Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Umwelt- und Verfahrenstechnik

Anwendungsbereiche

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Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung

 

Mit den richtigen Reinigungs- und Aufbereitungstechnologien können Abwässer eine wertvolle Ressource darstellen: ob für thermische Energie, strategische Rohstoffe oder aufbereitet als wertvolles Trink- oder Brauchwasser. Hierbei konzentriert sich das Fraunhofer IKTS auf chemie- und biologiefreie Verfahren sowie integrierte Reaktorsysteme für die Behandlung von Ab- und Prozesswässern. Mit Hilfe von keramischen Membranen oder elektrochemischen und photokatalytischen Oxidationsverfahren lassen sich so Trinkwasser, kommunale und industrielle Prozesswässer, Bergbauwässer oder Geothermie-Tiefenwässer aufbereiten und nutzen.

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Abgasnachbehandlung und Gasaufbereitung

 

Viele technische Prozesse erzeugen Gasgemische, die gesundheits- und umweltschädliche Feinstaubpartikel und gasförmige Schadkomponenten enthalten. Für die Heißgasentstaubung und Partikelfiltration bietet das Fraunhofer IKTS offenporige, zellulare keramische Formkörper und Membranen an. Nanoporöse Membranen erlauben beispielsweise die Abtrennung von Einzelkomponenten aus Gasgemischen. Einen weiteren Schwerpunkt bilden keramische Katalysatorträger und Katalysatoren für die Abgasreinigung. Als Alternative zu Edelmetallen weisen keramische Katalysatoren eine höhere thermische Stabilität auf. Außerdem tolerieren sie übliche, für Edelmetalle kritische Katalysatorgifte, wesentlich besser.

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CO2-Reduktion

 

Verschiedene Strategien zur Vermeidung (CDA) sowie Nutzung und Speicherung (CCU) von CO2 bieten ein beachtliches Potenzial, um die festgelegten Klimaziele zu erreichen. Keramikbasierte Technologien zur sauerstoffangereicherten Verbrennung, Elektrolyse, CO2-Abtrennung und Synthese höherwertiger Produkte (u.a. Fischer-Tropsch) können hierbei einen entscheidenden Beitrag leisten. Insbesondere in CO2-intensiven Industriezweigen wie der Stahlindustrie kann eine deutliche Reduzierung der Emissionen um bis zu 95 % erreicht werden, indem zur Reduktion von Eisenoxid Wasserstoff eingesetzt wird, der durch einen hocheffizienten Festoxidelektrolyseprozess erzeugt wird. 

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E-fuels

 

E-Fuels werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und einfachen Speicherung bedeutend für den Verkehrssektor sein. Das Fraunhofer IKTS zeigt Wege auf, wie alternative kohlenstoffhaltige Rohstoffe und Verbindungen genutzt werden können. Dazu gehören Katalysatorsysteme sowie verfahrenstechnische Prozesse und Anlagen für die Kraft- und Wertstoffherstellung mit Hilfe von chemischen Synthesen wie beispielsweise der Fischer-Tropsch-Synthese und unter Einbeziehung von Wasserstofftechnologien. Mit einer leistungsfähigen Modellierung und Simulation werden neue reaktionstechnische Konzepte entworfen und angeboten. Die effiziente Stoff- und Energiewandlung durch Verknüpfung von Stofftrennung und Reaktion im Membranreaktor spielt ebenfalls eine Rolle.

MIEC-Membranen (mixed ionic electronic conductor), entwickelt am Fraunhofer IKTS, sind das Herzstück des HiPowAr-Ammoniakreaktors.
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Sauerstoffgewinnung und -nutzung

 

In vielen Verbrennungs- und Oxidationsprozessen kann die Effizienz durch die Zuführung von Sauerstoff gesteigert werden. Um Sauerstoff kostengünstig zu gewinnen, entwickelt das Fraunhofer IKTS sauerstoffselektive Membranen und darauf aufbauend Sauerstoffgeneratoren. Durch den höheren Wirkungsgrad in der Verbrennung verringert sich der Verbrauch an fossilen Energieträgern und somit die CO2-Emission. Im Oxycoal- bzw. Oxyfuel-Verfahren lässt sich durch Verbrennung mit einem O2/CO2-Gemisch an Stelle von Luft ein reines CO2-Abgas erzeugen, das stofflich genutzt (CCU) werden kann. Darüber hinaus arbeitet das Fraunhofer IKTS an selbstverdichtenden Verbrennungsprozessen unter Verwendung von Sauerstoffspeichern.

