Nanotechnologie 19.10.2007, 19:30 Uhr

Intelligente Materialien für die Energie von morgen  

VDI nachrichten, Düsseldorf, 19. 10. 07, jdb – Nanotechnologien haben als Schlüssel- und Querschnittstechnologien das Potenzial, wesentliche Beiträge für eine nachhaltige Energieversorgung zu liefern. Das Spektrum der möglichen Anwendungen umfasst kurz- bis mittelfristige kontinuierliche Verbesserungen bei der Nutzung konventioneller und regenerativer Energiequellen, aber auch langfristig völlig neuartige Ansätze der Energieversorgung und -nutzung. Die Veranstaltung Nano-Energie der Aktionslinie Hessen-Nanotech zeigte viele Beispiele für den sinnvollen Einsatz von Nano-Produkten.

Nanotechnologie kann einen wichtigen Beitrag zur Lösung weltweiter Umwelt- und Energieprobleme leisten: Stromleitungen, Batterien und Photovoltaikanlagen werden durch Neuentwicklungen leistungsfähiger und besser. Diese Auffassung vertrat Hessens Wirtschaftsminister Alois Rhiel im Sommer diesen Jahres anlässlich der Impulsveranstaltung „Nano-Energie“ der Aktionslinie Hessen-Nanotech. In Kooperation mit dem Institut für Solare Energieversorgungstechnik war das der Startschuss für einen branchenübergreifenden Dialog der beteiligten Akteure, der im November u. a. beim 4. Nanotechnologieforum fortgesetzt werden wird.

„Mit neuartigen Produkten und Prozessen gehören heimische Unternehmen zu den Gewinnern beim Aufbau der künftigen Energiewirtschaft“, erklärte der Minister. „Bereits heute gibt es intelligente Fenster, die mit Nanospiegeln im Glas Sonnenlicht nach Bedarf sammeln, leiten oder reflektieren können.“ Der Minister betonte, bei Nano und Energie seien in den vergangenen Jahren in Hessen einzigartige so genannte Kompetenzcluster aufgebaut worden: „Hessen setzt auf langfristig sichere und umweltfreundliche Energie zu bezahlbaren Preisen. Die Nanotechnologie kann uns diesem Ziel näher bringen.“ An der Veranstaltung „NanoEnergie“ des Hessischen Wirtschaftsministeriums im Industriepark Hanau-Wolfgang nahmen rund 100 Fachbesucher aus ganz Deutschland teil.

Nanotechnologien – so ein Ergebnis der Tagung – bieten wesentliche Verbesserungspotenziale bei der Erschließung sowohl konventioneller Energieträger (fossiler und nuklearer Brennstoffe) als auch regenerativer Energieformen wie Erdwärme, Sonne, Wind, Wasser, Gezeiten oder Biomasse. Durch nanobeschichtete, verschleißfestere Bohrsonden lassen sich z. B. die Lebensdauer und die Effizienz von Anlagen zur Erschließung von Erdöl- und Erdgaslagerstätten oder Erdwärme optimieren und damit Kosten sparen.

Weitere Beispiele sind hochleistungsfähige Nanowerkstoffe für leichtere und stabilere Rotorblätter von Wind- und Gezeitenkraftanlagen sowie Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten für mechanisch belastete Komponenten. Insbesondere bei einer verstärkten Nutzung der Sonnenenergie durch Photovoltaik werden die Nanotechnologien eine wesentliche Rolle spielen.

Effizienzsteigerungen lassen sich bei herkömmlichen kristallinen Silizium-Solarzellen beispielsweise durch Antireflexschichten für eine höhere Lichtausbeute erzielen. In erster Linie wird aber die Weiterentwicklung alternativer Zelltypen von der Nanotechnologie profitieren wie Dünnschichtsolarzellen (u. a. aus Silizium oder anderen Materialsystemen, wie Kupfer/Indium/Selen), Farbstoffsolarzellen oder polymere Solarzellen. Letzteren wird aufgrund der preisgünstigen Materialien und Herstellungsverfahren sowie der flexiblen Formgebung ein hohes Potenzial bei der Versorgung mobiler Elektronikgeräte zugesprochen. Mittelfristig wird hier ein Wirkungsgrad von ca. 10 % und eine Lebensdauer von einigen Jahren, angestrebt. Nanotechnologien können da z. B. das Schichtdesign in den Bauteilstrukturen optimieren.

Nanotechnologien bieten, das zeigte die Veranstaltung, auch eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Energieeinsparung. Beispiele sind die Senkung des Kraftstoffverbrauchs in Automobilen durch Leichtbaumaßnahmen auf Basis von Nanokompositen, Optimierungen bei der Kraftstoffverbrennung durch verschleißfeste, leichtere Motorkomponenten und nanopartikuläre Kraftstoffzusätze oder auch Nanopartikel für optimierte Reifen mit geringerem Rollwiderstand.

Bei der Umwandlung der Primärenergieträger in Strom, Wärme und Bewegungsenergie ist eine möglichst hohe Effizienz gefragt. Verbesserungen lassen sich beispielsweise durch nanoskalige Hitze- und Korrosionsschutzschichten für Turbinenschaufeln aus Leichtbaumaterialien für effizientere Gasturbinen in Kraftwerken oder Flugzeugtriebwerken erzielen. Die Stromausbeute bei der Konversion chemischer Energie durch Brennstoffzellen lässt sich durch nanostrukturierte Elektroden, Katalysatoren und Membranen steigern, wodurch sich in Zukunft wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten im Automobil, in Gebäuden oder für den Betrieb mobiler Elektronik ergeben werden.

Aussichtsreich erscheint auch die thermoelektrische Energiewandlung. Durch nanostrukturierte Halbleiter mit optimiertem Grenzflächendesign lassen sich Effizienzgewinne erzielen, die den Weg für einen breiten Einsatz bei der Nutzung der Abwärme beispielsweise im Automobil oder auch der menschlichen Körperwärme für tragbare Elektronik in Textilien bereiten könnten.

Nanotechnologien kann aber auch elektrische Energiespeicher wie Batterien und Superkondensatoren verbessern. So gilt die Lithium-Ionen-Technologie aufgrund der hohen Zellspannung von 3,6 V und der herausragenden Energie- und Leistungsdichte als eine der zukunftsträchtigsten Varianten der Stromspeicherung. Nanotechnologien können die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus wesentlich verbessern: insbesondere durch die Anwendung neuartiger keramischer und dennoch flexibler Separatoren sowie hochleistungsfähiger Elektrodenmaterialien.

Gegen Energieverluste bei der Stromübertragung hilft vielleicht künftig die außergewöhnlich hohe elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren, wenn sie in Stromkabeln genutzt werden können. Darüber hinaus gibt es nanotechnologische Ansätze zur Optimierung supraleitender Materialien für eine verlustfreie Stromleitung.

Nanotechnologien, so das Fazit der Veranstaltung, können sich als Schlüsseltechnologien auf dem Weg zu einer nachhaltigen CO2-neutralen Energieversorgung der Zukunft erweisen. Die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten sind ausgesprochen vielseitig. Deren Umsetzung erfordert neben verstärkter Forschungs- und Innovationsförderung auch abgestimmtes Handeln sämtlicher an der Wertschöpfungskette beteiligten Akteure. W. LUTHER/jdb

 

  • Jens D. Billerbeck

    Jens D. Billerbeck
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