IUTA mit drei Wettbewerbsbeiträgen beim Leitmarktwettbewerb NeueWerkstoffe.NRW erfolgreich

Beim 2. Aufruf in der 2. Einreichungsrunde wurden beim Leitmarktwettbewerb NeueWerkstoffe.NRW aus 27 Wettbewerbsbeiträgen 14 Beiträge ausgewählt und zur Förderung empfohlen. IUTA konnte dabei mit den Anträgen „LIKELY“, „texSorb“ und „HyperSol“ drei Beiträge erfolgreich platzieren.

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LIKELY – Entwicklung eines neuartigen Katalysators mittels Laserablation zur Generierung von Iridium-Nanopartikeln auf oberflächenmodifizierten Keramikträgern für den effizienten Einsatz in PEM-Elektrolysezellen

Die Projektpartner sind:

Im Rahmen der Energiewende ist eine Erweiterung der in das Verbundnetz integrierten Energiespeicher notwendig, um zukünftig die heute gewohnte Versorgungssicherheit trotz eines sehr hohen Anteils volatiler regenerativer Energieerzeugungsanlagen wie Windkraftanlagen und Photovoltaik zu ermöglichen. Für dezentrale Anlagen bieten sich insbesondere elektrochemische Speicher wegen ihres dynamischen Ansprechverhaltens und des hohen elektrischen Wirkungsgrads an. Sie eignen sich ideal zur Kopplung mit regenerativen Energieerzeugungsanlagen. Für die Entwicklung marktfähiger Lösungen sind aber noch technische und ökonomische Aspekte zu beachten. Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Wasserelektrolyseure sind eine effiziente Technologie zur Wasserstoffproduktion. Hierbei bieten sich insbesondere Systeme an, mit denen das Produktgas bei einem hohen Ausgangsdruck bereitgestellt werden kann, um den technischen Aufwand für eine nachfolgende Kompression der produzierten Gase zu reduzieren. Jedoch sind die Kosten für Elektrolyseuranlagen immer noch so hoch, dass sie gegenüber konventionellen Energiesystemen nicht konkurrieren können. Ein wesentlicher Beitrag zu Kosteneinsparungen kann durch die optimale Ausnutzung der eingesetzten Rohstoffe geleistet werden. Neben kostspieligen Polymeren sind vor allem die Kosten für die notwendigen katalytischen Aktivmaterialien in üblichen PEM-Elektrolyseur-Systemen die Treiber. Als Katalysatoren werden hauptsächlich Edelmetalle aus der Platingruppe verwendet.

Zur Verbesserung der Effizienz sowie zur Reduktion der Kosten von zukünftigen PEM-Hochdruckelektrolyseuren wird im Vorhaben LIKELY ein neuartiges Katalysatorsystem entwickelt. Durch die Anwendung intelligenter Präparationsverfahren sollen katalytisch aktive Elektroden mit bis zu 90 % geringerem Edelmetalleinsatz als bisher üblich kostengünstig hergestellt werden und somit Kosteneinsparpotentiale für regenerativ generierten Wasserstoff gehoben werden können. Die Materialeinsparung soll zum einen durch die hohe Reinheit der Katalysatoren erreicht werden und zum anderen durch eine neue Methodik, Membranelektrodeneinheiten mit dünner Katalysatorschicht zu verarbeiten. Das notwendige Katalysatormaterial wird mittels eines innovativen Laserablationsverfahrens hergestellt, welches in hochreinen Partikeln (liganden- und halogenfrei) mit sehr hoher elektrochemischer Aktivität resultiert. Die Edelmetallpartikel werden zur verbesserten Ausnutzung dieses hochwertigen Rohstoffs auf chlorfrei hergestelltem Silizium abgeschieden, welches durch Dotierung elektrisch leitfähig ist. Aus diesem Werkstoff sollen anschließend katalytische Schichten präpariert werden, die auf makroskopische Elektrodensubstrate aufgebracht, zu Membranelektrodeneinheiten (MEA) verarbeitet und in technischen PEM-Elektrolysezellen zur Anwendung gebracht werden.

IUTA wird in diesem Vorhaben dotiertes Silizium als leitfähiges Basismaterial für das darauf abzuscheidende Katalysatormaterial herstellen. Für die Synthese des nanoskaligen Siliziums  werden bestehende Reaktoren im Technikumsmaßstab genutzt und somit einerseits die flexible Materialentwicklung ermöglicht und andererseits die Skalierbarkeit des Prozesses demonstriert. Das Gesamtvolumen des Vorhabens liegt bei rund 1,8 Mio. Euro, wobei der Anteil des IUTA rund 450.000 Euro beträgt.

texSorb – Entwicklung von textilen Adsorbern zur Adsorption von Spurenstoffen aus kommunalen Abwässern nach biologischer Aufbereitung

Die Projektpartner sind:

Im Rahmen des beantragten Projekts sollen neue textile Adsorptionsmaterialien zur Eliminierung von Mikroschadstoffen auf der Basis von polyelektrolytmodifizierten Filtervliesen entwickelt werden. Die Adsorptionsmaterialien sollen in kommunalen Kläranlagen zur Entfernung verschiedener Spurenstoffe kostengünstig und effizient eingesetzt werden.

