AddWasserstoff – Nachhaltige additiv gefertigte Hochtemperaturmaterialien für Wasserstoffprozesse
Projektleitung
- Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Aneziris (Koordinator)
- Prof. Dr.-Ing. Tobias M. Fieback
- Prof. Dr.-Ing. Hartmut Krause
- Prof. Dipl.-Ing. Björn Kiefer, Ph.D.
Projektbearbeiter
- Dr.-Ing. Florian Kerber (IKFVW)
- Katrin Markuske, M.Sc. (TTD)
- Deepak Varma Thota, M.Sc. (GWA)
- Siddhi Avinash Patil, M.Sc. (IMFD)
Projektlaufzeit
1. Januar 2024 bis 31. Dezember 2026
Über das Forschungsprojekt
Die zentrale Zielsetzung von ESF-Nachwuchsforschungsgruppen liegt in der interdisziplinären, fachlichen und sozialen Qualifikation junger Hochschulabsolventinnen und -absolventen. 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 ESF-Projekt „AddWasserstoff – Nachhaltige additiv gefertigte Hochtemperaturmaterialien für Wasserstoffprozesse“ hat eine Laufzeit von drei Jahren (01.01.2024 - 31.12.2026) und widmet sich neuartigen Forschungsansätzen im Bereich nachhaltiger Materialien für die Wasserstoff-Energiewirtschaft.
Das wissenschaftlich-technologische Ziel des Projekts „AddWasserstoff" ist es, typische Hochtemperaturbauteile für den H2‑Einsatz zu optimieren. Hierzu sollen durch einen additi-ven 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 im flammennahen Bereich.
Hierfür arbeiten drei Nachwuchswissenschaftlerinnen sowie ein Nachwuchswissenschaftler 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 Lehrstühle zudem im Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffumwandlung ZeHS.
Die ganzheitliche Betrachtung ermöglicht es, 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.
Im Rahmen des Projektes sollen experimentelle und simulative Ansätze kombiniert und so insbesondere folgende Schwerpunkte bearbeitet werden:
- Filamentherstellung – fused filament fabrication
- Probenuntersuchung und Strukturfunktionalisierung
- Ableiten von Kennfeldern und Änderung der Stoffeigenschaften nach der Bewitterung
- Erarbeitung, Herstellung und Test eines Demonstrator-Bauteiles
- Bestimmung der thermophysikalischen Stoffdaten der ursprünglichen ungeschädigten sowie der gealterten Proben: Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit, Dichte, thermische Ausdehnung sowie spezifischen Wärmekapazität
- Untersuchungen mit reinem Wasserstoff hinsichtlich der Kinetik der Schädigung sowie der Gaseinlagerung
- Anlagenanpassungen/ -erweiterung für Sorptionsmessungen mit H2-Verbrennungsatmosphären
- Untersuchungen mit Wasserstoff-Verbrennungsatmosphären hinsichtlich der Kinetik der Schädigung sowie der Gaseinlagerung
- Langzeitauslagerungsmesskampanien
- Thermoschockuntersuchungen
- Entwicklung von Design-Prinzipien für Multi-Layer-Werkstoffe
simulative Vorhersage der von Wasserstoff beeinflussten Schädigungseffekte in Al2O3
- Identifikation der Haupteinflussgrößen und -Versagensmechanismen bzgl. Eigenschaftsveränderungen bei Langzeitauslagerung und Thermoschock
- Erweiterung der Modelle sowie des Simulationswerkzeuges
- Simulationen für systematische Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen
- Numerische Untersuchungen zum Demonstratorbauteil (additiv gefertigte Brennerdüse)
