Keramik in der Energiewende – Schlüsselmaterial für grüne Technologien
Technische Keramiken leisten einen wichtigen Beitrag zur Erzeugung erneuerbarer Energien. In Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC) ermöglichen keramische Elektrolyte die effiziente Herstellung von grünem Wasserstoff bei hohen Temperaturen. Ebenso kommen sie in Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) zur Strom- und Wärmeerzeugung aus regenerativen Quellen zum Einsatz. In Windenergieanlagen sorgen keramische Lager für geringe Reibung, hohe Standzeiten und Korrosionsbeständigkeit – selbst unter extremen Bedingungen. Poröse Keramiken dienen als Hochtemperatur-Wärmespeicher in thermischen Solaranlagen. Auch bei der Herstellung von Solarzellen spielen keramische Materialien eine Rolle, etwa als hitzestabile Träger oder bei der Strukturierung der Zellen. Ihre Hitzebeständigkeit, chemische Stabilität und lange Lebensdauer machen Keramiken zu einem unverzichtbaren Werkstoff in zahlreichen Technologien der Energiewende.
Keramische Werkstoffe für die Energiewende: Schlüsseltechnologie für erneuerbare Systeme
Technische Keramiken leisten einen essenziellen Beitrag zur Transformation der Energiesysteme. Sie ermöglichen Effizienz, Langlebigkeit und Funktionalität in Prozessen, bei denen andere Werkstoffe an ihre Grenzen stoßen – insbesondere unter hohen Temperaturen, in korrosiven Medien oder bei extremen mechanischen Belastungen. In der Erzeugung und Nutzung erneuerbarer Energien sind keramische Materialien zu einer tragenden Technologiekomponente geworden – von der Wasserstoffwirtschaft über die Windkraft bis hin zur Solarenergie und Wärmespeicherung.
Im Zentrum vieler aktueller Entwicklungen stehen Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC) – beide basieren auf keramischen Elektrolyten und Elektroden. In der Brennstoffzelle erzeugen sie aus Wasserstoff und Sauerstoff emissionsfreien Strom und Wärme, während die Elektrolysezelle durch Stromzufuhr Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. In beiden Systemen kommen keramische Materialien wie Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) oder Lanthanstrontiumkobaltit (LSC) zum Einsatz – sie bieten hohe Ionenleitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und elektrochemische Stabilität. Besonders im Bereich der Hochtemperaturelektrolyse (SOEC) wird intensiv geforscht, um den Wirkungsgrad der Wasserstoffproduktion weiter zu steigern. Erste Anlagen zur großtechnischen Nutzung laufen bereits in Pilotprojekten.
Auch bei Windenergieanlagen finden Keramiken zunehmend Anwendung – nicht als spektakuläre Rotorblätter, sondern als belastbare, langlebige Komponenten im Inneren: Hybridlager mit Keramikkugeln aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) reduzieren Reibung und Verschleiß in Getrieben und Generatoren, insbesondere unter schwankenden Lastbedingungen. Ihre elektrische Isolation schützt vor Stromdurchschlägen im Lager und verlängert die Lebensdauer deutlich. Darüber hinaus verbessern keramische Sensorgehäuse und Isolatoren die Zuverlässigkeit elektrischer Systeme auch unter rauen Umweltbedingungen.
Ein weiteres Zukunftsfeld ist der Einsatz keramischer Materialien in Wärmespeichersystemen, etwa für Concentrated Solar Power (CSP) oder industrielle Hochtemperaturprozesse. Keramische Speichermedien auf Basis von Aluminiumoxid oder Silikaten zeichnen sich durch hohe Temperaturwechselbeständigkeit und geringe thermische Alterung aus. Innovative Konzepte setzen auf keramische Formkörper oder Schüttungen zur effizienten Speicherung von Prozesswärme, die später zur Stromerzeugung oder für industrielle Anwendungen genutzt wird.
Auch in der Solarzellenproduktion sind Keramiken unverzichtbar – sei es als hochtemperaturbeständige Trägerplatten, als Isolatoren in Sinteröfen oder als präzise Strömungselemente in Beschichtungsprozessen. Darüber hinaus kommen keramische Komponenten bei der Herstellung von Wafern, bei der Glasveredelung sowie im Bereich der Plasmatechnik zum Einsatz. Ihre Beständigkeit gegenüber thermischer und chemischer Beanspruchung trägt maßgeblich zur Qualität und Effizienz moderner Photovoltaikfertigung bei.
Blickt man auf kommende Entwicklungen, stehen funktionale und strukturkeramische Werkstoffe im Fokus. Materialien, die Wärme leiten, elektrisch isolieren, als Elektrolyt wirken oder chemisch katalytisch aktiv sind, lassen sich heute gezielt für komplexe Energieprozesse maßschneidern. Der Trend geht hin zu maßgeschneiderten Keramiken, etwa durch additive Fertigung oder gezielte Mikrostruktursteuerung. So entstehen Bauteile, die gleichzeitig als tragende Struktur, Wärmetauscher und elektrochemischer Reaktor fungieren können – kompakt, effizient und langlebig.
Im Kontext der Energiewende zeigt sich: Keramische Werkstoffe sind keine Randtechnologie, sondern ein zentrales Bindeglied zwischen erneuerbarer Energieerzeugung, Energiespeicherung und Systemintegration. Ihre hohe Temperaturstabilität, chemische Robustheit und elektrische Funktionalität machen sie zu Schlüsselmaterialien für nachhaltige Technologien von morgen.