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Einsatz von Nanotechnologien im Energiesektor

Hessen

Nanotech

Einsatz von Nanotechnologien im Energiesektor

Band 9 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech

Impressum Einsatz von Nanotechnologien im Energiesektor Band 9 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

Erstellt von: Dr. Wolfgang Luther VDI Technologiezentrum GmbH Zukünftige Technologien Consulting Graf-Recke-Straße 84 40239 Düsseldorf

Siemens AG

Redaktion: Dr. Rainer Waldschmidt (Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung) Alexander Bracht, Markus Lämmer (Hessen Agentur, Hessen-Nanotech) Herausgeber: HA Hessen Agentur GmbH Abraham-Lincoln-Straße 38-42 65189 Wiesbaden Telefon 0611 774-8614 Telefax 0611 774-8620 www.hessen-agentur.de Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollständigkeit der Angaben. Die in der Veröffentlichung geäußerten Ansichten und Meinungen müssen nicht mit der Meinung des Herausgebers übereinstimmen. © Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Kaiser-Friedrich-Ring 75 65185 Wiesbaden www.wirtschaft.hessen.de Vervielfältigung und Nachdruck – auch auszugsweise – nur nach vorheriger schriftlicher Genehmigung. Gestaltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden Druck: Werbedruck Schreckhase, Spangenberg www.hessen-nanotech.de Mai 2008

Abbildungen Cover oben: Siemens AG unten links: Evonik Degussa GmbH unten mitte: Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme unten rechts: BASF

Inhalt Vorwort ............................................................................................ 2 Zusammenfassung ..................................................................... 4

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Einführung in die Nanotechnologien ............................... 9 Innovationspotenziale im Energiesektor ...................... 13 Anwendungspotenziale der Nanotechnologien im Energiesektor ............................. 36 Praxisbeispiele aus Hessen ................................................. 54 Forschungsprogramme, Finanzierungs- und Fördermöglichkeiten .................... 65

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Statements von Verbänden und Netzwerken im Energiesektor ........................................... 71

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Anhang .......................................................................................... 78

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Vorwort

Dr. Alois Rhiel Hessischer Minister für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

Der weltweite Energiebedarf wächst kontinuierlich und wird nach Prognosen der Internationalen Energie Agentur bis zum Jahr 2030 voraussichtlich um rund 50 Prozent steigen. Derzeit werden über 80 Prozent des Primärenergiebedarfs über fossile Energieträger gedeckt. Deren Reserven reichen zwar für die nächsten Jahrzehnte – auf Dauer werden Sie aber den weltweiten Energieverbrauch nicht befriedigen können. Atomenergie deckt zwar klimaneutral einen Teil des weltweiten Energiebedarfs. Der Vorrat an Kernbrennstoffen wird nach heutigen Schätzungen jedoch ebenfalls in absehbarer Zeit zur Neige gehen. Angesichts möglicher klimatischer Veränderungen durch den Anstieg des atmosphärischen CO2 -Gehaltes sowie der absehbaren Verknappung fossiler Energieträger wird deutlich, dass die zukünftige Energieversorgung nur durch eine verstärkte Nutzung auch regenerativer Energiequellen sichergestellt werden kann. Die Energiegewinnung durch regenerative Quellen wie Sonne, Wind, Wasser, Gezeiten, Geothermie oder Biomasse könnte prinzipiell den weltweiten Energiebedarf um ein Mehrfaches abdecken, ist aber derzeit in vielen Fällen noch zu ineffizient und zu teuer, um signifikante Anteile der Energieversorgung zu übernehmen. Aufgrund üblicher Anpassungsreaktionen auf den Märkten ist jedoch für die Zukunft absehbar, dass sich die fossilen Energieträger kontinuierlich verteuern werden, während deutlich sinkende Preise für die erneuerbaren Energien erwartet werden. Schon heute sind beispielsweise Wind, Wasser oder Sonne in einigen Regionen der Welt wirtschaftlich konkurrenzfähig. Zur Lösung der Energie- und Klimaprobleme ist jedoch nicht nur notwendig, verstärkt regenerative Alternativen für fossile Energieträger wirtschaftlich nutzbar zu machen, sondern die gesamte Wertschöpfungskette von Energie,

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von der Erschließung über die Wandlung, den Transport und die Speicherung bis zur Nutzung beim Endverbraucher zu optimieren. In allen Bereichen sind Innovationen und Effizienzsteigerungen dringend notwendig, um die hoch gesteckten Ziele bei einer wachsenden und nach mehr Wohlstand strebenden Weltbevölkerung innerhalb der verfügbaren Zeit zu erreichen. Die Nanotechnologien haben als Schlüssel- und Querschnittstechnologien das einmalige Potenzial, entscheidende technologische Durchbrüche im Energiesektor zu ermöglichen, und damit wesentliche Beiträge für eine nachhaltige Energieversorgung zu liefern. Das Spektrum der möglichen Nano-Anwendungen im Energiesektor umfasst dabei kurz- bis mittelfristige schrittweise Verbesserungen für eine effektivere Nutzung konventioneller und regenerativer Energiequellen sowie langfristig völlig neuartige Ansätze der Energiegewinnung und -nutzung. Die vorliegende Broschüre NanoEnergie der Aktionslinie Hessen-Nanotech meines Hauses will Informationen zu diesen Themen bieten. Ziel ist darzustellen, welche technischen Lösungen bereits heute angewendet werden können, und für welche Fragen erst mittel- bis langfristig neue Lösungsoptionen zur Verfügung stehen werden. Damit wollen wir dringend notwendige Innovationsprozesse in hessischen Unternehmen und der Wissenschaft anstoßen.

Dr. Alois Rhiel Hessischer Minister für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

Schlüssel für nachhaltige Energieversorgung

Prof. Dr. Jürgen Schmid Vorstandsvorsitzender des Instituts für Solare Energieversorgungstechnik (ISET), Kassel

Die Anforderungen an eine Strategie zum Umbau der gegenwärtigen Energieversorgungsstruktur sind hoch: Die drastische Reduktion der globalen CO2-Emissionen bei gleichzeitig hoher Versorgungssicherheit macht einen Strategiewechsel bei der Gestaltung zukünftiger Energiesysteme erforderlich. Neben der Verbesserung der Energieeffizienz muss vor allem die schnelle Einführung emissionsarmer Technologien vorangetrieben werden. Erneuerbare Energien haben langfristig das Potenzial, die gesamte globale Energieversorgung zu übernehmen. Während einer Übergangszeit müssen jedoch noch herkömmliche fossile Energieträger und eventuell Techniken zur Abtrennung und sicheren Endlagerung von CO2 in geeigneten Lagerstätten genutzt werden. Dabei muss der Transformationsprozess so gestaltet sein, dass sich für die Nutzung einzelner Energietechnologien die größtmögliche Flexibilität und ökonomische Effizienz ergibt. Die höchste Effizienz von Versorgungssystemen lässt sich dabei erreichen, wenn möglichst alle fossilen und biogenen Energieträger zur gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt werden. Dazu gehört auch die Möglichkeit einer hoch effizienten Kohlenutzung über Kohlevergasung. Für die Einspeisung in Erdgasnetze ist ohnehin eine CO2-Abtrennung aus Biogas oder aus der Konversion von Synthesegas zu Methan erforderlich und kann damit ein erster Schritt zur Dekarbonisierung sein. Die fast vollständige Abtrennung des Kohlenwasserstoffs sowohl aus Synthesegas als auch aus Methan und die Bereitstellung von reinem Wasserstoff sind in einer späteren Stufe problemlos möglich. Die Nutzung von Nanotechnologien in den wichtigsten Bereichen der Energieversorgung – Gebäude, Transport und Verkehr, mobile bzw. netzferne Stromanwendungen – kann zur Lösung dieser Aufgaben wesentliche Beiträge

leisten. Hessen ist durch die vorhandenen Forschungsund Entwicklungskapazitäten im universitären und außeruniversitären Bereich, aber vor allem auch in der Industrie in den Nanotechnologien und den angrenzenden Feldern der Material- und Oberflächentechnologien, der Mikrosystemtechnologien und der optischen Technologien bereits heute gut aufgestellt. Für die Zukunft gilt es, die vielversprechenden Ansätze in den Nanotechnologien in technische Innovationen für den Aufbau einer nachhaltigen Energieversorgung bis hin zur kommerziellen Umsetzung einzubringen und als Beitrag zur Kostenreduzierung bei erneuerbaren Energien, zur Effizienzsteigerung bei Erzeugung und Verbrauch umzusetzen. Zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft hessischer Unternehmen kann dabei eine intensive Kooperation mit den hessischen Hochschulen und Forschungseinrichtungen insbesondere durch die Kombination der Bereiche Materialforschung und Energieforschung wesentliche Impulse liefern. Vor dem Hintergrund des Potenzials der Nanotechnologien im Energiesektor erscheinen die bisherigen Forschungsund Entwicklungsaktivitäten insgesamt als deutlich steigerungsfähig. Deshalb unterstützen wir aktiv die sehr begrüßenswerten Initiativen der Aktionslinie HessenNanotech des Hessischen Wirtschaftsministeriums, das Thema NanoEnergie mit Projekten, Veranstaltungen und der vorliegenden Broschüre in den Blickpunkt zu stellen.

Prof. Dr. Jürgen Schmid Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET)

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Zusammenfassung

Die Nanotechnologien haben das Potenzial, durch neue technologische Lösungen und optimierte Produktionstechnologien die Energieeffizienz quer über alle Industriebranchen zu verbessern, sowie der regenerativen Energieerzeugung zu einem breiten wirtschaftlichen Durchbruch zu verhelfen. Langfristig

Primärenergieerschließung

Energiewandlung

werden sich dadurch wesentliche Beiträge für eine nachhaltige Energieversorgung und eine weltweite Klimaschutzpolitik erzielen lassen. Nanotechnologische Innovationen setzen hierbei an allen Teilbereichen der Wertschöpfungskette im Energiesektor an.

Energieverteilung

Energiespeicherung

Energienutzung

Regenerativ

Gasturbinen

Stromleitung

Elektrische Energie

Thermische Isolierung

Photovoltaik: Nanooptimierte Solarzellen (Organisch, Farbstoff, Quantenpunkte, Dünnschicht), Antireflexschichten

Hitze- und Korrosionsschutz von Turbinenschaufeln (z. B. keramische, intermetallische Beschichtungen) für effizientere Kraft-/Triebwerke

Hochspannungsübertragung: Nanofüllstoffe für elektrische Isoliersysteme, Leistungshalbleiter (z. B. SiC) zur verlustarmen Spannungsumformung

Batterien/Akkus: Optimierte Lithium-Ionen-Akkus durch nanostrukturierte Elektroden und flexible, keramische Separatoren, Einsatz in der Elektronik, mittelfristig im Automobil oder zur Lastregelung in Stromnetzen

Nanoporöse Schäume und Gele zur Wärmedämmung in Gebäuden (Aerogele, Polymerschäume) oder Thermostatisierung in technischen Prozessen

Superkondensatoren: Nanomaterialien für Elektroden (Carbonaerogele, CNT, Metall(oxide) und Elektrolyte für höhere Energiedichten

Klimatisierung

Windenergie: Nanowerkstoffe für leichtere und stabilere Rotorblätter, Verschleiß- und Korrosionsschutz von Lagern, Getrieben etc. Geothermie: Nanoschichten und -materialien für verschleißfeste Bohrsonden Wasser-/Gezeitenkraft: Nanoschichten als Korrosionsschutz Biomasse: Optimieren des Ertrages durch kontrollierte Nährstoffzufuhr/Schädlingsbekämpfung (Nanomaterialien als Wirkstoffdepot) sowie Nanosensorik (precision farming)

Thermoelektrik Nanostrukturierte Halbleitermaterialien (Grenzschichtdesign, Nanodrähte) für effizientere thermoelektrische Stromerzeugung (u. a. Nutzung von Abwärme im Auto, Körperwärme für Mobilelektronik)

Brennstoffzelle Nanooptimierte Membranen und Elektroden für effizientere Brennstoffzellen (Anwendung u. a. Auto, mobile Elektronik)

Supraleitung: Optimierte Supraleiter durch Nanostrukturierung und Grenzflächendesign für verlustfreie Stromleitung CNT-Kabel: Superleitfähige Kabel auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) langfristig denkbar Kabellose Transmission: Energieübertragung u. a. durch Laser, Mikrowellen, elektromag. Resonanz langfristig möglich mit Lösungsbeiträgen durch nanooptimierte Komponenten

Chem. Stoffumwandlung Fossil Verschleiß- und Korrosionsschutz von Erdöl-/Gasbohrern sowie Förderanlagen Nanozusätze für verbesserte Ausbeuten bei der Erdölförderung

Nuklear Nanooptimierte Werkstoffe zur Abschirmung radioaktiver Strahlung (pers. Schutzausrüstungen, Transportbehälter, etc.), langfristig auch Einsatz für Kernfusionsreaktoren denkbar

Nanokatalysatoren und optimierte Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff (u. a. photoelektrisch, Elektrolyse, biophotonisch)

Verbrennungsmotoren Verschleiß- Korrosionsschutz von Motorkomponenten, Dieselinjektoren (Komposite, Beschichtungen, Partikelzusätze)

Elektromotoren Nanokomposite für Supraleiter in Elektromotoren und Generatoren (u. a. bei Schiffen)

Intelligente Stromnetze Nano-Sensorik (u. a. magnetoelektonische Sensoren für steuerbare Netze mit Lastund Fehlermanagement bei stark dezentraler Energieeinspeisung

Chemische Energie Wasserstoffspeicher: Nanoporöse Materialien (Organometalle, Metallhydride) für Anwendungen in der Mobilelektronik, langfristig im Automobil Kraftstofftanks: Gasdichte Polymer-Nanokomposite zur Verringerung von KW-Emissionen aus Automobiltanks Fossile Kraftstoffe: Nanokatalysatoren zur optimierten Herstellung von Kraftstoffen (Kohleverflüssigung, Ölraffination)

Wärmeenergie Wärmeleitung

Phasenwechselspeicher: Mikroverkapselte PCM für Klimatisierung in Gebäuden

Wärmezu-/-abfuhr durch nanooptimierte Wärmetauscher/-leitungen (u. a. auf CNT-Basis) in Industrie und Haushalten

Adsorptionsspeicher: Nanoporöse Materialien (u. a. Zeolithe) wandeln chemische Energie reversibel in Wärme um (z. B. in Gasthermen)

Licht- und Wärmeflusssteuerung in Gebäuden durch schaltbare Fenster (Elektrochromie, etc.), Mikrospiegelsysteme oder IR-Reflektoren

Leichtbau Leichtbaukonstruktionsstoffe auf Basis von Nanomaterialien und -kompositen (Kohlenstoffnanoröhren, Metall-MatrixKomposite, nanobeschichtete Leichtmetalle, Polymer-Komposite, ultra-hochfester Beton)

Industrielle Produktion Ersatz energieintensiver Prozesse unter Nutzung nanotechnologischer Verfahrensinnovationen (u. a. optimierte Katalysatoren, Selbstorganisationsprozesse, etc.)

Beleuchtung Energiesparende Beleuchtung durch Leuchtdioden (LED)

Beispiele für potenzielle Nanotechnologie-Anwendungen entlang der Wertschöpfungskette im Energiesektor (Quelle: VDI TZ GmbH)

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Erschließung von Primärenergiequellen

Energiewandlung

Nanotechnologien bieten wesentliche Verbesserungspotenziale bei der Erschließung sowohl konventioneller Energieträger (fossile und nukleare Brennstoffe) als auch regenerativer Energiequellen wie Erdwärme, Sonne, Wind, Wasser, Gezeiten oder Biomasse. Durch nanobeschichtete, verschleißfestere Bohrsonden lassen sich beispielsweise die Lebensdauer und die Effizienz von Anlagen zur Erschließung von Erdöl- und Erdgaslagerstätten oder Erdwärme optimieren und damit Kosten sparen. Weitere Beispiele sind hochleistungsfähige Nanowerkstoffe für leichtere und stabilere Rotorblätter von Wind- und Gezeitenkraftanlagen sowie Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten für mechanisch belastete Komponenten (Lager, Getriebe etc.). Insbesondere bei einer verstärkten Nutzung der Sonnenenergie durch Photovoltaik werden die Nanotechnologien eine wesentliche Rolle spielen. Effizienzsteigerungen lassen sich bei herkömmlichen kristallinen Silizium-Solarzellen beispielsweise durch Antireflexschichten für eine höhere Lichtausbeute erzielen. In erster Linie wird aber die Weiterentwicklung alternativer Zelltypen von den Nanotechnologien profitieren wie Dünnschichtsolarzellen (u. a. aus Silizium oder anderen Materialsystemen wie Kupfer/Indium/Selen), Farbstoffsolarzellen oder polymere Solarzellen. Letzteren wird aufgrund der preisgünstigen Materialien und Herstellungsverfahren sowie der flexiblen Formgebung ein hohes Potenzial insbesondere bei der Versorgung mobiler Elektronikgeräte zugesprochen. Mittelfristige Entwicklungsziele sind hier ein Wirkungsgrad von ca. 10 % und eine Lebensdauer von einigen Jahren, wobei die Nanotechnologien beispielsweise zur Optimierung des Schichtdesigns und der Morphologie der organischen Halbleitergemische in den Bauteilstrukturen beitragen können. Langfristig könnte die Nutzung von Nanostrukturen wie Quantenpunkte und -drähte Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 60 % ermöglichen.

Bei der Umwandlung der Primärenergieträger in Strom, Wärme und Bewegungsenergie ist eine möglichst hohe Effizienz gefragt. Insbesondere durch Effizienzsteigerungen bei Kohle- und GuD-Kraftwerken ließen sich erhebliche Mengen an Kohlendioxidemissionen vermeiden. Um höhere Kraftwerkswirkungsgrade zu erzielen, sind insbesondere höhere Arbeitstemperaturen und damit hitzeresistentere Turbinenwerkstoffe erforderlich. Verbesserungen lassen sich beispielsweise durch nanoskalige Hitze- und Korrosionsschutzschichten für Turbinenschaufeln in Kraftwerken oder Flugzeugtriebwerken erzielen, um die Effizienz durch erhöhte Betriebstemperaturen bzw. den Einsatz von Leichtbaumaterialien (z. B. Titanaluminide) zu verbessern. Nanooptimierte Membranen können die Möglichkeiten zur Abtrennung und klimaneutralen Lagerung von Kohlendioxid bei der Stromerzeugung in Kohlekraftwerken erweitern, um diese auch auf längere Sicht wichtigste Methode der Stromerzeugung umweltverträglicher zu gestalten. Die Stromausbeute bei der Konversion chemischer Energie durch Brennstoffzellen lässt sich durch nanostrukturierte Elektroden, Katalysatoren und Membranen steigern, wodurch sich in Zukunft wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten im Automobil, in Gebäuden oder beim Betrieb mobiler Elektronik ergeben werden. Aussichtsreich erscheint auch die thermoelektrische Energiewandlung. Durch nanostrukturierte Halbleiter mit optimiertem Grenzflächendesign lassen sich Effizienzgewinne erzielen, die den Weg für einen breiten Einsatz bei der Nutzung der Abwärme, beispielsweise im Automobil, oder auch der menschlichen Körperwärme für tragbare Elektronik in Textilien bereiten könnten.

(Quelle: Siemens AG)

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Verlustarme Stromübertragung und intelligente Stromnetze Hinsichtlich der Reduktion von Energieverlusten bei der Stromleitung besteht die Hoffnung, die außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit von Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren für den Einsatz in Stromkabeln nutzen zu können. Darüber hinaus gibt es nanotechnologische Ansätze zur Optimierung supraleitender Materialien für eine verlustfreie Stromleitung. Langfristig sind auch Optionen für einen kabellosen Energietransport z. B. durch Laser, Mikrowellen oder elektromagnetische Resonanz gegeben. Für die Stromverteilung sind zukünftig Stromnetze erforderlich, die ein dynamisches Lastund Fehlermanagement, eine bedarfsgesteuerte Energieversorgung mit flexiblen Preismechanismen sowie die Möglichkeit der Einspeisung durch eine Vielzahl dezentraler, regenerativer Energiequellen bieten. Nanotechnologien könnten wesentliche Beiträge zur Realisierung dieser Vision liefern, u. a. durch nanosensorische und leistungselektronische Komponenten, die die äußerst komplexe Steuerung und Überwachung derartiger Stromnetze bewältigen könnten. Energiespeicherung Der Einsatz von Nanotechnologien zur Verbesserung elektrischer Energiespeicher wie Batterien und Superkondensatoren erweist sich als ausgesprochen erfolgsträchtig. Die Lithium-Ionen-Technologie gilt aufgrund einer hohen Zellspannung und der herausragenden Energie- und Leistungsdichte als eine der zukunftsträchtigsten Varianten der Stromspeicherung. Durch Nanotechnologien können die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Lithium-IonenAkkus wesentlich verbessert werden, wie beispielsweise durch neuartige keramische, hitzebeständige und dennoch flexible Separatoren sowie hochleistungsfähige Elektrodenmaterialien. Die Firma Evonik treibt die Kommerzialisierung dieser Systeme für Anwendungen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen sowie für stationäre Energiespeicher voran. Langfristig erscheint auch Wasserstoff als ein aussichtsreicher Energiespeicher für eine umweltfreundliche Energieversorgung.

Neben notwendigen infrastrukturellen Anpassungen wird eine effiziente Speicherung von Wasserstoff als einer der kritischen Erfolgsfaktoren auf dem Weg in eine mögliche Wasserstoffwirtschaft gesehen. Derzeitige Materialien zur chemischen Speicherung von Wasserstoff entsprechen nicht den Anforderungen, wie sie beispielsweise von der Automobilindustrie mit bis zu zehn Gewichtsprozenten H2-Speicherkapazität gefordert werden.

Nano-Hitzeschutzschichten für Gasturbinen

Hochtemperatursupraleiter für Generatoren / Antriebe in Schiffen

Nanooptimierte Brennstoffzellen für Automobile, Transportfahrzeuge

Nanomembranen zur Abtrennung von Kohlendioxid in Verbrennungskraftwerken Nanokristalline Magnetwerkstoffe für effiziente Komponenten bei der Stromversorgung (Transformatoren, Zähler etc.)

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Verschiedene Nanomaterialien, u. a. auf Basis nanoporöser metallorganischer Verbindungen, bieten hier Entwicklungspotenziale, die zumindest für den Betrieb von Brennstoffzellen in mobilen Elektronikgeräten wirtschaftlich umsetzbar erscheinen. Ein weiteres wichtiges Feld sind thermische Energiespeicher. Durch Phasenwechselmaterialien als Latentwärmespeicher lässt sich beispielsweise der Energiebedarf in Gebäuden signifikant reduzieren.

Wirtschaftlich interessant sind auch Adsorptionsspeicher auf Basis nanoporöser Materialien wie Zeolithe, die als Wärmespeicher in Fernwärmenetzen oder in der Industrie eingesetzt werden könnten. Durch die Adsorption von Wasser im Zeolith lässt sich Wärme reversibel speichern und freisetzen (s. Praxisbeispiel Viessmann S. 60).

Szenario mit beispielhaften zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologien im Energiesektor (Darstellung: VDI TZ GmbH; Bildquellen: Siemens, BASF, Evonik, Bayer, FHG-ISE, Rewitec, GKSS, Magnetec, FH Wiesbaden)

Li-Ionenbatterien zur Speicherung von Windenergiestrom und zum Antrieb von Automobilen

Nanoporöse Wasserstoffspeicher für BrennstoffzellenFahrzeuge

Kohlenstoffnanoröhren für stabile Windrotorblätter und verlustarme Stromleitungen

Polymersolarzellen für großflächige Anwendungen, auch für komplexe Architektur-Geometrien

Farbstoffsolarzellen für dekorative Fassadenelemente

Nanostrukturierte Themoelektrika zur Stromversorgung körpergetragener Elektronik

Nanoverschleißschutzschichten für mechanische Komponenten (z. B. Automobil, Bohrgestänge etc.)

OLED für großflächige Displays und Beleuchtungskörper

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Energienutzung Mit dem Ziel einer nachhaltigen Energieversorgung muss parallel zur optimierten Erschließung der verfügbaren Energiequellen auch die Effizienz der Energienutzung verbessert und unnötiger Energieverbrauch vermieden werden. Hiervon sind sämtliche Industriebranchen und auch die privaten Haushalte betroffen. Nanotechnologien bieten eine Vielzahl von Anknüpfungspunkten zur Energieeinsparung. Beispiele sind die Senkung des Kraftstoffverbrauches in Automobilen durch Leichtbaumaßnahmen auf Basis von Nanokompositen, Optimierungen bei der Kraftstoffverbrennung durch verschleißfeste, leichtere Motorkomponenten und nanopartikuläre Kraftstoffzusätze oder auch Nanopartikel für optimierte Reifen mit geringerem Rollwiderstand (vgl. Broschüre Nanotechnologien im Automobil).

Durch tribologische Schichten für mechanische Komponenten in Anlagen und Maschinen, wie sie beispielsweise von der Firma REWITEC aus Lahnau bereits kommerziell vermarktet werden, lassen sich erhebliche Energieeinsparungen realisieren (vgl. Praxisbeispiel auf S. 61). Große Energiesparpotenziale liegen auch in der Gebäudetechnik, die beispielsweise durch nanoporöse Wärmedämmstoffe, die insbesondere in der energetischen Sanierung des Altbaubestandes vorteilhaft einsetzbar wären, erschlossen werden können. Generell ist die Steuerung von Licht- und Wärmeflüssen durch nanotechnologische Komponenten wie beispielsweise schaltbare Gläser ein zukunftsträchtiges Feld, um den Energiebedarf in Gebäuden zu reduzieren (vgl. Broschüre Nanotechnologien in Architektur und Bauwesen).

Fazit Angesichts eines weltweit steigenden Energiebedarfes, drohender klimatischer Veränderungen durch weiter ansteigende Kohlendioxid-Emissionen sowie die absehbare Verknappung fossiler Energieträger zählt die Entwicklung und Bereitstellung nachhaltiger Methoden der Energieerzeugung zu den vordinglichsten Zukunftsaufgaben der Menschheit. Es bedarf massiver Anstrengungen auf politischer und wirtschaftlicher Ebene, um das bestehende Energie-System grundlegend zu erneuern. Für die erforderlichen Innovationen im Energiesektor können Effizienzgewinne und neue Verfahren durch nanotechnologisches Know-how eine Schlüsselrolle spielen. Nanotechnologische Komponenten bieten Potenziale, um die vorhandenen Energiereserven effizienter zu nutzen und regenerative Energiequellen wirtschaftlicher zu erschließen. Die vorliegende Broschüre zeigt eine Reihe von Beispielen für mögliche Anwendungen und Entwicklungen, an denen hessische Unternehmen und Forschungseinrichtungen aktiv beteiligt sind. Bei der Umsetzung nanotechnologischer Innovationen im Energiesektor darf der gesamtwirtschaftliche und -gesellschaftliche Kontext nicht aus den Augen verloren werden. Die Planung eines zukünftigen Energiesystems erfordert langfristige Investitionen in Forschungsaktivitäten und Infrastruktur, die auf realistischen Potenzialabschätzungen und einer sorgfältigen Abstimmung der einzelnen Komponenten in der Versorgungskette basieren. So ist bei der regenerativen Energieerzeugung durch Wind oder Solarenergie beispielsweise zu berücksichti-

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gen, dass die Energieproduktion sehr unstetig anfällt und somit Energiespeicher als Puffer vorgehalten werden müssen, um Schwankungen in Produktion und Nachfrage auszugleichen. Beim Ersatz fossiler Energieträger ist nicht nur deren Funktion als Energieträger, sondern auch als Energiespeicher beispielsweise im automobilen Bereich zu berücksichtigen. Hier müssen Alternativen gefunden werden, um Energie längerfristig speichern sowie kurzfristig abrufbar und in einer funktionierenden Infrastruktur verfügbar machen zu können. Der Einstieg in eine Wasserstoffwirtschaft sowie der verstärkte Einsatz von Biokraftstoffen werden als Zukunftslösung diskutiert, erfordern aber erhebliche Investitionen und Technologiesprünge u. a. auf Basis der Nanotechnologien. Weitere Herausforderungen im Energiesektor liegen in der Optimierung und Integration mobiler Energieversorgungssysteme für den Betrieb kabelloser elektronischer Geräte, Werkzeuge und Sensoren, die mittlerweile zu einem Schlüsselfaktor in der modernen Industriegesellschaft geworden sind. Um nanotechnologische Innovationen in einem breiten Feld wie dem Energiesektor möglichst schnell in die Praxis umsetzen zu können, wird ein Branchen und Disziplinen übergreifender Dialog der beteiligten Akteure erforderlich sein. Die vorliegende Broschüre möchte einen Beitrag dazu leisten, Brücken zu schlagen und eine allgemeinverständliche Informationsgrundlage für ein abgestimmtes und zielgerichtetes Handeln in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bereitzustellen.

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Einführung in die Nanotechnologien

Nanotechnologien gelten weltweit als Schlüsseltechnologien für Innovation und technologischen Fortschritt in fast allen Wirtschaftsbranchen. Die Nanotechnologien beziehen sich dabei auf die gezielte technische Nutzung von Objekten und Strukturen in einem Größenbereich zwischen 1 und 100 nm. Sie stellen weniger Basistechnologien im

klassischen Sinne mit eindeutig abgrenzbarer Definition dar, sondern beschreiben vielmehr interdisziplinäre und branchenübergreifende Forschungsansätze beispielsweise in der Elektronik, Optik, Biotechnologie oder bei neuen Materialien, bei denen Effekte und Phänomene genutzt werden, die nur im Nanokosmos anzutreffen sind.

1.1 Definition der Nanotechnologien Bislang existiert keine international akzeptierte Definition der Nanotechnologien. Erste Ansätze hierzu werden derzeit von der Internationalen Organisation für Standardisierung (ISO) erarbeitet (vgl. Broschüre NanoNormung). Das Themenfeld Nanotechnologien erschließt sich jedoch weniger über formale Definitionen, sondern vielmehr über die Beschreibung grundlegender Prinzipien und Forschungsansätze, die in diesem Zusammenhang eine wesentliche Rolle spielen. In den Nanotechnologien nutzt man zum einen das Konstruieren mit den elementaren Einheiten der belebten und unbelebten Natur, nämlich die Atome und Moleküle, vergleichbar dem Basteln mit einem Lego-Baukasten („bottom-up-Ansatz“). Zum anderen stellt man aber auch durch Verkleinerung Strukturen her, welche nur noch ein Tausendstel eines Haardurchmessers messen („top-downAnsatz“). Diese Aufgabe ist vergleichbar mit der

Herausforderung, das gesamte Straßennetz Deutschlands maßstabsgetreu auf einen Fingernagel zu schreiben – und zwar fehlerfrei. Nanotechnologische Verfahren sind dabei nicht immer grundlegend neu, sondern oftmals Weiterentwicklungen bewährter Produktions- und Analysetechniken. Nano-Effekte wurden vereinzelt sogar schon im Mittelalter genutzt, etwa bei der Rotfärbung von Kirchenfenstern durch fein verteilte Goldkolloide oder die Härtung von Damaszener-Stahl von Säbelklingen durch Kohlenstoffnanoröhren, ohne sich dabei über die physikochemischen Grundlagen bewusst zu sein. Das Wesentliche bei den Nanotechnologien ist daher die kontrollierte Nutzung nanoskaliger Strukturen, das Verständnis der auf der molekularen Ebene geltenden Gesetzmäßigkeiten und die daraus gezielt abgeleiteten technologischen Verbesserungen im Material- und Komponentenbereich.

Nanotechnologien beschreiben die Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen, molekularen Materialien, inneren Grenz- und Oberflächen mit mindestens einer kritischen Dimension oder mit Fertigungstoleranzen (typischerweise) unterhalb 100 Nanometer. Entscheidend ist dabei, dass allein aus der Nanoskaligkeit der Systemkomponenten neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und Anwendungsoptionen resultieren. Diese neuen Effekte und Möglichkeiten sind überwiegend im Verhältnis von Oberflächen- zu Volumenatomen und im quantenmechanischen Verhalten der Materiebausteine begründet.

