Wissenschaftliche Forschung für effizientere Technologien

Mit der Einführung eines innovativen mikrowellenbasierten Produktionsverfahrens für Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) hat das CEM-WAVE-Projekt das Potenzial, die energieintensiven Industrien zu revolutionieren, die eine vollständige Umstellung auf erneuerbare Energiequellen planen.

Durch einen systemischen und multidisziplinären Ansatz testet und demonstriert das CEM-WAVE-Projekt Möglichkeiten zur Senkung der Produktionskosten von Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen und zur Schaffung neuer Liefer- und Wertschöpfungsketten in der Verbundwerkstoff- und Fertigungswirtschaft. Zu den wichtigsten Vorteilen von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix (CMC) gegenüber anderen Werkstoffen gehören ihre hohe Wärmebeständigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit, ihr geringes Gewicht und ihre unmagnetische Beschaffenheit. Im Laufe der Jahre haben CMCs aufgrund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften in industriellen Anwendungen gegenüber einphasigen Keramiken und anderen Materialien erheblich an Bedeutung gewonnen. Die wachsende industrielle Nachfrage nach hochtemperaturbeständigen Geräten mit geringem Gewicht und geringer Dichte ist der Hauptfaktor, der die Expansion des globalen Marktes für Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe vorantreibt.

Vorreiterrolle bei der Umstellung auf erneuerbare Energien in der Schwerindustrie

Erneuerbare Energien, wie die Verwendung von sauberem Wasserstoff, sind von Natur aus schwankend, unbeständig und können extreme Produktionsbedingungen hervorrufen. Das Projekt CEM-WAVE hat diese Herausforderung erkannt und schlägt eine mikrowellenbasierte technologische Lösung vor, um sie zu bewältigen.

Um die Umstellung auf saubere und erneuerbare Energien voranzutreiben, benötigt die Schwerindustrie leistungsfähige und energieeffiziente Materialien, die auch rauen Bedingungen wie sehr hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen standhalten können. Das Projekt CEM-WAVE schlägt den Einsatz von Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen in rauen Produktionsumgebungen vor.

Mehr zu dem Thema: https://www.cem-wave.eu/

In den letzten Jahren hat das Interesse am Kunststoffrecycling als Alternative zur Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zugenommen. Vor diesem Hintergrund wurde das chemische Recycling als vielversprechende Strategie zur Maximierung der Recyclingrate vorgestellt, obwohl diese Technologie Nachteile wie den hohen Energieverbrauch aufweist. Darüber hinaus kann der potenzielle Umweltnutzen des Recyclings reduziert werden, wenn für die Bereitstellung dieser Energie konventionelle Heiztechnologien verwendet werden. Als eine mögliche Alternative zur Minimierung der schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt kann die Substitution konventioneller Heiztechnologien durch Mikrowellenerwärmung (MW) wichtige Vorteile bringen. Aus dieser Perspektive ist es das Ziel der aktuellen Arbeit, einen MW-unterstützten Reaktor für das Polymerrecycling zu entwerfen und zu optimieren, der bis zu acht Ports verwendet, die elektromagnetische Wellen bei zwei verschiedenen Frequenzen emittieren und den physikalischen Prozess der Materialerwärmung im Inneren des Behälters simulieren.

Mehr zu dem Thema: https://www.comsol.ch/paper/download/855941/Virtual_Europe_2020_Paper_A.Frisa-CIRCE-FM.pdf

Broschüre: polynSPIRE

Paper: CIRCE polynSPIRE

DEMETO ist ein revolutionärer neuer Weg, PET auf höchst profitable und ökologisch nachhaltige Weise chemisch zu recyceln. DEMETO wird dank seiner mikrowellenbasierten Prozessintensivierung die chemische Depolymerisation von PET im industriellen Maßstab ermöglichen.

DEMETO ist ein europäisches Projekt und wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert. Die 13 Partner, die das DEMETO-Konsortium bilden, kommen aus ganz Europa und teilen die gemeinsame Vision, dass DEMETO dazu beitragen wird, eine nachhaltigere Welt zu schaffen.

