28. NDVaK zu Oberflächentechnologien für die Energiewende

28. NDVaK zu Oberflächentechnologien für die Energiewende

Beim 28. Neue Dresdner Vakuumtechnische Kolloquium (NDVaK) am 5. und 6. Oktober 2022 in Dresden ging es um „Beschichtung, Modifizierung und Charakterisierung von Polymeroberflächen“ mit dem Schwerpunkt „Oberflächentechnologien für die Energiewende“. Von 20 Vorträgen fielen vier krankheitsbedingt aus. Die Zeit wurde von den rund 40 Teilnehmern für ausführliche Diskussionen genutzt.

Neben den langjährigen Veranstaltern Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (Dresden), Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. (Dresden) und der Deutschen Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V. (Neuss) wirkten die Creavac GmbH (Dresden) und Coating Consulting (Markkleeberg) ganz wesentlich an der Gestaltung mit. Das Kolloquium will mit Vorträgen zu Materialeffizienz, Energieeinsparung, -umwandlung und -speicherung mit Hilfe von Oberflächentechnologien zur Gestaltung der Energiewende vorzugsweise hin zur Nutzung sich in natürlicher Weise erneuernden Energiequellen beitragen, was sich in der jüngsten Vergangenheit als noch dringender darstellt. Das betrifft sowohl atmosphärische als auch vakuumbasierte Prozesse.

Ausgehend von Ergebnissen von Studien, z. B. für den VCI, zeigt Andreas Holländer (Fraunhofer IAP, Potsdam) anhand des tatsächlichen und des bis 2050 zu erwartenden Energiebedarfs in Deutschland die Problematik einer möglichen Versorgungslücke im Zuge der Energiewende. Den Bedarf zu decken und dabei die Treibhausgasemissionen entweder zu neutralisieren, zu senken oder überhaupt zu vermeiden, besonders die CO2-Emission ist von höchster wirtschaftlicher Relevanz. Er stellt die Frage: Was können Oberflächentechnologien dafür leisten und nennt Einsatzfelder wie Bauglasbeschichtung, Gewinnung und Speicherung regenerativer Energie, Verschleiß- und Korrosionsschutz, Energieeinsparung und Ressourcenschonung. Der CO2-Fußabdruck vakuumtechnischer Verfahren wird diskutiert.

Konstantin Livanow (OrelTech GmbH, Berlin) stellt das Leistungsspektrum des Unternehmens vor und beschreibt die Abscheidung von funktionalen rückstandslosen Metallschichten (Silber, Gold, Palladium, Iridium; ggf. auch andere) von 30 bis 2000 nm durch Plasmahärten von Schichten selbstentwickelter nanopartikelfreier Metallisierungsflüssigkeiten im Argon-Niederdruckplasma. Dieses innovative Verfahren ist eine zukunftsträchtige Alternative zu elektrochemischen und vakuumtechnischen Verfahren für nahezu beliebige Substratmaterialien und Substratausgestaltungen (z. B. auch Pulver und Schäume), insbesondere auch für temperaturempfindliche Substrate. Im Vergleich zu elektrochemischen und vakuumtechnischen Verfahren ist der apparative und materielle Aufwand geringer und spart bis zu 95 % Prozessenergie. Erfolgreiche Anwendungen betreffen u. a. gedruckte Elektronik, katalytische und antibakterielle Beschichtungen, Biochips und medizinische Sensoren und Beschichtung von Kunstoffen und Textilien. Die Energiewende erfordert die Bereitstellung von grünem Wasserstoff aus regenerativen Quellen weit über das bisherige Maß hinaus. Für die Wasserelektrolyse, die daran derzeit etwa 5 % beteiligt ist, müssen Gasdiffusions-, Elektroden- und ionenleitende Membranschichten der Stackkomponenten schneller und kostengünstiger bereitgestellt werden. Michael Rentzsch (Papiertechnische Stiftung, Heidenau) berichtet über Entwicklungsergebnisse für Funktionskomponenten auf lignocellulosischer Basis für die PEM-Wasserelektrolyse. Die Substrate werden durch Imprägnieren, Beschichten und Laminieren funktionalisiert. Dafür wird das hochproduktive Potential der Papierherstellung genutzt. Die Ergebnisse sind auch für Brennstoffzellen und Energiespeicherung (PtX, H2tX) interessant.

