Forschungshighlights des Fraunhofer IKTS

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cerenergy® – Assemblierung einer keramischen Hochtemperatur-Batteriezelle für die stationäre Energiespeicherung.

Strom aus Keramik – Umweltfreundliche und kostengünstige stationäre Energiespeicher

Stationäre Energiespeicher gelten als Schlüsselelement einer modernen und nachhaltigen Energieversorgung. Weltweit wachsender Energiebedarf und die stetige Zunahme von Spitzenlasten erfordern zuverlässige Lösungen. Klassische und erneuerbare Stromerzeugung werden durch kostengünstige Energiespeicher zusammenwachsen und langfristig bezahlbare Versorgungssicherheit bieten. Die am Fraunhofer IKTS entwickelte Hochtemperaturbatterie cerenergy® wurde durch modernste keramische Verfahren auf niedrige Kosten und gute Herstellbarkeit in Serie optimiert.

Batterien auf Basis von Natrium-Nickelchlorid tauchten bereits in den 80er Jahren für Anwendungen in Elektrofahrzeugen auf. Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS haben diese Technologie nun wieder aufgegriffen und im Kontext einer stationären Energieversorgung, die nach kostengünstigen, langlebigen und zuverlässigen Lösungen sucht, neu bewertet. Auszeichnend für Batterien dieser Art ist der ausschließliche Einsatz einheimischer Rohstoffe und Metalle wie Nickel, Aluminiumoxid oder Kochsalz. Damit sind diese Batterien ökologisch nachhaltig. Den Forschern ist es zudem gelungen, die Kosten erheblich zu senken. Der Schlüssel für diese bemerkenswerte Entwicklung liegt im Kern der Hochtemperatur-Batterien, den keramischen Elektrolyten aus Beta-Aluminat, deren Design und Herstellung maßgeblich Kosten und Funktion der Technologie bestimmen. Mit der am Fraunhofer IKTS verfügbaren keramischen Fertigungs- und Syntheseroute wird die Aufbereitung des keramischen Pulvers bis hin zur Prozessierung des Beta-Aluminats realisiert und eine vollkeramische Großserientechnologie für die zeitgemäße Energiespeicherung geboten.

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Photokatalysemodul.

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autartec® »FreiLichtHaus«.

Wohnen auf dem Wasser – Autarke Abwasserreinigung mit Keramik

Ein Leben abseits von Autolärm und Abgasen – immer mehr Menschen zieht es ans Wasser. Energieautarke schwimmende Häuser erfüllen nicht nur dieses Lebensgefühl, sondern kurbeln auch die Wirtschaft strukturschwacher Regionen an. Im Projekt »autartec©« arbeitet das Fraunhofer IKTS gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung an einem Hausboot, das sich selbst mit Wasser, Strom und Wärme versorgt.

Zur Wasserversorgung im Hausboot entwickeln die Forscher des Fraunhofer IKTS ein geschlossenes Kreislaufsystem für Trink- und Brauchwasser. Dafür setzen sie auf eine Kombination aus keramischen Membranen und verschiedenen elektrochemischen und photokatalytischen Prozessen. Während an Land das Abwasser immer auch biologisch behandelt wird, ist dieser Prozess auf einem schwimmenden Haus nicht möglich. Physikalische und chemische Methoden schaffen dabei Abhilfe: Die Keramik bietet sehr effiziente Möglichkeiten, um Prozesse wie Photokatalyse, Elektrochemie und Filtration auf engstem Raum zusammenzubringen. Andere Materialien wie Stahl und Kunststoff würden bei derart aggressiven Vorgängen versagen. Die Technik für das Kreislaufsystem soll im Ponton untergebracht werden, so ist alles unter einem Dach gebündelt.

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Drahtziehdüse mit integriertem Kühlkanal im Rohzustand nach dem Sintern: Am Fraunhofer IKTS in Dresden werden nach Kundenanforderung über das 3D-Binder-Jetting Hartmetallbauteile entwickelt.

Gestaltungsfreiheit durch additive Fertigung – Komplexe Hartmetallwerkzeuge aus dem 3D-Drucker

Mechanische und chemische Beständigkeit, eine hohe Warmfestigkeit und extreme Härte werden von Werkzeugen gefordert, die im Maschinen- oder Fahrzeugbau sowie in der Kunst- oder der Baustoffindustrie zum Einsatz kommen. Bislang wurden am Fraunhofer IKTS zuverlässige Schneid-, Bohr-, Press- und Stanzwerkzeuge aus Hartmetall mit dem uniaxialen oder kaltisostatischen Trockenpressen, der Extrusion und dem Spritzgießen sowie der spanenden Formgebung gefertigt. Komplexe Geometrien, wie helixförmige oder mäandrierende Kühlkanäle im Inneren des Bauteils, sind im traditionellen Werkzeugbau jedoch oft nur mit hohem Kosteneinsatz oder gar nicht realisierbar.

Daher entwickeln die Forscher am Fraunhofer IKTS komplexe Hartmetallwerkzeuge mittels 3D-Druck-Verfahren, deren Qualität konventionell hergestellten Hochleistungswerkzeugen in nichts nachsteht. Bei dem dabei verwendeten Binder-Jetting-Verfahren werden die Ausgangspulver bzw. -granulate über einen Druckkopf mit einem organischen Binder lokal benetzt und gebunden. Dabei ist es die Herausforderung, hundertprozentig dichte Bauteile zu erhalten, die ein perfektes Hartmetallgefüge und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Durch die gezielte Variation der Bindermatrix werden Biegebruchfestigkeit, Zähigkeit und Härte individuell eingestellt – je geringer der Binderanteil im Hartmetall, desto härter das Bauteil. Die am Fraunhofer IKTS gefertigten Prototypen haben einen Bindergehalt von zwölf bzw. siebzehn Masseprozent und zeigen ein der konventionellen Herstellungsroute vergleichbares Gefüge.

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3,5 m2-Modul für Feldversuche mit 19-Kanal-NF-Membranen.

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163-Kanal-NF-Membranen mit 1,3 m2 Membranfläche pro Element.

Sauberes Recyclingwasser – Keramische Nanofiltrationsmembranen in der Ölsandaufbereitung

Bei der Ölgewinnung aus Ölsand werden große Wassermengen eingesetzt. Dabei ist der größte Anteil heißes Wasser, das benötigt wird, um die Viskosität des Öls zu verringern. Nach der Öl-Wasser-Trennung wird dieses Wasser in Absetzbecken als sogenanntes Recyclingwasser zwischengespeichert. Ein Ansatz zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit besteht darin, diese enormen Wassermengen für weitere Produktionsprozesse nutzbar zu machen. Keramische Nanofiltrationsmembranen können hier einen Beitrag zu einer wirtschaftlichen und umweltgerechten Lösung bieten.

Aufgrund ihrer Resistenz gegenüber organischen Bestandteilen und Ölen, ihren Entsalzungseigenschaften und ihrer Temperaturstabilität sind sie bestens für neue effiziente Reinigungsverfahren geeignet, mit denen das Wasser und gegebenenfalls auch ein Teil der Wärme wieder verwendet werden können. In Zusammenarbeit mit Shell Global Solutions International B.V., der Shell Canada Ltd., Alberta Innovates – Energy and Environment Solutions und der Andreas Junghans Anlagenbau und Edelstahlbearbeitung GmbH & Co. KG werden seit 2013 keramische 19-Kanal-NF-Membranen auf einem Ölsandfeld in Canada getestet. Es konnte gezeigt werden, dass sich Erdalkaliionen (Calcium, Magnesium) zu 80 % und Alkaliionen (Natrium, Kalium) zu 55 % abtrennen lassen. Gleichzeitig werden organische Bestandteile vollständig zurückgehalten. Langzeitversuche über mehrere Monate zeigten ein stabiles Membranverhalten.