Mehr zu dem Thema: https://www.demeto.eu/

Broschüre: DEMETO

EU-finanzierte Forscher haben einen durchgehenden Prozess für gebrauchte Autoreifen entwickelt, um diese zu wertvollen Produkten zu verarbeiten, die in der Reifenindustrie verwendet werden können, anstatt sie nur zu recyceln.

Bei der wachsenden Zahl von Fahrzeugen stellt die Entsorgung von Altreifen ein zunehmendes Problem dar. Auch werden sie oft illegal entsorgt oder auf Deponien gelagert, was ein ernsthaftes Umweltproblem aufwirft. Aber die Technologie, um hochwertige Materialien aus Altreifen wiederzugewinnen, entwickelt sich weiter.

Im Rahmen des mit EU-Mitteln geförderten Projekts SULFREE (Tyre recycling pyrolysis for producing oil with less than 0.2% sulphur content, low cost sulphur impregnated carbon for reducing mercury air emissions, with simultaneous elemental) entwickelten Forscher einen kompletten Prozess, um Altgummireste in wertvolle Materialien zu verwandeln.

Der Prozess beginnt mit einer Mikrowellenpyrolyse. Da bisher keine Altreifenrecycling-Mikrowellenpyrolyseanlagen in Betrieb waren, war dies ein großer Erfolg. Für diesen Prozess hat Fricke und Mallah 5 Mikrowellengeneratoren mit jeweils 3 kW / 2450 Mhz geliefert. Über das innovative interne Mischsystem mit Scheiben und Stangen wird der Altgummi intensiv vermischt, um eine vollständige Pyrolyse zu erreichen.

Industrieruß und heißes Gas, die Produkte des Pyrolyseprozesses, haben jeweils einen hohen Schwefelgehalt. Der Industrieruß wird mittels Dampf aktiviert, um dessen Marktwert zu erhöhen. Der heiße Dampf wird abgekühlt, verdichtet und unter Druck in einen Festbettreaktor injiziert, um Öl und Gas mit ultraniedrigem Schwefelgehalt sowie Schwefel herzustellen.

Ein Kondensatorsystem, über das kondensiertes schwefelreiches Öl anstelle von Dampf produziert wird, reduziert die Kosten des Verfahrens maßgeblich. Der Mantel-Rohr-Wärmeaustauscher des Kondensators erleichtert die Wärme- und Dampfrückgewinnung, um den Energiebedarf des Systems zu decken und um den Industrieruß zu aktivieren.

Wissenschaftler demonstrierten die Kosteneffektivität des Systems. Die Rückgewinnungsraten waren mit denen bestehender Programme (mehr als 90 %) vergleichbar. Der wichtige Unterschied sind jedoch die daraus resultierenden hochwertigen Produkte: Pyrolyseöl, schwefelimprägniertes aktiviertes Karbon, elementarer Schwefel sowie Verbrennungsgase.

SULFREE ist von großem wirtschaftlichen und ökologischem Nutzen, da durch die Förderung von Reifenrecycling wird die illegale Entsorgung von Altreifen minimiert.

Mehr zu dem Thema: https://cordis.europa.eu/project/id/605246/reporting

CLEAN-HEAT war ein 24-monatiges Projekt, das durch das H2020-Rahmenprogramm der Europäischen Kommission im Rahmen des Förderprogramms für KMU-Instrumente der Phase 2 finanziert wurde.

Das CLEAN-HEAT-Konsortium bestand aus dem federführenden KMU, Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH (FM), die mit einem weiteren KMU, Microwave Technology (MTL), zusammenarbeiteten. Diese KMU-Partner wurden von einer Reihe von Drittparteien unterstützt, darunter Pera Technology Solutions Ltd und die London Metropolitan University (LMU).

Magnetrons sind heute die am weitesten verbreitete Mikrowellentechnologie sowohl für industrielle als auch für häusliche Mikrowellen. Diese Systeme können jedoch nur Wirkungsgrade von ca. 45 bis 50% erreichen und stellen ein Sicherheitsrisiko dar, da sie mit Hochspannung (5kV) arbeiten und die Magnetrons eine kurze Lebensdauer haben, die einen häufigen Austausch erfordert. Die Magnetrontechnologie erlaubt keine automatische Anpassung des Leistungspegels an die Lastschwankungen. Diese Einschränkungen sind für industrielle Mikrowellenprozesse mit enormen Kosten verbunden, und es gibt Forderungen nach effizienteren Lösungen. In ganz Europa verbrauchen Mikrowellen jährlich über 9,6 TWh elektrische Energie.

FM wollte sein 200-W-Festkörper-Dauerstrich-Mikrowellensystem aufrüsten, um diese Einschränkungen zu beheben. Das auf Galliumnitrid (GaN) basierende 1kW-Mikrowellensystem sollte mindestens 25 % des Stromverbrauchs einsparen, mit einem Wirkungsgrad von mehr als 70 % arbeiten, eine automatische Anpassung des Leistungspegels als Reaktion auf Lastschwankungen ermöglichen und die Gerätegröße erheblich reduzieren. Von Bedeutung war auch die erhöhte Lebensdauer, um häufige und kostspielige Auswechslungen zu vermeiden. Mit all diesen hervorragenden Eigenschaften und Leistungsvorteilen musste unser Produkt kostenmäßig mit magnetronbasierten Mikrowellenquellen konkurrenzfähig sein.

Die Solid State-Mikrowellentechnologie hat viele Anwendungen, darunter Feuchtigkeitsmesser, medizinische HF-Chirurgie sowie häusliche und industrielle Wärmeverarbeitung. Sie bietet auch die Möglichkeit der automatischen Leistungsanpassung, die die Energieeffizienz und schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeiten als herkömmliche Magnetronsysteme verbessert. Die vollständige Übernahme unserer Technologie in Mikrowellenöfen sowohl in Privathaushalten als auch in der Industrie würde zu potenziellen Energieeinsparungen von 6,74 TWh elektrischer Energie in ganz Europa führen.

Mehr Informationen: https://cordis.europa.eu/project/id/666488/reporting/de

EOL Dünnschicht-PV-Module wurden in den letzten Jahren in immer größerem Umfang in Deutschland installiert. Abhängig von den unterschiedlichen Fördermaßnahmen hat dieser Boom bereits die meisten EU-Mitgliedsstaaten erfasst und zu einem Anstieg der installierten PV-Leistung geführt. Den Erwartungen des Verbandes der PV-Hersteller (Solar Power Europe) folgend, wird diese Entwicklung für die kommenden Jahre anhalten und weitere Wirtschaftsregionen der Welt erreichen [SOLA-15]. 

EOL Dünnschicht-PV-Module haben neben den klassischen Silizium-Wafer-basierten PV-Modul-Techniken Bedeutung erlangt. Ihr Erfolg ist mit dem hohen Automatisierungsgrad der Fertigung und dem daraus resultierenden geringeren Anschaffungspreis zu begründen, trotz des deutlich geringeren Wirkungsgrades gegenüber den klassischen Silizium-Wafer-basierten PV-Modul-Techniken.

EOL Dünnschicht-PV-Module bestehen aus lichtabsorbierenden Halbleitern, die durch chemische Bad- oder Gasphasenabscheidung auf ein Glassubstrat aufgebracht werden. Dabei sind die aktiven Metall- und Halbleiterschichten zwischen zwei Glasplatten zu einem festen, langlebigen Verbund verklebt. Dieser kompakte wie komplexe Aufbau verdeutlicht unmittelbar die technischen Herausforderungen denen sich ein Recycling-Verfahren für die EOL Dünnschicht-PV-Module gegenüber sieht.

In Kombination mit den erwarteten Wachstumsraten rückt auch der Aspekt der Modul-Entsorgung ins Blickfeld. Es fehlt an marktrelevanten Entsorgungskapazitäten für Silizium-Wafer-basierte oder EOL Dünnschicht- PV-Module. EOL Dünnschicht-PV-Module werden bisher schlicht in verdünnter Dosierung dem Stoffstrom des Altglases beigemengt. Die Wertmetalle gehen dabei endgültig dissipativ verloren.

