhrzöllen durch China für bestimmte Rohstoffe in den Jahren 2010 und 2011 ist eine größere Unabhängigkeit von Seltenerdimporten ein wichtiges wirtschaftsstrategisches Ziel der Bundesregierung. Die drei wichtigsten Optionen zum Erreichen dieses Ziels sind die Erschließung eigener Primärlagerstätten, die Reduktion bzw. Substitution bestimmter Seltenerdelemente – und die Rückgewinnung von Sekundärrohstoffen durch Recycling.

Obwohl Neodym, Praseodym und Dysprosium aufgrund ihrer Wichtigkeit zur Herstellung leistungsfähiger NdFeB-Magnete bereits heute die größte wirtschaftliche Bedeutung aller Seltenerden haben, waren die Anstrengungen für eine gezielte Rückgewinnung dieser Elemente bislang nicht ausreichend. Insbesondere existieren nur wenige vielversprechende Ansätze für eine Aufbereitung von Altmagneten und Magnetabfällen, die einerseits das volle Potenzial der bereits vorhandenen Trennung der darin enthaltenen Seltenerdelemente ausschöpfen und andererseits störende Verunreinigungen (z. B. Oxide, organische Verbindungen) abtrennen können.

An dieser Stelle setzt das am Fraunhofer IFAM Dresden entwickelte Recyclingverfahren auf hydrometallurgischer Basis für die gezielte Rückgewinnung der Elemente Neodym, Praseodym und Dysprosium aus Materialgemischen an (Bild). Dem Verfahren liegt die Idee zugrunde, dass sich durch das geschickte Ausnutzen physikalischer Zusammenhänge und durch eine optimierte Prozesssteuerung eine so hohe Gesamtselektivität erreichen lässt, dass auf eine aufwendige und teure Feintrennung der Seltenerden durch Ionentauscher oder Flüssig-Flüssig-Extraktionsanlagen verzichtet werden kann. Für die Produktion neuer hochwertiger NdFeB-Magnete ist es jedoch unerlässlich, dass insbesondere Samarium, welches in Magnetmaterialgemischen vorhanden ist, aber auch Oxide und organische Verunreinigung abgetrennt werden.

Im Rahmen von Entwicklungsprojekten konnte gezeigt werden, dass sich diese notwendige Selektivität beim Recycling von Magnetwerkstoffgemischen im Labormaßstab insbesondere durch eine geeignete physikalische Vorbehandlung und Vorseparation sowie durch einen gesteuerten hydrometallurgischen Aufschluss realisieren lassen. Ein entsprechender Recyclingprozess wurde bereits zum Patent angemeldet.

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Scheiben aus Silizid, 500 µm dick.

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Thermoelektrikmodule aus Silizid-Material.

Effiziente Energienutzung durch Thermoelektrik

Energieeffizienzsteigerung, Ressourcenschonung und die Verringerung der CO2-Emissionen gehören zu den wichtigen gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Bis zu 50 % der eingesetzten Primärenergie geht jedoch als Abwärme verloren. Thermoelektrische Generatoren (TEG) können durch Energierückgewinnung aus dieser Abwärme einen Beitrag zu einer effizienteren und emissionsärmeren Energienutzung leisten.

Die Abwärmenutzung erfolgt nach gegenwärtigem Stand der Technik über Wärmetauscher, Wärmespeicher, Brenner zur Luftvorwärmung oder Wärmepumpen und Kältemaschinen. Im Bereich der Stromerzeugung aus Abwärme stehen der ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozess, Dampfturbinen und Stirlingmotoren zur Verfügung. Die Stromerzeugung erfolgt indirekt über Zwischenträgermedien im flüssigen oder gasförmigen Zustand.

TEG hingegen wandeln Abwärme direkt in elektrische Energie um, arbeiten ohne bewegliche Teile, sind geräuschlos, wartungsfrei und können leicht an den jeweils verfügbaren Bauraum angepasst werden, sind also skalierbar. Dadurch bieten sie im Vergleich zu den genannten Technologien deutliche Vorteile und decken ein breiteres Anwendungsspektrum ab.