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1.2 Nano-Effekte als Basis für Produktinnovationen Nanomaterialien besitzen im Vergleich zu gröber strukturierten Materialien drastisch veränderte Eigenschaften, die sowohl physikalische, chemische und biologische Stoffcharakteristika betreffen. Physikalische Materialeigenschaften eines Festkörpers wie elektrische Leitfähigkeit, Magnetismus, Fluoreszenz, Härte oder Festigkeit ändern sich fundamental mit der Anzahl und der Anordnung der wechselwirkenden Atome, Ionen oder Moleküle. Anders als in makroskopischen Festkörpern können Elektronen in einem Nanocluster nur ganz bestimmte „quantisierte“ Energiezustände einnehmen, die von der Anzahl der wechselwirkenden Atome beeinflusst werden. Hieraus ergeben sich beispielsweise sehr charakteristische Fluoreszenzeigenschaften, die stark mit der Größe des Clusters variieren. So fluoresziert ein 2 nm großer Cadmiumtelluridpartikel grünes Licht, ein 5 nm großer Partikel hingegen rotes Licht. Mit derartigen Quantenpunkten lassen sich prinzipiell auch die Quantenausbeuten von Solarzellen und damit deren Umwandlungseffizienz deutlich verbessern. Auch chemische Materialeigenschaften hängen sehr stark von der Anordnung und Strukturierung der Atome und Moleküle ab. Durch Nanostrukturierung

lässt sich in der Regel eine deutlich erhöhte chemische Reaktivität erzielen, da Materialien bei einer Aufteilung in nanoskalige Substrukturen ein stark vergrößertes Verhältnis von reaktiven Oberflächenatomen zu reaktionsträgen Teilchen im Inneren eines Feststoffes aufweisen. In einem Partikel mit einem Durchmesser von 20 nm befinden sich beispielsweise ca. 10 % der Atome an der Oberfläche, in einem 1 nm großen Partikel beträgt der Anteil der reaktiven Oberflächenatome bereits 99 %. In der Biologie spielen Nanomaterialien ebenfalls eine entscheidende Rolle, da nahezu alle biologischen Prozesse von nanoskaligen Strukturbausteinen wie Nukleinsäuren, Proteinen etc. gesteuert werden. Der Aufbau komplexer biologischer Systeme wie Zellen und Organe erfolgt hierbei nach dem Prinzip der Selbstorganisation, wobei einzelne Moleküle auf Basis chemischer Wechselwirkungen und molekularer Erkennungsmechanismen zu größeren Einheiten zusammengesetzt werden. Durch ein hocheffizientes Zusammenspiel derartiger „molekularer Maschinen“ ist es der Natur in der Evolutionsgeschichte gelungen, äußerst komplexe Reaktionsmechanismen wie beispielsweise bei der Photosynthese zu realisieren. Diese bildet die Grundlage des Lebens auf der Erde und auch der heutigen Energieversorgung, die ja im Wesentlichen auf der Nutzung der im Laufe der Erdgeschichte durch Photosynthese

Je kleiner ein Partikel ist, umso so größer ist der Anteil an Teilchen, die sich an der reaktiven Oberfläche des Partikels (blau) befinden, im Verhältnis zum reaktionsträgeren Inneren des Partikels (rot). Bei

Anteil Oberflächenatome (%)

100

80

60

40

20

Partikelgrößen zwischen 1 nm und 20 nm ändert sich das Verhältnis von Oberflächenteilchen zur Gesamtteilchenzahl besonders stark.

10

0 0

2

4

6

8 10 12 14 Partikeldurchmesser (nm)

16

18

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erzeugten fossilen Energievorräte basiert. Auch wenn die Gesamtenergieausbeute der Photosynthese relativ niedrig ist (trotz einer hohen Quantenausbeute im Reaktionszentrum des Photosynthesekomplexes von ca. 97 % wird insgesamt weniger als 1 % der eingestrahlten Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt), kann diese als Vorbild für zukünftige technische Energiewandlungssysteme beispielsweise der Organischen Photovoltaik dienen. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Herstellung durch Selbstorganisationsprozesse aus elementaren Grundbausteinen sowie einer hohen Funktionsstabilität und Regenerationsfähigkeit.

Durch Nanostrukturierung ergeben sich somit neuartige Möglichkeiten für ein intelligentes Materialdesign, bei dem gewünschte Materialeigenschaften kombiniert und für den jeweiligen technischen Anwendungszweck gezielt angepasst werden können. Für den Energiesektor sind u. a. die in der folgenden Übersicht genannten Beispiele von Interesse.

Chemisch

Optisch

a Effizientere Katalysatoren in Brennstoffzellen oder zur chemischen Umwandlung von Kraftstoffen durch vergrößerte Oberflächen und gezieltes Katalysatordesign.

a Optimierte Lichtabsorptionseigenschaften von Solarzellen durch Quantenpunkte und Nanoschichten in Stapelzellen.

a Leistungsfähigere Batterien, Akkumulatoren und Superkondensatoren durch höhere spezifische Elektrodenoberflächen. a Optimierte Membranen mit höherer Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit für Anwendungen in Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen oder Separatoren in Lithium-Ionen-Akkus. a Nanoporöse Materialien zur Speicherung von Wasserstoff, z. B. Metallhydride oder metallorganische Verbindungen. Mechanisch a Verbesserte Steifigkeit von Konstruktionsmaterialien für Rotorblätter von Windkraftanlagen. a Verschleißfeste Nanoschichten für Bohrsonden, Getriebe und Motorkomponenten. a Optimierte Trennfähigkeit von Gasmembranen zur Separation und Deposition von Kohlenstoffdioxid aus den Abgasen von Kohlekraftwerken. a Gasdichte Polymer-Nanokomposite zur Verringerung von KohlenwasserstoffEmissionen aus Automobiltanks.

a Antireflexeigenschaften für Solarzellen zur Erhöhung der Energieausbeute bei Solarzellen. a Leuchtende Polymere zur Herstellung energieeffizienter organischer Leuchtdioden. Elektronisch a Optimierte Elektronenleitung durch Kohlenstoffnanoröhren oder nanostrukturierte Supraleiter. a Elektrische Isolatoren durch nanostrukturierte Füllstoffe in Komponenten von Hochspannungsleitungen. a Verbesserte Thermoelektrika zur effizienteren Stromerzeugung aus Wärme durch nanostrukturierte Schichtsysteme. Thermisch a Nanostrukturierte Hitzeschutzschichten für Turbinenschaufeln in Gas- und Flugzeugturbinen. a Verbesserte Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren für optimierte Wärmetauscher. a Optimierte Wärmespeicher auf Basis nanoporöser Materialien (Zeolithe) oder mikroverkapselter Phasenwechselspeicher. a Nanoschäume als Superisolationssysteme in der Gebäudedämmung, die aufgrund der nanoporösen Struktur den konvektiven Wärmetransport auch bei geringer Dicke der Isolationsschicht effizient minimieren können.

11

1.3 Internationaler Stand Die Investitionen im Bereich der Nanotechnologien summierten sich im Jahr 2006 weltweit auf ca. 12,4 Mrd. $, wobei die öffentlichen und privatwirtschaftlichen Investitionen mit ca. 6,4 Mrd. $ bzw. 6 Mrd. $ sich ungefähr die Waage halten. Die privatwirtschaftlichen Investitionen verteilen sich zu 5,3 Mrd. auf Firmeninvestitionen und ca. 0,7 Mrd. $ auf Venture Capital Investment (Quelle: Lux Research 2007). In Bezug auf die privatwirtschaftlichen Investitionen liegen die USA an der Spitze, dicht gefolgt von Asien und deutlich vor Europa. Hinsichtlich der öffentlichen Investitionen zählt Europa (Europäische Kommission und Mitgliedstaaten) jedoch mit ca. 1,7 Mrd. $, die USA (Bundesebene und Bundesstaaten) mit ca. 1,9 Mrd. $ sowie Japan mit ca. 975 Mio. $ zu den weltweit führenden drei Regionen in den Nanotechnologien. Allerdings verstärken weitere Staaten, insbesondere in Südostasien, China und Indien, ihr Engagement erheblich und schließen rasch auf. Dieses enorme staatliche Engagement wird getrieben von hohen Erwartungen hinsichtlich des volkswirtschaftlichen Nutzens in Form von Umsätzen und Arbeitsplätzen, die unmittelbar an nanotechnologische Entwicklungen gekoppelt sind. Deutschland hat im internationalen Vergleich eine gute Position in den Nanotechnologien. Hinsichtlich der öffentlichen F&E-Ausgaben und der Patentanmeldungen in den Nanotechnologien liegt Deutschland weltweit auf Platz 3. Bei nanowissenschaftlichen Publikationen lag Deutschland in den letzten Jahren ebenfalls an 3. Position, ist aber mittlerweile durch China auf Platz 4 verdrängt worden. Zu den Stärken Deutschlands zählen die gut ausgebaute F&E-Infrastruktur und das hohe Niveau von Forschung und Entwicklung in verschiedenen Teilbereichen der Nanotechnologien wie Nanooptik, Nanomaterialien, Nanoanalytik und der Nanobiotechnologie. Ebenso ist mit derzeit rund 700 Unternehmen, die sich mit der Entwicklung, Anwendung und dem Vertrieb nanotechnologischer Produkte befassen, die industrielle Basis für die Verwertung der Forschungsergebnisse vorhanden. Hessen zählt mit über 100 Unternehmen innerhalb Deutschlands zu den stärksten Regionen in der wirtschaftlichen Nanotechnologie-Umsetzung.

12

In vielen Wirtschaftszweigen liefert nanotechnologisches Know-how bereits heute entscheidende Beiträge zur wirtschaftlichen Wettbewerbsfähigkeit – dies insbesondere in den Massenmärkten der Elektronik, der Chemie und der Optischen Industrie. Mittel- bis langfristig werden die Nanotechnologien auch in den Bereichen Automobilbau, den Life Sciences und klassischen Industriezweigen, wie der Bau- und Textilindustrie, einen erheblichen kommerziellen Einfluss entfalten. Obwohl die enorme wirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologien als Schlüssel- und Querschnittstechnologie unbestritten ist, lässt sich das wirtschaftliche Potenzial der Nanotechnologien kaum quantifizieren. Dies liegt u. a. daran, dass die Nanotechnologien als „enabling technology“ in der Regel relativ früh in der Wertschöpfungskette ansetzen, d. h. bei der Optimierung von Komponenten/Zwischenprodukten, z. B. durch nanoskalige Beschichtungen oder nanostrukturierte Werkstoffe. Diese Komponenten machen in der Regel nur einen geringen Anteil an den fertigen Endprodukten (Konsum- und Investitionsgüter) aus. Der Marktwert der nanotechnologischen Komponenten an der Wertschöpfung des Endproduktes ist dabei oftmals nicht exakt zu bestimmen. Ohne Anwendung nanotechnologischer Verfahren und Komponenten wären Produkte in vielen Industriezweigen jedoch häufig nicht konkurrenzfähig (z. B. Festplattenspeicher, Computerchips, Ultrapräzisionsoptiken etc.).

2

Innovationspotenziale im Energiesektor

sektor einen Spitzenplatz im Energieverbrauch ein, der auch die höchsten Wachstumsraten aufweist, während der Energieverbrauch im Industriesektor in den letzten Jahren rückläufig war. Auf globaler Ebene wird jedoch in allen Sektoren ein Anstieg des Energieverbrauchs prognostiziert, wobei die stärksten Steigerungsraten in Nicht-OECD Ländern wie China und Indien zu erwarten sind.

Energie treibt unser Leben an; sie sorgt für angenehme Temperaturen und Helligkeit in unser Wohnund Arbeitsumgebung, speist Produktionsanlagen, urbane Infrastruktur sowie das Heer unserer elektronischen Helfer im Alltag und ermöglicht eine nahezu unbegrenzte Mobilität rund um die Welt. Der weltweite Energiebedarf wächst stetig und wird nach Prognosen der Internationalen Energie Agentur von derzeit ca. 12.000 MTOE (Millionen Tonnen Erdöläquivalenten) bis 2030 voraussichtlich auf über 18.000 MTOE (rund 750 Exajoule = 750.000.000.000.000.000.000 Joule) ansteigen. Der wesentliche Treiber für diesen starken Anstieg des Energieverbrauches und damit auch des weltweiten Kohlendioxid-Ausstoßes ist insbesondere der Nachholbedarf aufstrebender Volkswirtschaften wie China und Indien, die ihren Energieverbrauch dem der Industrienationen zunehmend angleichen und dabei zum großen Teil fossile Energieträger nutzen. Den größten Anteil am globalen Energieverbrauch nimmt der Industriesektor ein, gefolgt vom Verkehrsektor, Haushalten und sonstigen Gewerbebetrieben (Dienstleistungen, Handel etc.). Regional gibt es allerdings starke Unterschiede hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Entwicklung in den einzelnen Sektoren. So nimmt beispielsweise in Industrienationen wie Deutschland der Verkehrs-

Es ist offensichtlich, dass zur langfristigen Deckung dieses anwachsenden Energiebedarfs ein fundamentaler Wandel im Energiesektor vollzogen werden muss und zwar weg von den bisher dominierenden fossilen Energieträgern hin zu einer verstärkten Nutzung regenerativer Energiequellen. Der drohende Klimawandel durch anwachsende Kohlendioxidemissionen sowie die absehbare Verknappung fossiler Energieträger lässt keine andere Wahl, als dringend benötigte Innovationen im Energiesektor weiter voranzutreiben. Dies gilt nicht nur für die verstärkte Erschließung regenerativer Energiequellen, sondern für die gesamte Wertschöpfungskette von der Gewinnung der Energieträger aus Primärenergiequellen, der Umwandlung, der Speicherung, der Verteilung sowie der Nutzung von Energie.

300

Energiebedarf 1018 Joule

Verkehr

Haushalte

Gewerbe

Industrie

250 Prognose des welt-

200

weiten Energiebedarfs

150

(Quelle: Energy Infor-

100

International Energy

nach Sektoren mation Administration: Outlook 2007)

50 0 2004

2010

2015

2020

2025

2030

13

2.1 Potenziale verfügbarer Primärenergiequellen Die fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas decken mit ca. 80 % den Hauptanteil des heutigen weltweiten Energiebedarfs. Aktuelle Szenarien zur Entwicklung des zukünftigen Energiebedarfs gehen davon aus, dass der Anteil fossiler Energieträger an der weltweiten Versorgung bis zum Jahr 2030 nahezu unverändert hoch bleibt. Nur durch massive globale Anstrengungen und Investitionen im Bereich erneuerbare Energien und Energiesparmaßnahmen ließe sich diesem Trend entgegensteuern. Die Europäische Union sieht sich hier in einer Vorreiterrolle und hat sich bis zum Jahr 2020 mit einem verbindlichen Anteil erneuerbarer Energieträger am gesamten Energieverbrauch der EU von 20 %, einer Reduktion der EU-weiten Treibhausgase um 20 % sowie einer Erhöhung der Energieeffizienz um 20 % ehrgeizige Ziele gesetzt.

Kohle 25,2 %

Regenerative Energien 13,1 %

Derzeit liegt der weltweite Anteil erneuerbarer Energien bei etwa 15 %, wobei die energetische Verwertung von Biomasse deutlich an der Spitze liegt, gefolgt von Wasserkraft und Geothermie, während Wind- und Solarenergie zusammen nur einen Anteil von unter einem Prozent ausmachen. Die folgende Abbildung repräsentiert den weltweiten Stand aus dem Jahr 2004 bezogen auf die gesamte Primärenergieversorgung, d. h. Strom- und Wärmeversorgung sowie Kraftstoffe.

Sonstige 0,5 %

Gezeiten 0,004 % Wind 0,064 %

Anteil verschiedener Energieträger an der weltweiten Primärenergieversorgung im Jahr 2004

Erdöl 34,3 %

Solar 0,039 %

(Quelle: Energy Infor-

Wasserkraft 2,2 %

mation Administration, Annual Energy Review 2006)

Gas 20,9 %

Nuklear 6,5 %

Hinsichtlich des Einsatzes regenerativer Energiequellen gibt es große regionale Unterschiede. In Deutschland liegt der Anteil der regenerativen Energiequellen am Gesamtenergieverbrauch derzeit bei ca. 9 % und damit unter dem weltweiten Durchschnitt, was in erster Linie durch den geringeren Einsatz von Biomasse zur Energieversorgung im Vergleich zu weniger industrialisierten Staaten bedingt ist. Der Trend zur Nutzung regenerativer Energiequellen geht in Deutschland in den letzten Jahren allerdings stark nach oben, insbesondere im Bereich der Stromversorgung. Aufgrund einer sehr dynamischen Entwicklung im Windenergiesektor beträgt deren Anteil an der Gesamtstromversorgung in Deutschland mittlerweile bereits über 5 %.

14

Biomasse 10,4 %

Geothermie 0,41 %

Auch in der Photovoltaik wurden starke Zuwachsraten erzielt, die sich bei einem Gesamtanteil von ca. 0,5 % des Strombedarfs in der Gesamtsumme allerdings noch kaum bemerkbar machen. Von den ehrgeizigen Zielen der Bundesregierung, nach denen in Deutschland bis 2050 etwa die Hälfte des gesamten Energiebedarfs aus erneuerbaren Energien gedeckt werden soll, ist man damit noch weit entfernt. Derartige Zielsetzungen werden sich nur mit neuen Ansätzen und technologischen Durchbrüchen realisieren lassen, die die Wirtschaftlichkeit der Bereitstellung regenerativer Energieträger deutlich erhöhen und signifikante Effizienzpotenziale über die gesamte Wertschöpfungskette im Energiesektor erschließen.

Das Gesamtpotenzial der auf der Erde verfügbaren fossilen Energieträger wird auf ca. 5.500 Mrd. t Erdöläquivalente geschätzt, davon ca. 60 % Kohle, ca. 30 % Erdgas und ca. 10 % Erdöl. Diese Energiemenge reicht prinzipiell aus, um den weltweiten Energiebedarf noch für einige Jahrhunderte zu decken. Zu bedenken ist allerdings, dass ein Großteil der weltweiten Erdöl- und Erdgas-Ressourcen mit konventionellen Methoden nicht wirtschaftlich nutzbar ist. Die statistische Reichweite der Reserven

bereits erschlossener Quellen wird für Erdöl, Erdgas und Uran auf ca. 40 bis 60 Jahre, bei Kohle auf ca. 200 Jahre geschätzt. Diese Zahlen ändern sich fortlaufend entsprechend der Entwicklung des weltweiten Verbrauchs und Fortschritten bei Explorationen und Fördertechnologien. Bei Erdöl wird man jedoch in zunehmenden Maße auf nicht konventionelle Quellen wie Schweröl oder Ölschiefer zurückgreifen müssen, deren Nutzung mit hohen Kosten und Umweltbelastungen verbunden sind.

16% 14,3 % 2005

2006

2007

11,9 % 12% 10,3 % 9,1% 8% 8% 5,4%

6%

6,6%

6,5%

7%

6,6%

Marktanteile Erneuerbarer Energien in Deutschland 2005–2007 (Quelle: Bundesverband Erneuerbare Energien 2008)

3,6%

4%

0% Anteil Bruttostromverbrauch

Anteil Wärmeverbrauch

Anteil Kraftstoffverbrauch

Anteil am GesamtEndenergie-Verbrauch

100 Mrd. Kilowattstunden

8

80

8,9

60

6,4 2,5 4,5 1,3

7,3 5 6,2 2,2

6,6 3

38,5

40 27,2

30,7

20

Wasserkraft Windenergie Photovoltaik Biomasse fest Biogas sonstige Biomasse

Stromversorgung durch regenerative Energiequellen in Deutschland 2005–2007 (Quelle: Bundesverband

21,5

21,6

21,7

2005

2006

2007

Erneuerbare Energien 2008)

0

15

2000

2050

Erdöl

Reserven

(Quelle: Bundesamt

konventionell

43 67

für Geowissenschaften

konventionell + nichtkonv.

Reichweite konventioneller Energieträger in Jahren

und Rohstoffe BGR 2007,

2100

2150

Ressourcen

62

157

www.bgr.bund.de) Reserven: gesicherte Lagerstätten, die nach Stand der Technik wirtschaftlich erschlossen werden können

Erdgas konventionell

64

konventionell + nichtkonv.

64

149 756

Ressourcen: nachgewiesene Lagerstätten, die nach Stand der Technik nicht wirtschaftlich erschlossen

Kohle Hartkohle

1425

207

werden können, bzw. vermutete, nicht genau lokali-

Weichkohle

198

1264

sierte Lagerstätten konventionell: mit etablierter Fördertechnik wirtschaftlich nutzbar

Uran

42

527

nichtkonventionell: erfordert neue Fördertechnologien zur wirtschaftlichen

0

50

100

150

>200

>1000 Jahre

Nutzung

Das Potenzial regenerativer Energiequellen ist ungleich höher. Insbesondere durch direkte Nutzung der Strahlungsenergie der Sonne ließe sich der weltweite Energiebedarf um ein Vielfaches abdecken. Auch Wind- und Gezeitenenergie bieten erhebliche Potenziale. Der davon technisch und wirtschaftlich nutzbare Anteil ist allerdings aus heutiger Sicht verschwindend gering, vor allem aufgrund der geringen Energiedichte und der limitierten Anzahl wirtschaftlich nutzbarer Standorte. Der Energieein-

16

trag der auf die Erdoberfläche auftreffenden Sonnenstrahlung ist beispielsweise in Mitteleuropa auf maximal ca. 1000 Watt je Quadratmeter begrenzt. Weitere Hemmnisse bei der Nutzung regenerativer Energien sind der unstetige Energieeintrag in Abhängigkeit von Umwelteinflüssen, geringe Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung sowie kostenintensive Herstellungsverfahren und Materialien.

Fossile Energieträger Globale Reserven/Ressourcen

Regenerative Energiequellen Globales Energiesparpotenzial/Jahr Globale Potenziale der verfügbaren regenerativen Energiequellen und fossilen Energieträger 1: Angaben bezogen auf den globalen Energieverbrauch von 390 EJ im Jahr 1997, Daten aus M. Fischedick, O. Langniß, J. Nitsch: „Nach dem Ausstieg – Zukunftskurs Erneuer-

348

155

60

1

3 5

20

200

bare Energien“, S. Hirzel

2850

Verlag, 2000 Energiepotenzial/Globaler Jahresenergieverbrauch1

Energiepotenzial/Globaler Jahresenergieverbrauch1

2: Datenquelle: Bundesamt für Geowissen-

Energiepotenzial Technisch nutzbar Energiemenge p. a.2 (Stand der Technik)2

Energiepotenzial Davon konvenReserven/Ressourcen2 tionell nutzbar2 Kohle

~ 135.000 EJ

Solarstrahlung

~ 1.111.500 EJ

~ 1.482 EJ

Erdgas

~ 60.400 EJ

~ 12.000 EJ

Windenergie

~ 78.000 EJ

~ 195 EJ

Erdöl

~ 23.000 EJ

~ 9.800 EJ

Biomasse

~ 7.800 EJ

~ 156 EJ

Erdwärme

~ 1.950 EJ

~ 390 EJ

Hydroenergie (Wasserkraft/Gezeiten)

~ 1.170 EJ

~ 78 EJ

Weltweiter Energiebedarf 2006: ~ 470 EJ

Eine Voraussetzung für einen signifikanten Zuwachs der Energieversorgung durch regenerative Energiequellen sind deutliche Kostensenkungen beispielsweise durch wirtschaftliche Skaleneffekte beim weiteren Ausbau der regenerativen Energien sowie die Entwicklung kostengünstigerer Herstellungsverfahren und Effizienzgewinne durch technologische Innovationen. Langfristig wird sich keine Alternative zu einer optimierten Erschließung der Potenziale regenerativer Energiequellen anbieten.

schaften und Rohstoffe

Insbesondere die Nutzung der Sonnenenergie durch Solarzellen und solarthermische Kraftwerke wird hierbei eine Schlüsselrolle spielen. Langfristige Szenarien prognostizieren, dass bis zum Jahr 2100 die Nutzung der Sonnenenergie über 50 % des weltweiten Energiebedarfes decken wird. Ob sich darüber hinaus weitere Optionen wie beispielsweise für eine technisch und wirtschaftlich realisierbare Nutzung der Kernfusion bieten, ist zum jetzigen Zeitpunkt noch offen.

17

Jährlicher Primärenergieeinsatz [GWh] 1600

Andere

1400

Solarthermie

1200

Solarstrom Wind

1000

Biomasse 800 Wasserkraft 600

Szenario zur Entwicklung des weltweiten Energiebedarfs (Quelle: www.solar-

Kernenergie

400

Gas

200

Kohle

wirtschaft.de)

Öl

0 2000

2010

2020

2030

2040

2050

2100

2.2 Innovationspotenziale entlang der Energie-Wertschöpfungskette Um die weltweite Energieversorgung langfristig sicherzustellen, gilt es, nicht allein die verfügbaren Energiequellen möglichst effizient und umweltschonend zu erschließen, sondern auch die Energieverluste auf dem Weg von der Quelle zum Endverbraucher zu minimieren, die Bereitstellung und Verteilung von Energie für den jeweiligen Anwendungszweck so flexibel und effizient wie möglich zu gestalten und den Energiebedarf in der Industrie und in Privathaushalten zu senken. In jedem Teilbereich der Wertschöpfungskette bestehen Optimierungspotenziale, die durch den Einsatz der Nano-

technologien erschlossen werden könnten. Insgesamt ist die Umsetzung von nanotechnologischen Innovationen gerade im Energiesektor stark von politischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Umfeld- und Rahmenbedingungen abhängig. Welche Technologieentwicklung sich letztlich durchsetzt, wird daher neben der technologischen Machbarkeit vor allem von ökonomischen Zwängen sowie politischen und gesellschaftlichen Vorgaben bestimmt werden.

Maßzahlen für Energieeinheiten Die international anerkannte Maßeinheit für Energie ist das Joule (kg · m2/s2). Im Energiesektor verbreitet sind jedoch auch Angaben als Kilowattstunden, Steinkohle-Einheiten, Erdöläquivalente (TOE) oder im angelsächsischen Raum auch als British thermal unit (Btu).

18

Umrechnungsfaktoren: Kilowattstunde 1 kWh = 3.6 MJ Steinkohle-Einheiten (SKE) = 29,3 MJ Ton of Oil Equivalent (TOE) 1 TOE = 41,87 GJ British thermal unit (Btu) 1 Btu = 1,05506 kJ Vorsilben für Zehnerpotenzen: k (Kilo) = 10 3, M (Mega) = 10 6, G (Giga) = 10 9 T (Tera) = 1012, P (Peta) = 1015, E (Exa) = 1018

Energieversorgungskette Primärenergieerschließung

Energiewandlung

Politik • Gesetzgebung (Erneuerbare Energien, Wärmeschutz, Atomenergie, Wettbewerbsrecht, Immissionsschutz ...) • Steuern, Subventionen (Benzin, Kohle, Bio, Solar ...) • Internationale Klimaschutzvereinbarungen • Forschungsförderung (Solar, Brennstoffzelle, Fusion ...)

Energieverteilung

Energiespeicherung

Wirtschaft • Energie-/Rohstoffpreise • Wettbewerbsstruktur (Kartell-/Monopolbildung) • Firmeninvestitionen/-abschreibungen • Kapitalmarkt (VC, Leitzinsniveau) • Konjunkturentwicklung

Energienutzung

Umwelt/Gesellschaft • Klimawandel • Schutz von Ökosystemen • Luftreinhaltung/ Strahlenschutz • Gesellschaftliche Technikakzeptanz • Beschäftigungsentwicklung

Wertschöpfungskette und Umfeld-/ Rahmenbedingungen im Energiesektor

Umfeld- / Rahmenbedingungen

2.2.1 Erschließung von Primärenergiequellen Photovoltaik Der Weltmarkt für Solarenergie wird auf ca. 16 Mrd. $ in 2007 geschätzt und wird bis 2010 voraussichtlich ein Volumen von 30 Mrd. $ erreichen (Quelle CSLA). In den letzten Jahren wurden zweistellige Zuwachsraten im boomenden Photovoltaikmarkt insbesondere in Japan, Deutschland und den USA erzielt, die voraussichtlich auch in den nächsten Jahren fortgesetzt werden. Studien der Deutschen Shell sowie von der European Photovoltaic Industry Association (EPIA) und Greenpeace gehen davon aus, dass die Solartechnik in zwei bis drei Jahrzehnten bereits 20 % bis 30 % der weltweit benötigten Energie liefern kann.

In Deutschland sind in der Solarbranche ca. 50.000 Menschen beschäftigt und rund 150 Unternehmen aktiv, die einen Umsatz von ca. 4 Mrd. Euro erzielten (Quelle: Bundesverband Solarwirtschaft). Unabhängig von diesen beeindruckenden Zahlen ist die Herstellung von Solarstrom derzeit wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig. Aufgrund hoher Materialkosten sowie noch zu geringer Stückzahlen von Komponenten bzw. Montageelementen für Solarmodule sind die Herstellungskosten von Solarstrom in Deutschland mehr als dreimal so hoch als bei konventionellen Kraftwerken.

19

30

Weltmarkt in Mrd. $

30

24

25 Links: Weltmarkt Solarenergie (Quelle:

19

20

Cadmiumtellurid 2,7 % amorphes Silizium 4,7 %

SiliziumbandMaterialien 2,6 %

multikristallines Silizium 46,5 %

CLSA-Studie „Solar

16

Power“ 07/2004)

15

13

monokristallines Silizium 49,4 %

10

10 7 Rechts: Marktanteile verschiedener Solar-

Kupfer/ Indium/ Diselenid 0,2 %

5

zellen-Typen weltweit im Jahr 2006 (Quelle: Photon International

0 2004 2005 2006

2007 2008 2009 2010

März 2007)

Einen breiten wirtschaftlichen Durchbruch wird die Photovoltaik unabhängig von staatlichen Subventionsmaßnahmen erst dann erzielen, wenn es gelingt, große Flächen kostengünstig mit Solarzellen auszurüsten. Gefragt sind hier nicht nur Effizienzsteigerungen bei der Energiewandlung, sondern in erster Linie auch kostengünstigere Materialien und Herstellungsverfahren, die durch Anwendungen der Nanotechnologien ermöglicht werden könnten.

Das im Juni 2007 ans Netz gegangene

Die netzferne Stromversorgung durch

64-Megawatt-Parabolrinnenkraftwerk

Solaranlagen ist insbesondere in struk-

„Nevada Solar One“ im US-Bundesstaat

turschwachen Gebieten, wie beispiels-

Nevada liefert jährlich etwa 129 Millio-

weise in einigen Regionen Indonesiens,

nen Kilowattstunden (kWh) Solarstrom

profitabel einsetzbar

(Quelle: Schott)

(Quelle: Schott)

20

Bei der heute marktbeherrschenden Technologie, die mono- bzw. multikristalline Siliziumscheiben verwendet, ist eine Kostenreduktion durch technologische Verbesserungen und Massenproduktion kaum realisierbar. Haupthemmnis ist hier der hohe Rohstoffpreis des eingesetzten hochreinen kristallinen Roh-Siliziums, der aufgrund von Produktionsengpässen seit 2004 um 500 % angestiegen ist. Aussichtsreiche Marktpotenziale werden sich daher mittel- bis langfristig durch die Weiterentwicklung alternativer Zelltypen wie Dünnschichtsolarzellen (u. a. aus Silizium oder anderen Materialsystemen, wie Kupfer/Indium/Selen), Farbstoffsolarzellen oder polymere Solarzellen ergeben.

Solarzellenyp

Wafer-basierte Zellen

Dünnschichtzellen

Elektrochemische Zellen

Organische Zellen Prinzipieller Aufbau und Effizienz derzeitiger Solarzellentypen (Quelle: HMI: Ergeb-

Aufbau

nisse des Workshops „Nanotechnologie für eine nachhaltige Energieversorgung“,

Materialien

kristallines Silizium

amorphes Silizium Farbstoffsolarzelle, nanoporöses CIGS Titandioxid Cadmiumtellurid

Fullerene (C60) konjugierte Polymere

29.–30.11.2007, Berlin). Weiterführende Informationen zum Thema Solarzellentypen:

Effizienz (Stand der Technik)

www.fv-sonnenenergie

25 %

19 %

10 %

5%

.de/forschung/ forschungsthemen/ photovoltaik

Nanotechnologie-Unternehmen im Bereich der Material- und Modulherstellung können hier einen erheblichen Teil der Wertschöpfung konventioneller Siliziumzellen substituieren bzw. durch drastische Kostensenkungen auch zusätzliche Marktpotenziale erschließen. Insbesondere polymeren Solarzellen wird aufgrund der preisgünstigen Materialien und Herstellungsverfahren sowie der flexiblen Formgebung ein hohes Potenzial insbesondere bei der Versorgung mobiler Elektronikgeräte zugesprochen. Weitere Anwendungspotenziale bieten sich für autarke und mobile produktintegrierte Applikationen in der Verkehrsleit-, Sicherheits- und Telekommunikationstechnik sowie an netzfernen Standorten in Entwicklungs- und Schwellenländern für Standorte mit hoher Sonneneinstrahlung. Mittelfristige Entwicklungsziele bei polymeren Solarzellen sind ein Wirkungsgrad von ca. 10 % und eine Lebensdauer von einigen Jahren, für die allerdings noch grundlegende Fortschritte im Verständnis der Funktionsweise und des Einflusses der Nanomorpholo-

gie der organischen Halbleiter erzielt werden müssen. Ebenfalls erforderlich sind neue Konzepte, um kostengünstige Elektrodenmaterialien und eine effiziente Verkapselung der Zellen zu erreichen, die wichtige Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Herstellung in der Massenfertigung darstellen. Nanotechnologien tragen auch zur Optimierung herkömmlicher kristalliner Silizium-Solarzellen bei, die den Photovoltaikmarkt mit einem Marktanteil von 90 % dominieren. Hier lassen sich Effizienzsteigerungen beispielsweise durch nanostrukurierte Antireflexschichten erzielen, die für eine höhere Lichtausbeute sorgen. Derartige Antireflexgläser werden bereits kommerziell vermarktet und weisen starke Wachstumsraten für Anwendungen auch in der Solarthermie auf.

21

Offshore-Windpark in Schweden (Quelle: Siemens)

Windenergie

Prognose der Entwicklung des globalen Windenergiemarktes (Datenquelle: BTM consult März 2007)

22

Der Weltmarkt der Windenenergie wird auf ca. 27 Mrd. $ geschätzt. In den nächsten Jahren werden weiterhin zweistellige Wachstumsraten prognostiziert. Die Windenergie hat sich als bedeutender Wirtschaftszweig in Deutschland mit ca. 64.000 Arbeitsplätzen und rund fünf Milliarden Euro Umsatz etabliert. Nach Berechnungen des Deutschen Windenergieinstituts kommen weltweit über 50 Prozent aller Windkraftanlagen und ihrer Bauteile aus Deutschland. Die Windenergie ist in Deutschland bereits heute wirtschaftlich konkurrenzfähig, d. h. die Stromerzeugungskosten liegen in gleicher Größenordnung wie bei konventionellen Kraftwerken. Das Bundesumweltministerium geht davon aus, dass spätestens 2015 Windstrom auch an der Strombörse billiger zu haben ist als Strom aus herkömmlicher Erzeugung. Für einen weiteren Ausbau der Windenergie in Deutschland stellt sich in Zukunft eher das Problem der Auswahl geeigneter Standorte, die sich tendenziell verstärkt in den off-shore Bereich verlagern werden, wobei noch prinzipielle Probleme beispielsweise hinsichtlich der Wartung gelöst werden müssen.

Nanotechnologien können wesentlich zur Optimierung der Windenergienutzung beitragen, u. a. durch hochfeste Leichtbaumaterialien für Rotorblätter auf Basis von Nano-Kompositen, Leichtlauf- und Verschleißschutzschichten von Lagern und Getrieben, leitfähige Nanomaterialien für einen verbesserten Blitzschlagschutz oder nanooptimierte Energiespeicher, die eine wirtschaftlichere Einspeisung von Windenergie in das Stromnetz ermöglichen.

60.000 50.000

onshore offshore

40.000 30.000 20.000 10.000 0

2006 2007 2008 2009 2010 2011

Welt Europa

60.000

30.000

Deutschland Windstromerzeugung Deutschland

40.000

20.000

10.000

20.000

0

0 1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

In Deutschland erzeugte Windstrommenge

Installierte Windenergieleistung

40.000 [GWh]

80.000 [MW]

Entwicklung der installierten Windenergieleistung in Deutschland, Europa und der Welt (Quelle: ISET 2007, Daten von BTM consult, windpower monthly, IWR, ISET, BWE, WWEA)

Biomasse Biomasse ist mit einem Anteil von ca. 10 % weltweit an der Energieversorgung derzeit der bedeutendste regenerative Energieträger, wobei es sehr starke regionale Unterschiede in der Nutzung gibt. Biomasse dient zum einen der Strom- und Wärmeerzeugung und zum anderen auch der Bereitstellung von Kraftstoffen. Der Anteil von Biokraftstoffen beträgt derzeit allerdings erst ca. 1 % des globalen Kraftstoffmarktes, wobei Bioethanol den bedeutendsten Biotreibstoff bei einem Produktionsvolumen von rund 40 Mio. t in 2006 darstellt. Der weltweit bedeutendste Produzent ist derzeit Brasilien. Brasilien steht jedoch in der Kritik, Regenwald für Zuckerrohrplantagen, die für die Bioethanol-Produktion genutzt werden, zu opfern. In Europa ist die Produktion von Biokraftstoffen wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig. Dennoch ist deren Produktion in Deutschland und in Europa in den letzten Jahren aufgrund politischer Vorgaben und einer hohen Subventionierung stark angestiegen. Eine wettbewerbsfähigere Variante der Biomasse-Nutzung ist die biogene Prozessenergiegewinnung aus Biogas.

Die energetische Nutzung von Biomasse speziell von Biokraftstoffen ist klimapolitisch allerdings nicht unumstritten, da sie mit einem hohen Flächenverbrauch verbunden ist und in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion steht. Für die Zukunft sind daher alternative Rohstoffquellen gefragt wie Algen, Hausabfälle, Papier oder lignocellulosehaltige landwirtschaftliche Restprodukte wie Stroh oder Heu, um im großen Maßstab Biokraftstoffe der zweiten Generation herzustellen. Hierzu sind allerdings noch grundlegende Verfahrensinnovationen zu bewältigen. Nanotechnologien können Optimierungsbeiträge zur energetischen Biomasseverwertung beispielsweise bei der Entwicklung neuer Umwandlungsverfahren (Katalysatoren, Prozesstechnik und Sensorik) sowie auch bei einem nanooptimierten Anbau von Biorohstoffen (z. B. effizienter Düngemittel- und Pestizideinsatz durch Nanoverkapselung sowie Nano-Sensorik) beitragen.

23

Solarthermie Die Solarthermie wird bei der Nutzung von Sonnenenergie in Zukunft eine wachsende Rolle spielen, da mit ihr sowohl Strom als auch Wärme relativ kostengünstig bereitgestellt werden können. Die solarthermische Wärmeversorgung in Gebäuden erfolgt dezentral durch dachmontierte Sonnenkollektoren, die die Sonnenenergie mit Wirkungsgraden von ca. 60–70 % in Wärme umwandeln. Solarthermie kann aber auch im industriellen Maßstab zur Stromerzeugung in Solarkraftwerken genutzt werden. Hierbei erfolgt eine Konzentrierung der Sonnenenergie z. B. in Parabolrinnenkraftwerken, die anschließend zur Dampferzeugung und anschließender Stromgenerierung genutzt wird. Im Vergleich zur photovoltaischen Stromerzeugung sind solarthermische Kraftwerke derzeit wesentlich wirtschaftlicher und sollen in ca. 5 bis 10 Jahren an Standorten in Südeuropa gegenüber Strom aus fossilen Energieträgern konkurrenzfähig sein. Derzeit wird das weltweit größte solarthermische Parabolrinnen-Kraftwerk mit einer Leistung von 50 MW unter deutscher Federführung in Spanien errichtet.

Denkbar sind auch Aufwindkraftwerke, die thermische Luftströmungen durch aufgeheizte Luftschichten zur Stromerzeugung nutzen. Der Einfluss der Nanotechnologien wird sich in diesen Bereichen auf einzelne Komponenten und optimierte Materialien bemerkbar machen (z. B. Antireflexschichten für einen optimierten Energieeintrag, optimierte Phasenwechsel-Speicher und Wärmetauscher oder Carbidbeschichtungen von Kollektoren, die die Energieabsorption sowie die thermische und mechanische Stabilität verbessern).

Receiver in solarthermischen Parabolrinnen-Kraftwerken (Quelle: Schott)

Prinzip eines solar-

Unterstützung (z. B. Gas)

thermischen Parabolrinnenkraftwerkes. Im Inneren von Vakuumröhren wird ein

Dampfkraftwerk

Wärmeträger durch Konzentration von Sonnenstrahlen mittels beweglicher Parabolspiegel auf fast 400 °C erwärmt. Die so gewonnene Wärme produziert den Dampf für ein nachgeschaltetes Dampfkraftwerk. (Quelle: EECH AG)

24

Wärmeträger

Dampf

Netz

Weltgrößte Gasturbine mit einer Leistung von 340 MW, die in einem Ende 2007 in Testbetrieb genommenen Kraftwerk am Standort Irsching installiert wird. Der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes wird mit ca. 60 % angegeben. (Quelle: Siemens)

Geothermie

2.2.2 Energiewandlung

Die Geothermie ist eine langfristig nutzbare Energiequelle, deren Vorräte rechnerisch den weltweiten Energiebedarf um ein Mehrfaches abdecken könnten. Bei der Geothermie gibt es die Möglichkeit der dezentralen direkten Nutzung der Wärme oder der Umwandlung in Strom in Geothermiekraftwerken. Aus der Sicht der Optimierung von Wirkungsgraden sind auch hier Kraft-Wärme-Kopplungen (KWK) optimal.

Im Bereich der Energiewandlung bieten sich Innovationspotenziale in erster Linie durch Verbesserung der Umwandlungseffizienz beispielsweise bei der Erzeugung von Strom aus fossilen Energieträgern durch Turbinen oder Brennstoffzellen, bei Verbrennungs- und Elektromotoren, der thermoelektrischen Energiewandlung sowie der Erzeugung und Umwandlung chemischer Energieträger. Neben der Erzeugung von Strom und Wärme durch stationäre Großkraftwerke werden in Zukunft dezentrale und mobil einsetzbare Energiewandler wie Brennstoffzellen oder Thermoelektrika eine wachsende Rolle spielen.

In Deutschland können wirtschaftlich nutzbare Erdwärmevorkommen oftmals aber nur durch Tiefenbohrungen in Bereiche von mehr als 2 km Tiefe erschlossen werden. Nanotechnologische Anwendungspotenziale liegen hier beispielsweise in einem verbesserten Verschleißschutz für geothermische Bohrsonden, die bei Tiefenbohrungen extremen Belastungen ausgesetzt sind, durch nanostrukturierte Hartschicht-Systeme. Ebenfalls energetisch günstig sind kombinierte Nutzungen mit Wärmepumpen oder der Solarthermie. Hierbei werden oberflächenahe Wärmereservoirs (ca. 14 oC in 100 m Tiefe) im Winter zum Heizen genutzt und beim Kühlen im Sommer wieder regeneriert. Mehr Infos: www.energieland-hessen.de

Die Umwandlung fossiler Energieträger in Strom, Wärme und Bewegungsenergie bildet das Rückgrat der heutigen Energieversorgung. Zur Einsparung von Ressourcen sowie einer Verringerung von CO2Emissionen sind möglichst effiziente Umwandlungsprozesse gefragt. Optimierungspotenziale gibt es insbesondere bei kohlebefeuerten Kraftwerken, die weltweit einen hohen Anteil an der Stromerzeugung haben. Weltweit haben die in Betrieb befindlichen Steinkohlekraftwerke nur einen Wirkungsgrad von im Mittel rd. 30 %, während neue Anlagen Wirkungsgrade von mehr als 45 % aufweisen. GasturbinenKraftwerke erreichen schon heute Wirkungsgrade von annähernd 60 %. Allein durch einen vollständigen Ersatz der weltweit in Betrieb befindlichen Steinkohlekraftwerke durch moderne Anlagen ließe sich eine Minderung der CO2-Emissionen aus der Steinkohleverstromung um 35 % erreichen.

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Rotor und Verbrennungskammer einer Gasturbine. Durch hitzeresistentere Werkstoffe lassen sich die Betriebstemperaturen und damit der Wirkungsgrad von Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken weiter erhöhen. (Quelle: Siemens)

Brennstoffzellen Optimierungen durch eine weitere Anhebung des Kraftwerkswirkungsgrades erfordern bei grundsätzlicher Beibehaltung des Kraftwerksprozesses höhere Arbeitstemperaturen. Hierfür müssen neue Werkstoffe mit extremer Hitzebeständigkeit beispielsweise auf Basis von Nanomaterialien entwickelt werden. Verbesserungen lassen sich u. a. durch optimierte thermische Barriereschichten für Turbinenwerkstoffe erzielen, die auf nanoskaligen Gradientenschichten basieren. Ein Entwicklungsziel für die nächsten 10 Jahre liegt darin, die zulässigen Heißgastemperaturen in Gasturbinen auf über 1600° C anzuheben und damit den Wirkungsgrad des Kraftwerkes auf deutlich über 60 % zu steigern (ohne Kraft-WärmeKoplung). Auch Leichtbaumaterialien wie Titanaluminide lassen sich mit Nano-Hitzeschutz für effizientere Turbinen in Flugzeugtriebwerken nutzen.

1 D. Goldschmidt: „Neue Werkstoffe für effiziente Kraftwerke“, Beitrag Siemens Power Generation WING Konferenz 22.– 24.10.2007, Berlin

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Weitere Potenziale zur Minderung des CO2-Ausstoßes bieten sich durch Verfahren der Abscheidung und Ablagerung von Kohlendioxid in unterirdischen Speichern. Die Abscheidungstechnologien sind bei einer CO2-Rückhaltung von 85 –100 % jedoch je nach Prozesstyp mit Verlusten des Gesamtwirkungsgrades von ca. 10 % verbunden.1 In Deutschland wird derzeit die weltweit erste Pilotanlage für ein CO2-freies Braunkohlekraftwerk nach dem so genannten Oxyfuel-Verfahren gebaut, das 2008 fertiggestellt werden soll. Nano-optimierte Membranen zur Gasseparation können die Abtrennung des CO2 effizienter gestalten.

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie eines Energieträgers mit hohem Wirkungsgrad direkt in elektrischen Strom um. Neben reinem Wasserstoff können auch Erdgas, Methanol, Benzin oder Biogas für den Betrieb der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Aus diesen Brennstoffen wird in einem Reformierungs-Prozess, möglichst „on-board“, der notwendige Wasserstoff gewonnen. Das potenzielle Einsatzspektrum der Brennstoffzelle reicht von der Stromversorgung von Handys oder Laptops über den Antrieb von Elektroautos und der Wärme- und Stromversorgung von Häusern bis zum Kleinkraftwerk. Ein wichtiges Einsatzfeld ist auch die Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), zum Beispiel im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik oder bei „Premium-Anwendungen“. Je nach Anwendungsfeld werden unterschiedliche Brennstoffzellentypen mit Arbeitstemperaturen von Raumtemperatur bis zu 1000° C eingesetzt, die auf unterschiedlichen Materialsystemen basieren. Hierbei sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) oder SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) besonders attraktiv, da hiermit Kraft-Wärme gekoppelte (KWK) Systeme mit hohem Gesamtwirkungsgrad realisiert werden können. Diese Brennstoffzellen sind mit der bestehenden Versorgungsinfrastruktur kompatibel, befinden sich bereits an der Schwelle zur breiten kommerziellen Umsetzung und könnten somit einen signifikanten Beitrag zur Energie-Effizienzsteigerung leisten.

Thermoelektrik Hohe Potenziale bestehen auch in mobilen Anwendungsbereichen. Für eine breite Anwendung im Automobil fehlt es derzeit noch an einer adäquaten Infrastruktur wie beispielsweise ein Tankstellennetz für Wasserstoff, Methanol oder Erdgas sowie an einer technischen und wirtschaftlichen Konkurrenzfähigkeit im Vergleich zu Verbrennungsmotoren. Kurzfristiger auch in der Breite umsetzbar erscheint der Einsatz miniaturisierter Brennstoffzellen für den Betrieb mobiler Elektronikgeräte, die beispielsweise mit Methanol betrieben werden können, aber bislang noch keine Serienanwendung gefunden haben. Innovationspotenziale bei Brennstoffzellen ergeben sich durch die Nanotechnologien vor allem durch eine erhöhte Stromausbeute bei der Konversion chemischer Energie insbesondere durch nanostrukturierte Elektroden, Katalysatoren und Membranen. Am Standort Frankfurt-Höchst entwickelt die BASF Sparte Fuel Cell (früher PEMEAS) sicherere und kosteneffizientere Hochtemperatur-Membranbrennstoffzellen auf Basis so genannter MembranElektrodeneinheiten, die feste, nicht-extrahierbare Polymerelektrolyten an Stelle von Phosphorsäure dotierten Polymermembranen verwenden.

Die Thermoelektrik kann genutzt werden, um Wärme unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Der SeebeckEffekt beschreibt die Entstehung von elektrischen Spannungen zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters mit unterschiedlicher Temperatur. Je größer der Temperaturunterschied, umso mehr Energie lässt sich durch thermoelektrische Generatoren gewinnen. Gewünschte Materialeigenschaften bei der Thermoelektrik sind eine geringe Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit, die sich direkt auf die durch die dimensionslose Kennzahl ZT („Figure of Merit“) bestimmte thermoelektrische Effizienz auswirken. Als Materialien werden halbleitende Festkörper-Verbindungen verwendet, konventionell beispielsweise Silizium/Germanium-Legierungen, die bei einem Temperaturgradienten von 700°C einen Wirkungsgrad zwischen 5 und 10 % erreichen und damit allenfalls in Nischenanwendungen wirtschaftlich einsetzbar sind. Innovationen aus der Nanotechnologie könnten der Thermoelektrik durch deutlich verbesserte Wirkungsgrade, die in aktuellen Forschungsarbeiten demonstriert werden konnten, zu einem neuen Schub verhelfen. Durch nanostrukturierte Halbleiter mit optimiertem Grenzflächendesign können Effizienzgewinne realisiert werden, die den Weg für einen breiten Einsatz bei der Nutzung der Abwärme beispielsweise im Automobil oder auch der menschlichen Körperwärme für tragbare Elektronik in Textilien bereiten könnten (vgl. Abschnitt 3.2).

Links oben: Prinzipskizze einer Brennstoffzelle. Gasförmiger Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiger Brennstoff wird an einer Elektrolyt/Elektrodeneinheit mit Luftsauerstoff unter Gewinnung von Strom elektrochemisch zu Wasser umgewandelt. Links unten: Prototyp einer Haus-Energiezentrale auf Basis einer PEM-Brennstoffzelle, die ab 2010 auf den Markt kommen und die Grundlasten des Strom- und Wärmebedarfs eines Einfamilienhauses decken soll. Entwicklungsziele sind eine elektrische Leistung von 2 Kilowatt und eine Heizleistung von 3,5 Kilowatt. Der elektrische Wirkungsgrad soll bei mehr als 32 % liegen, der Gesamtwirkungsgrad bei mindestens 87 %. (Quelle: Viessmann)

Schematischer Aufbau eines thermoelektrischen Energiewandlers durch Nutzung

Wärmequelle

des Seebeck-Effektes. Im n-dotierten Mate-

p

rial werden im war-

n

men Bereich mehr Elektronen vom Valenz- ins Leitungs-

Wärmesenke

band gehoben und stehen als Ladungsträger zur Verfügung;

Us RL

entsprechend stehen

I

bei einem p-dotierten Material mehr Elektronenlöcher zur Verfügung. Durch diesen Potenzialunterschied wird ein elektrischer Stromfluss generiert.

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Verbrennungs- und Elektromotoren

Erzeugung chemischer Energieträger

Der motorisierte Individualverkehr verursacht einen erheblichen Teil des weltweiten Energieverbrauches. Durch eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades bei Verbrennungsmotoren lassen sich daher potenziell erhebliche Energiemengen einsparen. Nanotechnologien können Lösungsbeiträge liefern beispielsweise durch Verschleißschutzschichten von Motorkomponenten oder Dieselinjektoren, die höhere Einspritzdrucke und damit eine bessere Energieausbeute ermöglichen (vgl. Broschüre Nanotechnologien im Automobilbau). In Erprobung sind nanopartikuläre Dieselzusätze aus Ceroxid, die die Verbrennung in Dieselmotoren optimieren und Kraftstoffeinsparungen von 5 –10 % ermöglichen sollen. Langfristig könnte auch die Entwicklung von Elektromotoren von Nanotechnologie-Entwicklungen profitieren. Nanostrukturen liefern hier den Schlüssel zur weiteren Optimierung der Supraleitertechnik. Materialverbesserungen bei den Hochtemperatursupraleitern werden deutlich höhere Leistungsdichten und damit hocheffiziente und leistungsstarke Elektromotoren bzw. Generatoren ermöglichen. Einsatzgebiete sind beispielsweise Schiffsantriebe (langfristig sind auch Flugzeugantriebe denkbar) oder Generatoren zur Stromerzeugung angekoppelt an Gasturbinen oder Schiffsaggregate.

Für die Speicherung großer Mengen Energie sind auf absehbare Zeit chemische Energiespeicher unabdingbar, die die Versorgungssicherheit auch bei einer jahreszeitlich stark schwankenden Nachfrage sicherstellen können. Derzeit basiert die stoffliche Speicherung von Energie weitgehend auf den fossilen Energiequellen Kohle, Öl oder Gas. Für deren Gewinnung aus den Lagerstätten sind u. a. hochbelastbare Bohrsonden und Förderanlagen erforderlich, deren Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit durch Nanomaterialien und Nanoschichten verbessert werden kann. Für die Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus fossilen Energiequellen werden nanostrukturierte Katalysatoren wie Zeolithe bei der Erdölraffination eingesetzt. Weiterhin bestehen Potenziale, mit Hilfe verbesserter Katalysatoren die Kohleverflüssigung zur Kraftstoffgewinnung wirtschaftlich konkurrenzfähig zu gestalten.

Elektromotoren auf Basis von HochtemperaturSupraleitern für den Einsatz in Schiffen. Die Supraleiter der Rotorwicklungen tragen eine Stromdichte, die 100-mal so groß ist wie in herkömmlichen Kupferwicklungen. Dadurch sind deutliche Einsparungen an Masse und Volumen möglich und der Wirkungsgrad steigt, da im Supraleiter keine elektrischen Verluste anfallen. Im Vergleich zu Dieselmotoren sind Elektromotoren deutlich leiser und vor allem bei stark schwankenden Leistungsanforderungen, z. B. bei Kreuzfahrtschiffen und Yachten mit vielen Anlegemanövern, von Vorteil. (Quelle: Siemens)

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Wasserstoff-angetriebenes F-Cell-Fahrzeug von Daimler auf dem Frankfurter Flughafen (Quelle: Fraport AG)

Langfristig werden große Hoffnungen in Wasserstoff als aussichtsreichen Energieträger für eine umweltfreundliche Energieversorgung gesetzt, da er unbegrenzt verfügbar ist und keine Schadstoffe bei der Umwandlung entstehen. Bei einer ökonomischen und ökologischen Bewertung der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger sind jedoch die erheblichen Energieverluste zu berücksichtigen, die bei der Umwandlungskette von der Herstellung über Transport und Speicherung bis zur Nutzung auftreten, sowie die erforderlichen massiven Investitionen in eine neue Versorgungsinfrastruktur. Derzeit werden verschiedene Pilotprojekte zum Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur initiiert, für deren Aufbau sich insbesondere Automobilkonzerne und Gasversorger engagieren. Aktuell sind bereits ca. 300 Wasserstofftankstellen in Betrieb bzw. geplant, vor allem in den USA, Europa und Japan (siehe www.h2stations.org). Der US-Bundesstaat Kalifornien plant bis zum Jahr 2010 einen „Hydrogen-Highway“ mit rund 200 Versorgungsstationen. Im Industriepark Frankfurt-Höchst wurde bereits im November 2006 eine Wasserstofftankstelle eröffnet, die sich einer vorhandenen großen Wasserstoffquelle (30 Mio. m3/Jahr) bedient. Dieser Wasserstoff fällt als Nebenprodukt in der chemischen Produktion an und wird über eine ca. 1,7 km lange Pipeline zur Tankstelle geleitet. Der Wasserstoff wird sowohl flüssig, d. h. tiefkalt bei –253 °C, als auch gasförmig mit 350 und 700 bar von den Kraftfahrzeugen getankt werden können (siehe www.zeroregio.de).

Nach einer Studie von Linde könnten in Europa bis 2020 bereits etwa 6 Millionen Wasserstofffahrzeuge über die Straßen rollen. Dies würde Milliarden-Investitionen für die Wasserstoffherstellung (durch Elektrolyseanlagen oder Reformer) sowie im infrastrukturellen Bereich notwendig machen und ist stark abhängig von der Entwicklung der politischen Rahmenbedingungen. Als Grundvoraussetzungen für eine breite Nutzung von Wasserstoff sind jedoch die kostengünstige Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen sowie Technologien zur effizienten Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff zu nennen. Nanotechnologien könnten hierbei sowohl zu Effizienzgewinnen bei der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff als auch zur Etablierung alternativer Verfahren beitragen, wie z. B. der Wasserstofferzeugung in Bioreaktoren oder photoelektrolytische H2Erzeugung (vgl. Abschnitt 3.2).

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2.2.3 Energiespeicherung

Elektrische Energiespeicher

Energiespeicher sind an verschiedenen Stellen der Versorgungskette von der Energiewandlung zum Endverbraucher unentbehrlich. Relevant ist vor allem die Speicherung von Strom als universellstem Energieträger, der entweder als elektrische Energie oder in Form anderer Energiearten wie chemischer Energie (z. B. Wasserstoffspeicher) oder mechanischer Energie (Druck- und Pumpspeicher) reversibel gespeichert wird. Daneben spielt auch die Speicherung von Wärmeenergie vor allem bei der Wärmeversorgung in Gebäuden eine wichtige Rolle.

Das wichtigste Anwendungsfeld elektrischer Energiespeicher ist die Versorgung mobiler Elektronikgeräte und zukünftig auch immer häufiger von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Hier sind elektrochemische Speicher (Batterien, Akkus, Superkondensatoren) vorteilhaft, die im Vergleich zu anderen Stromspeichern höhere Wirkungsgrade, Energieund Leistungsdichten besitzen. Bezüglich der Anforderungen an elektrische Energiespeicher in den verschiedenen Anwendungen gilt es eine Vielzahl von Kriterien zu optimieren, wie u. a. Energie- und Leistungsdichte, Lebensdauer, Ansprechzeit, Betriebstemperaturbereich, Sicherheit und Wirkungsgrad. Viele dieser Leistungsmerkmale lassen sich durch den Einsatz von Nanotechnologien optimieren. Ein Beispiel sind Lithium-Ionen-Batterien, die aufgrund einer herausragenden Energie- und Leistungsdichte als eine der zukunftsträchtigsten Varianten der Stromspeicherung gelten. Einsatzpotenziale bieten sich für Elektrofahrzeuge aber auch als Stromspeicher in Windfarmen, um für einen Ausgleich zwischen der schwankenden Stromerzeugung und der Stromnachfrage zu sorgen. Zukünftig könnte auch eine mit Lithium-Batterien ausgerüstete Elektrofahrzeugflotte als Möglichkeit der Energiespeicherung eingesetzt werden, die überschüssigen Strom aus dem Netz aufnimmt und bei Bedarf auch wieder zurückspeisen könnte. Durch Nanotechnologien können die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, aber auch anderer Batterietypen wie Nickelhydridakkus wesentlich verbessert werden (vgl. Abschnitt 3.3).

Pump- und Druckspeicher Für die Speicherung großer Mengen elektrischer Energie in Stromnetzen werden konventionell Pumpspeicherkraftwerke eingesetzt, die bei Stromüberschuss Wasser in einen hochgelegene Speichersee pumpen, das bei Bedarf abgelassen und zur Stromerzeugung durch Turbinen genutzt wird. So können größere Mengen Energie mit einem Wirkungsgrad von ca. 80 % gespeichert und als Strom zur Abdeckung von Lastspitzen relativ kurzfristig ins Netz zurück gespeist werden. Durch die wachsende Zahl regenerativer Energiequellen mit unstetigem, fluktuierendem Stromanfall steigen die Anforderungen an Stromspeicher im Versorgernetz, die bisher überwiegend zur Ausnutzung von Preisdifferenzen zwischen Schwachlastzeiten und Hochlastzeiten ausgenutzt wurden und Spitzenlasten auch ohne maximalen Kapazitätsausbau der Netze abdecken konnten. Zum Ausgleich der Leistungsschwankungen von Wind- und Sonnenenergie-Anlagen sind Pumpspeicher nur bedingt geeignet, da sie in der Regel zu weit von den Einspeisungsquellen entfernt sind (insbesondere bei der Windenergie) und ein weiterer Ausbau aufgrund des hohen Landschaftsverbrauchs auch aus ökologischen Gründen fragwürdig ist. Für den wachsenden Bedarf an effizienten Stromspeichern werden daher andere Speicherformen wie Druckluftspeicher benötigt, die durch elektrische Verdichter Luft in unterirdische Kammern pressen und bei Bedarf durch Gasturbinen Strom zurück gewinnen können. Nachteilig bei dieser Technologie ist der relativ niedrige Wirkungsgrad von derzeit ca. 55 %, der sich aber durch Rückgewinnung der bei der Luftkompression entstehenden Wärme auf ca. 70 % steigern lassen könnte. Als Alternativen insbesondere für die dezentrale Energiespeicherung werden auch elektrische Energiespeicher wie Lithium-Ionen-Batterien in Betracht gezogen. Prinzipieller Aufbau von LithiumIonen-Batterien (Quelle: Evonik)

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Separator Negative Elektrode Separator Positive Elektrode

Speicherung chemischer Energieträger In einem zukünftigen Energiesystem werden aus regenerativen Quellen gewonnene chemische Energieträger, insbesondere Wasserstoff, eine zunehmende Rolle spielen. Neben notwendigen infrastrukturellen Anpassungen wird eine effiziente Speicherung von Wasserstoff als einer der kritischen Erfolgsfaktoren auf dem Weg in eine mögliche Wasserstoffwirtschaft gesehen. Neben den klassischen Hochdruck- oder Flüssiggasspeichern setzt die Industrie insbesondere chemische H2-Speicher aus Metall-Hydrid-Verbindungen ein. Die derzeit verfügbaren Speicherverfahren weisen jedoch einige Nachteile auf, die einem breiten wirtschaftlichen Einsatz entgegenstehen. Hochdruckspeicher sind sehr schwer, Flüssiggasspeicher sind teuer, da sie aufwändig isoliert werden müssen, um die Verluste durch Abdampfen des Wasserstoffs möglichst gering zu halten. Metall-Hydrid-Speicher sind ebenfalls mit hohen Kosten verbunden und relativ schwer. Weiterhin entsprechen die derzeitigen Materialien zur chemischen Speicherung nicht den Anforderungen, wie sie beispielsweise von der Automobilindustrie mit bis zu zehn Gewichtsprozenten H2-Speicherkapazität gefordert werden. Verschiedene Nanomaterialien u. a. auf Basis nanoporöser metallorganischer Verbindungen bieten hier Entwicklungspotenziale, die zumindest für den Betrieb von Brennstoffzellen in mobilen Elektronikgeräten wirtschaftlich umsetzbar erscheinen. Auch die Speicherung kohlenwasser-

stoffbasierter Kraftstoffe wie Benzin kann mit Hilfe der Nanotechnologien optimiert werden. Durch nanostrukturierte Füllstoffe in Polymeren können beispielsweise die Diffusionsdichtigkeit von Kunststofftanks und -leitungen erhöht und damit unerwünschte Emissionen und Kraftstoffverluste reduziert werden. Wärmespeicher Wärmespeicher spielen bei der Gebäudeheizung durch solarthermische Kollektoren eine wichtige Rolle. Um den solaren Anteil an der jährlichen Nutzwärme zu erhöhen, sind Wärmespeicher mit hoher Kapazität erforderlich, die die in den Sommermonaten gespeicherte Solarwärme im Winter verfügbar machen. Ein anderes Konzept basiert auf Adsorptionsspeichern wie z. B. Zeolithen, die beim Zuführen von Wärme austrocknen und durch das Durchleiten feuchter Luft wieder entladen werden können. Die Wärme entsteht durch Adsorptionswärme der Wassermoleküle in den nanometergroßen Poren der Zeolithe. Neue Konzepte basieren u. a. auf dem Einsatz von Phasenwechsel-Materialien, die Wärme durch einen reversiblen Phasenübergang im Betriebstemperaturbereich absorbieren und wieder an die Umgebung abgeben können. Nanotechnologien spielen bei der Entwicklung mikroverkapselter Phasenwechselspeicher eine Rolle, die zur Thermostatisierung in Gebäuden eingesetzt werden (vgl. Broschüre Nanotechnologie im Bauwesen).

Wasserstoffspeicher im Überblick Speichermedium

Temperatur bzw. Druck

Gewicht* bzw. SpeicherVolumen* kapazität

+ Vorteile / – Nachteile

flüssiger Wasserstoff

–270 °C

140 kg, 86 l

7,5 Gew.%

+ geringer Platzbedarf – sehr aufwendige Isolierung – Energieverlust durch Gasverflüssigung – Gasaustritt bei Lagerung

gasförmiger Wasserstoff

700 bar

125 kg, 260 l

6 Gew.%

+ geringer technischer Aufwand – großer Platzbedarf für zylindrischen Hochdrucktank – hoher Speicherdruck stellt Sicherheitsrisiko dar

Nanoskalige Metallhydride (am Beispiel MgH2)

> 300 °C, 8 bar

175 kg, 73 l

4–7 Gew.%

+ geringer Platzbedarf – hohes Gewicht – sehr hohe Temperaturen erforderlich

Nanoporöse metallorganische < –210°C, Materialien (MOFs) > 50 bar (am Beispiel MOF-177)

86 kg, 160 l

7,5 Gew.%

+ geringes Gewicht – niedrige Temperatur – großer Platzbedarf

Nanocubes (Quelle: BASF)

*gerechnet für eine Reichweite von 500 km Datenquellen: Prof. Dr. Stefan Kaskel, TU Dresden, und Prof. Dr. Birgit Scheppat, FH Wiesbaden

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2.2.4 Energieübertragung Im Bereich der Energieübertragung wird insbesondere die Verteilung von Strom in Zukunft vor hohen Herausforderungen im Hinblick auf Effizienzsteigerungen und Anpassungen an geänderte Rahmenbedingungen stehen. Die derzeitigen Stromnetze sind für einen massiven Ausbau regenerativer Energiequellen nicht ausgelegt. Für die Stromverteilung sind zukünftig Stromnetze erforderlich, die ein dynamisches Last- und Fehlermanagement, eine bedarfsgesteuerte Energieversorgung mit flexiblen Preismechanismen sowie die Möglichkeit der Einspeisung durch eine Vielzahl dezentraler, regenerativer Energiequellen bieten. Nanotechnologien könnten wesentliche Beiträge zur Realisierung dieser Vision liefern, beispielsweise durch nanosensorische und leistungselektronische Komponenten, die die äußerst komplexe Steuerung und Überwachung derartiger Stromnetze bewältigen könnten. Auch die Reduzierung von Energieverlusten bei der Stromübertragung ist ein Thema, das im Zusammenhang mit den Nanotechnologien zu diskutieren ist. Neben weiteren Verbesserungen bei der Hochtemperatursupraleitung besteht die Hoffnung, die außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit von Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren für den Einsatz in Stromkabeln nutzen zu können. Langfristig sind auch Optionen für einen kabellosen Stromtransport z. B. durch Laser, Mikrowellen oder elektromagnetische Resonanz gegeben.

Vor allem in den USA werden Zukunftsszenarien entwickelt, die eine Energieerzeugung durch Solarkraftwerke im Weltraum vorsehen, die ihre Energie per Laser oder Mikrowellenstrahlung auf die Erde übertragen. Neuere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass elektrische Energie auch durch elektromagnetische Resonanz kabellos und mit hoher Effizienz auch über größere Entfernungen übertragen werden könnte und damit Stromkabel in bestimmten Anwendungen überflüssig machen könnte.

2.2.5 Energienutzung Kurzfristig die größten Potenziale im Hinblick auf die Vermeidung von Treibhausgasemissionen liegen in einer effizienteren Nutzung von Energie sowohl im industriellen als auch im privaten Verbrauch (vgl. Abschnitt 2.3). Ansatzpunkte für Nanotechnologien ergeben sich in erster Linie in der Wärmedämmung in Gebäuden oder der Wärmeisolierung in technischen Prozessen, bei Leichtbaukonstruktionsstoffen auf Basis von Nanomaterialien und -kompositen, dem Ersatz energieintensiver Prozesse unter Nutzung nanotechnologischer Verfahrensinnovationen oder auch bei energiesparenden Beleuchtungen durch Leuchtdioden. Diese Anwendungen werden im Abschnitt 3.5 näher erläutert.

2.3 Marktpotenziale für Nanotechnologien im Energiesektor

2 T.Harper: “Energy And Nanotechnologies: A Rational Market Based Analysis”, NanoEnergie Impulsveranstaltung, 28. Juni 2007, Industriepark Hanau-Wolfgang

32

Die Nanotechnologien bieten eine Vielzahl von Anwendungspotenzialen im Energiesektor. In der Regel setzen sie relativ früh in der Wertschöpfungskette bei der Optimierung von Materialien und Komponenten an. Diese sind aber oftmals entscheidend für die Leistungsfähigkeit und die Funktionalität des Gesamtsystems. Als „enabling technologies“ ermöglichen die Nanotechnologien oftmals erst die Realisierung und den wirtschaftlichen Durchbruch für neue Produkt- und Technologielinien und damit die Erschließung aussichtsreicher Marktpotenziale. Experten erwarten, dass Nanotechnologien optimierte Komponenten und Verfahren bereitstellen werden, die entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Erschließung der Energieträger aus Primärquellen über die Wandlung, die Speicherung, den Transport und die Nutzung von Energie gewinnbringend eingesetzt werden können.

Nach Abschätzungen von Cientifica/London werden Nanotechnologien kurz- bis mittelfristig vor allem im Bereich der Energieeinsparungen mit ca. 40 Mrd. $ die größten Marktpotenziale erschließen und zwar u. a. in folgenden Anwendungsfeldern2: Verkehr a Leichtbau im Verkehrssektor durch Einsatz von Nano-Kompositen im Automobilund Flugzeugbau a Höhere Effizienz bei der Kraftstoffverbrennung in Automobilen durch nanopartikuläre Zusätze oder Verschleißschutzschichten von Motorkomponenten

Gebäude- und Beleuchtungstechnik a Thermische Isolierung von Gebäuden durch nanoporöse Materialien und Nanokomponenten zur optimalen Steuerung von Licht- und Wärmeflüssen in Gebäuden u. a. durch schaltbare Gläser, Wärmereflektoren etc. Der Anteil an Isolationsmaterialien für den privaten Gebrauch liegt bei 80 % des Gesamtmarktvolumens mit stark steigenden Wachstumsraten. Frost & Sullivan schätzt den europäischen Markt auf 2,9 Mrd. $ in 2006.

a Energieeffiziente Beleuchtung durch anorganische oder organische Leuchtdioden. Bei LEDs werden für die kommenden Jahre Wachstumsraten in der Größenordnung von 15–20 % erwartet, sodass im Jahr 2010 mit einem Marktvolumen von 8,3 Mrd. $ gerechnet wird. Das Wachstum wird vor allem durch neue Anwendungen wie Beleuchtung, Autoscheinwerfer sowie die Displaybeleuchtung von Computermonitoren und Fernsehschirmen bestimmt.

In Deutschland werden etwa 10 Prozent der elektrischen Endenergie, das sind rund 51 Milliarden Kilowattstunden, für künstliche Beleuchtung verwendet, wovon circa 3 Milliarden Kilowattstunden durch effizientere Beleuchtung eingespart werden könnten. Von den Stromkosten eines Gewerbebetriebs kann die Beleuchtung allein mehr als 50 Prozent der gesamten Aufwendungen für den Energiebezug ausmachen, in manchen Unternehmen des Groß- und Einzelhandels sogar bis zu 70 Prozent. Auch in Verwaltungsgebäuden bildet die Beleuchtung einen Verbrauchsschwerpunkt, auf den bis zu 45 Prozent und mehr des gesamten Stromverbrauchs des Gebäudes entfallen können.

Energiespeicher Im Bereich der Energiespeicherung betreffen die Marktpotenziale der Nanotechnologien in erster Linie verbesserte Lithium-Ionen-Batterien für mobile Elektronik oder Hybrid- und Elektrofahrzeuge, nanooptimierte Superkondensatoren sowie nanoporöse Wasserstoff-Speichermaterialien. Cientifica prognostiziert ein Wachstum von derzeit ca. 1 Mrd. $ auf ca. 5 Mrd. $ im Jahr 2014 für nanooptimierte Energiespeicher. Der Weltmarkt für Lithium-Ionen-Batterie-Materialien ist 2004 zweistellig gewachsen und beläuft sich auf mehr als 1,2 Mrd. Dollar. Evonik geht davon aus, dass das Marktvolumen bis zum Jahr 2015 auf rund 4 Mrd. US-Dollar steigen wird. Brennstoff- und Solarzellen Marktpotenziale der Nanotechnologie im Bereich der Energiewandlung werden sich in erster Linie im Bereich der Dünnschichtsolarzellen sowie der Brennstoffzellentechnologie ergeben. Nach Schätzungen

60.000 50.000

von Cientifica wird bis zum Jahr 2014 ein Marktvolumen von ca. 10 Mrd. $ mit diesen Applikationen erzielt. Nach Einschätzung der Consulting Firma WTC wird sich das Weltmarktvolumen von Dünnschichtsolarzellen von derzeit ca. 800 Mio. $ bis zum Jahr 2010 auf ca. 2 Mrd. $ mehr als verdoppeln. Das Wachstum wird vor allem außerhalb des Materialsystems Silizium durch Verbindungshalbleiter CdTe (Cadmiumtellurid) und CIGS (Kupfer, Indium, Gallium, Selen) generiert, deren Funktionsweise wesentlich von einem optimierten Schichtdesign auf der Nanoebene basiert (vgl. Praxisbeispiel TU Darmstadt S. 64). Neben potenziell geringeren Produktionskosten und einer flexibleren Skalierbarkeit haben Dünnschichtsolarzellen den Vorteil, konstanter in der Leistung zu sein – auch bei Temperaturschwankungen und suboptimalen Strahlungsverhältnissen (Lichteinfallswinkel, Bewölkung). Dadurch eröffnen sich neue Anwendungsbereiche wie Flachdächer oder großflächige Solarfabriken.

Weltmarkt Millionen $ Energieeinsparungen Energiespeicherung

40.000

Energiewandlung Abschätzung des Welt-

30.000

marktes für Nanotechno-

20.000

Energiebereich

logie-Anwendungen im (Quelle: Cientifica 2007)

10.000 0

Jahr 2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

33

3 Allied Business Intelligence Inc. 2003: “Fuel Cell Industry Competitive Analysis-Assessment of Major Players, Global Markets and Technologies” 4 Pressemitteilung von PEMEAS (BASF Fuel Cell) vom 14.12.06, www2.pemeas.de/ news.asp

Eine Studie der Allied Business Intelligence prognostiziert einen Anstieg des weltweiten Marktvolumens für Brennstoffzellensysteme auf 18 Mrd. $ im Jahr 20133, wobei kurzfristig der Markt für Brennstoffzellen von stationären Systemen (KWK-Kraftwerke und Hausanlagen) dominiert werden wird, während mittelfristig Mikrobrennstoffzellen für portable Elektronikgeräte und automobile Anwendungen eine hohe Marktdynamik entfalten. Schätzungen von BASF gehen von einem etwas langsameren Wachstum im Brennstoffzellenmarkt aus mit einem prognostizierten Anstieg von einer Milliarde Euro 2010 auf 21,5 Milliarden Euro 2020.4 Der Großteil des Umsatzes wird in den nächsten Jahren allerdings noch von geförderten F&E-Aktivitäten und Pilotprojekten generiert, da Brennstoffzellensysteme in vielen Anwendungsbereichen gegenüber Konkurrenzlösungen wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig sind.

Hochtemperatursupraleiter Der Bereich Hochtemperatursupraleiter (HTS) ist ebenfalls ein aussichtsreiches Anwendungsfeld der Nanotechnologien, bei dem mit einem starken Marktwachstum auf ein Weltmarktvolumen von ca. 300 Mio. $ in den nächsten Jahren zu rechnen ist.5 Hochtemperatursupraleiter bieten in vielen Bereichen der Versorgungskette im Energiesektor Potenziale für mehr Effizienz und Energieeinsparungen wie beispielsweise in der Energiespeicherung (z. B. Schwungmassenspeicher zur verlustarmen Speicherung von Strom durch Umwandlung in Rotationsenergie), beim Energietransport (verlustarme Stromleitung und -verteilung durch HTS-Kabel, Strombegrenzer und Transformatoren), bei der Energiewandlung (effiziente Elektromotoren und Generatoren) sowie bei der Energienutzung (z. B. Induktionsheizer bei der Metallverarbeitung). Thermoelektrik

Prognostizierte Entwick-

2000

Millionen $

lung des Dünnschichtsolarzellen-Weltmarktes; CIGS: Cadmium, Indium, Gallium, Selen;

1500

CIGS

CdTe: Cadmiumtellurid;

CdTe

multi-junction: Zellen

multi-junction

mit mehreren Lagen verschiedener Halbleiter-

a-Si

1000

materialien; a-Si: amorphes Silizium (Quelle: WTC 2007: “CdTe leads the pack in

500

thin-film solar business”, Think Small No. 5 vol. 2, Nov. 2007)

0 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Prognostizierte Marktvolumina für Brennstoffzellensysteme (Quelle: NRI-IFCI 2007: “The Future of Fuel Cells”, National Research

16 Prognostiziertes Marktvolumen (Mrd. $)

Thermoelektrische Energiewandler sind derzeit noch eine Nischenanwendung, doch auch in diesem Sektor werden durch nanotechnologische Applikationen neue Marktpotenziale erschlossen werden können. Der Weltmarkt für thermoelektrische Energiewandler (Kühlung, Generatoren) wird derzeit auf eine Größenordnung von 1 Mrd. $ geschätzt. Mittelfristig bietet die Abwärmenutzung im Automobilbereich ein hohes Potenzial an Energieeinsparungen, da ca. 2/3 des Energieeintrages im Automobil als Abwärme verloren gehen. Allein in Deutschland liegt das theoretische Energieeinsparpotenzial durch Thermogeneratoren bei 10 TWh pro Jahr, falls sämtliche Autos mit 1-KW-Thermogeneratoren ausgerüstet wären. Davon ist man in der Realität noch weit entfernt, und in der Automobilindustrie werden lediglich einige Pilotentwicklungen vorangetrieben. BMW plant beispielsweise bis 2011 einen 750-WattGenerator in der 5er Serie zu realisieren.6

14 Mikrobrennstoffzellen Stationäre Brennstoffzellen Automobile Brennstoffzellen

12 10

Council Canada, Institute for Fuel Cell Innova-

8

tion, Daten aus “Fuel Cell Industry Competi-

6

5 Quelle: EnergieAgentur NRW:

tive Analysis-Assessment of Major Players,

„Innovation & Energie“, 3/2007

4

Global Markets and Technologies”, Allied

6 Quelle: H. Böttner: „Nanoskalige

2

Business Intelligence

Jahr 0

Inc., 2003

2005

2010

2015

Materialien für thermoelektrische Anwendungen“, Präsentation auf der Veranstaltung WING 2007, 22.–24.10.07, Berlin

34

Energie- und CO2-Einsparpotenziale durch Nanotechnologien Die Nanotechnologien werden als Querschnittstechnologien in vielen Teilbereichen des Energiesektors Effizienzgewinne und Energieeinsparungen ermöglichen. Aufgrund der Vielschichtigkeit der Anwendungen und einer unscharfen Eingrenzbarkeit des Themenfeldes existieren derzeit allerdings keine präzisen Aussagen zu quantitativen Energieeinsparpotenzialen durch die Nanotechnologien. Erste Ansätze hierzu gibt es beispielsweise durch eine Studie, die den Versuch unternommen hat, für einige ausgewählte Technologielinien die Energieeinsparpotenziale durch Nanotechnologien in Deutschland zu berechnen. Für die ausgewählten Anwendungsbereiche Verkehr, Beleuchtung, Wärmebereitstellung und Wärmebedarf wurde ein Energieeinsparpotenzial von 283 PJ bis 2025 in Deutschland ermittelt, was einer Reduktion des Gesamtenergiebedarfes von 3,1 % im Vergleich zum Bezugsjahr 2004 entspricht.7 Auch wenn die relativen Einsparpotenziale für einzelne Applikationen in einer Größenordnung von bis zu ca. 40 % in Bezug auf den ursprünglichen Energiebedarf liegen (beispielsweise 30 % für LED-Beleuchtung oder 36 % für nanostrukturierte Wärmeisolationsmaterialien), ist der absolute Effekt bezogen auf den Gesamtenergiebedarf damit eher als gering einzuschätzen. Nach Einschätzungen von Cientifica ist der kurzfristige Effekt der Nanotechnologien zur Vermeidung von CO2-Emissionen mit ca. 0,003 % bezogen auf die weltweiten Emissionen nahezu zu vernachlässigen.8

Anwendungsfelder von Brennstoffzellen aufgeschlüsselt nach Leistungsbereich, Jahren bis

die Energiewirtschaft“, Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 57. Jg, Heft 3, 2007 8 T. Harper: “Energy And Nanotechnologies: A Rational Market Based Analysis”, Präsentation auf der Impulsveranstaltung NanoEnergie am 28.06.2007 in Hanau

Hilfsstromaggregate

kW

20 Mrd. $/Jahr

Camcorder, Laptops Werkzeuge

zial (Quellen: VDI-VDE, Business Intelligence Inc.)

Nanotechnologie auf

PKW (Individual)

Hausenergieversorgung

W

„Auswirkungen der

Bus (Flotte)

und SubstitutionspotenVDI TZ GmbH, Allied

J. Lambauer:

Brennstoffzellenkraftwerke

MW

merziellen Verbreitung

7 S. Kolb, A. Kessler,

Bei der Anwendung von Zement lassen sich durch nanooptimierte Ultrahochleistungsbetone mit einer 10-fach höheren Festigkeit als Standard-Beton prinzipiell ca. 60 % der Rohstoffe und 40 % der CO2Emissionen einsparen, da viel weniger Material eingesetzt werden muss, um die gleichen mechanischen Anforderungen zu erfüllen. Ein Großteil der Potenziale wird aber allenfalls langfristig realisiert werden können, da in vielen Bereichen die Marktreife und Marktdurchdringung noch zu gering ist. Kurzfristig werden Nanotechnologien eher zu Einsparungen von CO2-Emissionen in konventionellen Energieerzeugungsmethoden insbesondere durch Wirkungsgradsteigerungen beitragen können sowie durch eine effizientere Energienutzung (z. B. in den Bereichen Leichtbau, Wärmeisolierung, Beleuchtung oder Kraftstoffeffizienz).

Leistung

zu einer breiten komsowie relativem Umsatz-

Diese eher pessimistischen Einschätzungen basieren auf der Einbeziehung nur weniger Anwendungsbeispiele der Nanotechnologien. Berücksichtigt man die breite Querschnitts- und Hebelwirkung in vielen industriellen Anwenderbranchen, ist das Energieeinspar- und -effizienzpotenzial durch die Nanotechnologien zumindest mittel- bis langfristig deutlich höher zu bewerten. Dies gilt nicht nur für die Nutzung regenerativer Energiequellen beispielsweise durch nanooptimierte Photovoltaik sondern auch für Energieeinsparungen in konventionellen Prozessen. Nur als ein Beispiel sei die Herstellung von Zement angeführt, der mit 2 Milliarden Jahrestonnen das mengenmässig weltweit am meisten hergestellte Industrieprodukt darstellt und für 5 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist.

1 Mrd. $/Jahr

Messsysteme Relatives Umsatz-/ Substitutionspotenzial

mW 5

10

15 Jahre bis zur breiten Kommerzialisierung

35

3

Anwendungspotenziale der Nanotechnologie

3.1 Effizientere Energieerschließung Im Bereich der Energieerschließung bieten Nanotechnologien durch optimierte Materialien und Komponenten in vielen Anwendungsbereichen Potenziale, um Effizienzgewinne und Kosteneinsparungen insbesondere bei der regenerativen Energieerzeugung zu erzielen.

Solarzellen

Dünnschichtsolarzellen

Der Einsatz der Nanotechnologien gilt als ein Schlüsselfaktor, um der Photovoltaik durch erhebliche Kosteneinsparungen und Effizienzgewinne auf Basis neuer Materialien und Solarzellentypen sowie einfacherer Produktionsprozesse zum breiten wirtschaftlichen Durchbruch zu verhelfen. Durch Nanostrukturen wie z. B. Quantenpunkte lassen sich die Bandlücken der Halbleiter optimal auf das eintreffende Strahlenspektrum anpassen oder auch mehrere Ladungsträger pro Photon freisetzen, um so die Umwandlungseffizienzen zu verbessern. Dies betrifft auch eine verbesserte Lichteinkopplung, z. B. durch Vermeidung von Reflexionsverlusten an der Frontabdeckung durch nanostrukturierte AntireflexSchichten, oder auch durch Hoch- oder HerunterKonvertierung von Lichtwellenlängen durch spezielle Nanostrukturen, die eine bessere Ausnutzung des eingestrahlten Lichtspektrums ermöglichen könnten. Weiterhin werden neue Materialkombinationen wie polymere Halbleiter nutzbar gemacht, die zwar eine geringe Umwandlungseffizienz aufweisen, dafür aber durch kostengünstige Massenherstellungsverfahren in Zukunft wesentlich wirtschaftlicher hergestellt werden könnten. Durch den Einsatz von nanotechnologischer Prozesstechnik, wie beispielsweise plasmagestützte Verfahren und das Design von Oberflächen und Schichtstrukturen auf der Nanoebene, lassen sich Zellaufbau und Wirkungsgrade bei allen Solarzelltypen optimieren.

Im Vergleich zur Silizium-Wafertechnologie ermöglichen Dünnschichtsolarzellen durch Materialeinsparungen, Niedertemperaturprozesse, integrierte Zellenverschaltung und hohen Automatisierungsgrad in der Serienfertigung Potenziale für Kostensenkungen bei der Solarzellenfertigung. Ein weiterer Vorteil ist, dass flexible Substrate als Trägermaterial verwendet und damit neue Anwendungsfelder wie z. B. die Integration in Textilien erschlossen werden. Neben Silizium finden die Materialkombinationen Kupfer/Indium/Gallium/Schwefel/Selen (CIGS-Zellen) sowie III-V Halbleiter (z. B. Galliumarsenid) Anwendung, mit denen sich Wirkungsgrade von bis zu 20 % erreichen lassen. Zur weiteren Optimierung werden u. a. nanotexturierte transparente leitfähige Oxidschichten als Frontelektoden untersucht, mit denen die Lichtstreuung im Substrat optimiert und Reflexionsverluste minimiert werden sollen. Weitere Ansatzpunkte liegen bei der Verbesserung der Rückseiten-Reflektoren, für die konventionell Metallschichten (z. B. Silber) verwendet werden, beispielsweise durch Einsatz photonischer Kristalle oder nichtmetallischer Nanoschichtsysteme, um die Lichtausbeute im Substrat weiter zu erhöhen.

metallic back contact – 250nm Te – 20 nm Elektronenmikroskopische Aufnahme

CdTe – 8 µm

(links) und schematischer Aufbau (rechts) einer Cadmiumtellurid-DünnschichtSolarzelle (Quelle: TU Darmstadt)

36

CdS – 150 nm SnO2 – 30 nm ITO – 240 nm glass substrate

Prototyp eines Farbstoffsolarzellenmoduls für dekorative Anwendungen in Glasfassaden (Quelle: FHG ISE)

Titandioxid-Nanopartikel in Farbstoffsolarzellen Farbstoffsolarzellen nutzen mit Farbstoffmolekülen (z. B. verschiedene Ruthenium-Komplexe) dotierte Titandioxidnanopartikel für die Ladungstrennung. Die Absorption des Lichtes führt in den Farbstoffmolekülen zur Freisetzung von Elektronen, die von den Titandioxidpartikeln aufgenommen und über einen Redoxelektrolyten an die Elektrode weitergeleitet werden. Die Farbstoffmoleküle werden durch ein Redoxpaar Jodid/Trijodid im Elektrolyten wieder regeneriert. Vorteile der Farbstoffsolarzellen sind preisgünstige Herstellverfahren durch Siebdruck, Einsatzmöglichkeiten auch bei diffusem Lichteinfall (z. B. für Innenraumanwendungen) sowie die Transparenz und Farbgestaltungsmöglichkeit der Zellen, die interessante architektonische Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Nachteilig sind die eingesetzten chemisch-reaktiven flüssigen Elektrolyte, die bei Undichtigkeiten in die Umgebung gelangen können und relativ geringe Wirkungsgrade von unter 10 % aufweisen. Erste Prototypanwendungen sind beispielsweise vom Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme umgesetzt worden.

Fulleren-Derivate als Elektronenakzeptoren in Polymer-Solarzellen Polymere Solarzellen nutzen organische Halbleiter zur Energiekonversion. Als lichtabsorbierende Elektronen-Donoren werden konjugierte Polymere und als Elektronenakzeptoren Fulleren-Derivate eingesetzt. Beide Substanzen werden als 100 bis 300 nm dünne Kompositschicht in den sandwichartigen Zellaufbau zwischen Ladungstransportschichten und Elektroden (ITO, Metalle) integriert. Vorteile dieser Zellen sind kostengünstige Materialien und Herstellverfahren sowie die mechanische Flexibilität. Angestrebt wird eine Massenproduktion großflächiger Module in einem kontinuierlichen Rolle-zu-RolleDruckverfahren. Durch Optimierung der Materialien und des Zellbaus sollen mittelfristig Wirkungsgrade von ca. 10 % und eine Haltbarkeit von einigen Jahren erzielt werden. Neue Forschungsansätze betreffen beispielsweise den Ersatz von ITO-Schichten durch transparente Polymerkomposite. Neben Kosteneinsparungen besteht hierdurch auch die Möglichkeit, durch Aufprägen von Nanostrukturen den Lichteinfang zu erhöhen. Die mit Hilfe holographischer Belichtungsverfahren hergestellten großflächigen periodischen Oberflächenstrukturen lassen sich in einem kostengünstigen Prägeverfahren in die Polymerschicht der Solarzellen übertragen. Die Forschung zu Polymer-Solarzellen wird in Deutschland durch eine Forschungsallianz der Bundesregierung und Industriepartnern, u. a. der Firma Merck, vorangetrieben (vgl. S. 60).

37

Prinzipieller Aufbau

Nanoschichten in Stapelzellen

und Funktionsprinzip einer organischen Solarzelle. Die photoaktive Schicht besteht aus einem Komposit aus halbleitenden Polymeren (rot) und Fullerenen (blau), die als Donor/AkzeptorPaar für die photovoltaische Ladungstrennung fungieren. (Quelle: ZAE Bayern)

ITO-freie unverkapselte organische Solarzelle auf flexiblem Substrat (FHG-ISE)

Solarkraftwerk in Australien, bei dem Verbindungshalbleiter-Solarzellen mit optischen Konzentratoren eingesetzt werden (Quelle: SolarSystems)

38

Durch vertikale Anordnung von zwei oder mehr Materialsystemen mit unterschiedlichen Bandlücken lässt sich die Energieausbeute von Solarzellen optimieren. Die mit ca. 40 % höchsten Umwandlungseffizienzen aller Solarzellentypen weisen Stapelzellen aus III/V-Halbleitersystemen auf. Derartige Solarzellen werden derzeit überwiegend in der Raumfahrt eingesetzt, für terrestrische Anwendungen sind die Zellen aufgrund aufwändiger Herstellverfahren zu teuer. Wirtschaftlicher wird der Einsatz, wenn das Sonnenlicht durch relativ kostengünstige Optiken konzentriert und dadurch der Wirkungsgrad der Zellen gesteigert wird. Derartige Konzentratormodule sind bereits kommerziell erhältlich und es bestehen Aussichten, die Kosten durch weitere Systemoptimierungen und wirtschaftliche Skaleneffekte bei der Produktion deutlich von derzeit ca. 6 € pro Wp (Watt Peak, installierte Leistung bei optimaler Sonneneinstrahlung) auf ca. 1,5 € pro Wp abzusenken, sodass diese Art der Stromerzeugung langfristig durchaus mit Netzpreisen konkurrieren könnte. Stapelzellen lassen sich auch auf Basis anderer Materialsysteme wie Silizium oder Polymere realisieren.

Leistungsdichte [W/m2µm] 1600

Am 1.5 Spektrum GalnAS (1.18 eV)

Absorptionsspektren

GalnP (1.70 eV) Ge (0.67 eV)

von Halbleitermateria-

1400

lien, die in StapelSolarzellen zur Opti-

1200

mierung der QuanGa 0.51 In 0.49 P

1000

Sinkende Bandlücke

Ga 0.97 In 0.03 As

800

tenausbeute eingesetzt werden. Stapelzellen bestehen aus einer Schichtfolge von

Ge

600

Verbindungshalbleitern mit unterschied-

400

lichen Bandlücken. (Quelle: FHG-ISE)

200 0

500

1000

1500

2000

2500

Wellenlänge [nm]

Quantenpunkte für Solarzellen Quantenpunkte sind nanoskalige Cluster von Halbleiterverbindungen mit außergewöhnlichen optoelektronischen Eigenschaften, die sich aufgrund quantenphysikalischer Effekte in Abhängigkeit von der Größe der Cluster ändern lassen. Anwendungen in Solarzellen sind interessant, da durch Quantenpunkte einerseits mehrere Elektronen-Loch-Paare pro Photon erzeugt werden können und andererseits die Absorptionsbanden optimal auf die Wellenlängen des einstrahlenden Lichtes angepasst

werden können. Im Labormaßstab lassen sich dreidimensionale Gitter aus Quantenpunkten oder auch andere Strukturen wie Nanodrähte herstellen, die für einen Einsatz in Solarzellen von Interesse wären. Mit derartigen Zellen sind Umwandlungseffizienzen von über 60 % theoretisch machbar. Der derzeitige Forschungsstand ist davon allerdings noch weit entfernt, und es konnte bislang noch kein funktionierendes Modell einer Quantenpunktsolarzelle experimentell gezeigt werden.

Stapelzellen aus III/V Halbleitern werden in der Regel mit optischen Konzentratoren betrieben, die das Licht auf der Solarzelle bündeln, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. (Quellen: FHG-ISE)

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Nanostrukturierte Antireflexschichten

Windenergie

Eine relativ kostengünstige Methode, um die Energieausbeuten von Solarzellen und Sonnenkollektoren zu erhöhen, ist die Anwendung von Antireflexschichten. Eine marktreife Entwicklung sind Antireflexschichten für Flachglas, die auf einer nanoporösen Beschichtung aus Siliziumdioxid basieren. Die Schichten werden auf Basis eines Sol-GelVerfahrens und anschließender Tauchbeschichtung erzeugt. Durch die Porosität wird eine Anpassung des effektiven Brechungsindex zwischen Glas und Umgebungsluft erreicht, wodurch die Reflektionsverluste bei Glasscheiben von üblicherweise 8 % auf 2 % reduziert werden. Bei Sonnenkollektoren lässt sich dadurch der jährliche Wärmeertrag um bis zu zehn Prozent steigern.

Der in den letzten Jahren zu beobachtende Übergang zu immer größeren und leistungsfähigeren Windgeneratoren führt zu wachsenden Herausforderungen hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit von Materialien und Komponenten. Durch den Einsatz von Nanotechnologien könnten hier wesentliche Lösungsbeiträge erzielt werden, beispielsweise bei der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) basierten Kompositmaterialien für leichte und hochfeste Rotorblätter. Durch Verfahren der Nanostrukturierung könnten der Natur entlehnte biomimetische Effekte genutzt werden, die der Entstehung von Luftwirbeln bei Rotorblättern entgegenwirken und dadurch den Geräuschpegel von Windrädern reduzieren und den Energieeintrag optimieren.

Antireflexbeschichtung (Quelle: Fraunhofer ISC)

Hochfeste und elektrisch leitfähige CNTKomposite könnten Anwendung in Rotorblättern von Windgeneratoren finden. (Quelle: BMS, Siemens)

40

Auch zum Schutz vor Schäden durch Blitzeinschlag, die für über 10 % der Betriebsausfälle von Windgeneratoren verantwortlich sind, könnten CNT-Komposite beitragen. Diese besitzen nicht nur aussichtsreiche mechanische Eigenschaften, sondern bieten auch eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Im Bereich polymerer Komposite reicht bereits ein CNT-Gehalt von ca. 1 % aus, um ein durchgängiges Netzwerk aus Kohlenstoffnanoröhren zu generieren, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit des Polymerkomposits gewährleistet. Potenziale derartiger Materialien bieten sich auch zur elektromagnetischen Abschirmung der Steuerungselektronik der Windgeneratoren. Zum Verschleißschutz von Getrieben und Lagern finden nanoskalige Hartschichten Anwendung (vgl. Abschnitt Verbrennungsmotoren).

Gewinnung fossiler Energieträger Nanomaterialien spielen auch bei der Gewinnung fossiler Energieträger eine Rolle. Suspensionen nanopartikulärer natürlicher Silikate werden beispielsweise zur Kontrolle der Viskosität bei der Erdölförderung eingesetzt. Durch nanoporöse und nanopartikuläre Materialien lassen sich Verunreinigungen in Erdöllagerstätten abtrennen und die Förderausbeuten erhöhen. Ebenfalls optimiert werden kann die mechanische Verschleißfestigkeit von Bohrsonden für die Erschließung von Öl- und Gaslagerstätten aus tiefen Erdschichten. Künftig werden zunehmend auch unkonventionelle Quellen wie

Ölschiefer zur Gewinnung von Erdöl herangezogen werden müssen. Für die Öl-Extraktion aus derartigen Quellen sind verbesserte Technologien erforderlich, die von nanotechnologischen Innovationen profitieren könnten, ebenso wie auch in der Sensorik bei der Erkundung von Lagerstätten. In den USA hat sich kürzlich das Konsortium „nano for energy“ unter Beteiligung der größten Ölkonzerne wie BP, Shell und ConocoPhillips konstituiert, das mit einem Budget von mehreren Millionen Dollar pro Jahr den Einsatz von Nanotechnologien zur Verbesserung der Erdöl- und Erdgas-Gewinnung entwickeln wird.

3.2 Effiziente Energiewandlung Nanooptimierte Brennstoffzellen Nanotechnologien bieten Optimierungspotenziale für alle gängigen Brennstoffzellensysteme und zwar hinsichtlich optimierter Elektroden, Membranen, Elektrolyte oder auch Katalysatoren in den Elektroden sowie zur Wasserstofferzeugung. Im Bereich der Festkörper-Brennstoffzellen des SOFC-Typs lässt sich beispielsweise die Ionenleitfähigkeit durch den Einsatz keramischer Nanopulver auf Basis von Yttrium-stabilisiertem Zirkonium verbessern.

Membran-Elektrodeneinheit einer PolymerelektrolytmembranBrennstoffzelle. Wasserstoff (H2) wird an der Anode (links) katalytisch oxidiert und die dabei entstehenden Protonen (H+) wandern durch die Polymermembran (Mitte) zur Kathode (rechts), wo sie mit

Bei den Membran-Brennstoffzellen betreffen die Optimierungsansätze vor allem die Polymermembran, deren Temperaturstabilität u. a. durch den Einsatz anorganisch-organischer Nanokomposite verbessert werden soll. Hierbei werden die eingesetzten funktionalisierten Polymere mit anorganischen Nanopartikeln durch Sol-Gel-Verfahren modifiziert. 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. Weiterhin spielt die Nanostrukturierung der Elektrodenmaterialien eine große Rolle, um 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 (bei der Direktmethanol-Brennstoffzelle) zu erhalten.

Sauerstoff (O2) zu Wassermolekülen umgesetzt werden. (Quelle: Institut für Polymerforschung, GKSS)

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Nanomaterialien zur thermoelektrischen Energiewandlung

Mikrobrennstoffzelle mit einer Leistungsdichte von 1 W/cm³, mikrostrukturiertes Strömungsfeld (Quelle: FHG ISE)

Nanostrukturierung ist weiterhin der Schlüssel, um die Aktivität der Elektrodenmaterialien und Edelmetall-Katalysatoren für die elektrochemische Umwandlung von Wasserstoff zu erhöhen. Fullerene, in Elektrodenmaterialien eingearbeitet, erhöhen die Effizienz der Stoffumwandllung und ermöglichen Materialeinsparungen beim Edelmetallkatalysator. Eine weitere interessante Entwicklung sind MikroBrennstoffzellen, die insbesondere für mobile Anwendungen interessant sind. Durch Fortschritte in der Mikrosystemtechnik konnte in den letzten Jahren die Miniaturisierung von NiedertemperaturBrennstoffzellen und der zugehörigen beweglichen Kernkomponenten wie Pumpen und Lüfter kontinuierlich vorangetrieben werden.

