Ziel der Kernfusionsforschung ist es, die Energieproduktion der Sonne auf der Erde nachzuvollziehen: Ein Fusionskraftwerk soll Energie aus der Verschmelzung (Fusion) von Atomkernen gewinnen. Brennstoff ist ein duennes ionisiertes Gas, ein sogenanntes 'Plasma' aus den Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium. Zum Zuenden des Fusionsfeuers muss das Plasma in Magnetfeldern eingeschlossen und auf hohe Temperaturen ueber 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. In Fusionsexperimenten vom Typ 'Stellarator' wird das Plasma durch Magnetfelder eingeschlossen, die durch Magnetspulen ausserhalb des Plasmabereichs erzeugt werden. Weltweit sind die meisten der heute betriebenen Fusionsexperimente dagegen vom Typ 'Tokamak', die einen Teil des Feldes durch einen starken, im Plasma fliessenden elektrischen Strom herstellen. Das Stellaratorprinzip laesst jedoch gerade dort Staerken erwarten, wo die Tokamaks Schwaechen zeigen. Zum Beispiel sind Stellaratoren fuer Dauerbetrieb geeignet, waehrend Tokamaks ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen nur pulsweise arbeiten. Stellaratoren koennten also die vorteilhaftere Loesung fuer ein Fusionskraftwerk sein. Kernstueck des Experimentes ist das Spulensystem aus 50 nicht-ebenen und supraleitenden Magnetspulen. Mit ihrer Hilfe soll WENDELSTEIN 7-X die wesentliche Stellaratoreigenschaft zeigen, den Dauerbetrieb. Der erzeugte Magnetfeldkaefig soll ein Plasma einschliessen, das mit Temperaturen bis 50 Millionen Grad ueberzeugende Schluesse auf die Kraftwerkseigenschaften der Stellaratoren ermoeglicht, ohne ein bereits energielieferndes Fusionsplasma herzustellen. Da sich die Eigenschaften eines gezuendeten Plasmas vom Tokamak zum grossen Teil auf Stellaratoren uebertragen lassen, kann das Experiment mit grosser Kostenersparnis auf den Einsatz des radioaktiven Fusionsbrennstoffes Tritium verzichten.
Die Senkung der Treibhausgasemissionen und Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Deckung des steigenden Energiebedarfs sind von nationaler und internationaler Relevanz. Wegen seiner Eigenschaften wird grüner Wasserstoff (H2) als Energieträger dabei immer gefragter (hoher Brennwert, keine Treibhausgasemissionen). Um Wasserstoff zeitnah als nachhaltige Energiequelle mit vertretbaren Kosten zu verankern, sind innovative Konzepte gefragt. Wasserstoffträger, wie Ammoniak (NH3), bieten hierfür ein erhebliches Potenzial. Ammoniak weist neben einer hohen Wasserstoff-dichte (18 % Wasserstoffmasseanteil) auch eine höhere volumetrische Energiedichte als H2 auf, ist schwer entflammbar und kann über etablierte Infrastrukturen bereits jetzt unproblematisch transportiert und gespeichert werden. Der Transport ist verflüssigt bei -33 °C oder 8 bar im Vergleich zu H2 einfacher und sicherer sowie über weite Strecken kostengünstiger (Transport per Schiff: flüssiges NH3: 1,09 $/GJ, flüssiges H2: 3,24 $/GJ, Berechnungsgrundlage Distanz: 12.000 km). Die Rückwandlung von NH3 zu H2 im Energiesektor ist noch nicht großtechnisch etabliert und erfolgt bisweilen über ein thermisch-katalytisches Verfahren zur NH3-Spaltung (Cracking) v. a. im Bereich der Schutzgaserzeugung. Erste großtechnische Umsetzungen im Energiebereich wurden erst kürzlich von namhaften Firmen (Thyssenkrupp, Air Liquide) angekündigt. Nachteil der Cracking-Verfahren ist der noch hohe Energiebedarf (Wärme) und der Bedarf teurer Katalysatoren. Im skizzierten Projekt 'HydrAPlas' wird daher ein innovatives System auf Basis der einfach skalierbaren und bereits massenfertigungstauglichen Mehrlagenkeramik-technologie zur NH3-Spaltung durch kaltes Plasma entwickelt. Das keramische Plasmasystem soll, im Vergleich zum benannten Cracking-Verfahren, eine energie-effizientere, nachhaltige Technologie zur NH3-Spaltung darstellen.
