Das Fraunhofer ISC ist in verschiedenen Forschungsprojekten und -gruppen aktiv und arbeitet an der Entwicklung, Optimierung und Analyse von Materialien, Komponenten und Sensortechnologien entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette. Diese werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, einschließlich der Verarbeitung und Aufskalierung auf vorindustrielle TRL (Technology Readyness Level).
Um die geforderten Eigenschaften für den industriellen Einsatz zu erreichen, erfolgt ein Materialdesign – sofern notwendig – bis hinab auf die molekulare/atomare Ebene. Dies gilt sowohl für Materialneuentwicklungen als auch für die Optimierung bereits vorhandener Materialien.
Neuartige Sensortechnologien, abgestimmt auf die jeweilige Applikation und die Einsatzumgebung, ermöglichen einen sicheren Umgang mit Wasserstoff. In speziell entwickelten Messanlagen können Materialien hinsichtlich ihrer Verträglichkeit mit Wasserstoff getestet werden und das bis zu hohen Temperaturen von über 1000 Grad Celsius. Mittels High-End-Materialanalytik sind wir in der Lage, Materialschäden zu untersuchen und Schadensursachen zu ermittelt.
Partikuläres Pulver macht Wasserstoff sichtbar
Der patentierte Wasserstoffindikator nutzt preiswerte Suprapartikel, mikroskalige Partikel, um unsichtbaren Wasserstoff sichtbar zu machen. Ohne die Notwendigkeit von Strom oder komplexen Messgeräten kann der Indikator bereits geringe Konzentrationen von Wasserstoff anzeigen, beispielsweise bei Leckagen von Gasleitungen, um entsprechende Maßnahmen einzuleiten.
Ein großer Vorteil des neuartigen Wasserstoffindikators liegt in seiner geringen Größe, die vielfältige Anwendungsmöglichkeiten zulässt, wie zum Beispiel als Additiv in Beschichtungen. Darüber hinaus weist er sehr schnelle Antwortzeiten auf und ist in der Lage, Wasserstoffexpositionen ohne Stromversorgung oder komplexe Messtechnik zu erfassen. Der Farbwechsel, der durch Wasserstoff ausgelöst wird, kann in Echtzeit mit bloßem Auge beobachtet werden, was insbesondere eine schnelle Detektion und Lokalisierung von Leckagen ermöglicht.
Neuartige Wasserstoff-/Sauerstoffsperrschichten adressieren die Herausforderungen der nachhaltigen Erzeugung, Lagerung und Transport von Wasserstoff. Bereits bei der Erzeugung, bspw. durch die Elektrolyse von Wasser, muss der entstehende Wasserstoff aufgrund der hohen Entflammbarkeit und Explosionsfähigkeit von Sauerstoff getrennt werden Darüber hinaus müssen heutige gasführende Behälter und Rohrleitungen so ausgerüstet sein, dass die Migration der Gase reduziert wird. Die zielgerichtete Einstellung von Barriereeigenschaften von Oberflächenbeschichtungen verhindert die Durchmischung beider Gase. Somit werden Druckverluste und vor allem der Verlust von Wasserstoff während des Transports und der Lagerung minimiert. Des Weiteren lassen sich die Nutzungsdauer von Wasserstoffrohrleitungen und -tanks durch einen verbesserten Korrosionsschutz signifikant steigern.
Hierfür eignen sich kombinierte Sauerstoff-/Wasserstoffsperrschichten auf Basis des Werkstoffs ORMOCER®. Diese werden bereits in zahlreichen Anwendungen erfolgreich eingesetzt und ermöglichen eine anpassungsfähige und flexible Materiallösung für Produkte und Anwendungen im Wasserstoffbereich.
Das Fraunhofer-Verbundprojekt »HySecunda« hat das Ziel, praxisrelevante Lösungen zur grünen Wasserstoffproduktion in Südafrika zu entwickeln. Neun Fraunhofer-Institute sowie die Fraunhofer Academy arbeiten drei Jahre lang zusammen, um optimierte Lösungen zur Herstellung, Speicherung und Zertifizierung von grünem Wasserstoff zu finden.
Südafrika verfügt über reichlich erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind, die genutzt werden können, um sauberen und nachhaltigen Wasserstoff zu produzieren. Das Projekt »HySecunda« zielt darauf ab, die Entwicklung geeigneter Infrastrukturen voranzutreiben und die Produktionskosten zu senken, um Südafrika als wichtigen Wasserstoffproduzenten für Deutschland und Europa zu etablieren. Darüber hinaus werden Capacity Building-Maßnahmen umgesetzt, um die Region bei der Nutzung von Wasserstoff-basierten Treibstoffen für die Luftfahrt zu unterstützen.
Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC ist maßgeblich am HySecunda-Projekt beteiligt und arbeitet z. B. an der Entwicklung von Barriereschichten auf ORMOCER®-Basis und zuverlässigen Wasserstoffsensoren. Das Ziel ist es, die Herstellung, Lagerung, den Transport und die Nutzung von grünem Wasserstoff effizient und sicher zu machen. ORMOCER®-Barriereschichten sollen die Lebensdauer der Behälter bei der Wasserelektrolyse verlängern.
Das Fraunhofer ISC arbeitet außerdem an neuen Materialkonzepten für Drucktanks zur Wasserstoffspeicherung und an H2-/O2-dichten Beschichtungen für Pipelines. Ein weiterer Fokus liegt auf der einfachen, sicheren und sofortigen Erkennung von Wasserstoffleckagen. Das Institut entwickelt stromfreie Sensoren, die vorhandene oder frühere Wasserstoffleckagen durch einen einfachen Farbumschlag erkennen können, ohne weitere Hilfsmittel zu benötigen.
Zum Monitoring der wasserstoffführenden Leitungen und Tanks werden Sensormodule entwickelt, die Dehnungsbeanspruchungen und frühzeitig Materialstörungen erkennen sollen. Damit kann die Lebensdauer der eingesetzten Materialien besser ausgenutzt und Wartungskosten reduziert werden. Hierzu werden flexible Ultraschallwandler entwickelt, die großflächig (~ m²) die Rohre oder Tanks kontinuierlich auf entstehende Versprödungen oder Risse überwachen.
Das EU-Projekt »SUNGATE« wurde im Oktober 2023 unter der Leitung des Fraunhofer IME in Zusammenarbeit mit 11 Partnern aus Industrie und Forschung gestartet. Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung einer innovativen, nachhaltigen und kosteneffizienten Biohybrid-Technologie auf Basis der künstlichen Photosynthese, die eine hocheffiziente und skalierbare Produktion von Solarkraftstoff ermöglicht.
Die einzigartige SUNGATE-Technologie ist modular und skalierbar und ermöglicht eine flexible, defossilisierte Produktion von Solarkraftstoffen für verschiedene Anwendungen. Im Gegensatz zu etablierten photoelektrochemischen Systemen verwendet die SUNGATE-Technologie keine giftigen oder kritischen Rohstoffe. Sie nutzt ausschließlich Sonnenlicht als Energiequelle und wandelt Wasser und CO2, unerschöpfliche Rohstoffe, in Solarkraftstoffe wie Methanol oder Formiat um.
Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC ist im Rahmen des SUNGATE-Projekts hauptsächlich mit seiner Partikeltechnologie-Gruppe beteiligt. Sie arbeiten an der Entwicklung von Katalysatoren für neue anodische Halbzellen sowie an biologisch abbaubaren, ungiftigen Hydrogelen zur Einbettung der photokatalytisch aktiven (bio)hybriden Komponenten. Das Fraunhofer ISC bringt auch umfangreiches Analyse-Know-how durch ihr Zentrum für Angewandte Analytik ein, um die neuen Entwicklungen zu prüfen und zu validieren. Hierbei werden auch spezielle Methoden für die Präparation und den Analyseprozess entwickelt.
Das vom BMBF unterstützte Projekt konzentriert sich auf die Erforschung der Potenziale zur Herstellung von Wasserstoff und flüssigen Kraftstoffen aus Solarenergie. Die Forscherinnen und Forscher untersuchen nicht nur technische Fragen, sondern befassen sich auch mit den wirtschaftlichen, logistischen und sozio-ökonomischen Aspekten der Skalierung. Darüber hinaus unterstützen sie die Installation einer Pilotproduktionsstätte für Methanol und Dimethylether im Land.
Im Rahmen des Forschungsprojekts »Power-to-MEDME« beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch mit den Materialien und Werkstoffen, die für die einzelnen Schritte der Prozesskette benötigt werden. Dazu gehören die Entwicklung von Katalysatoren für die Elektrolyse und die Erfassung von Daten zur Gestaltung der Transportlogistik für den Einsatz von DME und anderen Power-to-X-Kraftstoffen in Chile sowie deren Export.
Ein besonderer Fokus liegt auf den thermischen Prozessen des Klinkerbrandes, die eine wichtige Rolle für die CO2-Bilanz spielen. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC mit seinem Zentrum für Hochtemperaturleichtbau HTL in Bayreuth entwickelt innovative Messverfahren, um eine effektivere Prozesssteuerung zu ermöglichen. Diese Verfahren basieren auf autonomen Sensoren, die mobil oder in die Anlagen integriert werden. Besonders der Drehrohrofen und der Calcine Looping Prozess (CaL) stehen im Fokus, bei denen Temperatur- und Atmosphärenverteilung sowie der Verschleiß der Feuerfestkomponenten gemessen werden sollen.
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC