Abb. 2: Laborversuchsstand am Fraunhofer IKTS zur Abtrennung von Schwermetallen bei der KlärschlammverbrennungOft handelt es sich um Systeme, die auf bekannter Technik basieren, aber erst durch zusätzliche Elektronik ihre wahren Effizienzpotenziale zeigen können.
Mittlerweile sind im Freistaat über 700 Unternehmen und Institute mit mehr als 17 000 Beschäftigten und über 3,7 Mrd. € Jahresumsatz im Sektor Umwelttechnik unterwegs. Allein in der Landeshauptstadt beschäftigen sich über 360 Akteure mit ‚Greentech', wie die Umwelttechnik im weiteren Wortsinne heute gern und oft genannt wird.
„Eine führende Position nehmen sächsische Unternehmen insbesondere auf den Leitmärkten Erneu-erbare Energien, Energiespeicherung sowie Kreislaufwirtschaft ein“, heißt es in einem Exposé der Wirtschaftsförderung Sachsen. „Die Branche profitiert dabei von der langen Tradition Sachsens als Industriestandort insbesondere für den Maschinen- und Anlagenbau.“
Diesen Pfad verfolgt der Freistaat nicht erst, seit die neue Ampel-Regierung in Berlin eine ökologische Erneuerung der deutschen Wirtschaft eingefordert hat. Denn die umwelttechnologischen Wurzeln reichen hier bis zurück ins Mittelalter, als die Silberfunde im Erzgebirge Menschen aus allen deutschen Landen zum ,Berggeschrey' nach Sachsen lockten. Dies zog schon damals zahlreiche Innovationen rund um Aufbereitung, Entsorgung und Wiederverwertung nach sich. Auch ein heute inflationär gebrauchtes Wort geht auf diese Traditionslinie zurück: 1713 veröffentlichte der Freiberger Oberberghauptmann Hans Carl von Carlowitz das erste Buch zum Thema ,Nachhaltigkeit'. Die Altlasten der DDR und die Sanierungsprojekte der Nachwendezeit bescherten diesem Sektor im Freistaat noch einmal einen erheblichen Schub an Erfahrungen, Technologie-Entwicklung und Aufträgen.
Und von dieser über Jahre und Jahrhunderte hinweg akkumulierten Expertise profitiert die Branche bis heute. „Die Wachstumsdynamik der Umwelttechnik ist beachtlich und übertrifft die anderer Wirtschaftszweige“, schätzt das Beratungsunternehmen Roland Berger in einer Studie über ‚Greentech – Made in Saxony' ein. Zu den Fokusmärkten gehören Westeuropa, Osteuropa, Nordamerika und China. Und angesichts der energie-, umwelt- und klimapolitischen Ziele, die sich Deutschland und viele andere Staaten weltweit gesetzt haben, ist auch in den kommenden Jahren ein starkes Wachstum in der Umweltforschung, Recycling-Technologien und deren wirtschaftlicher Verwertung zu erwarten.
Supraschmierung: Dem reibungsfreien Motor auf der Spur
Abb. 3: Auf dem Weg zur Supraschmierung spielen extrem harte ,Diamor‘-Schichten auf Kohlenstoff-Basis eine Schlüsselrolle. Das IWS will diese zusätzlich mit Fremdatomen wie etwa Bor versetzen, sodass sie sich mit bestimmten Schmierstoffmolekülen verbinden und im laufenden Betrieb ultraschmierende Grenzflächen erzeugen. Das soll die Reibung im Motor im Vergleich zu heute etwa halbierenErst kürzlich stellten in Dresden ansässige Fraunhofer-Institute eine Reihe von Innovationen vor, die gleichermaßen mehr Umweltschutz, sparsamen Ressourceneinsatz und Kostensenkungen versprechen. So arbeitet beispielsweise ein Team um Dr. Volker Weihnacht, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), im Rahmen der Verbundprojekte ,Prometheus' und ,Chephren' an nahezu reibungsfreien Motoren und Getrieben. Dabei kombinieren sie Kohlenstoffschichten von diamantähnlicher Härte, die sie computergesteuert in Vakuumkammern abscheiden, mit neuartigen umweltfreundlichen Schmierstoffen. Dadurch erzeugen sie ultraschmierende Grenzflächen, die die Reibung in Motoren drastisch senken. Im nächsten Schritt wollen die Ingenieure durch verbesserte Schichtqualitäten, Plasmafilter und Dotierstoffe zur sogenannten ,Supraschmierung' vorstoßen. Die soll nahezu reibungsfreie Maschinen ermöglichen. Die Forschenden denken dabei nicht nur an den Klassiker, den Verbrennungsmotor, sondern auch an Getriebe und Lager batterieelektrischer Autos und Fahrräder ebenso wie an Antriebsketten von Mähdreschern oder die Vielzahl der beweglichen Komponenten in Werkzeugmaschinen.