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Herstellung von Lithium-Batterie-Elektroden im Pilotmaßstab – Elektrodencoils.

Strom aus Keramik II – Neue Batteriekonzepte für Elektrofahrzeuge

Fahrspaß und Elektroantrieb – zwei Vokabeln, die sich längst nicht mehr widersprechen. Heute verzichtet kaum noch ein Automobilhersteller auf einen »Stromer« in seiner Modellpalette. Bis sich Elektrofahrzeuge endgültig im Alltag etablieren, ist jedoch noch intensive Forschungsarbeit in der Weiterentwicklung von Speichermaterialien und  -konzepten sowie der kontinuierlichen Verbesserung dazugehöriger Produktionstechniken zu leisten. Darüber hinaus soll mithilfe intelligenter Systemarchitekturen und zukunftsweisender Leichtbaugehäuse ein Optimum an Kosten, Performance und Lebensdauer erreicht werden.

Die drei Projektpartner Thyssenkrupp System Engineering GmbH, IAV GmbH und das Fraunhofer IKTS gehen noch einen entscheidenden Schritt weiter. Sie entwickeln mit EMBATT das Konzept und darauf abgestimmte Fertigungstechnologien für planar aufgebaute, Lithium-basierte Hochleistungsbatterien, die direkt im Chassis des Fahrzeugs integriert werden. Dadurch sind deutlich kompaktere Energiespeicherlösungen mit Energiedichten von 450 Wh/l und somit Reichweiten von bis zu 1000 km realisierbar. Vorab sind jedoch noch technische Herausforderungen zu meistern. Möglich wird dies, indem alle drei Partner ihre spezifischen Erfahrungen und Kompetenzen in einem gemeinsamen Projekt bündeln. Das Fraunhofer IKTS forscht hierbei an der Entwicklung maßgeschneiderter Materialien und spezieller Verfahren zur Elektrodenherstellung.

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CeraCode®-Kennzeichnung bei der Metallbearbeitung unter hohen Temperaturen.

Bauteilkennzeichnung für extreme Prozessbedingungen – Keramische Leuchtstoffe in der Metallverarbeitung

Um Halbzeuge und Produkte zuverlässig, eindeutig und fälschungssicher zu markieren, existieren verschiedenste Kennzeichnungslösungen am Markt. Diese reichen von einer simplen Seriennummer bis hin zu integrierten RFID-Chips. Den speziellen Anforderungen in der Metallverarbeitung – wie den hohen Temperaturen – werden diese Lösungen jedoch nicht gerecht. Unter dem Namen CeraCode® entwickelten Forscher am Fraunhofer eine Markierung für Metallbauteile, die selbst hohen Temperaturen trotzen, ohne die Eigenschaften des Bauteils zu beeinflussen.

Kernelement von CeraCode® sind keramische Leuchtstoffe, die auf optische Anregung durch Licht mit ausgeprägter Lumineszenz reagieren. Diese Materialien sind sehr robust: Sie halten hohen Temperaturen stand, sind unempfindlich gegenüber chemischen Einflüssen und lassen sich verschiedenen Materialien beimischen. Damit ist es möglich, die Leuchtstoffe direkt in Tinten oder Pasten einzubringen und auf die Bauteile zu drucken. Je nachdem ob statische oder dynamische Informationen aufgedruckt werden, kommen dafür Sieb- oder Tintenstrahldruck zum Einsatz. Beide Verfahren lassen sich einfach in die Fertigungsstraße integrieren. Da nur kleinste Materialmengen verdruckt werden, ist eine Beeinflussung der Werkstückeigenschaften oder der Haftung von Beschichtungen auszuschließen. Die mit Leuchtstoffen versetzten Tinten und Pasten sind sicher und umweltfreundlich, so dass keine weiteren Arbeitsschutzmaßnahmen notwendig sind. Durch den hohen Kontrast zwischen Markierung und Trägermaterial ist ein Auslesen in allen Beleuchtungssituationen möglich.