Leistungszentrum-Wasserstoff Hessen
Leistungszentrum-Wasserstoff Hessen

Forschungsprojekte

Real-Time Power Supply for eFuels (RePoSe)

Nach wissenschaftlichem und politischem Konsens ist die Herstellung von Power-to-Liquid (PtL) nur dann ökologisch sinnvoll, wenn regenerativer Strom eingesetzt wird. Die Herausforderung bei sog. „grünem“ Strom ist jedoch, dass in Deutschland die so gewonnene Energie nicht kontinuierlich zur Verfügung steht, da sie hauptsächlich aus Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen gewonnen wird. Hier besteht Bedarf an einem weiteren Ausbau.

Das Projekt RePoSe widmet sich dem Ziel, den Betrieb einer Power-to-Liquid -Anlage bei variabler Stromverfügbarkeit und -versorgung zu erforschen und anhand des praktischen Betriebes einer solchen Anlage das theoretische Konzept zu verifizieren.

Wesentliche zu untersuchenden Aspekte sind die Optimierung der Größe des Wasserstoff-Pufferlagers, die Auswirkungen unterschiedlicher Stromprofile und die Nutzung kurzfristiger Stromprognosen für die Steuerung der Gesamtanlage und das Zusammenspiel von Pufferspeicher und teilvariabler Produktion, die Analyse der Degeneration von Funktionsmaterialien und die Analyse der beanspruchten Systemkomponenten aus der realen Nutzungsphase hinsichtlich Alterung und Schädigungsmechanismen.

Sensorbasierte Strukturüberwachung von automobilen Wasserstoff-Faserverbund-Druckbehältern

Wasserstoff kann Grundpfeiler einer klimaneutralen, nachhaltigen Mobilität sein. Das Projekt entwickelt Technologien zur automatisierten Zustandsüberwachung für Hochdruck-Speichersysteme. Druckbehälter können so wirtschaftlicher betrieben werden, ohne Abstriche bei der Sicherheit in Kauf nehmen zu müssen. Ziel ist beispielsweise die Unterscheidung kritischer von unkritischen Ereignissen im Betrieb. Gegenüber dem rein turnusgemäßen Austausch oder einer nur oberflächlichen Sichtprüfung werden so unnötige Kosten vermieden und die Sicherheit erhöht. Auf diese Weise werden wesentliche Voraussetzungen für die weitere Verbreitung der Wasserstoff-Technologie geschaffen.

Elastomerdichtungen für den Einsatz im H2-Transport

Der Schwerpunkt des Verbundprojekts liegt in der Identifizierung und Entwicklung geeigneter Elastomerwerkstoffe für den Einsatz im Bereich des Wasserstofftransports über Leitungssysteme und Tanklastwagen. Dabei soll zum einen ein grundlegendes Verständnis für das Werkstoffverhalten unter Wasserstoffeinfluss erarbeitet werden. Zum anderen soll durch die gezielte Auswahl von Füllstoffen und Additiven eine Optimierung der Elastomere in Bezug auf Sorption, Permeation und Quellung unter Wasserstoffatmosphäre erreicht werden. Zusätzlich sollen Elastomersysteme, die bereits in Erdgasleitungen eingesetzt werden, auf ihre Tauglichkeit im Einsatz mit Wasserstoff untersucht und gegebenenfalls qualifiziert werden.

NEXT GENERATION PLASMA CONVERSION: Integration von grünem Wasserstoff in die Plasma-Konversion von CO2

Das Verbundprojekt NexPlas zielt auf die Kombination von Plasma- und Membranprozessen für die Synthese von Basischemikalien wie Methanol aus CO2 und „grünem Wasserstoff“ ab. Das Forscherteam fokussiert sich hierbei auf die Herstellung von keramischen Membranmaterialien aus Rezyklaten und das Recycling von Membranmaterialien sowie das Verständnis der Interaktion von H2 und CO2 mit den Membranen.

Fraunhofer IWKS startet Projekt „BReCycle“ für effizientes Recycling von Brennstoffzellen

Nachhaltigere, effizientere und umweltfreundlichere Technologien zur Energiewandlung wie Brennstoffzellen werden im Zuge der Energie- und Mobilitätswende eine immer größere Rolle spielen. Aufgrund des hohen Anteils an wertvollen Technologiemetallen und ökologischen Betrachtungen ist ein effizientes Recycling von in PEM-Brennstoffzellen enthaltenen Materialien notwendig. Jedoch ist ein für Brennstoffzellen maßgeschneiderter Recyclingprozess derzeit industriell nicht verfügbar. Dieser Herausforderung stellt sich nun ein Konsortium unter Leitung der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS im Rahmen des Projekts „BReCycle“.

»Hy2Design« Werkstoffqualifizierung unter Druckwasserstoff

Im Falle von Wasserstoff und Leichtbauwerkstoffen kann eine Schwingungsrisskorrosion auftreten, die z einer starken Minderung der Betriebsfestigkeit führen. Insbesondere bei der Erarbeitung von Bemessungskonzepten für biokraftstoff-/druckwasserstoffexponierten Komponenten sowie korrosionsanfälliger Leichtbauwerkstoffe, ist die Verringerung der Beanspruchbarkeit gegenüber äußeren Lasten aufgrund korrosiver Umgebungsmedien dringend zu berücksichtigen

Plasma-induzierte CO2-Konversion zur Speicherung regenerativer Energien

Im Projekt wurde CO2 mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung in einem Plasma in CO und Sauerstoffradikale gespalten. Dieses Gemisch wurde direkt mittels keramischer Membranen getrennt und so das CO als Baustein für Synthesegas bereitgestellt. Hierbei wurden Konzepte zur Verlängerung der Betriebszeit der Membranen untersucht. Ein wesentlicher Punkt hierfür ist das Verstehen der Membran-Plasma- bzw. Membran-Gas-Wechselwirkungen. Zu deren Untersuchung wurden oft nicht-explosive Mischungen aus Argon und Wasserstoff als ungiftige Alternative zu CO eingesetzt, um mögliche reduktive Angriffe auf das Membranmaterial zu analysieren.

 

Literatur:

[1] G. Chen, W. Liu, M. Widenmeyer, P. Ying, M. Dou, W. Xie, C. Bubeck, L. Wang, M. Fyta, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, High flux and CO2-resistance of La0.6Ca0.4Co1–xFexO3−δ oxygen-transporting membranes, J. Membr. Sci. 2019, 590, 117082. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.05.007 

[2] G. Chen, M. Widenmeyer, B. Tang, L. Kaeswurm, L. Wang, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, A CO and CO2 tolerating (La0.9Ca0.1)2(Ni0.75Cu0.25)O4+δ Ruddlesden–Popper membrane for oxygen separation, Front. Chem. Sci. Eng. 2020, 14, 405–414. https://doi.org/10.1007/s11705-019-1886-0 

[3] G. Chen, B. Tang, M. Widenmeyer, L. Wang, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, Novel CO2-tolerant dual-phase Ce0.9Pr0.1O2–δ – La0.5Sr0.5Fe0.9Cu0.1O3–δ membranes with high oxygen permeability, J. Membr. Sci. 2020, 595, 117530. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117530 

[4] M. Widenmeyer, K. Wiegers, G. Chen, S. Yoon, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, Engineering of Oxygen Pathways for Better Oxygen Permeability in Cr-substituted Ba2In2O5 Membranes, J. Membr. Sci. 2020, 595, 117558. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117558 

[5] G. Chen, F. Buck, I. Kistner, M. Widenmeyer, T. Schiestel, A. Schulz, M. Walker, A. Weidenkaff, A novel plasma-assisted hollow fiber membrane concept for efficiently separating oxygen from CO in a CO2 plasma, Chem. Eng. J. 2020, 392, 123699. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123699 

[6] G. Chen, Z. Zhao, M. Widenmeyer, R. Yan, L. Wang, A. Feldhoff, A. Weidenkaff, Synthesis and Characterization of 40 wt% Ce0.9Pr0.1O2–δ – 60 wt% Nd0.5Sr0.5Fe0.9Cu0.1O3–δ Dual-Phase Membranes for Efficient Oxygen Separation, Membranes 2020, 10, 183. https://doi.org/10.3390/membranes10080183 

Photoelectrocatalytic Anion Substituted Perovskites

Untersuchung der photo(elektro)katalytischen Spaltung von Wasser durch (Sonnen-)Licht zur Erzeugung von „grünem“ Wasserstoff. Hierzu kommen farbige perowskitartige Oxynitride der allgemeinen Zusammensetzung AB(O,N)3 zum Einsatz. Der Zusammenhang zwischen Synthesebedingungen in der Ammonolyse, resultierendem Stickstoffgehalt, Defektkonzentration und effektiver Bandlücke wurde untersucht.

Literatur:

[1] M. Widenmeyer, C. Peng, A. Baki, W. Xie, R. Niewa, A. Weidenkaff, Approaching Compositional Limits of Perovskite – type Oxides and Oxynitrides by Synthesis of Mg0.25Ca0.65Y0.1Ti(O,N)3,
Ca1–xYxZr(O,N)3 (0.1 ≤ x ≤ 0.4), and Sr1–xLaxZr(O,N)3 (0.1 ≤ x ≤ 0.4), Solid State Sci. 2016, 54,
7–16. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2015.11.016 

[2] C. Bubeck, M. Widenmeyer, G. Richter, M. Coduri, S. Yoon, A. Weidenkaff, Tailoring of an unusual oxidation state in a lanthanum tantalum(IV) oxynitride via precursor microstructure design, Commun. Chem. 2019, 2, 134. https://doi.org/10.1038/s42004-019-0237-x 

[3] M. Widenmeyer, T. Kohler, M. Samolis, A. T. De Denko, X. Xiao, W. Xie, F. E. Osterloh, A. Weidenkaff, Band Gap Adjustment in Perovskite-type Eu1–xCaxTiO3 via Ammonolysis, Z. Phys. Chem. 2020, 234, 887–909. https://doi.org/10.1515/zpch-2019-1429 

[4] C. Bubeck, M. Widenmeyer, A. T. De Denko, G. Richter, M. Coduri, E. Salas Colera, E. Goering, H. Zhang, S. Yoon, F. E. Osterloh, A. Weidenkaff, Bandgap-Adjustment and Enhanced Surface Photovoltage in Y-Substituted LaTaIVO2N, J. Mater. Chem. A 2020, 8, 11837–11848. https://doi.org/10.1039/D0TA02136A 

 

Photokatalytische Reduktion von CO2 zur Herstellung von Treibstoffen (CO2Fuel)

Untersuchung der photokatalytischen Reduktion von CO2 mittels H2 und Licht bei Umgebungstemperatur sowie Synthese und Charakterisierung der auf der Brownmilleritstruktur basierenden Photokatalysatoren Ba2In2–xCrxO5 · y(H2O).

 

Literatur:

[1] S. Yoon, K. Son, H. Hagemann, M. Widenmeyer, A. Weidenkaff, Cr-substitution in Ba2In2O5·(H2O)x  (x = 0.16, 0.74), Solid State Sci. 2017, 73, 1–6. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2017.08.019 

[2] S. Yoon, M. Gaul, S. Sharma, K. Son, H. Hagemann, D. Ziegenbalg, U. Schwingenschlogl, M. Widenmeyer, A. Weidenkaff, Photocatalytic CO2 Reduction by Cr-substituted Ba2(In2–xCrx)O5·(H2O)δ (0.04 ≤ x ≤ 0.60), Solid State Sci. 2018, 78, 22–29. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2018.02.005 

[3] S. Yoon, S. Nikoee, M. Ranjbar, D. Ziegenbalg, M. Widenmeyer, A. Weidenkaff, Strongly affected photocatalytic CO2 reduction by CO2 adsorbed to the surface of Ba2(In1.8Cr0.2)O5·(H2O)δ powders, Solid Stat. Sci. 2020, 105, 106212. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2020.106212 

 

 

Minderung der zyklischen Beanspruchbarkeit durch den Einfluss von Wasserstoff

Wasserstoffversprödung, Lebensdauerabschätzung Das Fraunhofer LBF unterstützt Unternehmen aus den Bereichen Transport, Energie sowie des Maschinen- und Anlagenbaus bei der Entwicklung zuverlässiger, leichter und effizienter Produkte, die mit Wasserstoff beaufschlagt werden. Hierfür werden kundenspezifische oder individuelle Analyse- und Versuchskonzepte eingesetzt, um den gestiegenen Anforderungen für den Betriebsfestigkeitsnachweis gerecht zu werden und die realen Betriebsbedingungen optimal abzubilden.