Etwa gegen Ende des Jahrzehnts sollen die supraschmierenden ,Chephren'-Bauteile serienreif sein. Bereits jetzt ist das Interesse aus der Wirtschaft groß. Das lässt sich auch an der breiten Beteiligung am Verbundprojekt ablesen. Mit an Bord sind unter anderen BMW, Wittenstein SE, VTD Vakuumtechnik Dresden, IWIS München und Fuchs Schmierstoffe aus Mannheim sowie als Fördermittelgeber das Bundeswirtschaftsministerium.
Beim konsequenten Einsatz von ,Supraschmierung' in Motoren und Getrieben von Autos, Bussen und Lastkraftwagen sowie im allgemeinen Maschinenbau könnte der globale Kohlendioxid-Ausstoß um mehrere Hundert Millionen Tonnen pro Jahr sinken. Verschleißschäden sowie Wartungs- und Schmiermittelkosten würden sich deutlich verringern. „Technologische Fortschritte, insbesondere mit extrem gleitfähigen Kohlenstoffschichten, sollen es nun endlich ermöglichen, Reibung fast vollständig aus technischen Systemen zu verbannen“, betont Dr. Weihnacht.
IKTS: Kreislauftechnologien in einem Fabrikkomplex koppeln
In sogenannten Laser-ArcTM-Anlagen entsteht z. B. auf Kolbenringen eine wenige μ dünne Schicht aus ,tetraedisch amorphem‘ Kohlenstoff, abgekürzt ta-C. Diese Schichten sind sehr hart und nach einer mechanischen Politur auch sehr glattGlobale ökologische Effekte verspricht sich ein anderes Fraunhofer-Team auch von neuartigen Fabrik- und Agrar-Konzepten, die erneuerbare Energiequellen, vertikale Landwirtschaft (‚Vertical Farming') sowie neueste elektrochemische und filterbasierte Wasseraufbereitungs-Technologien clever verknüpfen. Dabei sollen modernste elektronische Steuerungssysteme zum Einsatz kommen. „Mit unseren Technologien können wir endlich die Sektoren Wasser, Energie und Ernährung hocheffizient koppeln“, ist Dr. Burkhardt Faßauer überzeugt, der im Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme“ (IKTS) Dresden die Abteilung für Kreislauftechnologien und Wasser leitet.
Richtig behandelt könne insbesondere das Abwasser aus Kommunen und alten Bergwerken zum Quell für Rohstoffe, Dünger und Energie werden. Faßauer verweist auf Schätzungen, laut denen in der EU im Abwasser rund 87,5 TWh/a Energie, 1,8 Mio. t/a Stickstoff sowie 275.000 t/a Phosphor schlummern. Ein wesentlicher Teil davon lande bisher aber weitgehend ungenutzt auf Halden oder in Verbrennungsanlagen. Allein der Energiegehalt entspreche der Jahresproduktion von einem Dutzend Großkraftwerken.
In der Kombination mehrerer teils neuer, teils altbekannter technologischer Ansätze wollen die Fraunhofer-Forscher in Sachsen nun einen Teil dieser Schätze im Abwasser heben. Dazu gehören Wirbelschichtverbrennungsreaktoren, die Schwermetalle im Klärschlamm bei Temperaturen zwischen 800 und 1000 °C in Gase verwandeln und dann mit hitzefesten Keramikfiltern separieren. Zurück bleibt eine konzentrierte Phosphorasche, die sich zu Dünger weiterverarbeiten lässt.
Auch lässt sich nach Auffassung des Faßauer-Teams die bereits bekannte Klärschlamm-Faulung, bei der Klärgas entsteht, noch deutlich weitertreiben als bisher. Durch spezielle Anlagen könnte man die verschiedenen Gas-Anteile im Klärgas besser trennen und mit dem aufbereiteten Methan Blockheizkraftwerke mit höherer Effizienz betreiben. Das abgetrennte CO2 würde man dann in Gewächshäuser pumpen, um damit die Ernteerträge zu steigern. Wenn Klärschlamm-Aufbereiter und Gewächshäuser nahe beieinander am Stadtrand stehen, sind hier auch platzsparende Kultivierungstechniken wie Vertical Farming vorstellbar, bei denen Gewächshäuser oder Zuchtcontainer senkrecht übereinander angeordnet sind. Überhaupt entfalten solche Konzepte erst dann ihr volles Potenzial, wenn sie räumlich nahe beieinander in Komplexfabriken angeordnet werden.
