Vom Material zum System keramische Werkstoffe und Bauteile in Energie-und Umwelttechnik

Transkript

1 Vom Material zum System keramische Werkstoffe und Bauteile in Energie-und Umwelttechnik Dr.-Ing. Burkhardt Faßauer LIAN-Kolloquium Energie- und Umwelttechnik, Westsächsische Hochschule Zwickau,

2 Vom Material zum System keramische Werkstoffe und Bauteile in Energie-und Umwelttechnik AGENDA Kurze Vorstellung IKTS Beispielhafte Ansätze aus den Bereichen: Wasseraufbereitung Gasaufbereitung Energietechnik Zusammenfassung

3 Das Fraunhofer IKTS im Profil Zahlen Mitarbeiter 569 (Vollstellenäquivalent) Standort Dresden Betriebshaushalt 48,2 Mio Industrieerträge 16,6 Mio Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, 14001, Institutsleiter Prof. Dr. Alexander Michaelis Standort Hermsdorf Standort Dresden- Klotzsche Stand: Juni 2014

4 Fraunhofer IKTS Geschäftsfelder MATERIALS AND PROCESSES MECHAN. ENGINEERING AND AUTOMOTIVE ELECTRONICS AND MICROSYSTEMS SYSTEM- COMPETENCE MATERIAL- DIAGNOSIS Reliability Quality insurance ENVIRONMENTAL AND PROCESS ENGINEERING BIO- AND MEDICAL TECHNOLOGY OPTICS AND ACOUSTICS ENERGY PROCESS COMPETENCE MATERIALS COMPETENC E MATERIAL- DIAGNOSTICS Fraunhofer

5 Das Fraunhofer IKTS im Profil Unikale Kompetenzen Durchgehende Fertigungslinien vom Werkstoff zum Prototypen Multiskalenentwicklung vom Labor- in den Technikumsmaßstab Synergien zwischen Struktur- und Funktionskeramik Kombination unterschiedlicher Technologieplattformen Netzwerkbildner über 450 nationale und internationale Partner

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7 WASSERAUFBEREITUNG

8 Fraunhofer IKTS Membran-Mission vom Träger zur Membranherstellung und Anwendung Membran Entwicklung Membranmuster von 0,1 m m 2 Membrantests, Pilotierung, Demonstration Applikationszentrum Membrantechnologie Träger Membran Modul Anwendung

9 Keramische Membrantypen und Geometrien Quelle: DVGW 2008, Müller [ Formen: Rohre Platten Waben Kapillar(bündel) Materialien: SiC ZrO 2 Al 2 O 3 TiO 2,

10 Warum keramische Membranen? Hohe mechanische, chemische (z.b. ph und thermische Beständigkeit (z.b. bis 350 C) Lange Lebensdauer Chemisch oder thermisch zu gut reinigen Geringer Membranwiderstand, hohe Permeatflüsse (z.b. 400 L/m²/h/bar), hohe Rückspülflüsse ABER: Sprödigkeit, Invest-Kosten Material: amorphes TiO 2 (ZrO 2 ) Membrandicke: 50 nm Porengröße: 0,9 nm Offene Porosität: 30 % P. Puhlfürß, I. Voigt, R. Weber, M. Morbé, J. Membr. Sci. 174 (2000)

11 Asymmetrische Membranstruktur } Membrane Intermediate layers Support

12 Applikationen von Mikro- bis Nanofiltration Mikrofiltration TMP: 0,5 bis 3 bar Abwasser, Emulsionspflege Ultrafiltration TMP: 3 bis 6 bar Sterilfiltration, Proteinabtrennung Nanofiltration TMP: 5 to 20 bar Entfärbung, Teilentsalzung

13 Praxisbeispiele Ultrafiltration für das Recycling von Laugenbädern Reinigung von Mehrwegflaschen aus PET durch heiße, alkalische Waschlauge (ph=13-14, T=60 C) Recycling der Waschlauge ist notwendig Regeneration der Waschlauge mit Nanofiltration (Polymermembranen) Hohe Chemische und thermische Beanspruchung häufiger Membranwechsel Membranfläche: 15.6 m² Alternative wurde gesucht

14 Praxisbeispiele Nanofiltration für die Behandlung von Textilabwasser Membranfläche: 65 m² Permeatfluss: 5 m³/h Concentration factor: Farbrückhalt % CSB-Reduktion: % Entsalzung: % Betriebsparameter: 15 bar, 3.5 m/s Inbetriebnahme: 2002 Plant engineering &-construction Fa. Junghans, Frankenberg

15 Neuere Entwicklungen NF-Membranen mit cut-off kleiner 450 D 4m/s, 25 C, Polyethylenglucol-Gemisch, GPC-analysis (VITO) 100 BMBF 03X0080L For organic solvents Retention [%] bar: 210 g/mol Molar weight [g/mol]

16 Neuere Entwicklungen Größere Filterflächen pro Volumeneinheit EU Project CeraWater Verbesserung der Effizienz der Wasserreinigung durch keramische Membranen mittels:: Erhebliche Vergrößerung der Filterfläche von NF-Membranen Verbesserung der Anti-Fouling- Eigenschaften

