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Fraunhofer IMM betreibt Katalysatorentwicklung im Labor- und Industriemaßstab

02.03.2018

Das Fraunhofer IMM baut seine Kompetenzen im Bereich der heterogenen Katalyse stetig weiter aus. Ab 2019 ermöglicht eine knapp 2.000 qm große Labor- und Technikumsfläche noch bessere Arbeitsmöglichkeiten für die Katalysatorentwicklung, aber auch Untersuchung und Bearbeitung von Pilotanlagen und großskaligen chemisch-verfahrenstechnischen Reaktoren. Die aktuell vorhandene technische Infrastruktur ermöglicht die Entwicklung und Herstellung neuartiger Katalysatoren, deren Beschichtung auf unterschiedlichste Katalysatorträger sowie Aktivitäts- und Stabilitätstests.

Die zur Verfügung stehenden Entwicklungs- und Untersuchungsmöglichkeiten richten sich insbesondere an externe Auftraggeber, werden aber auch zur Unterstützung eigener Forschungsarbeiten im Bereich neuer Energieerzeugungs und -speicherungssysteme sowie dezentraler regenerativer Treibstoffsyntheseanlagen eingesetzt. Die dort angewandten Technologien und Konzepte werden in vielen Bereichen, wie der Energieerzeugung im Luftfahrtbereich, künftig wegweisend sein.


© Foto Fraunhofer IMM

Dr. Helmut Pennemann leitet am Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme die Gruppe „Katalyse“, die seit 15 Jahren in zahlreichen Projekten Katalysatorentwicklung sowie Auftragsarbeiten für Industriekunden umsetzt. Ein Großteil der chemischen und petrochemischen Prozesse, aber auch die Abgasreinigung vor allem im Automobilbereich, ist ohne Katalyse nicht denkbar.

„Am Fraunhofer IMM machen wir Katalysatorformulierungen aus der Grundlagenforschung fit für technische Systeme“, so Pennemann. Seine Gruppe arbeitet eng mit den Gruppen „Reaktor- und Komponentendesign“ und „Prozessdesign und Anlagenentwicklung“ des Institutes zusammen.

So bekommt der Kunde ein rundes Gesamtkonzept eines für ihn maßgeschneiderten Prozesses. „Der Einsatz unserer mikrostrukturierten Reaktortechnik erlaubt die problemlose Hochskalierung der Prozesse bis in den Megawattmaßstab“, so Prof. Dr. Gunther Kolb, Leiter des Bereiches Energie- und Chemietechnik am IMM.

Katalysatorentwicklung am Fraunhofer IMM

Die Entwicklungstätigkeiten der Arbeitsgruppe sind auf Katalysatoren zur Herstellung von Wasserstoff aus fossilen und regenerativen Energieträgern, von regenerativen Treibstoffen und für Verbrennungsreaktionen fokussiert. In Kooperation mit Partnern aus der Grundlagenforschung, dem Anlagenbau und unterschiedlichsten Industriesparten werden Katalysatoren synthetisiert, getestet und für den Einsatz in der Energietechnik weiterentwickelt. Die Langzeitstabilität und Robustheit z. B. gegen Katalysatorgifte stehen dabei im Vordergrund. Das Institut kooperiert intensiv u. a. mit der Technischen Universität Eindhoven, an der Kolb als Teilzeitprofessor tätig ist.

Eine enge Zusammenarbeit besteht zudem mit der Firma Diehl Aerospace, mit der Fraunhofer IMM einen Energietrolley zur Stromversorgung von Passagierflugzeugen entwickelt. Sämtliche Katalysatoren des Prozesses sind Eigenentwicklungen des Forschungsinstitutes. Mit Hilfe der institutseigenen Infrastruktur werden die Katalysatoren synthetisiert, charakterisiert und unter realistischen Bedingungen auf ihre Robustheit und Langzeitstabilität getestet.

Die Katalysatoren können in Mengen von mehreren Kilogramm hergestellt werden. Die Beschichtung von mikrostrukturierten Reaktoren kann mit einem selbst entwickelten, weltweit einmaligen Siebdruckverfahren automatisiert erfolgen. Mit dem Verfahren wurde schon die Markteinführung eines Energieerzeugungssystems durch einen Kunden erfolgreich unterstützt.

Durch ihre langjährige Tätigkeit verfügt die Gruppe „Katalyse“ über ein weitreichendes internationales Netzwerk mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie. „In den letzten Jahren konnten wir unsere Kompetenzen deshalb verstärkt erfolgreich als Dienstleister anbieten“, so Pennemann.

Die Kunden stammen aus der chemischen Industrie, der Automobil- und Luftfahrtindustrie, aber auch aus der Medizintechnik. Die am Fraunhofer IMM angebotene Infrastruktur zur Synthese, Charakterisierung und Evaluierung von Katalysatoren ist auch für Unternehmen interessant, die sich mit Technologien zur Nutzung von regenerativen Stromüberschüssen (Power-to-X) beschäftigen. In einer internen Kooperation mit dem Fraunhofer IWES wird zurzeit an der Methansynthese aus Kohlendioxid geforscht. Eine Anlage im 50 kW Maßstab befindet sich im Aufbau.

Ausstattung des Fraunhofer IMM für Auftragsarbeiten im Bereich der Katalyse

• Präparation von Katalysatoren bis in den halbtechnischen Maßstab: Equipment für die Synthese heterogener Katalysatoren mittels Fällungsreaktion, Imprägnierung sowie weiterer Methoden
• Produktion von Mustermengen: Große Kugelmühlen und Siebmaschinen für die Zerkleinerung und Fraktionierung des Katalysatorpulvers bis in den Kilogrammmaßstab
• Automatisierte Auftragung: Siebdruckmaschine zur Aufbringung von Katalysatorbeschichtungen
• Temperaturbehandlung: Öfen mit einem Nutzraum von mehr als 500 Litern für das Kalzinieren der Katalysatorpulver und die Temperaturbehandlung der beschichteten Katalysatorträger
• Untersuchung heterogen katalysierter Gasphasenreaktionen: 11 Teststände ausgestattet mit einer Dosierung von gasförmigen und verdampfbaren Ausgangsstoffen und geeignet für Aktivitätsuntersuchungen unter Variation verschiedener Reaktionsparameter (Temperatur, Druck, Gaszusammensetzung, Flussrate usw.)
• Untersuchung der Langzeitstabilität: Teststände mit einer langzeittesttauglichen Sicherheitsausstattung und Automatisierung für die Untersuchung von Katalysatoren unter realen Prozessbedingungen
• On-line Analysesysteme zur Bestimmung der Produktgaszusammensetzung: Ausstattung sämtlicher Anlagen mit on-line Analytik (4 Zweikanal GC, 6 Mikro-GC, 1 On-line MS, 3 GC-MS, 2 Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer)
• Für die Untersuchung der Katalysatoren in größeren Reaktoren unter Prozessbedingungen stehen mehrere Technikumsanlagen zur Verfügung, in denen die Versuchsbedingungen individuell auf die jeweilige Untersuchung angepasst werden können
• Gesamtprozesse können im Miniplantmaßstab untersucht werden
• Für die Charakterisierung der heterogenen Katalysatoren stehen eine Reihe von Charakterisierungsmethoden zur Verfügung (TG, N2-Physisorption, REM, TEM)
• Extern kann auf weitere Charakterisierungsmethoden zurückgegriffen werden (XRF, XRD, XPS)

Weitere Informationen:

https://www.imm.fraunhofer.de/de/presse-publikationen/katalysatorentwicklung.htm...

Dr. Stefan Kiesewalter | Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM

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