Forschungszentrum Jülich GmbH
Am Institut für Energie- und Klimaforschung IEK-1 – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren werden Materialien, Bauteile und Komponenten für zukünftige hocheffiziente Energiewandlungs- und Speichersysteme entwickelt und erforscht. Dabei spielen Hochleistungskeramiken eine Schlüsselrolle. Das Institut befasst sich mit den Thematiken Gastrennmembranen/Membranreaktoren, Feststoffbatterien, Festoxid-Brennstoffzellen/Elektrolysezellen und Werkstoffe für fortschrittliche Kraftwerksanwendungen.
Auf diesen Gebieten wird die langjährige Expertise auf dem Gebiet der Synthese neuer Materialien und deren Verarbeitungsmethoden zur Herstellung von Komponenten genutzt. Hierbei wird auf einen hochmodernen Maschinenpark im gesamten Spektrum der Keramikverarbeitung/Pulvermetallurgie zurückgegriffen. Die Kernkompetenzen ermöglichen es, zuverlässige keramische Schichtsysteme und Verbundwerkstoffe für Energietechnologien zu entwickeln.
Die Membranabteilung entwickelt keramische Gastrennmembranen für Energieanwendungen. Die Versorgung mit reinem Sauerstoff oder Wasserstoff ist für eine Reihe von Prozessen sehr wichtig. Mögliche Anwendungen sind H2- oder O2- basierte Systeme stationäre Anwendungen z.B in Verbrennungsprozessen unterschiedlicher Konzeption (Post- und Pre-Combustion, Oxy Fuel), in der Zementindustrie oder in den chemischen und petrochemischen Industrie.
Dieser Bereich, wurde in den letzten Jahren mit der Thematik der Membranreaktoren erweitert, bei denen das abgetrennte Gas direkt einer chemischen Reaktion zugeführt bzw. ein Reaktionsprodukt über die Membran abgezogen wird. Auch Kombinationen von Reaktionen an beiden Seiten der Membran werden erforscht. Hiermit können gut verfügbare Gase (CO2, H2O, N2, O2) nachhaltig in Produkte wie chemische Energieträger oder Basischemikalien umgewandelt werden.
Die Forschungsziele sind:
1) die Entwicklung von unter Anwendungsbedingungen stabilen Werkstoffen einschließlich der Optimierung konventioneller Materialkandidaten;
2) die Herstellung dünner Membranen auf porösen Trägern für die effiziente Gastrennung;
3) der Machbarkeitsnachweis mittels Modulen und Membranreaktoren, bestehend aus skalierbaren Dünnschichtmembranen mit industriell relevanter Größe zur Demonstration der Technologiebereitschaft.
Die Auswahl eines Werkstoffs, der für bestimmte Anwendungen geeignet ist, beinhaltet eine Reihe von Aufgaben wie seine Leistungsfähigkeit, thermo-chemische/mechanische Stabilität und Phasenstabilität, Kompatibilität mit anderen Komponenten usw. und muss speziell auf die vorliegenden Betriebsbedingungen angepasst werden. Abhängig von der Trennaufgabe und den Eigenschaften des gewählten Materials werden dichte keramische Membranen, die permeabel für Sauerstoffionen oder Protonen sind, sowie mikroporöse anorganische Membranen entwickelt.
Mittels moderner, reproduzierbarer und skalierbarer Fertigungstechniken, die am IEK-1 zur Verfügung stehen, wie z.B. Foliengießen, Siebdruck, Spin- und Tauchbeschichtung im Reinraum, PS-PVD etc. werden Membranen unterschiedlicher Dicke (im Nanometer- bis Mikrometerbereich), Mikrostruktur und Endgeometrie auf keramischen oder metallischen Substraten hergestellt. Die Mikrostrukturierung (zur Optimierung der Gasdurchströmung) und die Komponentenfertigung (skalierbare Membrankomponenten für den Einsatz in Proof-of-Concept-Modulen) stellt einen wesentlichen Teil der F&E-Aktivitäten dar. Die Entwicklung einer optimalen Mikrostruktur, z.B. des Trägers, bezogen auf Tortusität, Porosität, Proengröße, -form und -verteilung werden mittels Transportmodellierung ermittelt.