Thermische Hochtemperaturtechnologien

Kurz und bündig

Das Erzeugen, Bereitstellen und Speichern von Energie geht häufig mit hohen Temperaturen einher. So müssen Materialien in Solarkraftwerken Temperaturen von bis zu 1000ºC standhalten, während Gasturbinen Temperaturen von über 1250ºC aushalten müssen. Zentrale Bauteile dieser Anlagen sind zusätzlich hohen Belastungen durch Korrosion und Erosion ausgesetzt.

Jülicher Expert:innen entwickeln fortschrittliche Beschichtungen und Strukturmaterialien mit außergewöhnlicher Beständigkeit, die auch unter extremen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Dazu gehören auch Stähle und andere Legierungen, Struktur- und Funktionskeramiken, auch als Schutzschichtsysteme, die mit innovativen Herstellungsverfahren wie additiver Fertigung und thermischem Spritzen gefertigt werden

Herausforderungen

Materialien, die hohen Temperaturen oder extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, stehen unter enormem Stress. Das führt zu thermischer Ermüdung und Verschleiß. In aggressiven Umgebungen, wie beispielsweise hohem Wasserdampfdruck bei der Verbrennung von Wasserstoff oder in Wärmeträgermedien wie geschmolzenem Salz, flüssigen Metallen oder Keramikpartikeln, treten Rissbildung, Korrosion und Erosion auf. Diese Faktoren schwächen das Material langfristig. Gesucht werden daher Werkstoffe, die all diesen Herausforderungen über längere Zeit standhalten.

Lösungen

Die Jülicher Forschungsgruppen betreiben Grundlagenforschung, um physikalische und chemische Prozesse auf mikroskopischer Ebene besser zu verstehen. Dabei kombinieren sie Computersimulationen mit analytischen Methoden, Automatisierung und maschinellem Lernen, um neue Modelle zu entwickeln und Materialien sowie Herstellungsverfahren zu optimieren. Sie untersuchen Mikrostrukturen, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien besser zu verstehen. Das hilft, Materialversagen vorherzusagen und zu minimieren.

Darüber hinaus entwickeln die Jülicher Wissenschaftler:innen keramische Verbundwerkstoffe, hochtemperaturbeständige Metalle und Legierungen sowie innovative Beschichtungstechnologien, die auch in der Industrie breite Anwendung finden.

Im Bereich der Gasturbinen konzentrieren sich die Jülicher Forschenden auf die Entwicklung von Werkstoffen und fortschrittlichen Beschichtungen, die besonderes temperaturbeständig sind und zyklischen Temperaturschwankungen sowie den damit verbundenen mechanischen Belastungen widerstehen. Das Jülich Thermal Spray Center (JTSC) bietet eine umfassende Palette an thermischen Spritzverfahren, die für zahlreiche industrielle Anwendungen genutzt werden, darunter Flugzeugtriebwerke, stationäre Gasturbinen, Brennstoffzellen und Solarkraftwerke.

Für die konzentrierende Solarenergie entwickeln und testen die Jülicher Expert:innen zentrale Komponenten, wie Receiver und Wärmetauscher. Im Bereich der thermischen Energiespeicherung arbeiten sie an Strukturmaterialien mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit und ergänzen diese Forschungsansätze durch eine thermochemische Datenbank für Hochtemperatur-Wärmefluide.