Kernkompetenz »Energie und Antriebe«

Eine nachhaltige und bezahlbare Energieversorgung sowie der effiziente Umgang mit Energie bilden die Schwerpunkte der aktuellen Forschungspolitik mit dem Ziel der vollendeten Energiewende und dem Ausstieg aus der fossilen Energiewirtschaft. Innerhalb der Kernkompetenz »Energiesysteme« befassen wir uns mit elektrischen Energiespeichern für mobile und stationäre Systeme, mit Brennstoffzellen und Elektrolyse sowie Wärme- und stofflichen Energiespeichern ihren Einsatzmöglichkeiten und der funktionalen Sicherheit der Systeme.

Unser Institut hat sich innerhalb dieser Kernkompetenz in über mehr als 30 Jahren wissenschaftliches Know-how aufgebaut und die Grundlagen für die Entwicklung effizienter und kostengünstiger Speicher und Wandler gelegt.

Unsere Kernkompetenz »Antriebssysteme« umfasst sowohl Lösungen für elektromotorische als auch für verbrennungsmotorische Antriebe. Die Systeme werden bei uns konzipiert, konstruiert, simuliert und im Versuch validiert. Ergänzend validieren wir mobile und stationäre Energiespeicher sowie thermische Speicher. Für verbrennungsmotorische Antriebe erforschen wir in unseren Forschungsmotoren synthetische Kraftstoffe und Additive.

Energiesysteme
Energiesysteme

Energie - Neue effiziente Möglichkeiten

Zur Speicherung elektrischer Energie entwickeln wir neue effiziente Möglichkeiten und untersuchen bereits auf dem Markt befindliche Systeme. Die Schwerpunkte liegen dabei auf Lithium-Ionen-Batterien, Festkörperbatterien, Redox-Flow-Batterien und sogenannten Post-Lithium-Ionen-Systemen, wie zum Beispiel Lithium-Schwefel oder Natrium-basierten Batterien. Zellen und Batteriemodule werden sowohl thermisch als auch elektrisch charakterisiert und simuliert, um sie dann für spezifische Anwendungsfelder auszulegen. Einen weiteren Schwerpunkt stellen Sicherheits- und Abuse-Untersuchungen mit begleitender Gasanalytik, Post-mortem-Untersuchungen an Zellen und Batterie-Modulen sowie die Entwicklung und Validierung von Sicherheitskonzepten für den Betrieb, Transport und Lagerung dar. In unseren Abuse-Laboren können wir thermische, mechanische und elektrische Sicherheitstests an Li-Ionen Zellen und an Modulen bis 2 kWh Energieinhalt durchführen. Für Redox-Flow-Batterien untersuchen wir unterschiedliche kostengünstige und nachhaltig nutzbare Speichermaterialien und arbeiten an der Kostenreduktion des Gesamtsystems, insbesondere am Stackaufbau und -materialien.

Unsere Arbeiten im Bereich der Wandler teilen sich auf drei Themenschwerpunkte auf, Materialentwicklung sowie Testung und Systementwicklung. Im Themenschwerpunkt Materialentwicklung liegt unser Fokus auf Katalysatorsystemen für die Wasserelektrolyse, wir adressieren Träger für Sauerstoffentwicklungs-/ (OER-)Katalysatoren für die PEM-Elektrolyse aber auch geträgerte Katalysatoren und edelmetallfreie OER-Katalysatoren für die AEM-Elektrolyse, ausgehend von MOF-Präkursoren. Auch für die Anwendung in der HT-PEMFC und in der DMFC entwickeln wir Elektrokatalysatoren. In der Brennstoffzellen-Testung liegt unser Fokus auf der Methodenentwicklung für die Untersuchung von Degradationsprozessen, insbesondere der Kohlenstoff- und Ionomerkorrosion mittels Online-Massenspektrometrie. Zudem unterstützen wir die Entwicklung von Testmethoden für Brennstoffzellenkomponenten, z.B. der Charakterisierung von Bipolarplatten und den GDL. Wir optimieren die Betriebsweise kommerzieller Brennstoffzellenstapel für Sonderanwendungen im militärischen, aber auch zivilen Bereich und entwickeln hierfür benötigte Systeme samt Auswahl geeigneter Peripheriekomponenten und der Steuerung.