Nanostrukturierte Thermoelektrika sind von hohem Interesse, da die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Materials durch die Strukturgrößen gezielt beeinflusst werden können. Durch die Charakterisierung der Beziehung zwischen Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften auf der Nanoebene lassen sich in Zukunft Materialien mit gewünschten Eigenschaften designen. Interessant sind beispielsweise Materialien, die für einen Einsatz im Hochtemperaturbereich von bis zu 1000 ° C geeignet sind, wie Kobaltate. Nanostrukturen, die im Zusammenhang mit Thermolektrika untersucht werden, umfassen u. a. nanostrukturierte Oberflächen, Quantenpunkte oder Quantendrähte. „Super-Gitter“ aus BiTe- oder SbTe-Quantenpunkten (quantum dot super lattices) oder auch nanoskalige Substanzklassen wie Skutterudite haben sich als hocheffiziente Thermoelektrika erwiesen. Skutterudite sind eine umfangreiche Substanzklasse basierend auf der Verbindung Cobaltantimonid. Mit neuen Herstellungsverfahren lassen sich nanoskalige Pulver mit stark erhöhtem Anteil an Korngrenzen aus diesen Substanzklassen erzeugen. Unter bestimmten Bedingungen wirken solche Korngrenzen stärker streuend auf Phononen als auf die elektrischen Ladungsträger, wodurch das Verhältnis von elektrischer zu thermischer Leitfähigkeit und damit die Güte des thermoelektrischen Materials erhöht werden kann.

Mit thermoelektrischen Generatoren lässt sich Körperwärme – etwa die der Hand – in Strom umwandeln. (Quelle: Fraunhofer IIS)

Kristallstruktur (links) und transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme (rechts) eines maßgeschneiderten perowskitartigen thermoelektrischaktiven Kobaltates, einer Verbindung aus Lanthan, Kobalt und Sauerstoff (Quelle: Mikropelt)

42

Einen vielversprechenden Ansatz bietet auch die photoelektrolytische Wasserspaltung. Hierbei führt die Absorption von Licht an Photoelektroden in einer Photozelle zur photochemischen Spaltung von Wasser, wobei Sauerstoff an der Anode oxidiert und Wasserstoffatome an der Kathode zu elementarem Wasserstoff reduziert werden. Wichtige Kriterien bei der Auswahl der Halbleitermaterialien für die Phototelektroden ist deren Stabilität in wässrigen Lösungen sowie die Umwandlungseffizienz durch optimal auf die Redoxpotenziale von Wasser abgestimmte Bandlücken. Stapelzellen aus III / V-Halbleitern zeigen zwar eine aussichtsreiche Umwandlungseffizienz, sind aber in der Regel instabil im wässrigen Medium und teuer in der Herstellung. Als aussichtsreiche Alternative erscheint derzeit die Verwendung kostengünstiger Metalloxide, z. B. der Elemente Titan, Mangan, Eisen und Zinn als Elektrodenmaterialien. Durch Nanostrukturierung und Verwendung nanokristalliner Substanzen bieten sich Ansatzpunkte für weitere Optimierungen der Umwandlungseffizienz, die derzeit noch weit von einer wirtschaftlichen Anwendbarkeit entfernt ist.

Nanomaterialien wie Zeolithe und nanostrukturierte Metalloxide werden schon seit langem im industriellen Maßstab zur Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe bei der Raffination von Erdöl eingesetzt. Mit zunehmender Verknappung der Welterdölreserven wird die in weitaus größerer Menge vorhandene Kohle als Quelle für flüssige Treibstoffe und Chemierohstoffe in Zukunft wieder interessant werden. Bislang scheiterten die seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannten technischen Verfahren zur Kohleverflüssigung an einer mangelnden Wirtschaftlichkeit. Durch Verfahrensverbesserungen u. a. im Bereich nanostrukturierter Katalysatoren kann die Effizienz der Kohlehydrierung deutlich gesteigert werden. Interesse an der Kohleverflüssigung ist derzeit insbesondere in China zu verzeichnen, wo mehrere Pilotanlagen installiert werden. Ein langfristiges Entwicklungsziel ist die kostengünstige Herstellung von synthetischen Diesel- und Benzin-Kraftstoffen aus Erdgas oder der Biomassevergasung unter Einsatz nanooptimierter Katalysatoren.

9 D. Ostermann : „Herstellung von Wasserstoff durch Sonnenenergie“, Zeitschrift für Wasserstoff und Brennstoffzelle 08|06

h·ν

Oxidation H2O + 2h p ½ O2 + 2 H+ +

O2

H2 Metallelektrode

Um Wasserstoff den Weg als Energieträger der Zukunft zu ebnen, sind effizientere Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff erforderlich. Durch Nanostrukturierung lässt sich die Effizienz von Edelmetallkatalysatoren bei der elektrolytischen Zersetzung von Wasser erhöhen. Weiterhin ergeben sich Optimierungspotenziale bei der Hochtemperaturelektrolyse von Wasser, bei denen die Elektrolyse bei rund 1000 °C stattfindet und die hohe Wirkungsgrade von über 90 % bei der Umwandlung erzielen. Hierbei werden keramische Materialien als sauerstoffionenleitende Festkörperelektrolyte eingesetzt, die sich durch den Einsatz von Nanomaterialien bezüglich der Ionenleitfähigkeit und der Temperaturbeständigkeit verbessern lassen.

Nanokatalystoren zur Herstellung von Kohlenwasserstoff-basierten Kraftstoffen

n-dotierter Halbleiter

Effiziente Verfahren der Wasserstofferzeugung

H2O

Reduktion 2H+ + 2e– p H2

Prinzipskizze der photoelektrolytischen Wasserstofferzeugung. Durch Absorption von Lichtenergie werden Elektron-Loch-Paare im Halbleiter erzeugt. Befindet sich der Halbleiter im Kontakt mit einer Metall-Gegenelektrode, baut sich eine Photospannung auf, die zur Aufspaltung des wässrigen Elektrolyten in Wasserstoff und Sauerstoff führt. (Quelle: ODB-Tec GmbH)9

43

Konventionelle Dampf- und Turbinenkraftwerke EB-PVD

Aufbau von Wärmedämmschichten,

Wärmedämmschicht (WDS) Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid

die mittels Elektronenstrahl-Plasmaabscheidung herge-

Haftvermittlerschicht (z. B. MCrAIY)

stellt werden. (IFW Darmstadt)

Schaufelgrundwerkstoff

TGO (Thermally Grown Oxide)

Nanostrukturiere Wärmedämmschichten für Gasturbinen

Kohlendioxidabtrennung durch nanostrukturierte Membranen

Wärmedämmschichten sind für den Hitzeschutz der Turbinenschaufeln in Gasturbinen unerlässlich, da die Gastemperaturen am Turbineneintritt mit über 1500 °C deutlich über dem Schmelzpunkt der eingesetzten Turbinenwerkstoffe liegen. Die wesentlichen Anforderungen an Wärmedämmschichten sind eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine dem Substrat angepasste Wärmeausdehnung zur Minimierung von Spannungen und Rissbildungen im Material. Durch moderne Multiquellen-Plasma-Beschichtungsverfahren lassen sich komplexe Wärmedämmschichtsysteme, die aus Wirk-, Haft- und Barriereschichten bestehen, mit nanoskaliger Präzision und verschiedenen Materialkombinationen herstellen. Hierdurch bestehen weitere Optimierungspotenziale, um beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit der Schichten weiter zu senken, die Haltbarkeit der Turbinenkomponenten zu erhöhen und damit höhere Betriebstemperaturen zu ermöglichen. Die Effizienz von Gasturbinen ließe sich dadurch weiter verbessern und damit könnte man erhebliche Kosten und Kohlendioxidemissionen einsparen. Nach Berechnungen des IFW Darmstadt ließen sich bei einer Steigerung des Wirkungsgrades von 1 % bei 400MW-Gas-und Dampfturbinen-Kraftwerken pro Jahr ca. 1 Mio. € und 1500 t CO2 pro Jahr einsparen.

Die Abtrennung von Kohlendioxid aus dem Abgasstrom von Kohlekraftwerken und dessen Speicherung in unterirdischen geologischen Lagerstätten ist eine der derzeit intensiv vorangetriebenen Technologieentwicklungen, um CO2-neutrale Kohlekraftwerke zu realisieren. Nanotechnologien könnten bei der Entwicklung von Verfahren zur selektiven Abtrennung von Kohlendioxid durch spezifische Membranen beitragen. Ansätze bieten beispielsweise nanostrukturierte Polymermembranen, die mit Katalysatoren belegt sind, die Kohlendioxid in Gegenwart von Wasser in Hydrogencarbonat umwandeln. Das feste Hydrogencarbonat lässt sich anschließend leicht von den übrigen Abgasbestandteilen abtrennen.

Links: Gasturbine (IFW Darmstadt)

Rechts: Nanostrukturierte Membranen spielen eine Schlüsselrolle bei der selektiven Gastrennung. (Quelle: Forschungszentrum Geesthacht)

44

Ein anderer möglicher Ansatz bezieht sich auf die Entwicklung keramischer Nanoröhren, mit denen sich Sauerstoff sehr effizient aus Luft abtrennen lässt. Würde dieser reine Sauerstoff für die Verbrennung fossiler Brennstoffe eingesetzt, entstünde als Abgas fast ausschließlich CO2, das sich leicht abtrennen und verwerten ließe.

Durch keramische Nano-

Oben: Verschleiß-

beschichtungen lassen

schäden eines Zahn-

sich Anhaftungen an

rades; links: Ober-

Wärmetauschern im

flächenprofil vor und

Kraftwerksbereich ver-

nach der Behandlung

meiden. Oben: unbe-

mit Nanopartikeln

schichtete Fläche; unten

(Quelle: Rewitec)

mit Nanobeschichtung (Quelle: ItN Nanovation)

Antihaftschichten für Brennkessel und Wärmetauscher in Kohlekraftwerken Ein Problem beim Betrieb von Kohlekraftwerken oder Müllverbrennungskraftwerken sind Anbackungen von Verbrennungsrückständen im Kesselbereich und in Wärmetauschern, die in regelmässigen Abständen kostenaufwändig gewartet werden müssen. Durch keramische Antihaftschichten auf Basis nanopartikulärer Beschichtungsstoffe werden Anhaftungen deutlich vermindert, sodass die Lebensdauer von Wärmetauscherrohren erhöht und Wartungsintervalle verlängert werden können. Potenziale für nanobasierte Antihaftschichten bieten sich auch in anderen industriellen Prozessen, bei denen die Verkrustung von Wärmetauschern und der dadurch verminderte Wärmeenergietransport ein Problem darstellen. Kraftstoffeinsparungen in Verbrennungsmotoren Der Kraftstoffverbrauch von PKW-Verbrennungsmotoren wird zu etwa 10–15 % von der Motorreibung bestimmt. Durch die Beschichtung der beweglichen Motorkomponenten wie Zylinder, Kolben und Ventile mit nanokristallinen Kompositmaterialien können Reibung und Verschleiß reduziert und dadurch Kraftstoff eingespart werden. Durch nanokristalline Piezomaterialien und Nano-Verschleißschutzschichten auf Basis von DLC (Diamond like Carbon) lassen sich Effizienz und Präzision von Dieselinjektoren optimieren (s. Nanotechnologien im Automobilbau, Band 3 Schriftenreihe Aktionslinie Hessen-Nanotech).

Die Firma Rewitec aus Lahnau 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 dabei im 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 es können auch bereits aufgetretene mechanische Beschädigungen regeneriert werden. Das Verfahren eignet sich neben dem Einsatz in Verbrennungsmotoren für eine Vielzahl mechanischer Komponenten wie Getriebe, Lager oder Pumpen und führt zu deutlichen Energieeinsparungen und verlängerten Standzeiten. Einen weiteren Ansatz für Kraftstoffeinsparungen bieten nanopartikuläre Dieselzusätze aus Ceroxid, die zu einer effizienteren Kraftstoffverbrennung und der Minderung partikulärer Emissionen beitragen können. Derartige Nanopartikel werden derzeit in Feldtests in der Praxis erprobt, wobei Kraftstoffeinsparungen von bis zu 11 % nachgewiesen werden konnten. Über mögliche Nebenwirkungen durch in die Umwelt gelangende Ceroxidpartikel ist derzeit allerdings wenig bekannt.

45

3.3 Nanooptimierte Energiespeicher Lithium-Ionen-Batterien

Superkondensatoren

Die Lithium-Ionen-Technologie gilt aufgrund einer hohen Zellspannung und der herausragenden Energie- und Leistungsdichte als eine aussichtsreiche Variante der Stromspeicherung. Nanotechnologien werden die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien insbesondere durch optimierte Elektrodenmaterialien und Elektrolyte weiter steigern können. Entwicklungsziele sind hier Anoden- und Kathoden mit höherer Lade / Entladekapazität beispielsweise durch nanoporöse Kohlenstoffmaterialien (z. B. Carbon-Aerogel, Kohlenstoffnanoröhren etc.). Höhere Energiedichten können auch durch eine höhere Zellspannung erreicht werden, z. B. durch Kathoden aus Mischoxiden vom Typ LiMPO4 mit (M = Co, Ni, Mn). Durch Substitution der organischen Flüssigelektrolyte durch Polymerelektrolyte und dem Einsatz nanomaterialbasierter keramischer Folien als Separatoren kann die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien deutlich verbessert werden. Derartige Folien, die trotz hoher Stabilität mechanisch flexibel sind, werden von Evonik unter dem Markennamen Separion vermarktet. Die Praxistauglichkeit der Materialien in Hybridelektroautos (HEV) wurde durch ein Testfahrzeug demonstriert, das als erstes in Deutschland zugelassene Hybridauto mit Lithium-Ionen-Batterien seit 2005 bereits über 40.000 km zurück gelegt hat.

Superkondensatoren sind elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren, die sich durch eine hohe Energie- und Leistungsdichte auszeichnen. Sie bestehen aus zwei Elektroden, die von einem Elektrolyten umgeben und durch einen Separator getrennt sind. Da die Ladungskapazität von der Elektrodenoberfläche abhängt, wird durch eine Nanostrukturierung und damit verbundener Oberflächenvergrößerung eine deutliche Leistungssteigerung bei Superkondensatoren erzielt. CarbonAerogele eignen sich als nanoporöse Substanzen aufgrund ihrer extrem großen inneren Oberfläche, einstellbaren Porenverteilung und Porendurchmesser hervorragend als graphitische Elektrodenmaterialien in Superkondensatoren. Mit derartigen Elektrodenmaterialien sollen Superkondensatoren mit Leistungsdichten von mehr als 10 kW / kg möglich sein. Anwendungsbereiche sind mobile Applikationen, bei denen in kurzer Zeit große Energiemengen bereitgestellt oder aufgenommen (z. B. bei der Rückgewinnung der Energie beim Bremsen von Elektroautos) werden müssen.

Durch den Einsatz carbonbeschichteter Nanopartikel für Elektrodenmaterialien lassen sich auch bei anderen Batterietypen wie den Blei- oder Nickelhydridakkus die Lebensdauer und Temperaturstabilität verbessern.

Flexible keramische

Prinzipskizze Carbon-

Membranen, die die

Aerogel-basierter

Temperaturstabilität

Superkondensato-

und damit die Sicher-

ren. Durch die große

heit von Lithium-

Oberfläche der Koh-

Ionen-Batterien erhö-

lenstoffcluster lässt

hen, lassen sich in

sich eine hohe

einem kostengünsti-

Ladungsdichte der

gem „Rolle-zu-Rolle“-

Kondensatoren errei-

Verfahren herstellen.

chen. (Quelle: ZAE)

Kohlenstoffcluster

Elektrolyt Solvatisierte Ionen

(Quelle: Evonik)

Kohlenstoffaerogelelektrode

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Helmholtz Doppelschicht

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines nanostrukturierten Kohlenstoffmaterials. Rechts: Nanostrukturierte Karbonfolien, die als Elektrodenmaterial in Superkondensatoren Anwendung finden. (Quelle: ZAE)

Wasserstoffspeicher Im Bereich der Wasserstoffspeicherung liegen Einsatzmöglichkeiten der Nanotechnologien in erster Linie bei der Optimierung von Feststoffspeichern, die Wasserstoff chemisch oder adsorptiv im Speichermaterial reversibel binden und wieder abgeben. Aussichtsreich erscheinen hier hochporöse Materialien, die Wasserstoff effizient in den Poren adsorptiv binden können, oder komplexe Hydride, bei denen Wasserstoff in der Gitterstruktur chemisch reversibel gespeichert wird. Komplexe Hydride sind salzähnliche Verbindungen aus Wasserstoff und Leichtmetallmischungen, z. B. LiBH4, die gravimetrische Wasserstoffdichten von bis zu 20 % enthalten. Davon ist allerdings nur ein Teil als reversibler Wasserstoffspeicher nutzbar; zudem sind die hohen Temperaturen, die für die Abgabe des Wasserstoffs erforderlich sind, problematisch. Ein anderer Ansatz sind nanoporöse metallorganische Verbindungen, die über sehr hohe Oberflächenwerte von ca. 3400 m2/g verfügen. Damit entsprechen ca. zweieinhalb Gramm dieser Verbindungen der Fläche eines Fußballfeldes. Die derzeit erreichbaren Speicherkapazitäten sind jedoch noch relativ weit von einem möglichen Einsatz als Wasserstoffspeicher in Automobilen entfernt. Es bestehen aber Entwicklungspotenziale, die zumindest für den Betrieb von Brennstoffzellen in mobilen Elektronikgeräten wirtschaftlich umsetzbar erscheinen. Generell besteht jedoch noch ein hoher Forschungsbedarf bei der Entwicklung von Feststoffspeichern.

COOH

+

ZnO

COOH

MOF-5 MOF = Metal Organic Framwork

Wasserstoffspeicher auf Basis organometallischer Verbindungen könnten in Zukunft Mikrobrennstoffzellen für mobile Elektronik versorgen. In der elektronenmikroskopischen Vergrößerung wird die nanoporöse Struktur dieser „Nanowürfel“ deutlich. Zweieinhalb Gramm des Materials besitzen eine innere Oberfläche, die der Fläche eines Fußballfeldes entspricht. (Quelle BASF)

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In einem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt NANOSORB unter Beteiligung von Merck und der Universität Gießen werden Untersuchungen zu Struktureigenschaftsbeziehungen für die Wechselwirkung zwischen Gas und Oberfläche verschiedener nanoporöser Materialklassen durchgeführt, darunter metallorganische Gerüstverbindungen, Organozeolithe und andere organisch-modifizierte Silicaverbindungen. Durch Einsatz von MolecularModelling-Techniken sollen Erkenntnisse in Bezug auf die Optimierung der Porengrößen, -geometrien und -topologien sowie der chemischen Zusammensetzung zukünftig zu generierender Materialien gewonnen werden. Nanostrukturierte Materialien wie Aerogele könnten darüber hinaus aufgrund ihrer exzellenten thermischen Isolationswirkung auch Anwendung bei der Kryospeicherung von flüssigem Wasserstoff finden. Durch hocheffiziente Isolierungen von Flüssiggastanks sollen Energie- und Kraftstoffverluste möglichst klein gehalten werden, um die Wirtschaftlichkeit beim Transport und der Speicherung von verflüssigten Gasen wie Wasserstoff oder Erdgas zu verbessern.

Elementarzelle der metallorganischen Gerüstverbindung Cu3(BTC)2. Diese Verbindung weist zwei verschieden große Porensysteme auf (Durchmesser von ca. 0,9 bzw. 1,1 nm) und besitzt eine sehr hohe Speicherkapazität für gasförmigen Wasserstoff. (Quelle: Uni Gießen)

3.4 Energietransport durch verlustarme Stromleitung und intelligente Netze Verlustarme Stromleitung durch Nanomaterialien Bei der Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitern wurden in den letzten Jahren deutliche Fortschritte gemacht durch die Herstellung von YttriumBarium-Kupferoxid (YBCO) auf metallischen Trägern (sogenannte Coated Conductors, CC), die die Verarbeit- und Anwendbarkeit dieser Materialklasse deutlich erweitert hat. Es konnten bereits Kabellängen von über 600 m realisiert werden. Supraleiter werden in der Energietechnik eine wachsende Rolle übernehmen bei der verlustfreien kabelgebundenen Stromleitung, in Spulenwindungen und Lagern von Elektromotoren sowie bei Fehlerstrombegrenzern in Hochspannungsnetzen. Die wichtigste Herausforderung stellt die Herstellung aller deponierten Schichten (Supraleiter und Pufferschutzschichten) auf chemischem Wege aus preiswerten Vorstufen dar, um die Kosten in den wirtschaftlich interessanten Bereich zu senken. Die Nanotechnologien bieten Ansätze zur Steuerung der Mikro-

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struktur beim Schichtaufbau, beispielsweise durch den gezielten Eintrag von Nanopartikeln als Fremdeinschlüsse in die Gitterstruktur. In einem vom BMBF geförderten Projekt werden derzeit supraleitende nanostrukturierte Systeme aus Sol-Gel-Vorstufen entwickelt. Langfristig könnten auch Kabel aus Kohlenstoffnanoröhren-Kompositen als hocheffiziente Stromleiter eine Alternative für eine verlustarme Stromleitung in Hochspannungsnetzen bieten. Dies wird aber noch deutliche Fortschritte in Bezug auf wirtschaftlichere Herstellungsverfahren und Technologien zur Herstellung langer, gleichförmiger CNTFasern erfordern.

Nanokristalline weichmagnetische Werkstoffe in Transformatoren

Nanostrukturierte Isolationsstoffe für Hochspannungsleitungen

Nanokristalline weichmagnetische Werkstoffe, die beispielsweise durch schnelle Erstarrungsprozesse von Eisenlegierungen hergestellt werden können, eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften wie einer hohen Permeabilität und Temperaturstabilität hervorragend für Anwendungen in der Energietechnik. Einsatz finden derartige Materialien beispielsweise in verlustarmen Transformatoren, elektronischen Energiezählern, Fehlerstrom-Schutzschaltern oder auch leistungselektronischen Komponenten. Die Firma Magnetec aus Langenselbold (Hessen) ist weltweit ein Marktführer bei der Vermarktung dieser nanokristallinen Magnetwerkstoffe als Ringbandkerne für diverse elektrotechnische Anwendungen.

Bei der Stromübertragung in Hochspannungsleitungen steigt die Effizienz mit ansteigender Stromstärke. In Europa erfolgt die Leitung von Strom in der Regel bei ca. 400 kV, während in ausgedehnten Ländern wie China und Indien Hochspannungsnetze mit bis zu 1500 kV angestrebt werden. Durch erhöhte Spannungen sowie die notwendige Stromkompaktierung infolge der Einspeisung dezentraler Energieerzeuger und der Versorgung großer Ballungszentren wachsen die elektrischen und mechanischen Beanspruchungen der Hochspannungsleitungen. Eine zentrale Aufgabenstellung in der Hochspannungstechnik liegt daher in der Weiterentwicklung elektrischer Isoliersysteme, beispielsweise durch Anwendung von Nanomaterialien. Durch das Materialdesign auf der Nanoskala lassen sich die elektrischen Isolationseigenschaften wie die Durchbruchspannung optimieren, beispielsweise durch den Einsatz nanostrukturierter Metalloxidpulver in Varistoren zum Schutz vor Überspannungen in Stromleitungen. In Entwicklung sind multifunktionale, nichtlineare und autoadaptive Isoliersysteme, deren mechanische und elektrische Eigenschaften sich mit der Feldstärke, der Temperatur oder der mechanischen Beanspruchung ändern und den Leistungsanforderungen optimal anpassen.

Nanokristallines Rohband mit nur 18 μm Dicke als Ausgangsmaterial für optimierte induktive Bauelemente (Quelle: Hitachi Metals Europe©)

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Nanooptimierte Leistungselektronik

Intelligente Stromnetze – Smart Grids

Das Umformen und Steuern starker Ströme durch leistungselektronische Komponenten wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Die Leistungselektronik gewährleistet eine verlustarme Stromumformung auf dem Weg zum Endverbraucher, ermöglicht eine Optimierung der Stromausbeute von Windturbinen durch eine Anpassung der Drehzahl an die Windgeschwindigkeit und spielt auch bei der Übertragung von Energie durch längere Seekabel eine zentrale Rolle. Ebenso kann dezentral durch Photovoltaik gewonnene Energie nur nach leistungselektronischer Umformung genutzt werden. Die Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter durch Materialien mit hohem Bandabstand wie SiliziumKarbid wird einen breiten Innovationsschub auslösen und Anwendungen bei hohen Spannungen (Stromnetze oder Bahn) oder hohen Temperaturen (z. B. bei der Steuerung von Motorkomponenten im Automobil) wirtschaftlich erschließen. Die Entwicklung der Leistungselektronik kann stark von den Nanotechnologien profitieren, beispielsweise durch die Optimierung des Schichtdesigns von WideBandgap-Halbleitern oder auch der Anwendung von Kohlenstoffnanoröhren als Verbindungsdrähte für hohe Stromflüsse bei minimierter Wärmeentwicklung.

Die weltweit zunehmende Liberalisierung der Strommärkte wird die Anforderungen an die Flexibilität der Stromnetze zukünftig spürbar erhöhen. Ein transeuropäischer Stromhandel erfordert eine effiziente Energieverteilung auch über große Distanzen, eine flexible Anpassung an temporär stark schwankende Bedarfe sowie eine schnelle Regelbarkeit des Lastflusses, um das Ausmaß von Netzstörungen einzuschränken und das Risiko großflächiger Blackouts einzuschränken. Auch in Bezug auf die wachsende dezentrale Stromeinspeisung aus fluktuierenden regenerativen Stromquellen stößt das bestehende Stromverteilernetz zunehmend auf Grenzen. Für die zukünftige Stromverteilung sind Stromnetze erforderlich, die ein dynamisches Last- und Fehlermanagement sowie eine bedarfsgesteuerte Energieversorgung mit flexiblen Preismechanismen ermöglichen. Nanotechnologien könnten wesentliche Beiträge zur Realisierung dieser Vision liefern, beispielsweise durch nanosensorische und leistungselektronische Komponenten, die die äußerst komplexe Steuerung und Überwachung derartiger Stromnetze bewältigen könnten. Hier bieten miniaturisierte, magnetoresistive Sensoren auf Basis magnetischer Nanoschichten Potenziale, um eine flächendeckende Online-Messung von Strom- und Spannungskennwerten im Stromnetz zu ermöglichen.

Die Übertragung von Strom muss in Zukunft effizienter und flexibler gestaltet werden – nanooptimierte Komponenten wie z. B. Leitungsmaterialien und Isolatoren bieten hier Lösungspotenziale. (Quelle: RWE)

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3.5 Energiesparpotenziale durch Nanotechnologien

Kurzfristig werden Nanotechnologien vor allem im Bereich einer effizienten Energienutzung den größten Effekt im Hinblick auf die Vermeidung von Ressourcenverbrauch und Kohlendioxidemissionen leisten. In nahezu allen Industriebranchen sowie im privaten Sektor bestehen erhebliche Energieeinsparpotenziale durch nanotechnologisch optimierte Produkte und Produktionsanlagen. Eine Vielzahl von Beispielen finden sich in der Broschürenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech zu Anwendungen in den jeweiligen Branchen (z. B. Automobil, Bauwesen, Optik, Produktionstechnik). Einige Beispiele für die relevantesten Anwendungsfelder finden Sie nachfolgend kurz beschrieben. Beleuchtungstechnik Anwendungen der Nanotechnologien im Bereich der Beleuchtungstechnik betreffen in erster Linie die Entwicklung und den Einsatz energieeffizienter LED auf Basis anorganischer und organischer Halbleitermaterialien. Die LED-Technik hat sich aufgrund der kompakten Bauweise, der variablen Farbgestaltung sowie der hohen Energieausbeute bereits große Marktpotenziale in der Beleuchtung von Displays, Gebäuden und Automobilen erschlossen. Die derzeit noch wenig ausgereiften organischen Leuchtdioden bieten das Potenzial für großflächige Beleuchtungsflächen und Bildschirme auf flexiblen Substraten, die sich in vielen Bereichen der Innenausstattung integrieren ließen. Ansatzpunkte der Nanotechnologien ergeben sich beispielsweise für die weitere Optimierung von LED durch Quantum-Dots, mit denen sich Energieeffizienz und Lichtausbeute weiter verbessern lassen. Weiterhin lassen sich durch nanoskalige Leuchtstoffpartikel Streueffekte bei LED minimieren und so die Lichtausbeute steigern. Um die Stabilität der Partikel zu erhöhen, sind Beschichtungen der Partikel erforderlich.

Organische Leuchtdioden (OLED) (Quelle: Merck KGaA, Darmstadt)

Auch die Weiterentwicklung von OLED wird von nanotechnologischen Innovationen abhängen, die u. a. die Optimierung der Bereiche Trägermaterialien, Abfolge und Dicke der Schichten, Einsatz von Dotierstoffen und die Reinheit der eingesetzten Materialien betreffen (siehe Praxisbeispiel Merck).

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Nanoporöse Polymerschäume (rechts in elektronenmikroskopischer Vergrößerung) haben großes Potenzial für hocheffiziente Wärmedämmstoffe. (Quelle: BASF)

Thermische Isolierung durch nanoporöse Materialien Der Energiebedarf für Heiz- und Kühlzwecke in industriellen Bereichen wie bei privaten Verbrauchern hat einen erheblichen Anteil am weltweiten Gesamtenergieverbrauch. Große Einsparungspotenziale ergeben sich hier bei der energetischen Sanierung von Altbauten, die ca. 80 % des Gebäudebestandes in Deutschland ausmachen und einen mehr als doppelt so hohen Heizwärmebedarf haben als nach der aktuellen Wärmeschutzverordnung für Neubauten zulässig ist. Aber auch die Isolation in technischen Prozessen, z. B. beim Transport flüssiger Gase, ist von erheblicher Bedeutung. Nanoporöse Materialien bieten aufgrund einer Porengröße in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle Potenziale für hocheffiziente Dämmmaterialien. Beispiele für derartige Materialien sind Aerogele, die zu 99 % aus Porenvolumen in einem Netzwerk von Nanopartikeln beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen und daher extrem leicht sind. Trotz relativ hoher Herstellungskosten werden erste Pilotprojekte für wärmegedämmte Außenfassaden aus Aerogelmaterialien umgesetzt. (vgl. Band 7 Nanotechnologien im Bauwesen). Entwicklungspotenzial besitzen weiterhin nanoporöse Polymerschäume, deren Herstellung derzeit noch nicht auf

Carbon-Aerogele für Hochtemperatur-Isolierungen (bis zu 3000 °C) (Quelle: ZAE)

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wirtschaftlichem Weg gelingt. Bei diesen nanozellulären Schaumstoffen soll die Größe der Zellen soweit verringert werden, dass sie der mittleren, freien Weglänge eines Gasmoleküls entspricht. Dadurch käme ein Wärmeaustausch, der eine Folge von Zusammenstößen von Gasmolekülen ist, fast vollkommen zum Erliegen. Die resultierenden Schaumstoffe hätten Wärmedämmeigenschaften, die denen von Vakuumplatten ähneln, ohne dass ein Vakuum anzulegen ist. Auf diese Weise könnte die Dämmwirkung eines Schaumstoffs um mehr als 50 % verbessert oder die benötigte Materialdicke für eine gegebene Dämmleistung um mehr als die Hälfte reduziert werden. Die Arbeiten zu diesem Konzept befinden sich momentan noch in der Grundlagenforschung. Kommerzielle Produkte werden daher mittelfristig noch nicht verfügbar sein. Lösungsansätze könnten hier die Polymerisation von organischen Monomeren mit Hilfe von Struktur-Templaten bieten, mit denen die Struktur und Porengröße des Schaumes vorgegeben werden kann.

Energieeffizienz von Produktionsprozessen

Leichtbau durch Nanokomposite

Technische Prozesse in der Industrie, insbesondere in der Grundstoffchemie oder der Metallerzeugung, sind häufig mit hohem Energieeintrag verbunden und tragen wesentlich zu den Betriebskosten bei. Das Potenzial der Energieeinsparung durch Einsatz der Nanotechnologien liegt hauptsächlich im Ersatz bzw. in der Optimierung energieintensiver Reaktionsschritte, beispielsweise durch nanostrukturierte Katalysatoren oder thermische Isolationsstoffe. Die Katalyse spielt bei der Herstellung von mehr als 80 % aller in der chemischen Industrie erzeugten Produkte eine Rolle. Nanostrukturierte Katalysatoren ermöglichen durch eine erhöhte aktive Oberfläche eine verbesserte Reaktionsausbeute oder teilweise auch neue, energetisch günstigere Synthesewege. Als Beispiel sei der Einsatz von Fullerenen als Katalysator in der großtechnisch relevanten Styrolsynthese genannt, wodurch die Reaktionsausbeuten signifikant gesteigert und die Prozesstemperatur deutlich abgesenkt werden kann.

Hochstabile Leichtbaumaterialien können insbesondere im Verkehrssektor zu erheblichen Energieeinsparungen beitragen. Nanomaterialien bieten vielfältige Potenziale, um Gewichtseinsparungen zu realisieren und verschiedene Materialeigenschaften miteinander zu kombinieren, wie z. B.

Bei der Herstellung von Keramiken lassen sich die Sintertemperaturen durch nanoskalige Pulver reduzieren und somit Energie einsparen. Weitere Ansatzpunkte bietet die Mikroreaktionstechnik, d. h. die Steuerung chemischer Prozesse in miniaturisierten Reaktoren mit optimiertem Wärme- und Stoffaustausch. Durch den hochparallelen Einsatz von Mikroreaktoren können Chemikalien z. T. mit deutlich geringerem Energieaufwand hergestellt werden als in großindustriellen Anlagen.

a extrem hohe Festigkeits-Gewichtsverhältnisse, a erhöhte Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit, a verbesserte thermische Belastbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Potenziale für Leichtbaumaßnahmen bieten beispielsweise nanostrukturierte Metall-Matrix-Komposite (MMC) oder auch polymere Nanokomposite. Metall-Matrix-Komposite (MMC) ebenso wie faserverstärkte Titan- und Aluminiumlegierungen besitzen aufgrund ihrer Temperaturstabilität, Festigkeit und der geringen Dichte ein hohes Anwendungspotenzial für Strukturen, insbesondere in der Luftund Raumfahrt. Durch nanoskalige Gefüge der MMC lässt sich eine höhere Festigkeit und Beständigkeit gegen Materialermüdung sowie eine bessere Formbarkeit als bei herkömmlichen MMC erreichen. Nanobasierte Schutzbeschichtungen werden die Anwendbarkeit von Magnesiumlegierungen im Fahrzeugbau erweitern. Im Vergleich zu konventionellen Chrombeschichtungen bieten hier umweltfreundlichere Beschichtungen auf Siliziumdioxid-Basis, die mittels Plasma oder Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden können, einen verbesserten Abrasions- und Korrosionsschutz für Magnesium-Werkstoffe. Auch mit Kohlenstoffnanoröhren verstärkte Polymerkomposite haben das Potenzial für ultraleichte hochfeste Konstruktionswerkstoffe. Für eine Anwendung in der Praxis müssen jedoch noch eine Reihe technischer Probleme hinsichtlich der Ausrichtung und Anbindung in der Polymermatrix sowie weitere Kostensenkungen bei der Materialherstellung erreicht werden.

Mit fullerenartigen Kohlenstoffschichten umhüllter EisenoxidKatalysator (Fe2O3) zur Optimierung der Styrolsynthese (Quelle: Fritz-HaberInstitut)

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4

Praxisbeispiele aus Hessen

4.1 Keramische Wärmedämmschichtsysteme für Turbinenschaufeln

TBC

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Wärmedämmschicht bestehend aus einer Aluminiumoxid-reichen Deckschicht

TGO

(TGO, Thermally Grown Oxide) und Wärmedämmschicht TBC (Thermal Barrier Coating)

Grundwerkstoff Gasturbinenschaufeln von Flug- und Industrieturbinen werden heute in zunehmendem Masse mit keramischen Wärmedämmschichten beispielsweise aus teilstabilisiertem Zirkonoxid versehen. Durch den Einsatz von Wärmedämmschichtsystemen kann, in Verbindung mit einer wirksamen Schaufelkühlung, die Gaseintrittstemperatur von Flug- und Industriegasturbinen auf ein Niveau angehoben werden, das mit ungeschützten Turbinenschaufeln nicht zu erreichen ist. Wärmedämmschichtsysteme als Designelement ermöglichen damit einhergehend eine Verbesserung des Wirkungsgrades einerseits und schließlich eine Reduzierung der Umweltbelastung andererseits. Wärmedämmschichtsysteme bestehen aus Grundwerkstoff, Haftvermittlerschicht und Wärmedämmschicht (TBC, Thermal Barrier Coating). Durch Anund Herunterfahrvorgänge sowie Leistungsänderungen von Gasturbinen und die damit verbundenen Temperaturgradienten und -transienten erfährt das Wärmedämmschichtsystem eine thermomechanische Wechselbeanspruchung. Der Schaufelgrundwerkstoff trägt die mechanischen Beanspruchungen.

If

PA Darmstadt

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Die keramische Wärmedämmschicht dient als Wärmewiderstand und kontrolliert so den Wärmefluss in den Grundwerkstoff. Die Haftvermittlerschicht dient der Anbindung der Wärmedämmschicht, gleicht die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wärmedämmschicht und Grundwerkstoff aus und dient als Oxidationschutz für den Grundwerkstoff. Dies erfolgt bei heutigen Systemen durch Bildung einer Al2O3-reichen Deckschicht (TGO, Thermally Grown Oxide), die im Betrieb zu einer dritten Schicht zwischen Wärmedämmschicht und Metall aufwächst. Dabei dient eine aluminiumreiche Phase

in der Haftvermittlerschicht als Aluminiumreservoir, wodurch die zur Deckschichtbildung erforderliche Aluminium-Aktivität in der Schichtmatrix über einen langen Betriebszeitraum aufrecht erhalten wird. Während sich die metallische Haftvermittlerschicht im LPPS-Verfahren (Low Pressure Plasma Spraying) auf den Schaufelgrundwerkstoff auftragen lässt, wird die Wärmedämmschicht durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS-Verfahren) oder durch Elektronenstrahlaufdampfung (EB-PVD) aufgetragen. Der Einfluss der Oberflächengestalt der Haftvermittlerschicht auf die Lebensdauer von keramischen Wärmedämmschichten ist Gegenstand laufender Untersuchungen zur Rissbildung bis hin zur Delamination, die von der Entwicklung geeigneter Prüfmethoden als auch Konzepten zur Lebensdauerbewertung begleitet werden. Die Forschungsarbeiten werden von der Staatlichen Materialprüfungsanstalt Darmstadt (MPA) und dem Institut für Werkstoffkunde (IfW) der TU Darmstadt vorangetrieben, die gemeinsam ein leistungsstarkes technisch-wissenschaftliches Zentrum mit einer international ausgewiesenen Kapazität in der Werkstoffprüfung und -forschung bilden.

KONTAKT Staatliche Materialprüfungsanstalt MPA Fachgebiet Werkstoffkunde Technische Universität Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Christina Berger Dr.-Ing. Alfred Scholz Grafenstraße 2, 64283 Darmstadt Telefon 06151 16-2151, Fax -6118 www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw

4.2 Nanostrukturierte Katalysatoren für effiziente Membranbrennstoffzellen

Links: Platin-Nanopartikel auf Trägerruß als Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen

Umicore AG & Co. KG ist weltweit führend bei der Herstellung von Autoabgaskatalysatoren und einer Vielzahl edelmetallhaltiger Produkte. Diese Produkte tragen in vielen Fällen wesentlich dazu bei, Prozesse umweltfreundlicher zu machen, oder deren Energieverbrauch zu reduzieren. Ein Forschungsschwerpunkt ist die Membranbrennstoffzelle (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), die als umweltfreundliche und hocheffiziente Energiewandlungstechnik gilt. Stickoxide oder andere Schadstoffe, wie sie bei der herkömmlichen Verbrennung entstehen, fallen bei der PEMFC nicht an. Geplant und auch schon erfolgreich demonstriert wurde der Einsatz in Automobilen, Hausenergieversorgungsanlagen und auch für portable Energieversorgung (Laptop und Handy). Umicore und das Joint-Venture SolviCore entwickeln und produzieren Katalysatoren und sogenannte Membran-Elektroden-Einheiten als Schlüsselkomponenten für diese neue Technologie. Entscheidend für den Einsatz der Katalysatoren in Membranbrennstoffzellen ist die nanofeine Verteilung des Edelmetalls und seine stabile Verbindung mit dem Katalysatorträger. Damit wird der katalytische Effekt pro eingesetztem Gramm Edelmetall gesteigert und so ein Beitrag zur Ressourcen-Schonung der wertvollen Einsatzstoffe und zur Kostenreduktion geleistet.

Umicore ist ein internationales MaterialtechnologieUnternehmen mit Sitz in Brüssel. Das Unternehmenmit 9 Mrd. € Umsatz ist mit 18.000 Mitarbeitern in über 75 Ländern der Welt aktiv. Die Aktivitäten konzentrieren sich auf die Geschäftssegmente Advanced Materials, Precious Metals Products and Catalysts, Precious Metals Services und Zinc Specialties.

Rechts: Schematischer Aufbau einer MembranElektroden-Einheit

In Hessen ist die Gruppe mit der Umicore AG & Co. KG im Industriepark Hanau-Wolfgang vertreten. Dort sind rund 1.200 Mitarbeiter in den Geschäftsbereichen Automotive Catalysts, Precious Metals Chemistry, Precious Metals Services, Electronic Materials,Platinum Engineered Materials und Electrotechnical Materials tätig.

KONTAKT Umicore AG & CO KG Dr. Ralf Zuber [email protected] Postfach 1351, 63403 Hanau Telefon 06181 59-2556, Fax -72556 www.umicore.de

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4.3 Neue Materialien für die Photovoltaik

Schematischer Aufbau (Grafik) und Prototyp einer flexiblen Polymer-Solarzelle (Foto rechts oben)

Schematische Darstellung des Rolle-zu-Rolle Herstellungsprozesses von Dünnfilm-Solarzellen

Solarenergie wird in der Zukunft einen ganz wesentlichen Teil der Energieversorgung ausmachen. Sowohl im Science-to-Business-Center der Creavis Technologies & Innovation als auch im Projekthaus Functional Films & Surfaces in Hanau wird im Bereich Solar geforscht. Die Creavis entwickelt neue photovoltaische Materialien und die dazugehörigen Technologien für den Einsatz in kostengünstigen, flexiblen Solarzellen. Nanostrukturierte Materialien haben andere Eigenschaften als die bisher verwendeten Materialien. Dies betrifft zum Beispiel die für die Photovoltaik wichtige Lichtabsorption. Nanodispersionen sind zudem druckbar, was die Produktion der Solarzellen erleichtern kann. Wenn es gelingt, die heute benötigten Silizium-Wafer durch dünne, druckbare photovoltaische Schichten zu ersetzen, wird die Produktion mechanisch flexibler Solarzellen in hoch produktiven Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren möglich. Die Wirkungsgrade können durch nanostrukturierte Materialien in der Zukunft von heute 20 Prozent auf über 50 Prozent gesteigert werden. Das Kostenziel für solche Photovoltaiksysteme liegt bei 1 Euro pro installierte Leistung von einem Watt. Das Projekthaus Functional Films & Surfaces beschäftigt sich mit verschiedenen Entwicklungsthemen. Im Bereich der Substrate für Hochtemperaturprozesse sollen Materialien entwickelt werden, die für mehr als 10 Minuten im Hochvakuum Temperaturen jenseits der 500 Grad Celsius aushalten. Mit Ausnahme von Polyimid und Stahlfolie gibt es heute kaum Substrat-Materialien, die sich für solche Anwendungen eignen. Evonik möchte hierzu Alternativen zur Verfügung stellen. Die Herausforderung besteht darin, die heute am Markt verfügbaren Substrate, wie zum

BarrierefilmRolle

flexible Substratrolle

Prozessierbarkeit von Nanomaterialien Hohe Produktivität durch Druckprozesse zugänglich Nanopartikel

Druck des Vorderseitenkontaktes flexibles, leitfähiges Substrat Antireflexbeschichtung Druck des Druck des p-Halbleiters Druck des n-Halbleiters Rückseitenkontaktes

Beispiel die Polyimid-Folie, in ihren Eigenschaften zu übertreffen. Trotzdem muss das Material zu einem realistischen Preis verfügbar sein, um die Herstellungskosten von flexiblen Solarzellen deutlich zu verringern. Im Bereich der Barrierefolien wollen die Projekthaus-Forscher auf Basis von bereits bestehenden Evonik-Materialien eine Barrierefolie entwickeln, die alle Eigenschaften der bisher aus mehreren Schichten bestehenden Materialien vereint. Um dies zu erreichen, sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. Aus Sicht der Nanotechnologie ist hier insbesondere an die Funktionalisierung der Oberfläche zu denken. Dabei kann Evonik auf bekannte Technologien im Hause ebenso zurückgreifen wie auch auf Ergebnisse aus vorangegangenen Projekthäusern. Die intelligente Kombination von Verfahren und Materialien soll in Zusammenarbeit mit externen Partnern realisiert werden.

KONTAKT flexible SolarzellenRolle

Evonik Industries AG Project House Functional Films & Surfaces Creavis Technologies & Innovation Dr. Jochen Ackermann [email protected]

Rückkontakt

Photovoltaische Schicht Deposition

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Frontkontakt Verkapselung

Rodenbacher Chaussee 4, 63457 Hanau-Wolfgang Telefon 06181 59-6375, Fax -2391 Mobil 0179 7828333 www.evonik.com

4.4 Nanotechnologie für eine effizientere thermoelektrische Energiewandlung

zT

3,5

Berechnete Thermoelektrische Effek-

3

tivität zT für Bi-Nanodrähte (nach L.

2,5

Yu-Ming et. al., Appl. Phys. Lett. 81 (2002), 2403) und Bismuth-Nano-

2 1,5

draht (Herstellung durch GSI Darm-

1

stadt, Abteilung Materialforschung) mit elektrischer Kontaktierung zur

0,5

Messung der thermoelektrischen

0 0

10

20

30

40

50

60

70

Nanodraht-Durchmesser (nm)

Thermoelektrische Konverter wandeln Wärme direkt in elektrische Energie. Beispiele für thermoelektrische Energiewandler sind Thermogeneratoren und thermoelektrische Sensoren. Als Materialien für solche Bauelemente wurden bisher p- und n-dotierte Halbleiter mit Ladungsträger-Konzentrationen im Bereich von 1019/cm3 eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Energiewandlung hängt wesentlich von der Thermoelektrischen Effektivität z = α2σ / λ der eingesetzten Materialien ab, die durch deren SeebeckKoeffizienten α, ihre elektrische Leitfähigkeit σ und ihre Wärmeleitfähigkeit λ bestimmt ist. Mit den effektivsten thermo-elektrischen Massivmaterialien erreicht man gegenwärtig bei verschiedenen Temperaturen T jeweils Werte, die nur unwesentlich die „Grenze“ zT = 1 überschreiten. Dadurch bleibt der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren in der Regel unter 10 %.

Eigenschaften (IMtech)

erfolgt. Das Bild oben zeigt die berechneten Werte von zT für Bismuth-Nanodrähte als Funktion des Drahtdurchmessers und die REM-Aufnahme eines Bi-Nanodrahtes, der so präpariert wird, dass man seine thermoelektrischen Eigenschaften experimentell bestimmen kann. Nanodrähte mit hohen zT-Werten können sowohl für die Energiewandlung als auch zum Aufbau extrem sensitiver thermoelektrischer Sensoren eingesetzt werden.

Schematischer Aufbau von PbTe/PbEuTeMulti-Quantum-WellStrukturen hoher thermoelektrischer Effektivität und REM-Aufnahme einer MQW-

n-PbTe (dwell = 10 nm) n-Pb1-xEuxTe (dBarriere = 12 nm)

Struktur aus thermoelektrischen PbTe-WellSchichten (Dicke 10 nm) und dazwischenliegen-

Substrat

den Barriere-Schichten (Herstellung durch

Für nanoskalige thermoelektrische Materialien zeigen festkörperphysikalische Berechnungen, dass die thermoelektrische Effektivität beträchtlich gesteigert werden kann. Experimentell konnten Werte von zT > 2 in Multi-Quantum-Well-Strukturen (MQW) nachgewiesen werden. Das sind Schichtstapel aus nur wenige Nanometer dicken Well-Schichten mit dazwischenliegenden ebenso dünnen Barriereschichten (Bild rechts). Der Ladungs- und Wärmetransport wird in diesen MQW auf die Bereiche der Well-Schichten „konzentriert“ (confinement). Noch größere Steigerungen der thermoelektrischen Effektivität sind zu erwarten, wenn der Ladungs- und Wärmetransport quasi eindimensional in Nanodrähten

Molekularstrahlepitaxie; FhG-IPM Freiburg)

KONTAKT Fachhochschule Wiesbaden Institut für Mikrotechnologien (IMtech) Prof. Dr. F. Völklein, [email protected] Am Brückweg 26, 65428 Rüsselsheim Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH, Darmstadt, Abteilung Materialforschung Dr. Th. Cornelius, [email protected] Planckstraße 1, 64291 Darmstadt

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4.5 Hocheffiziente und kompakte Energieumwandlung mit nanokristallinen Ringbandkernen Stromkompensierte

formatoren nicht nur um Faktoren kleiner ausgelegt werden, sondern sie ermöglichen ebenfalls den Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen (typisch 100kHz). Dadurch steigt der Wirkungsgrad von Geräten und Anlagen deutlich bei gleichzeitig reduzierten Abmessungen und Gewicht.

Funkentstördrossel auf Basis von nanokristallinen NANOPERM®-Materialien. Die Bauteile dämpfen leitungsgebundene Störungen in Strom-

Die sonstigen Anwendungsschwerpunkte von NANOPERM® liegen im Bereich der Installationstechnik (FI-Schalter), der elektromagnetischen Verträglichkeit im Allgemeinen (EMV-Filter) und der modernen elektronischen Energiezähler.

versorgungsnetzen.

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer nanokristallinen weichmagnetischen Eisenlegierung (Quelle: Hitachi Metals Europe©)

Rechts Hintergrund: Nanokristallines Rohband mit nur 18 μm Dicke als Ausgangsmaterial für optimierte induktive

Bei der Gewinnung und Aufbereitung erneuerbarer Energieformen, wie z. B. in der Wind- und Solarenergietechnik, steht die Effizienz des Prozesses an erster Stelle, um möglichst viel des kostbaren Guts für den Endverbraucher nutzbar zu machen bzw. eine optimale Einspeisevergütung zu erlangen. Daher kommen in den elektronischen Schaltungen zur Energieumwandlung immer öfter nur die leistungsfähigsten Komponenten zum Einsatz, weil sich gerade in diesen Anwendungsgebieten eine „Investition in höchste Qualität“ besonders schnell amortisiert.

Aufgrund der technischen Überlegenheit entscheiden sich immer mehr Anwender, vor allem aus dem Bereich der erneuerbaren Energien, für die neuartigen Bauelemente mit nanokristallinen Ringbandkernen der MAGNETEC, die mittlerweile über 400 Mitarbeiter beschäftigt. Im Frühjahr 2007 wurde das Unternehmen mit einem Innovationspreis der Initiative Mittelstand ausgezeichnet. Weltweit gibt es weniger als 10 Unternehmen, die derartige Komponenten produzieren.

Bauelemente (Quelle: Hitachi Metals Europe©)

Rechts Vordergrund: Mit NANOPERM® lässt sich eine breite Palette von induktiven Bauelementen optimieren.

58

Die MAGNETEC GmbH fertigt seit fast 25 Jahren hochwertige induktive Bauelemente für Industrieanwendungen. Vor ca. 8 Jahren wurde mit der Produktion von Ringbandkernen aus dem neuartigen nanokristallinen Material NANOPERM® begonnen. Dieser weichmagnetische Werkstoff, der zunächst in Form von 20 mm dünnen Bändern vorliegt, ist im Ausgangszustand in seiner inneren Struktur amorph und magnetisch neutral. Ihm werden durch eine speziell ausgelegte Wärmebehandlung unter Schutzgas und mit präzise einstellbaren Magnetfeldern magnetische Eigenschaften dauerhaft eingeprägt, die vor zehn Jahren noch kaum vorstellbar waren. Dadurch können z. B. Magnetkerne, Drosselspulen und Trans-

KONTAKT MAGNETEC GmbH Dr. Martin Ferch [email protected] Industriestraße 7, 63505 Langenselbold Telefon 06184 9202-27, Fax -20 www.magnetec.de

4.6 Nanostrukturierte Hochtemperatursupraleiter zur verlustarmen Stromübertragung

Zwillings-Domänengrenze mit charakteristisch deformierten Zwillingslamellen. Dicht verteilte Y2O3Einschlüsse von 5 nm Größe sind zu erkennen.

Teilchengrößenverteilung eines keramischen Ausgangspulvers

Die gestiegenen Kosten für Energie sowie die Notwendigkeit zur Umweltverantwortung zwingen insbesondere in der Energietechnik zu einem sorgfältigen und effizienten Ressourcenumgang. In der elektrischen Energietechnik hilft der Einsatz von tiefgekühlten und verlustarmen Hochtemperatursupraleitern (HTS) in Systemen wie z. B. Motoren / Generatoren, Transformatoren, Strombegrenzern, Stromübertragungskabeln und Energiespeichern bei dieser Zukunftsaufgabe. Die HTS sind High-Tech-Werkstoffe auf Oxidkeramikbasis, die zu technisch verwendbaren Leitern prozessiert werden. Die HTS zeigen den makroskopischen Quanteneffekt „Supraleitung“ durch Ausnutzung und Kontrolle des Materials auf Nano-Skala. Zur Herstellung der HTS werden verschiedene Fertigungsarten angewandt. Diese reichen von der Flachdrahtherstellung aus einem mit Pulver gefüllten Rohr bis zu Dünnschichtbeschichtungstechniken. Es kommen sowohl chemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Allen Prozessen gemein ist die Notwendigkeit der Erzeugung von nanoskaligen Strukturen unter Gewährleistung einer Homogenität über eine Längenskala von Kilometern. Bei der Drahtherstellung aus einem Rohr liegen die Keramiken zu Beginn der Herstellung als Pulver vor. Dieses Pulver weist sowohl „gröbere“ Teilchen (Korngrößen ca. >2 µm) als auch einen ca. 10-prozentigen Nano-Anteil auf (Abb. oben links). Der Nano-Anteil ist der Schlüssel zur Qualität und Leistungsfähigkeit des Werkstoffes, denn dieser verbindet bei der Sinterung die großen Körner derart, dass deren Stromtragfähigkeit erst zu einer makroskopisch nutzbaren

Eigenschaft wird. Die Korrelation auf atomarer Ebene ist somit entscheidend für die Qualität und Stromtragfähigkeit des Werkstoffes. Die Stromtragfähigkeit der HTS wird insbesondere dadurch gesteigert, dass mit magnetischem Fluss gefüllte Bereiche (Flussfäden) durch nanoskalige Haftzentren an der Bewegung gehindert werden (Abb. unten rechts). Andernfalls würde durch die Bewegung dieses Bereichs Verlustenergie benötigt. Abhängig vom gewählten Fertigungsverfahren werden zur Erzeugung von Haftzentren z. B. Ausscheidungen oder Zwillingsdomänen (s. Abb. oben rechts) genutzt, um die verlustbehaftete Bewegung der Flussfäden zu behindern. So können bei der Dünnfilmbeschichtung z. B. sogenannte Nanodots, d. h. Fremdphasen wie z. B. Yttriumoxid (Y2O3) auf Nanometerskala (ca. 35 nm in feindispersiver Form erzeugt oder zugesetzt) die Flussfäden festhalten und so zu einer Leistungsverbesserung der HTS beitragen.

Schematische Darstellung eines Flussfadens

< 15 nm

KONTAKT European High Temperature Superconductors GmbH & Co. KG Reinhard Dietrich [email protected] Ehrichstraße 10, 63450 Hanau Telefon 06181 4384-4062, Fax -4453 www.bruker-ehts.com

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4.7 Hocheffiziente Heizgeräte zur Wärmeversorgung von Gebäuden auf Basis nanoporöser Materialien

Die Anstrengungen zur Vermeidung bzw. Reduzierung von CO2-Emissionen einerseits und der starke Preisanstieg bei fossilen Brennstoffen anderseits Kondensator lassen zukünftig eine hohe WachsBrennertumsrate für den Einsatz ressourcenDrossel Desorber wärme schonender Heizgeräte erwarten. AufVerdampfer grund dieser Marktentwicklung entwiRückschlagckelt Viessmann ein gasbetriebenes klappe Zeolith-Heizgerät als innovativen Beitrag zur Steigerung der EnergieumwandRückschlagklappe lungseffizienz und Emissionsminderung Kondensator im Bereich der Beheizung von Ein- und Zweifamilienhäusern. Hierbei handelt Nutzwärme Drossel Adsorber es sich um eine Kombination zwischen Verdampfer einer Zeolith-Wasser-AdsorptionswärmeRückschlagpumpe und einem Gas-Brennwertkessel. klappe Das Ziel der Adsorptionswärmepumpe twel Umrme ist es, durch Einkopplung von Niederwä temperaturwärme in den Arbeitsprozess Nutzwärme auf einem höheren TemperaturniPrinzipbild einer periodisch arbeitenden veau zur Verfügung zu stellen. Der Arbeitsprozess Adsorptionswärmeberuht darauf, dass der Dampfdruck des Kältemitpumpe tels bei gegebener Temperatur mit zunehmender Konzentration des Adsorptionsmittels abnimmt. Dadurch kann das Kältemittel, z. B. durch Zufuhr von Umgebungswärme, auf niedrigerem Temperaturniveau verdampfen und bei der Temperatur, bei der die Nutzwärme bereitgestellt werden soll, adsorbiert werden. Dazu wird ein Mehrstoffgemisch als Arbeitsstoffsystem eingesetzt, das bei der ViessmannEntwicklung aus einem Zweistoffsystem mit dem flüchtigen Kältemittel Wasser und dem festen Sorptionsmittel Zeolith besteht. Zeolithe sind kristalline, hydratisierte Alumosilicate mit einer nanoporösen Gerüststruktur. Die Adsorptionseigenschaften der Zeolithe beruhen auf der großen inneren Oberfläche von 800 bis 1100 m²/g sowie hohen elektrostatischen Adsorptionskräften, die insbesondere bei polaren Molekülen wie z. B. Wasser oder Ammoniak in hohem Maße Adsorptionswärme freisetzen. Dadurch besitzen Zeolithe ein großes Potenzial, Energieumwandlungsprozesse mit deutlich höherem Wirkungsgrad zu gestalten. rme zwä Nut Rückschlagklappe

e

r

Prinzipiell besteht eine Adsorptionswärmepumpe aus einem mit zwei Rückschlagklappen versehenen Sorber-Wärmeübertrager, der je nach Betriebsphase als Desorber bzw. Adsorber fungiert. Dazu gehören die herkömmlichen Komponenten einer Wärmepumpe,

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nämlich Kondensator, Drossel und Verdampfer. In der Desorptionsphase (Abbildung e) wird der Zeolith mit Hilfe der Wärme aus einem Gasbrenner getrocknet. Das an Zeolith gebundene Wasser wird ausgetrieben. Dadurch steigt der Druck im Desorberbauraum, was dazu führt, dass die Rückschlagklappe Richtung Verdampfer geschlossen wird und die Richtung Kondensator geöffnet wird. Der ausgetriebene Wasserdampf strömt dann in den Kondensator und gibt dabei seine Verflüssigungsenergie als Nutzwärme an das Heiznetz ab. Dieser Teilprozess läuft solange, bis der Zeolith die maximale Prozesstemperatur erreicht hat. Am Ende dieser Desorptionsphase wird der SorberWärmeübertrager hydraulisch umgeschaltet, sodass dieser vom Heiznetzwärmeträgermedium durchströmt wird. Dadurch sinken Druck und Temperatur im Sorberbauraum, was dazu führt, dass die obere Rückschlagklappe geschlossen wird. Sobald der Druck im Sorberbauraum unter den Druck im Verdampferbauraum gesunken ist, öffnet sich die untere Klappe, sodass der Verdampferraum mit dem Sorberraum (Abbildung r ) verbunden wird. Der Druck des im Kondensator verflüssigten Kältemittels wird in der Drossel herabgesetzt, so dass dieses unter Aufnahme von Umgebungswärme im Verdampfer verdampft. Der Kältemitteldampf strömt dann in den jetzt als Adsorber fungierten SorberWärmeübertrager und wird dort vom Zeolith gebunden. Die dabei freiwerdende Adsorptionswärme (Summe der Kondensations- und Bindungswärme des Wasserdampfes in den Zeolithgefügen) wird an den Heizkreislauf als Nutzwärme abgeführt. Durch die zusätzliche Einspeisung von Umgebungswärme in den Prozess können Wirkungsgrade von bis zu 135 % bezogen auf den Heizwert erreicht werden, die herkömmliche Brennwertgeräte mit einem maximalen Wirkungsgrad von 111 % deutlich übertreffen. Dies entspricht einer Minderung des CO2-Ausstoßes um 20 % im Vergleich mit dem Stand der Technik bei der Gasbeheizung von Ein- und Zweifamilienhäusern.

KONTAKT Viessmann Werke GmbH & Co. KG Dr.-Ing. Belal Dawoud [email protected] Viessmann Straße 1, 35107 Allendorf / Eder Telefon 06452 70-3410, Fax -6410

4.8 Nanobeschichtungen zur Versiegelung von Metalloberflächen

Das Bild zeigt die Verschleißschutzschicht einer Nockenwelle. Die stärkste Beschichtung findet im Bereich des größten Druckes an der höchsten Stelle des Nockens statt.

Die Firma REWITEC aus Lahnau befasst sich mit Verschleißschutzschichten und tribologischen Eigenschaften von metallischen Komponenten. REWITEC ist es gelungen, eine Nanobeschichtung zu entwickeln, die im laufenden Betrieb verschlissene Metalloberflächen wiederherstellt und dauerhaft vor Abrieb und Verschleiß schützt. Die Nanoschichten bieten selbst unter extremsten Umgebungsbedingungen Schutz für Verbrennungsmotoren, Getriebe, Kompressoren und Lager aller Art. Die REWITECBeschichtungstechnologie basiert auf Modifizierung der Oberflächenstruktur von reibenden Metallteilen und der Bildung einer neuen, nanoglatten Metallsilikat-Schicht, deren Oberflächenrauigkeit im Bereich weniger Nanometer liegt. Die aktiven Komponenten des REWITEC-Wirkstoffes bestehen aus einer Mischung von verschiedenen synthetisierten Silikatverbindungen. Diese reagieren durch die im Reibungsbereich entstehenden hohen Temperaturen und Drücke mit den Metalloberflächen. Aus dem ursprünglichen Metall-Metall-Reibungspaar entsteht so ein Metallsilikat-Metallsilikat-Reibungspaar mit verbesserten tribologischen Eigenschaften. In der Praxis wird der REWITEC- Wirkstoff dem Originalschmierstoff zugegeben und über diesen in die Reibungsbereiche gebracht. Dort wird er nach weni-

gen Betriebsstunden vollständig umgewandelt, wobei die Eigenschaften des Schmiermittels nicht beeinflusst oder verändert werden. Die Korngrößen der im REWITEC-Wirkstoff enthaltenen Partikel liegen im Bereich von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern. Im Hinblick auf die Formulierung von gebrauchsfertigen Schmiermitteln beschäftigt man sich im Hause REWITEC jedoch zunehmend mit dem Einsatz von reinen Nanopartikeln. Für ihre innovativen Nanobeschichtungen für tribologische Systeme ist REWITEC als Finalist des Innovationspreises der Deutschen Wirtschaft 2008 ausgezeichnet worden. Einsatzbereiche Die REWITEC Nanobeschichtung kommt in tribologischen Systemen zum Einsatz, in denen metallische Oberflächen aneinander reiben. Sie verlängert die Lebensdauer und erhöht die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen. Durch die deutliche Reduzierung des Ausstoßes von CO-, HC-, NOx - und Dieselruß in Verbrennungsmotoren leistet sie zudem einen wertvollen Beitrag zum Umweltschutz. In folgenden Anwendungen wurde die REWITEC Nanobeschichtung bereits erfolgreich eingesetzt:

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Die Bilder zeigen zwei Schneckengetriebe, die ohne Schmier-

Laufflächen von Kugellager-Innenringen nach 50 Stunden Dauer-

mittel im Notlauf betrieben wurden. Nach 15 Minuten Dauer-

betrieb im Emüdungsbereich. Das linke Kugellager wurde mit

betrieb zeigt die Oberfläche des linken unbehandelten Zahn-

einem Spezial-Lagerschmierstoff betrieben. Es zeigt Verschleiß.

rades sehr starke Fressspuren. Bei dem vorher mit REWITEC

Auf der Kugellauffläche ist deutlich Pittingbildung, d. h. die Bildung

behandelten rechten Zahnrad sind keine Verschleißspuren

von Vertiefungen, zu erkennen. Das rechte Kugellager wurde mit

erkennbar.

dem gleichen Spezial-Lagerschmierstoff betrieben, der mit REWITEC additiviert wurde. Es zeigt keinen Verschleiß. Auf der Kugellauffläche ist eine Verschleißschutzschicht entstanden.

Schematische Darstellung des REWITEC Beschichtungsprozesses: 1. Reibungen in Motoren und Getrieben lassen hohe Oberflächen-Temperaturen entstehen, die den chemischen Verbindungsprozess des REWITEC-

a Industrieanlagen (Getriebe aller Art, Generatoren und Blockheizkraftwerke, Verbrennungsmotoren, Kompressoren, Wälz- und Gleitlager, Hydrauliksysteme, Pressen und Stanzen, Werkzeug- und Druckmaschinen, Kettenförderer, Zahnstangen und Ritzel)

Konzentrats in Kraft setzen. 2. Die weichen Silikat-Partikel reinigen nicht nur die reibenden Metalloberflächen, sondern bauen schrittweise eine verschleißfeste MetallsilikatOberfläche auf. 3. Diese neue Oberfläche verbessert die ursprünglichen Metalleigenschaften hinsichtlich Reibung und Verschleiß deutlich.

a Schiffe (Hauptmotoren (2-Takt, 4-Takt), Hilfsdiesel, Haupt-, Winden-, Kran- und Steuerrudergetriebe, Separatoren, Kompressoren, Wälzund Gleitlager) a Nutzfahrzeuge, PKW und Eisenbahnen (Benzinund Dieselmotoren, Getriebe, Hinterachsen und Differentiale, Gelenke und Gelenkwellen, Kompressoren, Wälz- und Gleitlager) Windkraftanlagen (Getriebe, Wälz- und Gleitlager)

KONTAKT REWITEC GmbH Felix Altenheimer [email protected] Dr.-Hans-Wilhelmi-Weg 1, 35633 Lahnau Telefon 06441 44599-0, Fax -25 Mobil 0173 6848570 www.rewitec.com

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4.9 OLED-Materialien aus Darmstadt beleuchten die Welt

Die Wurzeln der Merck KGaA reichen bis in das Jahr 1668 zurück. Es ist somit das älteste pharmazeutischchemische Unternehmen der Welt. Bei Merck wurde in den letzten Jahren viel in die OLED-Technologie investiert, die als nächste Generation für Anzeigen und Displays gehandelt wird. OLED steht für „Organic Light Emitting Diode“ und beschreibt das Phänomen, dass dünne Schichten aus halbleitenden organischen Materialien unter Anlegen eines elektrischen Feldes Licht emittieren können (Elektrolumineszenz). Die Farbe wird durch die chemische Struktur des Emitters bestimmt, gleichzeitig ist die Größe der leuchtenden Flächen über mehrere Größenordnungen variabel. Diese neuartigen Anzeigen überzeugen durch ihre überragende Farbbrillanz gekoppelt mit kurzen Schaltzeiten und finden deshalb eine hohe Akzeptanz beim Betrachter. Der Einsatz von OLEDs in Produkten mit hochauflösenden Displays ist bereits mehrfach realisiert worden. Merck zählt bei der Erforschung, Herstellung und Entwicklung von Materialien hoher Reinheit für Anwendungen in organischen Leuchtdioden zu den weltweit führenden Unternehmen. Zunehmende Beachtung findet in jüngster Zeit neben der Verwendung in OLED-Displays die Möglichkeit, die ultraflachen OLED-Bauteile für Beleuchtung zu verwenden. Die OLED-Technologie erlaubt es zum ersten Mal, eine hoch effiziente flächige Leuchte herzustellen, die eine stufenlose Einstellung der Helligkeit erlaubt, die jede beliebige Farbnuance bietet und gleichzeitig weniger als 1mm dick sein kann. Neben den reinen Leistungsdaten der OLEDs spielen aber gerade für Designer ganz andere Bauteileigenschaften eine entscheidende Rolle. Die diffuse und damit blendfreie Lichtabstrahlung der Leuchtflächen ermöglicht die Verwirklichung völlig neuartiger Beleuchtungskonzepte. Der leuchtende Himmel im Automobil oder die leuchtende Wand im eigenen Heim sind nur zwei Beispiele hierfür. So wurden in den letzten beiden Jahren zusammen mit den Designern Hannes Wettstein und Ingo Maurer Prototypen für ambiente Beleuchtung entwickelt, die bereits auf mehreren Messen das Publikum durch ihren neuen Charme begeisterten. Neben einer Stehtischlampe wurde eine mit Leuchtkacheln versehene Glastischplatte sowie eine flexible Deckenbeleuchtung vorgestellt.