Die Mobilisierung dieser nennenswerten Mengen wertreicher und zunehmend gefragter Metalle für eine stoffliche Verwertung ist als zukünftige Herausforderung stoffstromspezifischer Rücknahmelösungen und Verwertungstechnologien im Lichte eines „Urban Minings“ zu sehen. Allerdings erschwert der komplexe Aufbau der EOL Dünnschicht-PV-Module die Separation in Fraktionen, die den konventionellen Recyclingrouten zugeführt werden können.

Aufgrund seines innovativen Verfahrensansatzes leistet das „PhotoRec“-Verfahren höchste Selektivität bei geringer Prozesskomplexität und kann damit einen substantiellen Beitrag zur Sicherung der Rohstoffversorgung der Solar-Industrie leisten. Langfristig wird eine Ausbeute von 90% der Halbleitermetalle angestrebt.

Das Verfahrensprinzip der Mikrowellen-Erwärmung im Vakuum führt zu außerordentlich günstigen Behandlungsparametern, da bei niedrigem Prozessdruck, niedrigem Sauerstoffpartialdruck und sehr hoher, fokussierter Energiedichte die strategischen Zielkomponenten im metallischen Zustand verbleiben. Darüber hinaus führen diese Prozessparameter zu einer beschleunigten Reaktionskinetik, die das ökonomische Verfahrenspotenzial kurzer Behandlungszeiten widerspiegeln.

Das vorgeschlagene Verfahren verbindet damit einen hohen Ressourcen-Wirkungsgrad mit optimierter Energieeffizienz und hohem Produktivitätspotenzial und zeigt bei hohem Innovationsgrad erstmalig einen Lösungsweg auf, wie strategische Metalle selbst in geringer Konzentration auf wirtschaftliche Weise aus komplexen Verbundstoffen zurückgewonnen werden können.

Lösungen für ein effektives und nachhaltiges Fäkalschlammmanagement (FSM) stellen weltweit einen erheblichen Bedarf dar. Täglich fallen weltweit enorme Mengen an Fäkalschlamm an, der aus der Abwasserentsorgung vor Ort stammt. 2,7 Milliarden Menschen auf der ganzen Welt sind mit Technologien für die Abwasserentsorgung vor Ort versorgt, und es wird erwartet, dass diese Zahl bis 2030 auf 5 Milliarden anwachsen wird. FSM stellt eine globale Herausforderung dar.

Ein neues technologisches Konzept für die Sterilisation und Dehydrierung von Exkrementen (Fäkalien und Urin) wurde von UNESCO-IHE in Zusammenarbeit mit der Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH entwickelt und von der Bill & Melinda Gates Foundation unterstützt. Die Technologie nutzt Mikrowellengeneratoren, die Teil eines speziell konstruierten Reaktors sind, der pathogene menschliche Abfälle in sauberes Wasser und inertes Trockenmaterial umwandeln kann. Das Konzept wurde in den Niederlanden und Kenia erfolgreich getestet, und eine Demonstrationsanlage befindet sich derzeit im Bau.

Die Elektronik gehört nach wie vor zu den Wirtschaftszweigen mit der größten Dynamik. Innovative Elektronikprodukte sind in fast allen Lebensbereichen anzutreffen. Dazu gehören u.a. die Bereiche Kommunikation, Automobil, Energie und Medizin. Neue Anwendungsgebiete, verbunden mit immer komplexeren Beanspruchungen führen zu einer erheblichen Wachstumsrate im Bereich der Leistungselektronik und zu immer höheren Anforderungen an die Qualität und Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen.

Bedingt durch die E-Mobilität und die Hybrid-Technologie im PKW-Bereich steigen die Ansprüche insbesondere auch bezüglich der elektrischen Spannungsfestigkeit. Eine Erhöhung der Betriebsspannung bis 800 V und der umfangreiche Einsatz von Modulen der Leistungselektronik hat erhebliche Auswirkungen auf die Leiterplattentechnologie. Neue temperaturstabile Basismaterialien und Kupferinnenlagen bis zu einer Dicke von 400 µm sind notwendig. Auswirkungen ergeben sich dadurch auch im Bereich der eingesetzten Isolierstoffe, wie den Dickschichtfüllern, den Lötstopplacken und Schutzlacken (Conformal Coatings), da hochfrequente Spannungsanteile die Lebensdauer von Isoliersystemen reduzieren. Weitere Betriebsbeanspruchungen überlagern sich mit der Beanspruchung durch elektrische Spannungen zu einem komplexen Beanspruchungskollektiv.