Wasserstoff dient unter anderem als Energieträger für den Antrieb von Brennstoffzellen in mobilen und stationären Anwendungen. Wir sorgen für die nötige Sicherheit und untersuchen den Wasserstoff im jeweiligen System und betrachten verschiedene Betriebszustände – bis hin zum Worst-Case-Szenario. So berechnen wir mögliche Leckagen und Fehler, leiten Wasserstoff anhand theoretischer Ergebnisse gezielt in Hohlräume und testen die Umsetzung auf unserem Testgelände, das für bis zu drei Kilogramm TNT-Äquivalent ausgelegt ist. Ergänzend bearbeiten wir Fragen rund um den Sicherheitsabstand im Tankstellenbereich und der Druckabsicherung von Tankstellenbehältern.

Für die Energieversorgung in Wohnquartieren mit regenerativ hergestelltem Wasserstoff entwerfen wir die Gesamtauslegung des Systems inklusive der Brennstoffzellen zur Rückverstromung, der Nutzung der Abwärme aus der Brennstoffzelle und der bedarfsgerechten Verteilung per Nahwärmenetz. Wir bauen die Systemsteuerung auf und führen Stresstests durch, indem wir mögliche Fehlerfälle simulieren.

Eine weitere Möglichkeit der effizienten Nutzung von elektrischer Energie ist die Gewinnung von chemischen Erzeugnissen. So befassen wir uns mit der Entwicklung elektrochemischer Reaktoren einschließlich Elektrokatalysatoren und Elektroden sowie der Integration in einen Gesamtprozess und Kopplung an Folgeprozesse. Ein aktuelles Beispiel ist die elektrochemische Gewinnung von Wasserstoffperoxid durch partielle Reduktion von Luftsauerstoff mit gekoppelter Nutzung in einer Selektivoxidation.

Thermische Speicher werden sowohl auf der Basis von Phase-Change-Materials (PCM) als auch von Zeolithen entwickelt und charakterisiert. Dazu gehört die physikalisch-chemische Grundlagencharakterisierung inklusive der modellhaften Beschreibung und die Charakterisierung von Ad- und Desorptionsphänomenen mithilfe thermoanalytischer Methoden. Die Auslegung, der Aufbau und der Test von Sorptionsspeichern und Sorptionskühlungssystemen, Wärmespeichern auf Basis von Phase-Change-Materials sowie die Auslegung und der Aufbau und Test von Hybridbauteilen, die thermische Masse und Isolation verbinden, ergänzen sehr anwendungsbezogen unsere Grundlagenuntersuchungen. Im Themengebiet der stofflichen Speicher befassen wir uns am Fraunhofer ICT mit Wasserstoff als Energieträger und Plattformchemikalie. Ein besonderer Kompetenzschwerpunkt liegt dabei in der sicherheitstechnischen Beurteilung und Auslegung von Systemen, Anlagen und Prozessen.

Der Umgang mit Wasserstoff, insbesondere die Lagerung und der Transport, die Entwicklung und Ausführung von spezifischen Sicherheitstests sowie die Beurteilung, Konzeption und Auslegung von Wasserstoffspeichern ist Schwerpunkt unserer Arbeiten. Die Ausstattung unseres Anwendungszentrums für stationäre Speicher ermöglicht die Charakterisierung und Entwicklung eines breiten Spektrums von Materialien bis hin zum Verhalten des Speichers im elektrischen Netz mit erneuerbaren Energien.