H2: Setzt sich Alkali, PEM oder Hochtemperatur-Elektrolyse durch?
Heißgasfilter mit keramischen Filterelementen zur Wertstoffrückgewinnung bei der Klärschlammverbrennung (Pilotanlage in Pirna von TU Dresden, LTC – Lufttechnik Crimmitschau GmbH und IKTS)Aus dem abgetrennten Kohlendioxid solcher Kreislauffabriken einer neuen Generation lässt sich aber auch per Fischer-Tropsch-Synthese zum Beispiel synthetischer Kraftstoff herstellen – wenn man denn den dafür nötigten Wasserstoff kostengünstig und möglichst umweltfreundlich erzeugen kann. Auch daran arbeitet die Greentech-Industrie und -Forschung in Sachsen und Mitteldeutschland gerade besonders intensiv. Dazu gehört der Chemnitzer Verbund ,HZwo', der neue Wasserstoffcampus von Siemens und Fraunhofer in Görlitz, mehrere Projekte der Unis Dresden und Chemnitz sowie der Fraunhofer-Institute IWS und IKTS, die Unternehmen Linde und Sunfire in Dresden, FAE Elektrotechnik in Heidenau, Fuel Cell Powertrain Chemnitz und viele andere. Und vor wenigen Monaten erst hatte Chemnitz den Bundesfördergelder für ein ‚Hydrogen and Mobility Innovation Center' (HIC) eingeworben, das sich vor allem auf den mobilen Einsatz von Wasserstoff-Antrieben konzentrieren soll.
Ein wichtiger Fokus der Sachsen wird dabei voraussichtlich auf der Entwicklung und dem Bau von Groß-Elektrolyseuren liegen. Dabei verfolgen die Akteure alle drei Basistechnologie-Pfade: Während Linde derzeit zum Beispiel einen der größten PEM-Elektrolyseure Europas in Leuna entwirft, konzentriert sich Sunfire sowohl auf die ältere Alkali-Technik wie auch die innovative Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC), die besonders hohe Wirkungsgrade verspricht, allerdings noch recht teuer ist.
Signifikante Kostensenkungen für große Elektrolyseure, aber auch ihre Pendants, die Brennstoffzellen sind einerseits durch neue Materialien und Prozessansätze zu erwarten. Deutlich verbilligen dürften sich diese Schlüsselanlagen für die deutsche und europäische Wasserstoff-Strategie aber wohl vor allem durch eine Abkehr vom vielerorts noch dominierenden Manufakturbetrieb – vor allem in der Stack-Fertigung. Der Trend geht hin zu einer forcierten Automatisierung dieser Montage-Schritte mit ‚Industrie 4.0'-Methoden und zu einem massiven Sensorik- sowie Robotik-Einsatz.
Weg von der Manufaktur: Kostensenkung durch Automatisierung
Elektrolyse-Stack und Probe synthetischen Kraftstoffs von Sunfire DresdenDabei lohnt auch der Blick auf den Mittelstand: Der Sondermaschinenbauer Xenon beispielsweise, der 1990 aus einer Abteilung des DDR-Computerkombinats Robotron entstand, hat ein ehrgeiziges mehrjähriges Programm mit diesem Schwerpunkt aufgelegt: Die Ingenieure arbeiten an Schnell-Laufmaschinen, die die Reaktorplattenstapel für Elektrolyseure und Brennstoffzellen mit hohem Tempo und hochautomatisiert montieren. „Wir sehen gute Chancen, hier zu ganz neuen Lösungen für die Stackmontage zu kommen“, schätzte Geschäftsbereich-Entwickler Hartmut Freitag ein. Dabei verweisen die Sachsen auch auf ihre Erfahrungen mit der Nachautomatisierung von Halbleiterfabriken und anderen Technologiebetrieben, die deren internationale Wettbewerbsfähigkeit deutlich verbessert haben. Solche Erfahrungen aus dem Elektroniksektor gelte es nun auch in der Anlagenindustrie für die skalierende Wasserstoffwirtschaft einzusetzen.