17 Photokatalytische Wasserbehandlung mit zellulären keram. Strukturen Entwicklung einer Systemlösung für die weitgehende Abwasserreinigung Rückhalt und Eliminierung von Krankheitserregern und Spurenstoffen anthropogenen Ursprungs Neues Thema: Integration UV-LEDs Keramikformkörper auf Basis von Al 2 O 3 variable katalytisch aktive Oberfläche PPI 10 PPI 20 PPI 25 PPI 30 Quelle: Glasgebundene Mehr-Kanal-Elemente (MKE) auf SiC-Basis für die getauchte Anwendung Quelle:

18 Hybride keram. Bauteile, Komponenten und Prozesse Anwendungsfall 1: Hälterungsbecken Off-Flavour Keramischer Membranadsorber zum Rückhalt pharmazeutischer Reststoffe und von Geschmackstoffen Anwendung Trinkwasser, Krankenhausabwasser, Aquakulturen Frischwasser Abw asser M embranadsorber gereinigtes Abwasser Anwendungsfall 2: Quarantänebecken - Spurenstoffe Futter ggf. Therapeutika/Desinfektionsmit tel Frischwasser Abw asser M embranadsorber gereinigtes Abwasser Anwendungsfall 3: Haltungsbecken weitergehende Reinigung Nit rif ikation optional: Denitrifikation Futter M ech. Vorreinigung: Spaltsieb M ech. Feinreinigung: Trommelfilter Abw asser Frischwasser M embranadsorber Flotation Feststoffaustrag gereinigtes Abwasser Belüftung

19 Elektrochemische Wasserbehandlung Entwicklung und Pilotierung eines Verfahrens zur Sulfatabtrennung Piloterprobung 2010/2011 mit Einsatz von CO 2 für LMBV und Vattenfall, (8000 h), Versuchsbetrieb VODAMIN-Projekt 1000 h Abtrennung aktuell > 50%, CO 2 wird dabei chemisch stabil fixiert und Sulfat in Ammoniumsulfat (Düngemittel) überführt derzeit einziges bekanntes Verfahren, das die Sulfatabtrennung im technischen Maßstab zulässt

20 Hybride keram. Bauteile, Komponenten und Prozesse Weitere FuE-Themen: CNT-basierte Filtermaterialien für die Trennung von Öl-Wasser-Gemischen, integrierte hochstabile Materialverbundsysteme für sonoelektrochemische Behandlung hybride Membranfiltrationssysteme kombiniert mit UV-LED-Technologie Integrierte photonische Schadstoffsensorik in Wasser- und Abwasseraufbereitungsanlagen

21 GASAUFBEREITUNG

22 Heißgasfiltration FhG-intern Märkte von übermorgen, Molecular Sorting : Heißgasfiltration In-situ-Aufbereitung von Klärschlammaschen in Monoverbrennungsanlagen

23 Einzelgaspermeanz [m 3 /(m 2 hbar)] Fraunhofer IKTS Gas cleaning CO 2 -Separation, CH 4 - Enrichment He H 2 CO 2 O 2 N 2 CH 4 C 3 H 8 C 4 H 1 C 4 H SF ,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 kin. Moleküldurchmesser [Å] selective carbon membranes for CO 2 -separation

24 air Fraunhofer IKTS O 2 permeable membranes for combustion processes new long term stable materials high flux by the use of asymmetrical membranes CH 4 CH 4 porose protection tube with cathode membrane syngas syngas

25 ENERGIETECHNIK

26 Temperaturstabile Gehäuse für die neue Generation von HochleistungsLEDs Spritzgegossene polymerkeramische Bauteile 643 Gemeinschaftsprojekt: Industrie und IKTS Bearbeiter: Dr. Ralph Schubert Temperaturstabile 16x Matrix aus Polymerkeramik Duroplastischer Spritzguss & Beschichtung Bestückung und Assembly Charakterisierung

27 Fuel Cell Systems developed at IKTS Energy 1 W 10 W 100 W 1 kw 10 kw 1MW Hand held portable stationary Hydrogen PEFC Tubular SOFC LPG SOFC Natural gas SOFC Biogas SOFC Biogas + NG MCFC

28 Sabatier-Reaktion als Grundlage für Power-to-Gas Katalytischer Membran-Reaktor Erhöhung der CH 4 -Ausbeute H 2 O-trennende Membran mit Katalysator-Beschichtung Kombination von Know-how Grundlage für: Power-to-Liquid, Power-to-Chemicals, CO 2 H 2 O Katalytischer Membranreaktor CH 4 H 2 H 2 O Anwendungen: Speicherung von Überschuss- Strom als synthetisches Erdgas im Gasnetz CO 2 -Nutzung (Biogas- Anlagen, Kläranlagen, Zement-Hersteller, Verbrennungsanlagen, )

29 Contact Dr.-Ing. Burkhardt Faßauer Phone: