Innovative Werkstofftechnologien beherrschen unseren Alltag. Mehr als 70 Prozent des Bruttoinlandsproduktes westlicher Industrieländer stehen in direktem oder indirektem Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Werkstoffe. Die Mehrzahl der Produkt- und Verfahrensinnovationen basiert auf verbesserten oder neu entwickelten Materialien. Die Herausforderungen der Zukunft sind im Wesentlichen von Werkstoffthemen wie Ressourcenverfügbarkeit und nachhaltige Energiewirtschaft geprägt. Die Aufgaben reichen von der Konzeption geschlossener Werkstoffkreisläufe, über Fragen der Energie- und CO2-Effizienz bei Fertigungsprozessen, bis hin zur Suche nach neuen Werkstoffen für die Energieerzeugung und -speicherung.
New Materials for Sustainable Energy Systems
Innovative materials are very much part of everyday life. Over 70% of the economic activity of Western industrialised nations is directly or indirectly linked to the development of new materials. The majority of product- and process-innovations are associated with improved or newly developed materials. Future requirements will be largely linked to materials-related issues such as availability of resources and sustainable energy economies. The range of future demands will stretch from the concept of closed loop materials recycling, through questions of energy production and CO2 efficiency in manufacturing processes, to the search for new materials for energy production and storage.
Neue Materialien haben in Bezug auf Energiebilanzen mehrfachen Impact. Allem voran durch die Möglichkeiten, Prozesse energieeffizient zu gestalten. Ein aktuelles Beispiel sind prozesshärtende Stähle. Die endgültige Festigkeit, die eine hohe Crash-Sicherheit zum Beispiel im Automobil bietet, wird erst in der Fertigung erzeugt und somit kann der Werkstoff mit niedrigerem Energieaufwand geformt werden. Weiteres Nachhaltigkeitspotential bieten Werkstofftechnologien in ihrer Anwendung beispielsweise bei Fahrzeugen oder Maschinen, um durch Gewichtsreduzierung, Verschleißminimierung oder Verminderung von Reibungswiderständen eine effiziente Nutzung der Energie zu erreichen. Als Beispiel hierfür kann der Einsatz von Aluminium oder faserverstärkten Kunststoffen im Fahrzeugbau genannt werden, der bei Betrachtung des gesamten Lebenszyklus, von der Werkstofferzeugung über die Nutzung bis zur Wiederverwertung, jeweils optimale Energieverwertungspotentiale bietet.
Ganzheitliche Konzepte zur nachhaltigen Nutzung von Energie
Zu den Aspekten der nachhaltigen Nutzung von Energie zählt auch die Gestaltung von Verarbeitungsprozessen an sich. Ein ganzheitliches Konzept muss hier sowohl die Wärmebilanz als auch die Werkstoffausnutzung in Betracht ziehen. Den Handlungsbedarf im Bereich ressourcenoptimierter Prozesse unterstreichen zahlreiche Projektvorhaben, unter anderem auf der Plattform der deutschen Materialeffizienzagentur oder mit Unterstützung des BMWi-Innovationsgutscheins go-effizient. Near-Netshape-Produktion ist ein Stichwort, das in diesem Zusammenhang meist fällt. Der Laminated Object Manufacturing-Prozess (LOM) – den die EADS in Ottobrunn zur industriellen Serienreife entwickelt hat – ist ein aktuelles Beispiel für die effiziente Nutzung von hochwertigen und teuren Materialien. Statt wie bisher Titanverbindungselemente für den Flugzeugbau aus dem Vollen zu Fräsen und bis zu 90 Prozent des Materials abzutragen, wird beim LOM-Prozess das Produkt unter fast 100-prozentiger Nutzung des Werkstoffes schichtweise erzeugt.
Größte Herausforderung: zukunftsweisende Energiespeicherung
Eine der größten Herausforderungen der zukünftigen Energieversorgung stellt das Thema Energiespeicherung dar. Auch hier sind innovative Ansätze in den Werkstofftechnologien zukunftsweisend. Die Speicherdichte und die Effizienz der Energierückgewinnung hängen maßgeblich von den Materialeigenschaften der Speichersysteme ab. Neue Werkstoffe, wie beispielsweise keramische Separatoren für Hochtemperaturbrennstoffzellen oder mikrometerdünne Glasfolien als Separatoren für die Batterietechnologie, zielen auf hohe Speichereffizienz bei möglichst minimierten Bauräumen, nicht nur für die mobile Energiebereitstellung.
In der Energieerzeugung spielen Werkstoffe auf allen Ebenen eine wichtige Rolle. Hochtemperaturwerkstoffe, wie zum Beispiel Nickelbasislegierungen oder keramische Isolationsschichten, ermöglichen den wirtschaftlicheren Betrieb von Gas- und Dampfturbinen. Hochsteife und leichte Materialien, wie Glasfaser- oder Kohlefasercomposite verbessern die Nutzung der Windkraft, sowohl unter Offshore-Bedingungen als auch in Gebieten mit niedrigeren Windgeschwindigkeiten. Polymerelektronische Werkstoffe und neue Halbleitermaterialien werden für die photovoltaische Nutzung der Sonnenenergie eingesetzt. Glaswerkstoffe und metallische Schichtverbunde bilden die Basis für die solarthermische Energieerzeugung. Auch für die energietechnische Verwertung von Biomasse spielen Werkstoffentwicklungen, wie beispielsweise hochkorrosionsbeständige und verschleißfeste thermisch gespritzte Schichten eine wichtige Rolle.
In Bezug auf neue Energiesysteme und die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen entwickeln sich zahlreiche Herausforderungen in den Werkstofftechnologien. Viele Werkstoffklassen, wie beispielsweise faserverstärkte Kunststoffe, mehrphasige Metalle oder technische Textilien zeigen bereits jetzt großes Potential beim Einsatz für die Gewinnung oder den Erhalt von Energie. Großer Bedarf besteht bei neuen Materialien für die Energiespeicherung und an vielen Stellen fehlen bis jetzt Konzepte für geschlossene Werkstoffkreisläufe.
Cluster Neue Werkstoffe identifiziert Handlungsbedarf bei Entwicklung neuer Werkstofflösungen
Die Entwicklung neuer Materialien und darauf aufbauender Technologien und Anwendungsfelder ist neben der ökonomischen Nachhaltigkeit eng mit den Anforderungen aus Umwelt- und Naturschutz verbunden. Neue Materialien helfen bei der Umsetzung der Klimaschutzziele oder einer zukunftsweisenden Energieversorgung und ermöglichen nachhaltige Mobilität. Dabei sind die Anforderungen an die Materialforschung sehr viel komplexer geworden. Es geht nicht mehr nur um die Optimierung der Produktfunktion, auch die ganzheitliche Betrachtung des Werkstoffes hinsichtlich der globalen Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien, der Nutzung nachwachsender Rohstoffe sowie der Recyclingstrategien zur Schließung von Werkstoffkreisläufen und die Schonung der Umwelt stehen im Vordergrund. Die Entwicklung neuer Werkstofflösungen und deren Umsetzung in innovative Produkte ist hierbei immer eng gekoppelt an die Entwicklung entsprechender Fertigungs- und Verarbeitungstechnologien.
Der Cluster Neue Werkstoffe, hervorgegangen aus der Bayerischen Cluster Offensive, hat Megatrends wie Nachhaltigkeit, Individualisierung, Ressourcen, demografischer Wandel und Internationalisierung als Leitbegriffe für die zukünftige Cluster-Arbeit identifiziert und entsprechende technologie- und branchenspezifische Aktivitäten gestartet. Steigender Wettbewerbsdruck, kürzere Produktlebenszyklen und der damit verbundene Innovationsdruck machen es notwendig, Qualität und Geschwindigkeit von Innovationsprozessen zu optimieren. Innovation durch Kooperation lautet hierbei eine der Erfolgsstrategien, die sich der Cluster Neue Werkstoffe auf seine Fahnen geschrieben hat. Der Cluster bietet gerade für eine frühzeitige Vernetzung ein umfassendes Leistungsportfolio an Veranstaltungen, individuellen Projektdienstleistungen und Marketingaktivitäten zur Stärkung der bayerischen Werkstoffkompetenzen.
Im Bereich energierelevanter Fragestellungen arbeitet der Cluster Neue Werkstoffe eng mit dem Cluster Energietechnik zusammen. Dieser intensiviert die Zusammenarbeit von Wirtschaft und Wissenschaft, um die Innovationskraft von Unternehmen weiter zu erhöhen und somit neue Wertschöpfung in Bayern zu generieren. Die Aktivitäten konzentrieren sich auf die Themenfelder erneuerbare Energien, Energieeffizienz in der Strom- und Wärmeerzeugung und im Verbrauch sowie auf Energiespeichersysteme und Übertragungs- und Verteilnetze in der Stromversorgung. Verantwortlich für das Management des Clusters Energietechnik ist – ebenso für den Cluster Neue Werkstoffe – die Bayern Innovativ GmbH.
Informationen zu Cluster-Aktivitäten:
Deutliche Reduktion der CO2-Emissionen durch leistungsstarke Gasturbine beim Kraftwerk Irsching (Quelle: Siemens)
Der neue BASF-Schaumstoff auf Basis von Polyethylenterephtalat wird für die Herstellung von Wind-
rotorblättern verwendetQuelle: BASF
