9. Expertenworkshop Edelmetalle in Berlin

9. Expertenworkshop Edelmetalle in Berlin Von Dr. Elke Moosbach Der Expertenworkshop Edelmetalle beschäftigte sich am 20. März in Berlin mit dem Thema Edelmetalle in der Energie- und Mobilitätswende. In zahl-reichen Vorträgen ging es um Chancen und Herausforderungen bei der Wasserstoffwirtschaft, um Materialien für Elektrolyseure und Steckverbinder in der E-Mobilität sowie um Recycling und die Vermeidung kritischer Materialien vor dem Hintergrund der vorgegebenen politischen Ziele.

Der Klimawandel und damit verbunden der Weg zur CO₂-Neutralität ist ein großes Ziel für Wirtschaft, Politik und Gesellschaft. Dabei spielen Energie und Mobilität eine entscheidende Rolle. Experten aus Forschung und Industrie berichteten über die Erfolge und Möglichkeiten. Einen Überblick gab Prof. Dr. Markus Hölzle vom ZSW, Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, hier wird intensiv an den Themen Windenergie Photovoltaik, Batterietechnik, Wasserstofftechnik und Brennstoffzellen gearbeitet, sowie die Politik beraten. In seinem Vortrag unter dem Titel: „Edelmetalle in der Energiewende – nobel wird die Welt gerettet“ zeigte er auf, dass unsere Ressourcen endlich sind. Seit der Abkopplung der Gaslieferungen aus Russ­land sind wir uns der Abhängigkeit von Energielieferungen und der Ungleichverteilung von verfügbaren Energie- und Rohstoffquellen bewusster geworden. Die Energiewende kann gelingen, wenn zunächst der Primärenergieverbrauch inklusive der Umwandlungsverluste um 42 % gesenkt wird. Gleichzeitig muss die Energieerzeugung im eigenen Land erhöht werden. Energiemanagement und -speicherung werden zu Schlüsseltechnologien. Wasserstoff wird immer dann eine Rolle spielen, wenn mehr grüner Strom durch Wind und Photovoltaik produziert als gerade verbraucht wird. Als nächstes muss der Wasserstoff gespeichert und an die Stellen des Verbrauchs transportiert werden. Bis 2032 verspricht die Bundesregierung den Bau eines H₂-Kernnetzes für eine Ausspeicherungskapazität von 270 TWh, wobei ca. 60 % des bestehenden Gasnetzes umgewidmet werden kann. Die Kosten dafür werden heute auf 19,8 Mrd. Euro geschätzt. Insgesamt sind in Deutschland Nord-Süd-Transportkapazitäten für Strom von 18 GW und für Gas von 75 GW vorhanden, wobei eine Gaspipeline die Energie von acht Hochspannungsleitungen transportieren kann. Mit den vorhandenen und auszubauenden Kapazitäten kann ungefähr 30 %, das entspricht 182 TWh/a, des Energiebedarfs in Deutschland, gedeckt werden. Dennoch fehlen 60-70 % Energieträger, die zugekauft werden müssen. Modellrechnungen haben ergeben, dass grüner Strom im Mittleren Osten in Wasserstoff umgewandelt werden könnte, der dann beim Verbraucher mit 58 % Verlust ankommt. Auch hier sind Ideen gefordert, um Umwandlungs- und Transportverluste zu reduzieren. Edelmetalle, die in Industrie und täglichem Leben bereits wichtig und weit verbreitet sind, spielen auch in der Energiewende eine entscheidende Rolle. In Windkraft- und Photovoltaikanlagen werden überwiegend Gold und Silber eingesetzt. Bei der Erzeugung von Wasserstoff als Speichermedium sind Edelmetalle der Platingruppe erforderlich. Um die steigenden Kosten bei der Gewinnung aus Primärquellen mit kritischen Metallen zu umgehen, wird auf Recycling gesetzt. Allerdings ist die Recyclingrate auf den gesamten Lebenszyklus eines Produkts betrachtet enttäuschend niedrig. Sinnvolle staatliche Regelungen und Verbraucheraufklärung sind erforderlich, die Produktkreisläufe zu schließen. Für eine Zukunft mit grüner Energieversorgung bleiben Edelmetalle, und damit ein geschlossener Kreislauf innerhalb der Wertschöpfungskette, ­unverzichtbar.

Energiewende bedeutet auch Mobilitätswende. Uwe Hauck, Dir. Technology & Innovation, TE Connectivity, sprach in seinem Vortrag „Transformation der Fahrzeugwelt und der Bordnetze“ über die Entwicklung der Elek­tromobilität. Was sich bisher im Auto und E-Auto abspielt, ist ein fahrender Computer, der auf Softwareseite salopp als Spaghetti Code und auf Hardwareseite mit 8 km Verkabelung als Spaghetti Harness bezeichnet wird. Um dies zu entwirren und gleichzeitig steigende Datenvolumina verarbeiten zu können, werden zukünftig dezentrale Funktionen zentralisiert und als Open Source Software über Server nutzbar gemacht (s. Abb. 1). Gleichzeitig wird das Antriebssystem von der Verbrennertechnik über den Plug-In Hybrid-Tap und das Elektrofahrzeug hin zu einem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug entwickelt. Somit orientiert sich die Fahrzeugentwicklung an der Batterietechnik, die zukünftig die Funktionsanforderungen für das gesamte System übernehmen wird. Dem Verbraucher bleiben diese Zusammenhänge weitestgehend verborgen. Er wird sich in erster Linie an sinkenden Kosten und Ladezeiten sowie steigenden Reichweiten und Eigenschaften wie Sicherheit, Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit orientieren. Ein wichtiger Faktor im System ist das Laden an der Ladesäule. Ungeschützte und verschmutzte Ladestecker haben Einfluss auf die Ladeeffizienz. Es wird also eine sichere Ladeperformance für die Fahrzeuge benötigt, zu der die Steckertechnik und ein Power Management im Fahrzeug zählt. Hierfür werden Materialien mit sehr guter Leitfähigkeit bei geringem Widerstand benötigt. Silber ist das Material, dass beiden Anforderungen gerecht wird. Nachteilig sind die geringe Härte und Abriebbeständigkeit von reinem Silber. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken und gleichzeitig die guten Eigenschaften von Silber nutzen zu können, veranschaulichte Dr. Isabel Buresch von TE Connectivity Germany GmbH, Wört, die hierzu laufenden Entwicklungen, denn Silber ist nicht gleich Silber Mögliche Lösungen werden in Hartsilberschichten, Silberlegierungen, Multilayer-Schichten und Dispersionsschichten gefunden. Für die verschiedenen Anwendungen im Fahrzeug werden jeweils die passenden Schichtsysteme ausgewählt und unter Umständen auch kombiniert. Hierbei spielen außerdem Kosten und Verfügbarkeit eine wichtige Rolle.

Kombinationen aus Silber mit anderen Edelmetallen, z. B. Rhodium oder Gold, erfüllen seit Jahren die Anforderungen an Kontakte und Steckkontakte zum Aufladen von Akkus und der Signalübertragung. Aufgrund steigender Edelmetallkosten wird der Wunsch nach Ersatzstoffen laut. Steckkontakte werden vor allem durch Reaktionen an der Oberfläche wie Reib- oder Oberflächenkorrosion oder durch atmosphärische oder galvanische Einflüsse angegriffen. Lösungen hierzu stellte Anthony Franchini von Damien CMTE vor. Silber-Dispersionsschichten mit Graphit sind gut untersucht. Alternativ wurden Silber-Co-Polymer-Dispersionsschichten auf Kupfer- und Aluminium-Grundmaterial untersucht und hervorragende Eigenschaften gefunden. Die Anforderungen an Abriebeigenschaften sind bei Schleifkontakten höher als bei Steckkontakten. Schleifkontakte finden in Antrieben und Motoren Anwendung. Dr. Christian Holzapfel von der Schleifring GmbH, Fürstenfeldbruck, berichtete über die Möglichkeiten, die Abriebeigenschaften von Edelmetallen durch Legierungen und Dispersionsschichten der elektrischen und tribologischen Anforderungen auszuwählen und dabei die Kosten im Blick zu behalten.

Abb. 2: Verwendung von über­schüssiger grüner Energie (Grafik: Dr. Volker Peinecke, ZBT Duisburg)

Welche Rolle Platin und Iridium in der PEM-Brennstoffzelle und -Elektrolyseuren (PEM = Polymer Electrolyte Membrane) spielen, berichtete Dr. Volker Peinecke vom ZBT – Zentrum für Brennstoffzellen Technik GmbH, Duisburg. Grüne Energie, z. B. Windenergie, entsteht auch in Zeiten, wenn mehr Strom erzeugt als im Netz abgefragt wird. Diese Überschussenergie wird in Wasserstoff per Elektrolyse umgewandelt, und bei Bedarf in der Brennstoffzelle in elektrische Energie zurückgewandelt, indem sie z. B. in Fahrzeugen Energie liefert (s. Abb. 2). Sowohl im Elektrolyseur als auch in der Brennstoffzelle befinden sich Anoden und Kathoden, die Katalysatoren mit hoher spezifischer Aktivität und Stabilität benötigen. Hinzu kommen eine große aktive Oberfläche und gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Edelmetalle sind hierfür unerlässlich, und im Fall der Herstellung und Nutzung grünen Wasserstoffs erfüllen Platin und Iridium die geforderten Eigenschaften. Schließlich muss die Kathodenschicht für Gas sowie für Wasser durchlässig sein.

