Anwendungsbereiche

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Hochtemperaturbatterie für die stationäre Energiespeicherung.

Energiespeicher

 

Das Fraunhofer IKTS befasst sich sowohl mit Lithium-Ionen-Batterien und deren Fertigungstechnik als auch mit Batterien auf Basis von keramischen Natrium-Festkörper-Ionenleitern für kosteneffiziente dezentrale Energiespeicher. Insbesondere Batterien mit Festkörperelektrolyten und Kompositmaterialien auf Basis von Festkörperionenleitern stellen hier ein Alleinstellungsmerkmal dar. Weitere Schwerpunkte bilden Metall-Luft-Batterien und Superkondensatoren. Für Wärmespeicher werden Zeolithe, Phase Change Materials und Bauteile für Salzspeicher angeboten. Die Entwicklungsthemen umfassen die komplette Wertschöpfungskette für Energiespeicher und deren Herstellung vom Labor- bis zum Produktionsmaßstab.

CFY-Stackkomponenten können auch für den Elektrolysebetrieb angepasst werden.
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CFY-Stackkomponenten können auch für den Elektrolysebetrieb angepasst werden.

Elektrolyse und Power-to-X

 

Die Elektrolyse von Wasserdampf und CO2 im kommerziellen Maßstab ist eine Schlüsseltechnologie, um überschüssigen regenerativ erzeugten Strom nutzbar zu machen. So kann er in speicherbare Energieformen wie Wasserstoff zur Einspeisung in Gasnetze und zur Rückverstromung umgewandelt bzw. durch Umsetzung mit CO2 über Synthesegas in höherwertige Energieträger überführt werden. Die Brennstoffzellenstacks des Fraunhofer IKTS eignen sich ausgezeichnet für den Elektrolysebetrieb. Die aus der kommerziellen SOFC-Technik stammenden Erfahrungen bei der Entwicklung von Zellen, Interkonnektoren und Fügetechniken ermöglichen schnelle Design- und Materialiterationen sowie große Module. Darüber hinaus arbeitet das Fraunhofer IKTS an Reaktorkonzepten. Unter anderem kombiniert es wasserselektive Membranen mit Katalysatoren im Membranreaktor bzw. Membrankontaktor. Zudem arbeiten die Mitarbeiter an Katalysatorsystemen sowie verfahrenstechnischen Prozessen und Anlagen für die Kraft- und Wertstoffherstellung mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese.

Brennstoffzellensysteme im Testbetrieb.
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Brennstoffzellensysteme im Testbetrieb.

Brennstoffzellen

 

Die Stromerzeugung mit SOFC- und MCFC-Brennstoffzellen ist in der ersten Phase der Markteinführung. Für PEM-Brennstoffzellen werden neue Fertigungsverfahren untersucht, die eine Reduzierung des Platingehalts zum Ziel haben. Weitere Entwicklungen konzentrieren sich auf die stetige Reduktion der Herstellkosten, die Verlängerung der Lebensdauer, die Erweiterung der nutzbaren Brennstoffarten und die Systemintegration. Das IKTS ist hier ein international führender Ansprechpartner mit jahrzehntelanger Erfahrung. Die Fähigkeiten erstrecken sich über die gesamte Wertschöpfungskette: Am IKTS werden Zellen und Stacks entwickelt, im Prototypenmaßstab hergestellt und in kundenspezifische Systeme modular integriert, um kompakte und energieeffiziente Lösungen für die Kraft-Wärme-Kopplung zu demonstrieren. Das Leistungsspektrum der Systeme reicht von tragbaren Geräten im Bereich von 50 W bis zu stationären Anlagen im MW-Bereich. Dabei werden die unterschiedlichsten Brennstoffe wie Biogas, LPG und Wasserstoff genutzt.

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Optimierung der Strom- und Wärmegewinnung aus Biomasse.

Bioenergie

 

Das IKTS liefert eine breite Palette verfahrenstechnischer Lösungen für Bioenergietechnologien wie Desintegrations-, Misch- und Rührprozesse. Bei der Aufbereitung von Biogas werden mit adsorptiven und Membranverfahren die Prozesse für Methananreicherung, Gastrocknung, Nährstoffrückgewinnung und Prozesswasseraufbereitung optimiert. Ein Fokus liegt auf der Flexibilisierung von Biogasanlagen für die bedarfsgerechte Energiebereitstellung. Darüber hinaus werden Herstellprozesse für Bioethanol durch Membranen im Produktionsprozess verbessert, beispielsweise bei der Verzuckerung, Entwässerung oder Substrataufbereitung. Neuartige organophile Pervaporationsmembranen sowie Ultrafiltrationsmembranen helfen, die Produktionsprozesse effizient zu gestalten.

Mobiler Versuchs‐ und Korrosionsteststand für Insitu-Untersuchungen.
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Mobiler Versuchs‐ und Korrosionsteststand für Insitu-Untersuchungen.

Tiefengeothermie

 

In Anlagen der Tiefengeothermie verursachen extreme Bedingungen wie hohe Drücke, Temperaturen und Salzgehalte oftmals Korrosion und Inkrustation, was deren Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit beeinträchtigt. Basierend auf den langjährigen Erfahrungen mit Inkrustationsphänomenen und der exzellenten analytischen Ausstattung liegt ein Enticklungsschwerpunkt des Fraunhofer IKTS auf korrosionsbeständigen Komponenten und Anlagen sowie der Prozessauslegung. Mit Versuchs- und Korrosionstestständen ist eine Echtzeitüberwachung vor Ort möglich. Durch elektrochemische Behandlung der Thermalfluide können toxische Substanzen und geogene Radionuklide zurückgehalten und Entsorgungsprobleme vermieden werden. Die Gewinnung strategischer Metalle ist dabei ebenfalls möglich.

Einbrand von Metallisierungspasten und -tinten.
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Einbrand von Metallisierungspasten und -tinten.

Photovoltaik und Solarthermie

 

Die Effizienz von Solarzellen wird maßgeblich von der elektrischen Leitfähigkeit der metallischen Sammlerelektroden bestimmt. Hocheffiziente Dickschicht- und Direktschreibverfahren ermöglichen eine kostengünstige Metallisierung der Zellen. Das Fraunhofer IKTS entwickelt Pasten und Tinten für bestehende und neue Zellkonzepte. Im Bereich der Solarthermie (CSP) arbeitet das Fraunhofer IKTS an Receivermaterialien und Hochtemperaturwerkstoffen für Wärmetauscher und Wärmespeicher. Die Integration von thermischen Energiespeichern ermöglicht die bedarfsgerechte Bereitstellung der Energie.

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Test von thermoelektrischen Generatoren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme.

Energy Harvesting

 

Für die Energieversorgung verteilter, dezentraler Mikrosysteme wie Sensoren oder Medizin- und Consumergeräte lässt sich Energie aus der Umgebung in Form von Abwärme oder Vibration nutzen. Auf Basis der langjährigen Erfahrungen mit keramischen Aktivmaterialien (Thermoelektrika und Piezokeramiken) werden am Fraunhofer IKTS so genannte Energy Harvester realisiert, beispielsweise piezo- und thermoelektrische Generatoren.

Gefügebild eines Faserkomposits für Hochtemperaturturbinen.
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Gefügebild eines Faserkomposits für Hochtemperaturturbinen.

Hochtemperaturgasturbinen und thermische Energiesysteme

 

Um die Umweltfreundlichkeit und Effizienz von Heißgasturbinen zu steigern und die Emissionen zu reduzieren, sind höhere Prozesstemperaturen und somit Werkstoffe mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit notwendig. Monolithische Keramiken und keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC) sind daher eine interessante Alternative zu metallischen Werkstoffen. Darüber hinaus beschäftigt sich das Fraunhofer IKTS auch mit Oberflächenschutzschichten auf Basis oxidischer und nichtoxidischer Keramiksysteme.