DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR NICKEL UND SEINE ANWENDUNGEN
NICKEL, JHRG. 38, Nr. 2, 2023
Rapide Fortschritte im Schienenschnellverkehr in Indien
Nickel-Katalysatoren bei der Dekarbonisierung
Nachhaltige Schiffskraftstoffe
Die schmale Halbinsel von Mumbai weist zur Anbindung ihrer 12,5 Millionen Einwohner mehr als 440 Brücken auf. Die Mrinaltai Gore-Straßenüberführung ist ein massives Infrastrukturprojekt mit dem Ziel, Verkehrsstaus in Indiens bevölkerungsreichster Stadt zu reduzieren. Das Projekt wird in mehreren Phasen umgesetzt. Vor Kurzem wurde eine Erweiterung der Überführung, die Brücke über Walbert Nalla im Oshiwara District Centre, fertig gestellt, um die Anforderungen dieses schnell wachsenden Vororts au lange Zeit zu decken.
Die Brihanmumbai Municipal Corporation (BMC) gab das im Jahr 2022 fertig gestellte Projekt in Auftrag.
Ort: Oshiwara District Centre, Mumbai
Projekteigner: Brihanmumbai Municipal Corporation (BMC)
Lieferant: Jindal Stainless
Gewicht des Edelstahls: 450 Tonnen
Güte: Duplex 2205 (UNS S32205)
Es sollte eine neue Brücke gebaut werden, die in den kommenden Jahrzehnten außergewöhnlich anspruchsvolle Bedingungen wird erfüllen können – Bedingungen in Verbindung mit extremer Witterung und dem unter der Brücke hindurchfließenden Meerund Abwasser. Für die eigentliche Brücke wurde ein Material mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit spezifiziert. Edelstahl erwies sich als der für diese Herausforderungen ideale Werkstoff.
Alle Träger und Statikkomponenten wurden aus Duplex-Edelstahl 2205 (UNS S32205) hergestellt, der von Jindal Stainless geliefert wurde. Diese Güte wurde aufgrund ihrer hohen Festigkeit und überragenden Korrosionsbeständigkeit gewählt, die auf den Nickel- und Molybdängehalt zurückzuführen sind.
Die nickelhaltige Edelstahllösung bietet über ihre gesamte Lebensdauer hinweg einen geringen Wartungsbedarf. Dadurch ist sie eine ökonomische Option, die zudem eine Reduzierung der CO2-Gesamtbilanz der Brücke gewährleistet. Insgesamt wurden in den Trägern und Statikkomponenten 450 Tonnen Edelstahl verbaut.
Wir wollen nicht ausschließen, dass künstliche Intelligenz einen Beitrag zum Verfassen dieses Editorials geleistet hat. Das wäre dann eine relativ ungefährliche Anwendung von ChatGPT, einer revolutionären Technologie, die der Allgemeinheit in den letzten Monaten zugänglich gemacht wurde. Aber wenn der Einsatz von KI in Situationen erwogen wird, bei denen es buchstäblich um Leben und Tod geht, muss die Frage beantwortet werden, wie präzise und richtig die von ChatGPT angebotenen Ratschläge sind. Falls Sie ein KI-Frühanwender sind, finden Sie unter Fragen an Experten auf Seite 14 einige Tipps zur Verwendung dieser neuen Technologie bei der Materialauswahl.
Das Spezifi zieren der für die anstehende Aufgabe geeigneten Materialien ist für die Entwicklung von nachhaltigen Transportsystemen von grundlegender Bedeutung. In dieser Ausgabe von Nickel betrachten wir verschiedene Beiträge unseres Lieblingsmetalls zum Transportwesen und beschreiben, inwiefern es dazu beiträgt, Menschen und Güter auf möglichst nachhaltige und klimafreundliche Weise von einem Punkt zum anderen zu bewegen. Seine kritische Funktion bei diesen Bemühungen bleibt oft im Verborgenen. Nickel verleiht einer Transportinfrastruktur aber Beständigkeit und Widerstandskraft, sodass eine längere Lebensdauer möglich wird und wertvolle Ressourcen gespart werden. In dieser Ausgabe zeigen wir auch auf, dass Nickel zusätzliche Funktionen für Transportanwendungen bietet, z. B. Akkus für Elektrofahrzeuge und Katalysatoren bei der Produktion erneuerbarer Kraft stoffe.
Ein hervorragendes Beispiel dafür, wie mit Hilfe von Nickel alles in Bewegung gehalten wird, ist Indien. Lesen Sie mehr darüber, wie Nickel in Zügen, Rollern und Brücken die Mobilität der Bevölkerung dieses riesigen Landes unterstützt.
Obgleich Nickel in unserem Alltagsleben viele verschiedene Funktionen ausübt, wird er doch oft übersehen. In der neuen Serie Warum Nickel? beschreiben unsere Experten einige der interessantesten Funktionen von Nickel so, dass sie auch von Menschen, die in diesem erstaunlichen Element noch nicht so bewandert sind, auf Anhieb verstanden werden. Teilen Sie diese Informationen mit den jungen Menschen in Ihrem Leben – eine Art von Intelligenz, die alles andere als künstlich ist!
