Die Doktorarbeit wird am DLR-Institut für Future Fuels in Köln im Rahmen von EU kofinanzierten Forschungsprojekten durchgeführt. Sie werden Teil eines interdisziplinären, multinationalen Forschungsteams aus Chemie- und Werkstoffingenieuren sein und Zugang zu modernsten chemischen und keramischen Verarbeitungslabors und einer breiten Infrastruktur von Analyse- und Strukturcharakterisierungsinstrumenten haben, die in der DLR-Einrichtung in Köln-Porz-Wahn zur Verfügung stehen. Der Doktortitel wird von der RWTH Aachen im Rahmen des gemeinsam mit dem DLR eingerichteten Lehrstuhls für Solare Brennstoffe in der Fakultät für Maschinenwesen verliehen.

HINTERGRUND Im breiteren ökologischen, gesellschaftlichen und politischen Rahmen eines kohlenstoffneutralen zukünftigen Energiemixes besteht ein dringender Bedarf an der Nutzung von erneuerbarer Energie (EE) für die Stromerzeugung sowie für kohlenstofffreie industrielle Prozesswärme. Ein Ansatz zur Dekarbonisierung von industrieller Prozesswärme ist die so genannte "Elektrifizierung", basiert auf EE-Ressourcen; diese sind jedoch unstetig, so dass parallel dazu effektive Möglichkeiten zur Speicherung von EE in Form von Wärme entwickelt werden müssen, um einen Betrieb rund um die Uhr zu gewährleisten. Die derzeit in der Industrie üblichen regenerativen Hochtemperatur-Wärmespeicher und -Rückgewinnungssysteme bestehen aus porösen keramischen Medien, die mit heißen Prozessabgasen "aufgeladen", d.h. erhitzt werden. Darüber hinaus sind mehrere Oxidsysteme zu einer (endothermen) thermischen Reduktion und einer reversiblen exothermen Oxidation unter Luftatmosphäre fähig, was mit erheblichen Wärmeeffekten einhergeht und die somit die Speicherdichte deutlich erhöhen können. Aktuelle Arbeiten im DLR haben bereits gezeigt, dass Speicher aus kostengünstigen, umweltfreundlichen Perowskit-Materialien nicht nur einen zyklischen, reversiblen Ladungs-/Entladungsbetrieb ermöglichen können, sondern darüber hinaus zu stabilen porösen Keramikstrukturen geformt werden können. Diese Eigenschaften und die Fähigkeit, Gasströme unter hohem Druck und ohne nennenswerten Druckabfall zu nutzen, machen den spezifischen Ansatz vollständig kompatibel mit der "Modularität" und somit der einfachen Skalierbarkeit kommerzieller regenerativer Wärmespeicher-/Rückgewinnungssysteme, die auf diese Weise zu hybriden thermochemischen Wärmespeichern/Wärmetauschern umgewandelt werden können. Für eine anvisierte Kommerzialisierung solcher Konzepte ist es notwendig, durch ein rationales Design von der molekularen Ebene aufwärts ein skalierbares Verfahren für die Herstellung solcher porösen Festkörperstrukturen zu entwickeln und ihren zuverlässigen Betrieb durch Langzeit-Zyklustests zu validieren.

In diesem Zusammenhang und in dieser Perspektive sind die Hauptziele und Aufgaben der Dissertation folgende:

• Synthese von Multikomponenten-Perowskit-Materialien in Pulverform mittels skalierbarer Festkörpertechniken sowie ihre Charakterisierung im Hinblick auf kritische Eigenschaften (z. B. Teilchengröße, Phasenzusammensetzung, spezifische Oberfläche, Mikromorphologie usw.)
• Screening und Optimierung solcher Perowskit-Zusammensetzungen hinsichtlich spezifischer Eigenschaften in TGA/DSC-Prüfständen gekoppelt mit den erforderlichen Überwachungs-, Kontroll- und Gasabflussanalysesystemen
• Herstellung von klein- und großflächigen Perowskit porösen Keramikstrukturen - netzartige poröse Keramik, auch bekannt als "keramische Schäume", Waben, 3-D-gedruckte Objekte
• Messung anwendungsrelevanter Eigenschaften (z.B. Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Porosität, mechanische Festigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, Permeabilität, etc.)
• Bewertung derartiger poröser Strukturen im Hinblick auf einen langfristigen, zyklischen Reduktions-Oxidations-Betrieb in speziellen Reaktorprüfständen
• Entwicklung und Validierung von Modellen der chemischen Kinetik für Pulver und poröse Strukturen
• Modellierung und Simulation thermochemischer Spannungen zur Quantifizierung der chemischen/thermischen Beiträge zu Dimensionsänderungen, ihrer Reversibilität und der kritischen chemischen/thermischen Spannungen als Funktion der Perowskit-Zusammensetzung