- Fraunhofer IKTS

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KERAMISCHE TECHNOLOGIEN UND SYSTEME IKTS
GESCHÄFTSFELD
ENERGIE
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ENERGIE
I m Ge sc hä f t sf e ld » E n e rg i e « b i e te t d a s F ra u n hofer I KTS i nnov ati v e Komponenten, M odul e und komp let t e
Syst e m e de r E ne r g i e te c h n i k , d i e a u f B a s i s von kerami s c hen Werks toffen und Tec hnol ogi en entwi c kelt ,
g eb a ut und ge t e s te t we rd e n . Di e A n we n d u ngen rei c hen v on Energi es pei c her- und Brenns toffz el l ens yst e m e n übe r S o l a rze l l e n , E n e rg y -H a rv e s ti n g-M odul e und thermi s c he Energi es y s teme bi s hi n z u
Lö sunge n f ür bio e n e rg e ti s ch e u n d ch e m i s c h e Energi eträger.
Der Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung ist
dies zu deutlichen Wettbewerbsvorteilen. An erster Stelle
eine der zentralen Aufgaben im 21. Jahrhundert. Dazu müssen
steht dabei stets eine sorgfältige Analyse und gegebenenfalls
erneuerbare und konventionelle Energien wirtschaftlich
Modellierung und Simulation von keramischer Komponente
konkurrenzfähig mit einer hohen Effizienz und minimierten
und System, um spezifische Eigenschaften optimal nutzen
Schadwirkungen genutzt werden. Bei der Umwandlung und
zu können sowie deren Integration in Energiewandler und
Speicherung von elektrischer und thermischer Energie sind
-systeme zu optimieren. In Kooperation mit Industriepartnern
sowohl die Robustheit und Lebensdauer der Systeme als auch
betreibt das Fraunhofer IKTS mehrere Technika, in denen die
deren Herstell- und Betriebskosten relevant.
vollständige Prozesskette für eine moderne Fertigung von
Energiesystemkomponenten abgebildet wird. Auf einzigartige
Als Komplett-Dienstleister bearbeitet das Fraunhofer IKTS die-
Weise können so die am Institut konzipierten Werkstoffe und
se Problemstellungen umfassend, denn nur so können wirklich
Prozesse im semiindustriellen Umfeld mit Kunden getestet und
innovative Lösungsansätze entstehen. Gerade im dynamischen
optimiert werden.
Marktsegment der Energieerzeugung und -speicherung führt
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50 µm
ANWENDUNGSBEREICHE
Energiespeicher
wie Wasserstoff zur Einspeisung in Gasnetze und zur Rückverstromung umgewandelt bzw. durch Umsetzung mit CO2 über
Das Fraunhofer IKTS befasst sich sowohl mit Lithium-Ionen-
Synthesegas in höherwertige Energieträger überführt werden.
Batterien und deren Fertigungstechnik als auch mit Batterien
Die Brennstoffzellenstacks des Fraunhofer IKTS eignen sich
auf Basis von keramischen Natrium-Festkörper-Ionenleitern für
ausgezeichnet für den Elektrolysebetrieb. Die aus der kom-
kosteneffiziente dezentrale Energiespeicher. Weitere Schwer-
merziellen SOFC-Technik stammenden Erfahrungen bei der
punkte bilden Metall-Luft-Batterien und Superkondensatoren.
Entwicklung von Zellen, Interkonnektoren und Fügetechniken
Für Wärmespeicher werden Zeolithe, Phase Change Materials
ermöglichen schnelle Design- und Materialiterationen sowie
und Bauteile für Salzspeicher angeboten. Die Entwicklungs-
große Module.
themen umfassen die komplette Wertschöpfungskette für
Energiespeicher und deren Herstellung vom Labor- bis zum
Photovoltaik und Solarthermie
Produktionsmaßstab.
Die Effizienz von Solarzellen wird maßgeblich von der
Brennstoffzellen
elektrischen Leitfähigkeit der metallischen Sammlerelektroden
bestimmt. Hier entwickelt das Fraunhofer IKTS Pasten
Die Stromerzeugung mit SOFC- und MCFC-Brennstoffzellen-
und Tinten für bestehende und neue Zellkonzepte. Die
systemen ist in den ersten Phasen der Markteinführung. Die
hocheffizienten Dickschicht- und Direktschreibverfahren
aktuelle Entwicklung konzentriert sich auf die weitere Reduk-
ermöglichen eine kostengünstige Metallisierung der Zellen.
tion der Herstellkosten, die Verlängerung der Lebensdauer,
Im Bereich der Solarthermie arbeitet das Fraunhofer IKTS
einfach nutzbare Brennstoffe und die Systemintegration. Das
an Receivermaterialien und Hochtemperaturwerkstoffen für
Fraunhofer IKTS ist hier ein international führender Ansprech-
Wärmetauscher und Wärmespeicher. Die Integration von
partner mit jahrzehntelanger Erfahrung. Die Fähigkeiten
thermischen Energiespeichern ermöglicht die bedarfsgerechte
erstrecken sich über die gesamte Wertschöpfungskette: von
Bereitstellung der Energie.
einem detaillierten Werkstoff- und Prozesswissen über die
Entwicklung von Kern- und Prozesskomponenten und die
Hochtemperaturgasturbinen und thermische
Systemkonzeption bis hin zu Prototypenfertigung, Testbetrieb
Energiesysteme
und Validierung. Das Leistungsspektrum der Systeme reicht
von tragbaren Geräten im Bereich von 50 W bis zu statio-
Um die Umweltfreundlichkeit, Zyklenfestigkeit und Effizienz
nären Anlagen im MW-Bereich. Dabei werden die unterschied-
von Heißgasturbinen zu steigern und die Emissionen zu redu-
lichsten Brennstoffe wie Biogas, LPG und Wasserstoff genutzt.
zieren, sind höhere Prozesstemperaturen und Werkstoffe mit
hoher Temperaturwechselbeständigkeit notwendig. Mono-
Elektrolyse und Power-to-Gas
lithische Keramiken und keramische Faserverbundwerkstoffe
(CMC) sind daher eine interessante Alternative zu metallischen
Die Elektrolyse von Wasserdampf und CO2 im kommerziellen
Werkstoffen. Darüber hinaus beschäftigt sich das Fraunhofer
Maßstab ist eine Schlüsseltechnologie, um Überschussstrom
IKTS auch mit Oberflächenschutzschichten auf Basis oxidischer
nutzbar zu machen. So kann er in speicherbare Energieformen
und nichtoxidischer Keramiksysteme. Weitere Arbeiten
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konzentrieren sich auf Hochtemperaturkomponenten wie
behalten. Das Fraunhofer IKTS arbeitet an Technologien und
beispielsweise Heizelemente, Brenner oder Wärmetauscher.
Reaktorkonzepten für die Darstellung flüssiger Energieträger
aus alternativen Rohstoffquellen, H2, CO2 und Überschuss-
Energy Harvesting
energie. Unter anderem kombiniert es wasserselektive
Membranen mit Katalysatoren im Membranreaktor bzw.
Für die Energieversorgung verteilter, dezentraler Mikrosysteme
Membrankontaktor. Zudem arbeiten die Mitarbeiter an
wie Sensoren oder Medizin- und Consumergeräte lässt sich
Katalysatorsystemen sowie verfahrenstechnischen Prozessen
Umweltenergie in Form von Abwärme und Bewegung nutzen.
und Anlagen für die Kraft- und Wertstoffherstellung mit Hilfe
Auf Basis der langjährigen Erfahrungen mit keramischen
der Fischer-Tropsch-Synthese.
Aktivmaterialien (Thermoelektrika und Piezokeramiken)
werden am Fraunhofer IKTS so genannte Energy Harvester
Tiefengeothermie
realisiert, beispielsweise thermoelektrische Generatoren und
Piezogeneratoren.
In Anlagen der Tiefengeothermie verursachen extreme
Bedingungen wie hohe Drücke, Temperaturen und Salz-
Bioenergie
gehalte oftmals Korrosion und Inkrustation, was deren Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit beeinträchtigt. Basierend
Das Fraunhofer IKTS liefert eine breite Palette verfahrens-
auf den langjährigen Erfahrungen mit Inkrustationsphäno-
technischer Lösungen für Bioenergietechnologien wie Des-
menen und der exzellenten analytischen Ausstattung liegt ein
integrations-, Misch- und Rührprozesse, um unter anderem
Schwerpunkt des Fraunhofer IKTS auf korrosionsbeständigen
auch lignocellulosehaltige Substrate einsetzen zu können.
Komponenten und Anlagen sowie der Prozessauslegung. Mit
Die Aufbereitung von Biogas wird mit adsorptiven und Mem-
Versuchs- und Korrosionstestständen ist eine Echtzeitüber-
branverfahren für die Methananreicherung, Gastrocknung,
wachung vor Ort möglich. In Kombination mit Membran-
Nährstoffrückgewinnung und Prozesswasseraufbereitung
elektrolyseverfahren können toxische Substanzen reduziert
optimiert. Ein Fokus liegt auf der Flexibilisierung von
werden, wodurch sich Ausfallzeiten deutlich senken und
Biogasanlagen für die bedarfsgerechte Energiebereitstellung.
Prozesse im Bereich des Frackings und der Tiefengeothermie
Darüber hinaus werden Herstellprozesse für Bioethanol durch
optimieren lassen.
Membranen im Produktionsprozess verbessert, beispielsweise
bei der Verzuckerung, Entwässerung oder Substrataufberei-
1 Entwicklung von
tung. Neuartige organophile Pervaporationsmembranen
Hochtemperatur-Batterien.
sowie Ultrafiltrationsmembranen helfen, die Produktions-
2 Brennstoffzellensysteme im
prozesse effizient zu gestalten.
Testbetrieb.
Synthetische Kraftstoffe
posits für Hochtemperatur-
3 Gefügebild eines Faserkomturbinen.
Chemische Kraftstoffe werden aufgrund ihrer hohen Energie-
4 Einbrand von Metallisie-
dichte kurz- und mittelfristig ihre Bedeutung für die Mobilität
rungspasten und -tinten.
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KOMPETENZEN UND INFRASTRUKTUR
Herstellverfahren
Infrastruktur
- Dünnschichttechnologie (Thermal CVD, PECVD, Thermal ALD, PVD, LPD)
- Dickschicht- und Multilayertechnologie (Folienguss, Siebdruck, Dispensierung,
Roll Coating)
- Abscheidetechniken (Aerosol- und Inkjetdruck, Plasma Spraying und
Wet Powder Spraying)
- Aufbau- und Verbindungstechnik bei hohen und tiefen Temperaturen
- Technologien für keramische Hochtemperaturwerkstoffe und -bauteile (monolithisch
und CMC)
- Technika Batterieproduktion (Lithium-Ionen- und
Natrium-Batterien)
- BrennstoffzellenTestzentrum
- Applikationszentrum
Bioenergie
- Applikationszentrum
Werkstoffe und Halbzeuge
- Funktionskeramiken (z. B. als Pulver, Schlicker, Pasten, Tinten, Folien)
Membrantechnik
- Geothermie-Teststände
- Strukturkeramiken (Bulk, Fasern, Verbundwerkstoffe, besonders für hohe Temperaturen)
- Sonderwerkstoffe (Festkörper-Ionenleiter, Thermoelektrika, Elektrodenmaterialien)
- Schutz- und Funktionsschichten (Fügegläser, Lotsysteme, Barriereschichten)
Komponenten
- Brennstoffzellen (Elektrolyte, Fügeelemente, MEAs, Stacks, Systemtechnik)
- Batterien (Elektrolyte, aktive Massen, Elektroden, Fügeelemente, Zellen, Module)
Charakterisierung
- Thermochemische und mechanische Charakterisierung
- Bewertung von Brennstoffzellen- und Batteriekomponenten (Leistung, Degradation,
Lebensdauer, Zyklen)
- Bewertung des energetischen Potenzials von Substraten in der Bioenergietechnik
Systeme und Beratung
- Systemdefinition, Simulation und Modellierung, Anlagenentwicklung
- Konstruktion (CAD) und Prototypenbau von Einzelsystemen bis Pilotfertigung
- Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik
- Funktionstest und Validierung von Komponenten und Systemen
- Konzeption und Durchführung von Tests, Prüfstandsbau und -betrieb
- Beratung und Marktanalyse
5 Optimierung von Aufbereitungsprozessen in Biogasanlagen.
KURZPORTRÄT DES
FRAUNHOFER IKTS
KONTAKT
Geschäftsfeld
Energie
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS betreibt anwendungsorientierte Forschung für Hochleistungskeramik. Die drei Institutsteile in Dresden
Dr. Mihails Kusnezoff
und Hermsdorf (Thüringen) formen gemeinsam das größte Keramikforschungsinstitut
Fraunhofer-Institut für
Europas.
Keramische Technologien
und Systeme IKTS
Als Forschungs- und Technologiedienstleister entwickelt das Fraunhofer IKTS moderne
Winterbergstraße 28,
keramische Hochleistungswerkstoffe, industrierelevante Herstellungsverfahren sowie
01277 Dresden
prototypische Bauteile und Systeme in vollständigen Fertigungslinien bis in den Pilotmaß-
Tel. +49 351 2553-7707
stab. Das Institut arbeitet in acht marktorientierten Geschäftsfeldern, um keramische
mihails.kusnezoff@
Technologien und Komponenten für neue Branchen, neue Produktideen und neue Märkte
ikts.fraunhofer.de
jenseits der klassischen Einsatzgebiete zu demonstrieren und zu qualifizieren. Dazu gehören keramische Werkstoffe und Verfahren, Maschinenbau und Fahrzeugtechnik, Elektronik
Dipl.-Ing. Thomas Pfeifer
und Mikrosysteme, Energie, Umwelt- und Verfahrenstechnik, Bio- und Medizintechnik,
Fraunhofer-Institut für
Optik sowie die Material- und Prozessanalyse.
Keramische Technologien
und Systeme IKTS
Der Institutsteil Materialdiagnostik erweitert das Forschungsportfolio um die Kompetenzen
Winterbergstraße 28,
Werkstoffdiagnose und -prüfung. Die Prüfverfahren aus den Bereichen Akustik, Elektro-
01277 Dresden
magnetik, Optik, Mikroskopie und Strahltechnik tragen maßgeblich zur Qualitätssicherung
Tel. +49 351 2553-7822
von Produkten und Anlagen bei.
thomas.pfeifer@
ikts.fraunhofer.de
ww w. i kts. frau n h o f e r.d e
T I T E L B I L D Effiziente Energieversorung mit HochtemperaturBrennstoffzellen.

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