Klimawandel, Kriege, Rohstoffknappheit, Unsicherheit politischer Entscheidungen, Handelsspannungen ��� Die Liste globaler Herausforderungen, vor denen die Menschheit derzeit steht, ist lang. Sie alle hinterlassen Spuren in Industrie, Wirtschaft und auch der Forschung. ���Forschung und die Entwicklung innovativer neuer Produktionsprozesse wird stark durch die Krisen getrieben���, sagt Dr.-Ing. Nicole Vorhauer-Huget vom Institut f��r Verfahrenstechnik an der Otto-von-Guericke-Universit��t Magdeburg. ���Nicht nur Ressourcen-Knappheit, sondern auch Anforderungen die durch den Klimawandel bedingt sind, stellen gro��e Herausforderungen f��r viele Industriebranchen dar. Was kann die Industrie tun, um noch st��rker auf die Klimaziele einzuzahlen? Wie kann die Forschung dabei unterst��tzen? Ein Ansto�� f��r uns, in neue Richtungen zu denken, Techniken und Prozesse genauer zu betrachten, die den Energiewandel ernsthaft vorantreiben k��nnen.���

Dr.-Ing.Nicole Vorhauer-Huget (Foto: Jana D��nnhaupt/ Uni Magdeburg)

Die Aufmerksamkeit von Dr.-Ing. Vorhauer-Huget und ihrer Forschungsgruppe richtet sich darauf,

• energieintensive Produktionsprozesse effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten,
• den enormen Verbrauch fossiler Brennstoffe sowie
• den damit verbundenen CO₂-Aussto�� signifikant zu reduzieren.

���Im Fokus steht Energieeinsparung und wie zunehmend fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen zu ersetzen sind. Daf��r nehmen wir Prozesse unter die Lupe und suchen nach M��glichkeiten, sie zu intensivieren, also mehr Produkte mit weniger Energieeinsatz pro Zeiteinheit herzustellen.���

Gemeinsam mit Dr. Jan Barowski von der Ruhr-Universit��t Bochum und Prof. Dr.-Ing. Alba Di��guez Alonso von der TU Dortmund wollen sie als umweltschonende Alternative Mikrowellen f��r energieintensive Stoffumwandlungsprozesse nutzen. Mikrowellen kennen wir aus der heimischen K��che und wissen, dass die Erw��rmung damit viel schneller geht als mit konventionellen Methoden. Mit Mikrowellen wird auch in industriellen Prozessen die f��r die Stoffumwandlung notwendige W��rmeenergie direkt im Produkt als sogenannte volumetrische Erw��rmung erzeugt. Das geht viel schneller als indirekte Erw��rmung, z.B. mit hei��em Gas, und spart daher Zeit und somit vor allem Energie. Zudem k��nnen die in einem komplexen Prozess gegenseitig ��berlagerten und sich beeinflussenden Abl��ufe besser kontrolliert werden, da der Energieeintrag besser gesteuert werden kann. Und die CO₂-Bilanz der daf��r ben��tigten W��rmeenergie geht gegen Null, wenn aus Wind, Wasser oder Sonne erzeugter Strom bei der Mikrowellenerw��rmung zum Einsatz kommt.

Das Projekt zur Mikrowellentechnologie ist ein Teilvorhaben des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bereits in der zweiten F��rderperiode mit knapp 12 Millionen Euro unterst��tzten Sonderforschungsbereichs / Transregio 287 ���BULK REACTION���. In ihm arbeiten rund 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Bereiche der Unis Magdeburg, Bochum, Kiel und Dortmund. In diesem Verbund untersuchen Dr. Vorhauer-Huget und Kollegen, wie die Mikrowellenerw��rmung f��r Prozesse bis 1.000 �� C Energie-effizient anwendbar und steuerbar gemacht werden kann. Ausgangspunkt der Forschung war einst die Frage nach alternativen Verfahren f��r die Trocknung thermisch dicker Materialien, z.B. von Ziegeln, welche durch die Industrie angeregt worden war. Gegenw��rtig wird in einem Kooperationsprojekt zur industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) mit der Materialforschungs- und -pr��fanstalt an der Bauhaus-Universit��t Weimar an dieser Fragestellung ebenfalls weiter geforscht. Doch auch in anderen Industriebereichen ist das Interesse gro��: ���In der Lebensmittelindustrie ist die Mikrowellentechnologie bereits stark etabliert, zum Beispiel als Mikrowellengefriertrocknung. Wir kooperieren momentan mit der TU M��nchen um ein besseres Prozessverst��ndnis auf Basis fundierter wissenschaftlicher Erkenntnisse zu generieren���, erl��utert Dr. Nicole Vorhauer-Huget. ���Ansonsten findet sie auch Anwendung z.B. bei der Holztrocknung, der Herstellung von Sch��umen, Gussformen oder Katalysatoren.��� Dabei gehe es nicht nur um die Elektrifizierung selbst, sondern auch um die Realisierung bzw. bessere Steuerung von Prozessen. Mikrowellengefriertrocknung findet beispielsweise im Vakuum statt. Da k��nne man nicht einfach mit hei��er Luft erw��rmen, ���mithilfe von Mikrowellen jedoch W��rme viel homogener und energieeffizienter in das Produkt eintragen, wenn der Prozess sinnvoll kontrolliert wird���. Das Know-how hierf��r wird in der Forschungsgruppe der Ingenieurin derzeit auf Basis neuer Computermodelle weiterentwickelt. Und auch f��r geometrisch aufw��ndige Produkte mit Verfalzungen, wie beispielsweise bei diversen Keramikprodukten oder Gussformen, eignen sich Mikrowellen besser, um die W��rme f��r ein gleichm����iges Trocknen der Produkte einzubringen. Fazit: Die Anwendungsbereiche sind so vielf��ltig wie die damit verbundenen Prozessanforderungen und wissenschaftlichen Fragestellungen. Aufgrund der begrenzten M��glichkeiten in solchen Prozessen Temperaturen oder Stoffumwandlungen zu messen, ist daher die Entwicklung modellgest��tzter Methoden von gro��er Bedeutung.

Die Verfahrenstechnikerinnen Dr. Nicole Vorhauer-Huget (li.) von der Uni Magdeburg und Prof. Dr.-Ing. Alba Dieguez Alonso von der TU Dortmund bei Versuchsvorbereitungen ��am Mikrowellenreaktor. (Foto: Jana D��nnhaupt Uni Magdeburg)

Um solche Modelle zuverl��ssig mit echten Daten zu f��ttern, m��ssen die Eigenschaften der verwendeten Materialien in Abh��ngigkeit der Prozessbedingungen bestimmt werden. Sie sind h��ufig abh��ngig von der Zusammensetzung und der Temperatur, welche sich beide w��hrend des Prozesses dramatisch ��ndern k��nnen. Nur wenn das gelingt, k��nnen mit Computermodellen

• Reaktionswege,
• sich dynamisch ��ndernde Produkteigenschaften und
• die Rolle des Energieeintrags

untersucht werden.

Welche Prozessbedingungen sind notwendig, damit die gew��nschten Reaktionen m��glichst effizient ablaufen? Wie interagieren Mikrowellen mit den Materialien, die sich bei hohen Temperaturen durch chemische Reaktionen oder durch Trocknung, Bewegung, Schrumpfung und ��hnliches im Prozess st��ndig ��ndern? Das sei noch nicht verstanden, vor allem weil es experimentell nicht messbar ist, sagt die Wissenschaftlerin. Darum entwickeln die Forscherinnen und Forscher zus��tzlich zu experimentellen Methoden Computermodelle.

In eigens daf��r angefertigten Reaktoren untersucht das Magdeburger Team mit Kooperationspartnern unter kontrollierten Laborbedingungen chemische Prozesse. Ein Beispiel: Die Pyrolyse von Biomasse zur Herstellung von Pyrolyse��len, -gasen und kohlenstoffbasierten Feststoffen. In diesem komplexen Prozess ist die Umwandlung von W��rme und Stoff besonders stark miteinander verflochten. Eine echte Herausforderung f��r die Modellentwicklung, Parametrierung und Validierung. Deshalb ist die Kooperation innerhalb des Sonderforschungsbereichs ���BULK REACTION��� so extrem wichtig, weil hierf��r viele verschiedene Expertisen zusammenkommen m��ssen. Auf Basis der Zusammenarbeit der verschiedenen Fachbereiche, u.a. Verfahrenstechnik, Physik, Informatik, wird es zuk��nftig m��glich sein, bisher nicht messbare, sehr dynamische Prozessabl��ufe auf verschiedensten Gr����enskalen aufzul��sen und vorherzusagen. ���Es k��nnten also k��nftig auf Grundlage unserer Forschung bald bessere Verfahren zur Gewinnung nachhaltiger Produkte bereitstehen. Wir wissen, wie Prozesse funktionieren. Darum k��nnen wir sie auch transformieren und verbessern.���