Das Fraunhofer IFAM entwickelt seit 2007 n-Mg2Si0.4Sn0.6 und p-MnSi1.8 als thermoelektrische (TE) Materialien, die aus nicht toxischen Elementen mit großer natürlicher Verfügbarkeit und niedrigem Preis bestehen und bis 550 °C einsetzbar sind. Für TE-Module aus diesen Siliziden werden Wirkungsgrade bis ca. 7 % in der Literatur berichtet. Dies übertrifft die Einsatztemperatur und den Wirkungsgrad kommerziell verfügbarer Module aus Bi2Te3-basierten Verbindungen (250 °C und ~ 3 %) deutlich. Schwerpunkte der Forschungsaktivitäten am Fraunhofer IFAM sind das Upscaling der Materialherstellung (aktuell bis zu 1 kg Ausgangspulver pro Charge und 0,25 kg pro Sinterkörper) und die Fertigung der TE-Komponenten (TE‑Schenkel) in verschiedenen Abmessungen mit Hinblick auf eine Produktion im industriellen Maßstab. Um die ganze Wertschöpfungskette abzudecken, befindet sich außerdem eine Aufbau- und Verbindungstechnologie zur Modulherstellung aus den Komponenten in der Entwicklung.

Die am Fraunhofer IFAM entwickelten Module aus TE-Silizidchips (Chipdicke nur 0,5 mm) werden im Rahmen eines BMWi-geförderten Projektes zur Energierückgewinnung aus Abwärme in Diesellokomotiven eingebaut.

Um Anwender von dieser Technologie zu überzeugen und eine Durchsetzung von TEG am Markt zu erzielen, muss neben den guten Eigenschaften der Materialien eine kosteneffiziente industrielle Herstellung von TE-Modulen in hohen Stückzahlen nachgewiesen werden. Aus diesem Grund soll am Fraunhofer IFAM in Dresden eine teilautomatisierte Fertigungskette für silizidbasierte Module aufgebaut werden, um die bislang hohen Stückkosten erheblich zu reduzieren.

Auftraggeber: DFG, BMBF, BMWi, SAB

Projektpartner: Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, FZJ, Universität Tübingen, Universität Hamburg, TU Chemnitz, Fraunhofer IWM, Fraunhofer IPM, Fraunhofer IKTS, TU Dresden, Fa. Mahle, Fa. Tenneco, Fa. Curamik, Fa. O-Flexx, Fa. Bombardier

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Metallhydrid-Graphit-Verbundwerkstoff im Querschliff. Projekt poMMes, gefördert vom BMWi, Projektpartner: TU Dresden, WäTaS Wärmetauscher Sachsen GmbH.

Pulvermetalurgie neu gedacht: Gas-Feststoffenergiepeicher

Energiespeicher für Brennstoffe (chemisch) und Wärme (thermisch) zählen zu den wichtigsten Komponenten effizienter Energiesysteme für stationäre und mobile Anwendungen. Am Fraunhofer IFAM in Dresden werden auf der Basis pulvermetallurgischer Fertigungsverfahren kapazitäts- und leistungsoptimierte chemische und thermische Energiespeicher entwickelt, die spezielle Eigenschaften von Gas-Feststoff-Systemen nutzen.

Wasserstoff (H2) besitzt als Brennstoff die höchstmögliche gravimetrische Energiedichte und lässt sich durch vielfältige Verfahren herstellen, wie beispielsweise Elektrolyse von Wasser unter Einsatz überschüssiger elektrischer Energie. Insbesondere bei mobilen und portablen Anwendungen mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen ist zur Minimierung der Speichergröße eine hohe volumetrische Speicherdichte bei gleichzeitig möglichst niedrigem Druck (Sicherheit) erforderlich.

Diese Anforderungen werden von sogenannten Hydridspeichern erfüllt, in denen gasförmiger Wasserstoff über eine chemische Reaktion in einen metallischen Feststoff eingelagert wird. Derartige metallische Feststoffe können auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass definiert Zusatzstoffe feindispers im Feststoff verteilt werden können, um weitere Anforderungen, die an das Speichermaterial gestellt werden, zu erfüllen, z.B. einen zügigen Wärme- und Gastransport. Die Entwicklung dieser sogenannten Metallhydrid-Verbundwerkstoffe (Abb. 1) hat ergeben, dass diverse Naturgraphite geeignete Zusatzstoffe sind, um gleichzeitig eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, eine definierte Porosität sowie eine gewünschte Dichte zu erzielen.

Auf der Basis eines solchen Gas-Feststoff-Systems können auch thermochemische Wärmespeicher entwickelt werden, die eine hohe Speicherdichte (bis über 1000 kWh/m3) und minimale Verluste garantieren. Das Be-/Entladen der Speicher erfolgt über endo-/exotherme chemische Reaktionen zur Trennung/Verbindung des Stoffsystems. Neben H2 als gasförmige Komponente kann auch Wasserdampf (H2O) zur Bildung von Salzhydraten aus Metallsalzen genutzt werden.