Der OLED-Aufbau erfolgt prinzipiell schichtweise durch Einlagerung nanometer-dünner Filme zwischen zwei Elektroden, die durch Anlegen einer Spannung zur Emission von Licht angeregt werden. Die Helligkeit lässt sich leicht durch Regelung der Spannung im Bereich von 3 bis 8 Volt einstellen. Verwendet werden als Materialien in den dünnen Schichten je nach Bauteilhersteller sogenannte „Kleine Moleküle“, die im Hochvakuum definiert aufgedampft werden oder aber langkettige Moleküle (Polymere), die den Einsatz der lösungsbasierten Aufbringung aus der Flüssigphase erlauben. Das Potenzial der OLED-Technologie fest im Blick, ist man sich in Wissenschaft und Industrie einig, dass hier eine revolutionierende Technologie heranreift. Erklärtes Ziel der Merck KGaA ist es, analog dem Flüssigkristallgeschäft Entwicklung und Produktion von innovativen OLED-Materialien in Deutschland zu halten und damit ein zukünftiges Kerngeschäft zu etablieren. Organische Halbleiter spielen auch in der organischen Photovoltaik eine Schlüsselrolle. Merck setzt sein Know-how in der von der Bundesregierung und deutschen Industrieunternehmen initiierten Forschungsinitiative Organische Photovoltaik ein.

OLED-Beleuchtungskörper (Quelle: Merck KGaA, Darmstadt)

Kathode ElektronenInjektionsschicht 100 bis Rekombinationsschicht 200 nm Lochtransportschicht Lochtransportschicht

U– U+

Lichtemission

transparente Anode Substrat

Schematischer Aufbau einer OLED (Quelle: Merck)

KONTAKT Merck KGaA 64271 Darmstadt Telefon 06151 72-0 www.merck4displays.com

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4.10 Nanotechnologie in der Energieforschung – TUD Energy Center Energiebedarf, Entwicklung,ökologische und wirtschaftliche Aspekte

Eine nachhaltige und ökonomisch konkurBewertung, Risiko-Nutzenrenzfähige EnergieAnalyse wirtschaft beruht auf einem sich wandelnForschung, Studenten, ForschungsTraining, VorEntwicklung, Experten, institute der Ausbildung stand den Energiemix verAnwendung Professoren TUD schiedener Energieträger, in dem stetig Dienstleistung, Öffentlichkeitsarbeit, effizienzgesteigerte Demonstration „klassische EnergieÖffentlichkeit, Industrie,Entscheitechnologien“ mit dungsträger, Haushalte, Verbraucher innovativen „Regenerativen EnergieAufgabenprofil des technologien“ integriert sind. Das TU Darmstadt Energy Centers der Energy Center hat das Ziel, auf allen TechnologieTU Darmstadt Ebenen (Primärenergiequellen, Energiewandler, -speicher, -transport) inter- und transdisziplinär die wissenschaftliche Basis für den kontinuierlichen Übergang von den heute dominierenden kohlenstoffbasierten, nicht erneuerbaren Energiequellen zu erneuerbaren und umweltfreundlichen Energiequellen zu erarbeiten. Dazu wird die anerkannte, bislang jedoch nicht koordinierte Forschung und Expertise in den unterschiedlichen Fachbereichen der TU Darmstadt zusammengeführt, um in Ausbildung, Forschung, Chancenbewertung und Dienstleistung zur Entwicklung nachhaltiger Energietechnologien beizutragen. Die institutionalisierte Zusammenarbeit zwischen Hochschule, Industrie, Regierung und Öffentlichkeit ist integraler Teil des Konzepts, um den vielfältigen Wechselbeziehungen zwischen Energie- und Umweltfragen, aber auch den technologischen, ökonomischen und sozialen Implikationen einer nachhaltigen Energiezukunft gerecht zu werden. TUD ENERGIE ZENTRUM

Viele innovative Energiesysteme beruhen auf Nanotechnologie. Als Beispiele für Forschungsthemen der TUD, in denen neue Materialien und Materialkombinationen im Nanometermaßstab zur Entwicklung neuartiger Energiesysteme genutzt werden, sind zu nennen: a Optimierung von Dünnschichtsolarzellen für eine preiswertere direkte Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht. Mit anorganischen Absorbermaterialien wird der Wirkungsgrad durch die Struktur und die elektronischen Eigenschaften der homogenen und heterogenen Phasengrenzen im Submonolagen- bis in den Mikrometer-

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bereich bestimmt. In zwei-dimensionalen und drei-dimensionalen Hybrid- und Kompositmaterialien aus organisch / anorganischen Halbleitern muss der Transport der Ladungsträger im Nanometerbereich kontrolliert werden. a Verbesserte Energiespeicher wie Li-Ionen-Batterien werden durch Perkolationsstrukturen aus elektronisch leitenden C-Nanoröhren mit aktiven Lithium ein- und auslagernden Nanokristalliten hergestellt. a Neuartige Gasspeicher entstehen aus Nanometerporen enthaltenden metallorganischen Netzwerken. a Katalysatoren zur Umwandlung von Biomasse oder Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen bestehen aus metallischen Nanoteilchen auf porösen oxidischen oder graphitischen Trägermaterialien. a Keramische nanometerdicke Schutzschichten dienen zur Erhöhung der Temperaturstabilität von Turbinenwerkstoffen und damit zur Steigerung ihres Wirkungsgrades. Durch vielfältige Rückkopplungsprozesse müssen jeweils ausgehend von spezifisch zu entwickelnden Syntheseund Prozessierungsverfahren die gewünschten Funktionseigenschaften erforscht, charakterisiert und optimiert werden, bevor gezielt die gewünschten Bauelemente und Systeme für die Anwendung entwickelt werden können. Die notwendigen Forschungs- und Entwicklungsketten überstreichen von den atomistischen naturwissenschaftlichen Grundlagen die Bandbreite bis zur ingenieurwissenschaftlichen Umsetzung inkl. der gesellschaftswissenschaftlichen Implikationen. Das TU Darmstadt Energy Center verfolgt diesen ganzheitlichen Ansatz.

KONTAKT TU Darmstadt Energy Center Materialforschung Prof. Dr. Wolfram Jaegermann [email protected] FB Material- und Geowissenschaften Petersenstraße 23, 64287 Darmstadt Telefon 06151 16-6304, Fax -6308 www.tu-darmstadt.de/fb/ms/fg/ofl/index.tud www.energycenter.tu-darmstadt.de

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Forschungsprogramme, Finanzierungs- und Fördermöglichkeiten

5.1 Europäische Forschungsprojekte und -netzwerke mit Bezug zum Thema Nanotechnologien und Energie Demonstration of SOFC stack technology for operation at 600°C Koordination: CENTRE NATIONAL DE LA

Advanced lithium energy storage systems based on the use of nano-powders and nano-composite electrodes / electrolytes

RECHERCHE SCIENTIFIQUE (F)

Koordination: CENTRE NATIONAL DE LA

EU FP6: Integrated Project, Laufzeit bis 2/2010

RECHERCHE SCIENTIFIQUE (F) EU FP6: Network of Excellence, Laufzeit bis 12/2008

Non-noble catalysts for proton exchange membrane fuel cell anodes Koordination: TU München (D)

A new wave making more efficient use of the solar spectrum (Full Spectrum)

EU FP6: Specific Targeted Research Project, Laufzeit bis 1/2010

Koordination: Uni Madrid (E) EU FP6: Integrated Project, Laufzeit bis 11/2008

Advanced Thin Film Technologies for Cost Effective Photovoltaics Koordination: Hahn-Meitner-Institut (D) EU FP6: Integrated Project, Laufzeit bis 1/2010

Roll-to-roll technology for the production of high-efficiency low cost thin-film silicon photovoltaic modules Koordination: Uni Neuchatel (CH) EU FP6: Specific Targeted Research Project, Laufzeit bis 10/2008

Ionic liquid based Lithium batteries Koordination: TU Graz (A) EU FP6: Specific Targeted Research Project, Laufzeit bis 12/2009

Proton Exchange Membrane-based Electrochemical Hygrogen Generator Koordination: UNIVERSITE PARIS-SUD

New Materials for Extreme Environments

EU FP6: Specific Targeted Research Project, Laufzeit bis 9/2008

Koordination: MPI IPP München (D) EU FP6: Integrated Project, Laufzeit bis 11/2009

Nanocrystalline silicon films for photovoltaic and optoelectronic applications Nanotechnology for advanced rechargeable polymer lithium batteries

Koordination: Universität Mailand (I) EU FP6: Specific Targeted Research Project, Laufzeit bis 5/2008

Koordination: VARTA EU EU FP6: Specific Targeted Research Project, Laufzeit bis 9/2009

Nano engineered Titania thin films for advanced materials applications Koordination: University Cambridge (UK)

Design of highly conductive solid thin film electrolyte for stack integration within optical and energy storage applications Koordination: HEF (F) EU FP6: Network of Excellence, Laufzeit bis 3/2008

EU FP6: Specific Targeted Research Project, Laufzeit bis 9/2009

Processes and materials to synthesize knowledge-based ultra-performance nanostructured PVD thin films on gamma titanium aluminides Koordination: DLR (D) EU FP6: Integrated Project, Laufzeit bis 4/2009

Auswahl von laufenden oder kürzlich abgeschlossenen EU-Forschungsprojekten (nähere Informationen im Internet http://cordis.europa.eu/fp6/projects.htm).

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5.2 Nationale Forschungsprojekte und -netzwerke mit Bezug zum Thema Nanotechnologien und Energie

Auswahl von laufenden oder kürzlich abgeschlossenen BMBF-Forschungsinitiativen und -projekten (nähere Informationen im Internet: http://oas2.ip.kp.dlr.de/foekat/foekat).

Bekanntmachungen und Initiativen zu BMBF-Förderprogrammen Forschungsinitiative „Organische Photovoltaik“ Gemeinsame Technologieinitiative des BMBF sowie BASF, Bosch, Merck und Schott, BMBF-Fördervolumen ca. 60 Mio. € (www.bmbf.de/de/10413.php )

Höchstleistungswerkstoffe für mehr Energieeffizienz und CO2-Einsparung: Leistungssprünge in energetischen Umwandlungsprozessen (www.bmbf.de/foerderungen/10484.php)

Solarenergietechnik der nächsten Generation Im Rahmen des Förderprogramms „Grundlagenforschung Energie 2020+“, Schwerpunkte Dünnschichtsolarzellen, photoinduzierte Wasserstofferzeugung (www.bmbf.de/foerderungen/10458.php )

BMBF-Projekte Entwicklung von neuen konjugierten Halbleitermaterialien für die organische Photovoltaik BMBF-Verbundprojekt Koordination: Merck KGaA

Nanoporöse Hybridmaterialien für die mobile Gasspeicherung NanoSorb BMBF-Verbundprojekt Koordination: Merck KGaA

Ressourcenschonende Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Hybridfahrzeugbatterien (REALIBATT) BMBF-Verbundprojekt Koordination: Zentrum für Sonnenenergie- und WasserstoffForschung Baden-Württemberg (ZSW)

Konzeption und Entwicklung langzeitstabiler Hochleistungs-Elektroden für Brennstoffzellen BMBF-Verbundprojekt

Innovationsallianz Li-Ionen-Batterie „LIB 2015“ für stationäre und automobile Anwendungen Fördervolumen ca. 60 Mio. € (www.bmbf.de/foerderungen/11799.php )

Koordination: DaimlerChrysler AG

SiBNC-Werkstoffe für Produktions-, Energie- und Verkehrstechnik (SIPEVe) BMBF-Verbundprojekt Koordination: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH

Nanovolt – Optische Nanostrukturen BMBF-Verbundprojekt Koordination: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Nanotechnologie im Isoliersystem für innovative elektrische Anwendungen – NanoIso BMBF-Verbundprojekt Koordination: Siemens

Höhere Wirkungsgrade von Solarzellen durch optimierte Siliziumverarbeitung – Projekt SolarFocus BMBF-Verbundprojekt Koordination: KoSolCo GmbH, Berlin

www.solarfocus.org

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BMBF-Projekte

Weitere Forschungsinitiativen auf Bundesebene

Nanostrukturierte, metallgetragene Keramikmembranen für die Gastrennung in fossilen Kraftwerken (METPORE)

DFG-Projektgruppe „Effiziente EnergieWandlung, Speicherung und Nutzung“

BMBF-Verbundprojekt Koordination:Forschungszentrum Jülich GmbH

LiBaMobil – Neue Lithium-Ionen-Batterien für Automobilanwendungen mit erhöhter Leistungsfähigkeit und Sicherheit durch Nanotechnologie BMBF-Verbundprojekt Koordination: Evonik Degussa GmbH

SupraNanoSol – Supraleitende, nanostrukturierte Schichtsysteme aus Sol-Gel-Vorstufen

Koordination: DFG, Bonn

DFG-Forschungsinitiative LithiumHochleistungsbatterien Koordination: TU Graz Informationen: www.dfg.de

Energieforschung des BMWi (z. T. relevant für den Bereich Nanotechnologie) Förderschwerpunkte: - Moderne Kraftwerkstechnologien - Kraft-Wärme-Kopplung, Fernwärme

BMBF-Verbundprojekt

- Brennstoffzelle, Wasserstoff

Koordination: Nexans Superconductors GmbH

- Effiziente Stromnutzung, Speicher

NanoCap – Advanced Supercaps für automobile Anwendung auf Basis nanostrukturierter Materialien; Teilvorhaben BMW „Technologiegetriebene Entwicklung und technische Integration“

- Rationelle Energieverwendung in Industrie,

- Energieoptimiertes Bauen Gewerbe, Handel und Dienstleistungen Informationen: http://lexikon.bmwi.de/BMWi/Navigation/

Energie/Energieforschung/foerderschwerpunkte.html

BMBF-Verbundprojekt Koordination: Fraunhofer-Institut für Silicatforschung

Energieforschung des BMU (z. T. relevant für den Bereich Nanotechnologie)

Ladungsträgertransport in siliziumbasierten Quantenstrukturen für zukünftige Höchstleistungs-Solarzellen

Förderschwerpunkte:

BMBF-Verbundprojekt Koordination: RWTH Aachen, Lehrstuhl und Institut für Halbleitertechnik

- Photovoltaik - Niedertemperatur-Solarthermie - Solarthermische Kraftwerke - Windkraft - Geothermie - Wasserkraft und Meeresenergie - Netzintegration und Optimierung der Energieversorgungssysteme Informationen:

http://www.erneuerbare-energien.de/inhalt/4595

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5.3 Fördermöglichkeiten und Netzwerke in Hessen Aktionslinie Hessen-Nanotech

Energieland Hessen

Im Jahr 2005 startete das Hessische Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung die Aktionslinie Hessen-Nanotech. Mit der Aktionslinie Hessen-Nanotech werden die hessenweiten wirtschaftsund technologiebezogenen Aktivitäten in den Nanotechnologien und den materialbasierten Technologien gebündelt und koordiniert. Ziel der Aktionslinie ist es, die hessischen Kompetenzen in den Nanotechnologien und in den angrenzenden Technologiebereichen wie Material- und Oberflächentechnologie, Mikrosystemtechnologie und Optische Technologien national sowie auch international darzustellen. Durch Technologie- und Standortmarketing sowie die Förderung der Netzwerkbildung soll die internationale Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft der hessischen Wissenschaft und Wirtschaft gestärkt werden. Die Aktionslinie Hessen-Nanotech unterstützt dabei insbesondere auch die Vernetzung von Technologie-Anbietern und -Anwendern. Im besonderen Fokus stehen die in Hessen stark ausgeprägten Anwendungsbereiche Automotive, Chemie, Pharma, Biotechnologie und Medizintechnik, Bau, Umwelt und Energie sowie Informations- und Kommunikationstechnologie. An den Schnittstellen zu den Nanowissenschaften arbeitet die Aktionslinie Hessen-Nanotech mit dem NanoNetzwerkHessen zusammen. Projektträger der Aktionslinie HessenNanotech ist die Hessen Agentur.

Energieeffizienz und der Einsatz innovativer Energietechnologien sowie eine damit verbundene Ressourcenschonung bilden weitere Kernthemen der hessischen Landesregierung, die seit April 2003 im Hessischen Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung verankert sind. Das hessische Wirtschaftsministerium ist zuständig für die Bereiche Energiewirtschaft, Energierecht, Energietechnik sowie die Förderprogramme im Energiebereich. Ausgenommen ist die Förderung der energetischen Nutzung von Biomasse aus Land- und Forstwirtschaft, die in die Zuständigkeit des Hessischen Ministeriums für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz fällt. Vorrang findet die Unterstützung des Bereichs der rationellen Energieverwendung – der Einsparung von Energie. Daneben unterstützt das hessische Wirtschaftsministerium auch die Marktvorbereitung neuer, innovativer Technologien und Verfahren z. B. durch die Förderung von Projekten, durch die der Wirkungsgrad von Energieumwandlungsanlagen signifikant erhöht werden kann. In einer Vielzahl von Einzelprojekten und Netzwerken werden unterschiedliche Akteure aus Politik, Wirtschaft und Forschung zusammengeführt. Die Aktivitäten, Projekte zu initiieren, verschiedene Interessengruppen zu bündeln und Maßnahmen zur Qualifizierung und Information leisten einen Beitrag dazu, Arbeitsplätze in Hessen neu zu schaffen und zu erhalten. Informationen zu den verschiedenen Bereichen wie Energieeffizienz, Erneuerbaren Energien, Förderprojekte im Energiebereich und Energierecht finden sich auf der Internetseite des Wirtschaftsministeriums unter www.energieland.hessen.de.

KONTAKT www.hessen-nanotech.de a Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Dr. Rainer H. Waldschmidt Kaiser-Friedrich-Ring 75 65185 Wiesbaden Telefon 0611 815-2471, Fax -2225 [email protected] a HA Hessen Agentur GmbH Alexander Bracht (Projektleiter Hessen-Nanotech) Markus Lämmer Abraham-Lincoln-Straße 38 – 42 65189 Wiesbaden Telefon 0611 774-8664, Fax -8620 [email protected] www.hessen-agentur.de

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Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

KONTAKT www.energieland.hessen.de

a Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Referat Energieeffizienz Referatsleiterin Gabriele Purper Kaiser-Friedrich-Ring 75 65185 Wiesbaden Telefon 0611 815-2604, Fax -492604 [email protected]

NanoNetzwerkHessen

TechnologieTransferNetzwerk Hessen

Das NanoNetzwerkHessen wurde mit Unterstützung der Hessischen Landesregierung von den fünf Universitäten und den fünf Fachhochschulen des Landes im März 2004 etabliert, um auf der Grundlage einer Kooperationsvereinbarung eine enge innovationsorientierte Zusammenarbeit im Bereich der Nanowissenschaften zu starten. Die Initiative NNH zielt darauf ab, die vorhandenen Kompetenzen an hessischen Hochschulen zu bündeln, Kooperationen zu initiieren und den Nanotechnologie-Standort Hessen weiter auszubauen. Koordinator des NanoNetzwerkHessen ist die Universität Kassel. Forscherinnen und Forscher aus den Disziplinen Physik, Chemie, Biologie, Pharmazie, Medizin, Materialwissenschaften und den verschiedensten Fächern der Ingenieur- und sogar Geisteswissenschaften arbeiten an hessischen Hochschulen auf Gebieten der Nanowissenschaften. Gerade diese Durchdringung klassischer Disziplinen verstärkt ganz wesentlich das Innovationspotenzial dieser Wissenschaft und bietet in Hessen ausgezeichnete Ausgangsbedingungen für Kooperationen. Die Technologien, die heute an hessischen Hochschulen vertreten sind, sind breit gefächert und reichen von nanoskaligen und nanostruktuierten Werkstoffen, Nanosystemtechnik über Nanomedizin, Nanomaterialchemie, Nanobiotechnologie bis hin zur Nanoanalytik. Forschungs- und Entwicklungsaufgaben in diesen Feldern bereits im vorwettbewerblichen Bereich gemeinsam mit Wissenschaftlern, Entwicklern und Anwendern zu betreiben und damit Akteure, Ressourcen und Aktivitäten zusammenzuführen, eröffnet den Netzwerkpartnern nicht nur die Erschließung komplementärer Ressourcen, sondern verbindet auch Wissenschaft deutlicher als bisher mit wirtschaftlicher Anwendung und trägt damit zu einer schnelleren Umsetzung von nanotechnologischem Wissen in Produkte, Produktionsverfahren und Dienstleistungen bei.

Im TechnologieTransferNetzwerk Hessen (TTN-Hessen) haben sich seit 2001 die hessischen Hochschulen und die führenden Wirtschaftsverbände zusammengeschlossen, um das vorhandene Angebot zur Förderung des Wissens- und Technologietransfers miteinander zu vernetzen und mittelständischen Unternehmen den Zugang zum wissenschaftlichen und technologischen Potenzial der Hochschulen und Forschungseinrichtungen zu erleichtern. Um dieses Ziel gerade im Bereich der Nanotechnologien umsetzen zu können, arbeitet das TTN-Hessen eng mit seinen Netzwerkpartnern sowie der Aktionslinie Hessen-Nanotech zusammen. Typische Beispiele für diese Zusammenarbeit sind gemeinsam durchgeführte Unternehmensbefragungen und technologieorientierte Veranstaltungen. Bei der IHK-Innovationsberatung Hessen in Darmstadt, Gießen, Fulda, Kassel und Offenbach wurden regionale Beratungsstellen für Technologietransfer eingerichtet. Sie haben die Aufgabe, aktiv auf die Unternehmen zuzugehen und Hilfestellung beim Zugang zum anwendungsorientierten Know-how der Hochschulen anzubieten. Begleitend steht unter www.ttn-hessen.de eine gemeinsame Plattform zur Vermarktung von Kooperationsangeboten der Hochschulen zur Verfügung. Unter dem Dach des TTN-Hessen haben sich die hessischen Hochschulen zur gemeinsamen PatentVerwertungsoffensive H-IP-O zusammengeschlossen. Ansprechpartner sind die Patentverwertungsagenturen GINo, INNOVECTIS und TransMIT. Sie betreuen Erfinder bei Schutzrechtsanmeldungen und Verwertungsverträgen auch auf dem Gebiet der Nanotechnologien. Das TTN-Hessen wird unterstützt und kofinanziert durch die hessischen Ministerien für Wirtschaft und für Wissenschaft, die HA Hessen Agentur GmbH (Geschäftsstelle), die Arbeitsgemeinschaft hessischer IHKs und den Europäischen Sozialfonds (ESF).

KONTAKT www.nanonetzwerkhessen.de a Dr. Beatrix Kohnke (Leitung der Geschäftsstelle) Mönchebergstraße 19 34109 Kassel Telefon 0561 804-2219, Fax -2226 [email protected]

KONTAKT www.ttn-hessen.de a HA Hessen Agentur GmbH Dr. Gerrit Stratmann (Projektkoordination) Abraham-Lincoln-Straße 38 – 42 65189 Wiesbaden Telefon 0611 774-8691, Fax -58691 [email protected] www.hessen-agentur.de

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Hessische IHKs Seit Anfang der 80er-Jahre bieten die hessischen IHKs einen besonderen, kostenfreien Service, um Unternehmen bei ihren Innovationsanstrengungen zu unterstützen: die IHK Innovationsberatung Hessen. In einer Zeit, in der Technologie- und Marktveränderungen immer kürzere Innovationszyklen vorgeben, bietet das Kompetenzzentrum insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen seinen unternehmens- und praxisnahen Service an. Die IHK Innovationsberatung ist neutraler Informationsmakler und begleitet aktiv die Vernetzung und Clusterbildung von technologieorientierten Unternehmen und Forschung. Neben konkreten Innovationshilfen, wie beispielsweise eine individuelle Beratung sowie Publikationen, fördern die hessischen IHKs den intensiven Austausch zwischen Vertretern aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik durch technologieund branchenorientierte Veranstaltungen. Ein besonderer Fokus liegt seit 2004 auf den Nanotechnologien und deren Potenzialen für die Wirtschaft. So wurde gemeinsam mit den regionalen Beratungsstellen des TechnologieTransferNetzwerk Hessen und dem Wirtschaftsministerium eine Veranstaltungsreihe aufgelegt, welche die Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologien in verschiedenen Branchen näher beleuchtet. Die Themen gehen von „Nanotechnologien im Auto von morgen“ über „Nanotechnologien in der Medizintechnik“ bis hin zur „Nano-Elektronik“ und „NanoOberflächentechnik“.

KONTAKT www.itb-hessen.de a IHK-Innovationsberatung Hessen Detlev Osterloh (Leiter) Telefon 069 2197-1219 [email protected] Zentrale Frankfurt: c/o Industrie- und Handelskammer Frankfurt am Main Börsenplatz 4 60313 Frankfurt am Main Telefon 069 2197-1427, Fax -1484 [email protected]

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Institutionen, Verbände und Forschungsverbünde zum Thema NanoEnergie

6.1 ISET Das ISET in Kassel und Hanau befasst sich seit 1988 mit heute mehr als 80 Beschäftigten mit anwendungsorientierter Forschung und Entwicklung für die Elektro- und Systemtechnik zur Nutzung erneuerbarer Energien. Für die zukünftige Energiepolitik als ein zentrales Element der Klimapolitik trägt das ISET mit neuesten Forschungsergebnissen und wichtigen technologischen und wissenschaftlichen Handlungsempfehlungen im Bereich der Erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz bei. Gegenwärtig stammen mehr als 60 % der globalen Treibhausgasemissionen aus dem Energiesektor. Erneuerbare Energien haben das Potenzial, die gesamte globale Energieversorgung zu gewährleisten. Kurzfristig hat Energieeinsparung das höchste Potenzial zur Senkung von Treibhausgasemissionen. Sehr hohe Effizienzpotenziale liegen vor allem in den Bereichen Gebäude, Verkehr und verarbeitende Industrie. In einem Zeithorizont von bereits in 20 Jahren könnten die Windenergie und die energetische Biomassenutzung zusammen mit der bestehenden Wasserkraftnutzung zwei Drittel der globalen Stromerzeugung übernehmen. Noch langfristiger (nach 2030) hat vor allem die direkte Nutzung der Solarenergie mit ihren praktisch unbegrenzten Ressourcen eine entscheidende Bedeutung, um einen wachsenden Energiebedarf zu decken. Neben der Umsetzung der Klimaschutzziele sowie weiterer Anforderungen an die Nachhaltigkeit sind die Versorgungssicherheit und die Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit die wichtigsten Randbedingungen für die weitere Entwicklung des Energiesektors. Es gibt vielfältige technologische Ansätze für die Nutzung von Nanotechnologien. Wichtige Anwendungsfelder bei der Energieeffizienz sind Energiespeicher, Brennstoffzellen, hocheffiziente Leuchtsysteme, hochselektive Katalysatoren, hochfeste, leichte Materialien für Anwendungen im Transportbereich und bei der Wärmedämmung sowie in den erneuerbaren Energien bei Solarzellen, Bioenergietechnologien u. a.

Die im Energiesektor vorgeschlagenen Anwendungen ermöglichen die Verbesserung bestimmter Eigenschaften (z. B. optischer, mechanischer, elektrischer) von Bauteilen oder Systemen zur Energiewandlung oder -speicherung. Verbesserte Materialeigenschaften können darüber hinaus zur Material- und Energieeinsparung im Herstellungsprozess führen. Bisher fehlt noch eine qualitative und quantitative Beurteilung über das Kostenreduktionspotenzial von Nanotechnologien im Energiesektor. Auch Aspekte der Umweltauswirkungen auf Mensch und Natur sind bei der Beurteilung der Nachhaltigkeit neuer Energietechnologien zu berücksichtigen. Nanotechnologien haben jedoch das einmalige Potenzial, ein Innovationstreiber für Klimaschutz und Energieeffizienz zu werden. Im Juni 2007 veranstaltete die Aktionslinie Hessen-Nanotech hierzu gemeinsam mit dem ISET die Impulsveranstaltung NanoEnergie. In Vorträgen und Workshops wurden innovative Nano- und Materialtechnologien zur Lösung aktueller Herausforderungen im Energiebereich vorgestellt und diskutiert (vgl. S. 82).

KONTAKT www.iset.uni-kassel.de a Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) e.V. Prof. Dr. Jürgen Schmid Königstor 59, 34119 Kassel Telefon 0561 7294-345, Fax -300 [email protected]

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6.2 Wasserstoff- und Brennstoffzelleninitiative Hessen

Die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen (H2BZ-Initiative) ist als eines der führenden Netzwerke auf diesem Gebiet Mitglied bei Kompetenznetze Deutschland. Die H2BZ-Initiative wurde gegründet, nachdem in der Industrie, dem Land Hessen und den Hochschulen das große innovations- und wirtschaftspolitische Potenzial des Energieträgers Wasserstoff und des Energiewandlers Brennstoffzelle erkannt wurde. Das Hauptziel der H2BZ-Initiative ist es, ihre Mitglieder bei Forschungs-, Entwicklungs- und Demonstrationsprojekten zu unterstützen, die Herausbildung von Kompetenzen zu fördern und den fachlichen Austausch sowie den gegenseitigen Informations- und Technologietransfer zu organisieren. Die H2BZInitiative bildet ein Netzwerk von Experten der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie, welches neben der genannten Vernetzung der relevanten hessischen Akteure Standort- und Technologiemarketing für das Land Hessen betreibt. Hessen verfügt über eine ausgezeichnete Struktur von Unternehmen wie z. B. Umicore, Infraserv, BASF, Schunk oder Linde sowie Hochschulen, wie z. B. die Fachhochschule Wiesbaden, die hervorragende Kompetenzen auf dem Gebiet der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie besitzen. Die H2BZ-Initiative schätzt die Nanotechnologie als typische Querschnittstechnologie, die aus physikalischen, chemischen und biologischen Ansätzen nicht nur aufsehenerregende Phänomene zutage fördern konnte, sondern die sowohl für die Brennstoffzellen wie für die Wasserstofftechnologie eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnet, z. B. im Bereich der porösen bzw. katalytischen Materialien oder bei Feststoff-Speichermaterialien, wie etwa Metallhydriden. Diese kristallinen Pulver besitzen eine riesige innere Oberfläche und können enorme Mengen Wasserstoff in kleinen Volumina binden – und wieder abgeben – und damit eine Hürde bei der Wasserstoffspeicherung beseitigen.

Doch auch auf dem Sektor intelligenter Funktionsmaterialien bietet die Nanotechnologie etliches: Poröse Nanostrukturen können in Brennstoffzellenmembranen und -elektroden Eingang finden, große Oberflächen, genauer gesagt Oberflächen-Volumen-Verhältnisse, verbessern das Verhalten von Gasverteilungsschichten, dünne Membranen könnten störende Gase, die aus größeren Molekülen bestehen, zurückhalten. Es wird erwartet, dass die Nanotechnologie weitere Meilensteine im Hinblick auf eine nachhaltigere Energienutzung und -produktion ermöglicht und damit auch die Voraussetzungen für eine breite Markteinführung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien verbessert. So gesehen ist es eine Aufgabe der H2BZ-Initiative, sich neben anderen Schwerpunkten mit energiewandlungs- oder energiespeicherrelevanten Nanotechnologie-Prozessen oder -Materialien zu befassen. Dazu pflegt die H2BZ-Initiative Kooperationen zwischen ihren Mitgliedern und Nanotechnologie-Experten wie z. B. dem Nano-Netzwerk Hessen. Die H2BZ-Initiative begrüßt ausdrücklich, dass auch das Hessische Wirtschaftsministerium durch regelmäßige Veranstaltungen und Veröffentlichungen, wie diese Broschüre, die strategisch wichtigen Technologiefelder Nano und Energie verbindet. Nähere Informationen unter www.h2bz-hessen.de.

