SCHOTT solutions Nr. 1/2015 > Energietechnologien

Multitalent Glas
Diese BOROFLOAT® Scheibe hält über 60.000 Volt Hochspannung stand. SCHOTT entwickelt verschiedenste Spezialgläser für Wandlung, Transport, Speicherung und Nutzung von Energie. Foto: SCHOTT/A. Sell

Multitalent Glas


In der Energietechnik ist der Werkstoff Glas meist nicht direkt sichtbar, aber unverzichtbar. Für die Energielandschaft von morgen bietet das Material ein immenses Potenzial. Glasexperten von SCHOTT arbeiten bereits heute an „elektrisierenden” Lösungen.


Thomas H. Loewe

Windräder rotieren und Solarmodule fangen Sonnenstrahlen auf: Vielerorts sind die Auswirkungen der Energiewende sichtbar. Weniger offensichtlich ist, dass eine dezentrale Stromversorgung mit erneuerbaren Energien Innovationen auf vielen Ebenen erfordert. „Wird Strom erzeugt, transportiert, gespeichert oder genutzt, verblüfft der Werkstoff Glas mit ungeahnten Eigenschaften”, macht SCHOTT Research Fellow Dr. Roland Langfeld neugierig.

Damit der Strom aus der Steckdose fließt, muss Energie in elektrischer Form nutzbar gemacht werden. Diese lässt sich mithilfe stationärer Hochtemperatur-Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) (s. solutions 1/14) deutlich umweltschonender erzeugen als durch fossile Energieträger. Die Brennstoffzelle nutzt Wasserstoff, Erdgas oder Methan sowie Sauerstoff und wandelt sie in Strom und Wasser um. Die Stromerzeugung läuft bei Temperaturen zwischen 600 und 1.000 Grad Celsius effizient ab. „Dies erfordert speziell angepasste Materialien, wie beispielsweise Glas”, verrät Claire Buckwar, Director Strategic Marketing and Innovation bei SCHOTT in Landshut. „Beim Zusammenfügen des oxidkeramischen Elektrolyten mit dem Metall des Zellgehäuses mittels Glaslot geht das Glas eine dauer­hafte hermetische Verbindung ein. Diese stellt sicher, dass kein un­kontrollierter Gasaustausch stattfindet, und ermöglicht ein ­langes Leben der Brennstoffzellen.” In Reihe geschaltet zu Stacks, überzeugt die Technologie mit hoher Leistung: Ein Gesamtwirkungs­grad von bis zu 95 Prozent macht sie zum effizientesten Brennstoffzellentyp und potenziellen Eckpfeiler der dezentralen Energieproduktion. Mit Methan aus Biogas betrieben, lässt sie sich nahtlos an bestehende erneuerbare Energie-Netzwerke ankoppeln.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Hochtemperatur-Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in Energie und Wasser um (links). Hochbeständige Einschmelzgläser (rechts) übernehmen dabei wichtige Dichtungs- und Isolierfunktionen. Quelle links: SCHOTT/A. Schneiderwind, Foto rechts: SCHOTT/H.-J. Schulz

HGÜ: Per Glasfaser Stromfluss an- und ausschalten


Ebenso wichtig wie die Produktion von Energie ist ihr Transport. Ein weitverzweigtes Leitungsnetz sorgt dafür, dass Energie verteilt wird. Jedoch erzeugen beispielsweise die Offshore-Windparks zunächst nur Drehstrom, der in Umrichterstationen in Gleichstrom umgewandelt wird. Bei der Hochspannungs-Gleichstromüber­tragung (HGÜ) treten Spannungen von bis zu 800.000 Volt auf. „Die Schalter, die den Stromfluss ein- und ausschalten, liegen auf hohem Potenzial und können aus Isolationsgründen nicht elektrisch, zum Beispiel mit Kupferkabeln, betätigt werden”, erläutert Senior Product Manager Industrial Dr. Werner Sklarek die Problematik. „Geschaltet wird deshalb zuverlässig mit Lichtpulsen – über spannungsfeste Glasfaserkabel.”
Glasfaserkabel
Bei der Hochspannungs-Gleichstromübertragung in Umrichterstationen (rechts) werden Glasfaserkabel (links) eingesetzt, um Strom bei Spannungsunterschieden von bis zu 800.000 Volt zuverlässig an- und auszuschalten. Foto links: SCHOTT/ C. Costard, Foto rechts: SIEMENS

