Zentrum für effiziente Hochtemperaturstoffwandlung (ZeHS)

Die Arbeiten am ZeHS zielen auf die Entwicklung ressourcen- und energieeffizienter Technologien im Bereich der Grundstoffindustrie. Dabei sollen Prozess- und Materialanforderungen in der chemischen Industrie sowie der Keramik-, Glas- und Baustoffindustrie umfassend analysiert und bewertet werden. Eine Besonderheit, die an der TU Bergakademie Freiberg zum Tragen kommt, ist die Bearbeitung der Themen entlang einer geschlossenen Innovationskette, ausgehend von der Theorie über Laborversuche, Technikums- und Pilotanlagen bis hin zur Großversuchstechnik.

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Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung (ZeHS)

Die Arbeiten am ZeHS zielen auf die Entwicklung ressourcen- und energieeffizienter Technologien im Bereich der Grundstoffindustrie. Dabei sollen Prozess- und Materialanforderungen in der chemischen Industrie sowie der Keramik-, Glas- und Baustoffindustrie umfassend analysiert und bewertet werden. Eine Besonderheit, die an der TU Bergakademie Freiberg zum Tragen kommt, ist die Bearbeitung der Themen entlang einer geschlossenen Innovationskette, ausgehend von der Theorie über Laborversuche, Technikums- und Pilotanlagen bis hin zur Großversuchstechnik.

Vorhaben

Im Zeitraum der Jahre 2012 bis 2015 beteiligte sich die TU Bergakademie Freiberg mit einem Antrag für ein „Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung“ (ZeHS) am Wettbewerb um eine Förderempfehlung für Forschungsbauten an Hochschulen gemäß Art. 91b GG. Nach der erfolgreichen Verteidigung vor dem Wissenschaftsrat und der Bestätigung durch die gemeinsame Wissenschaftskonferenz des Bundes und der Länder stehen der Universität in den Jahren 2015 bis 2020 41,5 Mio. Euro für die Baukosten und die Beschaffung ausgewählter Großgeräte zur Verfügung.

Bündelung vorhandener Kompetenzen

Mit der Etablierung des ZeHS folgt die TU Bergakademie Freiberg ihrem Hochschulentwicklungsplan 2020, Forschung und Lehre über die gesamte Wertschöpfungskette weiter zu vernetzen. Dabei wird eine lückenlose Verknüpfung, ausgehend von der Theorie über den Laborversuch, die Technikums- und Pilotversuchsanlage bis hin zur Großversuchstechnik in einer für die industrielle Nutzung erforderlichen skalenmäßigen Auslegung, angestrebt. Der Forschungsbau ermöglicht die strukturelle Bündelung der an der TU Bergakademie Freiberg in den Bereichen Hochtemperaturprozesse und -materialien in einzigartiger Weise vorhandenen Kompetenzen. Die Hochtemperaturstoffwandlung umfasst dabei alle Prozesse, die bei Temperaturen oberhalb von etwa 500 °C ablaufen. Der Fokus des ZeHS liegt auf der Entwicklung innovativer, ressourcen- und energieeffizienter Technologien im Bereich der Grundstoffindustrie, wobei Prozess- und Materialanforderungen in der chemischen Industrie, der Metallurgie sowie der Keramik-, Glas- und Baustoffindustrie zusammenhängend betrachtet werden und die Ergebnisse auch auf andere Branchen übertragbar sind. Hier kommen der flexibleren Nutzung erneuerbarer Ressourcen und der Schaffung geschlossener Stoff- und Energiekreisläufe sowie der Ausrichtung von Industrieprozessen auf zeitlich fluktuierende Angebote an Überschussenergie – insbesondere aus Solar- und Windkraft – unter Einbeziehung der Energiespeicherung besondere Bedeutung zu. Das ZeHS soll im Ergebnis den Verbleib der ressourcen- und energieintensiven Grundstoffindustrie in Deutschland unterstützen; strategisch werden auch Neuansiedlungen angestrebt.

Strukturelle Gliederung

Die Forschungsschwerpunkte des ZeHS werden durch die zwei komplementären Kompetenzzentren „Hochtemperaturprozesse – Vom Mechanismus zur Anwendung“ sowie „Hochtemperaturmaterialien – Vom Material zum Bauteil“ vertreten. Diese beiden Kompetenzzentren sollen die wissenschaftlichen Entwicklungslinien des ZeHS geschlossen bearbeiten. Die beiden Kompetenzzentren bilden zusammen mit drei Koordinationsstellen die fachliche Gliederung des ZeHS. Die Koordinationsstellen „Materialien und Eigenschaften“, „Material-, Bauteil- und Prozesssimulation“ und „Technologiemanagement und Systemanalyse“ koordinieren einerseits die methodischen Kompetenzen sowie die Geräteinfrastruktur innerhalb des ZeHS, insbesondere für die geplanten Zentrallabore Physikalische und Chemische Analytik.

