Energie- und Umwelttechnik

Energie- und Umwelttechnik

Angetrieben durch das Bestreben, die Emission von Treibhausgasen zu reduzieren, ist die Entwicklung neuer Techniken der Energiegewinnung, -speicherung und -nutzung in den vergangenen Jahren rasend schnell vorangeschritten. In vielen Industriestaaten wird heute bereits ein beträchtlicher Anteil der jährlich benötigten Strommenge aus erneuerbaren Energien gewonnen, Tendenz steigend. Gleichwohl, auch die Gewinnung von Strom aus fossilen Energieträgern (Kohle und Erdgas) sowie aus Kernenergie wird global betrachtet in den kommenden Jahren nicht abnehmen, sondern weiter zunehmen.

Effizienz steigern

Unser Anspruch: Innovationen ermöglichen

Regenerativ erzeugter Strom wird u.a. durch die Nutzung von Windkraft, Photovoltaik oder Biomasse gewonnen. Die Speicherung überschüssigen Stroms erfolgt u.a. in Batteriezellen, Pumpspeicherkraftwerken oder durch Umwandlung in grünen Wasserstoff – in vielen Fällen mithilfe von VDM Metals-Werkstoffen. Darüber hinaus gibt es eine ganze Reihe peripherer Anwendungsgebiete, in denen Legierungen von VDM Metals ebenfalls dazu beitragen, umwelt- und klimafreundliche Techniken Realität werden zu lassen – in Brennstoffzellen, der Abwasseraufbereitung oder in der Rauchgasentschwefelung. Im Bereich der konventionellen Stromerzeugung geht es darum, Wirkungsgrade und somit die Effizienz von Kraftwerken zu erhöhen. Nickellegierungen und Sonderlegierungen spielen auch in diesen Fällen oftmals eine entscheidende Rolle.

Typische Legierungen für den Einsatz im Bereich der Energie- und Umwelttechnik sind

 

Ihre Ansprechpartner

VDM Metals Mitarbeiter
Thomas JosefiakVice President Sales - Chemische Prozessindustrie Visitenkarte
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Volker Wahl
Volker WahlApplication Engineering CPI Visitenkarte
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Wasserstoff

Klimaneutral produzierter Wasserstoff ist ein zentraler Baustein der globalen Energiewende. Ob als Rohstoff für die Industrie, als Treibstoff für Brennstoffzellen oder als Ausgangsstoff für synthetische Energieträger. Die Handhabung von Wasserstoff stellt allerdings hohe Anforderungen an metallische Konstruktionswerkstoffe. In der Folge müssen Werkstoffe teils neu, teils weiterentwickelt sowie umfassend charakterisiert werden. Denn Wasserstoff kann die Festigkeit, Duktilität und Lebensdauer von Metallen reduzieren, sobald er in sie eindiffundiert. VDM Metals unterstützt bereits heute innovative technologische Ansätze für Herstellung, Speicherung, Transport und Nutzung von Wasserstoff als Energieträger und als Grundstoff für klimafreundliche Kraftstoffe. Für die Herstellung von Kathoden für die alkalische Elektrolyse kommt Reinnickel in Form von Band aus VDM® Nickel 201 zum Einsatz. Hochtemperatur-Werkstoffe, die sich bereits in herkömmlichen Bereichen bewährt haben, z.B. VDM® Alloy 602 CA, VDM® Alloy 601 oder VDM® Alloy 699 XA, sind vielseitig einsetzbar und wurden bisher beispielsweise bei der Produktion von grauem Wasserstoff verwendet. Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet dieser Werkstoffe findet sich im Bereich der Water-Gas-Shift Reaktionen, um aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid Synthesegas herzustellen, aus der dann z.B. mit Hilfe des Fischer-Tropsch Verfahrens wichtige Grundstoffe der chemischen Industrie oder auch synthetische Kraftstoffe erzeugt werden können. VDM® Alloy 36 zeichnet sich durch einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus und eignet sich für Transport und Lagerung von flüssigem Wasserstoff.