Besonders in NRW ist der Schutz der Oberflächengewässer von besonderer Bedeutung, da ein hoher Anteil der Trinkwasserversorgung über Uferfiltrat aus Oberflächengewässern abgedeckt ist. Des Weiteren befinden sich nach EU-Wasserrahmenrichtlinie viele Oberflächengewässer  NRWs in einem schlechten chemischen und biologischen Zustand. Zur Lösung dieses Problems soll der textile Adsorber als alternatives Material zur Adsorption an Aktivkohle oder zur Oxidation mit Ozon bei der erweiterten Abwasserreinigung zur Mikroschadstoffelimination (sog. 4. Reinigungsstufe) eingesetzt werden.

Hierzu wird zunächst ein Laborfilter entwickelt, welcher nach der Charakterisierung mit Reinstwasser auch an realem Abwasser getestet und optimiert wird. Anhand der Versuche werden Daten zur Auslegung und Planung einer Versuchsanlage ermittelt. Durch einen Langzeitversuch soll die Reinigungsleistung hinsichtlich der Elimination der Mikroschadstoffe im Demonstrationsmaßstab bewertet werden.

Mit den entwickelten textilen Adsorbern und dem erworbenen technischen Know-How wird eine leistungsstarke und wirtschaftlich attraktive Technologie zur Entfernung von Mikroschadstoffen entwickelt, wodurch die Mikroschadstoffbelastung in Oberflächengewässern signifikant verringert werden kann. Abschließend erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und der Vergleich mit anderen Verfahren zur erweiterten Abwasserreinigung.

IUTA wird in diesem Vorhaben die neuen Materialien hinsichtlich ihres Adsorptions- und Desorptionsverhaltens charakterisieren, Laboruntersuchungen durchführen und alle Experimente mittels instrumenteller und wirkungsbezogener Analytik begleiten. Abschließend erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Das Gesamtvolumen des Vorhabens liegt bei rund 1,8 Mio. Euro, wobei der Anteil des IUTA rund 600.000 Euro beträgt.

HyperSol – Hybrider plasmonisch verstärkter Photokatalysator zur Erzeugung Solarer Brennstoffe

Die Projektpartner sind:

Der zusätzlich vom Menschen in die Umwelt eingebrachte Ausstoß von Kohlendioxid gilt als eines der wichtigsten Probleme mit klimatischen Folgen im globalen Maßstab. Dabei kann CO2 auch als wertvoller Grundstoff für die Erzeugung sogenannter solarer Brennstoffe verwendet werden. Dazu bietet die Photokatalyse, hier die Aufspaltung von CO2 unter Verwendung des Sonnenlichtes als Energielieferanten, Lösungen an. Allerdings sind bisher umgesetzte Verfahren dieser Form der technologischen Photokatalyse extrem ineffizient. Dies liegt vor allem an den unzureichenden materialspezifischen Eigenschaften reiner Halbleiterkatalysatoren. Hier setzen die Partner mit dem Projekt HyperSol an. Im Projekt soll durch die gezielte synergetische Kombination aus hybrider Plasmonik und photokatalytischem Halbleiter eine deutliche Verbesserung der Effizienz zur Generierung von solaren Brennstoffen wie Methanol und Methan zur Speicherung von Energie und als Treibstoff für die Mobilität erzielt werden. Zusätzlich zu den konsequenten Methoden der Halbleitertechnik und der Nanotechnologie auf der Materialseite, werden Maßnahmen zur Effizienzsteigerung über die Anpassung der Reaktortechnik, als auch durch die Weiterentwicklung der Charakterisierung der Prozesse komplettiert.

IUTA wird in diesem Vorhaben die neuen Materialien hinsichtlich ihrer katalytischen Eigenschaften charakterisieren und Laborexperimente zur Identifizierung der Biogasabbauprodukte durchführen. In einer Pilotanlage integriert IUTA die Messtechnik zur In-line- und On-line-Prozessanalyse. In Kombination der am IUTA durchgeführten Laboranalytik soll zusammen mit den Partnern dann ein Steuerungskonzept entwickelt werden und ein Systemtest unter Realbedingungen erfolgen. Das Gesamtvolumen des Vorhabens liegt bei rund 2,5 Mio. Euro, wobei der Anteil des IUTA rund 440.000 Euro beträgt.