Hochleistungswerkstoffe für die Energiewende 

„Wir gehen jetzt dorthin, wo die Grundlagen der Energiewende gelegt werden“, sagt Matthias Oechsner, und marschiert vorweg, den langen Gang mit den vielen Büros entlang, dann links um die Ecke und durch das Treppenhaus in den Keller des Instituts. Der Leiter des Zentrums für Konstruktionswerkstoffe an der Technischen Universität Darmstadt zieht einen Generalschlüssel aus der Hosentasche und öffnet eine graue Brandschutztür. Im Raum dahinter erwarten den Besucher allerhand Kabelstränge, Messgeräte und Computer. Es ist warm und riecht nach Metall. In der Mitte des Raums aber steht das, worauf es hier offenbar am meisten ankommt: eine übermannshohe, scheibenförmige und achteckige Apparatur aus Metall, die mit ihren vier Zylindern ganz fern an einen Motor erinnert. 

„Das ist ein bi-axiales Prüfsystem“, erklärt Professor Oechsner, der es natür­lich besser weiß. „Damit können wir zum Beispiel hochfeste Stähle oder Nickelverbindungen auf ihre Haltbarkeit oder auf andere Materialeigen­schaften testen. Wir spannen die Proben ein und lassen sie dann von den Zylindern gleichzeitig in zwei verschiedene Richtungen und mit unterschiedlicher Kraft auseinanderziehen.“ Und weil die Werkstoffe in der Praxis zudem häufig hohen Temperaturen ausgesetzt sind, können die Wissenschaftler die Versuche direkt bei Temperaturen von bis zu 1.100 Grad durchführen. Am Ende solcher Versuchsreihen und nach vielen komplexen Modellberechnungen am Computer wissen die Forscher dann, welche dieser Hochtemperaturwerkstoffe sich zum Beispiel am besten für den Bau von modernen Gasturbinen eignen. Mit der futuristisch wirkenden Anlage sind die Forscher in Darmstadt überdies in einer exklusiven Position. Es gibt insgesamt nur wenige solcher Systeme – weltweit.  

Zurück in seinem Büro erläutert Matthias Oechsner, wie wichtig die Materialforschung ist – gerade auch für den Erfolg der Energiewende. „Überall werden heute leistungsfähige Hochleistungswerkstoffe benötigt, ob in modernen Windkraftanlagen, in Gaskraftwerken oder Solaranlagen. Wer daher heute Energiewende sagt, der muss auch Darmstadt sagen. Unsere TU ist weltweit eine der größten Einrichtungen, die sich mit geeigneten Werkstoffen für die Energiewende beschäftigt“, sagt Oechsner. 

Es überrascht darum auch nicht, dass das Zentrum für Konstruktionswerkstoffe die größte Forschungseinrichtung an der TU ist. Zurzeit arbeiten 150 Mitarbeiter für diese wissenschaftlich-technische Einheit, die aus zwei Bereichen besteht – aus der Staatlichen Materialprüfungsanstalt Darmstadt und aus dem Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde. Und die Aufgaben sind vielfältig: Forschung und Lehre, Entwicklung und Beratung, Prüfung und Überwachung oder Begutachtung und Schadensanalyse. 

Spitzenforschung

Die größte Forschungseinrichtung an der Technischen Universität Darmstadt: Am Zentrum für Konstruktionswerkstoffe prüfen Experten Werkstoffe und Bauteile aller Art auf Herz und Nieren.

„Die TU Darmstadt ist weltweit bekannt - vor allem für ihre technischen Pionierleistungen.“

Matthias Oechsner, Leiter des
Zentrums für Konstruktionswerkstoffe

Gewissenhafter Blick: Matthias Oechsner

Aus der Unternehmenswelt in die Wissenschaft

Vor seiner Zeit in Darmstadt war Matthias Oechsner lange ein Mann der Wirtschaft. Er arbeitete dreizehn Jahre für die Siemens AG und baute in Deutschland, den USA und China gigantische Turbinen und Gaskraftwerke. Unter anderem trug Oechsner in dieser Zeit die globale Verantwortung für die weltweite Technologieentwicklung und den Bereich der Werkstoffe für Gasturbinen. Bei seiner Arbeit in der Industrie stand zunehmend der „General Manager“ im Vordergrund, weniger der Ingenieur. „Den Ingenieur in mir wieder etwas stärker zu betonen, mehr wissenschaftlich arbeiten zu können – das hat mich ungeheuer an der Aufgabe in Darmstadt gereizt“, sagt Professor Oechsner, der nun bereits seit sieben Jahren an der TU Darmstadt arbeitet.  

