Billigerer Solarstrom
dank Nano-Schwämmen aus Silizium
21.05.2010 -
Sonnenenergie ist praktisch unbegrenzt verfügbar. Solarstrom ist aber noch die
teuerste und deshalb stark subventionierte erneuerbare Energie.
Damit das nicht so bleibt, werden von der Forschung grundlegende Innovationen
gefordert. Besondere Erwartungen werden an die Nutzung von Nano-Materialien
gestellt.
An solchen Solarzellen der dritten Generation arbeitet seit kurzem ein
internationales Team aus Forschung und Industrie unter Koordination des
Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD).
Die entscheidende Frage für die Wettbewerbsfähigkeit von Solarstrom lautet: Wie
verbessert man den Wirkungsgrad von Solarzellen deutlich, ohne deren
Herstellungskosten in die Höhe zu treiben?
Wissenschaftler im Forschungszentrum FZD haben
einen Weg gefunden, das wenig
effektive, amorphe oder nano-kristalline Silizium in Dünnschicht-Solarzellen
durch einen Nano-Schwamm aus Silizium zu ersetzen.
Dieser verspricht bei guter Lichtabsorption eine verbesserte elektrische
Ausbeute. Der Nano-Schwamm aus Silizium ist in Glas eingebettet und dadurch
geschützt sowie elektrisch passiviert.
Im Rahmen des Projektes sollen Wege zur Fabrikation von Nano-Schwämmen aus
Silizium, die photoelektrischen Eigenschaften der Nano-Schwämme sowie deren
Überführung in Solarzellen-Produktionslinien untersucht werden.
Die am FZD entdeckte Möglichkeit der Effektivitätsverbessung von Solarzellen hat
den Vorteil, dass sie sich auf existierenden Produktionslinien mit nur kleinen
Anpassungen realisieren lässt und die Herstellungskosten nur unwesentlich
steigen.
Wenn Rohstoffe nachwachsen und Kunststoffe gesät werden.
21.05.2010 -
Kunststoffe oder
Polymere sind in unserem alltäglichen Leben allgegenwärtig.
Sie werden derzeit aus Rohöl oder Gas
hergestellt - in Hinblick auf die Begrenztheit fossiler Rohstoffe sollte auf
lange Sicht jedoch eine alternative Methode zur Herstellung von Kunststoffen auf
der Grundlage von erneuerbaren Ressourcen gefunden werden.
Die
Forschungsgruppe von Professor Dr. Stefan Mecking, Lehrstuhlinhaber für
Chemische Materialwissenschaft an der Universität Konstanz, fand einen Weg,
Kunststoffe aus pflanzlichem Öl zu gewinnen. Damit wurde erstmalig eine Methode
entwickelt, die fetthaltige pflanzliche Säuren verlustfrei in einen Kunststoff
überführt und dessen lineare Molekularstruktur aus langen Molekülketten bewahrt.
Bisherige Methoden der Kunststoffgewinnung aus regenerativen Rohstoffen nutzten
die fetthaltigen Säuren nur unvollständig und verschwendeten somit einen Teil
des Ausgangsmaterials - oder aber sie ergaben weiche Kunststoffe mit verzweigter,
baumartiger Molekularstruktur.
Die neue Methode, die von Dorothee Quinzler im Rahmen ihrer Dissertation
gefunden wurde, ermöglicht hingegen eine vollständige, verlustfreie
Nutzbarmachung des pflanzlichen Ausgangsstoffes und seiner spezifischen
Molekularstruktur, die in den entstehenden Kunststoff übergeführt wird.
Die so gewonnenen Kunststoffe verfügen anders als in herkömmlichen Methoden über
eine nicht-verzweigte und regelmäßige, lineare Molekularstruktur aus langen
Molekülketten: "Nicht unähnlich einer Aufschichtung von ungekochten Spaghetti",
erläutert Stefan Mecking. Diese regelmäßige Anordnung der Moleküle stattet die
Kunststoffe mit günstigen Eigenschaften aus: Der Kristallinitätsgrad und das
Schmelzverhalten dieser Stoffe sind vergleichbar zu den bekannten Polyethylenen,
wie Quinzler und Mecking in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" berichten.
BMBF-Fördersumme von über 4,5 Millionen Euro
für "Dream Production"
08.06.2010 - An einer nachhaltigen Verwendung von Kohlendioxid (CO2) arbeiten Forscher von Bayer MaterialScience und Bayer Technology Services zusammen mit der RWE Power AG sowie der RWTH Aachen University als akademischem Partner. Im Mittelpunkt des Projekts "Dream Production" stehen die Errichtung und Inbetriebnahme einer Pilotanlage im Chempark Leverkusen. Hier sollen im Kilogramm-Maßstab Polyetherpolycarbonatpolyole (PPP) produziert werden, die zu Polyurethanen weiterverarbeitet werden. Dabei wird CO2 chemisch gebunden und findet so nachhaltig Verwendung als Werkstoff. Die Schlüsseltechnologie hierfür ist die Katalyse.
Katalysetechnologie wird derzeit bei der Herstellung von mehr als 85 Prozent
aller chemischen Produkte eingesetzt, auch bei den sogenannten "Dream Reactions"
- Reaktionen, die im Labor erprobt wurden, von deren industrieller Umsetzung man
aber bisher nur träumen konnte. Konkret: Beim Versuch, CO2
nutzbar zu machen, stand die Reaktionsträgheit von Kohlendioxid bisher wie eine
große Hürde im Weg. Aber durch Katalyse ist diese Traumreaktion im Labor bereits
möglich geworden. Im Projekt "Dream Production" sollen nun die
vielversprechenden Ergebnisse aus dem Labor erstmals in den Technikumsmaßstab
überführt werden. Die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) als
Projektträger betreute Initiative wird in den kommenden drei Jahren mit
insgesamt über 4,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und
Forschung (BMBF) gefördert.
Die durch die Katalyse gewonnenen Polyetherpolycarbonatpolyole sind äußerst
attraktive Materialien. Neben der direkten Nutzung des CO2
eröffnen sich weitere interessante CO2-Einsparpotenziale
durch Verwendung der aus den PPPs hergestellten Polyurethane. "Die Verwertung
des Abfallproduktes CO2
zur Herstellung von vielseitigen Wertstoffen ist eine absolute Meisterleistung
der Katalyse, auf die wir ebenso wie unsere Projektpartner sehr stolz sind",
sagte Patrick Thomas, Vorstandsvorsitzender der Bayer MaterialScience AG.
"Darüber hinaus sparen Polyurethane als effizientestes organisches Dämmmaterial
während ihrer Nutzungsdauer etwa 80-mal mehr Energie ein, als zu ihrer
Herstellung benötigt wird. Somit erzielen PPPs einen doppelt positiven Effekt
für den Klimaschutz."
Neben der Gebäudedämmung tragen Leichtbauteile aus Polyurethanen etwa in der
Automobilindustrie zu einer Gewichtsverringerung und damit zu signifikanten
Energieeinsparungen bei. Aber auch als Stoff, aus dem hochwertige Matratzen und
Polstermöbel hergestellt werden, sind Polyurethane Teil des täglichen Lebens.
Der Einsatz von CO2
als Rohstoff bei der Herstellung von Polymeren hilft, weniger konventionelle
Rohstoffe und damit weniger fossile Energieträger zu verbrauchen. Mit diesem
Ansatz wird auch für zukünftige Generationen ein nachhaltiger Umgang mit
natürlichen Ressourcen aufgezeigt.
