Empfehlungen der Chemiegesellschaften für neue Ausschreibungsinhalte zur Förderung der Material- und Werkstofforschung

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Empfehlungen der Chemiegesellschaften für neue Ausschreibungsinhalte

zur Förderung der Material- und Werkstofforschung

Motivation

Es ist erklärtes Ziel der Chemiegesellschaften, über Verbundforschungsvorhaben die Koope- rationen zur Material- und Werkstofforschung in den stark interdisziplinären Materialwissen- schaften zu fördern und damit das notwendige hohe Maß an Vernetzung und Kooperation zwischen den Akteuren aus den unterschiedlichen Bereichen der Wirtschaft und der Wissen- schaft zu schaffen. Hierfür ist eine langfristige strategische Unterstützung durch die öffentliche Hand über eine adäquate Förderung von adäquaten Themen zur Material- und Werkstoffor- schung notwendig. Dies gilt für dieses Technologiefeld insbesondere, da FuE-Investitionen in der Materialentwicklung wegen der großen Hebelwirkung am Anfang der Innovationskette über die Chemie besonders effektiv für innovative Durchbrüche („technology push“) sind.¹

Die in den Gremien der Chemieorganisationen DECHEMA, GDCh und VCI beteiligten Materi- alforschungsexperten aus Unternehmen und der Wissenschaft haben Themen, beispielhaft nach Anwendungsfeldern, orientiert an der Themengliederung des Materialforschungspro- gramms „Vom Material zur Innovation“ des BMBF, identifiziert und bieten nunmehr an, Inhalte für das „lernende Materialforschungsprogramm“ im Sinne einer weiteren Priorisierung und Konkretisierung der hier aufgeführten Themen aber auch in allen anderen Programmen und Ausschreibungen der Bundesressorts vertieft zu diskutieren. Dies betrifft auch möglichen Input zur Vorbereitung von Ausschreibungen im Rahmen der Materialforschungs-Förderprogramme des BMWi, nicht zuletzt zum Technologie-Transferprogramm Leichtbau (TTLB), womit die Chemiegesellschaften ihren Beitrag zum Ausbau und die Förderung des Leichtbaus mit dem Ziel einer breiten industriellen Anwendung und einen branchen- und materialübergreifenden Technologie- und Wissenstransfer leisten wollen. Darüber hinaus sollen Impulse in die Werk- stoff-Plattformen unter anderem unter der BMBF-Dachstrategie „Materialforschung“ gegeben werden. Im Einzelnen müssen die hier aufgeführten Themen und Empfehlungen an die Pro- gramme spezifisch angepasst werden, insbesondere hinsichtlich Aufgabenstellung, Struktur des Programms, TRL und Budgetanforderungen.

1. Prozess der Ideengenerierung

Die Chemieorganisationen haben Fachworkshops veranstaltet zwischen der Chemieindustrie und deren Partnern in der industriellen Wertschöpfungskette und ihren Kooperationspartnern in Hochschulen und Forschungsinstituten sowie Multiplikatoren in Forschungsorganisationen und Verbänden, zuständigen Projektträgern und Ministerien.

Dabei wurden die Themen zur Materialforschung gegliedert in die Themenfelder:

1 Durch Materialinnovationen Deutschland stärken – Empfehlungen für die zukünftige Gestaltung von Förderprogrammen und Ausschreibungen der Forschungsförderung der Bundesregierung,

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Innovative Materialien für die Energieversorgung (Anwendungsfelder des BMBF-Ma- terialforschungsprogramms „Werkstoffe der Energietechnik“, „Mobilität und Transport“) Innovative Materialien für eine effiziente Rohstoffnutzung (Anwendungsfeld des BMBF- Materialforschungsprogramms „Nachhaltiger Umgang mit Rohstoffen und Materialien“

sowie „Werkstoffe für zukünftige Bausysteme“)

Die Workshops wurden inhaltlich so gestaltet werden, dass folgende Querschnittsthemen be- rücksichtigt werden:

Circular Economy

Impact der Digitalisierung auf die Chemie- und Materialforschung

Product by Process (Einfluss des Produktionsprozesses auf das Produkt)

In Vorträgen und Diskussionen wurden Themencluster, die aus dem Kreis der Produk- tionstechnologien von den Chemieunternehmen hervorgegangen sind, als mögliche inhaltliche Schwerpunkte künftiger Ausschreibungen zur Materialforschung umrissen und zur Unterstützung der Forschungsförderer aufgearbeitet.

Die Darstellung erfolgt entlang der technologischen Zielsetzungen für die Phasen - kurzfristig bis 5 Jahre,

- mittelfristig bis 10 Jahre und - langfristig > 10 Jahre

mit Empfehlungen zur Ausgestaltung der Fördermaßnahmen. Diese stellen einen Stakehol- der-Approach dar mit einem deutlichen Commitment der Unternehmen der deutschen Che- mieindustrie für Forschung und Entwicklung in den aufgeführten Themenbereichen.

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2. Themen

I. Neue innovative Materialien für die Energiespeicherung

Neue innovative Materialien für die Energiespeicherung werden mit dem Fokus auf folgende Themen gegliedert:

- Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen Batterien (LIB) mit einem Prozessfokus - Anodenaktivmaterial für Lithiumionen Batterien (LIB) mit einem Strukturfokus - Elektrolyt für Lithiumionen Batterien (LIB) mit einem Materialfokus sowie - zukünftige Speichertechnologien.

Wichtige Querschnittsthemen sind dabei die Digitalisierung für Hochdurchsatzexperimente und die Circular Economy für geeignete Materia- lien aus dem Recycling. Weitere Querschnittsthemen stellen die datenbasierte Materialentwicklung mit standardisierten Testverfahren dar, deren Daten für einzelne Projektnehmer zugänglich sind sowie neue Möglichkeiten der Simulation und der Material-Modellierung.

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Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themenfeld Themeneinordnung

und Charakterisierung Zielsetzungen Innovationsbedarf Anwendungsfelder u. ge- samtgesellschaftlicher Nut- zen

Perspektive (kurz-/mittel- /langfristig) und besondere Förderbedingungen

Kathodenaktivmaterial für Lithiumionen-Batterien

Weitere Verbesserung von Kathodenmateria- lien, getrieben durch die Anforderungen der Au- tomobilindustrie (Ver- besserung der Leis- tungsdichte, Sicherheit und Kosten von Batte- riekonzepten).

NCM mit weiter erhöhten Ni- Anteilen von > 80% und redu- ziertem Co-anteil.

Oberflächenmodifiziertes NCM für optimierte Lebens- dauer und Eigenschaften.

Co-freie Kathodenmaterialien

Übergeordnetes Kernthema auf dem Gebiet Ni-reicher Kathoden- materialien ist die Prozesssiche- rung für die Oberflächenmodifi- zierungen des Kathodenmateria- lien durch z.B. skalierbare Gas- phasenprozesse, die Reduzie- rung von Prozessschritten zur Kostensenkung und auch As- pekte der Weiterverarbeitung der Kathodenmaterialien zu Elektrodenbändern.

Langfristig Co-freie Systeme:

dazu neben der Zyklenstabilität u. Energiedichte auch erhöhte Si- cherheit; Herausforderung ist auch die Strukturstabilität des Materials bei hohem Ladungszu- stand für max. Batteriekapazität.

.

Post 2030 sind Li u. Ni kosten- treibende Faktoren: Definition auch visionärer Projekte für Alternativen zu Li und Ni. Ne- ben Grundlagen der Material- entwicklung auch innovative Prozesse zur nachhaltigen.

Materialherstellung: Schwer- punkt Prozessinnovationen in der Produktion auch mit Blick auf Rohstoffeinsatz, Energie- einsatz und CO2-Bilanz der Prozesse (ökologischer Nut- zen gegenüber asiatischem Wettbewerb als Differenzie- rung der europäischen Indust- rie)

Kurz- (Ni-reiches NCM) bzw. mittelfristig (Co-freie Materialien)

Da technologische Gren- zen erreicht werden, benö- tigt eine erfolgreiche Ent- wicklung die Unterstüt- zung mittels Methoden zur Modellierung der Materi- alfunktion in Verbundpro- jekten.

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Kategorie/

Anodenaktivmaterial für Lithiumionen Batterien (LIB)

Materialgestaltung zur Realisierung von Kom- posit-Elektroden. Wich- tige Stichworte sind hier die Mikrostrukturie- rung, nanostrukturierte Hybridmaterialien, die Erzeugung einer künstli- chen Elektrodenschutz- schicht (Solid Electro- lyte Interface/ SEI) und deren Analytik sowie eine Erhöhung der Zyk- lenzahl dieser neuartigen Materialien.