Eine ähnliche Herausforderung ist die kostengünstige Fertigung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Sie erfolgt teilweise noch in Einzelfertigung mit einem Kostenanteil bis 30%. Ein Forschungsschwerpunkt im H2GO – Nationaler Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion (Start am 13. September 2022) – ist die Produktivitätssteigerung und die Kostenminimierung beim Beschichten, Umformen und Fügen von Edelstahlblech (1.4404) im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Teja Roch (Fraunhofer IWS, Dortmund) berichtet über Untersuchungen zur Eignung bekannter Rolle-zu-Verfahren auf ihre Eignung anstelle von Batchprozessen. Die mittels PVD-Bandbeschichtung mit GLC bzw. Chrom aufgebrachten Schichten zeigten vergleichbare Ergebnisse für den Kontaktwiderstand bzw. das Korrosionsverhalten wie die derzeit angewendeten Goldbeschichtungen.

Über die Synthese von polymeren Elektrolyten für Festkörperbatterien berichtet Lisa Ehrlich vom Leibnitz- Institut IPF Dresden. Ziel der vorgestellten Arbeiten ist es, für die Elektrolyse statt Lithium-Ionen-Batterien, die durch die nötigen Seltenen Erden ein eingeschränktes Ressourcenpotential aufweisen, auf polymere Redoxsysteme als Aktivmaterialien zu wechseln. Polymersysteme für passende Polymerelektrolyte müssen Chlorid-Ionen-leitend sein. Solche Systeme, die mittels anionischer Polymerisation und anschließender Funktionalisierung über polymeranaloge Reaktionen hergestellt wurden, haben gezeigt, dass sie das Potential haben, hier eine echte Alternative darzustellen. Die gezeigten Systeme weisen eine gute ionische Leitfähigkeit auf und auch die Mobilität der Ladungsträger ermöglicht eine gute Performance der Zellen. Zudem sind die Elektrolyte an Luft stabil.

Alexander Plettig (Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg) stellt die Ergebnisse des umfangreichen Projekts „Prozessintegrative Herstellung und Integration von komplex geformten hybriden Mehrschichtverbunden mit hoher Funktionsdichte für den Schienenfahrzeugbau – HIKOM Pro“ vor. Im Fahrzeugbau kann durch die Reduzierung des Gewichts ein nachhaltiger Beitrag zur Energieeinsparung geleistet werden. Bei der Kombination von thermoplastischen Leichtbaukernen bzw. faserverstärkten Kunststoffen mit metallischen Dünnblechen zu funktionsintegrativen Leichtbauelementen ist eine Festigkeit des Verbundes erreicht worden, wie sie für die variable Formgebung und spezifische mechanische Beanspruchungen (z. B. in Schienenfahrzeugen) erforderlich ist.

Mittels funktionsintegrativer Sensorik im Verbund lassen sich Konzepte zur Lokalisierung der auftretenden Kräfte zur werkstoffgerechten Überwachung der Bauteile sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb umsetzen, um ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten.

Einerseits ist die weltweite Zunahme des Kunststoffmülls ein Problem, andererseits wird nur ein Bruchteil des Mülls – in der EU sind es etwa 25 % – recycliert, also wieder zu Produkten verarbeitet. Dirk Hegemann (Empa, Dübendorf) zeigt, dass eine angepasste plasmabegleitete bzw. -gestützte Beschichtung von Erzeugnissen aus Recyclaten zur Wiederverwendung beitragen kann. Dabei stellt sich sofort die Frage nach der Wiederverwendung recyclierten Materials. Recycliertes PET kann in einem Ar/O2-Plasma so vorbehandelt werden, dass es haftfest metallisierbar ist. Plasmapolymerschichten können dabei als Haftvermittler wirken. Verpackungsmaterial (z. B. aus Polypropylen) kann mit Diffusionsbarrieren auf SiOx-Basis versehen und mit hydrophoben Plasmapolymerschichten ausgerüstet werden, wobei die Schichtdicke auch wegen der Recyclierbarkeit unter 50 nm bleiben soll. Es werden industrielle Anwendungen zusammen mit technologischen Informationen für atmosphärische und Niederdruckplasma-Behandlungen für recyclierte und sortenreine Kunststoffe diskutiert.

R. Palitzsch (LuxCemtech GmbH, Freiberg) zeigt eindrucksvoll, wie aus den dünnen funktionalen halbleitenden und metallischen Schichten in elektronischen Massenprodukten am Ende ihrer Lebensdauer oder aus der Entwicklungsphase wertvolle Werkstoffe wirtschaftlich zurückgewonnen werden können.