„2027 bis 2030 rechnen wir dann mit einem starken Nachfrageschub“, erklärt Freitag. Dann werden echte Schnelllauf-Automaten gebraucht. Triebfedern dafür dürften einerseits zahlreiche Groß-Elektrolyseure sein, die bis zum Ende der Dekade in Deutschland und Europa installiert werden sollen. Anderseits kommen dann voraussichtlich mehr Nutzfahrzeuge und womöglich auch Autos mit Wasserstoffantrieb auf den Markt, was die Stack-Nachfrage ebenfalls beflügeln dürfte. „Da sprechen wir über sehr schnell taktende Systeme mit besonders hoher Positioniergenauigkeit, Kamera-Erkennung und hohem Automatisierungsgrad“, erläuterte Benjamin Reichelt, der das vierköpfige Entwicklungsteam für das Stack-Projekt koordiniert.
Neben wirtschaftlichen Effekten hängen am Erfolg solcher Projekte auch ökologische Hoffnungen: „Wasserstofftechnologien können einen großen Beitrag dazu leisten, Klimaneutralität in einer modernen, ressourcenschonenden und gleichzeitig wertschöpfenden Gesellschaft zu erreichen“, heißt es in einer gemeinsamen Einschätzung der Fraunhofer-Institute für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz. So seien künftig beispielsweise abgasfreie Autoantriebe aus Brennstoffzellen möglich, die kaum mehr als ein ,Verbrenner' kosten. Technologisch sieht Dr. Ulrike Beyer, die Leiterin der IWU-Wasserstoff-Taskforce, für dieses Ziel einen ganz ähnlichen Dreh- und Angelpunkt wie die Xenon-Ingenieure in Dresden „Das schaffen wir nur, wenn wir vom bisherigen Manufakturbetrieb in die Massenproduktion vorstoßen.“
Strom-Wasserstoff-Strom-Puffer: Wirkungsgrad noch zu niedrig
Sunfire-Chef Christian von Olshausen vor einer Elektrolyse-AnlageDabei dürfte es sinnvoll sein, die technologisch ohnehin eng verwandten Brennstoffzellen und Elektrolyseure im Komplex zu betrachten und robotergestützte Hochdurchsatz-Fertigungsansätze gleich für beide Anlagen-Familien zu entwickeln. Denn die Kopplung beider Systeme birgt die Chance, eine weitere Herausforderung der Energiewende zumindest teilweise zu lösen. Wasserstoff könnte nämlich als Energie-Puffer für die Lieferspitzen und -täler (,Dunkelflauten') von Solar- und Windkraftwerken dienen. Dabei ist das Konzept, mit Stromüberhängen aus erneuerbaren Energiequellen aus Wasser elektrolytisch Wasserstoff zu gewinnen und bei Nachfragespitzen daraus wieder Strom zu erzeugen, nicht erst seit gestern bekannt. Doch der große Durchbruch blieb bislang aus. Das liegt auch daran, dass der Wirkungsgrad dieses Gesamtprozesses vom Strom zum Wasserstoff und wieder zurück zu Strom bei älteren Systemen oft nur 30 bis 50 % erreichte – und damit weit unter der Effizienz eines Großakkus lag. Moderne Hochtemperatursysteme, an denen Sunfire, das Fraunhofer-IKTS und andere im Freistaat arbeiten, könnten aber diesen Gesamtwirkungsgrad auf über 65 % steigern. Vom Konzept reversibler Systeme, die per automatischer Steuerungstechnik zwischen Brennstoffzellen- und Elektrolyseur-Betriebsmodus hin und her schalten, gehen die Ingenieure zwar inzwischen aus Effizienzgründen eher weg. Doch das spricht eben nicht generell gegen die Koppelung optimierter Elektrolyseure und Brennstoffzellen in einem Wasserstoff-Speicherkomplex.
Schwungradspeicher für die Dunkelflaute
Wollen ab Mitte der Dekade schrittweise Schnellläufer-Montageanlagen für Stacks von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren auf den Markt bringen: Xenon-Chef Tobias Reissmann (links) und Geschäftsbereich-Entwickler Hartmut FreitagEinen ganz anderen, eigentlich altbekannten, aber stark modernisierten Energiepuffer-Ansatz verfolgen Baumaschinen-Ingenieure der TU Dresden: Gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft haben sie in Boxdorf im Lausitzer Braunkohlerevier einen ,rotationskinetischen Speicher' (RKS) gebaut. Dieser Schwungradspeicher kann eine halbe Megawattstunde Energie speichern und in der Spitze bis zu 500 Kilowatt abgeben. Damit ist dieser Speicher laut Uni-Angaben fünfmal so groß wie der größte bisher gebaute Einzelschwungrad-Speicher. Allerdings handelt es sich bisher um kein serienreifes Produkt, sondern um einen Demonstrator.
„Ziel war es, einen langlebigen, dynamischen und hocheffizienten Energiespeicher zu entwickeln, der direkt neben einem Windrad, also dort, wo der Strom erzeugt und mit geringen Verlusten übertragen wird, errichtet werden kann“, erklärte Dr. Thomas Breitenbach von der Stiftungsprofessur für Baumaschinen. „Hierfür war es notwendig, völlig neue Anforderungen an das Speichersystem zu stellen und Grenzen der Technologie zu erweitern.“ Dabei kooperieren Experten aus Maschinenbau, Anlagenbau, Hydraulik, Vakuumtechnologie, Elektrotechnik und Sensorik, um die mechanischen und elektronischen Fähigkeiten dieses Systems an die Anforderungen heutiger Netze anzupassen.
Verpackungsabfall zersetzt sich im Meer zu Sand
Neben derartigen energietechnischen Innovationen tüfteln Ingenieure im Freistaat aber auch an einem ganz anderen ökologischen Problem, das weltweit einer Lösung harrt: Die Rede ist von den Bergen und schwimmenden Inseln aus Kunststoff, die sich weltweit aufgetürmt haben beziehungsweise durch die Ozeane vagabundieren. Einen Turbo-Recyclingansatz verfolgt dabei das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP). Im Mittelpunkt steht dabei die leider weitverbreitete Unsitte, Shampoo-Tütchen und ähnliche Kunststoff-Kleinverpackungen entweder von Schiffen direkt in den Ozean oder eben achtlos auf die Straße zu werfen. Die nächste Regenzeit spült diesen Abfall in den nächsten Fluss und letztlich ins Meer – und dort vergrößern die Verpackungsreste dann die schwimmenden Müllinseln. Ein FEP-Team um Dr. John Fahlteich hat daher nun Shampoo-Tütchen entwickelt, die sich im Meerwasser in Siliziumoxide – letztlich also Sand – und Biopolymere verwandeln. „Im Meer zersetzen sich diese Verpackungen in weniger als einem halben Jahr von selbst“, verspricht John Fahlteich.
Teilschnittdarstellung der Konstruktion des Rotationskinetischen Speichers mit Mensch als Bezugsgröße
Pyrolyse-Schiffe gegen schwimmende Plastemüll-Inseln
Erzeugt aus Plastemüll: Kraftstoff-Gemisch aus dem Pyrolyse-Container der Biofabrik Am anderen Ende der Kette, nämlich an den Müllbergen und -inseln, setzt die ,Biofabrik' Dresden an: Sie haben Pyrolyse-Anlagen konstruiert, die durch eine exakte Prozesssteuerung Folienbeutel, PET-Flaschen und andere Zivilisationsreste besonders effizient in Öl, Wachs und weitere verwertbare organische Stoffe umwandeln. Dafür erhitzen die Reaktoren die Kunststoffe bis knapp unter den Verbrennungspunkt. Dort verflüssigen sich die langen Polymerketten zu kürzeren Molekülen. Die entstehenden Stoffe lassen sich dann zum Beispiel zu Schiffsdiesel aufbereiten. Die Anlagen sollen die Müllkippen in Schwellen- und Entwicklungsländer abbauen und dabei auch für sichere Einkommenquellen für die örtliche Bevölkerung sorgen. Perspektivisch ist aber auch geplant, mobile Ausführungen auf Schiffen zu installieren. Die sollen dann – womöglich KI-gesteuert – die schwimmenden Plastemüll-Inseln der Ozeane gewissermaßen ,auffressen'. Aus den Pyrolyse-Produkten könnten diese hochautautomatisierten schwimmenden Recyclingfabriken dann die eigenen Dieseltanks selbst wieder auffüllen.
„Unsere Vision ist es, nachhaltige und profitable Geschäftsmodelle zu entwickeln“, betont das Bio-fabrik-Team. Sie sind überzeugt, dass die Beseitigung des Plastikmülls von der Erde keineswegs ein dauersubventioniertes Zuschussprojekt sein muss, sondern sogar Gewinn abwerfen kann. Und die Nachfrage nach dieser Umwelttechnik einer neuen Generation sei auch international erheblich, versichert Biofabrik-Sprecher Hendrik Oeser: „Seit China die Importe von Plastikmüll unterbunden hat, ist die Nachfrage nach anderen Verwertungsmöglichkeiten weltweit groß.“
Quellen:
Wirtschaftsförderung Sachsen,
Fraunhofer IWS, IKTS, FEP, IWU,
Biofabrik,
TU Dresden,
TU Chemnitz,
Oiger.de,
Sächsiches Wirtschaftsministerium,
Statistisches Landesamt Kamenz,
Xenon,
Sunfire