Clare Richardson Redaktion, NickelOla, ein führender indischer Hersteller von Motorrollern, bietet eine Lösung für die Umstellung des beliebtesten Transportmediums Indiens von fossilen Brennstoffen auf Strom. Lesen Sie auf Seite 16 mehr über den NMCAkku und die Gigafactory, die diesen Übergang vorantreiben und damit den Klimawandel bekämpfen wird.
02 Fallstudie 28
Brücke über Walbert Nalla
03 Editorial Nickel in Bewegung
04 Beachtenswertes zum Thema Nickel
06 Mit voller Kraft voraus
Indiens rapide Fortschritte im Schienenschnellverkehr
10 Nickel-Katalysatoren bei der Dekarbonisierung
12 Nachhaltige Schi skraftsto e Neue Antriebsoptionen
a
wässrig 1 (Zufuhr)
organisch (Shuttle)
wässrig 2 (Akzeptor)
Das Nickel Magazine ist eine Publikation des Nickel Institute. www.nickelinstitute.org
Dr. Hudson Bates, Verbandspräsident Clare Richardson, Chefredakteurin communications@nickelinstitute.org
Autoren und Mitarbeiter: Parul Chhabra, Gary Coates, Steve Deutsch, Rohit Kumar, Richard Matheson, Geir Moe, Kim Oakes, Juerg Schweizer, Odette Ziezold
Entwurf: Constructive Communications
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ISSN 0829-8351
In Kanada von der Hayes Print Group auf Recyclingpapier gedruckt
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S. 8. iStock©Dinesh Hukmani, S. 12. iStock© tawatchaiprakobkit
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Ein Forschungsteam am Institute for Basic Science (IBS) in Südkorea hat eine neue Methode zur Wiederverwertung wertvoller Metalle wie Lithium, Nickel und Kobalt aus Lithium-Ionen-Altakkus entwickelt. Dabei kommt ein horizontal rotierender Reaktor zum Einsatz, der komplexe Metallmischungen in einem einzigen Behälter verarbeitet. Im Gegensatz zu anderen Reaktoren, die Membranen verwenden, kann dieser Reaktor kräftig gerührt werden, ohne dass sich die verschiedenen Flüssigkeiten mischen. Bei diesem Verfahren können die Metalle in Minutenschnelle abgeschieden werden. Die Studie ergab, dass mit dem konzentrischen Flüssigreaktor wertvolle Metalle effizienter und mit weniger Extraktionsmitteln als bei den heute gängigen Methoden aus Altakkus gewonnen werden können. Außerdem funktioniert dieses Verfahren unter verschiedensten Bedingungen.
Ein Team der britischen Universität Cambridge, das mit Kolleginnen und Kollegen in Österreich zusammenarbeitete, entdeckte eine neue Möglichkeit, um Magnete aus seltenen Erden zu ersetzen: Tetrataenit, einen „kosmischen Magneten“, der sich über Millionen von Jahren auf natürliche Weise in Meteoriten entwickelt. Professor Lindsay Greer erläutert: „In synthetischem Tetrataenit steckt das Potenzial, permanente Magnete ohne seltene Erden aus den Elementen Nickel, Eisen und Phosphor herzustellen, die in der Erdkruste in Hülle und Fülle vorkommen. Es müssen also keine großen Mengen an Material abgebaut werden, um ein kleines Volumen an seltenen Erden zu gewinnen. Durch die Hinzugabe von Phosphor kann Tetrataenit in Sekundenschnelle hergestellt werden.“ Diese Entdeckung könnte eine wichtige Rolle bei klimafreundlichen Technologien wie permanenten Hochleistungsmagneten spielen, wie sie in Elektrofahrzeugen (EV) eingesetzt werden.
Ein Team an der Australian National University (ANU) hat den Nachweis erbracht, dass die Erde eine fünfte Schicht aufweist, nämlich eine massive Eisen-Nickel-Legierungskugel im inneren Kern. Die Wissenschaft ler fanden den verborgenen Kern bei Untersuchungen von seismischen Wellen, die sich bis zu fünfmal durch den Erddurchmesser bewegen. Frühere Studien hatten nur einzelne Erschütterungen untersucht. Die Erdbebenwellen wurden zur Untersuchung von Orten in der Nähe des Mittelpunkts unter verschiedenen Winkeln eingesetzt und ließen Rückschlüsse auf eine unterschiedliche kristalline Struktur im tiefsten Inneren zu. Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffent-
lichten Ergebnisse unterstreichen, dass die Untersuchung des Erdmittelpunkts von fundamentaler Bedeutung ist, um die Formung und Entwicklung unseres Planeten zu verstehen. Das ANU-Forschungsteam ist der Ansicht, dass der innerste Kern die Bildung des Magnetfelds der Erde erklären könnte.