Zur Erreichung optimaler Speicherparameter offeriert auch hier die Pulvermetallurgie innovative Entwicklungsansätze in Form zellularer Metalle (Schäume, Fasern, Drähte). Während die Speicherkapazität direkt von der Reaktionswärme des reagierenden Materiales abhängt, wird die Speicherleistung von zahlreichen Faktoren wie der Schichtdicke des Feststoffes sowie der Gasdurchlässigkeit bzw. den Wärmetransporteigenschaften der Struktur beeinflusst.

Aufbauend auf dem umfangreichen Knowhow bei der Nutzung zellularer Metalle in Hochleistungs-Latentwärmespeichern werden in einem aktuellen Projekt[1] hochporöse Metall-Metallsalz-Strukturen für thermochemische Wärmespeicher entwickelt (Abb. 2), die eine extrem hohe volumenbezogene Metallsalzoberfläche (Speicherkapazität) auf einer sehr gut Wärme leitenden sowie hoch porösen und damit für Wasserdampf durchlässigen zellularen Metallstruktur (Speicherkinetik) aufweisen. Dabei gehen werkstoff- und wärmetechnische Entwicklungsschritte Hand in Hand.

© Fraunhofer IFAM

Zeolith-beschichtete Aluminium-Faserstruktur (prinzipiell ähnliches Verfahren) und Struktur-aufnahmen zellularer Metalle.

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Gedrehtes Gefäß aus 316L (Grünteil und gesintert). Projekt AMCC-Line, gefördert von der Sächsischen Aufbaubank, Projektpartner: Xerion, MicroCeram.

Fused Filament Fabrication – Vielfältig und kostengünstig

Additive Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe erfahren zunehmend größere Bedeutung im industriellen Alltag. Zukünftige Entwicklungsziele sind zusätzliche Funktionalitäten bei gleichzeitiger Kostenreduktion. Am Fraunhofer IFAM werden neue Werkstoffe und Methoden auf pulvermetallurgischer Basis entwickelt, um bisherige Grenzen der Einsatzbereiche additiver Verfahren zu überwinden.

Fused Filament Fabrication (FFF) ist ein additives Fertigungsverfahren, das bisher auf Kunststoffe beschränkt war. Dabei wird ein Filament aus einem thermoplastischen Polymer durch eine beheizte Düse extrudiert und entsprechend dem Layout lagenweise auf einer Unterlage abgelegt. In den letzten Jahren wurden erste Anstrengungen unternommen, das Verfahren auf metallische Bauteile zu adaptieren. In dieser Verfahrensvariante wird das thermoplastische Material homogen mit Metallpulver gefüllt. Das fertig gedruckte Bauteil wird anschließend entbindert, um zur Vermeidung von Verunreinigungen den Kunststoff auszutreiben. Schließlich wird die Struktur zu einem vollmetallischen dichten Bauteil versintert.

Die Vorteile des FFF für additive metallische Bauteile liegen insbesondere in den Kosten und in der Werkstoffvielfalt. So betragen die Anschaffungskosten für einen FFF-Drucker nur etwa 10 % der Kosten einer Anlage für strahlbasierte additive Verfahren. Die potenzielle Legierungsvielfalt ist durch die Nutzung von industriellen Standardpulvern sehr hoch und erweitert die Werkstoffpalette anderer additiver Verfahren deutlich. Besonders attraktiv ist zudem die Möglichkeit, das Bauteil vor dem Sintern mechanisch bearbeiten zu können, um mit geringstem Werkzeugverschleiß weitere Funktionalitäten wie eine Oberflächenglättung einzubringen.

In der Entwicklung des metallischen FFF nimmt das Fraunhofer IFAM mit seinen Standorten in Dresden und Bremen eine Vorreiterrolle ein. Angelehnt an die Erfahrungen aus der Entwicklung von MIM-Feedstocks konnten mit 316L Edelstahl Filamente mit sehr hohen Füllgraden von 60 Vol.-% erreicht werden. Das entwickelte Filament kann zudem problemlos in kommerziellen FFF-Druckern eingesetzt werden. Im weiteren Werkstoffportfolio sind der Stahl 17-4PH und die Keramik ZrO2, sowohl einzeln als auch als Verbundwerkstoff; in Vorbereitung sind in Kooperationsprojekten Kupfer und Werkzeugstähle.

Die Beherrschung der Wärmebehandlung zur Entbinderung und Sinterung spielt beim FFF eine besondere Rolle, da dies entscheidenden Einfluss auf Endformnähe, erreichbare Dichten und Verunreinigungsgehalte hat. Hier besitzt das Fraunhofer IFAM durch seine einzigartige pulvermetallurgische Kompetenz eine Alleinstellung.

Im laufenden Projekt AMCC-Line1 wird mit industriellen Partnern eine Fertigungslinie entwickelt, die für Kunden die komplette Kette vom Druck über eine mechanische Bearbeitung zur Grün- und Endbearbeitung bis hin zum Wärmebehandlungsofen in einer kompakten modularen Fertigungseinheit zur Verfügung stellen wird.

Die Anwendungsgebiete für FFF und AMCC-Line liegen daher in allen Bereichen des Industriestandortes Deutschland. Dies gilt besonders für Anwendungen, bei denen kleine bis mittlere Stückzahlen, komplex geformte Spezialwerkstoffe oder Individualisierung gefragt sind.

© Fraunhofer IFAM Dresden

Zwei-Phasen-Gefüge der Funktionsschicht der Inert-Anode.

© FST

eGUN – Flammspritzen zur Beschichtung des Basissubstrats mit einer elektrochemisch aktiven Funktionsschicht aus einem Keramik-Metall-Verbundwerkstoff.

Neues Konzept zur umweltfreundlichen Fertigung von Aluminium

 

Aluminium ist aus unserem täglichen Leben nicht wegzudenken. Ob als Haushaltsfolie, in Kochgeräten oder zum Leichtbau von Autos und Flugzeugen – die Liste ist endlos. Jedoch werden bei der Produktion dieses wichtigen Werkstoffes große Mengen an Kohlenstoffdioxid produziert.

Forscher des Fraunhofer IFAM in Dresden haben gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung unter Leitung der Bergbaugesellschaft Rio Tinto innerhalb des von der Europäischen Kommission geförderten Projektes AGRAL einen Werkstoffverbund und dessen Fertigungsprozess für Anoden entwickelt, mit dem der direkte CO2-Ausstoß bei der Aluminium-Elektrolyse vollständig vermieden werden kann.

Zur Herstellung des Leichtmetalls Aluminium wird standardmäßig das elektrolytische Hall-Héroult-Verfahren aus dem 19. Jahrhundert angewandt, das bis heute der wirtschaftlichste Prozess geblieben ist.

Die Reduktion von Aluminiumoxid zu Aluminium erfolgt hierbei in Elektrolyseöfen durch das Anlegen einer geringen Gleichspannung zwischen Anode und Kathode. Der Stromfluss hält einerseits die Prozesstemperatur konstant und bewirkt andererseits den chemischen Vorgang durch Elektrolyse. Als Elektrolyt wird geschmolzenes Kryolith mit Aluminiumoxid eingesetzt, wodurch die Reduktion bei einem Temperaturniveau von 900 - 1000°C erfolgen kann. Das flüssige Aluminium sammelt sich am Ofenboden und fungiert hierbei als Kathode.

Die Anoden bestehen aus vorgebrannten Blöcken aus Petrolkoks und Teer-Pech, also im Wesentlichen aus Kohlenstoff und werden während des Verfahrens durch die Reaktion mit dem freiwerdenden Sauerstoff des Aluminiumoxids zu Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) aufgebraucht. Je Tonne erzeugten Aluminiums wird etwa eine halbe Tonne Anodenkohle verzehrt, Das resultiert in der Emission von etwa 1,8 Tonnen CO2, begleitet von der Freisetzung fluorierter Kohlenstoffe.

Zur Vermeidung dieser Treibhausgase und Schadstoffe verfolgt das laufende Verbundvorhaben das Ziel, eine stabile, sauerstoffentwickelnde Anode (Inert-Anode) für die Aluminium-Schmelzflusselektrolyse im prototypischen Maßstab zu entwickeln.

Der neu entwickelte Werkstoffverbund kann den extremen Anforderungen wie gute elektrische Leitfähigkeit, hohe mechanische Festigkeit und Resistenz gegen Thermoschock gerecht werden. Der Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Mischung von Eisenoxid und einer Metalllegierung, aufgebracht als Millimeter-dicke Schicht auf einem Metallsubstrat aus einer Nickellegierung, zeigt eine ausgesprochen hohe Stabilität in der Aluminium-Elektrolyse. Mehrere hundert Stunden wurde diese Anode bereits erfolgreich getestet.

Zusätzlich wurden geeignete pulvermetallurgische Fertigungsrouten, basierend auf einem druckunterstützen Sinterverfahren (HIP – Heißisostatisches Pressen) bzw. einem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, im Verbundprojekt entwickelt und getestet.

Um diesen Prozess weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren, haben jetzt der australisch-britische Rohstoffkonzern Rio Tinto und sein amerikanischer Wettbewerber Alcoa mit finanzieller Unterstützung von Apple das Gemeinschaftsunternehmen Elysis gegründet.