Zukünftig soll grüner Wasserstoff die Dekarbonisierung energieintensiver Hochtemperaturprozesse ermöglichen. Allerdings sind die Auswirkungen von Wasserstoff auf Hochtemperaturmaterialien bisher kaum bekannt. In interdisziplinärer Wechselwirkung von vier Professuren der TU Bergakademie Freiberg widmet sich die ESF-Plus Nachwuchsforschungsgruppe „AddWasserstoff“ an der TU Bergakademie Freiberg der zielgerichteten Anpassung von additiv gefertigten Feuerfestwerkstoffen und deren umfassender Untersuchung unter Wasserstoffatmosphären.
Die ESF Plus-Nachwuchsforschungsgruppe „AddWasserstoff – Nachhaltige additiv gefertigte Hochtemperaturmaterialien für Wasserstoffprozesse“ entwickelt neuartige nachhaltige Materialien für die Wasserstoff-Energiewirtschaft. Die Professur für Keramik, Feuerfest und Verbundwerkstoffe am IKFVW, die Professur für Technische Thermodynamik (TTD), die Professur für Gas- und Wärmetechnische Anlagen (GWA) sowie die Professur für Technische Mechanik - Festkörpermechanik am IMFD arbeiten gemeinsam an dieser hochaktuellen fachübergreifenden Fragestellung unter Koordination und wissenschaftlicher Leitung des IKFVW.
Beim Kick-Off-Treffen am 10.01.2024 am IKFVW kamen alle Beteiligten zum Kennenlernen und zur Besprechung der Projektziele zusammen. Das ESF Plus-Nachwuchsforschungsgruppe hat eine Laufzeit von drei Jahren (01.01.2024 - 31.12.2026).
ESF Plus-Nachwuchsforschungsgruppe „AddWasserstoff“
Von der Simulation zum 3D-gedruckten Demonstrator-Bauteil
Das wissenschaftlich-technologische Ziel des Projekts „AddWasserstoff" ist es, typische Hochtemperaturbauteile für den H2‑Einsatz zu optimieren. Hierzu sollen durch einen additiven Fertigungsprozess gezielt geschlossene Mikroporen im Gefüge mit funktionalen Makro-Kavitäten kombiniert werden, um hochbeständige Komponenten zu fertigen. Im Rahmen des Projektes soll die Konzipierung, Auslegung, Herstellung und Validierung neuartiger Demonstrator-Bauteile erfolgen. Dabei sollen diese Bauteile auf einem korrosions- und thermoschockbeständigen Werkstoff basieren und in einem Bauteilsystem für die sächsische Industrie integriert werden. Das Projekt strebt an, einen wesentlichen Beitrag zur Wasserstofftechnologie in der Energiewirtschaft zu leisten, um eine stabile, grüne und nachhaltige Wirtschaft zu unterstützen.
Um eine modellunterstützte Entwicklung der Bauteilgeometrie im Mikro- und Makro-Design für eine praktische Anwendung zu ermöglichen, werden die chemischen, thermischen und thermo-mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Aluminiumoxidwerkstoffen unter Hochtemperatureinsatzbedingungen erfasst und bewertet. Die hierfür erforderlichen Datengrundlagen werden durch experimentelle Bestimmung der mechanischen und thermophysikalischen Eigenschaften in diversen Hochtemperaturversuchen unter verschiedenen H2‑Verbrennungsgasatmosphären generiert. Diese Versuchsreihen umfassen sowohl Langzeitbelastungsszenarien als auch unterschiedliche thermisch-zyklische Beanspruchungen von Prototypen-Brennerbauteilen, z. B. Brennerdüsen, im flammennahen Bereich.
Synergieeffekte und fachübergreifende Weiterqualifizierung
Hierfür arbeiten vier Nachwuchswissenschaftler:innen der Professuren IKFVW, TTD, GWA und IMFD eng zusammen, um ihre jeweiligen Expertisen und Ressourcen zu nutzen und die Ziele des Projekts zu erreichen. Für die fachübergreifende Forschung kooperieren die Nachwuchswissenschaftler:innen zudem im Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffumwandlung ZeHS.
Die ganzheitliche Betrachtung ermöglicht es den Nachwuchswissenschaftler:innen, theoretische Zusammenhänge und entsprechende Materialmodelle gemeinsam zu entwickeln. Abschließend werden innovative Design-Prinzipien für hochbeständige, additiv gefertigte Brennerkomponenten auf Basis von Multi-Layer-Keramiken entwickelt. Diese Prinzipien sind nicht nur für den Einsatz in Wasserstoffprozessen relevant, sondern haben auch herausragende Bedeutung in anderen Hochtemperaturanwendungen, wie in der Chemie, Metallurgie und Energietechnik.
Die zentrale Zielsetzung von ESF Plus-Nachwuchsforschungsgruppen liegt in der interdisziplinären, fachlichen und sozialen Qualifikation junger Hochschulabsolvent:innen. Diese Ausbildungsinitiative zielt darauf ab, insbesondere im Kontext der Energie-, Umwelt-, Werkstoff- und Ingenieurwissenschaften, Synergieeffekte zu nutzen und innovative Ideen zur Unternehmensansiedlung in Sachsen zu generieren.
Das Forschungsprojekt „AddWasserstoff“ wird aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds Plus (ESF Plus) und aus Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes finanziert (Nr. 100693906).
Koordinator: Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Aneziris
Wissenschaftliche Leiterin: Dr.-Ing. Lisa Freitag
Professur für Technische Thermodynamik – Prof. Dr.-Ing. Tobias Fieback
Professur für Gas- und Wärmetechnische Anlagen – Prof. Dr.-Ing. Hartmut Krause
Professur für Technische Mechanik – Festkörpermechanik – Prof. Dipl.-Ing. Björn Kiefer, Ph.D.