Eine besondere Herausforderung für eine Wiederverwendung stellt der zumeist vakuumtechnisch hergestellte Schichtaufbau in Photozellen, Displays und PCBs dar. Bei Photozellen (z. B. vom CIGS-Typ) wird die „Sandwichstruktur“ thermisch (Laser) geöffnet und das Halbleitermaterial nasschemisch vom Träger (Glas) abgelöst und schließlich Cadmium, Kupfer, Molybdän, Selen, Indium und Gallium isoliert. Ähnlich wird bei LCD-Displays verfahren, um ITO, Flüssigkristall- und Spacermaterial zu erhalten. Auch bei Silicium-Photovoltaikmodulen wird zunächst das Schreddern des Gesamtverbundes vermieden. Hier wird nach dem Trennen mit Wasser entschichtet und dann je nach Zelltyp Silicium (dann weiterverarbeitet zu Targets oder SiC), Silber, Indium, Zinn und Polyalumiumchlorid [Aln(OH)mCl3n-m] gewonnen.

Estefania Arrazola Martínez stellt Standard- und kundenspezifische Niederdruck-Plasmaanlagen der Firma Pink GmbH, Wertheim vor. Nach einer kurzen Beschreibung der Wechselwirkung des Plasmas mit einer Festkörperoberfläche, hier mit Mikrowellenanregung, wird anhand von Beispielen der energiesparende Einsatz von Plasma als Ersatz oder Ergänzung zu anderen Behandlungen zur Reinigung und zum Ätzen behandelt. Abschließend werden der Betriebsmittelaufwand, der Gasverbrauch und die Kosten für einen Sauerstoffprozess abgeschätzt und die Vorteile der Plasmatechnologie zusammengestellt.

Um Energieeinsparung geht es auch im Zusammenhang mit dem Einsatz von Vakuumpumpen von Martin Fischer (Pfeiffer Vacuum GmbH). Er sieht Einsparpotentiale bei der Antriebstechnik, bei der Auswahl des Pumpprinzips und bei der Einstellung des Betriebsmodus der Pumpen. Ersteres zeigt er für die Wälzlagerpumpen der HiLobe-Reihe. Beim Pumpprinzip werden Öldiffusions- und Turbomolekularpumpe sowie Prozess-Schraubenpumpe und Multi-Stage Roots gegenübergestellt. Schließlich kann ein energiesparendes Standby eingerichtet werden, wenn hohe Pumpleistungen nicht mehr erforderlich sind.

Andreas Holländer (Fraunhofer IAP, Potsdam) widmete sich dem immer noch aktuellen Problem einer klebstofffreien Verbindung von Kunststoffen. Die durch Reinigung und Aktivierung der Verbindungspartner in einem Plasma (Corona, Niederdruck) gebildeten funktionellen Gruppen ermöglichen, dass sich durch Akzeptor-Donator-Wechselwirkungen kovalente Bildungen ausbilden können. Druck, Temperatur und elastische Eigenschaften bestimmen die erreichte Festigkeit des Verbunds. Prozessparameter, Ablauf und Ergebnisse werden für PMMA-PMMA- Verbunde diskutiert. Dieses klebemittelfreie Bonden funktioniert auch für PE-PE, PE-PET, PET-ABS und PC-SiO2.

Stefan Saatmann gibt einen Einblick in die Aktivitäten der Siemens AG, die Energieerzeugung in Deutschland bis 2050 treibhausgasfrei zu machen und die durch die Sanktionen bei der Erdgaslieferung aus Russland gefährdete Energieversorgung privater und industrieller Nutzer durch Dezentralisierung der Energieversorgung zu sichern und damit zur Energieunabhängigkeit und nationalen Sicherheit Deutschlands beizutragen. Er beschreibt ein zukunftsfähiges Energiekonzept im Energiepark Blankenburg zur Erzeugung von grünem Wasserstoff mittels regenerativer Energie und Wasserelektrolyse in Kombination mit Batteriespeichern. Die Siemens AG übernimmt als Technologie- und Umsetzungspartner die ganzheitliche Projektbegleitung von der Analyse und Planung über die Umsetzung bis hin zum Betrieb und zum Service. Die zu involvierenden Stakeholder reichen von Industrie und Stadtwerken bis hin zu kommunalen Entscheidungsträgern.

Einen Einblick in umfangreiche Arbeiten an Elektroden und Elektrolyten für vollständig polymerbasierte Batterien an der Friedrich-Schiller-Universität Jena gibt Martin Hager. Polymere Aktivmaterialien ermöglichen u. a. die Herstellung von dünnen und flexiblen Batterien, die auch über Drucktechniken herstellbar sind. Bei den Elektrolyten wurden beispielsweise ionische Flüssigkeiten untersucht und druckbare Gelpolymerelektrolyte entwickelt.

Philipp Schlee (Skeleton, Großröhrsdorf) informiert über laufende und zukünftige Aktivitäten des deutsch-estnischen Unternehmens Skeleton Technologies für Superkondensatoren zur Energiespeicherung. Die Superkondensatoren der ersten Generation (2017) mit Graphitelektroden haben Energiedichten von 9,3 Wh/kg bei Ladezeiten unter 1 s. Durch den Einsatz von gebogenem Graphen mit deutlich kleineren Poren (unter 1 nm) wird die Energiedichte fast verdoppelt (Superkondensatoren der zweiten Generation, ab 1923 in Markranstädt). Für 2024 werden Superbatterien mit 65 Wh/kg und Ladezeiten unter 60 s erwartet. Mit diesen Energiespeichersystemen bis in den MWs-Bereich lässt sich das gesamte Verkehrs- und Transportwesen dem gesetzten Ziel der Null-Emissionselektrifizierung näherbringen.

Transparente leitende Oxide (TCO) wie Indiumoxid (In2O3), Zinnoxid (SnO2), Zinkoxid (ZnO) oder Titanoxid (TiO2) sind u. a. auch für Solarzellen von Interesse. Klaus Ellmer (OUT e. V., Berlin) beschreibt für In2O3, wie die Dotierung mit Wasserstoff (IO:H) und Tempern bei mehr als 160 °C die Elektronenbeweglichkeit auf über 100 cm2/Vs erhöht werden kann. Die Abscheidung erfolgt durch Reaktives Magnetronsputtern bei einem Wasserpartialdruck bis 8.10–2 mbar. Wesentlich für die resultierenden Eigenschaften ist die geringere Korngrenzenstreuung auf Grund der Rekristallisation des amorph abgeschiedenen Indiumoxids durch Tempern der bei mehr als 160 °C entstandenen Körner (laterale Abmessung bis 700 nm bei 100 nm Schichtdicke). Der Wasserstoff wirkt als Donator. Die hohen Beweglichkeiten werden bei einigen 10–2 mbar und einem Wasserstoffgehalt um 5 At-% erreicht.

Weltweit werden große Anstrengungen unternommen, perspektivisch die Lithium-Ionen-Batterien durch leistungsfähigere und sicherere Feststoffbatterien abzulösen. Christoph Tammer (Fraunhofer IGCV, Braunschweig) erläutert das laufende Vorhaben Di-BATMA-pro. Es soll demonstrieren, dass mithilfe digitalisierter Prozessketten bei der Synthese von Batteriematerialien über die Labor- und Pilotfertigung von Festkörperzellen, dem Hochdurchsatztesten der Zellen bis hin zum Recycling und mithilfe automatisierter Prozesse und einer ausgeklügelten digitalen Infrastruktur die Entwicklungszeiten von Batteriematerialien und neuen Zelltechnologien deutlich verkürzt werden können. Eine Pilotlinie zur Fertigung von Feststoffzellen mit polymerem Festelektrolyt wird ausführlich beschrieben.

Abbildung 2: Biogasanlage mit Heliatek-Solarfolien, Pfaffenhofen/DeutschlandAbbildung 2: Biogasanlage mit Heliatek-Solarfolien, Pfaffenhofen/Deutschland

Karsten Walzer stellt das Dresdner Unternehmen Heliatek GmbH mit seinen inzwischen 200 Mitarbeitern als Pionier auf dem Gebiet der organischen Schichten für die Solarenergie und als Innovationsführer bei Optischer Photovoltaik vor. Auf der Grundlage des eigenentwickelten Schichtaufbaus mit im Hochvakuum aufgedampften organischen Halbleitern werden dünne, flexible organische Solarfolien (HeliaSol) produziert, die auch die perfekte Lösung für Nachrüstung und für integrierte Produkte sind und in kundenspezifischen Größen, Farben und Transparenzgraden angeboten werden. Abschließend werden weltweit realisierte Anwendungen der ersten wirklich sauberen Solartechnologie mit einem Kohlenstofffußabdruck unter 10g CO2e/kWh gezeigt – siehe Abbildung 1 und Abbildung 2.

In einer Abendveranstaltung begeistert Claudia Hinz („Wetterfee“ auf dem Wendelstein in Oberbayern) in liebenswert humorvoller Weise mit ihrem Vortrag „Vom Regenbogen zum Polarlicht“ mit einer Vielzahl auch eigener, in heimischer Umgebung aufgenommener Fotos atmosphärischer Lichterscheinungen.

Das 29. Neue Dresdner Vakuumtechnische Kolloquium wird voraussichtlich im Herbst 2024 stattfinden. Themenvorschläge sind willkommen.
  • Ausgabe: April
  • Jahr: 2023
  • Autoren: Gerhard Blasek
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