Neue Technologien für eine erfolgreiche Energiewende Alexander Michaelis Fraunhofer Institute of Ceramic Technologies and Systems IKTS

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1 Neue Technologien für eine erfolgreiche Energiewende Alexander Michaelis Fraunhofer Institute of Ceramic Technologies and Systems IKTS Structural ceramics Functional ceramics Materials Sintering / Materials - Diagnostics and NDE (non destructive evaluation) Energy systems and life science TEG Processes and Components Additive Manufacturing 1 Fraunhofer Environmental Engineering Electronics / Smart Microsystems Industry 4.0

2 Mio Fraunhofer Institut für keramische Technologien und Systeme / IKTS IKTS MD Entwicklung: IKTS HD NDE 650 Mitarbeiter 2 Fraunhofer

3 Energy and Environmental Technology at IKTS Ceramics for combustion engines and turbines Membranes for Filtration Oxyfuel / Power to Gas Fuel Cells Photovoltaics Energy Harvesting (Piezoceramics, TEG) Storage Technology Li-Battery Supercup Na-NiCl SOEC - (Electrolysis) Fraunhofer IKTS

4 The American Ceramic Society`s 2015 Corporation Environmental Achievement Award Ceramic nanofiltration membranes for efficient water treatment 100 nm Winners of the last years: Murata Electronics, Toyota Central Research, OSRAM SYLVANIA Products, Pilkington Technology Management Limited, SCHOTT North America Fraunhofer IKTS

5 Lokale O 2 -Erzeugung mit MIEC-Membran (MIEC Mixed Ionic Electronic Conductor) : 170 L/h, > 10 kwh/m : 350 L/h 6 kwh/m : L/h < 1,6 kwh/m : L/h < 0,75 kwh/m : L/h < 0,5 kwh/m 3 Prinzipielle Machbarkeit: Thüringer Forschungspreis 2010 > 9500 h industrielle Machbarkeit Industrie-auftrag 1 Kriegel, R., DKG Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, HvB-Verlag Ellerau (2010), p R. Kriegel, H. Klefenz, I. Voigt, 13. Intern. Conf. Inorg. Membranes, , Brisbane, Australia Fraunhofer Pilotanlage für Langzeitstabilität: Industriegas- Hersteller hohe Energieeffizienz < 0,5 kwh/m 3 (Pressure Swing > 0,9 kwh/m 3 )

6 Lokale O 2 -Erzeugung mit MIEC-Membran (MIEC Mixed Ionic Electronic Conductor) : 170 L/h, > 10 kwh/m : 350 L/h 6 kwh/m : L/h < 1,6 kwh/m 3 Oxyfuel-Prozess! 2015: L/h < 0,75 kwh/m : L/h < 0,5 kwh/m 3 Prinzipielle Machbarkeit: Thüringer Forschungspreis 2010 > 9500 h industrielle Machbarkeit Industrie-auftrag 1 Kriegel, R., DKG Handbuch Technische Keramische Werkstoffe, HvB-Verlag Ellerau (2010), p R. Kriegel, H. Klefenz, I. Voigt, 13. Intern. Conf. Inorg. Membranes, , Brisbane, Australia Fraunhofer Pilotanlage für Langzeitstabilität: Industriegas- Hersteller hohe Energieeffizienz < 0,5 kwh/m 3 (Pressure Swing > 0,9 kwh/m 3 )

7 2. Keramische Membranen für die Wasseraufbereitung Aufbereitung von Produced Water Fracking / Öl- Sande Challenges: ingredients of produced water Particles (abrasion) Oil and tar (high fouling) Salts (high scaling) High temperature (160 C) Ceramic membranes Separation of oil droplets by microfiltration Partial desalination by nanofiltration Both together with one step ceramic nanofiltration A. Nijmeijer: The use of inorganic membranes in oil and gas industry, 13th ICIM, 6-9 July 2014, Brisbane, Australia Fraunhofer

8 2. Keramische Membranen für die Wasseraufbereitung Recycle water testing: the results (50% recovery) Feed Ca = 23 ppm Mg = 12 ppm Na = 325 ppm K = 16 ppm TOC = 44 ppm Permeate Ca = 5 ppm Mg = 2 ppm Na = 137 ppm K = 7 ppm TOC = 1.5 ppm Recycle water as RO feed water Reject Ca = 26 ppm Mg = 14 ppm Na = 368 ppm K = 19 ppm TOC = 70 ppm Fraunhofer

9 Exhaust Aftertreatment and Catalysis (CO-reduction, DeNO x, particle reduction etc.) Fe-zeolite-coating for SCR catalysis Pilot plant for combustion of methan lean gases (foam catalyst) Catalytically coated foams and honeycombs for exhaust aftertreatment (TWC) Fraunhofer

10 Abgasnachbehandlung von Holzfeuerstätten Neue Grenzwerte, z.b. in Österreich, Skandinavien, Deutschland (BImSchV): 2010: Staub 0,1 g/m³, CO 1,0 g/m³ 2015: Staub 0,02 g/m³, CO 0,4 g/m³ Tiefenfiltration (Staub + Aerosole) Regeneration von brennbaren Bestandteilen durch die Flamme Offenzellige Cordierit- Schaumkeramik Status: Markteinführung 2009; Fertigung von ca Stk/a für Einsatz in Öfen der Fa. HARK (D) Source: IKTS Sources: Hark Fraunhofer

11 Catalytic coating and testing Testing of SCR active powders Reduction of NO x Powder tests in DeNOx reaction NO + NH 3 + O 2 N 2 + H 2 O + NO + N 2 O Gas: 1000ppm NO, 1000 ppm NH 3 2,5 % O 2, in Helium Adsorption/Desorption of NH 3 Adsorption of NH 3 at RT / Temperature-programmed desorption NH 3 -storage capacity quality of acidic sites Konzentration N ppm 900 ppm 800 ppm 700 ppm 600 ppm 500 ppm 400 ppm 300 ppm 200 ppm 100 ppm Fe-MFI-27 V/W/TiO2 signal MS - NH3 [A/mg] 2,5x ,0x ,5x ,0x ,0x10-12 zeolith 1 zeolith 2 zeolith 3 zeolith 4 0 ppm 200 C 300 C 350 C 400 C 500 C Temperatur 0, temperature [ C] Fraunhofer IKTS

12 Brennstoffzellen Material MEA Stack System 3YSZ matrix LSC catalyst Fraunhofer

13 Brennstoffzellen 1 W 10 W 100 W 1 kw 10 kw 1 MW portable portable portable stationary stationary hydrogen Ethanol PEFC Propane Tubular SOFC LPG Ethanol SOFC NG SOFC Biogas + NG SOFC Elektrolyse Biogas + NG MCFC â Fraunhofer eneramic by Fraunhofer

14 14 Fraunhofer IKTS

15 Scale Storage technology The Energy future as we see it Power generation technology Supercap SOFC Range extender Solar SOFC Li-Ion Solar SOFC biomass, waste and carbon fuel gasification MCFC/SOFC NaNiCl Turbine (Redox Flow) Wind Turbine SOEC Power to Gas (Fuel) chemicals Wechsellastfähigkeit Grundlast- und residential commercial Industry Small grid e-mobility kwh Application approaching real decentralized (no-grid) solutions TWh Fraunhofer

16 Na/NiCl 2 solid state electrolyte batteries for stationary applications Operation principle (Zebra) NiCl 2 + 2Na Ni + 2NaCl, E 0 = 2,58 V Electrolyte Na-ß -aluminate (ceramics) Cathode: Ni, common salt (NaCl), NiCl 2, NaAlCl 4 Anode: Na (melt) Operation temperature: C - + lid (Al2O3) case electrode Na + Ni NaCl NaAlCl 4 NiCl 2 Na-ß -aluminate Na 16 Fraunhofer IKTS - confidential -

17 Material costs: NaNiCl (long run marginal costs) source: Fiamm 52 $ Ni-prize $ 17 Fraunhofer IKTS - confidential -

18 reduction of production cost by factor 10 Dry pressing Flat substrates 20 bis 30 mm, thickness 0,5 to 2 mm Extrusion Isostatic pressing Tubes 20 bis 60 mm, wall. 1,5 mm, legth up to 600 mm costreduction: factor 10 Beakers 20 mm, wall thickness. 1,5 mm, length 150 mm 18 Fraunhofer IKTS

19 Na-Batterie Li-Batterie + 50 C DT = 250 C DT = -10 C 300 C - 30 C 40 C DT = 330 C DT = 70 C Zelle: 100 EUR / kwh System: 300 EUR / kwh Eigensicher Kaum Elektronik / BMS Strahlungskühlung Isoliert, umweltunabhängig Zelle: 200 EUR / kwh System: 1300 EUR / kwh Sicherheitsmaßnahmen BMS und Symmetrisierung Heizung und Kühlung Außenaufstellung problematisch Umwelt definiert Lebensdauer! Die billigste Batterie der Welt 19 Fraunhofer IKTS cost-reduction: factor 10

20 Stoffliche und energetische Nutzung von (Kohle), Rest- und Abfallstoffen intelligente Rohstoffnutzung!!!! Stromspeicher NaNiCl-Batterie Coal gasification Abgasnachbehandlung Kohle Luft Mechanische Aufbereitung O 2 -Generator Vorbehandlung (Trocknung und Pyrolyse) Strom und Wärme / Kälte (Brennstoffzellen / µ-turbine) Rest- und Abfallstoffe waste to power (heat, cold), trigeneration waste to fuel waste to chemicals (materials) Thermochemische Umwandlung (Vergasung) Chemische Synthesen Robuste Technologie für kleinskalige Anlagen (P el 2,5 MW) mit hoher Variabilität hinsichtlich der Einsatzstoffe Dezentrale Lösungen Fraunhofer

21 Kernaussagen Vergasungstechnologie macht Braunkohle verfügbar für neue, CO2-effizente Techniken Kleinere, dezentrale Anlagen (Stadtwerke etc. ab ca. 3 Megawatt) Gasturbinen, GuD-Kraftwerke und Brennstoffzellen Vergasungstechnologie senkt dadurch den CO2-Ausstoß der Braunkohleverstromung Vergasungstechnologie macht Braunkohle nutzbar für die stoffliche Nutzung Deutschland erwirbt weltweit einmaligen, strategischen Zugang zur künftigen Kohlenutzung jenseits der Verstromung in großen Kraftwerken hohes Exportgeschäft-Potenzial Neue Produkte und Märkte neben der Vergasungstechnologie: Sauerstoff-Erzeugung Abwasserbehandlung / Abgasbehandlung Biomasse- und Reststoff-Aufbereitung Natriumbatterien für industrielle Strompufferung Fraunhofer

22 Fazit Kohle ist extrem wertvoller Rohstoff!! Neue Technologien zur effizienten Nutzung von Kohle notwendig! Verwendung weiterer C-Quellen: Abfall (waste to power), Biomasse Stromerzeugung Kraftstofferzeugung in Verbindung mit der Nutzung von Überschussstrom stoffliche Nutzung Kohle ergänzt die erneuerbaren Energien und Speichertechnologie (Wechsellastfähigkeit). Es ergeben sich erhebliche weltweite Technologieexport-Chancen Erfolgreiche Energiewende und Strukturwandel mittelfristig möglich!! Fraunhofer