In einem Labor ist im Vordergrund Elektrochemische Gewinnung von Selten-Erd-Verbindungen aus Displayfolien zu erkennen und im Hintergrund
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Wertstoffrückgewinnung aus flüssigen Prozessmedien

 

Die Wertstoffrückgewinnung aus Abwässern und flüssigen Prozessmedien und deren Bereitstellung für den Wirtschaftskreislauf tragen maßgeblich zum effizienten Umgang mit Ressourcen bei. Das Fraunhofer IKTS bildet die gesamte nasschemische Prozesskette vom Aufschluss aus Feststoffen über die Anreicherung durch membrangestützte Extraktionsverfahren bis hin zum Zielprodukt ab. Dabei kommen bevorzugt elektrochemische Prozesse aber auch Verfahrenskombinationen zum Einsatz. Umfangreiche Erfahrungen bestehen in der Gewinnung von Selten-Erd-Konzentraten aus sekundären Rohstoffquellen, in der Reindarstellung verschiedener Selten-Erd-Verbindungen sowie in der Gewinnung von Sonder- und Edelmetallen aus Schrotten oder Haldenmaterial.

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Kohlenstoff-Recycling / Chemisches Recycling

 

Chemisches Recycling kommt dann zum Einsatz, wenn Kunststoffabfälle mechanisch nicht weiter recyclingbar sind. Das Fraunhofer IKTS fokussiert sich dabei auf die Pyrolyse und Gasifizierung. Damit lassen sich im großtechnischen Maßstab Kunststoffe, aber auch Biomassen oder fossile Mischabfälle in ihre chemischen Bausteine zurückverwandeln und wieder in der chemischen Industrie einsetzen. Parallel dazu wird die wirtschaftliche Herstellung von Massenprodukten und hochpreisigen Spezialprodukten auf Basis einheimischer Kohlenstoffträger untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Verknüpfung von chemischen Recyclingprozessen mit elektrochemischen Konversionsprozessen. Damit können einerseits höherwertige Produkte wie synthetisches Kerosin hergestellt und andererseits hohe Wirkungsgrade erzielt werden.

Untersuchung zur Pflanzenverfügbarkeit von Stickstoff- und Phosphor-Rezyklaten am Vertical Farming-Teststand.
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Biomassetechnologien und Nährstoffrecycling

 

Die Basis für eine nachhaltige Landwirtschaft sowie Bioökonomie liegt in der Behandlung und Nutzung von biomasse- und nährstoffhaltigen Reststoffen, die als Koppelprodukte entstehen. Diese werden so aufbereitet, dass sie als Dünger, Rohstoffe (z. B. Faser), Wasser und Energie wieder in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden können. Dabei werden Stoffkreisläufe nicht isoliert betrachtet, sondern die komplexen Zusammenhänge mit Hilfe von Sensorsystemen automatisiert erfasst und analysiert. Durch optimierte Abläufe lässt sich so die Produktivität steigern und gleichzeitig Nachhaltigkeit erreichen. Das Fraunhofer IKTS liefert hierfür eine breite Palette an verfahrenstechnischen Lösungen wie Desintegrationsverfahren, Membran- und Fermentationstechnik, Verdampfung sowie optimierte Misch- und Rührprozesse. Mit Hilfe von Testständen können am IKTS ganzjährig standardisierte Tests zur Pflanzenverfügbarkeit und Phytotoxizität von Nährstoffen und Düngemitteln in bodenbasierten und hydroponischen Systemen durchgeführt werden.