Das im Rahmen des Projekts eingesetzte CO2
wird aus dem Braunkohlenkraftwerk von RWE Power in Niederaußem stammen. Dort
betreibt der Stromerzeuger in seinem Innovationszentrum Kohle eine CO2-Wäsche,
mit der das Kohlendioxid aus dem Rauchgas abgetrennt wird. Für das Projekt Dream
Production wird die CO2-Wäsche
zusätzlich mit einer Verflüssigungsanlage ausgestattet, so dass das Kohlendioxid
nach Leverkusen transportiert werden kann. Die CO2-Verflüssigungsanlage
wird flexibel für unterschiedliche Anforderungen an das CO2
wie Drücke und Reinheiten im Kilogramm- bis Tonnenmaßstab errichtet und
betrieben.
Jede lebende Zelle in unserem Körper kann es: bedeckt mit einer dünnen Membran,
genannt Zellmembran oder Nanomembran, kann sie gezielt gewisse Stoffe herein und
andere draußen lassen. Obwohl tausendfach dünner als das menschliche Haar ist
diese Nanomembran in Aufbau und Funktion äußerst komplex. Drei Nobelpreise
wurden bisher für ein besseres Verständnis dieser Nanomembranen verliehen.
Mikroskopisch kleine Kanäle leiten Wasser, elektrische Ladungen und Nährstoffe
hin und her und schaffen dabei im Inneren der Zelle eine ausgewogene Balance.
Dabei sind uns viele der Funktionen und Strukturdetails noch immer unbekannt,
lediglich der Wasser- und Protonenaustausch ist besser erforscht. "Diese
feinsten Kanäle der Zellmembranen mit ihrer Fähigkeit, selektiv Protonen zu
leiten, funktionieren genauso wie die vom Menschen geschaffenen
Brennstoffzellen", erklärt Werner Brenner, "nur ist dieser Prozess in der Natur
noch deutlich effizienter."
Brennstoffzellen sieht man heute als ernstzunehmende Alternative zu Öl, das
bisher die Basis für elektrische Energie und Mobilität ist. Die Ölreserven der
Erde leeren sich jedoch rapide mit dem wirtschaftlichen Druck, immer tiefer in
den Meeresboden vordringen zu wollen. Auch liefert die Ölverbrennung CO2, Ruß
und andere Rückstände. Abfallprodukt der Brennstoffzelle ist lediglich Wasser.
Das EU-Projekt fokussiert auf das Design des Herzstücks jeder Brennstoffzelle,
der Membran, die Protonen effizienter leiten soll als dies bisherige Lösungen
können. "Erste Ergebnisse machen Mut. Es wird nicht trivial aber machbar. Die
Natur schafft diese Strukturen seit Milliarden von Jahren und sie bewähren sich
in jedem lebenden Organismus. Unsere Aufgabe ist die Übernahme der Struktur
dieser natürlichen Nanokanäle in eine künstliche Nanomembran, selbst nur hundert
Nanometer dick." erklärt Jovan Matovic.
Ein breites Feld von wissenschaftlichen Ansätzen - von der Festkörperphysik über
die Nanotechnologie bis hin zur Chemie - sind für dieses Projekt nötig. Daher
ist auch die internationale Kooperation von sechs Universitäten,
Forschungsinstitutionen und Unternehmen von großer Bedeutung. Das EU-Projekt
wird vom TU Wien Forschungsteam Ass.Prof. Dr. Werner Brenner, Dr. Jovan Matovic
und Dr. Nadja Adamovic am Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme koordiniert.
Das TU-Forschungsteam ist sich sicher: "Der Output dieses Vorhabens soll von
weitreichenderer Bedeutung sein für unsere Gesellschaft sein. Gelingt es, die
Nanokanäle exakt nach Plan zu bauen, öffnen sich noch ganz andere
Anwendungsfelder wie definierte Medikamentenabgabe, Wasserentsalzung oder auch
neuartigen Sensoren." erläutert Nadja Adamovic, "Die Grenzen zwischen "künstlich
und "natürlich" werden im Projekt wieder ein Stück weit verschwimmen".