Ein Team innovativer Forscher der NASA und an der Ohio State University hat einen bahnbrechenden Durchbruch erzielt: eine neue, 3D-druckbare Legierung für extreme Umgebungen. Die Legierung unter dem Namen GRX-810 besteht aus Nickel, Kobalt und Chrom. Sie könnte zu stärkeren, länger widerstandsfähigen Teilen in Triebwerken für die Luft- und Raumfahrt führen. Die als „Oxiddispersions-gestärkte (ODS)-Legierung im Nanomaßstab“ bezeichnete Innovation GRX-81 kann Temperaturen von mehr als 1080 °C widerstehen. Winzige Partikel, die Sauerstoffatome enthalten, werden in der gesamten Legierung verstreut, um ihre Festigkeit zu erhöhen, sodass sie widrigeren Bedingungen widerstehen kann, bevor sie ihre Bruchpunkte erreicht. „Diese neue Legierung ist ein toller Erfolg“, so Dale Hopkins, stellvertretender Projektleiter des NASA-Projekts „Transformational Tools and Technologies“.
SCHIENE
22 Millionen Passagiere täglich
3,5 Millionen Tonnen Fracht täglich
Vom Nah- bis zum Fernverkehr: Indian Railways (IR) betreibt eines der weltweit größten Schienennetze mit mehr als 22 Millionen Passagieren und ca. 3,5 Millionen Tonnen Fracht täglich. IR ist mit mehr als 1,6 Millionen Beschäftigten einer der weltweit größten privaten Arbeitgeber. Um mit den von Bevölkerungswachstum, Urbanisierung und Industrialisierung herbeigeführten Veränderungen Schritt zu halten, wird der indische Eisenbahnsektor derzeit in einem rasanten Tempo weiterentwickelt mit dem Ziel, ein schnelleres, effizienteres und umfassenderes Schienennetz zu schaffen. Die angedachte Zukunft der indischen Schieneninfrastruktur erfordert sorgfältig abgewogene Investitionen, die ihre langfristige Existenzfähigkeit sicherstellen. Dabei spielen nickelhaltige Stahle eine wichtige Rolle.
Nickelhaltige Edelstahle bieten unerreichte Vorteile in puncto Festigkeit, Widerstandsfähigkeit, Energieeffizienz und in Form eines reduzierten Wartungsaufwands.
Zur Modernisierung des indischen Eisenbahnsystems sowohl im Nahals auch Fernverkehr gehören viele verschiedene Aspekte, darunter die Erhöhung der Geschwindigkeit von Fracht- und Passagiersystemen, die Elektrifizierung des gesamten Netzes und die schnelle Ausweitung von Eisenbahnlinien in und zwischen Städten. Ein so monumentales Unterfangen erfordert die Implementierung innovativer Eisenbahntechnologien und die Entwicklung von Bahnhöfen und Bahnsteigen in einem noch nie dagewesenen Umfang.
Vervielfachung der Metro-Systeme in den wichtigsten Städten Metro-Schienensysteme wurden im Jahr 2002 zuerst in Delhi eingeführt und gehören heute in fast allen wichtigen indischen Städten – ob bereits in Betrieb oder in verschiedenen Bauphasen – zum gewohnten Bild. Diese Metro-Systeme nutzen viel unlackier-
ten austenitischen Edelstahl. Fast 100 % der Wagenaußenhüllen bestehen aus nickelhaltigen Stahlen. Diese Materialien mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit überzeugen mit außergewöhnlich guter Widerstandsfähigkeit und Beständigkeit. Für jeden Metro-Wagen werden ca. 8 Tonnen Edelstahl des Typs 301LN (UNS S30153) verbaut, der im kaltgewalzten Zustand Dehngrenzen von 345 bis 690 MPa (50 bis 100 ksi) erzielt. Zu seinen Vorteilen zählen sein geringeres Gewicht, eine erhöhte Energieeffizienz, der Verzicht auf jede Lackierung und ein signifikant verringerter Wartungsbedarf.
Heute sind bereits mehr als 3.000 Metro-Wagen in Betrieb, und in den nächsten drei bis fünf Jahren werden planmäßig weitere 3.000 hinzukommen. Dieser steigende Bedarf wird von drei voll ausgelasteten Fabriken für Metro-Wagen gedeckt; zwei befinden sich gerade im Bau und zwei weitere
sind geplant. Durch diese Entwicklungen wird sich Indien potenziell als globales Zentrum für die Herstellung von Nahverkehrswagen positionieren.
Das indische Metro-Netz umfasst derzeit 660 in Betrieb befindliche Haltestellen. Weitere 228 werden gerade gebaut und 213 befinden sich in der Planungsphase. Darüber hinaus werden in der absehbaren Zukunft 500 zusätzliche Haltestellen gebaut werden. Weil städtische Metro-Systeme den ganzen Tag lang intensiv genutzt werden, kann die Wartung der Infrastruktur und insbesondere der Haltestellen und
Bahnhöfe kostspielig und komplex sein.
Um den Wartungsbedarf zu minimieren und die Betriebs- und Lebensdauer zu erhöhen, werden für Bahnsysteme, Verkleidungen, Überdachungen, Tresen, die Beschilderung und verschiedene andere Nutzungsfunktionen nachdrücklich nickelhaltige Edelstahle empfohlen. In Ausschreibungen für alle derartigen Anwendungen wird Edelstahl des Typs 304 (S30400) vorgegeben. Bis dato wurden für die bereits fertig gestellten oder im Bau befindlichen Metro-Haltestellen ca. 30.000 Tonnen Edelstahl verbaut.
Der Bau neuer Metro-Schienensysteme transformiert derzeit mehr als 20 indische Städte in einem rasanten Tempo. Heute verfügen indische Städte über mehr als 840 Kilometer umfassend genutzte Personennahverkehrsstrecken. Weitere 480 Kilometer sind in Bau und die Pläne für 375 zusätzliche Kilometer wurden bereits genehmigt. Darüber hinaus werden neue Strecken mit einer Gesamtlänge von ca. 1.060 km derzeit in Erwägung gezogen.
8 Tonnen Edelstahl des Typs 301LN pro Passagierwagen Gegenwärtig 3.000 Edelstahlwagen
3.000 neue Edelstahlwagen in den nächsten 3–5 Jahren
840 gegenwärtige MetroStreckenkilometer
480 km im Bau
375 km vorgeschlagen
660 vorhandene Haltestellen
228 Haltestellen im Bau
213 Haltestellen geplant
Derzeit 60.000 Wagen
7.000 Eisenbahnwagen in Produktion
7.800 Eisenbahnwagen im Jahr 2024
EISENBAHN
Ni
29.000 Tonnen nickelhaltigen Edelstahls des Typs 304 pro Jahr
3.600 Tonnen des Typs 316L für Zubehör
8.000 Bahnhöfe in Betrieb 100 Bahnhöfe werden derzeit saniert
1.275 Bahnhöfe zur Sanierung vorgesehen
Produktion für den Schienenfernverkehr hebt ab Fernverkehrszüge, die Passagiere und Fracht zwischen verschiedenen Städten befördern, sind für den indischen Eisenbahnsektor von besonderer Bedeutung. In diesem Teil des Schienennetzes sind mehr als 60.000 Waggons im aktiven Einsatz.
Seit 2018 setzt Indian Railways für die gesamte Passagierwagenherstellung ausschließlich Edelstahl ein, auch für Fern- und Hochgeschwindigkeitszüge. Korrosionsanfällige Komponenten wie Dächer, Bodenwannen, Toiletteneinsätze, Biotoilettenbehälter, Wasserspeichertanks und Eingangsdurchgänge werden alle aus nickelhaltigen, austenitischen Edelstahlgüten hergestellt. Die Seiten- und Endverkleidungen nutzen allgemeine Edelstahle, die den Anforderungen der jeweiligen Wagenkategorie entsprechend lackiert werden.
Indian Railways kündigte jüngst ein Jahresproduktionsprogramm für Eisenbahnwaggons an und prognostiziert folglich einen Anstieg bei der Edelstahlnachfrage. In diesem Jahr sind insgesamt 7000 Passagierwaggons in Produktion, und für das nächste Jahr sind weitere 7.800 Einheiten geplant. Dafür werden pro Jahr mehr als 29.000 Tonnen nickelhaltigen Edelstahls des Typs 304 benötigt. Weitere 3.600 Tonnen Edelstahl des Typs 316L (S31603) werden für Zubehörprodukte in den Waggons eingesetzt, z. B. für die Tanks für Biotoiletten.
Mit der Entwicklung neuer Wagendesigns und infolge einer Schwerpunktverschiebung seitens staatlicher Stellen, die jetzt mehr Wert auf Gewichtsreduzierungen legen, werden nachgewalzte nickelhaltige austenitische Edelstahle für Seitenwände in Erwägung gezogen. Somit wird der Marktanteil dieser Stahle in den nächsten beiden Jahren deutlich zunehmen.
Sanierungspläne im großen Maßstab Für ca. 8.000 Fern- und andere Bahnhöfen in Indien ist jetzt ein umfassender Sanierungsplan maßgebend, der Bauprojekten eine hohe Priorität zuerkennt. Ca. 100 Bahnhöfe werden derzeit als autark wirtschaftende Immobilien-Ventures umgestaltet. So werden die wichtigsten Bahnhöfe in Delhi, Ahmedabad und Mumbai heute mit kombinierten Investitionen von mehr als 1,25 Mrd. US-Dollar saniert. An fünf weiteren Großbahnhöfen wird derzeit gearbeitet. Bei diesen großangelegten staatlichen Projekten sind nickelhaltige Edelstahle aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit, Widerstandsfähigkeit, einfachen Herstellung und des geringen oder minimalen Wartungsbedarfs erste Wahl für Fassaden, Geländersysteme und verschiedene Annehmlichkeit für Bahnreisende.
Im Frühjahr kündigte Indian Railways das Amrit Bharat Station Scheme an, einen Plan zur Identifizierung weiterer 1.275 Bahnhöfe im ganzen Land als Sanierungskandidaten. Das Budget von 30 Mrd. US-Dollar für das nächste Geschäftsjahr spiegelt die Erwartung wider, dass nickelhaltiger Edelstahl bei diesen Entwicklungen ein wichtige Rolle spielen wird. Damit wird sichergestellt, dass das so wichtige Schienennetz Indiens weiterhin nachhaltige Lösungen für Herausforderungen wie Urbanisierung und Industrialisierung im bevölkerungsreichsten Land der Erde bieten wird.
Mit der Expansion der indischen Bahninfrastruktur wird die Anwendung nickelhaltiger Materialien immer wichtiger. Sie stellen die langfristige Nachhaltigkeit und den Erfolg des Schienennetzes sicher; ferner wird das Wirtschaftswachstum des Landes befeuert und die Anforderungen seiner wachsenden Bevölkerung werden erfüllt.
Nickel ist im indischen Bahnsektor für die Transformation zu einem effizienten und resilienten Netz, das dem ganzen Land auf Jahre hinaus gute Dienste leisten wird, unabdingbar.
Katalysatoren auf Nickelbasis sind der Schlüssel zur Energieversorgung für unseren Waren- und Personentransport, ob zu Land, zu Wasser oder in der Luft. Neben ihrer Rolle bei der Herstellung von Biodiesel, erneuerbarem Diesel und erneuerbarem Flugzeugkraftstoff (Sustainable Aviation Fuel, SAF), werden Nickelkatalysatoren für Wasserelektrolyseure für die Wasserstoffproduktion eingesetzt. Wasserstoff kann dann direkt verbrannt, in Brennstoffzellen eingesetzt, zur Hydrobehandlung anderer erneuerbarer Kraftstoffe verwendet oder in einen anderen Kraftstoff wie Methanol oder Ammoniak umgewandelt werden. Wasserstoff kann auch zur Net-Zero-Herstellung anderer chemischer Stoffe oder für die Stahlerzeugung aus Eisenerz verwendet werden.
Elektrolyseure
AEM Anionen-Austauschmembran
AWE Alkalischer Elektrolyseur
PEM Polymermembran-/ProtonenAustauschmembran
SOEC Festoxid-Elektrolyseurzelle
Elektrolyseure und Brennstoffzellen
Elektrolyseure trennen Wasser in Sauer- und Wasserstoff. Eine Brennstoffzelle ist ein umgekehrter Elektrolyseur, der Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser kombiniert, um auf diese Weise Strom zu erzeugen. Wenn dabei erneuerbare Energie genutzt wird, wird von umweltfreundlichem oder „grünem“ Wasserstoff gesprochen. Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass die Nachfrage nach diesem Wasserstoff in den nächsten 25 Jahren explodieren wird.
Derzeit sind vier Arten von Elektrolyseuren verfügbar: Protonen-Aus-
tausch-Membran-Elektrolyseure (auch PEM-Elektrolyseure, mit protonendurchlässiger Polymermembran), alkalische Elektrolyseure (AWE), Anionen-Austauschmembran-Elektrolyseure und Festoxid-Elektrolyseure (SOEC). Während PEM-Elektrolyseure am effizientesten sind, erfordern sie Platin und Iridium als Elektrokatalysatoren, während die anderen drei Technologien nickelbasierte Elektrokatalysatoren nutzen. Von den nickelhaltigen Typen sind AWEs kommerziell am fortgeschrittensten. In AWEs ist Nickel in der Anode, der Kathode und in Strömungsfeldkomponenten der Elektolyseurzelle zu finden.
Abscheider Anode
Erweiterte Ansicht einer AWE-Zelle
In AWEs ist Nickel in der Anode, der Kathode und in Strömungsfeldkomponenten der Elektolyseurzelle zu finden.
Das Strömungsfeld umfasst ein loses Nickelgitter, um den einfachen Transport der Elektrolyte und freigesetzten Gase zu ermöglichen. Die Anode ist in der Regel ein Nickelgitter, das aus gelöteten Fasern besteht, während die Kathode ein ähnliches, mit einem Katalysator beschichtetes Nickelfasergitter ist. Diese Katalysatoren sind proprietäre Entwicklungen des jeweiligen Anbieters, aber NiFeOx wird auf breiter Front eingesetzt.
Vor- und Nachteile verschiedener Katalysatoren
Die relativ niedrigen Anschaffungskosten von AWEs haben zu ihrer zunehmenden Nutzung geführt. Um die Produktionskosten zu minimieren und die Anforderungen in Bezug auf erneuerbare Elektrizität zu erfüllen, werden aber immer mehr AEMs und SOECs eingeführt. AEMs bieten den Vorteil einer höheren elektrischen Effizienz als AWEs und verwenden auch ähnliche Materialien. Daher werden sie oft als Zwischenform zwischen AWEs und PEMs erachtet. Wie AWEs nutzen auch AEMs Nickelgitter zur Strömungssteuerung und Stromlieferung. Außerdem verwenden sie Nickelkatalysatoren. Im Gegensatz zu den relativ einfachen
Katalysatoren, die in AWEs verwendet werden, sind AEM-Katalysatoren technisch ausgefeilter. Die vorgeschlagenen Anodenkatalysatoren weisen hohe Leistungsfaktoren auf, darunter doppelschichtige NiFe-Hydroxide auf Kohlenstoffpapier und NiCoSe-Legierungen auf Ni-Schaum. Kathodenkatalysatoren bestehen eher aus NiFe- und NiCo-Legierungen auf Ni-Gitter.
SOECs arbeiten bei sehr hohen Temperaturen (>600 °C) und bieten eine hohe Effizienz sowie die Möglichkeit, Abwärme in industrielle Anwendungen zu integrieren. In SOECs befindet sich der Elektrokatalysator (oft Ni-Metallpartikel) direkt auf dem Elektrolyt, einem Metalloxid, das bei hohen Betriebstemperaturen Ionen leiten kann.
Unverzichtbares Nickel
Das sind nur einige Beispiele für die Rolle, die Katalysatoren und andere Komponenten, die Nickel verwenden, in einer dekarbonisierten Zukunft spielen werden. Die relativ niedrigen Kosten von Nickel, seine Trägheit gegenüber ätzenden Stoffen und die spezifischen Leistungsfaktoren in Elektrolyseuren machen ihn zu einem unersetzlichen Bestandteil dieser aufstrebenden Technologien.
Nordamerikas erster wasserstoffbetriebener Passagierzug gab 2023 auf der Strecke Quebec City–Baie-Saint-Paul sein Debüt.
Die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (International Maritime Organization, IMO) verfolgt das Ziel, die Gesamttreibhausgasemissionen bis 2050 um mindestens 50 % zu reduzieren. Bei den dazu in Frage kommenden Optionen werden nickelhaltige Edelstahle eine wichtige Rolle spielen. Um dieses Ziel zu erreichen, benötigt die Schifffahrtsindustrie kohlenstoffarme, kohlenstoffneutrale bzw. kohlenstofffreie Kraftstoffe. Die drei Hauptoptionen dafür sind Wasserstoff, Ammoniak und Methanol. Mit Methanol ist am einfachsten umzugehen, weil es bei Zimmertemperatur flüssig ist, während Ammoniak und Wasserstoff sich bei -33 bzw. -253 ºC verflüssigen.
Wasserstoff
Nickelhaltige Edelstahle sind für die Produktion nachhaltiger Schiffskraftstoffe zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen unverzichtbar.
Wasserstoff kann mittels Verbrennung oder Elektrizitätserzeugung über eine Brennstoffzelle als Kraftstoff eingesetzt werden. Die Speicherung von flüssigem Wasserstoff bei -253 °C ist aber komplexer, und seine geringe volumetrische Energiedichte erfordert größere Tanks, als sie für Methanol und Ammoniak benötigt werden. Wasserstoff als Kraftstoff ist möglicherweise realisierbar, wenn Spezialtanker gebaut werden könnten, deren Wasserstofffracht auch das Schiff selbst antreibt.
Wasserstoff
Ammoniak
Methanol
C = Kohlenstoff O = Sauerstoff
H = Wasserstoff N = Stickstoff
Derzeit wird Wasserstoff durch Dampfreformierung von Erdgas erzeugt. Damit Wasserstoff kohlenstoffneutral oder -frei ist, ist die Produktion per Elektrolyse von Wasser mithilfe erneuerbarer Energien oder Atomenergie oder durch Dampfreformierung einschließlich Kohlenstoffbindung erforderlich.
Die spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff beanspruchen die Materialien stark. Nickelhaltiger Edelstahl widersteht z. B. Permeation und einem Verfall seiner Eigenschaften durch Wasserstoff, und die Speicherung von Wasserstoff bei -253 ° C erfordert die Härte von nickelhaltigem Edelstahl bei extremen kryogenen Temperaturen.
Ammoniak
Ammoniak hat in letzter Zeit großes Interesse geweckt. Obgleich hoch
toxisch, wird es routinemäßig bei der Herstellung von Düngemitteln auf Stickstoffbasis verwendet. Es sind verschiedene Projekte in Planung, bei denen Ammoniak als direkter Ersatz in Verbrennungsmotoren vorgesehen ist. Dazu gehören die Konvertierung eines vorhandenen Schleppers von Flüssiggas auf Ammoniak durch NYK in Japan und der Umstieg von Viking Energy auf eine Ammoniakbrennzelle für ein Offshore-Versorgungsschiff. Ammoniak wird im Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. Dabei handelt es sich um die Reaktion das atmosphärischen Stickstoffs mit Wasserstoff mithilfe eines Metallkatalysators unter hohen Temperaturen und Drücken. In mehreren Phasen des Prozesses ist nickelhaltiger Edelstahl von grundlegender Bedeutung.
Methanol
Methanol wird derzeit als Schiffskraftstoff eingesetzt, ist aber ein aus Erdgas erzeugter Kraftstoff auf Kohlenstoffbasis. Obwohl kohlenstoffneutrales Methanol aus Biomasse erzeugt werden kann, gibt es auch eine Technologie zur Erzeugung von Methanol aus der Reaktion von Kohlendioxid mit Wasserstoff. Angesichts der fortwährenden Weiterentwicklung sind nickelhaltige Edelstahle für die Produktion nachhaltiger Schiffskraftstoffe zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen unverzichtbar.
Vor der Einführung umfassend eingesetzter Nickelbasislegierungen der C-Familie (Ni-Cr-Mo) Anfang der 1930er Jahre war auch an Nickel-Molybdän-Legierungen gearbeitet worden. Diese Forschungen führten zur Patentierung eines ganzen Bereichs von Nickel-Molybdän-Legierungszusammensetzungen im Jahr 1921, was 1923 letztlich zur Einführung von Legierung B (Ni-Mo) mit einem Nickelgehalt von 60 % und fast 30 % Molybdän führte.
Legierungen des B-Typs besitzen eine hervorragende Beständigkeit gegenüber reduzierenden Säuren wie Salz-, Schwefel-, Essig- und Phosphorsäure.
Leider weisen Legierungen des B-Typs eine unzureichende Korrosionsbeständigkeit gegenüber oxidierenden Umgebungen auf. Daher werden sie nicht für den Einsatz in oxidierenden Medien oder bei Anwesenheit von eisen- oder kupferhaltigen Salzen empfohlen, die schnell zu vorzeitigen Korrosionsausfällen führen können. Diese Salze können sich bilden, wenn Salzsäure mit Eisen und Kupfer in Kontakt kommt.
Vor dem 2. Weltkrieg wurde Legierung B in Superlader-Turbinenblättern in Flugzeugtriebwerken zur Leistungssteigerung eingesetzt. In diesem Anwendungsbereich wurden sie letztendlich durch andere Superlegierungen ersetzt.
Die in den 1970er Jahren eingeführte Legierung B-2 stellte eine modifizierte Form der Originalzusammensetzung
der B-Legierung dar. Sie verfügte über einen reduzierten Silizium- und Kohlenstoffgehalt zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit und zur Verhinderung der Bildung von Karbiden in Korngrenzen. Diese Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit war besonders im von der Hitze beim Schweißen betroffenen Bereich nützlich. Die Zusammensetzung wurde mit Typ B-3 zusätzlich optimiert, um die Hitzebeständigkeit und Herstellungseigenschaften sowie die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionsrisse zu verbessern.
Molybdän bietet in erster Linie Korrosionsbeständigkeit gegenüber säurereduzierenden Umgebungen, aber die Nickelbasis bildet die Grundlage für eine technische Legierung, die einfach herzustellen ist und zu Ausrüstungen verschweißt werden kann, die auf dem industriellen Sektor verbreitet Anwendung finden.
Legierungen des B-Typs werden vor allem in salz- und schwefelsäurehaltigen Umgebungen sowie in Essig-, Phosphorund Methansäure eingesetzt. Zu den spezifischen Anwendungen zählen Reaktionsbehälter, Wärmetauscher, Ventile, Pumpen und Rohrleitungen.
Geir Moe P.Eng. ist der Technical Inquiry Service Coordinator beim Nickel Institute. Zusammen mit anderen Werkstoffexperten in aller Welt hilft Geir Moe Endanwendern und Spezifikateuren von nickelhaltigen Materialien, die technische Unterstützung benötigen. Das Team steht bereit, um kostenlose technische Beratungsleistungen zu einer breiten Palette von Anwendungen wie Edelstahl, Nickellegierungen und Vernickelung anzubieten, damit Nickel bedenkenlos eingesetzt werden kann. https://inquiries.nickelinstitute.org/
FF: In welchem Maße sollte ich den Antworten von KI, z. B. von ChatGPT, bezüglich Eigenschaften und Anwendungen nickelhaltiger Materialien Vertrauen schenken?
AA: ChatGPT ist ein von OpenAI entwickeltes sog. Large Language Model. Es wird mit verschiedenen Datensätzen angelernt („trainiert“), die meist webbasiert sind. Dieses Training wird jedoch nicht beaufsichtigt. Ein beaufsichtigtes Training würde die Anleitung durch Fachexperten erfordern und sehr kostspielig und zeitaufwändig sein. KI generiert Antworten durch Vorhersage des nächsten Wortes in einer Sequenz basierend auf der Wahrscheinlichkeit. Weil ihre Ergebnisse auf Wahrscheinlichkeit basieren, kann KI die Quelle der Daten in ihrer Antwort nicht referenzieren. Daher hängt die Qualität der Antwort letztendlich von der Qualität der beim Trainieren bereitgestellten Informationen ab.
sind oder das Wissen von Fachexperten darstellen. Veröffentlichungen des Nickel Institute werden digitalisiert und können durchsucht werden. Sie sind, soweit wir das wissen, nicht in den zum Trainieren von ChatGPT genutzten Datensätzen enthalten. Diese Publikationen sind auf unserer Website kostenlos frei verfügbar:org.
ABONNIEREN Sie das Nickel Magazine kostenlos und erhalten Sie eine Druckversion oder eine Ankündigung per E-Mail, wenn eine neue Ausgabe online verfügbar ist. www.nickelinstitute.org
LESEN Sie das Nickel Magazine online in verschiedenen Sprachen. www.nickelinstitute.org/library/
DURCHSUCHEN Sie ältere Ausgaben des Nickel Magazine in unserem Online-Archiv, das Exemplare enthält, die bis ins Jahr 2009 zurückreichen. www.nickelinstitute.org/library/
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SCHAUEN Sie sich Videos zum Thema „Nickel“ auf dem YouTube-Kanal des Nickel Institute an. www.youtube.com/user/NickelInstitute
Die meisten Informationen über nickelhaltige Materialien befinden sich hinter Bezahlschranken, in Publikationen, die digital nicht frei verfügbar
Wir haben ChatGPT mit einer Reihe einfacher Fragen getestet und waren von den Antworten durchaus beeindruckt. In allen Fällen enthielten diese Antworten aber auch Fehler. Selbst OpenAI gibt zu, dass Antworten manchmal irreführend oder falsch sein können. Folglich können die Antworten nützlich sein, um Ihnen zu zeigen, worauf Sie Ihre Informationssuche fokussieren sollten. Sie sollten sie aber keinesfalls als endgültige, verbindliche Antworten betrachten.
Nickel ist in vielen Formen zu finden, von Nanodrähten bis hin zu Edelstahllegierungen. Aber welche Eigenschaften machen Nickel zu einem so grundlegenden Bestandteil vieler Alltagsobjekte?
In Ländern, in denen viel Brot gegessen und dieses oft in vorgeschnittener Form verkauft wird, verwenden die meisten Menschen in der Küche einen Toaster. Der Toaster erhitzt das Brot, um eine goldbraune, knusprige Außenschicht zu erzeugen, wovon sowohl Textur als auch Geschmack verändert werden.
Die Hitze wird von Drähten kleinen Durchmessers abgestrahlt, durch die Strom fl ießt. Ihr hoher elektrischer Widerstand führt dazu, dass sie rot glühen. Die Hitze stammt aber aus den Infrarotwellen, die wir als Wärme empfi nden, mit bloßen Augen aber nicht sehen können.
Diese Drähte bestehen aus einer Legierung, die oft als Nichrom bezeichnet wird und ca. 80 % Nickel sowie 20 % Chrom enthält. Bei der Anwendung werden die Drähte extrem heiß – bis zu 620 °C. Die Luft rund um das Brot erreicht aber evtl. nur 150 °C, was aber immer noch heiß genug ist, um sich die Finger zu verbrennen.
Das Nickel in Nichrom ist notwendig, damit der Draht nach Tausenden von Hitz- und Kühlzyklen nicht brüchig wird. Die Kombination von Nickel und Chrom bietet den hohen elektrischen Widerstand, der notwendig ist, um ein schnelles Erhitzen und Beibehalten der hohen Temperaturen zu ermöglichen. Das Chrom sorgt dafür, dass der Draht nicht mit dem Sauerstoff in der Luft reagiert und seine Stärke dadurch im Lauf der Zeit nicht schwindet.
Hier gehtʻs um die beliebteste und praktischste individuelle Personentransportform in diesem Land, die mehr als 80 % der Fahrzeuge auf der Straße ausmacht. Staatliche Subventionen fördern den Umstieg von fossilen Kraft stoffen auf Strom. Nicht zuletzt deshalb sind auf den geschäft igen Straßen Indiens heute mehr als 1,3 Millionen elektrische Zweiradfahrzeuge unterwegs. Das sind zwar nur 4,6 % dieses Fahrzeugtyps in Indien, aber das ambitionierte Ziel lautet, diesen Wert in den nächsten sieben Jahren auf 80 % zu steigern.
Ola verpflichtet sich eigenen Angaben nach „ganz dem Ziel, einer Milliarde Menschen Mobilität zu bieten“. Folglich gibt das Unternehmen ‚Mission Elektricʻ bekannt, sein Versprechen zur Unterstützung des Vorhabens, dass nach 2025 in Indien kein Zweiradfahrzeug mit Benzinmotor mehr verkauft wird. Der massenweise Umstieg auf Elektroroller wird die Bekämpfung der Klimakrise massiv unterstützen.
Ola, einer der führen EV-Rollerhersteller, möchte mithelfen, die EV-Rollerproduktion exponentiell zu steigern. Dem Gründer und CEO von Ola Elektric Bhavesh Aggarwal zufolge ist „eine Zelle das Herz der EV-Revolution. Ola baut das weltweit modernste Zellforschungszentrum. Es wird uns in die Lage versetzen, schneller zu skalieren und zu innovieren, um die technisch fortschrittlichsten und erschwinglichsten EV-Produkte weltweit zu bauen – und zwar schnell!“
Im Juli 2022 enthüllte Ola Electric die erste in Indien entwickelte LithiumIonen-Zelle NMC 2170. Zuvor waren Indiens EV-Unternehmen von Zellen aus Korea, Taiwan, China und Japan abhängig.
Dazu Aggarwal: „Die High Nickel Cylindrical Ola Cell ist auf dem neuesten Stand der Technik und nutzt NMC auf der Kathodenseite sowie Grafit und Silizium auf der Anodenseite. Durch die Verwendung spezifischer Chemikalien und Materialien kann die Zelle mehr Energie auf vorgegebenem Raum speichern und den Gesamtlebenszyklus der Zelle verbessern. Das bedeutet, dass mit einer einzigen Ladung längere Strecken gefahren werden können.“
Die bei Ola intern gebaute Zelle NMC 2170 wird in Massenfertigung gehen, wenn die Gigafactory des Unternehmens noch im Jahr 2023 eröffnet wird.