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HelmHoltz-AlliAnz mem-BRAinHelmHoltz AlliAnce mem-BRAin

Inhalt | content

Vorwort

Preface

Helmholtz-Allianz MEM-BRAIN

Helmholtz Alliance MEM-BRAIN

Die Querschnittsaktivitäten in der Helmholtz-Allianz MEM-BRAIN

Cross collaboration within the Helmholtz Alliance MEM-BRAIN

Kurzporträts der Allianzpartner

Brief profiles of Alliance partners

Allianzmitglieder

Members of the Alliance

Helmholtz Allianzen

Helmholtz Alliances

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Titelbild:In Reinräumen stellen Forscher keramische Membranen her, die Dank ihrer Eigenschaften im Nanometer- Bereich in der Lage sind, Gasgemische zu trennen. In Kraftwerksprozessen eingesetzt können Keramiken helfen, den Ausstoß von Kohlendioxid zu senken.

Working in cleanrooms, researchers produce ceramic membranes with nanometre-sized pores that are capable of separating gases. These ceramic materials can be used to reduce carbon-dioxide emissions in power plants.

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die Reduktion von Kohlendioxid-Emissionen hat die höchste Priorität bei den Strategien gegen den Klimawandel. Trotz zunehmender Bedeutung regenerativer Energien werden Kohle- und Gaskraft-werke weiterhin einen erheblichen Anteil daran haben, den weltweit wachsenden Energiebedarf zu decken. Derzeit tragen sie zu 40 Prozent zum globalen Kohlendioxid-Ausstoß bei; diesen Anteil gilt es deutlich und nachhaltig zu verringern. Wissenschaft und Industrie arbeiten daran, das Kohlendioxid abzutrennen und unterirdisch in geeigneter Art und Weise zu speichern, damit es durch Mineralisie-rung dauerhaft und sicher aus dem Atmosphärenkreislauf entfernt wird oder teilweise für eine Nutzung als Rohstoff verfügbar bleibt.Bestehende Konzepte zur Abscheidung von Kohlendioxid erfordern einen beträchtlichen Energieaufwand. Dadurch beeinträchtigen sie den Wirkungsgrad der Kraftwerke erheblich, führen zu höhe-ren Umweltbelastungen und befördern letztlich auch steigende Strom erzeugungskosten. Eine viel versprechende Alternative ist der Einsatz neuartiger Membranen, die Kohlendioxid, Wasserstoff, Stick-stoff und Sauerstoff mit deutlich niedrigeren Wirkungsgrad verlusten trennen können. Um diese innovative Technologie zu entwickeln und in die Anwen-dungsreife zu bringen, haben sich Experten aus Helmholtz-Zentren mit führenden nationalen und internationalen Partnern aus For-schungszentren, Universitäten und Industrie zur Helmholtz-Allianz MEM-BRAIN zusammengeschlossen. Bei der Entwicklung konzen-trieren sich die Forscher auf neuartige und besonders leistungsfä-hige Membranwerkstoffe. Deren Eigenschaften werden schon früh-zeitig auf den Einsatz im Kraftwerk ausgerichtet und an technische Prozesse angepasst. Parallel erfolgt eine Analyse der kompletten Prozesskette, um ökologisch und ökonomisch optimierte Ergebnisse zu erzielen. Ein Fokus der MEM-BRAIN Allianz ist die Nachwuchs-förderung durch Doktorandenprogramme und Sommerschulen, um frühzeitig die angehenden Wissenschaftler und Ingenieure mit den neuesten Membrankompetenzen vertraut zu machen.11 Millionen Euro stellt der Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft für die erste Projektphase von Oktober 2007 bis Juni 2011 bereit. Sie ist vielversprechend angelaufen und liefert ermutigende Ergebnisse bei der Materialentwicklung. In Phase II soll MEM-BRAIN stärker in die Forschungsprogrammatik der Helmholtz-Zentren übergeben werden. In enger Kooperation mit Stromversorgern sollen dann aus den Werkstoffen neue Kompo-nenten entwickelt werden, die schließlich in Phase III ab 2016/17 großtechnisches Niveau erreichen sollen.

Prof. Dr. Detlev Stöver

und Prof. Dr. Lorenz Singheiser

Wissenschaftliche Koordinatoren

Of all the current strategies for fighting climate change, reducing carbon dioxide emissions is the number one priority. And while renewable energies are increasingly being used, coal plants and natural-gas plants will continue to be one of the main ways of meeting the world’s growing energy needs. At present, they contribute 40 percent of global CO2 emissions, a percentage that must drop significantly and sustainably. Experts in science and industry are working to develop better ways of capturing and storing CO2 underground, so that through the process of mineralisation it can be permanently and safely removed from the atmosphere. Plans also exist for retaining a portion of it for use as a raw material.Existing concepts for CO2 capture require a great deal of energy. This has a negative impact on the efficiency of power plants, puts a heavier burden on the environment and ultimately leads to higher costs for generating electricity. A promising alternative is the use of innovative membranes that can separate carbon dioxide, hydrogen, nitrogen and oxygen with a far smaller reduc-tion in efficiency. To develop this innovative technology and make it ready for use, experts from Helmholtz Centres recently joined forces with lead-ing German and international partners from research centres, universities and industry to create the Helmholtz Alliance MEM-BRAIN. The development side of the project concentrates on creating new, high-performance materials for membranes that are specifically intended for use in power plants and adapted to technical processes. Parallel to this, the alliance carries out an analysis of the entire process chain to achieve the best pos-sible results in terms of ecology and economy. The MEM-BRAIN Alliance also focuses on promoting new talent with its PhD programmes and summer schools, so that young scientists and engineers can learn about the latest developments in membrane technology at an early stage.The Helmholtz Association’s Impulse and Networking Fund has provided €11 million for the first project phase, which lasts from October 2007 to June 2011. Phase I is off to an excellent start and has provided many encouraging findings from the work on materials development. Phase II will incorporate MEM-BRAIN more strongly into the research programmes of the Helmholtz Centres. Working closely with electricity suppliers, researchers will then use the materials to develop new components, which will be put to use in large plants when Phase III begins in 2016/17.

Prof. Dr. Detlev Stöver

and Prof. Dr. Lorenz Singheiser

Scientific Coordinators

lIebe leserInnen und leser,

dear readers,

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helmholtz-allIanz mem-braIn

helmholtz allIance mem-braIn

Herkömmliche Verfahren zur Kohlendioxid-Abscheidung – wie das Auswaschen aus Abgasen – verringern den Wirkungsgrad fossiler Kraftwerke erheblich. Der Einsatz von Membranen ver-spricht, Kohlendioxid mit wesentlich geringerem Energieaufwand aus Gasgemischen filtern zu können. Die Partner der Helmholtz-Allianz MEM-BRAIN haben sich zum Ziel gesetzt, Membranen zur Abtrennung von Kohlendioxid in fossilen Kraftwerken zu entwickeln. Die für den praktischen Ein-satz am besten geeigneten Technologien wollen sie identifizieren und zur Anwendungsreife bringen. Daher bearbeiten die Forscher und Ingenieure das gesamte Spektrum von der Material-entwicklung in atomaren Dimensionen bis zur wirtschaftlichen Analyse der neuen Kraftwerke. Die technischen Grundlagen werden in zwei Forschungspro-jekten gelegt, die sich der Entwicklung von keramischen und polymeren Werkstoffen für Membranen widmen. Die Anforderun-gen an die Materialien sind enorm. Sie müssen einerseits ihre jeweilige Trennfunktion präzise erfüllen und ausreichend große Durchflussmengen und vor allem große Selektivität gewährleis-ten. Andererseits sollen sie die extremen Belastungen durch Temperatur, Druck und chemische Prozesse in einem Kraftwerk lange Zeit ohne nennenswerten Qualitätsverlust überstehen. Daher ist es notwendig, Stofftransport und Stabilität der Ma-terialien auf atomarer Basis zu verstehen. Hierfür entwickeln die MEM-BRAIN-Forscher Simulationsmodelle und nutzen ein breites Spektrum experimenteller Analyseverfahren. Mit Blick auf die Anwendung entwickeln sie auch Syntheseverfahren für die Materialien und Prozesse zur Herstellung und Verarbeitung der leistungsfähigen Membranen.Die breite Kompetenz der Helmholtz-Allianz und die enge Ver-netzung ihrer Partner ermöglichen es, parallel zur Materialent-wicklung zwei weitere wichtige Aufgaben anzugehen: die Analyse der einzelnen Kraftwerksprozesse in Bezug auf den Einsatz von

Conventional methods for capturing carbon dioxide – such as scrubbing it from exhaust gases – greatly reduce the efficiency of fossil fuel plants. Membranes are a promising, more energy-efficient way of filtering carbon dioxide from gas mixtures.Partners in the Helmholtz Alliance MEM-BRAIN have made it their mission to develop membranes that separate CO

2 in fossil fuel plants. They intend to identify technologies best suited for practical use and then prepare them for application. Scientists and engineers in the alliance are involved in the whole spectrum of activities necessary to meet this aim, from developing materi-als at the atomic level right through to economic analyses of the improved power plants. Two research topics are laying the technical groundwork; one focuses on developing ceramic materials for membranes and the other on developing polymer materials for membranes. The ma-terials are subject to very heavy demands. On the one hand, they have to carry out their separative function with great precision while ensuring sufficiently high flow volumes and, more impor-tantly, a high degree of selectivity. On the other hand, they have to stand up to the extreme temperature, pressure and chemical conditions of a power plant over a long period of time, without a significant drop in performance. Understanding mass transport and material stability at the atomic level is a critical element for the endeavour. With this in mind, MEM-BRAIN researchers develop simulation models and use a wide range of techniques for analysing their experiments. With application in mind, they also develop approaches for syn-thesising materials and methods for manufacturing and process-ing high-performance membranes.The wide-ranging competencies in the Helmholtz Alliance and the strong relationships among its partners make it possible to pursue two other tasks in addition to membrane development – analysing the use of membranes in individual plant processes

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Membranen sowie die ökonomische und ökologische Bewertung des Gesamtsystems Kraftwerk in seinen verschiedenen Varianten. Die Prozessanalyse und die Bewertung des Gesamtsystems, bei-des benötigt die Ergebnisse der Materialforscher, liefert diesen im Gegenzug aber auch wichtige Anhaltspunkte für die Auslegung der Werkstoffe. Nur durch diese Rückkopplungen und den intensiven Austausch der Projektpartner kann gewährleistet werden, dass die Entwicklungen von Beginn an auf die Anwendung im Kraftwerks-betrieb zielen und zügig die Ergebnisse liefern, die das Projekt angesichts der Dringlichkeit des Problems Klimawandel braucht.

and evaluating the economic and ecological elements of plants as a whole in all their different forms. Process analysis and system evaluation both rely on the results of materials scientists. In turn, however, they provide these scientists with valuable information for designing the new materials. This kind of cross- pollination and regular interaction between project partners helps ensure that work remains focused on practical application from the start, while quickly providing the results needed to tackle the urgent problem of climate change.

Die ganzheitliche Analyse von Prozessen und

Lebenszyklen von Kraftwerkskomponenten

erlaubt es, frühzeitig Wirtschaftlichkeit und

ökologische Effizienz neuer Technologien wie

etwa der membran-basierten Kohlendioxid-

abscheidung zu beurteilen.

A full analysis of the processes and life cycles

of power plant components enables scientists

to assess the cost-effectiveness and eco-

logical efficiency of new technologies such as

membrane-based carbon-dioxide capture

early on.

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dIe QuerschnItts-aktIvItäten In der helmholtz-allIanz mem-braIn

cross collaboratIon wIthIn the helmholtz allIance mem-braIn

Zukunftsweisende Projekte innerhalb kurzer Zeit mit angemes-senen Mitteln anschieben und damit neue Themen auf die Helm-holtz-Agenda setzen – das ist die Stärke der Helmholtz-Allianzen. Sie greifen drängende und langfristig bedeutende Themen auf, wie die Umweltwirkung des Kohlendioxids aus konventionellen Kraftwerken auf den Klimawandel.Wenn keine nachhaltige Lösung zur Abscheidung und Deponie-rung von Kohlendioxid gefunden wird, werden die Emissionen von fossilen Kraftwerken weiter zunehmen und die Einhaltung der gesetzten Klimagasreduktionsziele gefährden. Um auf der klimakritischen Zeitskala wirtschaftlich attraktive Verfahren zu finden, müssen rasch neue Ansätze wie die Membran-techno-logie entwickelt und mit großer Entschlossenheit zur Marktreife gebracht werden. Die Herausforderungen einer derart umfassenden Aufgabe sind vielfältig. Sie reichen von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung, von den atomaren Dimensionen der Material-entwicklung über die Modellierung des Kraftwerksprozesses bis hin zu seiner ökonomischen und ökologischen Bewertung. Daher bündeln die Helmholtz-Forscher ihre Kompetenzen mit der Expertise exzellenter Partner aus deutschen und europäischen Wissenschaftsinstitutionen und Universitäten. Das stärkt auch auf lange Sicht die nationale und internationale Vernetzung der Helmholtz-Zentren innerhalb der Forschergemeinschaft.

Initiating forward-looking projects quickly and affordably to help establish new items on the Helmholtz agenda – this is what the Helmholtz Alliances do best. They focus on urgent topics that have long-term relevance, such as the ecological impact on climate change of carbon emissions from conventional power plants.If no sustainable solution is found for capturing and storing car-bon dioxide, emissions from fossil fuel power plants will continue to rise, putting at risk our capacity to comply with laws for the reduction of greenhouse gas emissions. The time that is avail-able for finding economically attractive options is running out. We must act quickly and decisively to develop new approaches such as membrane technology and prepare them for market.A task of this magnitude involves a plethora of challenges. They range from basic research to application, from materials development at the atomic level to modelling processes in plants to evaluating the economic and ecological properties of those processes. Helmholtz has responded to these challenges by teaming up with a group of outstanding partners at scientific in-stitutions and universities throughout Germany and Europe. The move will also help strengthen in the long term the network that Helmholtz Centres have within the national and international research community. Special mention should be made of the industrial collaboration

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Von besonderer Bedeutung ist die Kooperation mit der indus-trie. Sie garantiert, dass von den ersten Ideen der Material-entwickler an die Anwendung im Blick ist. Denn der Einsatz im Kraftwerk stellt nicht nur enorme Anforderungen an die Eigenschaften der Membranwerkstoffe. Sie sollen in industriel-lem Maßstab kostengünstig und umweltverträglich herstellbar sein. Darüber hinaus muss der gesamte Kraftwerksprozess auf die neuartige Membran technologie abgestimmt werden, damit sie ihren Effizienzvorteil gegenüber bisherigen Verfahren auch ausspielen kann.Die Helmholtz-Allianzen unterstützen nicht nur zukunftsweisende Themen, sie verfolgen auch eine zukunftsweisende Personal-politik. Ein Drittel der MEM-BRAIN-Forscher sind junge Wissen-schaftler. Das ist kein Selbstzweck, sondern dient dazu, gezielt exzellenten nachwuchs für die kommenden Projektphasen aus-zubilden. In Promotionsprogrammen und jährlich stattfindenden Summer Schools werden die Jungforscher gezielt mit den aktu-ellen Fragestellungen und Anforderungen des Projektes vertraut gemacht; ein Austauschprogramm unter den Partnern ermöglicht ihnen Know-how-Transfer und Erfahrungen in der Industrie zu sammeln. An eine jüngere Zielgruppe wenden sich die halb jährlich organisierten Schülerlabore, die Schülerinnen und Schüler der Oberstufe durch Einblicke in laufende Forschung für eine natur-wissenschaftlich-technische Karriere begeistern sollen.

within the alliance. Industry involvement ensures that materials researchers remain focused on practical application from the very beginning. After all, the membrane materials will need to do more than just survive the enormous demands placed on them during use in a plant; they will also need to be produced on an industrial scale in a way that is affordable and environmentally friendly. Furthermore, the plant process as a whole must be adapted to work with the new membranes so that the technology can achieve its full potential in terms of the efficiency it offers over its predecessors.In addition to pursuing forward-looking projects, the Helmholtz Alliances also promote progressive human resource policies. For example, one third of MEM-BRAIN researchers are young scien-tists. Their involvement will benefit their future scientific careers and provide the project with well-trained experts in its subse-quent phases. PhD programmes and annual summer schools ac-quaint young researchers with the specific issues and demands of the project in its current stage; an exchange programme facilitates the transfer of expertise across institutions and offers opportunities to gain valuable experience in industry. Younger researchers benefit from school labs, which are held twice a year for sixth-form students. These events offer insight into current research projects and are intended to get pupils excited about a career in science and technology.

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kurzporträts der allIanzpartner

brIef profIles of allIance partners

Deutsches elektronensynchrotron DeSY

Das Synchrotronstrahlungslabor HASYLAB am Deutschen Elektro-nensynchrotron unterstützt MEM-BRAIN mit diversen Verfahren zur hochauflösenden Röntgenbeugung. Sie liefern den Material-entwicklern Informationen über den Aufbau ihrer Werkstoffe, die Struktur und die Homogenität der Material verteilungen. Aufgrund langjähriger Erfahrungen und Kooperationen mit dem GKSS wird sich HASYLAB hauptsächlich auf die Charakterisierung polymerer Werkstoffe konzentrieren.

ernst Ruska-centrum für elektronen-mikroskopie (eR-c)

Das Ernst Ruska-Centrum ist ein gemeinsames Kompetenz- und Nutzerzentrum für Elektronenmikroskopie des Forschungs zentrums Jülich und der RWTH Aachen. Ultra-hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskope sind in der Lage, Strukturen von Materialien im atomaren Bereich abzubilden. Gleichzeitig können mittels spektroskopischer Verfahren chemische Zusammensetzungen und atomare Bindungen analysiert werden. Damit gelingt es auch, Nano-meter große Poren und ihre Verteilung zu erkennen, und strukturelle Änderungen des Membranmaterials, die unter Betriebsbedingungen auftreten können, auf atomarem Niveau zu erkennen.

Flemish institute for technological Research/Vito, Belgien

Das VITO hat eine mehr als zehnjährige Erfahrung in der Her-stellung keramischer Membranen auf ganz unterschiedlichen Gebieten. Ein eigens patentiertes Verfahren zur Anfertigung von speziellen Hohlfaser-Membranen ist besonders für Anwendungen mit hohem Gasdurchsatz wie Kraftwerke interessant. Darüber hinaus stellt VITO vielfältige Methoden zur Materialanalyse und zum Testen von Membranen zur Verfügung.

Deutsches elektronensynchrotron DeSY

The HASYLAB synchrotron radiation laboratory at Deutsches Elektronensynchrotron supports MEM-BRAIN with various techniques for high-resolution X-ray diffraction. These methods provide materials developers with information about the com-position of the materials and the structure and homogeneity of material distribution. HASYLAB will be focusing on characterising polymeric materials, as it has vast experience in the subject and a long history of collaboration with GKSS.

ernst Ruska centre for microscopy (eR-c)

The Ernst Ruska Centre is a competence centre and user facility for electron microscopy run jointly by Forschungszentrum Jülich and RWTH Aachen University. Its ultra-high resolution transmis-sion electron microscopes are able to display the structure of materials at the atomic level. The centre can also use spectro-scopic techniques to analyse chemical compositions and atomic bonds. This makes it possible to detect nanometre-sized pores and their distribution as well as structural changes at the atomic level that may appear in membrane materials when placed under normal operating conditions.

Flemish institute for technological Research / Vito, Belgium

VITO has over ten years of experience in manufacturing ceramic membranes for diverse applications. Its patented method for producing special hollow-fibre membranes is of particular inte-rest for applications where high gas-flow rates prevail, such as in power plants. VITO also offers many different methods for analysing materials and testing membranes.

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Forschungszentrum Jülich

Das Institut für Energieforschung des Forschungszentrums Jülich untersucht umfassend aktuelle wissenschaftliche Frage stellungen in den Bereichen Photovoltaik, Brennstoff-zelle, verbesserte Kraftwerkstechnik und Kernfusion unter besonderer Beachtung der ökologischen und ökonomischen Randbedingungen. Die Wissenschaftler im Projekt MEM-BRAIN beschäftigen sich im Rahmen der Entwicklung von anorga-nischen Gas-Trenn-Membranen mit verschiedenen Verfahren der Herstellung, der Mikrostrukturanalyse, dem thermo-chemischen und thermomechanischen Verhalten sowie der Lebensdauervorhersage und der optimalen Integration in den Kraftwerksprozessen. Parallel zu diesen Entwicklungsarbeiten wird mit Hilfe von Modellen die umweltseitige sowie energie-wirtschaftliche Relevanz von Kraftwerken mit membranbasier-ten CO

2-Abscheidungsverfahren untersucht. Das Forschungs-zentrum Jülich kooperiert auch im Rahmen anderer Projekte mit diversen Allianz-Partnern und ist daher der ideale Standort für die MEM-BRAIN Allianz.

GKSS Forschungszentrum Geesthacht

Die GKSS blickt auf eine lange Tradition in der Entwicklung und Herstellung von Polymermembranen für die petrochemische Industrie zurück. Bei GKSS entwickelte Polymermembranen wer-den in zahlreichen industriellen Prozessen eingesetzt. Für MEM-BRAIN werden bei GKSS Kompositmembranen mit extrem hohen Kohlendioxid-Fluss entwickelt. Für die Membran herstellung stehen Labor- und Pilotanlagen zur Verfügung, ebenso wie Verfahren zur chemischen, mechanischen und morphologischen Analyse der Werkstoffe sowie Testanlagen für die Membranen.

Helmholtz-zentrum Berlin für materialien und energie

Das Helmholtz-Zentrum Berlin bietet mit zwei Großgeräten - dem Speicherring BESSY II sowie dem Forschungsreaktor BER II - einzigartige Kompetenzen in der Strukturanalyse. Sie liefern Röntgen- bzw. Neutronenstrahlung, die den atomaren Auf-bau der Membranen teilweise auch in 3D abbilden können. Das hilft zu verstehen, wie die Transporteigenschaften vornehmlich an organischer Membranen von ihrer Mikrostruktur abhängen.

Forschungszentrum Jülich

The Institute for Energy Research at Forschungszentrum Jülich investigates a wide range of scientific questions pertaining to photovoltaics, fuel cells, better power plant technology and nuclear fusion, while paying particular attention to ecologi-cal and economic boundary conditions. Scientists developing inorganic gas-separation membranes for the MEM-BRAIN project study various manufacturing processes, microstructural analysis, thermo chemical and thermomechanical behaviour as well as service life and optimal integration into plant processes. They also prepare models to help them understand how membrane-based CO

2 separation processes affect the environment and the power plant efficiency. Forschungszentrum Jülich is also collaborating with Alliance partners on other projects, making it the ideal location for MEM-BRAIN.

GKSS Research center Geesthacht

GKSS has a long tradition of developing and manufacturing polymer membranes for the petrochemicals industry. Polymer membranes developed at GKSS are used in a large number of industrial processes. For MEM-BRAIN, GKSS is developing com-posite membranes with extremely high CO2 flow rates. With re-gard to the manufacturing end, the centre has laboratory plants and pilot plants, systems for performing chemical, mechanical and morphological analyses of materials, as well as membrane testing facilities.

Helmholtz centre Berlin for materials and energy

Two large devices at the Helmholtz Centre Berlin – the BESSY II storage ring and the BER II research reactor – are invaluable resources for expert structural analysis. They provide X-ray radiation and neutron radiation that can reveal the atomic struc-ture of membranes, sometimes even in 3D. This helps research-ers understand how microstructures affect transport properties, particularly in inorganic membranes.

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Hermsdorfer institut für technische Keramik (HitK)

Das HITK ist ein unabhängiges Forschungsinstitut. Der Schwer-punkt seiner Arbeit liegt auf der Entwicklung und Herstellung anorganischer Membranen und Katalysatoren für Anwendungen in der Energiewandlung sowie der chemischen Industrie und im Umweltschutz. Seine Forscher besitzen langjährige Erfahrungen in der Abtrennung von Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid bei den verschiedensten Prozessen.

Karlsruher institut für technologie (Kit)

Das Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik IWE ist speziali -siert auf die elektrochemische Analyse und Modellierung von Transportprozessen an Oberflächen und Grenzflächen von Mischleitern. Auf dem Gebiet der Brennstoffzelle existiert hier eine jahrelange Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich. Mit kürzlich entwickelten hochauflösenden Methoden können Transportprozesse durch keramische Membranen unter anwendungsnahen Belastungen untersucht und auf dieser Basis Modelle entwickelt werden.

Polytechnic University of Valencia, institute of chemical technology (cSic), Spanien

Das Institut für Chemische Technologie hat langjährige Erfah-rung in der Synthese von mikro- und makroporösen Materialien, insbesondere Katalysatoren und Keramiken. Für die Entwick-lung neuer Materialien stehen Hoch-Durchsatz-Technologien zur Verfügung. Eine breite Palette spektroskopischer Verfahren ermöglicht es, die Membranen unter realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen. Dadurch lassen sich auch die Transportprozesse auf atomarer Basis besser verstehen und die Erkenntnisse für die Membranentwicklung nutzbar machen.

Hermsdorfer institut für technische Keramik (HitK)

HITK is an independent research institute. The main focus of its work is on developing and manufacturing inorganic membranes and catalytic converters for use in energy conversion, in the chemicals industry and in environmental protection. Researchers at the institute have a long history of experience in separating oxygen, hydrogen and carbon dioxide using a wide range of techniques.

Karlsruhe institute of technology (Kit)

The Institute of Materials for Electrical and Electronic Engineer-ing (IWE) specialises in electrochemical analysis and modelling of transport processes on the surfaces and interfaces of mixed conductors. The institute has been collaborating with Forsc-hungszentrum Jülich for several years to apply this expertise to fuel cells. It has recently developed high-resolution techniques that enable researchers to study transport processes through ceramic membranes under stresses that approach real-life con-ditions and to use the results to develop models.

Polytechnic University of Valencia, institute of chemical technology (cSic), Spain

The Institute of Chemical Technology has many years of experi-ence in synthesising microporous and macroporous materials, particularly in catalytic converters and ceramics. It also has high flow rate technologies for developing new materials. The insti-tute’s wide range of spectroscopic techniques enables it to study membranes under conditions that approximate real-world use. This helps researchers to better understand transport processes at the atomic level and to apply their insights to membrane development.

Der Transport von Sauerstoff durch eine keramische Membran hängt

stark von der Temperatur ab. Diese Prozesse zu verstehen und für die

Bedingungen im Kraftwerk zu optimieren ist ein Ziel von MEM-BRAIN.

Temperature is a key factor in how oxygen passes through a ceramic

membrane. Understanding such processes and optimising them for use

in power plants is one of MEM-BRAIN’s primary aims.

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Rheinisch-Westfälische technische Hochschule RWtH Aachen

Die Institute für Physikalische Chemie, für Chemieingenieur-wesen und für Anorganische Chemie der RWTH Aachen verfügen über Expertisen für die experimentelle Bestimmung der Trans-porteigenschaften von keramischen und polymeren Membranen sowie für die mathematische als auch quantenchemische Model-lierung der Membran-Prozesse. Ihre Kompetenzen beziehen sich insbesondere auf die Trennung der relevanten Gase Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid. Damit kann die Lang-zeitstabilität der Membranen unter industrienahen Belastungen untersucht werden. Quantenchemische Rechnungen helfen da-bei, die grundlegenden Prozesse der Ionenleitung innerhalb einer Membran zu verstehen und zu optimieren. Mit ihren Erfahrungen bei der Simulation von Membranen und Kraftwerksprozessen helfen die RWTH-Forscher zudem sowohl bei der anwendungs-nahen Auslegung der Materialien und Prozesse als auch bei der Grundlagenforschung hin zu optimierten Materialien.

Ruhr Universität Bochum (RUB)

Die in das Projekt MEM-BRAIN involvierten Lehrstühle für Energieanlagen technik und Energieprozesstechnik (LEAT) sowie für Energiesysteme und Energiewirtschaft (LEE) der RUB haben sich die Forschung zur nachhaltigen Energieversorgung als strategischen Schwerpunkt gesetzt. Dazu werden am LEAT unter anderem experimentelle und numerische Analysen von Kraft-werksprozessen durchgeführt, die einer Optimierung fossiler Energiesysteme dienen. LEE kann auf langjährige Erfahrungen im Bereich der Lebenszyklusanalyse zurückgreifen und so die ökolo-gische Effizienz neuer Technologien untersuchen und beurteilen.

University of twente (Ut), niederlande

Die Forschungsgruppe für anorganische Membranen ist führend im Bereich der Herstellung, Charakterisierung und Modellierung von keramischen Membranen zur Sauerstofftrennung. Mit ihrer besonderen Expertise zur Analyse des Sauerstofftransports wollen die niederländischen Forscher dazu beitragen, die Transport prozesse durch verschiedene Werkstoffe besser zu verstehen. Ihr Ziel ist es, die Membranen für große Material-flüsse und niedrige Betriebstemperaturen zu optimieren und ihre Lebensdauer zu erhöhen.

RWtH Aachen University

The institutes for physical chemistry, chemical engineering and inorganic chemistry at RWTH Aachen have expertise in experi-mental determination of transport properties of ceramic and polymer membranes as well as in mathematic and quantum chemical modelling of membrane processes. They are particu-larly well versed in separating oxygen, nitrogen, hydrogen and carbon dioxide and are able to study long-term membrane stabil-ity under conditions that approximate industry use. Quantum chemical calculations help researchers understand and optimise basic ionic transport processes within membranes. RWTH’s experience in simulating membranes and plant processes also facilitates the task of designing application-ready materials and processes as well as basic research that leads to optimised materials.

Ruhr-Universität Bochum (RUB)

Two of the university’s departments are involved in MEM-BRAIN, the Department of Energy Plant Technology (LEAT) and the De-partment of Energy Systems and Energy Economics (LEE). Their strategic focus in the project is sustainable energy supply. Part of LEAT’s work involves performing experimental and numerical analyses of power plant processes in an effort to optimise fossil energy systems. LEE’s extensive experience in life cycle assess-ment enables it to contribute to the project by studying and evaluating the ecological efficiency of new technologies.

University of twente (Ut), the netherlands

The research group for inorganic membranes leads the field in manufacturing, characterising and modelling ceramic mem-branes for separating oxygen. The researchers hope to use their expertise in analysing oxygen transport to improve our understanding of transport processes through different materi-als. Their goal is to optimise membranes for high material flow rates and low operating temperatures and to extend membrane service life.

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allIanzmItglIeder | members of the allIance

Koordinierendes mitglied: | coordinating member:

Forschungszentrum JülichWilhelm-Johnen-Straße52428 JülichTelefon: +49 (0) 2461 61-0Telefax: +49 (0) 2461 61-8100E-Mail: info@fz-juelich.dewww.fz-juelich.de

Ansprechpartner:Dr. W. A. MeulenbergTelefon: +49 (0) 2461 61-6323Telefon: +49 (0) 2461 61-2455E-Mail: w.a.meulenberg@fz-juelich.dewww.fz-juelich.de/ief/ief-1/membrain/

mitglieder der Helmholtz-Allianz mem-BRAin: | members of the Helmholtz-Alliance mem-BRAin:

Deutsches elektronensynchrotron DeSYNotkestraße 8522607 HamburgTelefon: +49 (0) 40 8998-0Telefax: +49 (0) 40 8998-3282E-Mail: desyinfo@desy.dewww.desy.de

ernst Ruska-centrum für elektronen mikroskopie (eR-c)Leo-Brandt-Straße52425 JülichTelefon: +49 (0) 2461 61-0Telefax: +49 (0) 2461 61-8100E-Mail: info@fz-juelich.dewww.er-c.org

Flemish institute for technological Research/Vito, BelgienBoeretang 2002400 Mol, BelgiumTelefon: +32 (0)14 33 55 11Telefax: +32 (0)14 33 55 99E-Mail: vito@vito.bewww.vito.be

GKSS Forschungszentrum GeesthachtMax-Planck-Straße 121502 GeesthachtTelefon: +49 (0) 4152 87-0Telefax: +49 (0) 4152 87-1403E-Mail: presse@gkss.dewww.gkss.de

Helmholtz-zentrum Berlin für materialien und energieHahn-Meitner-Platz 114109 BerlinTelefon: +49 (0) 30 8062-0Telefax: +49 (0) 30 8062-2181E-Mail: info@helmholtz-berlin.dewww.helmholtz-berlin.de

Hermsdorfer institut für technischeKeramik (HitK)Michael-Faraday-Str. 107629 Hermsdorf/ThüringenTelefon: +49 (0) 36601 9301-0Telefax: +49 (0) 36601 9301-3921E-Mail: info@hitk.dewww.hitk.de

Karlsruher institut für technologie (Kit)Kaiserstr. 1276131 KarlsruheTelefon: +49 (0) 7247 82-0Telefax: +49 (0) 7247 82-5070E-Mail: info@kit.eduwww.kit.edu

Polytechnic University of Valencia, institute of chemical technology (cSic), SpanienAv. de los Naranjos, s/n46022 Valencia, SpainTelefon: +34 (0) 96 387-7800Telefax: +34 (0) 96 387-9444E-Mail: informacion@upv.eswww.upv.es

Rheinisch-Westfälische technische Hochschule RWtH AachenTemplergraben 5552062 AachenTelefon: +49 (0) 241 80-1Telefax: +49 (0) 241 80-92312E-Mail: infostelle@zhv.rwth-aachen.dewww.rwth-aachen.de

Ruhr Universität Bochum (RUB) Universitätsstr. 15044801 BochumTelefon: +49 (0) 234 32-201Telefax: +49 (0) 234 32-201E-Mail: pressestelle@ruhr-uni-bochum.dewww.ruhr-uni-bochum.de

University of twente (Ut), niederlandeDrienerlolaan 57522 NB Enschede, The NetherlandsTelefon: +31 (0) 53 489-9111Telefax: +31 (0) 53 489-2000E-Mail: info@utwente.nlwww.universiteittwente.nl

www.helmholtz.de/allianz-mem-brain

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helmholtz-allIanzen

Helmholtz-Allianzen bieten den beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine attraktive Möglichkeit, neue Themen mit der erforderlichen kritischen Masse zu erforschen oder aktu-elle Forschungsthemen in innovativer Weise weiterzuentwickeln. Gemeinsam mit verschiedenen Universitäten und anderen exter-nen Partnern bauen die Allianzen Verbünde mit internationaler Sichtbarkeit auf. Die Allianzen sind als Netzwerke konzipiert, die über ein eigenes Management verfügen, internationale Spitzen-forschung einbeziehen sowie eine gezielte Nachwuchsförderung und strategische Berufungsverfahren und die Förderung der Chancengleichheit etablieren. Die Helmholtz-Gemeinschaft leistet Beiträge zur Lösung großer und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch strategisch-programmatisch ausgerichtete Spitzenforschung in den Bereichen Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie, Luft-fahrt, Raumfahrt und Verkehr. Sie erforscht Systeme hoher Kom-plexität unter Einsatz von Großgeräten und wissenschaftlichen Infrastrukturen gemeinsam mit nationalen und internationalen Partnern. Die Helmholtz-Gemeinschaft trägt zur Gestaltung unserer Zukunft durch Verbindung von Forschung und Techno-logieentwicklung mit innovativen Anwendungs- und Vorsorge-perspektiven bei.

helmholtz allIances

The Helmholtz Alliances offer participating scientists and re-searchers ideal opportunities to investigate new topics with the necessary critical mass and to innovatively advance research topics of current interest.The Alliances bring universities and non-university partners together in collaborations with high international visibility. Helmholtz Alliances each have their own particular management structure and are conceived as networks that integrate out-standing research, develop targeted policies to promote young researchers, establish strategic appointment systems and foster equal opportunities.The Helmholtz Association contributes to solving major chal-lenges facing society, science and the economy with top-rate research in strategic programmes in the fields of Energy, Earth and Environment, Health, Key Techno¬logies, Structure of Mat-ter, and Aeronautics, Space and Transport. It studies highly complex systems using its large-scale facilities and scientific infrastructure, and cooperates closely with national and inter-national partners. The Helmholtz Association helps shape the future by combining research and technological developments with innovative perspectives for applications and provisions for tomorrow’s world.

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dr. angela bittner, dr. wilhelm a. meulenberg, dr. michael czyperek, kosta schinarakis

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titel: rwe (1); alle weiteren bilder: mem-braIn

cover: rwe (1); other pictures: mem-braIn

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unIcom werbeagentur gmbh, berlin

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mediabogen, berlin

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2000

Stand: Januar 2010As of January 2010

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