Abb. 3: Zunehmende Produktkomplexität neuer Technologien – die Nutzung fast des gesamten Periodensystems der Elemente ist notwendig (Grafik: Benjamin Achzet)

In der Werkstoffkunde beschäftigt man sich im Rahmen der Circular Economy Germany mit den Zielen und der Umsetzung nachhaltigen Wirtschaftens, und warum die Kreislaufwirtschaft noch nicht funktioniert. Seit dem Beginn der Industrialisierung Mitte des 18. Jahrhunderts ist der Verbrauch an Rohstoffen exponentiell gestiegen. Abbildung 3 zeigt, wie man zu Beginn mit nur wenigen Elementen auskam, hingegen heute annähernd das gesamte Periodensystem ausnutzt. Dabei werden viele Elemente nur in sehr geringen Mengen benötigt. Auch die Aufklärung der Verbraucher, dass „Abfall Rohstoff am falschen Platz“ ist könnte dazu beitragen, Rohstoffe besser zu nutzen. Allein in 32 Smartphones ist 1 g Gold enthalten, das entspricht 1 t Erz in Südafrika. Leider beträgt die Recyclingquote gerade einmal 20 %. Wichtige Erkenntnisse gewinnen Prof. Mücklich und sein Team an der Universität Saarbrücken aus der Weltraumforschung. Beim Einfangen von Weltraumschrott wird die Technik des Reaktiven Fügens genutzt, indem die mit hoher Geschwindigkeit im Weltraum herumrasenden Teile wie mit einer Harpune in einem Netz eingefangen und so sicher zur Erde gebracht werden. Diese temporären Werkstoffverbindungen, die im Vakuum in Form von „Fügen auf Anfrage“ angewendet werden, sind auch auf der Erde denkbar. Mit dieser Laser- Methode, die Pulse im Femtosekunden-Bereich erzeugt, lassen sich außerdem nahezu materialunabhängig Oberflächenstrukturen für die unterschiedlichsten Anwendungen erzeugen. Eine gezielte Oberflächenstruktur reduziert z. B. die Kontaktkräfte bei Steckverbindern für die Autoindustrie. Bei standardisierter Durchführung können in nur 40 s die Steckverbinder für ein Auto bearbeitet werden.

Abb. 4: Darstellung der Kreislaufwirtschaft für Metalle (Grafik: Eric Becker, Andreas Nolte, Aurubis)

Eric Becker und Andreas Nolte beschrieben, wie bei Aurubis eine Multimetall-Gewinnung im Recycling betrieben wird, bei der bis zu 20 Elemente durch schrittweises Scheiden entlang der chemischen Wertigkeit zurückgewonnen werden (vgl. Abb. 4). Zum Beispiel wird Zinn wie viele andere Elemente in sehr geringen Mengen in sehr vielen Bauteilen und Geräten der Elektrotechnik und Elektronik zusammen mit z. B. Zink und Kupfer verarbeitet. Das schont auf der einen Seite die Ressourcen, leidet aber auf der anderen Seite an einer sehr geringen Recyclingquote. Die Herausforderungen sind gewaltig. Forscher und Entwickler finden immer neue Anwendungen, in denen Zinn oder Legierungen mit anderen, seltenen Elementen z. B. als Nanopartikel in Nano-Schichten verarbeitet werden. Für Zinn und alle weiteren Elemente heißt es sammeln, sammeln, sammeln. Es wird nach effizienteren Recyclingtechnologien gesucht, denn dieser Industriebereich soll bis 2045 CO₂-neutral werden. Auch hier gilt: If you don’t collect it, you can’t recycle it!

Dieses Konzept wird bei LuxChemTech in Freudenberg weitergedacht, indem Solarpanels in die Einzelteile zerlegt und so in den Kreislauf zurückgegeben werden. Dr. Wolfram Palitzsch beschrieb das Verfahren und legte dar, dass bereits genügend Material als Ausschuss bei der Herstellung anfällt, bevor die ersten gebrauchten Panels ausgemustert werden. Im Idealfall stehen zukünftig Angebot und Nachfrage im Gleichgewicht. Das setzt eine optimale Rückführung defekter PV-Panels zum Recycling und gleichzeitig gute Kenntnisse der mehr als 100.000 verschiedenen Modultechniken voraus. Gleichzeitig mit der Energiewende steigt die Nachfrage nach Rohstoffen und die Forderung nach einer sinnvollen Regulierung der EU im Rahmen des EU-Critical Raw ­Materials Act.

Materialeinsparungen spielen aus Kostengründen eine wichtige Rolle. Dennoch müssen die geforderten Schichtdicken für die Funktionsfähigkeit eingehalten werden. Zur Qualitätskontrolle werden Schichtdicken bis hinunter in den nm-Bereich gemessen. Wie das mit Röntgenfluoreszenz gelingen kann, erläuterte Dr. Konstantin Panos, Helmut Fischer GmbH. Neben den geeigneten Geräteparametern spielen die Messzeit und die Auswertesoftware die entscheidende Rolle. Bei ausreichend langer Messzeit kann mit dem geeigneten Rechenprogramm aus dem Signal-Untergrund-Verhältnis die Signalhöhe und damit die Schichtdicke bis in den einstelligen nm-Bereich berechnet werden. Metallschichten auf Legierungen werden ebenfalls in dünnen Schichtdicken bestimmt, hierbei helfen geeignete Filter um das Signal-Untergrund-Verhältnis für die Berechnung zu verbessern. Mit der Verwendung einer Cr-Röhre können Silbersulfid-Schichtdicken auf Silber gemessen werden. Diese Methode ist z. B. hilfreich bei der Charakterisierung von Steckverbindungen und deren Alterung. Eine weitere Methode zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung basiert auf dem Photothermischen Effekt (Philipp Fuchs, AIM Systems, St. Ingbert). Es wird die Temperaturdifferenz der reflektierten Wärmeenergie an der Phasengrenze gemessen. Mit diesem Verfahren kann ein großes Spektrum an Materialien mit einer Präzision von 0,5 µm bestimmt werden. Auf diese Weise werden z. B. die Isolationen von Batteriezellen gemessen oder Defekte in Batteriepackungen erkannt.

Ein innovatives Verfahren ist per Inkjet geduckte Elektronik. Dr. Birger Freisinger vom fem in Schwäbisch Gmünd stellte dieses Verfahren vor, das gemeinsam mit Hahn Schickard im Rahmen eines IGF geförderten Projekts entwickelt wurde. Edelmetallnanopartikeltinten werden auf Kunststoffoberflächen gedruckt. Hierdurch eröffnet sich eine Vielfalt an Strukturierungsmöglichkeiten, die für digitale Prozesse auf Trägern (z. B. Platinen) aufgebracht werden. Es hat sich gezeigt, dass die gedruckten Strukturen nicht leitfähig sind, da der Kontakt zwischen den Nanopartikeln untereinander zu gering ist. Durch einen Sinterprozess soll dieser Nachteil aufgehoben werden. Ein Lösungsansatz ist das Aufbringen einer 1K-Aktivatortinte mit einem handelsüblichen Desktop-Drucker, auf die anschließend chemisch eine Pd/Au-Schicht abgeschieden wird. Ein Demonstrator wurde zur Detektion von DNA-Sequenzen in Flüssigkeiten in medizinischen Analysegeräten eingebaut und getestet. Weitere Anwendungen sind denkbar.

Abb. 5: Einsatz von Edelmetallen in den verschiedenen Steckertypen (Grafik: Dr. Stephan Schlegel, TU Dresden)

Mit der Energiewende muss das Versorgungskonzept neu gedacht werden. Dr. Stephan Schlegel, Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik, TU Dresden erläuterte, wie eine zuverlässige und sichere Energieversorgung funktioniert. Stromführende Leiter werden in Kontakt gebracht, um eine stromführende Verbindung zu schließen. Für die Vielzahl der Kontaktmöglichkeiten (s. Abb. 5), stationäre und bewegte, ebenso wie dauerhafte und trennbare oder gleitende und schaltende Kontakte, müssen Anforderungen erfüllt werden, die einerseits die Verbindung sicherstellen und gleichzeitig für die Sicherheit des Anwenders sorgen. Für Schraubverbindungen kommen Silber-, Zinn- und Nickelschichten auf Kupfer oder Aluminium-Grundmaterial in Frage. In Buchsen, Steckern und Kontaktelementen werden Silber-, Zinn- und Goldschichten verwendet. Zinn findet zusätzlich in Pressverbindungen Anwendung. Stromführende Verbindungen können bis zu 200 °C erreichen und müssen dennoch über die Lebensdauer ihre zuvor zugewiesenen Eigenschaften behalten. In Studien und Forschungsprojekten wurden und werden Optimierungen der Kontaktflächen erarbeitet, um die Belastung stromführender Kontaktierungen über die Lebensdauer zu gewährleisten.

Der Workshop hat die Anforderungen an die Energie- und Mobilitätswende aufgezeigt. Es wurden politische Ziele beleuchtet und die dahinterstehenden technischen Möglichkeiten aufgezeigt. Teure Edelmetalle stehen kritischen Elementen gegenüber. Recyclingtechnologien sind ressourcensparend. Aufgrund von niedrigen Rückführungsquoten funktioniert eine Kreislaufwirtschaft nicht effizient.Techniken sind vorhanden, oft noch nicht serienmäßig genutzt. Das Fazit des Workshops: Es gibt noch viel zu tun!