Siliziumhaltige Komposit- Elektroden müssen so einge- stellt werden, dass die Volu- menänderung weitestgehend unterdrückt wird, wobei das auf Systemebene im Zusam- menspiel mit Kathode und den Passivkomponenten der Zelle erfolgen kann. Der Sicherheits- aspekt von energiereichen Anodenmaterial bedarf ebenfalls der Betrachtung.

Neben den Komposit-Anoden ist auch der Einsatz einer Li-Metall- anode von hohem Interesse für hohe Energiedichten. Ein Grund- problem ist dabei vor allem die Ausbildung von Dendriten und die ebenfalls große Volumenän- derung bei der Zyklierung.

Auf dem Gebiet der Analytik ist eine Verbesserung der Untersu- chungsmöglichkeiten von Ober- flächen und Grenzflächen nötig, sowie die Möglichkeit Elektro- denprozesse während des in-situ Aufbaus und in-operando zu un- tersuchen. Zudem ist eine Stan- dardisierung der Testverfahren unbedingt erforderlich.

Kurz- bzw. mittelfristig Ersatz der derzeit eingesetzten Na- turgraphitelektroden in Lithi- umionenbatterien für auto- mobile Anwendungen und Speicheranwendungen

Verbundvorhaben, even- tuell mit Folgevorhaben Kurz-, mittelfristig

Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Perspektive (kurz-/ mittel- /langfristig) und besondere Förderbedingungen

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Elektrolyt und Separator für Lithiumionen Batterien

Funktionsfähigkeit und

Sicherheit der Batterie. Parasitäre Reaktionen an der Elektrodengrenzfläche insbesondere an Kathodenseite führen zum erhöhten Zellin- nenwiderstand, was die Funk- tionstüchtigkeit der Zellen nachhaltig schädigt. Mit Hin- blick auf die Entwicklung von Kathodenmaterialien mit hö- heren Abschaltspannungen, z.B. Manganreichen NCM und Hochvolt-Spinell

(LiNi0,5Mn1,5O2), ist die paral- lele Entwicklung von hoch- voltstabilen (> 4,5 V vs. Li/Li⁺) Elektrolyten unabdingbar.

Einsatz von schwerentflammba- ren Lösungsmitteln bis hin zu wässrigen Systemen zur Erhö- hung der Sicherheit.

Reduktion des Fluorgehaltes der LIB.

Die Recyclingfähigkeit sollte insbesondere schon im frühen Sta- dium der Elektrolytentwicklung betrachtet werden.

Kostengünstige, einfach zu beschaffende umweltverträg- lich herzustellende Materia- lien mit Recyclingmöglichkeit.

Reduzierung der Menge der passiven Elemente, ohne dabei die Leistungsfähigkeit der Batterie zu beeinträchtigen.

Dabei können auch funktiona- lisierte Separatoren den Überschuss an ungenutzten Elektrolyten reduzieren und gleichzeitig die Sicherheit der Batterie erhöhen.

Verbundvorhaben Kurz-, mittelfristig

Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Zukünftige Speicher- technologien

Neue Zellchemie mit verbesserter Perfor- mance insbesondere auch hinsichtlich Ener- giedichte, Funktions-

Entwicklung von Festelektro- lyte zum Betrieb in automobi- len Anwendungen im niedrigen T-Bereich < 0 °C und hoher

Ganzheitliche Betrachtung des Gesamtsystems muss bereits früh in der Materialentwicklung eingebunden werden. Auch die Recyclingfähigkeit der neuen

Langfristig gesehen Einsatz im KfZ bzw. Speicheranwendun- gen denkbar.

Reduzierung von Kosten und Erhöhung der Sicherheit.

Verbundvorhaben mit Universitäten wegen hohem Anteil an Grundla- genforschung

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fähigkeit, Kosten und Nachhaltigkeit für zu- künftige Entwicklungen vorbereiten, mit Fokus auf Feststoffbatterien mit neuen Festelektro- lyten mit hoher Leitfä- higkeit inklusive entsprechender effektiver Herstellungsprozesse.

Leitfähigkeit (>10 mS/cm) bei Raumtemperatur.

Höhere intrinsische elektrochemische Stabilität des Fest- elektrolyten und Stabilität ge- genüber Anode und Kathode.

Herstellungsprozesse, die möglichst wenig Veränderung in etablierten Produktionsab- läufen verursachen, insb. bzgl.

kostenintensiver Anlagen zur großindustriellen Produktion von Kathodenmaterialien.

Neuentwickelte Feststoff- elektrolyte sollten dabei im Lö- sungsmittel und mit anderen Elektrodenmaterialien im Komposit verarbeitbar sein.

Materialien ist zu berücksichti- gen. Zusätzliche Themen sind die effektive Aktivierung über Elekt- rolyte, Binder, Leitadditive etc. in Elektroden sowie Umweltver- träglichkeit bzw. Nachhaltigkeit.

Neue Zellchemien, wie z.B. Nat- rium, Aluminium, Magnesium und Calcium. Multivalente Zell- chemien versprechen höhere Energie- und Leistungsdichte, sind aber noch am Anfang der Grundlagenforschung. Kosten- struktur und Nachhaltigkeit sollten frühzeitig betrachtet werden.

Langfristig: neue Materia- len erforderlich

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II. Neue innovative Materialien für die Energiewandlung Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

PEM-Elektrolyse

PEM Elektrolyse, IrO2/Pt, Katalysatoren zur Produktion von Wasserstoff aus Erneu- erbaren Energien als CO2-freier, chemischer Speicher, Verfügbarkeit von Ir

Reduktion der Ir-Beladung auf unter 0,1 g pro kW (aktuell:

1g/kW)

- Neue Anodenkatalysatorstruk- turen für PEM-Elektrolyse - Stabilität der Katalysatoren, In- teraktion Katalysator – Träger- material

- Untersuchung von Material- kombinationen, Skalierung der Verfahren

PEM-Elektrolyse für H2-Wirt- schaft (mobile Anwendung in BZ und stationär als P2X), Schlüsseltechnologie zur Sek- torenkopplung elektrische Energie mit Transport und Chemieindustrie

Verbundvorhaben, eventu- ell mit Folgevorhaben Kurz-, mittelfristig

Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Elektroden u. Gasvertei- lerstrukturen f. PEM-BZ/PEM- Elektrolyse Elektroden und Gasver- teilerstrukturen: Brenn- stoffzelle & Elektrolyse:

Kostengünstige & ro- buste Herstellverfahren

Langzeitstabilität, Katalysator- konzept zur Nanostrukturie- rung, bifunktionales ORR/OER Konzept

Neue strukturierte Gasvertei- lerstrukturen für Elektroden:

Materialentwicklung (Ti, Legie- rungen), Morphologie (Composi- tes, großer Oberfläche, Dichte-

Elektrolyseure (alkalisch, PEM), Wasserstoffproduk- tion. PEM-Brennstoffzellen für Zero Emission Transport.

Aufbau von kritischem Know-

Verbundvorhaben, System- hersteller einbeziehen Kurz-, mittelfristig

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für Elektroden und Gas- verteilerstrukturen, Re- duzierung Total Cost of Ownership von Wasser- Elektrolyseuren, Sen- kung der Kosten von Komponenten und Ma- terialien

Gradient), Prozeßdesign für Massenproduktion mit niedrigen Kosten, Systemintegration &

standardisierte Testung der Le- bensdauer

How in Deutschland als Bei- trag zur globalen Energie- wende Serienfertigung von Kern-Komponenten

Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Leistungselektronik für Ener- giewandler

Materialien für die Leis- tungselektronik für An- wendungen im Bereich der Mobilität, Elektro- lyse, Batterie, PV und Systemintegration im Rahmen der Energie- wende allgemein.

Materialien für die Leistungs- elektronik (SiC, GaN), zum ver- lustarmen Wandeln, Isolato- ren, Keramiken

Materialentwicklung SiC, GaN, Herstellverfahren und Präkurso- ren

Anwendungen im Bereich der Mobilität, Elektrolyse, Batte- rie, PV und Systemintegra- tion im Rahmen der Energie- wende allgemein

Verbundvorhaben, mittel-, langfristig

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Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Photovoltaik mit höhe- rem Wirkungsgrad und weniger Ressourcenein- satz > Tandemsolarzel- len

Photovoltaik für höhere Energieeffizienz, bessere Flächennutzung durch hohe Wirkungs- grade; ressourcenscho- nend, da weniger Mate- rialeinsatz pro Fläche;

Integration von PV,

Entwicklung von Materiallö- sungen z.B. – III/-V Halbleiter, Perov-skite, OPV

Neue Materialzusammensetzun- gen um z.B. Design spezifischer Eigenschaften (Bandlücke...) zu steuern; Ausgangsmaterialien zur Verfügung stellen (aufgerei- nigte Metallorganika etc); Ent- wicklung von Recylingprozessen für die Materialien, bleifreie Ma- terialien etc.

Energieeffizienz, bessere Flä- chennutzung durch hohe Wirkungsgrade; ressourcen- schonend, da weniger Mate- rialeinsatz pro Fläche; In- tegration von PV

Verbundvorhaben, mittel-, langfristig

Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themenfeld

Themeneinord- nung und Charak-

terisierung

Zielsetzungen Innovationsbedarf Anwendungsfelder u. ge-

samtgesellschaftlicher Nut- zen

Photokatalyse Herstellung nachhaltiger Energie- träger aus H2O, CO2 und Licht Mit der Energie- wende umgehen >

technische Großel- ektrolyse, neue elektrochemische Technologien (z.B.

Photokatalytische u./o. photo- elektrochemische Wandler zur Her- stellung stofflicher Energieträger (H2, MeOH, ...)

FuE zu katalytischen Systemen (z.B. geträgerte oder ungeträ- gerte anorganische Partikel, Elektroden, Elektrolyte, Mecha- nismen, Device) mit hoher

Katalysatoren, Elektrolyte, Elektroden, Komponenten, ganze Systeme. Wasserstoff und MeOH für chemische Grundstoffindustrie, e-fuels, e-Mobility, Brennstoffzelle.

Verbundvorhaben, System- hersteller einbeziehen, mittel-, langfristig

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CO2-, N2-Elektro- lyse, Kombination mit herkömmlichen Elektrolyseverfah- ren, z.B. Cl2-Herstel- lung), Energieeffizi- enz erhöhen

Effizienz bezügl. Konversion und Selektivität

III. Neue innovative Membranmaterialien für die Chemie- und Energieproduktion Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themen- feld

Themeneinordnung und Charakterisie-

rung

Zielsetzungen Innovationsbedarf Anwendungsfelder+ ge-

Neue Festkörperstrukturen in der als Membranmateri- alien

Festkörperionenlei- ter werden als Sauer- stoffleiterheute bereits technisch eingesetzt, beispielsweise in HT-Elektrolyseu- ren und Brennstoff- zellen. Ihre Anwen- dung in der chemischen Synthese ist

Neue, verbesserte Festköperio- nenleiter für Sauerstoffionen und Protonen

Erweiterung der Einsetzbarkeit von Membranmaterialien in den

„Tieftemperatur“-Bereich (T 200°- 600°C)

Modelling:

Digitales Screening von Struktu- ren samt Prädiktion von Eigen- schaften

Modellierung von Transportvor- gängen (Transportmodelling) Materialien:

Erarbeitung präparativer Fest- körperchemie als Zugang zu

Erweiterung der Anwendun- gen auf chemische Reaktio- nen wie zum Beispiel Dehyd- rierungen, Ammoniakerzeu- gung bei gleichzeitiger Re- duktion der CO2-Emission

Mittelfristig: grundsätzlich neue Materialen erforderlich

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durch die benötigte hohe Temperatur je- doch eingeschränkt.

Eine Absenkung des Temperaturfensters kann die Breite der Anwendungsgebiete erheblich erweitern.

Ausreichende Transporteigen- schaften zur Realisierung techni- scher Prozesse

Membranmaterialien mit neuen Eigenschaften.

Angepasste Aktivierungs- und Regenerationskonzepte

Neue Komposite (Kopplung mit Katalysator- funktionalität)

In chemischen Pro- zessen kann die Transportfunktionali- tät der Membran erst durch die Beschich- tung mit katalytisch aktiven Materialien genutzt werden. Eine vertiefte Erkenntnis über die Komposit- eigenschaften kann wirtschaftlich zu- gänglichen Prozesse erheblich erhöhen.

Gezielte Zugangsmöglichkeiten von maßgeschneiderten Komposi- ten durch z.B. Nano-/Mikro-Struk- turierung, neuartige Integration von Membran und Katalysator.

Erweiterung des Anwendungs- spektrums bzgl. der Reaktions- klassen

Modelling:

Gekoppelte Simulation/Model- lierung der Bulkprozesse (Stofftransport in der Membran, Oberflächenchemie und Memb- ranmaterial-Trägerinteraktion) Charakterisierung:

Messungen der Reaktionsge- schwindigkeiten (Kinetik) an den Kompositen

Synthese:

Komposite mit neuartiger Kata- lysatorfunktionalität; Methoden zur Mikro-/Nanostrukturierung

Erweiterung der Anwendun- gen auf chemische Reaktio- nen wie zum Beispiel Dehyd- rierungen, Ammoniakerzeu- gung bei gleichzeitiger Re- duktion der CO2-Emission

Kurz- bis mittelfristig Sowohl neue Materialien als auch Optimierung der existierenden Systeme im Fokus

Kom- po- nen- ten- ferti-Entscheidend für die wirtschaftliche Nutz- barkeit neuer

Optimierung der Komponenten- fertigung entlang der Felder Ma- terial Scale-up, Moduldesign (v.a.

Modelling:

Zusammenhänge zwischen Ma- terial/Katalysator, Apparate,

Verbesserung der Wirtschaft- lichkeit membranbasierende chemischer Prozesse

Kurz- bis mittelfristig Sowohl neue Syntheserou- ten und Dichtmaterialien

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applikationsrelevan- ter Kompositmem- branen in industriellen Prozessen ist das Moduldesign / neue Möglichkeiten in der Komponentenferti- gung. Die derzeit ma- ximal zugängliche Größe der Membran in verfügbaren Bau- teilen sowie deren Abdichtung stellt hier die Nutzbarkeit vor klare Grenzen.

Dichtkonzepte/Abdichtung) und Zusammenspiel Material, Appa- rate und System

Systeme

Multiskalen Modellierung Synthese:

Scale-up Festkörperchemie zur kostengünstigen Produktion großer Materialmengen für Membranen/Katalysator-

Membran-Komposite Modulfertigung:

Ganzheitliche Betrachtung des Zusammenspiels Material, Ap- parate, System, vor allem für neue alternative Dichtkonzepte

als auch Optimierung der existierenden Systeme im Fokus

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IV. Innovative Materialien für eine effiziente Rohstoffnutzung

Klimaschutz und die Schonung von Ressourcen erfordern unter anderem einen effizienten Umgang mit Rohstoffen. Dazu können innovative Materialien in verschiedenen Dimensionen beitragen. Materialien müssen dafür zum einen eine möglichst lange Nutzungsphase von Pro- dukten in technischen Kreisläufen ermöglichen. Dafür müssen sie gegenüber heutigen Materialien ertüchtigt werden, teilweise mit neuen molekularen Konzepten, um Kreislauffähigkeit von der Entwicklungsphase an zu implementieren. Zum anderen müssen die Eigenschaften von Produkten und Materialien, die vornehmlich konsumtiv genutzt und in den natürlichen Kreislauf eintreten, der angestrebten Lebensdauer angepasst werden.

Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themenfeld

Themeneinordnung und Charakterisie- rung

Nutzung alternativer Rohstoffquellen

Gegenwärtig wird der weitaus über- wiegende Teil der Kunststoffe aus fossil basierten Rohstoffen hergestellt. Alterna- tive Rohstoffquellen spielen bei der Mate- rialherstellung im

Der Leitgedanke der linearen Öko- nomie (take-make-use-dispose) bei der Materialherstellung muss durch das aktive Bestreben für das Schließen von Produktkreisläufen ersetzt werden. Konkret bedeutet das, den Anteil biobasierter Roh- stoffe, Nebenprodukte industriel- ler Prozesse (CO2) sowie von

Es besteht ein Innovationsbe- darf für geeignete Konversions- technologien für alternative Rohstoffe in innovative Materia- lien.

- Lignin als Rohstoff für Materi- alien (lignin-to-materials) bzw. als Rohstoff für die

Alle derzeitigen Anwen- dungsfelder für Kunststoffe, vornehmlich in technischen Kreisläufen.

Lignin-basierte Materialien können in der Bauindustrie und Infrastruktur Verwen- dung finden. Darüber hinaus

Kurz- und mittelfristige Förderung von Grundlagen- forschung (BMBF) sowie Förderung von Leuchtturm- projekten für den Nachweis der Skalierbarkeit der Tech- nologien

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Allgemeinen eine untergeordnete Rolle heute.

Materialien am Ende ihrer Nut- zungsperiode („End-of-life“) signifikant zu erhöhen (Abfallströme z.B. Kunststoffe, Kunststoff-Me- tall-Verbünde wie in Elektronik- schrott), um für neue Produkte einen vorteilhafteren Carbon Foot- print zu realisieren

Herstellung von Basischemi- kalien zur Herstellung von polymeren Werkstoffen. Das umfasst u.a. die Valorisierung des Lignins durch geeignete Prozesse

- Cellulose als Ausgangsstoff für die Herstellung von Nano- cellulose und die Verwen- dung in Lightweight Compo- sits

- CO2 als Baustein für Interme- diate für die Herstellung polymerer Materialien

liegen Anwendungsfelder in Konsumgütern, Verpackun- gen, Transport, Energiespei- cherung sowie Landwirt- schaft. Diese Beispiele umfas- sen die Verwendung als Bau- stein für polymere Materia- lien.

Lightweight-Materialien sind von Bedeutung für alle Arten von Transportanwendungen.

Mittelfristig Förderung des Aufbaus von Pilotanlagen

Recycling-Technologien

Technologien, die ein Schließen von Materialkreisläufen ausgehend von End- of-life-Produkten ge- statten. Angesichts der bestehenden Umweltverschmut- zung können effiziente Recyclingver- fahren dazu beitragen, Abfallströme zu Wertstoffströmen zu

Herausarbeiten und Entwickeln von Optionen für die Wiederge- winnung von Materialien bzw.

Bausteinen (chemische Produkte, Metalle)

Bewertung unterschiedlicher Re- cycling-Optionen hinsichtlich des inhärenten Carbon Footprint für den Gesamtprozess

Entwicklung innovativer und ro- buster Verfahren für das physikalische, chemische und biologische

Recyclingverfahren für gemischte, konventionell nicht trennbare Gemische hoher materieller und gestalterischer Komplexität, wie z.B. elektronische Geräte, photovoltaische Anlagen, Windkraftanlagen, Bat- terien, Composit-Materialien Chemisches Feedstockrecycling für gemischte Kunststoffe (z.B.

Shredderleichtfraktionen) Chemisches Monomerrecycling

Verpackungsindustrie Fahrzeugindustrien e-Mobilität

Gewinnung erneuerbarer Energien

Maschinenbau Elektrik & Elektronik

Mittel-/langfristig

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entwickeln. Das Schließen von Stoff- bzw. Materialkreis- läufen trägt so zur Ressourcenscho- nung und dem Ab- bau von umweltak- kumulierten Abfällen bei.

Recycling ist dabei eine Strategie, die Materialeffizienz zu erhöhen.

Recycling von Kunststoffen für gezielte Gewinnung von Mo- nomeren und Oligomeren (ther- misch-katalytische Depolymeri- sationen)

Neue Ansätze für physikalische Separation chemisch ähnlicher Polymere

Biologisches (enzymatisches Re- cycling) von Kunststoffen zu Mo- nomeren bzw. Feedstock (Erwei- terung des Anwendungsspekt- rums über Polyester hinaus) Chemische Verfahren zur Rück- gewinnung von Edel- bzw. Mag- netmetallen (selektives Heraus- lösen aus Stoffgemischen)

Materialdissipation Hervorgerufen durch chemische und physikalische Vorgänge während der Nut- zung (wie z.B. Rei- bung, Verwitterung, etc.) trägt Material- dissipation zur

Verständnis grundsätzlicher Me- chanismen der Entstehung und des Eintrags von Materialpartikeln sowie Monitoring während des gesamten Lebenszyklus

Entwicklung von anwendungsspe- zifischen Ansätzen für ein ganz- heitliches Management von

Verständnis von globalen Parti- kelkreisläufen in allen beteiligen Sphären mit einem breiten An- satz bezüglich Entstehung, Transportmechanismen, Akku- mulation und Auswirkungen von Partikeln wie z.B. Mikroplastik

Fahrzeugindustrie (Platin aus Abgaskatalysatoren, Reifen- abrieb)

Branchenübergreifende An- wendungen von Coatings Alle Arten von Kunststoff-

Mittel- und langfristig Grundlagenorientierte For- schung in breiten Konsor- tien

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unerwünschten Ein- tragung von feinver- teilten Materialparti- keln in die Umwelt bei.

dissipativen Materialverlusten Reduzierung unerwünschter Ma- terialverluste durch Dissipation

anwendungen

Hochfunktionelle Materialien

Ein Paradigma bishe- riger Materialent- wicklung ist die Addi- tivierung und Kombi- nation von Kunst- stoffen für die Erzie- lung gewünschter Funktionalitäten (wie z.B. Barriere- funktion, Flamm- schutz). Die Strate- gien tragen zu er- höhter Komplexität bei, welche sich in Recyclingprozessen nachteilig auswirkt.

Reduzierung von Komplexität für die Erzielung gewünschter Ef- fekte, Entwicklung von Materia- lien mit intrinsischen Funktionali- täten, um Additivierung zu vermeiden

Untersuchung von Ansätzen wir z.B. „Function-by-structure“ o- der „structure-by-process“ um breite Anwendungsspektren für Basismaterialien anhand von Strukturvariationen einstellen zu können

Entwicklung von strukturellen Materialien mit Speicherfunktio- nen

Energieindustrie E&E

Transport-/Automobilindust- rie

Bauindustrie Verpackung

Kurz- und mittelfristig Grundlagenorientierte Suchforschung

Mittel- bis langfristig Breite Konsortien entlang der Wertschöpfungsketten, um schnelle Übertragung von Ergebnissen in Leitan- wendungen sicherzustellen

Recyclingfähig- keit/Rezyklier- barkeit

Die Rückgewinnung materieller Roh- stoffe bzw. das Re- cycling sind kritische Anforderungen für einen nachhaltigen

Ganzheitliche Betrachtung des Lebenszyklus von Produkten res- pektive der Materialien. Imple- mentierung von „Design-for-recycling“ – Richtlinien bereits in der Konzeptionsphase, um ein

Entwicklung neuer polymerer Werkstoffe mit signifikant höhe- ren Lebensdauern (z.B. durch intrinsische „Reparaturfunk- tion“)

Alle Arten von Kunststoffan- wendungen (prioritär Verpa- ckungen)

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Umgang mit Res- sourcen. End-of-life- Szenarien werden von Herstellern oftmals in nur ungenü- gendem Maß be- rücksichtigt.

leichteres Zerlegen, einfachere Reparaturen, und Materialtren- nung und letztlich auch Recycling zu erleichtern. Substitution von Materialien und Materialverbün- den mit unvorteilhaften Carbon Footprints und nachteiligen Re- cyclingeigenschaften.

Konzepte für Materialien mit re- versiblen und gezielt durch ex- terne Stimuli schaltbaren Bin- dungen („de/bonding-on-de- mand“)

V. Materialien für die heterogene Katalyse Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themenfeld Themeneinord- nung und Charak- terisierung

chem. Produk- tionsprozesse mit Zero-CO2- emission

Um das Ziel der

„Zero-Emission Economy“ in nur 30 Jahren erreichen zu können müssen neue

In nur ca. 20 Jahren neue chem.

Produktionsprozesse auf Basis nachhaltig produzierter Elektrizi- tät als Energiequelle bei gleichzei- tigem Schließen aller Stoffströme

Elektrisch beheizte Produktions- reaktoren werden sich techno- logisch bei Verwendung be- kannter Wärmeträgermedien nicht sehr von den bekannten Technologien unterscheiden.

Alle katalysierten chem. Pro- duktionsprozesse.

Keine CO2-Emission der gesamten Produktionspro- zesse.

Mittelfristig (nur 20 Jahre Entwicklungszeit)

Verbundprojekte unter In- tegration aller benötigten Wissenschaftsfelder sind nötig, jeweils um die zu

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chem. Produkti- onsprozesse in sehr kurzer Zeit entwickelt werden.

Der wesentlich Innovationsbe- darf für Katalysatorsysteme ist in der Anforderung begründet, dass in diesen neuartigen chem.

Produktionsprozessen keine Ab- fallstoffe, z.B. CO2, mehr anfal- len dürfen. Es müssen Katalysa- tormaterialien entwickelt werden mit bisher unerreichten Se- lektivitäten bei gleichzeitig in- dustriell relevanten Produktivi- täten.

Vermeidung aller Abfall- ströme / Nebenprodukte.

Schließen aller Stoffströme.

entwickelnden, neuen Pro- zesse zentriert.

chem. Produktionsprozesse mit Zero-CO2- emission

Die nachhaltige Produktion elektrischer Ener- gie (CO2-frei) könnte zumindest an einigen Stand- orten zu tages- und jahreszeitli- chen Schwankun- gen der bereitge- stellten Menge an Energie führen.

Deshalb müssen neue chem. Pro- duktionsprozesse

Neue innovative katalytischer Prozesse, die höchst flexibel auf schwankende Energiebereitstel- lung reagieren ohne, die auf Grund des Gebots der Vermei- dung jeglicher Abfallströme, notwendige höchsten Produktselekti- vitäten zu verlieren. Optimaler- weise behalten diese neuen innovativen Katalysatormaterialien auch die angestrebten hohen Pro- duktivitäten unter der schwankenden Energiebereitstellung.

Neuartige Katalysatorsysteme mit großen Arbeitsfenstern, die auf schwankende Energiebereit- stellung unempfindlich bezüg- lich ihres Selektivitätsspektrum und optimalerweise auch ihrer Produktivität reagieren

Alle katalysierten chem. Pro- duktionsprozesse, die mög- licherweise schwankender Energiebereitstellung unterliegen.

Verbundprojekte unter In- tegration aller benötigten Wissenschaftsfelder sind nötig, jeweils um die zu entwickelnden, neuen Pro- zesse zentriert.

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auf Basis dieser schwankenden, Energiebereitstel- lung entwickelt werden.

chem. Produktionsprozesse mit Zero-CO2-emission

Entwicklung neuer chem. Pro- duktionsprozesse auf Basis schwankender, nachhaltig produzierter, elektrischer Ener- gie.

Innovative, synthetische elektro- katalytische Prozesse: Elektroka- talyse ist bereits jetzt ein stark wachsendes Betätigungsfeld in der akademischen Forschung.

Elektrokatalyse spielt aber bisher in der industriellen FuE keine her- ausragende Rolle. Verbundpro- jekte zw. Industrie und Akademia sollen das wirtschaftliche Poten- tial möglicher elektrokatalytischer Prozesse zur Stoffsynthese herausarbeiten, um den Weg für mögliche zukünftige industrielle Anwendungen zu bereiten.

Neue heterogene Elektrokataly- satormaterialien für den Einsatz in innovativen direkt durch elektrischen Strom getriebenen Prozessen für die synthetische Chemie. Solche neuartigen Ma- terialien für elektrochemische Prozesse werden sich durch besondere elektronische und ioni- sche Leitfähigkeiten auszeich- nen, die für die Umsetzungen der jeweiligen organischen Sub- strate zu den Zielprodukten maßgeschneidert werden müs- sen.

Alle potentiell elektrokatalytischen Produktionsprozesse für die organische Synthese, die möglicherweise auch schwankender Energiebereit- stellung unterliegen.

Verbundprojekte aus Aka- demia und Industrie unter Integration aller benötigten Wissenschaftsfelder, die auf die zu entwickelnden, neuen elektrokatalytischen Prozesse fokussiert werden.

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Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themenfeld Themeneinord- nung und Charak-

terisierung

Nachhaltigkeitsziel: Kreislaufwirtschaft

Geschlossene Ma- terialströme, um Abfallströme zu vermeiden, füh- ren zu neuen, aus bisherigen Abfäl- len erzeugten Rohstoffen mit bisher unbekann- ten Eigenschaf- ten, und vermutlich stark wech- selnden Qualitä- ten.

Herkömmliche Prozesstechnolo- gien und die in ihnen eingesetzten Katalysatormaterialien zeigen bisher nicht die wirtschaftlich notwendige Effizienz (Selektivität, Produktivität, Lebenszeit) bei schwankenden Rohstoffeigen- schaften. Deshalb erzwingt das Nachhaltigkeitsziel `Kreislaufwirt- schaft´ bisher unerreichter Pro- duktselektivtäten der zu entwickelnden neuartige Katalysator- materialien und Produktionspro- zessen. Schwankende Rohstoffei- genschaften / -qualitäten dürfen sich nicht negativ auf die Pro- zessperformance, z.B. die Stand- zeit eingesetzter Katalysatoren auswirken.

Neue, vermutlich deutlich kom- plexere Katalysatormaterialien als bisher bekannt müssen entwickelt werden, die gegenüber schwankenden Rohstoffeigen- schaften, wie z.B. der Anwesen- heit einer Vielzahl von bisherigen Katalysatorgiften tolerant sind und im Vergleich zum Stand der Technik vergleichbare Pro- duktivitäten und Standzeiten zeigen.

Alle katalysierten Produkti- onsprozesse müssen auf Kreislaufwirtschaft umge- stellt werden, so dass Abfall- ströme in Zukunft vermieden werden können.

Verbundprojekte unter In- tegration aller benötigten Wissenschaftsfelder sind nötig, jeweils um die zu entwickelnden, neuen Pro- zesse und den in ihnen ein- zusetzenden Katalysatoren zentriert.

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Nachhaltigkeitsziel: Kreislaufwirtschaft

Wiss. Gesellschaf- ten weltweit haben in Studien Lis- ten sog. „endan- gered elements“

erarbeitet. Chem.

Elemente, wie z.B.

Zn, Sn, Ga, Ge, Sb, Bi, Ag, Rh, Pt, Ru, Ir, Ta, Te, V, Mo, Mg, Li, Co, Ni, uvm. Werden in einigen Jahrzehn- ten verknappen und deren Preise werden erheblich steigen. Diese kri- tischen Elemente, sofern in der Her- stellung katalytischer Materialien eingesetzt, müs- sen recycelt werden.

In Katalysatoren eingesetzte Ele- mente müssen als zukünftige, kritische Rohstoffe angesehen und recycelt werden.

Recyclingprozesse von komplexen Katalysatorkompositmateri- alien müssen entwickelt werden. Eine besondere Herausfor- derung besteht hier v.a. darin, dass industrielle Katalysatoren hochkomplexe Kompositmateri- alien sind, die nicht einfach in ihre Komponenten aufgetrennt werden können. Daher müssen möglichst preisgünstige Aufar- beitungs- und Recycle-Prozesse entwickelt werden, um diese wertvollen Rohstoffe so zurück- zugewinnen, dass sie einer Wie- derverwertung in der Produk- tion neuer Katalysatoren zuge- führt werden können. Im Wie- dereinsatz in der Katalysatorher- stellung besteht die weitere große Herausforderung, da die HT-Katalysatoren sich nur durch Einsatz besonders qualifizierter Rohstoffe herstellen lassen. Die zu entwickelnden Recycling-Pro- zesse müssen also höchste Pro- duktqualitäten garantieren.

Für die meisten der bisher in der Industrie eingesetzten Prozesskatalysatoren müssen Recycling-Verfahren entwickelt werden;

Alle zukünftigen Katalysator- materialien müssen von Be- ginn der R&D-Arbeit an unter dem holistischen Aspekt der 100%igen Rezyklierung entwickelt werden;

Vermeiden von Abfallströ- men.

Mittelfristig (nur ca. 20 Jahre Entwicklungszeit) Verbundprojekte unter In- tegration aller benötigten Wissenschaftsfelder sind nötig, die jeweils auf die zu entwickelnden, neuen Re- cyclingprozesse der jeweiligen Katalysatormaterialien fokussieren.

(23)

Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themen-feld Themeneinord- nung und Charak-

terisierung

Ressourcenschonung

Bereits jetzt sehr teure Stoffe/Ele- mente, oder in naher Zukunft durch Verknap- pung teure Roh- stoffe müssen in der Katalysator- herstellung vermieden werden.

Deshalb muss bereits jetzt frühzei- tig nach ubiquitä- ren, billigen Er- satzstoffen ge- sucht werden.

Neue Katalysatormaterialien auf Basis ubiquitärer, billiger oder preislich stabiler Rohstoffe/Ele- mente müssen entwickelt werden, wobei deren katalytische Leistungsfähigkeit voll mit dem Stand der Technik vergleichbar sein muss, um die von der chem.

Industrie benötigte Produktivitä- ten und Standzeiten zu garantieren.

Zukünftige Katalysatorsysteme müssen, wo immer möglich, ohne teure oder (inzwischen) seltene Elemente, bzw. zukünf- tig verknappte und damit teure Rohstoffe hergestellt werden.

Sie müssen bevorzugt auf Basis ubiquitärer Materialien und Stoffen herstellbar sein. Die Re- cyklierbarkeit dieser neuen alternativen Katalysatoren ist von Anfang an ein integraler Be- standteil ihrer Entwicklung.

Diese neuen alternativen Kata- lysatormaterialien müssen hocheffizient vergleichbar mit dem Stand der Technik in ihren Prozessen funktionieren.

Die meisten der bisher in der Industrie eingesetzten Pro- zesskatalysatoren müssen daraufhin untersucht werden, ob möglicherweise bil- lige, ubiquitäre Ersatzstoffe für teure o. seltene Rohstoffe gefunden werden können;

Alle zukünftigen Katalysator- materialien müssen von Be- ginn der FuE-Arbeit die Ver- wendung billiger Ersatzstoffe und die Entwicklung adäqua- ter Recyclingverfahren be- rücksichtigen.

Vermeiden von Abfallströ- men. Schonung von „endan- gered ressources“.

Mittelfristig (nur ca. 20 Jahre Entwicklungszeit) Verbundprojekte unter In- tegration aller benötigten Wissenschaftsfelder sind nötig, die jeweils auf die zu entwickelnden, neuen Ka- talysatormaterialien auf Basis billiger, ubiquitärer Rohstoffe fokussieren.

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Ressourcenschonung

Die industrielle Herstellung von Katalysatoren selbst muss ebenfalls unter den Rahmen Bedin- gungen „Zero- CO2“ und ge- schlossener Stoff- ströme erfolgen.

Die Rahmenbedingung „Zero- CO2“ und geschlossene Stoff- ströme müssen auch in der industriellen Produktion bestehender und zukünftiger, hoch-komplexer Katalysatorsysteme realisiert werden. Bisher werden nahezu alle großtechnischen Prozesskatalysa- toren z.B. wenigstens einem Kalzi- nierschritt mit entsprechender CO2-emission unterzogen. Wei- tere Abfallströme aus den Herstel- lungsprozessen sind z.Z. ebenfalls noch nicht in allen Fällen geschlos- sen.

Verfahren zur großtechnischen Herstellung der zukünftigen, hochkomplexen Katalysatorma- terialien müssen unter Berück- sichtigung der Vorgaben „Zero- CO2“ und Schließen aller Stoff- ströme innerhalb der nächsten 20 Jahre entwickelt werden.

Herstellungsverfahren für alle bestehenden Prozesska- talysatoren müssen umge- stellt werden. Verfahren zur Produktion zukünftiger, innovativer Katalysatormateria- lien müssen von Beginn an unter diesem holistischen As- pekt des Schließens alles Stoffströme, somit dem Ver- meiden von Abfallströmen und dem Vermeiden von CO2- Emissionen entwickelt werden

Mittelfristig (nur 20 Jahre Entwicklungszeit);

Verbundprojekte aus Aka- demia und Industrie der jeweiligen Fachbereiche aus Verfahrenstechnik und Che- mie, die jeweils um bestehende Verfahren zur Kataly- satorherstellung zentriert sind, oder sich auf Verfah- rensentwicklung zukünfti- ger, innovativer Katalysa- tormaterialien fokussieren.

Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themenfeld Themeneinord- nung und Charak-

terisierung

Ressourcen- schonung

Bestehende, großtechnisch eingesetzte Kata- lysatorträger sind oftmals als Kera- miken bzw. aus

Ersetzen der hochtemperaturge- sinterten Spezialkeramiken als Ka- talysatorträger, da hierbei erhebliche Mengen an CO2 freigesetzt wird.

Neuartige, evtl. sogar chem. aktive Katalysatorträgermateria- lien, die bei niedrigen Tempera- turen auf Basis nachhaltiger Rohstoffe hergestellt werden können und optimalerweise

Alle großtechnisch eingesetzten und geträgerten Prozess- katalysatoren müssen darauf untersucht werden, ob die herkömmlich genutzten kera- mischen oder metallischen

Verbundprojekte von Aka- demia und Industrie aus den Bereichen Bioanorgani- sche Chemie, Anorganische

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Stahl gefertigt, bei deren Herstellung sehr hohe Tempe- raturen für deren Brand nötig sind, mit entsprechend hohen Verbrauch an Erdgas zur Feu- erung. Es müssen neuartige, nachhaltiger hergestellte Katalysa- torträger entwickelt werden, bei deren Produktion geringere CO2- Footprints realisiert werden kön- nen.

ebenfalls positiv auf die katalyti-

sche Performance wirken. Träger durch neuartige nachhaltig hergestellte Materia- lien ersetzt werden können;

Ein Ersatz würde z.E. zur Energieeinsparung und damit Verringerung der CO2-Emis- sion beitragen, u.a. könnten nachhaltigere Materialien, z.B. basierend auf Biominera- lisierung gefunden werden.

Bei der Entwicklung zukünfti- ger, innovativer Katalysator- materialien für die „Zero- CO2“-Kreislaufwirtschaft muss der Aspekt der Verwen- dung nachhaltiger Träger ein integraler Aspekt eines holistischen Projektansatzes sein.

Chemie, Materialwissen- schaft, Katalyse und Verfah- renstechnik, die jeweils um bereits bestehende oder zukünftige neu zu entwickelnden Katalysatormate- rialien zentriert sind.

Ressourcenschonung Bisherig eingesetzte, großtech- nische Prozesska- talysatoren basie- ren oftmals auf fundamentalen Entwicklungen, die vor dutzenden

Neuartige zukünftige Katalysator- materialien sollen nicht (nur) auf Basis herkömmlicher (i.d.R.) au- ßereuropäischer Rohstoffquellen entwickelt werden. Neue Roh- stoffquellen wie z.B. aus dem Ur- ban Mining müssen von Anfang an

Die industrielle Produktion von Prozesskatalysatoren in der EU hängt in sehr großem Maße von außereuropäischen Rohstoff- quellen ab. Die Produktion von zukünftigen Katalysatormateria- lien für die Kreislaufwirtschaft würde also wie im status-quo

Alle z.Z. großtechnisch eingesetzten Prozesskatalysatoren müssen darauf untersucht werden, ob Rohstoffe zu deren Herstellung aus her- kömmlichen Quellen gegen neue, innereuropäische Quellen (Recycling, Urban

Verbundprojekte von Aka- demia und Industrie aus den Bereichen Anorgani- sche Chemie, Materialwis- senschaft, Geowissenschaf- ten, Katalyse und

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von Jahrzehnten gemacht wurden.

Diese Katalysator- herstellvorschrif- ten wurden nach- folgend in vielen Schritten weiter verbessert und zu immer höherer Ef- fizienz optimiert.

Rohstoffe zur großtechnischen Produktion sol- cher Hochleis- tungskatalysato- ren sind deshalb aber auch seit Jah- ren oftmals fest- geschrieben.

Möglicherweise könnte die Ver- wendung neuartiger Rohstoffquel- len (z.B. aus Ur- ban Mining) für zukünftige, innovative

in die Materialentwicklungspro- jekte integriert werden.

Derartige neue Rohstoffquellen müssen auch auf ihre Tauglichkeit für die Produktion bestehender Katalysatorsysteme untersucht werden.

erheblich von unbegrenztem Zu- gang zu diesen Rohstoffquellen abhängen (z.B. von China haupt- sächlich kontrollierter Markt der Seltene Erden).

Zukünftige, hoch innovative Ka- talysatormaterialien sollten nicht unter einer derart prekä- ren Marktabhängigkeit entwickelt werden.

Darüber hinaus darf durchaus vermutet werden, dass durch Auffinden alternativer Rohstoff- quellen, z.B. Urban Mining, und Einsatz dieser neuen Stoffe neue, unerwartet positive Kata- lysatoreigenschaften zum Vor- schein treten.

Mining) ausgetauscht werden können;

Bei der Entwicklung zukünfti- ger, innovativer Katalysator- materialien für die „Zero- CO2“ -Kreislaufwirtschaft muss der Aspekt alternativer Rohstoffquellen, die die Ab- hängigkeit vom Ausland re- duziert ein integraler Be- standteil des holistischen Entwicklungsansatzes sein.

Verfahrenstechnik (Recyc- ling), die jeweils um bereits bestehende oder zukünf- tige neu zu entwickelnde Katalysatormaterialien zentriert sind.

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Katalysatormate- rialien in der

„Zero-CO2-Kreis- laufwirtschaft“

neue interessante Eigenschaften er- geben.

Ressourcenschonung

Herkömmliche Produktionsver- fahren von Pro- zesskatalysatoren beruhen zum Großteil auf fundamentalen Ent- wicklungen aus der Mitte des letzten Jahrhunderts.

In der akademischen Forschung wurde in den letzten zwei / drei Jahrzehnten eine Vielzahl innovativer Syntheserou- ten zu neuen Ma- terialien entwickelt. Deren

In der akademischen Forschung wurde in den letzten zwei / drei Jahrzehnten eine Vielzahl innovativer Syntheserouten zu neuartigen Katalysatorsystem beforscht und auf Labormaßstab entwickelt.

Diese Methoden reichen von chemical grafting, atomic layer depo- sition, „chimie douce“, oder bio- mimetischen Syntheserouten, bis zum Einsatz alternativer Energie- quellen in der Katalysatorsyn- these, wie z.B. Plasmen, mechani- sche Energie, Ultraschall, Mikro- wellen, etc. Die Katalysatorsys- teme, die oftmals so hergestellt werden, sind ebenfalls hoch inno- vativ, und reichen von atomar de- finierten „single-site“ Katalysato- ren, bio-mimetischen „Enzym“-

Im Stand der Technik werden In- dustriekatalysatoren oftmals durch vergleichsweise einfache Chemie in wässrigem Lösungs- mittel und durch nachfolgende Behandlungsschritte (z.B. oxidie- rend oder reduzierend) bei vergl. hohen Temperaturen hergestellt. Entsprechend sind die Materialeigenschaften im Rah- men dessen limitiert, was mit den benutzten Technologien eben möglich ist. „Step-Change“

Verbesserungen können nach Jahrzehnten kontinuierlicher Materialoptimierung nicht mehr erwartet werden.

Innovative, neue Syntheserou- ten und -methoden, die in der akademischen Forschung

Diese neuen, innovativen Syntheserouten und -methoden müssen auf ihre Eignung zur Herstellung bereits exis- tierender Katalysatormateri- alsysteme geprüft werden.

Bei der Entwicklung neuer Materialien für zukünftige katalytische Prozesse der Zero- CO2 Kreislaufwirtschaft müs- sen diese neuartigen Metho- den von Projektbeginn an mit beforscht und auf ihre Scale- Up Tauglichkeit geprüft werden. Auf diese Weise hergestellte neuartige Katalysator- materialien sollten möglichst breit ausgreifend auf potentielle hin Anwendungsgebiete hin untersucht werden.

Verbundprojekte aus akademischen und industriellen Arbeitsgruppen müssen geschaffen werden, die um die jeweiligen neuen innovativen Syntheserouten und -methoden zentriert sind. Besonderes Augen- merk muss hierbei auf Ver- fahrenstechnik gelegt werden, um identifizierte, erfolgreiche Herstellmetho- den für innovative, zukünf- tige Katalysatorsysteme zu Produktionsprozessen hochskalieren zu können.

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Potenzial zur Pro- duktion von bestehenden Kataly- satorsystemen und vor allem zu- künftiger neuartiger katalytischer Materialien muss breit beforscht werden.

Katalysatoren, bis hin zu den inzwischen gut beforschten Metall- Organischen-Frameworks und neuartigen Polymeren als Kataly- satorträger.

während der letzten 20 - 30 Jahre auf Labormaßstab beforscht wurden, müssen auf ihre Scale-Up Eignung untersucht werden und derart hergestellte Materialien müssen auf ihre Tauglichkeit als industrielle Pro- zesskatalysatoren (Produktivi- tät, Standzeit) geprüft werden.

Ressourcenschonung

Additive Manu- facturing, vor allem wenn Kataly- sator plus Reaktor zusammen maß- geschneidert für den jeweiligen Einsatz gedruckt werden könnten, dürfte zukünftig chemische Syn- theseprozesse re- volutioniere.

Noch steckt diese Technologie im Bereich hetero- gen-katalysierte

Additive Manufacturing wird in Zukunft ermöglichen die integrale Einheit aus Synthesereaktor und Prozesskatalysator auf mehreren Größenskalen in Richtung auf ma- ximale Performance zu optimie- ren.

Erhebliche Reaktoreffizienzstei- gerungen sind durch Optimie- rung des Stoff- und Wärmetrans- ports auf mehreren Größens- kalen, von einigen Metern (Re- aktor) bis, eines Tages vielleicht möglichen, einigen Mikrome- tern (geometrische Katalysator- oberfläche, Formkörper), denkbar; Auf diese Weise erreichte Effizienzsteigerungen werden zu deutlicher Energieeinsparung und Ressourcenschonung (hö- here Selektivtäten zu Zielpro- dukten, höhere Reaktorproduk- tivitäten) führen.

Bei der Beforschung und Ent- wicklung neuer Materialien für zukünftige katalytische Prozesse der Zero-CO2 Kreis- laufwirtschaft muss additive manufacturing als potentielle Produktionsmethode von Projektbeginn an mit bearbeitet und auf sein Potential zusätzliche Effizienzsteige- rungen zu hebeln geprüft werden.

Neue, innovative Katalysator- materialien sollten möglichst breit ausgreifend auf ihre po- tentiellen Einsatzmöglichkei-

ten in Additive

Mittelfristig (nur 20 Jahre Entwicklungszeit).

In allen Verbundprojekten aus akademischen und industriellen Arbeitsgruppen muss das Thema additive Manufacturing von Beginn an bearbeitet werden. Es muss vermutet werden, dass für jedes Katalysator- material, für jeden neuen Prozess Additive Manufac- turing Technologien neu angepasst oder gar erst entwickelt werden müssen, um optimale Reaktor-Katalysa- tor Performances zu

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Prozesse, Reakto- ren in den Kinder- schuhen, aber sein Potential kann nicht über- schätzt werden.

Weitere Energieeffizienzsteige- rungen sind vorstellbar, in dem z.B. Kombinationen von Materi- alien mit unterschiedlichen ther- mischen Eigenschaften in ge- meinsame Strukturen gedruckt werden, die so z.B. chemical loo- ping unter Energiespeicherung

„vor Ort“ mit höherer Effizienz ermöglichen.

Manufacturing Prozessen un-

tersucht werden. erreichen. Man kann davon ausgehen, dass eine Viel- zahl an technischen Hürden zu überwinden sein wird, um ein Beispiel zu nennen:

Realisierung des nötigen, regelmäßigen Katalysator- wechsels in gedruckten Strukturen.

Energie- und Ressourcenschonung

In situ Charakteri- sierungsmetho- den in der Materi- alentwicklung, kombiniert mit Data Science

In der akademischen Katalysator- forschung wurden/werden bisher in-situ und in-operando Metho- den vor allem dazu eingesetzt um elektronische oder molekulare Strukturen von Katalysatoren vor dem Einsatz, während des Be- triebs, oder nach ihrer Benutzung zu charakterisieren.

Viele dieser sich noch immer in ra- santer Entwicklung befindlichen high end Methoden wurden bis- lang nur sehr selten dazu genutzt, die phys.-chemischen Prozesse während vielstufiger Katalysator- herstellverfahren näher zu charakterisieren und somit diese

Der Einsatz vieler dieser modernen, direkten Charakterisie- rungsmethoden in den angestrebten Verbundprojekten werden es ermöglichen chemische Prozesse, die bei der Synthese von Katalysatoren ablaufen, wesentlich besser zu verstehen und somit kontrollier- und steuerbar zu machen.

Wenn diese durch in situ Metho- den zukünftig verbessert gesteu- erten Prozessschritte in der Ka- talysatorproduktion ihren Ein- satz finden, vor allem wenn kombiniert mit den bereits existierenden Felddaten und

In allen Verbundprojekten zur Beforschung und Ent- wicklung neuer Materialien für zukünftige katalytische Prozesse der Zero-CO2 Kreis- laufwirtschaft müssen moderne in situ Methoden eingesetzt werden, um physiko- chemische Abläufe in allen Prozessschritten der Kataly- satorproduktion zu charakterisieren umso die Datenbasis für die verbesserte Steue- rung dieser Prozesse in der Produktion dieser zukünfti- gen Materialien zu schaffen.

In allen Verbundprojekten aus akademischen und industriellen Arbeitsgruppen muss das Thema in-situ /in- operando Charakterisie- rungsmethoden von Beginn an mit bearbeitet werden.

Es muss vermutet werden, dass der Einsatz dieser modernen Methoden in einem jeden Herstellschritt eines jeden Katalysatormaterials neue Erkenntnisse liefern werden, die es im Gegenzug erlauben werden, diese

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besser versteh- und steuerbar zu machen.

In-situ oder in-operando Metho- den werden noch seltener in der Katalysatorindustrie als in der akademischen Welt genutzt, weil diese modernen Methoden oftmals sehr teuer in der Anschaf- fung und im Unterhalt sind.

Methoden der Data Science, werden sie es ermöglichen Ma- terialeigenschaften auch im Ton- nenmaßstab einer Produktion konsistent einzustellen und möglicherweise für Spezialan- wendungen maßzuschneidern.

Dieses vertiefte Wissen über alle Herstellschritte mittels moderne in situ Methoden wird es dar- über hinaus erlauben, industrielle Katalysatorherstellprozesse noch energie- und rohstoffeffizi- enter zu steuern.

Darüber hinaus sollten Ver- bundprojekte aufgesetzt werden mit dem Ziel existie- rende Katalysatorprodukti- onsverfahren mit Hilfe dieser in situ Methoden zu untersu- chen. Da herkömmliche Kata- lysatormaterialsysteme vermutlich noch die nächsten drei Dekaden ihren industriellen Einsatz finden werden, muss man auch deren groß- technische Herstellung mit Hilfe dieser in situ Methoden effizienter und konsistenter steuerbar machen.

Materialproduktionspro- zess besser zu kontrollieren und zu steuern. Derartig kontrolliert hergestellte Ka- talysator-materialien werden wesentlich verbesserte und konsistentere Katalysa- torleistungsfähigkeiten erreichen.

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VI. Materialien für das Additive Manufacturing Zukunftsthemen

& Nutzen Kategorie/

Themenfeld

Themeneinord- nung und Charak- terisierung

Modellierung /Simulation

Material-Prozess- Eigenschaftsbe- ziehungen;

Prozessrealität und resultierende Bauteileigen- schaften; Seg- mentierte Bauteil- fertigung; Opti- mierung der Nachbearbeitung

Erhöhung der Bauteilzuverlässig- keit, Steigerung der Material- und Rohstoffeffizienz; Hilfestellung bei der Verfahrensauswahl der zum Bauteil und zum Werkstoff pas- senden AF-Methode; Reduzierung des Nachbearbeitungsaufwandes;

Eigenschaftsvorhersage für Multi- materialbauteile

Entwicklung geeigneter Metho- den zur Eigenschaftsvorhersage und zur Verfahrensauswahl der Verarbeitung bestimmter Werk- stoffe sowie zur segmentierten, fertigungs- bzw. materialopti- mierten Bauteilfertigung; Schaf- fung von Werkstoffdatenbanken

Anwendung in allen Einsatz- felder der AF; Erleichterung des Einstiegs von Bauteilferti- gern in die AF

Mittel-/langfristig Einbin- dung von AF-Neueinstei- gern; interdisziplinäre Vor- laufforschung; BMBF-För- derung für Material-Data- Space

Hybride Ferti- gungsverfahren

Kombination von AF-Verfahren un- tereinander sowie mit konventionellen Formgebungs- methoden; Fügen

Erreichung einer höheren Bauteil- komplexität; Steigerung der Effizi- enz der Prozesse durch einen be- darfs- bzw. aufwandsgerechten Einsatz konventioneller und AF- Methoden; segmentierte

Weiterentwicklung von Verfah- ren zur hybriden Fertigung zur Erweiterung des Einsatzgebietes der AF z. B. zur Fertigung großer oder multiskaliger Bauteile;

Einsatzfelder mit Bedarf an Multiskalen-Bauteilen und komplexen Baugruppen, wie z. B. Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Telekommu- nikation, Geräte- und

Kurz-/Mittelfristig

Verbundprojekte mit Bran- chenausrichtung; BMWi- Förderung für flexible, indi- vidualisierte Bauteilferti- gung in Kombination mit

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von Bauteilseg-

menten Bauteilfertigung; Individualisie- rung/Personalisierung von Serien- bauteilen

Implementierung Faser-3D- Druck;

Hybridverfahren für kurze Zyk- luszeiten

Anlagenbau, Leichtbau konventionellen Ferti- gungsverfahren

Multimaterialsysteme Kombination von verschiedenen Werkstoffen und Werkstoffklassen;

Funktionsintegra- tion (z.B. Sensorik, Aktorik, Tempe- rierbarkeit)

Erweiterung der AF von Mono- zu Multimaterialanwendungen; Mul- tifunktionalisierung von Bautei- len; Einsparung von Fügeprozess- schritten und Entwicklung neuer Material- und Eigenschaftskombi- nationen; Entwicklung neuer Funktionsmaterialien

Werkstoff-Interface-Design für neue Werkstoffverbunde; gra- dierte Bauteilstrukturen; Werk- stoffqualifizierung durch ent- sprechende Vorbehandlung (z.

B. Mahlung, Coating, Konfektio- nierung);

Branchenübergreifendes An- wendungsfeld, gerichtet auf Bauteile mit neuen Funktio- nalitäten

Mittel-/langfristig

Interdisziplinäre Vorlauffor- schung, Verbundprojekte, BMBF-Förderung für Ein- bindung neuer Materialsys- teme und Materialkombi- nationen in AF (insb. Funkti- onsmaterialien)

In-operando Prüf- und Evaluie- rungsverfahren

Zerstörungsfreie und Echtzeit-Prüf- methoden als in- line Prozesskon- trolle und zur Da- tengenerierung für Data-Manage- ment;

In-line Monito- ring;

Zeit- und Ressourceneffizienz durch Vermeidung und Reduzie- rung von Prozessfehlfunktionen und Ausschussbauteilen;

Schaffung einer Prozessdatenba- sis für Selbstlernende AF-Anlagen unter Nutzung von ML- oder KI- Methoden;

Erarbeitung von Qualitätssiche- rungsmaßnahmen

Entwicklung neuer NDT-Prüfme- thoden bzw. Einbindung existie- render Prüfmethoden in AF-An- lagentechnik;

Erstellung einer geeigneten Pro- zessdatenbank

Branchenübergreifendes An- wendungsfeld; Erhöhung der Zuverlässigkeit und Reprodu- zierbarkeit von AF-Metho- den; Anlagenbau (Qualitätssi- cherung)

Kurz-/mittelfristig

Interdisziplinäre Vorlauffor- schung; Verbundprojekte unter Einbindung von Anla- genherstellern und AF-An- wendern; BMWi-Förderung für schnelle Echtzeit-Prüf- methoden

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Definition der Ei- genschaften ferti- ger Bauteile und Strukturen bereits im Entstehungs- prozess und Be- stimmung von deren optimalen Ein- satzgebieten und Einsatzdauer hinsichtlich Funktio- nalität, Festigkeit, Lebensdauer, etc.

Schaffung von Bewertungssicher- heit bzgl. Festigkeit und Lebens- dauer bzw. Lebensdauererhöhung von über AF hergestellten Bautei- len

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Mitwirkende Autoren

An diesem Papier haben über die Gremien der beteiligten Organisationen mitgewirkt bzw.

waren von den Organisationen beteiligt:

Dr. Nils Bottke/ BASF SE, Kapitel III

Dr. Sigmar Bräuninger/BASF SE, Kapitel III

Dr. Ursula Eul/Fraunhofer Verbund Materials, Kapitel VI Dr. Andreas Förster/DECHEMA

Dr. Michael Lennartz/BASF SE, Kapitel I Dr. Gerhard Mestel/Clariant Kapitel V Dr. Martin Reuter/ VCI

Dr. Stephan Schunk/ HTE GmbH, Kapitel III Dr. Christian Seitz/BASF SE, Kapitel IV Normen Szeni/Clariant, Kapitel V Dr. Hans-Jürgen Weinig/GDCh

Dorit Wolf/Evonik Industries AG, Kapitel V Dr. Ralf Zuber/Umicore AG, Kapitel II und IV

Wir danken darüber hinaus den zahlreichen Experten, die im Rahmen der Fachdiskussionen über ihre Expertise zur inhaltlichen Ausgestaltung dieser Empfehlungen beigetragen haben.