Mehr Power in der Hochspannungstechnik


Universell einsetzbar in der Energielandschaft sind Konden­satoren. Die Kurzzeit-Energiespeicher finden überall in der Elektrotechnik Anwendung: von Hochspannungsbauteilen in Versorgungs­netzen über die Medizintechnik bis zur Unterhaltungselektronik. Ihre Speicherfähigkeit hängt nicht nur von der Bauform ab, entscheidend ist auch das Isolationsmaterial, in der Fachsprache „­Dielektrikum”. Speziell für Hochspannungs-Kondensatoren hat SCHOTT mit POWERAMIC® einen neuen dielektrischen Werkstoff entwickelt. Dr. Matthias Müller, Director Glass Ceramics for Electrical Applications: „Vorteile des glaskeramischen Materials sind seine hohe Homogenität und Porenfreiheit, was eine vielfach erhöhte Energiespeicherdichte, etwa um den Faktor 10, gegenüber heute verwendeten Werkstoffen ermöglicht.” Zudem ist es unempfindlich gegen hohe Temperaturen, die schnell zur thermischen Überlastung von Bauteilen führen können; eine zusätzliche Kühlung kann dadurch überflüssig werden. „Kondensatoren mit ­POWERAMIC® sind klein und leicht, sparen Platz und Gewicht”, so Dr. Müller. Das macht POWERAMIC® potenziell auch attraktiv für mobile Anwendungen – beispielsweise im elektrischen Schienenverkehr und in Elektroautos. Anwendungen für derartige Hochspannungs-Kondensatoren können direkt an der Energiequelle liegen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, wo sie in elektrischen Baugruppen helfen, den erzeugten Strom direkt ins Netz einzuspeisen. Durch ihre hohe Speicherkapazität und extreme Robustheit können sie als Messwandler maßgeblich zur Stabilität moderner Stromnetze der heutigen und nächsten Generation beitragen.
Hochspannungstechnik: SCHOTT POWERAMIC®
Ebenfalls für die Hochspannungstechnik hat SCHOTT POWERAMIC® entwickelt. Das neuartige glaskeramische Material (rechts) dient als dielektrischer Werkstoff und macht Kondensatoren leistungsfähiger. Foto links: Thinkstock, Foto rechts: SCHOTT/ T. Lohnes

Plus an Sicherheit für die Elektromobilität


Die Mobilität der Zukunft setzt eine effiziente Energiespeicherung und -nutzung voraus und profitiert von Hochleistungswerkstoffen: In Elektroautos dienen chemisch hochstabile Spezialgläser zur zuverlässigen Abdichtung von Lithium-Ionen-Batterien und sichern ihren dauerhaften Betrieb. Bei einem Leck drohen Kurzschluss und Freisetzung von Chemikalien, die zum Brand oder zur Explosion führen können. Um das zu vermeiden, werden moderne Lithium-Ionen-Batterien in einem Aluminium-Gehäuse eingeschlossen. Eine Schwachstelle der Konstruktion: das Dichtungsmaterial der Batteriedeckel, an denen der elektrische Kontakt zwischen dem Batterie-Inneren und der Außenwelt stattfindet. Häufig verwendete Kunststoff-Isolatoren sind empfindlich gegenüber chemischer Korrosion und starken Temperaturschwankungen. Daher wurden von SCHOTT unter der Marke SCHOTT GTAS® spezielle Batteriedurchführungen sowie komplette Deckelsysteme entwickelt. Ergebnis: ein Zelldesign mit dauerhafter Dichtigkeit.
Interview: Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen

„Glas ist ein Hidden Champion”

Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen, Technische Universität Darmstadt, über Glas in der Hochspannungstechnik

Zukunftsthema Elektromobilität
Zukunftsthema Elektromobilität: Glasversiegelte Durchführungen steigern Lebens­dauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus (links). SCHOTT entwickelte auch ionenleitende Glaskeramiken für neuartige Lithium-Luft-Batterien – unten: Testzellen in der Klimakammer – zur Erhöhung der Reichweite von Elektro­autos. Foto links: SCHOTT, Foto rechts: Thinkstock, Foto unten: SCHOTT/ C. Costard


Batterie der Zukunft für größere Reichweiten


Um die Elektromobilität weiter voranzutreiben, arbeitet der Technologiekonzern entlang der gesamten Batterie-Roadmap. Eine Glas­innovation optimiert die Zuverlässigkeit von Hochleistungs-­Lithium-­Ionen-Akkus: Weil es herkömmliche Polymerfolienseparatoren beständiger macht, ermöglicht sogenanntes S-Glas als Glaspulver in Form einer Beschichtung des Separators oder als Zusatz zum Elektrolyten schon heute in Flüssigelektrolytbatterien eine längere Lebensdauer, höhere Temperaturbeständigkeit und mehr Sicherheit. SCHOTT ist zudem Partner bei Projekten zur Entwicklung leistungsfähigerer „Next Generation”- Batterietechnologien. Gemeinsam mit Branchengrößen arbeitet das Unternehmen an sogenannten Lithium-Luft-Batterien (s. solutions 2/2012). „Entscheidend für höhere Energiedichten und mehr Energie pro Gewichtseinheit ist das Material, das sich zwischen den Elektroden befindet und als Festkörperionenleiter den bisherigen Flüssig-­Elektrolyten ersetzt”, meint SCHOTT Batterieexperte Dr. Wolfgang Schmidbauer. Neben einer guten Ionenleitfähigkeit muss dieser absolut dicht gegenüber Sauerstoff und Wasser aus der Umgebungsluft sein. Dr. Schmidbauer: „SCHOTT entwickelte hierfür eine inno­vative, ionenleitende Glaskeramik mit hoher Leitfähigkeit für Lithium-­Ionen und herausragender elektrochemischer Beständigkeit.” Das Potenzial der Lithium-Luft-Batterien ist enorm: In kommerzieller Form versprechen sie drei- bis fünfmal höhere Speicher­kapazitäten von rund 1.000 Wattstunden pro Kilogramm – und damit auch deutlich größere Reichweiten für Elektro­autos.

Glas ist schon heute ein Mitgestalter der Energiewende (s. auch Grafik Kurzgeschichten/Focus). „Auch für die Zukunft bringt das Multitalent Glas die nötige Flexibilität und Leistungsfähigkeit mit”, verspricht Research Fellow Dr. Langfeld. Und SCHOTT Experten entwickeln bereits neue Ideen für gläserne Innovationen, die elektrisieren. <