8. Expertenworkshop Edelmetalle - Nachbericht zur Veranstaltung

Unter dem Arbeitstitel " Edelmetalle in der Verbindungstechnik: Entwicklungen, Trends und Chancen"  konnte der 8. Expertenworkshop Edelmetalle endlich am 17. März 2022 mit zwei Jahren Verspätung in Berlin als Präsenzveranstaltung stattfinden. Das Thema hatte in der Zwischenzeit an Aktualität nichts eingebüßt.

Die Teilnehmer waren sehr interessiert an den aktuellen, hochkarätigen Fachvorträgen

Veränderungen sind in der momentanen wirtschaftlichen und politischen Situation notwendig. Zu den aktuell wichtigsten Themen gehören der Ausbau der Digitalisierung, die Umstellung auf erneuerbare Energien, eine klimaneutrale Mobilität und Ressourcenschonung. In diesen Bereichen spielt die Verbindungstechnik eine wichtige Rolle. Zum Beispiel werden beim Thema CO2-Neutralität die Folgekosten fossiler Energien in den Kosten-Nutzen-Rechnungen vernachlässigt. Der Ersatz von fossilen Energiequellen durch erneuerbare Energien geht mit einem kompletten Umdenken in Wirtschaft und Gesellschaft einher. So müssen die Energien sinnvoller eingesetzt und die Wirkungsgrade gesteigert werden. Ressourcenschonende Energiespeichermöglichkeiten müssen geschaffen werden, da die Energien nicht zeitgleich mit dem Bedarf anfallen.

Automobilindustrie: Umstellung auf Antriebe ohne Verbrennungsmotor

Als ein wichtiger Wirtschaftstreiber gibt die Automobilindustrie in vielen Bereichen das Tempo vor, zuletzt durch die Umstellung auf Antriebe ohne Verbrennungsmotor. Zurzeit sind zur Ablösung von Verbrennungsmotoren unterschiedliche Systeme auf dem Markt: der Plug-in-Hybrid (PHEV), sozusagen das Übergangsmodell, das Batteriefahrzeug (BEV) und das Brennstoffzellenfahrzeug (FCEB). Während die Zulassungen von PHEV und BEV seit 2017 deutlich gestiegen sind und im Jahr 2021 etwa 325.000 bzw. 350.000 Neuzulassungen registriert werden konnten, stagniert der Bestand an FCEB auf niedrigem Niveau (2021: 464 Neuzulassungen). Brennstoffzelle und Batterie zeichnen sich durch CO2-Neutralität im lokalen Gebrauch aus. Bei der Energieerzeugung wird der Wasserstoff aus Überschussenergie bei der Stromerzeugung aus  erneuerbaren Quellen gewonnen und dient so als Energiespeicher. Dadurch ist für Brennstoffzellenfahrzeuge nur ein geringer Anteil an Netzstrom erforderlich. Das Verhältnis Netzstrom zu Ökostrom liegt bei Batteriefahrzeugen bei eins zu drei, was einen zehnfach höheren Netzstromanteil im Vergleich zum Brennstoffzellenfahrzeug bedeutet.

Kaufargument Tankzeit

Ein Kaufargument für den Plug-in-Hybrid ist die Tankzeit. Sie ist beim Brennstoffzellenfahrzeug vergleichbar mit den mit bisherigen Kraftstoffen angetriebenen Fahrzeugen, während die Ladezeit für ein Batteriefahrzeug im Schnelllademodus für eine 80-prozentige Aufladung mindestens 20 Minuten beträgt. Hingegen wächst die Infrastruktur zum elektrischen Laden schneller als für die Wasserstoffbetankung. Beim aktuellen Entwicklungsstand verfügen Brennstoffzellenfahrzeuge über eine größere Nutzlast und Reichweite, während die Primärnutzung bei Batteriefahrzeugen um den Faktor 2 besser ist. Um insgesamt zu einer größeren Akzeptanz für beide Fahrzeugtypen (FCEB und BEV) zu gelangen, müssen die Kosten in der Serienproduktion deutlich gesenkt und die Tank- und Ladeinfrastruktur verbessert werden.

Synthetische Brennstoffe

Im Bereich der Nutzfahrzeuge kommen zusätzlich Oberleitungsfahrzeuge und synthetische Brennstoffe für die CO2- und die Schadstoffreduzierung hinzu. Beim Vergleich der Wirkungsgrade schneiden die E-Fahrzeuge mit Oberleitungs- und Batterieversorgung mit 57 bis 70 Prozent am besten ab. Brennstoffzellenfahrzeuge erreichen einen Wirkungsgrad von 24 bis 29 Prozent und synthetische Kraftstoffe schneiden mit 17 bis 20 Prozent am schlechtesten ab. Für die klimafreundliche Mobilität wird hauptsächlich der Betriebszustand betrachtet. Zum gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs gehören jedoch auch die Produktion und das Recycling, auf die zusammen betrachtet 50 Prozent des Lebenszyklus entfallen. Die einzusetzenden Materialien spielen somit eine entscheidende Rolle.

Materialforschung beschäftigt sich mit Gefügetechniken

Für den Antriebs-, Lade- und Elektronikbereich kommt es auf ein ausgewogenes Verhältnis von Materialeinsatz, thermischer- und mechanischer Belastung, Lebensdauer und Kosten an. Um dies zu optimieren, beschäftigt sich die Materialforschung intensiv mit den Gefügetechniken, mit denen die Materialien zu immer kleineren, leichteren und intelligenteren Bauteilen zusammengefasst werden. Das Lehrbuch der Gefügetechnik ist dabei das Gefüge selbst. Ein weiteres Gebiet der Materialforschung beschäftigt sich mit den Oberflächen und lernt dabei mit modernsten Analysetechniken aus der Natur. Das Erlernte wird mit einer schnellen, präzisen und berührungslosen Lasertechnik, „Direct Laser Interference Patterning“, auf die Oberflächen übertragen. Mit diesem Verfahren können Oberflächen für die unterschiedlichsten Bereiche erzeugt werden. Für die Verbindungstechnik von Bedeutung sind Eigenschaften wie Steigerung der Solaradsorption, Reduktion des elektrischen Widerstands verbunden mit einer Verbesserung von Steckkraft, Reibung und Verschleiß von Steckverbindern. Getestet werden die Oberflächen in speziellen Versuchen zum Beispiel auf der ISS.

Hohe Ansprüche an Steckverbinder

Für einen effektiven Ladevorgang eines Batteriefahrzeugs werden an die Steckverbinder hohe Ansprüche gestellt. So treten beim Schnellladen lokal hohe Temperaturen auf und die Stecker sollten mindestens 10.000 Steckzyklen bestehen. Für den eigentlichen Ladevorgang bietet Silber wichtige Eigenschaften und ist somit das geeignete Material, doch aufgrund seiner geringen Härte hält es der geforderten Steckzyklenzahl nicht stand. Um herauszufinden, welches Oberflächenmaterial die beste Eignung für Ladesteckverbinder hat, wurden unterschiedliche Silberlegierungen auf beiden Seiten der Ladevorgangs getestet. Dabei kristallisierte sich eine Legierung aus Silber und Graphit heraus, bei der die gute elektrische Leitfähigkeit der Materialien mit der Schmierfähigkeit des Graphits vereint wird, sodass beide Steckerseiten geschützt werden. Auch wenn das Silber mit der Zeit verschleißt, bleibt eine sehr dünne Graphitschicht zurück, sodass der Fahrzeugladestecker ein Autoleben hält und eine gute Ladeleistung auch bei Verschleiß der Ladeinfrastruktur gewährleistet ist.

Beim Blick auf die Verbindungen in der Kommunikationstechnik spielen andere Anforderungen eine Rolle. Die Verbindungen müssen ein ganzes Produktleben der Korrosion oder dem Kontaktverlust durch Gebrauchs- oder Umwelteinflüsse standhalten. Auf dem Grundmaterial Kupfer wurde zunächst eine Nickelschicht und darauf eine etwa 30 μm dicke Goldschicht aufgebracht. Aus Kostengründen wurde die Goldschicht auf eine Flashgoldschicht reduziert. Daraus ergibt sich ein darunterliegender Schichtaufbau aus Legierungsschichten. In der weiteren Entwicklung wurden auch Silberlegierungen getestet, wobei Silber Antimon und Silber Wismut geeignet sind. Unter einer Flashgoldschicht sind diese Legierungen stabil gegen Sauerstoff und Schwefelverbindungen.

Recycling von Wertstoffen besonders wichtig

Klimaneutralität geht mit Ressourcenschonung einher, sodass künftig noch mehr Wert auf das Recycling von Wertstoffen gelegt wird. Da die Metallschichten und insbesondere die Edelmetallschichten immer dünner werden, müssen auch die Aufbereitungsprozesse angepasst werden. Aus jährlich anfallenden 150.000 Tonnen Recyclingrohstoffen aus Elektro- und Elektronikschrott werden allein 750 Tonnen Edelmetall und darunter etwa 50 Tonnen Gold zurückgewonnen. Wie wertvoll das Recycling ist, zeigt ein Vergleich der notwendigen Energien. Um 1 Kilogramm Gold aus Golderzgewinnung zu erhalten, ist die Energie von 5 bis 6 Tonnen Öl notwendig. Im Recycling beträgt die benötigte Energie für die gleiche Menge Gold lediglich 20 bis 50 Kilogramm Öl. Gleichzeitig fallen bei den Prozessen weitere wertvolle Metalle wie Kupfer, Nickel, Selen, Tellur, Arsen, Zink, Zinn und Blei an.

Obwohl es noch keine wesentlichen Abfallmengen aus der Photovoltaik gibt, ist der Recyclingprozess bereits gesichert, sodass bisher nicht verwendbare Paneele aus der Produktion in den Recyclingprozess eingeschleust und in einem ausgetüftelten Verfahren in die wertvollen Materialien zerlegt werden können.