Additiv gefertigte, poröse Transportschicht für die Wasserelektrolyse
© Fraunhofer ICT
Additiv gefertigte, poröse Transportschicht für die Wasserelektrolyse
Hochdruckautoklav zur Untersuchung der Anzündung und Verbrennung von verschiedensten Brenn- und Treibstoffen
Hochdruckautoklav zur Untersuchung der Anzündung und Verbrennung von verschiedensten Brenn- und Treibstoffen
Einzelzellteststand mit Gasanalytik zur Detektion transienter Änderungen der Gaszusammensetzung
© W. Mayrhofer
Einzelzellteststand mit Gasanalytik zur Detektion transienter Änderungen der Gaszusammensetzung

Dienstleistungen und Technologietransfer

Wir bieten unseren Kunden eine breite Palette an Entwicklungsleistungen für elektrische und thermische Speicher und elektrische Wandler für unterschiedlichste zivile und militärische Anwendungsfelder. Die Auslegung und Entwicklung von Brennstoffzellensystemen für eine stationäre Anwendung sowie für Fahrzeuge umfasst folgende Schwerpunkte:

  • vollständige Charakterisierung der Brennstoffzellenstacks der Typen PEMFC, HT-PEMFC und DMFC
  • Umweltsimulation an Stacks und Systemen, zum Beispiel Klimatests, Einfluss von Erschütterungen etc.
  • Erarbeitung von Betriebsstrategien, Optimierung des Zusammenspiels von Brennstoffzelle und Batterie
  • Durchführung von Sicherheitsbetrachtungen

Weiterhin entwickeln wir geeignete Elektrokatalysatoren zum Einsatz mit verschiedenen Brennstoffen (Wasserstoff, Alkohole) in sauren oder alkalischen Brennstoffzellen. Zur Evaluierung von Batteriematerialien wie Elektroden, Separatoren, Elektrolyten und Ableitern stehen uns unterschiedliche Testzellen und diverse eigenentwickelte Spezialmesszellen zur Verfügung.

  • Bestimmung der Leitfähigkeit (Elektrolyt, Membran, Separator)
  • Evaluierung von Elektroden (zum Beispiel NCA, NCM, Graphit, Si, LCO, LTO, O2-Kathoden etc.)
  • Test von Separatoren und Untersuchung von Elektrolyten (organisch, anorganisch, ionisches Liquid, festionenleitend) auf Performance und Stabilität
  • Thermische Simulation und Kühlkonzepte für Zelle, Modul und Batterie sowie Entwicklung von Modul- und Batteriekonzepten mit spezifischen Zellen
  • Forschung an Systemen der nächsten Generation (zum Beispiel Li-S, Luftkathoden, Na-Systeme, Festionenleiter)

Verbünde und Allianzen

Die Kompetenzen des Fraunhofer ICT sind sowohl über Fraunhofer-Verbünde als auch über Fraunhofer-Allianzen mit anderen Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft verknüpft. Das Fraunhofer ICT stellt mit Prof. Dr. Jens Tübke den Sprecher der »Allianz Batterien«.

Weiterhin ist das Fraunhofer ICT mit seinen Themen aus dem Bereich der Energiesysteme hauptsächlich im Fraunhofer-Leitmarkt »Energiewirtschaft« sowie den Allianzen »Energie«, »Space« und »Bau« aktiv.
Restwärmenutzung und Energierückgewinnung: Erprobung des Restwärmenutzungssytems im Heißgasprüfstand
© Fraunhofer ICT
Restwärmenutzung und Energierückgewinnung: Erprobung des Restwärmenutzungssytems im Heißgasprüfstand

Antriebe - Anwendungsnahe Forschung

Unsere Mobilität befindet sich im Wandel. Zunehmend kommen Batterieelektrische und hybride Fahrzeuge auf den Markt. Für die Übergangszeit sind aber auch noch verbrennungsmotorische Antriebe gefragt, ins besondere unter der Verwendung synthetischer Kraftstoffe. Wir befassen uns mit dem gesamten Spektrum der Antriebe für die Mobilitätswende.

Elektromotorische Antriebe

Im Bereich der »elektromotorischen Antriebe« beschäftigen wir uns intensiv mit Elektromotoren und Getriebesystemen für batterieelektrische Fahrzeuge. Dabei fokussieren wir uns auf Technologien, die eine hohe gewichtsspezifische Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad versprechen. Im Bereich der Entwicklung von Traktionsbatteriesystemen liegt unser Forschungsschwerpunkt auf der Entwicklung von leichten, sicheren und funktionsintegrierten Lösungen, die den Anforderungen an hohe Energie- und Leistungsdichten sowie den Sicherheitsanforderungen beim schnellen Laden und Entladen gerecht werden.

Verbrennungsmotorische Antriebe

Im Bereich der »verbrennungsmotorischen Antriebe« ist unser Forschungsschwerpunkt die Entwicklung technischer Lösungen im gesamten Antriebsstrang für mobile Anwendungen. Dabei betrachten wir den Verbrennungsmotor sowohl als alleiniges Antriebsaggregat als auch in Kombination mit einem Elektromotor als hybrides Antriebssystem. Die Zielsetzung aller unserer Entwicklungen in diesem Gebiet ist es, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen der Verbrennungsmotoren zu senken und das Gesamtsystem sicherer, flexibler, verfügbarer und vor allem mit bezahlbarer Mobilität in Einklang zu bringen.

3D-CAD-Schnittmodell des Fraunhofer ICT 1-Zylinder-Forschungsmotor
© Fraunhofer ICT
3D-CAD-Schnittmodell des Fraunhofer ICT 1-Zylinder-Forschungsmotor
Leichtbau-Nockenwellenmodul aus hochfestem, faserverstärkten Kunststoff
© Fraunhofer ICT
Leichtbau-Nockenwellenmodul aus hochfestem, faserverstärkten Kunststoff
Elektromotor mit innenliegender Kühlung und einem Leichtbau-Kunstoffgehäuse
© Fraunhofer ICT
Elektromotor mit innenliegender Kühlung und einem Leichtbau-Kunstoffgehäuse

Konstruktion, Simulation und Versuchserprobung

Mit unserer Kompetenz auf dem Gebiet »Konstruktion« führen wir für Industrie und Projektpartner Neuentwicklungen komplexer Systeme durch. Zum Beispiel konstruieren und fertigen wir Prototypen zur Validierung neuer Funktionsprinzipien oder Anordnungskonzepte von Traktionsbatterien und Elektromotoren bis hin zu kompletten thermischen Energiewandlern, wie Verbrennungsmotoren und Turbinen. Um neue Konstruktionen zu verifizieren und zu modellieren, analysieren wir mit unserer Kompetenz »Simulation« komplexe Komponenten und Systeme bereits während der Konzeptphase. Das Verhalten einzelner Komponenten im Zusammenspiel auf Systemebene erfassen wir dabei mit Simulationstools zur Wärme-, Stoff- und Informationsübertragung. Wir setzen auch das Gesamtfahrzeug- Simulationstool »IPG-CarMaker« ein, welches es ermöglicht, Fahrzeuge modular in variable Komponenten zu zerlegen, um deren Wirksamkeit im Fahrbetrieb zu untersuchen. Für die Strömungs-, Mehrkörper- und Struktursimulation setzen wir ebenfalls professionelle Tools gemäß aktuellem Industriestandard ein.

Im »Versuch« betreiben wir moderne Prüfeinrichtungen und vervollständigen damit unsere Expertise aus Simulation, Konstruktion, Entwicklung und Fertigung von Komponenten und Systemen in einem umfangreichen Versuchsfeld. Auf unserem Motorprüfstand sind vollständige Vermessungen von Vollmotoren der kleineren PKW-Größe und 1-Zylinder-Forschungs-Motoren umsetzbar. An unserem Hybridprüfstand wird der gesamte elektrische Teil des Antriebsstrangs dargestellt. Auf einem Heißgasprüfstand werden Systeme zur Restwärmenutzung, thermoelektrische Generatoren, Wärmeübertrager, Turbogeneratoren, Abgasturbolader und Abgasanlagen untersucht.

Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen

Die richtige Auswahl eines Energiespeichers für die Anwendung, die elektrochemische Charakterisierung von Materialien und Zellen, die Ermittlung von physikalischen Parametern ihrer Materialien für Simulationen und die Ursachenforschung bei Zellversagen zählen zu unseren Forschungs- und Entwicklungs- Dienstleistungen im Bereich »Batterien und Akkumulatoren«. Wir arbeiten an aussichtsreichen Systemen der nächsten Generation und führen Sicherheitstests an Zellen und Modulen mit zeitaufgelöster Gasanalytik durch. Brennstoffzellen sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades wichtige Systeme für die zukünftige Gewinnung elektrischer Energie. Aktuell werden überwiegend Wasserstoff, Methanol und Erdgas für die Verstromung in Brennstoffzellen eingesetzt. Entwicklungen in diesem Bereich betreffen insbesondere die Optimierung der Systeme im Hinblick auf die jeweiligen Betriebsbedingungen und die eingesetzten Komponenten. Hier zielen aktuelle Arbeiten insbesondere auf die Integration von Brennstoffzellen in mobile und stationäre Anwendungen, sowie auf die Materialentwicklung der Systeme.

Umweltsimulation und Produktqualifikation

In speziellen technischen Anlagen werden Umwelteinflüsse an Produkten simuliert und maßgeschneiderte Tests entwickelt. Im Bereich »Umweltsimulation und Produktqualifikation« simulieren wir für den Mobilitätssektor Korrosion, Schadgas, Salznebel und Schwallwasser, Vibration, Mechanischer Schock, Druck, Druckwechsel, Klima, Temperatur, Temperaturschock und im Bereich der Elektronik Staub, Wasser, IP Schutzart und in der Materialforschung chemische bzw. UV-Beständigkeit sowie Alterung.

 

Ausstattung

 

  • Lade- und Entladestationen inkl. Klimaschränken für die Batteriezellen-, Modul-, Batteriecharakterisierung
  • Argon-Schutzgasboxen
  • In-operando Schichtdickenmessungen auf Elektroden- und Zellebene während elektrochemischer Tests
  • High-Speed- und Infrarot-Kameras
  • Kryostaten und Klimaschränke von -70 °C bis 250 °C
  • Rastertunnelmikroskop (STM) / Rasterkraftmikroskop (AFM) bis in den atomaren / Nanobereich in 3D-Darstellung
  • Digital-Mikroskopie bis zu 5000-fache Vergrößerung in 2D- oder 3D-Darstellung
  • Rasterelektronenmikroskop (REM) / ortsaufgelöste Elementaranalyse mittels Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS)
  • RAMAN- und Infrarot(IR)-Spektroskopie
  • Analyse der Oberflächengröße und Porosität mittels BET-Gasadsorption
  • Konfokalmikroskop für die Oberflächencharakterisierung
  • Ionenanalyse mittels Kapillarelektrophorese (CE), Free Flow Electrophorese (FFE) und Ionenchromatographie
  • Thermische Analyse zur Erfassung physikalischer Umwandlungen und chemischer Reaktionen mit Wärmestrom-DSC
  • Gasanalyse mittels GC, MS, GC/MS und Gas-FTIR
  • Thermische, mechanische und elektrische Sicherheitstesteinrichtung für Batteriezellen und -modulen bis 2 kWh, Brennstoffzellenmodule
  • Synthesemöglichkeiten für geträgerte Elektrokatalysatoren bis zum Grammmaßstab
  • Messplätze für die elektrochemische Katalysatorcharakterisierung sowie zur Durchführung von Alterungstests an Membran-Elektroden-Einheiten
  • differenzielle elektrochemische Massenspektrometrie (DEMS) zur Untersuchung von Reaktions- oder Korrosionsprodukten
  • Mitteltemperaturzelle (120 bis 200 °C) mit Onlinemassenspektrometrie (HT-DEMS)
  • Vorrichtungen zur Herstellung von Membran-Elektrodeneinheiten im InkJet-, Heißsprüh- und Elektrospinning-Verfahren
  • mehrere Einzelzellteststände zur Charakterisierung von Membranen-Elektroden-Einheiten für Wasserstoff- PEMFC, PEM- und AEM- und HT-PEMC basierte Direktalkoholbrennstoffzellen, HT-PEMFC im Reformatbetrieb, PEM-Elektrolyse
  • Messstand zur Durchführung zeitaufgelöster onlinemassenspektrometrischer Messungen für die Untersuchung transienter Vorgänge in automobilen PEMFC wie Korrosion bei Schaltvorgängen oder Gasaustausch von Inertgasen Teststand für die Untersuchung von Short-Stacks bis 500 W der Typen PEMFC, DAFC und HT-PEMFC
  • Teststände zur Stackcharakterisierung von PEMFC und HATPEMFC Stacks bis 5 kW mit Wasserstoff, Surrogat Reformat für Betriebsdrücke bis 5 bar und mit reinem Sauerstoff
  • Möglichkeit der Systementwicklung und Komponentenuntersuchung im Hardware-in-the-Loop- Verfahren
  • Umweltsimulation, insbesondere mechanische Tests (Vibration, Stoß, etc.) an Brennstoffzellenstacks und -systemen
  • Online-Massenspektrometer mit Membraneinlasseinheit für Flüssigphasenanalytik
  • Sputteranlage zum Beschichten mit Metallen
  • verschiedene Hochtemperaturöfen mit Möglichkeit der Simulation von H2-, CO-, CO2- oder SO2-haltigen Atmosphären bis 800 °C und unter Druck bis 50 bar
  • Messstand für Redox-Flow-Batterie-Stacks bis 60 kW
  • Teststände für Redox-Flow-Batteriestacks in einer großtechnischen Umgebung bis zu 250 kW
  • Prüfung von Materialien für VRFB (Zelltest, Beständigkeitstest, Elektrolytuntersuchungen)

 

 

Motorprüfstände

  • Einzylinderuntersuchungen
  • Erprobung synthetischer Kraftstoffe
  • Wasserstoffverbrennung

Emissionsmesstechnik

  • AVL M.O.V.E Gas & Particle Counter
  • AVL Particle Counter APC 489
  • TSI EEPS Partikelspektrometer
  • Cambustion Fast Gas Analyser (NOX,HC, CO)

Heißgasprüfstand

  • UTF Erdgasbrenner
  • max. Temperatur 1200 °C
  • Leistung bis 400 kW
  • Heißgasmassenstrom bis 1800 kg/h
  • Temperaturgradient bis zu 100 K/s

Hochfrequenzpulsator

  • elektromagnetischer Antrieb
  • dynamische und statische Prüfmaschine
  • Prüfkräfte von bis zu 100 kN
  • Prüffrequenzen von bis zu 285 Hz

Testmethodik- und Fahrzeugsimulation

  • virtuelle Erprobung
  • IPG CarMaker
  • AVL InMotion
  • Ableitung von Lastkollektiven

Datenlogger

  • individuell konfigurierbar
  • OBD, GPS, Temperaturen
  • Feuchte, Druck, Schwingungen

Batterietestcenter

  • Zellcharakterisierung
  • Sicherheitstests

Dienstleistungszentrum

  • Umweltsimulation
  • Korrosionsuntersuchungen
  • chemische Beständigkeit
  • Klima / Temperatur / Temperaturschock
  • IP-Schutzart
  • Vibration / mechanischer Schock
  • Freibewitterung / Sonnensimulation /
  • UV-Beständigkeit / Virtuelle Produktqualifikation
  • maßgeschneiderte Umweltqualifikation