Verfahrens- und Fertigungstechnik für nachhaltige Energiespeicher

Das Fraunhofer IST konzentriert seine Arbeiten im Bereich von neuartigen Energiespeichern in der Abteilung »Verfahrens- und Fertigungstechnik für nachhaltige Energiespeicher«. Schwerpunkte liegen auf der Material- und Prozessentwicklung sowie auf der Gestaltung des Fabriksystems zur Herstellung von Energiespeichern. Darüber hinaus wird eine ganzheitliche und nachhaltige Gestaltung des gesamten Lebenswegs von Energiespeichern im Sinne eines Life Cycle Managements angestrebt – von der Materialherstellung über die verschiedenen Produktionsstufen und die Nutzung bis zum Recycling.

Das Fraunhofer IST engagiert sich gemeinsam mit den Fraunhofer Instituten IKTS und IFAM im Fraunhofer-Projektzentrum für Energiespeicher und Systeme ZESS. Die Institute bündeln hier ihre Kompetenzen im Bereich der Entwicklung und Produktion von künftigen Batterie- und Wasserstofftechnologien. Das gemeinsame Ziel ist es, mobile und stationäre Energiespeichersysteme an die industrielle Reife heranzuführen und vielversprechende Produktionsprozesse vom Labormaßstab bis zur Serienanwendung zu skalieren. Das ZESS arbeitet eng mit der Technischen Universität Braunschweig und der Battery LabFactory Braunschweig (BLB) zusammen.

Die Arbeitsgruppe »Material- und Prozessentwicklung« fokussiert sich auf die Herstellung, Funktionalisierung und Konditionierung neuartiger Batteriematerialien wie Festelektrolyte, Aktivmaterialien und Lithium-Metall-Anoden. Eine wesentliche Herausforderung besteht in der Skalierung der zugehörigen Produktionsprozesse vom Labor- in den Pilotmaßstab. Die traditionellen Kernkompetenzen des Fraunhofer IST im Bereich der Oberflächentechnik wie das Aufbringen von Schutzschichten oder die Herstellung dünner Metallschichten sind dabei von essentieller Bedeutung. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Charakterisierung von Materialen und Zwischenprodukten entlang der Prozesskette mittels verschiedenster analytischer Verfahren.

Im Themenfeld »Nachhaltige Fabriksysteme« steht die ganzheitliche Gestaltung von Produktionssystemen für heutige und künftige Energiespeicher im Fokus. Das Leistungsspektrum geht dabei weit über die Planung und Auslegung von Prozessen und Prozessketten hinaus und umfasst die Gestaltung der Gesamtfabrik vom Einzelprozess bis zum Fabrikdach. Dabei werden vielfältige und komplexe Wechselwirkungen zwischen Produkten, Prozessen, technischer Gebäudeausrüstung und Gebäude berücksichtigt. Schwerpunkte liegen insbesondere auf Methoden der »digitalen Fabrik« wie der Simulation und dem Aufbau »digitaler Zwillinge« von Produkten und Prozessen. Das Angebot umfasst u.a.:

• Layoutplanung, Materialflussplanung, Produktionsanlagenplanung
• Energie- und Materialflusssimulationen, z.B. Discrete Event Simulation, Agent Based Simulation sowie Prozesssimulationen
• Erstellung digitaler Zwillinge von Produkten und Prozessen, Aufbau cyber-physischer Systeme
• Automatisierte Erfassung, Verarbeitung, Auswertung und Visualisierung von Produktionsdaten, z.B. mittels Data Mining und Augmented oder Virtual Reality

Im Themenfeld »Life Cycle Management« decken die Aktivitäten den gesamten Produktlebenszyklus von der Materialherstellung bis zum Recycling ab. Unter Einsatz von Methoden wie  »Life Cycle Assessment« und »Life Cycle Costing« werden technisch-ökonomisch-ökologische Analysen über den Lebensweg von Energiespeichern durchgeführt. Auch die Versorgungssicherheit sowie soziale Aspekte wie z.B. Arbeitsbedingungen beim Rohstoffabbau werden im Sinne einer Nachhaltigkeitsbewertung berücksichtigt. Somit lassen sich Vor- und Nachteile neuer Generationen von Energiespeichern bereits im Vorfeld umfassend vergleichen und Problemverschiebungen frühzeitig erkennen und vermeiden. Das »Integrated Computational Life Cycle Engineering« ermöglicht eine hochautomatisierte computergestützte Bewertung von Gestaltungsoptionen im Lebenszyklus und dient als Entscheidungsgrundlage bereits in frühen Entwicklungsphasen. Das Leistungsangebot umfasst u.a.: 

• Petri-Netz-basierte Energie- und Stoffstrommodellierung
• Ökologische Lebensweganalysen mittels Produkt-/Prozessökobilanzierung (Environmental Life Cycle Assessment – LCA)
• Ökonomische Lebensweganalysen (Life Cycle Costing – LCC)

Im Themenfeld »Wasserstofftechnologien« wird ein detailliertes Verständnis der gesamten Wasserstoffwertschöpfungskette von der Wasserstofferzeugung über die Speicherung und Verteilung bis zur Nutzung fokussiert. Das Leistungsangebot umfasst sowohl die technologische Entwicklung von Materialien und Prozessen für Elektrolyseure, Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellen sowie die Ausplanung und Optimierung der gekoppelten Systemelemente. Dabei werden technische Zusammenhänge sowie ökonomische und ökologische Abhängigkeiten durch digitale Werkzeuge modelliert und bewertbar gemacht.

Ziel ist die Erprobung und Realisierung von Wasserstofftechnologien entlang der gesamten Wertschöpfungskette sowie die Etablierung von allgemeinen Entwicklungspfaden für nachhaltige Nutzungskonzepte von grünem Wasserstoff in Produktion und Mobilität. Das Fraunhofer IST ist Gründungsmitglied des Wasserstoffcampus Salzgitter als regionaler Forschungs- und Demonstrationsplattform, in dessen Mittelpunkt sowohl technologische Umsetzungsprojekte wie auch Qualifizierungsprogramme stehen. Das Leistungsanagebot umfasst unter anderem:

• Analytik von Wasserstoff in festen Stoffen mittels SIMS Tiefenprofilanalyse, z.B. quantitative Bestimmung von Wasserstoff in ta-C-, DLC- und Metall-CH-Schichten
• Bestimmung der Diffusionstiefenprofilen von 2D (schwerer Wasserstoff) in Deuterium-beaufschlagten Oberflächen
• Oberflächenmodifizierung (topografisch, mechanisch, thermodynamisch) und Beschichtung von Komponenten, zum Beispiel Tankinnenbeschichtung von Wasserstoffspeichern mittels elektrochemischer Beschichtung
• Korrosionsschutzschichten für metallische Bipolarplatten
• Herstellung von Dünnschichtkatalysatoren mittels elektrochemischer Verfahren, physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und Atomlagenabscheidung (ALD)
• Integrierte Qualitätssicherung durch Dünnschichtsensorik in Fertigungsprozessen und Systemkomponenten
• Entwicklung und Kopplung digitaler Zwillinge der Systemelemente entlang der »Wertschöpfungskette Wasserstoff«
• Nachhaltige Nutzung grünen Wasserstoffs in Produktion und Mobilität