Zur Härtung und Vernetzung von Beschichtungsstoffen bzw. Lacken auf der Leiterplatte werden vorzugsweise UV-Strahlung und IR-Strahlung eingesetzt. Bei der thermischen Härtung werden Trocknungsanlagen, in denen Infrarotstrahlung und Umluft kombiniert sind, verwendet. Es erfolgt eine Trocknung des Lackes von innen nach außen. Je höher die Schichtdicke, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Rissen im Lack. Bei höheren Schichtdicken ist das vollständige Trocknen des Lackes nicht mehr möglich und es verbleiben Lösemittelreste, die in Folgeprozessen verdampfen können. Das Auftragen und Aushärten des Lackes muss deshalb in mehreren Schritten erfolgen. Die empfohlene, maximale Trockenschichtdicke liegt im Bereich von 100 µm. Weitere Nachteile sind die langen Aushärtungszeiten, die hohen Temperaturgradienten und die thermische Belastung der Baugruppen.

Bei der UV-Härtung kann eine ungleichmäßige Verteilung der Strahlungsenergie zu Spannungen in den Lacken führen, da die verschiedenen Bereiche unterschiedlich stark ausgehärtet werden. Aufgrund der Schattenwirkung auf bestückten Leiterplatten erfolgt keine Vernetzung in Schattenbereichen (z. B. unter Bauelementen). Durch die Schwindung der Polymere baut sich ein innerer Spannungsgradient auf, so dass ein spannungsfreies und gleichmäßiges Aushärten bei dicken Schichten nicht möglich ist.

Um bei sehr dicken Schichten eine möglichst spannungsarme und homogene Durchhärtung des Materials erreichen zu können muss der Beschichtungsprozess, d.h. Auftragen des Materials und anschließendes Aushärten, in mehreren Schritten erfolgen, was längere Prozesszeiten und damit verbundene Mehrkosten zur Folge hat. Von großem Vorteil wäre es deshalb ein Verfahren zu finden, mit dem eine schnelle und homogene Aushärtung von Harzsystemen, auch bei Schichtdicken bis 400 µm und höher, möglich ist.

Leichtkeramik und faserverstärkte Keramikverbundwerkstoffe, wie z.B. nichtoxidische Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMCs) und expandierter Graphit (EG), stellen sehr vielversprechende Lösungen für Hochtemperaturanwendungen in strategischen Industriesektoren wie Verkehr und Energie dar. Tatsächlich sind diese Werkstoffe eine der aktuellen Prioritäten der Europäischen Technologieplattform EuMAT und ein strategisches Thema der EG-Forschungs-Roadmap für Werkstoffe. Es werden riesige Marktchancen für CMC und EG erwartet, sofern die drei wichtigsten identifizierten Lücken geschlossen werden: hohe Kosten, Schwierigkeiten bei der Verarbeitung und Zuverlässigkeit der Materialien. Neue und effizientere Fertigungstechnologien können den Weg ebnen, um die Materialqualität zu verbessern, die Verarbeitungszeit zu verkürzen, eine Annäherung an eine endkonturnahe Fertigung zu erreichen, den Energieverbrauch zu reduzieren und die Produktionskosten zu senken. HELM wird sich diesen Herausforderungen stellen, indem es innovative hochfrequente elektromagnetische, Mikrowellen- (MW) und Radiofrequenzen (RF), Heiztechnologien zur Integration und langfristigen Ersetzung von thermischen Standardverarbeitungsrouten vorschlägt, d.h.: Chemische Dampfinfiltration (CVI), Flüssigsilizium-Infiltration (LSI), Polymer-Imprägnierung und -Pyrolyse (PIP) und Graphit-Exfoliation (GE). Die MW/RF-Heizung weist besondere Merkmale auf (schnelle selektive Massenerwärmung, umgekehrte thermische Gradienten, homogenere Wärmeverteilung), die die Leistung der Materialien verbessern werden. Sie kann eine Verkürzung der Verarbeitungszeit um 60 % (oder sogar noch mehr) mit anschließender Senkung der Produktionskosten und einer Senkung des Energieverbrauchs um bis zu 50-60% bewirken. An den FTE-Aktivitäten von HELM sind einige der wichtigsten europäischen Experten auf diesem Gebiet beteiligt, darunter Forschungsinstitute, innovative KMU und Endnutzer für die industrielle Validierung.

