Kernkompetenz »Energiesysteme«

Eine nachhaltige und bezahlbare Energieversorgung sowie der effiziente Umgang mit Energie bilden Schwerpunkte der aktuellen Forschungspolitik. Innerhalb der Kernkompetenz »Energiesysteme« befassen wir uns mit elektrischen Energiespeichern für mobile und stationäre Systeme, mit Brennstoffzellen und Elektrolyse sowie Wärme- und stofflichen Energiespeichern und ihren Einsatzmöglichkeiten. Wir haben über mehr als 30 Jahre elektrochemisches und chemisches Know-how aufgebaut und die Grundlagen für die Entwicklung effizienter und kostengünstiger Speicher und Wandler gelegt.

Mobile 15 kW/30 kWh Redox-Flow-Batterie Containerlösung für ein energieautarkes Feldlager
© Fraunhofer ICT | Mona Rothweiler
Mobile 15 kW/30 kWh Redox-Flow-Batterie Containerlösung für ein energieautarkes Feldlager

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 unterschiedliche Anwendungen 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 durchführen.

Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen und Elektrolyseure der nächsten Generation bilden einen Schwerpunkt im Bereich der Wandler. Der Themenschwerpunkt liegt in der Entwicklung von alkalischen Direktalkohol-Brennstoffzellen, zum Beispiel der Entwicklung von Palladium-Nichtedelmetalllegierungskatalysatoren für die Alkoholoxidation oder Ionomeren mit hoher Stabilität in alkalischen Alkohollösungen. Zum Betrieb mit militärisch verfügbaren logistischen Kraftstoffen entwickeln wir Anodenkatalysatoren für Mitteltemperaturbrennstoffzellen, die eine hohe Toleranz für Verunreinigungen (insbesondere schwefelhaltige Verbindungen) haben. Wir besitzen darüber hinaus eine hohe Kompetenz in der Online-Analytik elektrochemischer Prozesse. Diese werden auch für die Untersuchung von Degradationsprozessen in automobilen PEMFC genutzt.

Zu unserer Kompetenz gehört ferner die Auslegung von Systemen für den Einsatz in ungewöhnlichen Umgebungen, zum Beispiel unter Wasser.

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.

Einzelzellteststand mit Gasanalytik zur Detektion transienter Änderungen der Gaszusammensetzung
© W. Mayrhofer
Einzelzellteststand mit Gasanalytik zur Detektion transienter Änderungen der Gaszusammensetzung

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 in den Allianzen »Energie«, »Space« und »Bau« aktiv.

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)

Ausstattung

  • Lade- und Entladestationen inkl. Klimaschränken für die Batteriezellen-, Modul-, Batteriecharakterisierung
  • Argon-Schutzgasboxen
  • In-operando Schichtdickenmessungen auf Elektrodenund 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)