Die Senkung der Treibhausgasemissionen und Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Deckung des steigenden Energiebedarfs sind von nationaler und internationaler Relevanz. Wegen seiner Eigenschaften wird grüner Wasserstoff (H2) als Energieträger dabei immer gefragter (hoher Brennwert, keine Treibhausgasemissionen). Um Wasserstoff zeitnah als nachhaltige Energiequelle mit vertretbaren Kosten zu verankern, sind innovative Konzepte gefragt. Wasserstoff-träger, wie Ammoniak (NH3), bieten hierfür ein erhebliches Potenzial. Im skizzierten Projekt 'HydrAPlas' wird daher ein innovatives System auf Basis der einfach skalierbaren und bereits massenfertigungstauglichen Mehrlagenkeramiktechnologie zur NH3-Spaltung durch kaltes Plasma entwickelt. Das keramische Plasmasystem soll, im Vergleich zu bekannten Cracking-Verfahren, eine energieeffizientere, nachhaltige Technologie zur NH3-Spaltung darstellen. Die VIA electronic GmbH (VIA) ist in der Entwicklung und Fertigung von keramikbasierten Mehrlagenschaltungen sowie im Keramik-Packaging tätig. Im Projekt HydAPlas wird VIA die Herstellung des Plasmareaktors gemeinsam mit den Partnern entwickeln. Dabei wird VIA insbesondere bei dem Schwerpunkt Plasmasystem mit der Entwicklung keramischer Zellen für die Plasmageneration mitwirken und verfolgt folgende konkrete wissenschaftliche und technische Teilvorhabensziele: - Qualifikation und Evaluation der für das Vorhaben geeigneter LTCC-Materialsysteme (z. B. kommerziell verfügbare Materialien wie Micromax 951 oder 9k7, beides von Celanese, oder Materialien anderer Hersteller), - Erweiterung der Expertise zur Fertigung strukturierter LTCC, Optimierung der LTCC-Strukturierung für die Herstellung einer Plasmazelle (Größenordnung der Kanäle von Mikrometern bis hin zu Millimetern), hierbei stellt das Fügen von LTCC mit Kavitäten und Kanälen eine besondere technische Herausforderung dar.
Gesamtziel des Vorhabens Verbesserung der Transportfähigkeit von Wasserstoff durch kostengünstige und energieeffiziente Rückwandlung von Ammoniak als Wasserstoffträger am Verwendungsort. GBS Elektronik wird insbes. zur Erreichung der Gesamt-Projektziele des Schwerpunkts Plasmasystem beitragen. Dabei wird GBS bei der Auslegung der keramischen Plasmazelle bzgl. der kapazitiven Anpassung an eine HV-Anlage mitwirken sowie die gesamte HV-Anlage zur Erzeugung einer stabilen dielektrischen Barriereentladung in einem keramischen Plasmasystem inkl. aller nötigen Schnittstellen auslegen, designen und fertigen. Für den sicheren Betrieb des Plasmasystems unterstützt GBS weiterhin bei der Ermittlung und Festlegung von Betriebsparametern der HV-Anlage sowie bei der Bewertung des Systems.
Im Rahmen dieses Projekts wird eine spektroskopische In-situ-Plasmamonitoring-Technologie für die Ammoniakzerlegung entwickelt, um Möglichkeiten der Prozessoptimierung und Prozessüberwachung zu erarbeiten.