KONTAKT www.h2bz-hessen.de

Initiative Hessen

a Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen Dipl.-Ing. Alfred J. Stein (Geschäftsführer) Abraham-Lincoln-Straße 38–42 65189 Wiesbaden Telefon 0611 774-8648 [email protected]

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6.3 VCI – Die Chemie im 21. Jahrhundert: Energieforschung und Nanomaterialien Der VCI (www.vci.de) vertritt die wirtschaftspolitischen Interessen von 1.600 deutschen Chemieunternehmen und deutschen Tochterunternehmen ausländischer Konzerne gegenüber Politik, Behörden, anderen Bereichen der Wirtschaft, der Wissenschaft und den Medien. Der VCI steht für mehr als 90 Prozent der deutschen Chemie. Die Branche setzte 2006 rund 162 Milliarden Euro um und beschäftigte über 436.000 Mitarbeiter. Sitz des VCI ist Frankfurt am Main. In den Regionen sind acht Landesverbände aktiv. Ein großer Teil der Mitgliedsunternehmen hat sich außerdem in insgesamt 30 Fachvereinigungen und Fachverbänden organisiert, die korporative Mitglieder des VCI sind. Die Erschließung neuer Energiequellen und die teilweise Umstellung unseres Energiesystems von fossilen Quellen auf eine neue Basis ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, wenn nicht sogar die größte. Es ist fest damit zu rechnen, dass unsere zukünftige Energieversorgung noch „chemischer“ werden und die Anpassung unseres Energiesystems auf die zukünftigen Herausforderungen ohne Durchbrüche aus der Chemie nicht möglich sein wird. Die Chemie wird zur Lösung der Herausforderungen bis in die kleinsten Strukturen, bis in den Nanokosmos, der unserem Auge ohne modernste Mikroskope verborgen bleibt, hineingehen. Denn die Nanotechnologie ist bereits heute ein wichtiges Werkzeug in der Chemie und in den ihre Materialien anwendenden Disziplinen Materialtechnik, Optik, Elektronik, den Biowissenschaften und der Medizin. Nanomaterialien spielen eine zunehmend wichtige Rolle auch in der Energieerzeugung, Energiewandlung und Energiespeicherung. Als Katalysatoren in der Industrie helfen Nanomaterialien mit, etwa 80 % aller chemischen Erzeugnisse mit geringerem Rohstoffverbrauch und Energieeinsatz zu produzieren. In der Elektronikindustrie sind Nanomaterialien zur Produktion integrierter Schaltkreise, für präzisere und kleinere Strukturen oder zur Herstellung von Lithographielinsen nicht mehr wegzudenken. In unseren Computern und elektronischen Geräten (Festplatten und Leseköpfe) für die Datenspeicherung sind nur wenige Nanometer dünne Schichten seit langer Zeit im Einsatz. Ohne Nanomaterialien ist die Herstellung von Wafern und damit unserer heutigen Computer, Laptops, Kameras, Handys und I-Pods nicht denkbar. Solarzellen stellen eine umweltverträgliche und elegante Alternative bzw. Ergänzung zur Stromgewinnung aus fossilen Energieträgern dar. Aus diesem Grunde sind Forschungsaktivitäten zu neuen Materialentwicklungen auf diesem Gebiet von erheblicher energiestrategischer Bedeutung. Energieeffiziente Solarzellen mit erhöhter Lebensdauer lassen sich nur mit Hilfe von Nanobeschichtungen realisieren. So wird das zukünftige Design der Solarzellen auf dem Prinzip von nanometerdünnen Schichtsystemen beruhen.

Der ständig steigende Bedarf nach leistungsfähigen mobilen Energieversorgungssystemen wird Batterien mit verbesserter Performance erfordern. Neben dem typischen Anwendungsbereich für mobiles elektronisches Equipment sind leistungsfähige Energiespeichersysteme eine essentielle Voraussetzung für die breite Implementierung von dezentralen Energieumwandlern (Photovoltaik, Windkrafträder), aber auch im Transportbereich (Elektro-Hybridfahrzeuge). An der „Oberfläche“ der Elektronik der Zukunft werden flexible Displays aus Flüssigkristallen (LEDs) und organischen Polymeren zunehmend die Effizienz und den Anwendungsbereich von flexiblen Solarzellen verbessern. OLEDs („Organic Light-Emitting Diodes“) sind Nanoschichten – flache, dünne, leuchtende Bauelemente aus organischen, halbleitenden Materialien. Ihr Vorteil gegenüber konventionellen Technologien ist neben einer besseren Performance der Energieverbrauch. Dies gilt auch für neue Beleuchtungssysteme wie Lichtkacheln als transparente Lichtquellen oder Taschenlampen im Scheckkartenformat. Hessen wird mit seinen zahlreichen Chemiestandorten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Nanotechnologie gerade auf dem Anwendungsfeld der Energietechnik leisten. Hessische Unternehmen zählen heute schon zu den weltweit führenden Unternehmen in der Erforschung von funktionalen Nanobeschichtungen. Die starke Vernetzung von Wirtschaft und exzellenten Wissenschaftseinrichtungen in direkter Nachbarschaft schafft gute Voraussetzungen für den „Innovationsmotor Chemie“ am Standort Hessen. Der VCI begrüßt daher die Initiative der hessischen Landesregierung zur Förderung der Nanotechnologie am Standort Hessen. Hierbei ist insbesondere die Bildung von regionalen Netzwerken über die „Gräben“ von Hochschulwissenschaft, Unternehmen und Forschungsinstituten hinweg hervorzuheben. Der VCI ist der Ansicht, dass diese Aktivitäten dazu beitragen, sowohl die Leistungsstärke der Grundlagenforschung an den Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrichtungen im Fach Chemie als auch der Unternehmen der chemischen Industrie Hessens im internationalen Wettbewerb entscheidend zu fördern.

KONTAKT www.vci.de a VERBAND DER CHEMISCHEN INDUSTRIE e.V. Wissenschaft, Technik und Umwelt Bereich Wissenschaft und Forschung Dr. Martin Reuter Mainzer Landstraße 55, 60329 Frankfurt Telefon 069 2556-1584, Fax-1620 [email protected]

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6.4 Dechema – Nanotechnologie für eine nachhaltige Energieversorgung Die DECHEMA ist eine gemeinnützige wissenschaftlich-technische Gesellschaft mit Sitz in Frankfurt a.M. Sie bietet mit ihren Fachgremien und Veranstaltungen den über 5000 Mitgliedern sowie der Gemeinschaft der Fachleute aus Industrie und Hochschulen die Möglichkeit, sich über aktuelle Neuheiten aus Forschung und Entwicklung zu informieren. Die ProcessNet-Fachsektion Nanotechnologie ist eine Gruppe mit derzeit über 500 Mitgliedern, die sich der Unterstützung der Nanotechnologie mit Netzwerkbildung und Nachwuchsförderung verschrieben hat. Die Sicherstellung einer zuverlässigen und umweltverträglichen Energieversorgung wird vor dem Hintergrund der knapper werdenden Rohstoffreserven und des wahrscheinlichen globalen Klimawandels ein zunehmend zentrales Thema in den nächsten Dekaden werden. Neben der Energieumwandlung aus erneuerbaren Energien, wie Sonnenenergie oder Wind- und Wasserkraft, wird (übergangsweise) die effizientere Umwandlung aus fossilen Energieträgern (Öl, Gas, Kohle) ein zentraler Punkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten aller Beteiligten (Institute und Industrie) sein müssen. Zudem werden signifikante Energieeinsparungen und neue effiziente Methoden der Energiespeicherung zur Verminderung der CO2Emission als eine der wichtigsten Ursachen des Klimawandels im Fokus der Anstrengungen stehen. Verbesserte Werkstoffe wie Nanokomposite auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen können zum einen die Herstellung größerer und stabilerer Rotoren für eine Effizienzsteigerung bei Windkraftwerken bei der Umwandlung von Wind in elektrischen Strom sorgen. Zum anderen können neue Nanokomposite beim Leichtbau im Bereich Automobile und Flugzeugbau für Gewichts- und damit für Energieeinsparung sorgen. Optimierte Nanokomposite bieten zudem das Potenzial bei der Herstellung und/oder Verarbeitung zu energie- bzw. ressourcensparenden Prozessen. Nanostrukturen in Brennstoffzellen und in der Photovoltaik (organische, hybride Systeme, Dünnschichttechnologie) können in Zukunft zur nachhaltigen Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen unter Minimierung der CO2-Emission beitragen. Ebenso können Nanostrukturen mit hoher Ausbeute zur Lichterzeugung, beispielsweise in Organic Light Emmiting Diodes (OLEDs), d. h. wiederum zur effizienten Energieumwandlung genutzt werden, und zudem neue z. B. flächige Beleuchtungskonzepte ermöglichen.

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Durch leitfähige Nanoobjekte sowie unter Verwendung neuer Verfahren der gedruckten Elektronik können ökonomisch und ressourcenschonend Schaltkreise (z. B. RFID) hergestellt werden, die zudem energieeffiziente Funktionalitäten ermöglichen. Mit optimierten nanostrukturierten Isolationsmaterialien, wie z. B. mit Nanoschäumen, deren Porengröße und Porenwanddicke im Nanobereich liegt, lassen sich Häuser effektiver isolieren und der Energieverbrauch kann gesenkt werden. Nanomaterialien in elektrischen Energiespeichern wie die kommenden Generationen der Lithium-Ionen-Batterien werden helfen, große Energiemengen auf kleinstem Raum zu speichern und dabei auch bei längerer Lagerung nahezu keine Energie zu verlieren. Zudem könnten nanostrukturierte Materialien (Metallhybride, Metall-Organic-Frameworks) zur nichtelektrischen Energiespeicherung z. B. von Wasserstoff genutzt werden. Geeignete nanostrukturierte Katalysatoren helfen durch ihre hohen wirksamen spezifischen Oberflächen ganz allgemein, Prozesse zu optimieren und damit den Energieverbrauch in Produktionsverfahren zu senken. Weiterhin könnten zukünftig maßgeschneiderte hoch effiziente nanoskalige Katalysatoren bei der Reduktion von CO2-Emissionen helfen, wenn CO2 selbst durch geeignete Prozesse als Baustein in der chemischen Synthese von neuen Materialien eingesetzt wird und damit nicht mehr am Treibhauseffekt mitwirken kann. Die Fachsektion Nanotechnologie unterstützt die Fachgemeinschaft in allen diesen Vorhaben und trägt gleichzeitig zu einem verantwortlichen Umgang mit Nanotechnologie bei. Die Mitwirkung interessierter Fachleute ist willkommen!

KONTAKT www.dechema.de a Dr. Peter Krüger Vorstandsvorsitzender der ProcessNet-Fachsektion Nanotechnologie c/o DECHEMA e.V. Theodor-Heuss-Allee 25 60486 Frankfurt am Main

6.5 Bundesverband Solarwirtschaft e.V.

Nanotechnologien zur Optimierung der Solarenergiewandlung in der Photovoltaik Dünner, effizienter, kostengünstiger: Die Technologien zur solaren Stromerzeugung haben in den vergangenen Jahren rasante Fortschritte gemacht. Innovative Fertigungssysteme und der Einsatz neuer Materialien erhöhen die Effizienz von Solaranlagen und tragen zu einer kontinuierlichen Senkung der Erzeugungskosten bei. Solaranlagen werden für den Einsatz im Massenmarkt produziert und die Expansion der Solarwirtschaft setzt sich fort. Der Europäische Dachverband der Photovoltaikindustrie EPIA erwartet eine Verdopplung des Weltmarktes innerhalb der nächsten drei Jahre und rechnet für 2010 mit einem Weltmarkt von 5,6 Gigawatt. Die Anwendungsgebiete der Nanotechnologien in der Solarindustrie stehen zunehmend im Interesse: z. B. bei der Nanotexturierung von Zellen zur Reflexionsminderung oder bei organischen Solarzellen. Allerdings fehlt es nach Einschätzung von Experten noch an grundlegendem Wissen über die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten von Nanotechnologieforschung bei den erneuerbaren Energietechnologien.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat im Jahr 2007 ein Förderprogramm „Organische Photovoltaik“ aufgelegt, das durch die Kombination von Grundlagenforschung, anwendungsorientierter Materialforschung und -entwicklung sowie der dazugehörigen Prozesstechnik darauf abzielt, die Einführung organischer Photovoltaik-Technologien bis hin zu einem industriellen Breiteneinsatz zu beschleunigen. Der BSW-Solar sieht in der organischen Photovoltaik einen vielversprechenden Ansatz, der zur technologischen Vielfalt der solaren Energieerzeugung beiträgt. Es wird jedoch noch einige Jahre dauern, bis organische Solarzellen in industriellem Maßstab gefertigt werden können, um das Marktangebot zu erweitern. Der Bundesverband Solarwirtschaft unterstützt die technologische Weiterentwicklung der Photovoltaik. Den gezielten Einsatz für mehr Investitionssicherheit sowie die Schaffung geeigneter Marktanreizprogramme und eines partei- und gesellschaftsübergreifenden Konsenses beim Ausbau der Solarenergie sieht der BSW-Solar als zentrale Aufgaben seiner Verbandsarbeit.

Noch in der Forschungsphase befinden sich Farbstoffsolarzellen und kunststoffbasierte Polymersolarzellen, die die natürliche Photosynthese der Pflanzen nachahmen. Geforscht wird an der Fertigung dünner, homogener Schichten, die mit etwa 100 Nanometer eine rund dreihundert Mal geringere Dicke als ein menschliches Haar aufweisen. Mit organischen Solarzellen kann das Anwendungsspektrum der solaren Stromerzeugung weiter ausgebaut werden. Während die klassischen Siliziumzellen eher wie ein hochleistungsfähiger PC stationär eingesetzt werden, sind die Einsatzgebiete der organischen Photovoltaik wie bei einem Laptop auch im Bereich mobiler und flexibler Anwendungen denkbar.

KONTAKT www.bsw-solar.de a Bundesverband Solarwirtschaft e.V. Energieforum Stralauer Platz 34, 10243 Berlin Telefon 030 29777-8835, Fax -8899 [email protected]

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6.6 BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.

Mögliche Anwendungsbereiche der Nanotechnologie bei der Stromübertragung Die Energieversorgung allgemein und die StromÜbertragungsnetze im Besonderen stehen jetzt und in den nächsten Jahrzehnten einer Reihe großer Herausforderungen gegenüber. Die Liberalisierung der europäischen Energiemärkte hat die großräumigen Lastflüsse stark geändert und zu deutlich gestiegenen Belastungen der Übertragungsnetze geführt. Und der Umbau auf immer CO2-ärmere Stromerzeugung führt zu ganz anderen Erzeugungsschwerpunkten – z. B. Offshore-Windenergie – und damit zu Leitungsneubau- und auch Ausgleichsenergie-Anforderungen, die mit heutiger Technik und heutigen Genehmigungsverfahren kaum lösbar scheinen. Hier besteht großer politischer und regulatorischer Handlungsbedarf, wenn die deutsche Stromversorgung auch künftig die zuverlässigste in Europa sein soll. Aber auch moderne Technik kann diese Probleme lösen helfen, damit neue Betriebsmittel immer sicherer, leistungsfähiger und hoffentlich auch preiswerter werden, und damit das Gesamtsystem aus Erzeugung, Übertragungsnetzen, Verteilungsnetzen und Geräten bei den Kunden immer besser gesteuert werden kann. Die Nanotechnologie setzt einen technologischen Schritt früher an und eröffnet mögliche Zukunftsperspektiven hauptsächlich durch weiter verbesserte Betriebsmittel wie Speicher, Leitungen, Transformatoren oder Leistungselektronik. Wenn damit auch das Hauptinteresse an dieser Technik eher bei den Herstellern der Betriebsmittel liegen dürfte als bei den Betreibern, so beobachten die Netzbetreiber doch auch diese Technologie – wie andere Technologien z. B. in der Informations- und Kommunikationstechnik – mit dem Interesse, dass dies helfen kann, die genannten großen Herausforderungen zu meistern. Aussichtsreiche Anwendungsfelder der Nanotechnologie bei der Stromübertragung und -verteilung liegen beispielsweise in den Bereichen: a Verlustarme Stromleitung durch Nanomaterialien (z. B. Leitungen auf Basis optimierte Supraleiter oder Kohlenstoffnanoröhren)

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a Nanooptimierte Leistungselektronik (u. a. nanostrukturierte Verbindungshalbleiter für Anwendungen bei hohen Spannungen oder hohen Temperaturen) a Smart Grids (intelligentes Stromnetzmanagement u. a. durch nanobasierte Sensoren und leistungselektronische Komponenten) Mit dem BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. besteht erstmals eine gemeinsame Interessenvertretung der Branchen Strom, Fernwärme, Gas, Wasser und Abwasser in Deutschland. In den politischen Debatten auf nationaler und internationaler Ebene vertritt der Verband wirkungsvoll die Interessen der Mitgliedsunternehmen. Als gemeinsame Stimme der vertretenen Branchen ist der BDEW zugleich der zentrale Ansprechpartner für Entscheidungsträger in Politik, Medien und Verwaltung ebenso wie für die Wirtschaft, die Wissenschaft und die Gesellschaft. Der Verband entstand 2007 durch die Fusion der Verbände VDEW, BGW, VDN und VRE. Er zählt rund 1.800 Mitgliedsunternehmen. Diese Unternehmen sind zusammen mit jährlich 14 Milliarden Euro der größte Investor in der deutschen Industrie. Die gesamte Wertschöpfungskette – von der Erzeugung und der Produktion bis hin zu Verteilung und Vertrieb – wird durch den BDEW repräsentiert. Das Spektrum der Mitgliedsfirmen reicht von lokalen und kommunalen Unternehmen über regionale bis hin zu überregionalen Anbietern.

KONTAKT www.bdew.de

Energie. Wasser. Leben.

a BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. Robert-Koch-Platz 4 10115 Berlin Telefon 030 726148-100, Fax -200 [email protected]

6.7 Fraunhofer-Verbund Energie

21 Fraunhofer-Institute haben sich zur FraunhoferAllianz Energie zusammengeschlossen, um Kunden die Kompetenzen der Fraunhofer-Gesellschaft für den Bereich Energie durch ein einziges Portal anzubieten. Insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen, aber auch Politik und Energiewirtschaft erhalten somit einen einfachen Zugang zu den vielfältigen Kompetenzen der Fraunhofer-Institute. Diese bieten von der Materialforschung bis zur makroökonomischen Systemanalyse ein durchgängiges Spektrum an FuE-Dienstleistungen an, Schwerpunkte sind dabei die Technologie-, Verfahrens- und Produktentwicklung. Die besonderen Stärken liegen in den Bereichen erneuerbare Energien, Effizienztechnologien, Gebäude, intelligente Energienetze, Energiespeichertechnologien, Mikroenergiesysteme und Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie. Auch für komplexe Forschungs- und Entwicklungsaufgaben entwickeln die Institute durch die Zusammenarbeit in der Fraunhofer-Allianz Energie für ihre Kunden besonders innovative und wirtschaftlich attraktive Lösungen. Die junge und sehr vielseitige Disziplin Nanotechnologie kann an allen Stellen entlang der Wertschöpfungskette im Energiesektor wesentliche Beiträge für die Umstellung unseres Energieversorgungssystems in Richtung Nachhaltigkeit, Sicherheit und höherer Wirtschaftlichkeit beitragen. So lässt sich beispielsweise durch Kohlenstoffröhren (carbonnano-tubes, CNT) die Oberfläche in porösen Medien maximieren, was ein breites Feld an energierelevanten Anwendungen eröffnet: Verbesserungen von Elektroden für elektrische Speicher oder Brennstoffzellen erhöhen deutlich die Energie- und Leistungsdichten, organische Solarzellen können durch selbstorganisierende Absorber höhere Wirkungsgrade erzielen und Absorptionskältemaschinen wandeln noch effizienter Wärme in Kälte. Aber auch die hohe mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit von CNT bieten die Möglichkeit, bestehende Produkte wie Windkraftanlagen belastbarer, zuverlässiger und leistungsfähiger zu gestalten.

Eine nanoskalige Behandlung von Oberflächen kann diese widerstandfähiger gegenüber mechanischen Belastungen und hohen Temperaturen machen, was zu höheren Wirkungsgraden und längeren Betriebszeiten bei Turbinen, Motoren oder thermischen Absorbern führen kann. Aber auch die optischen Eigenschaften von Bauteilen lassen sich durch die Nanotechnologien gezielt einstellen, wodurch beispielsweise Solarzellen oder Leuchtdioden (LED) verbessert werden können. Deren Wirkungsgrad kann durch sogenannte Quantendots im wahrsten Sinne des Wortes mit Quantensprüngen nochmals deutlich gesteigert werden. Für die in dieser Broschüre skizzierten und viele weitere Einsatzmöglichkeiten der Nanotechnologien gibt es bereits konkrete Konzepte und Ansätze zur Realisierung. Um das gesamte Potenzial der Nanotechnologien auch ausreichend nutzen zu können, müssen die Anstrengungen in der Forschung weiter intensiviert werden. Daraus resultierende innovative Produkte können zu einer nachhaltigen, sicheren und wirtschaftlichen Energiebereitstellung bei höherem Komfort beitragen.

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KONTAKT www.energie.fraunhofer.de

Allianz Energie

a Fraunhofer-Allianz Energie Heidenhofstraße 2 79110 Freiburg Telefon 0761 4588-5473, Fax -9473 [email protected]

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Anhang

7.1 Auswahl von Unternehmen in Hessen im Bereich NanoEnergie Akzo Nobel High Purity Metalorganics GmbH

Heraeus Holding GmbH

Emil-von-Behring-Straße 76 35041 Marburg www.akzonobel-hpmo.com

Heraeusstraße 12 63450 Hanau Telefon 06181 35-5706, Fax -3550 www.heraeus.de

Produkte: Spezialchemikalien zur Herstellung

von Halbleiterschichten BASF Fuel Cells Industriepark Höchst, G 864 65926 Frankfurt am Main Telefon 069 305-4292, Fax -26600 www.pemeas.com, www.basf.com/fuelcell Produkte: Hochtemperatur-Polymermembran-

Brennstoffzellen

Produkte: Sputtertargets für Dünnschicht-

solarzellen und Funktionsschichten bei Wärmeschutzverglasungen Hollingsworth & Vose GmbH & Co. KG Berleburger Straße 71 35116 Hatzfeld (Eder) Telefon 06467 801-0, Fax -4202 www.hollingsworth-vose.com Produkte: Nanostrukturierte Fasern für

Clariant Produkte GmbH Industrie Park Hoechst Building G 834 65926 Frankfurt am Main Telefon 069 305-13791, Fax -331749 www.nano.zeolite.clariant.com Produkte: Nano-Zeolithe mit Anwendungs-

potenzial als Trägermaterial z. B. für neuartige Farbstoffsolarzellen

Separatoren in Batterien European Advanced Superconductors GmbH & Co. KG Ehrichstraße 10 63450 Hanau Telefon 06181 4384-4100, Fax -4400 www.advancedsupercon.com Produkte: Hochtemperatursupraleiter auf Basis

nanostrukturierter Materialien Evonik Degussa GmbH Building 1042/118 Rodenbacher Chaussee 4 63457 Hanau-Wolfgang Telefon 06181 59-6375, Fax -2391 www.evonik.com Produkte: Separatoren und Systeme für Li-Akku-

mulatoren in Elektro- und Hybridfahrzeugen sowie stationären Energiespeichern; Nanomaterialien für die Photovoltaik

MAGNETEC GmbH Industriestraße 7 63505 Langenselbold Telefon 06184 9202-10, Fax -20 www.magnetec.de Produkte: Magnetische Nanomaterialien

für die Energietechnik Merck KgaA Frankfurter Straße 250 64293 Darmstadt Telefon 06151 72-0, Fax -2000 www.merck.de Produkte: Nanoporöse Materialien zur

Kraftstoffspeicherung

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Merck KGaA OLED Materials

Umicore AG & Co. KG

Industrial Park Hoechst, F821 65926 Frankfurt Telefon 069 305-13705, Fax -21592 www.merck-oled.de

Rodenbacher Chaussee 4 63403 Hanau Telefon 06181 59-6627, Fax -76227 www.umicore.de

Produkte: Herstellung organischer

Produkte: Elektro-/Fuel-Processing-Katalysatoren

Halbleiter für OLED

(Brennstoffzellen, Katalysatoren)

Rewitec GmbH

VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG

Dr.-Hans-Wilhelmi-Weg 1 35633 Lahnau Telefon 06441 44599-0, Fax -25 www.rewitec.com

Grüner Weg 37 63450 Hanau Telefon 06181 38-0, Fax --2645 www.vacuumschmelze.de

Produkte: Nano-Beschichtungen für Verschleiß-

Produkte: Nanostrukturierte Magnetwerkstoffe u.a.

schutz von metallischen Komponenten

für Anwendungen in der Energietechnik

Schunk Kohlenstofftechnik GmbH

Viessmann Werke GmbH & Co. KG

Rodheimer Straße 59 35452 Heuchelheim Telefon 0641 608-1460, Fax -1436 www.schunk-group.com

Viessmann Straße 1 35107 Allendorf/Eder Telefon 06452 70-3410, Fax -6410 www.viessmann.de

Produkte: Nanostrukturierte Kohlenstoff-

Produkte: Nanoporöse Materialien für

materialien für Elektroden in Batterien, SiBNC-Verbundmaterialien für die Energietechnik

hocheffiziente Heizgeräte zur Wärmeversorgung von Gebäuden

SolviCore GmbH & Co. KG Rodenbacher Chaussee 4 63457 Hanau Telefon 06181 59-5432, Fax -4240 Internet: www.solvicore.de Produkte: Nanostrukturierte Katalysator-

komponenten für Brennstoffzellen SGL Carbon AG Rheingaustraße 182 65203 Wiesbaden Telefon 08271 83-2458, Fax -2419 www.sglcarbon.de Produkte: Nanostrukturierte Kohlenstoff-

materialien für die Energietechnik

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7.2 Auswahl von Forschungseinrichtungen in Hessen im Bereich NanoEnergie TU Darmstadt

Fachhochschule Wiesbaden

Staatliche Materialprüfungsanstalt und Institut für Werkstoffkunde Grafenstraße 2, 64283 Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Christina Berger Dr.-Ing. Alfred Scholz Telefon 06151 16-2451, Fax -5659 Mobil 0178 2846345 [email protected] www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw

Standort Rüsselsheim Prof. Dr. Birgit Scheppat Telefon 06142 898-512, Fax -528 [email protected] www.physik.fh-wiesbaden.de

Thema:

Nanobeschichtungen für Turbinenschaufeln

Energy Center – Institute of Materials Science Petersenstraße 23 64287 Darmstadt Prof. Dr. Wolfram Jaegermann Surface Science Division Telefon 06151 16-6304, Fax -6308 www.tu-darmstadt.de/fb/ms/fg/ofl/index.tud Thema:

Dünnfilm-Solarzellen, Batterien etc.

Fachbereich Materialwissenschaft, Fachgebiet Erneuerbare Energien Dr. Christina Roth Telefon 06151 16-5498, Fax -6377 [email protected] www.tu-darmstadt.de/fb/ms/fg/ee Thema:

Brennstoffzellen, Charakterisierung nanoskaliger Katalysatorsysteme

Fachbereich Elektrotechnik, Fachgebiet Regenerative Energien Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartkopf Telefon 06151 16-2563, Fax -6074 [email protected] www.ees.tu-darmstadt.de Thema:

Brennstoffzellen, Kohlenstoff-NanoElektroden, Katalysator-Nanopartikel

Thema:

Fachbereich 10 – Physikalische Technik, Mikrosystemtechnik, Dünne Schichten Am Brückweg 26, 65428 Rüsselsheim Prof. Dr. Friedemann Völklein Telefon 06142 898-521, Fax -528 [email protected] Thema:

Nanostrukturierte Thermoelektrika

Universität Kassel Institut für Nanostrukturtechnologie & Analytik Prof. Dr. H. Hillmer Telefon 0561 804-4485, Fax -4488 [email protected] www.uni-kassel.de/fb16/te/start.shtml Thema:

Innovative Lichtlenksysteme auf der Basis von Mikrospiegelarrays u. a. auch zur Lichtkonzentration in der Photovoltaik

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid Telefon 0561-7294-304 [email protected] www.iset.uni-kassel.de Thema:

Photovoltaik, Smart Grids, Leistungselektronik, Brennstoffzellen

Fachbereich Maschinenbau Univ. Prof. Dr.-Ing. G. Knoll Mönchebergstraße 3, 34125 Kassel Telefon 0561 804-2830, Fax –3727 [email protected] Thema:

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Brennstoffzelle, Wasserstoffspeicher

Tribologische Nanoschichten, Verschleißschutz

Justus-Liebig-Universität Gießen

Philipps-Universität Marburg

Physikalisch-Chemisches Institut Physikalische Festkörperchemie/Elektrochemie Prof. Dr. Jürgen Janek Heinrich-Buff-Ring 58, 35392 Gießen Telefon 0641 99-34500 oder -34501, Fax -34509 [email protected] www.chemie.uni-giessen.de/home/janek

Wissenschaftliches Zentrum für Materialwissenschaften Dr. habil. Wolfgang Stolz Hans-Meerwein-Straße, 35032 Marburg Telefon 0641 99-25696, Fax -28935 [email protected]

Thema:

Nanostrukturierte Wasserstoffspeicher

Thema:

Gasphasen-Epitaxie, u. a. für Verbindungshalbleiter-Solarzellen

Institut für Angewandte Physik Prof. Dr. Derck Schlettwein Heinrich-Buff-Ring 16, 35392 Gießen Telefon 0641 99-33401, Fax -33409 [email protected] Thema:

Farbstoffsolarzellen

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7.3 Weiterführende Literatur

a Balzer, G. et al. „Elektrische Energietechnik: Schlüsseltechnologie der Zukunft“, Forschung 2/2007 TU Darmstadt

a Forschungsverbund Sonnenenergie „Themenheft Photovoltaik – Neue Horizonte“ 2003, www.fv-sonnenenergie.de

a Becker, M., Schneller, T. „Neue Wege zu Hochtemperaturleitern“, Nachrichten aus der Chemie, 55, Dezember 2007

a Forschungsverbund Sonnenenergie „Gemeinsam forschen für die Energie der Zukunft”, Herbst 2007

a BMWi, BMU „Bericht zur Umsetzung der in der Kabinettsklausur am 23. / 24.8.2007 in Meseberg beschlossenen Eckpunkte für ein Integriertes Energie- und Klimaprogramm“, Berlin, 5.12.2007

a GDCh „Potenziale der Chemie für mehr Energieeffizienz“, Nachrichten aus der GDCh-Energieinitiative, April 2007

a Cientifica „Nanotechnologies and Energy“, whitepaper, Cientifica, London, 2/2007,

www.cientifica.eu a CLSA „Solar Power Sector outlook“, Juli 2004,

www.clsa.com a Dechema et al. „Energieversorgung der Zukunft – der Beitrag der Chemie“, Positionspapier der DECHEMA, DBG, DGMK, GDCh, VDI-GVC, VCI, März 2007 a EPIA, Greenpeace „Solar Generation IV – 2007“, Bericht der European Photovoltaics Industry Association und Greenpeace International, 2007 a European Molecular Biology Organization „Short-circuiting our fossil fuel habits“, EMBO reports VOL 6, No 3, 2005

a Lux Research „Nanotech’s Impact on Energy and Environmental Technologies“, Lux Research 2007, www.luxresearchinc.com a Schott „Solar – Energie für die Zukunft“, Broschüre, Schott AG Mainz, April 2006 a Schüth, F., Felderhoff, M., Bogdanovic, B. „Komplexe Hydride als Materialien für die Wasserstoffspeicherung“, Tätigkeitsbericht Max-Planck-Gesellschaft, 2006 a Sommerlatte, J., Nielsch, K., Böttner, H. „Thermoelektrische Multitalente“, Physik Journal 6 Nr. 5, Wiley-VCH Verlag, 2007 a Technology Review „Energiespeicher“, S. 59–73, August 2007

7.4 Veranstaltungen a Impulsveranstaltung Nano Energie Hanau-Wolfgang, 28. Juni 2007,

www.nanotech-hessen.de/Veranstaltungen/ rueckblick/impulsveranstaltung-nano-energie

a Konferenz Nano Energie – „Nano- und Materialtechnologien für die Energieversorgung der Zukunft“ Hanau-Wolfgang, 11. September 2008,

www.hessen-nanotech.de/nanoenergie

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Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Band 1 Einsatz von Nanotechnologie in

der hessischen Umwelttechnologie Innovationspotenziale für Unternehmen Band 2 Nanomedizin Innovationspotenziale in Hessen für Medizintechnik und Pharmazeutische Industrie Band 3 Nanotechnologie im Auto Innovationspotenziale in Hessen für die Automobil- und Zuliefer-Industrie Band 4 NanoKommunikation Leitfaden zur Kommunikation von Chancen und Risiken der Nanotechnologien für kleine und mittelständische Unternehmen in Hessen

Supplement zum Leitfaden NanoKommunikation Innovationsfördernde Good-Practice Ansätze zum verantwortlichen Umgang mit Nanomaterialien Band 5 Nanotechnologien für

die optische Industrie Grundlage für zukünftige Innovationen in Hessen Band 6 NanoProduktion Innovationspotenziale für hessische Unternehmen durch Nanotechnologien im Produktionsprozess Band 7 Einsatz von Nanotechnologien

in Architektur und Bauwesen Band 8 NanoNormung Normung im Bereich der Nanotechnologien als Chance für hessische Unternehmen Band 9 Einsatz von Nanotechnologien

im Energiesektor Informationen / Download / Bestellungen:

www.hessen-nanotech.de

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Hessen

Nanotech

www.hessen-nanotech.de

Projektträger der Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung