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.
Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie
