Prüftechnik für erneuerbare Energien
Aktuell ist die Energieversorgung eine der größten und wichtigsten Herausforderungen: Der Energiesektor verursacht etwa zwei Drittel der globalen CO2-Emissionen. Der Ausbau einer klimafreundlichen Energieerzeugung - aus erneuerbaren Energien - ist entscheidend, um dem Klimawandel zu begegnen. Neben Solar, Windkraft und Wasserkraft erhält die Wasserstofftechnologie auf dem globalen Energiemarkt eine immer stärkere Bedeutung, um das Ziel der Kohlenstoffneutralität zu erreichen und somit einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Sowohl das Material als auch die Infrastruktur - über die gesamte Wertschöpfungskette der Wasserstoffindustrie hinweg - stellen die Materialprüfung vor neue und vielfältige Herausforderungen.
Prüflösungen für die Wasserstofftechnologie
Wasserstoff wird seit geraumer Zeit in der chemischen Industrie als Roh- oder Brennstoff eingesetzt, denn er gilt als idealer und flexibler Energieträger der Zukunft. Er ist ein elementarer Bestandteil der angestrebten Energiewende, weshalb er sich für eine breite Nutzung eignet, etwa in den Bereichen Industrie, Verkehr, Strom und Wärme. Aus erneuerbaren Energien erzeugter grüner Wasserstoff reduziert Treibhausgase und trägt somit bei zum Klimaschutz.
Als häufigstes Element ist Wasserstoff nahezu unbegrenzt verfügbar, direkt nutzbar und lässt sich in gasförmiger und flüssiger Form transportieren und speichern. Seine sehr hohe Energiedichte und Nutzbarkeit in gebundener Form macht ihn daher zu einem attraktiven Energieträger, der aber in der Handhabung sehr anspruchsvoll ist und nicht gänzlich unproblematisch.
Aufgrund seiner geringen Dichte und seines geringen Molekülquerschnitts diffundiert Wasserstoff leicht und schnell durch feste Werkstoffe. Dies führt beispielsweise bei metallischen Werkstoffen zur Wasserstoffversprödung und damit zu einer starken Reduzierung der Werkstofffestigkeit. Mechanische Werkstoffprüfungen sind deshalb ein wichtiger Bestandteil für die Charakterisierung und Entwicklung neuer Werkstoffe, die unter Wasserstoffeinfluss langfristig und sicher funktionieren müssen. Wichtige und sicherheitskritische Komponenten werden in folgenden Bereichen eingesetzt:
- Wasserstofferzeugung (z.B. Elektrolyseure)
- Wasserstofftransport (z.B. Leitungen, Ventile)
- Wasserstoffspeicherung (z.B. Flüssiggas-, Druckbehälter)
- Energiewandlung (z.B. Brennstoffzellen)
Mechanische Materialprüfungen erfordern eine präzise und angepasste Prüftechnik, die es ermöglicht verlässliche Werkstoffkennwerte unter direktem Wasserstoffeinfluss, sehr hohen Drücken, sehr tiefen Temperaturen aber auch über sehr lange Zeiträume zu ermitteln.
Die folgenden Anwendungsbeispiele zeigen die ZwickRoell Prüflösungen, die die hohen Anforderungen der Wasserstoffindustrie umfassend erfüllen und einen wichtigen Beitrag leisten zur Weiterentwicklung von Werkstoffen und Komponenten.
Prüfung von Solarzellen
Prüflösungen für Lithium-Ionen Batteriezellen, Batteriemodule und Batteriepacks
Eine Lithium-Ionen Batteriezelle besteht aus unterschiedlichen Komponenten und Werkstoffen, die aufgrund ihrer vielfältigen Funktionen diversen Belastungen ausgesetzt sind. In der Produktion werden Werkstoffe und Materialien daher in den verschiedenen Fertigungsschritten elektrochemischen, thermischen und mechanischen Belastungen unterzogen, um solchen Belastungen zu entsprechen. ZwickRoell bietet für jede Anforderung Prüflösungen für Lithium-Ionen Batteriezellen, Batteriemodule und Batteriepacks.
- Verschiedene Werkstoffe kommen zum Einsatz: Elektrodenmaterial aus Aluminium- und Kupferfolie, Polymer-Separatoren (PE oder PP), Graphit- oder Titanat-Elektrodenbeschichtungen, Lithium-Metall-Oxid Beschichtungen, Gehäuse auf Aluminiumbasis (Feste Gehäuse oder laminierte Folien), etc.
- Werkstoffe werden in puntco Zugspannungen, Knickfestigkeit, Rissfestigkeit, Scherkräfte, Siegelnahtfestigkeit, Haftfestigkeit, Durchstoßfestigkeit, Elastizität, Temperaturspannung oder Druckfestigkeit geprüft. Zusätzlich müssen einige Komponenten Funktionsprüfungen bestehen wie z.B. Scherkräfte an Terminals oder Durchstoßfestigkeiten von Sicherheitsventilen von prismatischen Zellen oder einfache Überprüfung der Festigkeit der Schweißnähte von Ableitern.
- Eine Lithium-Ionen Zelle muss in ihrem Leistungszyklus verstanden werden. Dabei spielt das Erfassen der mechanischen Zellverformung durch Aufblähen (Swelling) beim Ladevorgang eine wichtige Rolle für die Auslegung des Batteriezellen-Umfeldes. Weitere Herausforderungen: Temperaturbeständigkeit über einen breiten Temperaturbereich (-40 °C bis +120 °C), Widerstand gegen Vibrationen, zyklische Belastungen sowie Alterungsprozessen durch elektrochemische Einflüsse.
