Diamanten haben eine glänzende Zukunft in der grünen Energieerzeugung

Das ultimative Halbleitermaterial könnte eine Schlüsselrolle bei der Effizienz unseres Stromnetzes spielen.

Energie

Die CO2-arme Stromerzeugung ist für Europa von entscheidender Bedeutung, um die gesetzten Emissionsziele zu erreichen. Eine nachhaltige Energieerzeugung so effizient und kostengünstig wie möglich zu gestalten, ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Herausforderung. „Ein gutes Beispiel sind Offshore-Windparks, in denen Energie über Unterwasserkabel zum Festland transportiert werden muss“, sagt Etienne Gheeraert, Projektkoordinatorin von GreenDiamond von der französischen Universität Grenoble Alpes. Für den Transport dieses Stroms werden zwei Hochspannungswandler verwendet – einer im Windpark und einer auf dem Festland. Diese Wandler enthalten normalerweise Silizium-Stromgeräte. „Das ist eine Schwachstelle“, erklärt Gheeraert. „Silizium ist günstig, aber ein schlechtes Material für die Leitung von Hochspannungsstrom.“ Die Wahl von Silizium führt zu hohen Verlusten bei der Energieübertragung.

Hohes Potenzial von Industriediamant

Das EU-finanzierte Projekt GreenDiamond, das vom Französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) koordiniert wurde, zielte darauf ab, die Nachfrage der Industrie nach alternativen Halbleitern zu befriedigen. Der Schwerpunkt dieser Forschung lag auf einem Mineral, das für Luxus und Dekadenz bekannt ist, dem Diamanten. „Eine wichtige Botschaft hier ist, dass die Herstellung von Diamanten nicht teuer ist!“ bemerkt Gheeraert. „Sie sind eigentlich ziemlich einfach aus Methan und Wasserstoff oder Graphit herzustellen.“ Dieser Prozess ergibt eine kristalline Qualität, die viel besser als beim natürlichen Diamanten ist. „Diamant ist der ultimative Halbleiter“, fügt Gheeraert hinzu. „Kein Halbleiter hat bessere intrinsische Eigenschaften. Wir befinden uns noch im Siliziumzeitalter, aber mit Graphen, Nanoröhren und Diamant stehen wir kurz vor dem Eintritt in das Kohlenstoffzeitalter.“ Der Preis für Industriediamanten ist derzeit an den Edelsteinmarkt gebunden, auf dem die Preise deutlich steigen. Gheeraert ist zuversichtlich, dass sich die beiden Märkte – Industriediamanten und Edelsteine – bald voneinander abspalten werden, da ein aufstrebender Technologiemarkt synthetische Diamanten zu geringen Kosten anbietet. „Die erste Herausforderung bestand darin, einen neuen Wandler mit Diamant-Stromgeräten herzustellen“, sagt Gheeraert. „Dies erforderte die Entwicklung einer auf der Standard-Siliziumtechnologie basierenden Halbleitertechnologie für Diamanten.“ Das Projektteam entwickelte außerdem ein Gerätepaket für hohe Leistung und Temperaturen von bis zu 250 °C. „Wir wollten sicherstellen, dass unser Wandler genauso zuverlässig wie ein normaler Wandler ist“, erklärt Gheeraert. „Das ist von entscheidender Bedeutung. Für Offshore-Stromrichter sollte keine Wartung erforderlich sein.“

Eroberung des Markts

Bei mehreren Schlüsseltechnologien wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Dazu gehören die Gestaltung der Diamantgeräte, das Hochtemperatur-/Hochleistungspaket und der Diamantwandler. Erste Bewertungen deuten darauf hin, dass die Diamant-Stromgeräte viermal effizienter als herkömmliche Siliziumkonverter sind, was zu einer potenziellen Reduzierung der Stromverluste um 75 % führt. „Letztendlich können alle elektrischen Hochleistungssysteme mithilfe von Diamantgeräten Energie sparen“, stellt er fest. Anwendungen könnten Fernstromleitungen, Flugzeuge und Industriewandler sein. Die Wasserstoffproduktion könnte ein weiterer tragfähiger Endverbraucher sein, da sie eine große Menge an elektrischer Energie erfordert. Ziel ist es nun, das Interesse der Industriepartner zu steigern. Diamanten werden immer noch mit Luxusgütern und hohen Preisen verbunden. Eine effektive Kommunikation könnte hier für das hohe Potenzial einer kostengünstigen industriellen Diamantproduktion werben. Gheeraert und sein Team wären dann in der Lage, mit der Kommerzialisierung beginnen. Die Projektpartner haben bereits zwei Start-ups gegründet, die sich der Diamantelektronik widmen. Die anhaltend starke Beteiligung der Industriepartner an der Entwicklung dieser Technologie war laut Gheeraert eine der wichtigsten Errungenschaften des Projekts. Er ist zuversichtlich, dass die elektronische Diamanttechnologie den Markt dominieren wird. „Es ist wichtig, dass wir diese Forschung in Europa fortsetzen“, bemerkt er. „Andernfalls wird der Markt für die Umwandlung von Diamantenergie von anderen beherrscht.“

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