Forschungsinfrastruktur

Ein Grundsatz des ZeHS ist die gemeinsame Nutzung der Infrastruktur und der Forschungsgeräte durch alle Beteiligten. Der Forschungsbau schafft durch die vorgesehene strukturelle Gliederung in Zentrallabore und Technika eine entsprechende Labor- und Geräteinfrastruktur.

Zentrallabor Chemische Analytik

Das Zentrallabor Chemische Analytik stellt die für die Forschungsprogrammatik des ZeHS erforderlichen, einschlägigen Verfahren auf der Laborskala bereit. Dabei sind zusätzlich zur Analytik auch chemische Syntheseverfahren eingeschlossen.

Zentrallabor Physikalische Analytik

Das Zentrallabor Physikalische Analytik stellt die für die Forschungsprogrammatik des ZeHS erforderlichen, einschlägigen Verfahren auf der Laborskala bereit. Dabei sind zusätzlich zur Analytik auch physikalische Syntheseverfahren eingeschlossen.

Darüber hinaus sollen zwei Hallen für ein Prozess- und ein Materialtechnikum als kooperativ genutzte Infrastrukturen gebaut werden. Durch die Großgeräte im Prozess- und Materialtechnikum kann die Forschungsinfrastruktur der TU Bergakademie Freiberg zu geschlossenen Prozessketten integriert werden.

Prozesstechnikum

Das Prozesstechnikum gliedert sich dabei in ein Synthese- und ein Ofentechnikum sowie ein Korrosions- und Nitrierlabor mit jeweils verschiedenen Geräten und Versuchsständen.

Materialtechnikum

Im Materialtechnikum soll das Kernstück einer pulvermetallurgischen Fertigungslinie für Hochtemperaturmaterialien bzw. refraktäre Verbundwerkstoffe abgebildet werden.

Veröffentlichungen

2017 - Schriften zum Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandling (ZeHS) - Umschlag
2017 - Schriften zum Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandling (ZeHS)

Kompetenzzentrum "Hochtemperaturprozesse – Vom Mechanismus zur Anwendung"

Im Kompetenzzentrum „Hochtemperaturprozesse – Vom Mechanismus zur Anwendung“ werden die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des ZeHS zu Technologien für effiziente Hochtemperaturprozesse hin zu chemischen Hochtemperaturprozess-Reaktoren und allgemein Hochtemperaturprozess-Anlagen gebündelt, die für die Erzeugung der meisten industriellen Grundstoffe (z.B. Metalle, Keramik, Glas und Basischemikalien) von essentieller Bedeutung sind. Allgemein soll die Hochtemperaturprozesstechnik dahingehend weiterentwickelt werden, dass deren Ressourcen- und Energieeffizienz bei gleichzeitiger Erhöhung der Energiedichte sowie Flexibilisierung und Elektrifizierung entscheidend gesteigert werden kann. Mittel- bis langfristig soll die vorhandene Expertise zu chemischen Reaktoren und Öfen der Thermoprozesstechnik mit dem Ziel, ein umfassendes Stoff-, Prozess-, Material- und Modellierungswissen der beteiligten Fachdisziplinen für eine neue Generation von Hochtemperaturprozessen bereitzustellen, zusammengeführt werden.

Kompetenzzentrum "Hochtemperaturmaterialien – Vom Material zum Bauteil"

Im Kompetenzzentrum „Hochtemperaturmaterialien – Vom Material zum Bauteil“ werden die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des ZeHS für synthetische feuerfeste Materialien gebündelt. Diese bilden die Voraussetzung für den Aufbau der Prozessumgebung bei allen maßgeblichen Hochtemperaturprozessen. Die Forschungsprogrammatik des Kompetenzzentrums folgt umfassend dem ausgesprochen breiten Anforderungsspektrum bezüglich der Eigenschaften der Hochtemperaturmaterialien für eine deutliche Verschiebung ihrer Belastungsgrenzen und neue Anwendungsfelder insbesondere im Zusammenhang mit der Flexibilisierung und Elektrifizierung der Hochtemperaturprozesse. Die Kategorie der Hochtemperaturmaterialien ist, außer durch eine hohe Schmelztemperatur, zugleich durch große, auch das dynamische Verhalten betreffende, mechanische Festigkeitsanforderungen im gesamten Temperaturbereich des Einsatzes charakterisiert. Es ist vorgesehen, alle Einzelbereiche von der Ressourcenverfügbarkeit über technologische Fragen, etwa zur Fügetechnik, bis hin zum Recycling, geschlossen abzubilden.

Koordinationsstelle "Material-, Bauteil- und Prozesssimulation"

Die Modellierung des mechanischen, thermodynamischen und funktionalen Materialverhaltens auf atomaren, mesoskopischen und makroskopischen Längenskalen sowie die Schnittstelle zur Prozesssimulation, die die erforderlichen Randbedingungen bereitstellt, sollen hier umfassend gebündelt werden. Damit wird einerseits die Voraussetzung für die Entwicklung von Hochtemperaturmaterialien mit einsatzspezifischen Eigenschaften geschaffen, anderseits auch die enge Kopplung zur Prozessbeschreibung und -optimierung garantiert. Die thermomechanische Beanspruchung unter betrieblichem Einsatz wird durch numerische Simulationen vorausgesagt, berechnet und bewertet. Die Simulationsmethoden reichen von den Ab-initio-Ansätzen über die Molekulardynamik und diskrete Versetzungsdynamik, die Finite-Elemente-Methode, die Randelementmethode bis zur Analyse gekoppelter mechanischer, thermischer und elektrischer Randwertprobleme.

Koordinationsstelle "Materialien und Eigenschaften"

Auf atomarer Skala werden die Eigenschaften der Materialien schwerpunktmäßig mit abbildenden und spektroskopischen Methoden im Labor und synchrotronbasiert untersucht. Auf der Mesoskala ermöglichen die Methoden sowohl die Analyse der Materialrealstruktur im thermodynamischen Gleichgewicht als auch die Untersuchung der Thermodynamik der Phasenbildung und -umwandlung sowie der Reaktions- und Diffusionskinetik. Hier steht für die Phasen-, Textur- und Realstrukturanalyse eine breite Palette diffraktometrischer Verfahren zur Verfügung. Dies betrifft ebenso die thermodynamische und kinetische Analytik. Auf der Makroskala sind neben den klassischen mechanischen Werkstoff- und Bauteilprüfmethoden für metallische und keramische Materialien sowie für Verbundwerkstoffe auch Kleinstprobenprüfverfahren verfügbar. Viele der genannten Methoden können an der TUBAF im Labormaßstab in situ bei hohen Temperaturen und Drücken angewandt werden.

Koordinationsstelle "Technologiemanagement und Systemanalyse"

Das Technologiemanagement des ZeHS umfasst die Planung, Durchführung und Kontrolle der Entwicklung ressourcen- und energieeffizienter Hochtemperaturprozesse zur Schaffung von Wettbewerbsvorteilen der Grundstoffindustrie. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die technischen und ökonomischen Synergien entlang der Innovationskette von den Naturwissenschaften Physik und Chemie über die Werkstoffwissenschaft und -technologie bzw. Verfahrenstechnik bis hin zum Anlagenbau gelegt. Für Hochtemperaturprozesse und Hochtemperaturmaterialien, insbesondere die refraktären Verbundwerkstoffe, deren Anwendung bzw. Markteintritt noch bevorsteht, gilt es Technologiefolgenabschätzungen vorzunehmen. Im Vordergrund stehen hierbei die Chancen und Risiken der Technologie im Hinblick auf die Umwelt und die Nachhaltigkeit. Des Weiteren sind im Rahmen einer Systemanalyse die Wechselwirkungen der Prozess- und Materialanforderungen der ZeHS-Projekte zu untersuchen. Bei den marktnahen Hochtemperaturprozessen bzw. Technologien und Hochtemperaturmaterialien liegt der Schwerpunkt dagegen im Innovationsmanagement.

Direktion, Vorstand, Mitglieder und Beirat

Das ZeHS wird durch einen Direktor geleitet. Die kontinuierliche Wahrnehmung seiner Aufgaben wird durch die Arbeit einer Referentin gewährleistet.

Der Direktor wird in seiner Arbeit durch einen Vorstand begleitet, er berichtet gegenüber der Mitgliederversammlung und nutzt zusätzlich die Expertise eines fachlichen Beirats.

Der Vorstand des ZeHS berät in wissenschaftlicher Hinsicht, zu organisatorischen Veränderungen wie etwa zur Implementierung neuer Arbeitsgruppen, zur Zuweisung von Verantwortlichkeiten sowie der räumlichen und gerätetechnischen Infrastruktur und trifft entsprechende Beschlüsse.

Der Vorstand setzt sich aus dem Direktor, den Leitern der Kompetenzzentren und Koordinationsstellen, den Beauftragten der TU Bergakademie Freiberg für die Wahrnehmung von Arbeits- und Umweltschutz, Nachwuchsförderung und Gleichstellung sowie drei Vertretern der Mitgliedersammlung zusammen.


Prof. Dr. rer. nat. Dirk C. Meyer
Direktor

dirk-carl.meyer@zehs.tu-freiberg.de


Ass. iur. Theresa Lemser
Referentin

theresa.lemser@zehs.tu-freiberg.de

TU Bergakademie Freiberg
Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffwandlung (ZeHS)
Am St. Niclas-Schacht 13
D-09599 Freiberg

Telefon: +49 3731 419-167
Fax: +49 3731 419 6167

Siehe auch: http://tu-freiberg.de/fakultaet2/exphys



Folgende Mitglieder des ZeHS gehören dem Vorstand an:

Prof. Dr. rer. nat. Dirk C. Meyer (Sprecher, Direktor)

Prof. Dr.-Ing. Christos G. Aneziris (Leiter des Kompetenzzentrums "Hochtemperaturmaterialien – Vom Material zum Bauteil")

Prof. Dr.-Ing. Horst Biermann (Vertreter des Leiters des Kompetenzzentrums "Hochtemperaturmaterialien – Vom Material zum Bauteil")

Prof. Dr.-Ing. Bernd Meyer (Leiter des Kompetenzzentrums "Hochtemperaturprozesse – Vom Mechanismus zur Anwendung")

Prof. Dr.-Ing. Olena Volkova (Vertreterin des Leiters des Kompetenzzentrums "Hochtemperaturprozesse – Vom Mechanismus zur Anwendung")

Dr. rer. nat. Barbara Abendroth (Leiterin der Koordinationsstelle „Materialien und Eigenschaften“)

Dr.-Ing. Martin Abendroth (Leiter der Koordinationsstelle „Material-, Bauteil- und Prozesssimulation“)

Prof. Michael Höck (Leiter der „Koordinationsstelle Technologiemanagement und Systemanalyse“)

Prof. Dr. rer. nat. Edwin Kroke (Vertreter der Mitgliederversammlung)

Prof. Dr. rer. nat. Serguei Molodtsov (Vertreter der Mitgliederversammlung)

Prof. Dr.-Ing. Gotthard Wolf (Vertreter der Mitgliederversammlung)

Mitglieder des ZeHS:

Dr. rer. nat. Barbara Abendroth
Dr.-Ing. Martin Abendroth
Prof. Dr.-Ing. Christos G. Aneziris
Prof. Dr.-Ing. Horst Biermann
Prof. Dr. rer. nat. Hermann Ehrlich
Dr. rer. nat. Olga Fabrichnaya
Prof. Dr.-Ing. Tobias Fieback
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Groß
Prof. Dr.-Ing. Christian Hasse
Prof. Dr. rer. pol. Michael Höck
Prof. Dr. rer. nat. Yvonne Joseph
Prof. Dr.-Ing. Rudolf Kawalla
Prof. Dr.-Ing. Jana Kertzscher
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Krause
Prof. Dr. rer. nat. Edwin Kroke
Prof. Dr.-Ing. Lutz Krüger
Prof. Dr. rer. nat. Meinhard Kuna
Prof. Dr.-Ing. Sven Kureti
Prof. Dr. rer. nat. Andreas Leineweber
Prof. Dr. rer. nat. Florian Mertens
Prof. Dr.-Ing. Bernd Meyer
Prof. Dr. rer. nat. Dirk C. Meyer
Prof. Dr. rer. nat. Serguei Molodtsov
Prof. Dr. rer. nat. David Rafaja
Prof. Dr.-Ing. Jens-Uwe Repke
Prof. Dr. rer. nat. Oliver Rheinbach
Prof. Dr.-Ing. Michael Stelter
Dr.-Ing. Volker Uhlig
Prof. Dr.-Ing. Olena Volkova
Prof. Dr.-Ing. Gotthard Wolf

Die Mitgliederversammlung unterstützt den Vorstand bei der Weiterentwicklung der Forschungsprogrammatik. Sie nimmt den Jahresbericht des Vorstandes entgegen und berät Details für die Umsetzung. Sie wählt für spezifische Aufgaben Verantwortliche aus ihrem Kreis.

Der Beirat, dem Experten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik angehören sollen, berät den Vorstand zu allen für das ZeHS relevanten Fragen und unterstützt diesen hinsichtlich der Vernetzung des ZeHS in den relevanten wissenschaftlichen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Bereichen sowie bei der Außendarstellung.