Frühe Versuche zur selektiven Erwärmung mittels Suszeptorzusätzen haben sich als vielversprechend erwiesen, und es stehen eine Vielzahl von Optionen für die Entwicklung zur Verfügung. Ziel des Projektes Esprit war es, SRP-Systeme für die bestehende Formgebungstechnologie und für neue spezielle Formgebungstechnologien zu haben, um das kommerzielle Potenzial dieser neuen Materialien zu maximieren. Versuche führten zu faserverstärkten Mustern aus Standard-Spritzgussgeräten. Die ersten Ergebnisse zeigten eine sehr attraktive Kombination aus hohem Modul, hoher Bruchdehnung, hoher Schlagfestigkeit und geringer Kerbempfindlichkeit.

Selbstverstärkte Kunststoffe (Self Reinforced Plastics, SRP) reifen nun zu Materialien heran, die für die kommerzielle Nutzung in Anwendungen geeignet sind, die leichte, steife und schlagzähe Formteile erfordern und eine ausgezeichnete Recyclingfähigkeit besitzen. Sie bestehen aus einer thermoplastischen Faser und Matrix in ähnlicher Weise wie herkömmliche Verbundwerkstoffe, jedoch mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Faser und Matrix aus einem gemeinsamen Polymer gewonnen werden. Dies hat den Vorteil, dass die Materialien eine viel höhere Steifigkeit und Festigkeit aufweisen, während sie die gleiche niedrige Dichte wie ungefüllte Polymere haben. Selbstverstärktes Polypropylen (Self Reinforced Polypropylene, SRPP) ist eine kommerzielle Realität und hat begonnen, in bestimmte Marktsektoren wie Automobil, persönliche Schutzausrüstung, ballistische Platten und andere aufprallempfindliche Bereiche vorzudringen.

Das ESPRIT-Projekt, das vom EC FP7-Programm finanziert wurde, startete 2008 und war ein dreieinhalbjähriges Projekt, das darauf abzielte, die SRP-Technologie auf eine neue Ebene zu bringen, indem die Faser und Matrix modifiziert und die Verarbeitungsmethoden radikal verbessert werden. Ziel war es, eine produktionsreife Technologie zu entwickeln, bei der fortschrittliche selektive Schmelzverfahren zum Einsatz kommen, die es ermöglichen, die Materialien fließgeformt zu verarbeiten, ohne die Eigenschaften der Verstärkungsfasern zu beeinträchtigen. Die zu verwendenden Materialien waren Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid (PA) und Polyethylen (PE) sowie andere ungewöhnlichere Thermoplaste. Es wurde erwartet, dass der Materialeinsatz und das Gewicht der Komponenten bei gleicher Steifigkeit im Vergleich zu konventionellen Materialien um 30% reduziert wird, was zu Energieeinsparungen sowohl bei der Herstellung als auch im Gebrauch, z.B. durch leichtere Fahrzeuge, führt.

Das Esprit-Projekt hat ein umfangreiches Programm zur Lokalisierung, Herstellung und Charakterisierung der Grundmaterialien durchgeführt, aus denen die fließfähigen selbstverstärkten Kunststoffe hergestellt werden sollen. Dabei handelt es sich um Variationen von selbstverstärkten Polyolefinen (srPO), selbstverstärkten Polyamiden (srPA) und selbstverstärkten Polyestern (srPet), und es wurden bereits bedeutende Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften, insbesondere des Moduls und der Schlagzähigkeit, erzielt, die die Erwartungen des Projekts übertrafen.