 

 

Brennstoffzellen/Elektrolyse

Wasserstoff hat  als nachhaltiger Energieträger eine wichtige Funktion für die Zukunft. Der Gewinnung und Nutzung von Wasserstoff kommt daher eine entscheidende Rolle zu. Auch hierzu bietet VDM Metals passende Werkstoffe für unterschiedliche Verfahren an. Zum einen für die Hochtemperaturelektrolyse: Die entsprechende Elektrolysezelle (Solid Oxid Elektrolyzer Cell, SOEC) erzeugt aus Strom und Wasser wertvollen Wasserstoff – besonders klimaschonend mit regenerativ erzeugtem Strom. Die Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC) geht den umgekehrten Weg: Hier gewinnt die SOFC aus Wasserstoff und Luftsauerstoff elektrische Energie. Die Festoxid-Brennstoffzelle, mit einem Wirkungsgrad von rund 85%, eignet sich aufgrund ihrer Größe besonders gut für die dezentrale Energieversorgung von Gebäuden, Gewerbe, Handel und Fabriken. In der Regel kann man sie flexibel mit Wasserstoff, Biogas oder Erdgas betreiben. VDM Metals hat mit VDM® Crofer 22 H und VDM® Crofer 22 APU für die Brennstoff- bzw. Elektrolysezellen passende Werkstoffe entwickelt, die mittlerweile ein weltweiter Benchmark sind.

Solarthermische Kraftwerke (Concentrating Solar Power, CSP)

Die Kraft der Sonne nutzen, um Strom zu erzeugen – das kann auf unterschiedlichen Wegen erreichet werden. Photovoltaik-Paneele sind hierfür ein weit verbreitetes Beispiel, sie werden sowohl privat als auch gewerblich zur Stromgewinnung eingesetzt. Doch es gibt darüber hinaus noch weitere Möglichkeiten, gerade in Regionen mit einer Sonnenstrahlung von mehr als 3.000 Stunden pro Jahr (wie Südspanien, Nordafrika oder Kalifornien, USA) – hier kommen solarthermische Kraftwerke zum Einsatz. Diese Kraftwerke konzentrieren das Sonnenlicht mit Tausenden von Spiegeln auf Rohrleitungssysteme (Solarreceiver), in denen die Strahlung von einem Wärmeübertragungsmedium – Thermoöl, Dampf oder flüssigem Salz – absorbiert wird. Über einen Wärmetauscher treibt Wasserdampf eine Dampfturbine samt Generator an, um grünen Strom zu erzeugen. Eine Form der CSP-Kraftwerke sind Solarturmkraftwerke. Die Spiegel sind hier um einen Turm angeordnet, an dessen höchstem Punkt sich der Absorber befindet. Sein Rohrsystem kann sich auf bis zu 1.000 Grad Celsius erhitzen. Diese hohen Temperaturen in Verbindung mit teils sehr korrosiven Medien sind es, die den Einsatz von Hochtemperaturwerkstoffen wie u.a. VDM® Alloy N06230 oder VDM® Alloy 625 erfordern.

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Polykristalline Solarzellen

Photovoltaik boomt, sowohl im privaten Bereich als auch bei Unternehmen und Institutionen der öffentlichen Hand. Werkstoffe von VDM Metals, wie VDM® Alloy N08120, werden nicht in den Zellen selbst, sondern bei der Produktion von polykristallinen Solarzellen eingesetzt. Hierbei durchläuft der Grundstoff, Silizium, einen aufwändigen Produktionsprozess, bei dem die Temperaturen auf über 1.000 °C steigen.

Energiegewinnung aus Biomasse

Biomasse kann in fester, flüssiger und gasförmiger Form zur Strom- und Wärmeerzeugung und zur Herstellung von Biokraftstoffen genutzt werden. Sie erzeugt im Vergleich zu fossilen Brennstoffen wie Steinkohle oder Erdöl einen geringeren CO2 - Ausstoß. Die Rückführung der in Biomasse enthaltenen Substanzen in die Wertstoffkreisläufe stellt dabei besondere Ansprüche an die Verarbeitung – ebenso wie an die Anlagen, in denen solche Prozesse stattfinden.  

Zum einen entsteht im laufenden Prozess Gas, das zum Beispiel zur Verstromung eingesetzt werden kann, zum anderen werden wertvolle Ressourcen wie beispielsweise Phosphor zurückgewonnen und können wieder dem Stoffkreislauf zugefügt werden. Die Anlagen bedürfen resistenter Werkstoffe, die sowohl hitze-, druck- und oxidationsbeständig sind. VDM Metals ist mit seinen vielseitigen Werkstoffen der Partner der Wahl für Entwicklung und Ausbau alternativer Energien.

Eines der genutzten Verfahren besteht in der stofflichen Verwertung von Klärschlamm durch Erhitzung der feuchten Masse in überkritisches Wasser, das in Synthesegas aufgespalten wird. Durch diesen Prozess werden alle festen Inhaltsstoffe des Klärschlamms wie Mineralien, Schwermetallsalze und Phosphor verwertet. Auch bei diesem modernen Verfahren werden die speziellen Werkstoffe von VDM Metals, unter anderem VDM® Alloy 602 MCA benötigt, sind hier doch Temperaturen von mehr als 600 Grad und Drücke von bis zu 250 bar erforderlich.