Der 50-jährige Wissenschaftler hat aber noch eine weitere, zentrale Aufgabe. Er ist Sprecher des Profilbereichs „Energiesysteme der Zukunft“ der TU Darmstadt. Dieser Bereich ist einer von insgesamt sechs Profilbereichen, die gemeinsame wissenschaftliche Ziele verfolgen und diverse Verbundaktivitäten vereinen. Die Profilbereiche reichen von Energie, Cybersicherheit oder Teilchenforschung bis hin zur Digitalisierung. „Die Profilbereiche sind die Leuchttürme der TU“, betont Professor Oechsner. Sie erhöhen die internationale Sichtbarkeit der Forschung und zeichnen sich darüber hinaus durch den klaren inhaltlichen Fokus, die interdisziplinäre Zusammenarbeit und die hohe thematische Relevanz für Gesellschaft und Wirtschaft aus. 

Das gilt auch für die Energieforschung. Der Profilbereich vernetzt und koordiniert die Energieforschung aller für diesen Bereich wichtigen Fachdisziplinen. So ermöglicht er eine fachübergreifende und ganzheitliche Sichtweise auf die komplexe Transformation des Energiesystems. Wie interdisziplinär die Zusammenarbeit organisiert ist, zeigt allein schon die Zusammensetzung des Führungsteams: Professor Oechsner leitet den Bereich gemeinsam mit ­seinen Stellvertretern Professor Wolfram Jaegermann und Professorin ­Michèle Knodt, einem Materialwissenschaftler und einer Politikwissenschaftlerin.           

„Interdisziplinarität ist ganz wichtig. So möchten wir zu neuen Ideen und Erkenntnissen kommen“, sagt Professor Oechsner. „Eine meiner Hauptaufgaben ist es daher, Leute aus verschiedenen Fachbereichen und Disziplinen zusammenzubringen.“ Und das scheint zu gelingen: Alles in allem sind am Profilbereich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 36 Fachgebieten beteiligt – aus dem Maschinenbau und der Materialforschung ebenso wie aus der Chemie, aus dem Bereich Architektur, den Gesellschafts- und Geschichtswissenschaften und aus der Mathematik. Die Bandbreite der insgesamt acht Forschungsbereiche des Profilbereichs reicht von solaren Brennstoffen, der Systemintegration bis hin zu intelligenten Energienetzen.

Hier herrschen Temperaturen von bis zu 1.100 °C: In der größten Hochtemperaturversuchsanlage in Europa testen Wissenschaftler Werkstoffe auf deren Haltbarkeit und Belastbarkeit.

„Die sechs Profilbereiche an der TU zeichnen sich durch einen klaren inhaltlichen Fokus aus.“

Matthias Oechsner, Leiter des
Zentrums für Konstruktionswerkstoff

Langfristiger Vertrag mit der TU Darmstadt

Die ENTEGA STEAG Wärme GmbH, eine gemeinsame Tochtergesellschaft der ENTEGA und der STEAG New Energies GmbH aus Saarbrücken,  versorgt die Technische Universität Darmstadt seit 2016 mit Wärme, Strom – und sogar mit Kälte. Dafür unterzeichneten die Partner einen bis 2030 laufenden, sogenannten Con­tracting-Vertrag mit der TU Darmstadt. Ein solcher Vertrag regelt die Versorgung mit Energie, ebenso wie den Betrieb und die Pflege der Anlagen. Die Kooperation mit der TU Darmstadt sieht umfangreiche Investitionen vor: Um die Energie­versorgung auf den neuesten Stand zu bringen, investiert der neue Energiedienstleister insgesamt 17 Millionen Euro in hoch­effiziente ­Technologien. So modernisiert und erweitert das Unternehmen die bestehende Energiezentrale und baut das Versorgungsnetz der TU aus. Das ist nicht nur gut für die Energiebilanz der Universität, sondern auch für die Umwelt: Mit dem Energiekonzept können in den ­kommenden 15 Jahren insgesamt rund 175.000 Tonnen Kohlendioxid eingespart werden. Der Energiebedarf der TU Darmstadt entspricht schon heute pro Jahr dem Bedarf einer Kleinstadt – mit steigender Tendenz. Eine möglichst hohe Energieeffizienz ist für die TU also wichtiger denn je. Die Investi­tionen sehen unter anderem vor, ein neues Blockheizkraftwerk auf dem Campus Lichtwiese der Universität zu errichten. Ebenso soll eine ­A­bsorptionskältemaschine gebaut werden. Diese nutzt die ­Abwärme des Blockheizkraftwerkes, um daraus Kälte zu ­erzeugen. ­Da­rüber hinaus entsteht auf dem Campus ein neues, rund drei Kilometer langes Kältenetz, um insbesondere die modernen Hochleistungsrechner der TU effizient kühlen zu können.  

Anschluss an das Fernwärmnetz der ENTEGA

Zentrales Element der Erweiterung ist der Anschluss der TU Darmstadt an das Fernwärmenetz der ENTEGA. Das bisherige Fernwärmenetz der TU Darmstadt ist bereits rund 20 Kilo­meter lang. Daran angeschlossen sind rund 160 ­Gebäude – unter anderem der Campus Lichtwiese, aber auch das Justiz­zentrum oder das Hessische Landes­museum. Dieses Netz wird in den kommenden Monaten nun an das Fern­wärmenetz der ­ENTEGA angeschlossen. Schon heute versorgt ENTEGA mit ­diesem Fernwärmenetz weite ­Teile des nördlichen Stadtgebietes sowie größere Unternehmen wie beispielsweise Schenck Process oder den EAD. Die Verbindung ­beider Netze hat im September 2016 begonnen. Bis Ende 2017 verlegt das Unternehmen in Darmstadt nun rund 1.800 Meter Wärmeleitungen. Im Zuge dieses Ausbaus ­werden auch weitere ­Liegenschaften wie z. B. das ­Klinikum Darmstadt an das Wärmenetz angeschlossen. Die umweltfreundlich erzeugte ­Wärme wird im Darmstädter Müllheizkraftwerk gewonnen – und künftig nun also auch von der TU Darmstadt genutzt.

Eines der Hauptziele ist es, aus einzelnen, bisher unverbundenen ­Technologien neue verbundene Systeme zu entwickeln. Ein Beispiel dafür, wie das gelingen kann, ist die ETA-Modellfabrik. Sie wurde Anfang 2016 auf dem Campus der TU eröffnet. In der 800 Quadratmeter großen Modellfabrik erforschen Wissenschaftler verschiedenster Disziplinen unter realen Bedingungen, wie sich durch die Vernetzung von Gebäude- und Produktionskomponenten Energie noch effizienter nutzen lässt. Die Abwärme der Werkzeugmaschinen zum Beispiel dient dazu, weitere Anlagen der Modellfabrik mit Wärme zu versorgen oder die Halle zu beheizen. 

„In unserer Arbeit geht es aber längst nicht nur um technische Fragestellungen, wie etwa die Energieeffizienz“, sagt Professor Oechsner. Ebenso wichtig wie die Entwicklung neuer Technologien sind Aspekte wie die ökologische Verträglichkeit, die Wirtschaftlichkeit oder die gesellschaftliche Akzeptanz. Allein die öffentlichen Diskussionen – etwa über den Bau von neuen Windkraftanlagen oder Stromtrassen vom Norden in den Süden Deutschlands – zeigten, wie wichtig es sei, die Öffentlichkeit frühzeitig über neue Vorhaben zu informieren und in die Diskussion einzubeziehen. Mit dem Forschungsbereich „Governance und ökonomische Aspekte“ leiste der Profilbereich auch dazu einen Beitrag. 

Modernste Energietechnik benötigt exzellente Forschung.

„Die ENTEGA arbeitet sehr erfolgreich mit den Hochschulen in der Wissenschaftsstadt Darmstadt zusammen.“

Dr. Marie-Luise Wolff,
Vorsitzende des Vorstands der ENTEGA AG

ENTEGA engagiert sich an der TU Darmstadt

Eine Plattform des Austauschs zwischen Wissenschaft, Politik und Wirtschaft ist außerdem die jährliche Energiekonferenz, die vom „TU Darmstadt Energy Centre“ veranstaltet wird. Das Energy Centre ist Teil des Profilbereichs und wurde bereits 2007 gegründet. Es soll vor allem den Informationsfluss und Austausch untereinander verbessern. Unterstützt und gefördert wird die Ein­richtung von einem eingetragenen Verein, dem „Beirat des TU Darmstadt ­Energy Center“, in dem auch die ENTEGA AG vertreten ist. Dr. ­Marie-­Luise Wolff ist als Vorstandsvorsitzende eines von dreizehn Mitgliedern des  Beirats. 

Aber auch darüber hinaus ist ENTEGA an der Universität engagiert: Das ENTEGA NATURpur Institut fördert die Stiftungsprofessur für Angewandte Geothermie an der Technischen Universität Darmstadt, die von Professor Ingo Sass vertreten wird. Seit Herbst 2016 unterstützen ENTEGA AG und das ENTEGA NATURpur Institut die Arbeit der TU zudem mit dem „Pioneer Fund zur Förderung von Innovationen“, der zunächst mit jährlich je 300.000 Euro vom ENTEGA NATURpur Institut und der TUD gespeist wird. Das Förder­programm soll vielversprechende Forschungsergebnisse schneller in die ­gesellschaftliche oder wirtschaftliche Anwendung überführen. 

Dass die TU Darmstadt bei der Energiewende bereits eine führende Rolle spielt, zeigt die Beteiligung am „Kopernikus-Projekt für die ­Energiewende“ des Bundesforschungsministeriums. Unterteilt ist das Projekt in vier Schlüssel­­bereiche, an denen die TU Darmstadt allein an drei Bereichen mitarbeitet. ­Einer dieser Bereiche wird unter der Leitung von Professor Eberhard Abele ­sogar gemeinsam mit der Universität Stuttgart koordiniert. 

„Dass die TU Darmstadt so weit vorne mit dabei ist und die Energiewende insgesamt ein immer wichtigeres Thema wird, zeigt sich an den Studierenden“, sagt Professor Oechsner. „Die Studierenden sagen uns immer öfter, dass sie sich mit der Entwicklung von Energiesystemen beschäftigen wollen – und da sind sie bei uns an der TU natürlich an der ersten Adresse.“ An der TU Darmstadt wurde eigens ein Masterstudiengang „Energy Science & Engineering“ eingerichtet, dessen Studierendenzahl stetig ansteigt.   

Spitzenforschung im Detail, aber mit großer Wirkung: Die Arbeit des Zentrums für Konstruktionswerkstoffe sichert den Industriestandort Deutschland.

Jede Menge Energie für winzigste Teilchen

Im Norden von Darmstadt in den Stadtteilen Arheilgen und Wix­hausen entsteht gerade eines der größten Forschungsvorhaben der Welt – und die ENTEGA-Tochter­gesellschaft e-netz Südhessen schafft dafür die wichtigen Voraussetzungen der Stromversorgung. Beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung entsteht mit dem Projekt „FAIR“ zurzeit ein auf der Welt einzigartiger Teilchenbeschleuniger. Physiker aus aller Welt werden dort aller Voraussicht nach neue Einblicke in den Aufbau der Materie und in die Entstehung und Entwicklung des Universums ­erhalten. Um die Teilchen aber überhaupt in Be­wegung zu ­bringen, wird viel ­Energie gebraucht: Die Anlage benötigt allein für den allgemeinen Bedarf, überwiegend zur Kühlung, eine Leistung von rund 70 Megawatt – das entspricht dem Leistungsbedarf von 70.000 Haushalten. Zusätzlich braucht FAIR eine hohe Pulslast. Die Energie der Pulslast ­beschleunigt die winzigen Teilchen im Beschleuniger fast bis auf Lichtgeschwindigkeit. Dafür wird in kurzen Abständen eine Stromleistung von rund 30 Megawatt aus dem Netz gezogen und fließt dann auch wieder zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrmals in einer Sekunde. Um das allgemeine Netz vor diesen hohen Schwankungen
 

Sieht aus wie ein Stahlkocher, ist aber ein Wissenschaftler.

Werkstoffe unter Spannung

Die apparative Ausstattung des Zentrums für Konstruktionswerkstoffe umfasst Standardprüfmaschinen und individuelle Versuchseinrichtungen: Mit diesem bi-axialen Prüfsystem lassen sich Werkstoffe bei bis zu 1.100 Grad sogar mehrachsig beanspruchen.
Wie lange halten bestimmte Bauteile oder Werkstoffe, bevor sie ermüden oder reißen? In dieser Anlage wird das über lange Zeiträume hinweg geprüft.

„Wenn es um werkstofftechnische Frage­stellungen geht, sind wir ein leistungsstarker und unabhängiger Partner.“

Matthias Oechsner,
Leiter des Zentrums für Konstruktionswerkstoffe