Zukunftsfeld Energy

Eine klimafreundliche Energieversorgung ist sicherlich die aktuell größte Problemstellung in un­se­­rer Gesellschaft. Wir alle benötigen dringend neue technische Lösungen, um dieser Aufgabe zu begegnen.

Im Interesse der Betreiber von Windparks hat das Fraunhofer IAPT eine Drohne entwickelt, um die Rotorblätter von Windkraftanlagen aus der Luft zu inspizieren. Die Nutzung additiver Ferti­gungstechnologien ermöglich hier die Umsetzung einer besonders leichten und dennoch trag­fähigen Basis­struktur des Fluggeräts, sodass umfangreiche Sensortechnik für die Wartungsar­­beiten an Bord genommen und eingesetzt werden kann. Die Drohne besitzt die Fähigkeit, zu notwendigen Kontrollen auf dem Windrad zu landen, und erspart den teuren sowie zeitauf­wändigen Einsatz von Industrie­kletter­ern.

Der überwiegende Teil des Energiebedarfs in Deutschland ist Wärmeenergie. Wind- und Solar­kraft liefern jedoch primär elektrischen Strom, der dann erst in Wärme umgewandelt werden muss. Die Nutzung von Geothermie besitzt hingegen das Potenzial, sowohl Wärme als auch Strom bereit­zustellen. Insbesondere tiefe Bohrungen können über einen Erdwärmetauscher hohe Tempe­ra­turen liefern, die sogar zur Dampferzeugung taugen und Stromproduktion im Kraftwerksmaß­stab ermöglichen. Auf Basis additiver Fertigungsverfahren entwickelt das Fraun­hofer IAPT in Kooperation mit internationalen Partnern die Systemtechnik für ein neues Laser­bohrverfahren, das effektive Tiefengeothermie industriereif machen soll.

Wasserstoff kann als grüner Energiespeicher genutzt werden, indem Wasser mit Ökostrom elek­­tro­lytisch aufgespalten wird. Bei der Rückverstromung von Wasserstoff mit Hilfe von Gastur­bi­nen entstehen jedoch Verbrennungstemperaturen, die bis zu 200 Kelvin höher sind als bei Ver­wendung von Methan und somit den Einsatzbereich selbst hochtem­pe­ra­tur­fester Metalle wie Inconel übersteigen. AM bietet die Lösung des Problems: Turbinenschaufeln mit inte­grier­ten Kühl­struk­turen, die nur additiv herstellbar sind, widerstehen den extremen Einsatzbedingun­gen.

Die Designfreiheit infolge der additiven Fertigung begünstigt prinzipiell die konstruktive Realisie­rung der In­te­gral­bau­weise. Dabei werden benachbarte Komponenten einer Baugruppe zu ei­nem Einzel­teil zusammengefasst, sodass Montageschritte sowie auch Passungen und Dichtun­gen zwischen den Komponenten entfallen können. Bezogen auf wasserstoffführende Syste­me senkt AM mittels der Integralbauweise das Lecka­ge­risiko, das aufgrund der geringen Größe von Wasserstoffmolekülen eine technologieimmanente und immerwährende Herausforderung dar­stellt.

Die Notwendigkeit der Dekarbonisierung betrifft nicht nur die Energiebranche, sondern die gesamte industrielle Produktion. Neue Fertigungsrouten unter Einbeziehung additiver Herstell­verfahren können einen wertvollen Beitrag zur Reduktion der produktbezogenen CO2-Emissio­nen leisten. Die addi­tive Ferti­gung ist per se materialeffizient, da Bauteile grundsätzlich bis hin zur Endkontur wachsen, also – abgesehen von Supportstrukturen – kein Materialüberschuss be­nötigt wird. Topologieoptimierungen erlauben auch im Hinblick auf die Festigkeit minimalen Ma­te­rialeinsatz durch lastpfadgerechte Bauteilstrukturen. Das mittels AM ausgeschöpfte Leicht­bau­potenzial wirkt sich zusätzlich bei Transporten sowie häufig auch in der Nutzungsphase der Produkte durch Energieeinsparungen emissionsmindernd aus.

Verwenden Sie diesen Vorteil von AM zur ökologischen und ökonomischen Verbesserung Ihrer Produkte! Wir analysieren Ihre Produktion und den gesamten Lebenszyklus Ihrer Erzeugnisse und identifizieren den individuellen CO2-Fußabdruck auf Basis einer einflussgrößenabhängigen Bewertung der relevanten Prozesse. Dabei berücksichtigen wir ressourcenschonende Optionen wie beispielsweise eine bedarfsgesteuerte (on demand) Fertigung mit Verzicht auf Lagerhaltung, eine Verkürzung der Lieferketten durch einsatzortnahe Produktion sowie ein verstärktes Recycling von Material, um perspektivisch das Ziel einer Kreislaufwirtschaft zu erreichen.

Unsere Schwerpunkte

Erneuerbare Energien

Die Nutzung von Windkraft, Photovoltaik und Geothermie bildet den Schlüssel zu einer klimafreundlichen Energieversorgung.

Mittels AM lassen sich ultraleichte Sensorträgersysteme realisieren, mit denen eine sichere und hochökonomische Wartung von Windkraftanlagen aus der Luft möglich ist.

Zudem entwickeln wir einen laserbasierten Prozess sowie die zugehörige Systemtechnik für Tiefengeothermiebohrungen.

Grüne Produktion

Nicht nur die Energieerzeugung, sondern auch die Herstellung jedes Produktes muss zukünftig weniger CO2-Emisssionen verursachen.

Wir helfen Ihnen bei der Dekarbonisierung Ihrer Produkte und optimieren Ihre Prozesse sowie die gesamte Supply Chain. Dabei berücksichtigen wir den tatsächlichen Energie- und Materialbedarf und bieten Ihnen effizien-te Fertigungsalternativen auf Basis von AM z.B. im Hinblick auf eine lokal organisierte Kreislaufwirtschaft.

Wasserstofftechnologie

Additive Fertigung dient potenziell der Funk-tionsoptimierung auch von Brennstoff­zellen und Elektrolyseuren. Topologieoptimierte AM-Endplatten für PEM-Stacks verbessern deren Wirkungsgrad und reduzieren gleich-zeitig die Bauteilmasse signifikant.

Innen liegende Kühlkanäle, die nur mittels AM herstellbar sind, steigern die Temperatur-beständigkeit von Turbinenschaufeln und ermöglichen die Verbrennung von Wasser-stoff in Gasturbinen anstelle von Erdgas.

 

Aktuelle Forschungs- und Entwicklungsergebnisse

 

Im Projekt „DeepU“ entwickelt das Fraunhofer IAPT gemeinsam mit internationalen Partnern aus Italien, Irland, Polen und Deutschland einen laserbasierten Prozess, mit dem Gesteinsbohrungen für die Nutzung von Tiefengeothermie erzeugt werden können.