Überlandleitungen

Vor allem die in Offshore-Windparks erzeugten Strommengen müssen oftmals über weite Strecken geleitet werden. Durch die höheren Strommengen erwärmen sich die Hochspannungsleitungen und hängen durch, was als Sagging bezeichnet wird. Dieser Effekt wird durch VDM® Alloy 36 Powerline vermieden. Dieser Hochleistungswerkstoff zeichnet sich durch eine um den Faktor 4 reduzierte Wärmeausdehnung bei hoher mechanischer Festigkeit aus und erlaubt so eine Erhöhung der übertragenen Leistung. Für die Stromversorgung bedeutet dies: Durch die leistungsfähigeren Freileitungen erhöht sich die Kapazität des Stromnetzes.

Wärme aus der Tiefe: Geothermie

Geothermie oder auch Erdwärme, ist die unterhalb der festen Oberfläche der Erde vorhandene Wärmeenergie – je tiefer man in die Erde vordringt, desto wärmer wird es. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren und Einsatzmöglichkeiten, um die natürlich vorhandene Erdwärme zu nutzen.

Für die Nutzung zur Stromerzeugung werden geothermische Kraftwerke errichtet. Hier wird heißes, unter Druck stehendes Wasser in Rohren aus tiefliegenden warmen Schichten, den Aquiferen, nach oben gepumpt. Typische Tiefen: 3.000 bis 5.000 Meter. Pro 100 Meter steigt die Temperatur um etwa drei Grad Celsius. An der Oberfläche gibt das Wasser seine Wärme an einen Wärmeträger ab, der dabei verdampft und eine Turbine samt Generator antreibt. Die Zusammensetzung der Gesteinsschichten und die hohen Temperaturen benötigen spezielle Werkstoffe bei den langen Rohr- und Pumpsystemen. Die Werkstoffe von VDM Metals sind hierfür wie gemacht, z.B. VDM® Alloy 625.

Stationäre Turbinen

Die technologischen Anforderungen an Hochleistungswerkstoffe für stationäre Turbinen sind vergleichbar mit denen eines Flugzeugtriebwerks. Auch hier werden die besonderen Eigenschaften von Nickellegierungen benötigt, um eine sichere Beherrschung des Prozesses und größtmögliche Effizienz der Aggregate zu gewährleisten. VDM® Alloy 617, VDM® Alloy 75 und VDM® Alloy C-263 werden für verschiedene Bauteile in stationären Gasturbinen eingesetzt. Hierunter fallen Brennkammern, Vorprodukte für Ringe, Dichtungskomponenten und Einbauteile, aber auch der Übergangsbereich von der Brennkammer in die Turbine.

Gas turbine rotor at workshop
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Rauchgasentschwefelung für Schiffe

Um den verschärften Vorschriften der IMO, der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation, zu entsprechen, sind saubere Abgase in der Schiffsflotte unerlässlich geworden. Anlagen zur Rauchgaswäsche sind eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Lösung, die die enthaltenen Schwefeloxide aus den Abgasen der Schiffe entfernen und so zur Reinhaltung von Luft und Umwelt beitragen.

Abwasseraufbereitung

Drahtgestricke aus Nickel-Kupfer- oder Nickel-Mangan-Legierungen dienen als Katalysatoren zur Abwasseraufbereitung und zur Entkeimung. Ihre Wirkung entfalten sie nach vom Kunden durchgeführten Oberflächenbehandlungen oder allein durch ihre Legierungszusammensetzung.

Kernenergie

Kernenergie wird häufig als Brückentechnologie betrachtet. Sicherheit und Zuverlässigkeit sind die obersten Prinzipien bei der Gewinnung von nuklearer Energie. Ob im Anlagenbau, bei der Wiederaufbereitung von Brennelementen oder im Bereich der Wartung und Instandhaltung – VDM Metals bietet passende Werkstoffkonzepte. VDM® Alloy 690, VDM NeutroShield® oder VDM FM 52i® sind Werkstoffe, die typischerweise im Kraftwerksbau und im Rahmen der Wiederaufbereitung eingesetzt werden. VDM Metals führt, entsprechend der jeweiligen Kundenanforderungen, für jedes einzelne Produkt umfangreiche Tests und Kontrollen durch, wodurch sowohl die Einhaltung der geforderten mechanischen Eigenschaften als auch die Einhaltung der geforderten Korrosionseigenschaften genauestens überprüft und sichergestellt werden können. Auf diese Weise trägt das Unternehmen zu einer sicheren und zuverlässigen Produktion von Kernenergie bei.

Kernenergie