Wasserstoffforschung an der TU Darmstadt

Die TU Darmstadt verfügt über eine breite Kompetenz im Bereich Wasserstoff. Viele Arbeitsgruppen befassen sich mit Fragen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Wasserstoff bekommt […] eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung und Vollendung der Energiewende

aus „Die Nationale Wasserstoffstrategie“, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Juni 2020

Die Forschung und Entwicklung der Wasserstofftechnologie spielt in all ihren Facetten entlang der Wertschöpfungskette Erzeugung, Speicherung, Infrastruktur, Verwendung, Logistik und den Querschnittsthemen Politik und Gesellschaft eine bedeutende Rolle an der Technische Universität Darmstadt. Hierbei wird die Brücke von der Grundlagenforschung bis zur technischen Forschung und den Transfer in Firmenkooperationen geschlagen. Diese breite Expertise biete die Möglichkeit der ganzheitlichen Betrachtung aber auch der kurzen Wege zur interdisziplinären Forschung und Entwicklung und trägt die TU zur Entwicklung zukünftige Energiesysteme und der Dekarbonisierung der Industrie bei.

Kooperationen

Gerne arbeiten wir mit Ihnen an neuen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Bereich Wasserstoff, z. B. im Rahmen von geförderten Verbundprojekten oder bilateralen Projekten. Die passenden Ansprechpartner*innen für verschiedene Themen, Expertisen und Methoden können Sie auf diesem Internetauftritt finden.

Wir freuen uns darauf, mit Ihnen in Kontakt zu kommen und die Forschung und Entwicklung im Bereich Wasserstoff zu diskutieren.

Forschungsgruppen

Die TU Darmstadt verfügt über eine breite Kompetenz im Bereich Wasserstoff. Viele Arbeitsgruppen befassen sich mit Fragen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Forschungsfokus

  • Antriebstechnik für Elektro- und Hybridautos sowie Bahnantriebe mit hohen Wirkungsgraden unter Berücksichtigung von Redundanz
  • Elektrische Maschinen für regenerative Energien, z.B. Windkraftgeneratoren, Supraleitende Generatoren
  • Hochtourige Drehstromantriebe / magnetisch gelagerte Antriebe und lagerlose Motoren, Einsatzgebiet: Kompressoren, Blutpumpen, Spindelantriebe
  • Wechselwirkung Frequenzumrichter – Elektrische Maschine, Untersuchung von Lagerschädigungen aufgrund Stromdurchgängen
  • Industrieantriebe mit hoher Drehmomentdichte und hohem Wirkungsgrad bei geringem Drehmomentrippel

Kompetenzen und Methoden

  • • Vermessung von elektrischen Maschinen hinsichtlich Wirkungsgrad, Drehmomentrippel, Verlustbilanz
  • Messtechnische und theoretische Untersuchung von Stromdurchgängen in mechanischen Lagern
  • Elektromagnetische, thermische und strukturmechanische Analyse elektrischer Maschinen mithilfe von Analytik und Simulation(Software zur Anwendung der zwei-/dreidimensionalen Finite-Elemente-Methode)

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Institut für Elektrische Energiewandlung

Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

Forschungsfokus

  • Mehrere Motorprüfstände mit Selbstzündern als auch fremdgezündeten Konzepten, sowie eigener Brennstoffzellenprüfstand bis 160 kW im Aufbau
  • Durchgängige Toolkette von Simulation über Prüfstandmessungen bis Fahrzeugmessungen
  • Weltweit erstes auf Betrieb mit E-Fuels umgerüstetes Serienfahrzeug
  • Betriebsstrategieentwicklung für Brennstoffzellenfahrzeuge und den Betrieb mit E-Fuels

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Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe

Fachbereich Maschinenbau

Forschungskompetenz

  • Materialcharakterisierung
  • Festkörper-NMR
  • In-situ NMR
  • Hyperpolarization

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Physikalische Chemie der kondensierten Materie

Fachbereich Chemie

Forschungsfokus

Die Forschung am EST umfasst verschiedene Themengebiete der Energietechnik und Erzeugung von Wasserstoff und anderen chemischen Grund- und Brennstoffen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung, der Optimierung und dem Scale-up verschiedener Verfahren zur nachhaltigen Energiebereitstellung sowie der Entwicklung entsprechender Messtechnik zur quantitativen Beurteilung dieser Verfahren.

Nachhaltige Energiebereitstellung definiert sich hierbei über die zielführende Dekarbonisierung bei gleichzeitiger Reduktion von Schadstoffemissionen des Energiesektors, sowie der Steigerung der Versorgungssicherheit und der Wirtschaftlichkeit eingesetzter Verfahren.

Zum Erreichen dieser Ziele gliedert sich die Forschung am EST in die drei Bereiche „Vergasung & Innovative Energiewandlungsprozesse“, „CO₂-Abscheidung“, sowie „Kraftwerks- und Wirbelschichttechnik“, wobei diese sich im Rahmen einer Vielzahl an Forschungsprojekten überschneiden und mitunter gegenseitig ergänzen.

Methoden

Die verwendeten Methoden umfassen sowohl numerische Ansätze, u.a. Prozesssimulation und CFD, als auch experimentelle Untersuchungen. Hervorzuheben hierbei ist die im universitären Maßstab weltweit einzigartige 1 MWth Pilotanlage, die bereits für die Untersuchung vielfältiger Verfahren unter industrienahen Bedingungen verwendet wurde.

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Fachgebiet Energiesysteme und Energietechnik

Fachbereich Maschinenbau

Forschungsfokus

Die Forschung im AK Etzold beschäftigt sich mit den Herausforderungen durch den Wechsel hin zu einer nachhaltigen Energie- und Rohstoffversorgung. Aus dem Blickwinkel der technischen Chemie wird ein multidisziplinärer Ansatz verfolgt, um wissenschaftliche Lösungen für das komplexe Zusammenspiel von katalytischen Materialien mit dem gesamten Prozess oder System zu erarbeiten. Der wissenschaftliche Ansatz nutz hierfür Experimente mit steigender Komplexität, welche es erlauben Prozessbedingungen von stark idealisiert bis zu technisch realistisch zu untersuchen. Simulationen nach Ansätzen der chemischen Reaktionstechnik geben quantitative Einblicke in das komplexe Zusammenspiel von Stoff- und Wärmetransport, was einen ganzheitlichen Blick auf das Problem ermöglicht. Für chemische Analgen wird die Prozesssimulation inklusive Aufreinigungsschritten und der Wärmeintegration genutzt, um dein Einfluss von Katalysator und Prozessbedingungen auf die Gesamtwirtschaftlichkeit zu erhalten. Da eine zukünftige, nachhaltige chemische Industrie und Energieversorgung eine optimale Interaktion von elektrochemischen und heterogen katalysierten Prozessen bedingt, werden beide Arten im AK Etzold betrachtet. Basierend auf dieser Strategie kann die Forschung in folgende drei eng verwobenen Untergruppen unterteilt werden: Advanced Catalytic Materials – Electrochemical Energy Conversion Processes – Heterogeneous Catalysis and Processes.

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Fachgebiet Technische Chemie 1

Fachbereich Chemie

Forschungsfokus

  • Wasserstoffverflüssigung durch magnetische Kühlung (energieeffizient, Kühlmittel ohne Treibhausgaspotential,..)
  • Wasserstoffspeicherung im Festkörper (Metallhydride, Mg-Hydride, Komplexe Hydride)
  • Wasserstoff in intermetallischen Phasen (Grundlagen, Wasserstoffversprödung, Disproportionierung, H_Reinigung, Herstellung von ultrafeinkörnigen Gefügen)
  • Separation und Recycling von Seltenerddauermagneten durch Wasserstoffabsorption und Desorption
  • Wasserstoff als Sensor und „Werkzeug“ für die Einstellung der magnetischen und elektronischen Eigenschaften von Metallen und intermetallischen Phasen
  • Reduktion von Metalloxidnanopartikeln durch Wasserstoff (400bar / 400°C)

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Fachgebiet Funktionale Materialien

Fachbereich Materialwissenschaften

Forschungsfokus

Für die Nutzung des Energieträgers Wasserstoff stehen elektrochemische (z.B. Brennstoffzelle) und thermochemische (z.B. H2-Gasturbine) Konversionsmethoden im Fokus. Das Fachgebiet STFS konzentriert sich auf letzteres: die thermo-chemischen Konversionsprozesse fester, flüssiger und gasförmiger Energieträger. Hierbei spielen gasförmige chemisch-reaktive Strömungen eine zentrale Rolle, welche unter Umständen mit Flüssigkeiten (z.B. Sprays, Wandfilme) und Feststoffen (z.B. Pyrolyse von Biomassepartikeln, heterogene Katalyse) interagieren. Diese chemisch-reaktiven Strömungen werden am Fachgebiet STFS analysiert, modelliert und mit Hilfe von Hochleistungsrechnern simuliert. Wie im schematischen Bild dargestellt, erfordert dies einen Interdisziplinären Ansatz, welcher eng mit den Grundlagen der (Technischen) Chemie, Mathematik und Informatik verbunden, aber im Maschinenbau beheimatet ist.

Zu folgenden Wasserstoff-Themen Ihres Projektes kann das Fachgebiet STFS einen Beitrag leisten:

  • Thermo-chemische Konversion von Wasserstoff
  • Thermo-chemische Konversion gasförmiger Energieträger (z.B. Erdgas) mit variabler Wasserstoffbeimischung
  • Einsatz von Wasserstoff zur Herstellung
  • CO2-neutraler Kraftstoffalternativen oder konventioneller Kraftstoffe
  • Stabilitätsanalysen von H2-Magerbrennverfahren (thermo-diffusive Instabilitäten, Thermoakustik)
  • Modellierung der H2-Direktreduktion von Metalloxiden (z.B. in der Stahlherstellung)

Weitere Projektideen rund um die thermo-chemische Konversion von Wasserstoff sind denkbar. Kontaktieren Sie uns unter:

Fachgebiet Simulation reaktiver Thermo-Fluid Systeme

Fachbereich Maschinenbau

Prof. Dr.-Ing. Christian Hasse

Dr.-Ing. Arne Scholtissek

Forschungsfokus

Die Mission des Fachgebiets Oberflächenforschung an der TU Darmstadt ist das Grundlagenwissen von chemischen und physikalischen Prozessen und deren Dynamik an Grenz- und Oberflächen von Materialien zur Energiewandlung und -speicherung zu erweitern.

Die Gruppe verwendet hierzu anspruchsvolle Methoden der Oberflächenanalytik mit dem Ziel, Grenzflächen zeit- und ortsaufgelöst mit hoher chemischer Spezifizität zu vermessen und so chemische Prozesse des Ladungs- und Stofftransfers besser verstehen zu lernen.

Wir betreiben integrierte Ultrahochvakuum-Systeme, die verschiedene Oberflächenanalytikmethoden wie Photoelektronenspektroskopie (XPS, UPS), Rastersondenmikroskopie (STM, AFM), Schwingungsspektroskopie (FTIR, HREELS) und Elektronenbeugung mit der Präparation von Dünnschichtmodellsystemen (Kathodenstrahlzerstäubung, thermische Verdampfung, close-space-sublimation, Atomlagenanscheidung) kombinieren. Neben Untersuchungen unter wohldefinierten Bedingungen werden Proben auch unter realistischen Betriebsbedingungen (in-situ/operando) mit modernen Synchrotronspektroskopie und -beugungsmethoden vermessen.

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Fachgebiet Oberflächenforschung

Fachbereich Material- und Geowissenschaften

Forschungsfokus

Governance der Wasserstoffstrategie

  • Glaubwürdiges Engagement des Staates: Infrastrukturentwicklung
  • Stabilisierung der Erwartungen: mittel- und langfristiger Plan zur Marktintegration
  • Bewältigung von mehrstufiger Komplexität

Kompetenzen und Methoden

  • Inhaltsanalyse, semi-strukturierte Experteninterviews

Forschungsfragen und Themen

  • Ist die Governance der Wasserstoffstrategie geeignet, Koordinationsprobleme, z.B. politische Blockaden, zu verhindern?
  • Vertikale Integration der Bundesländer und Kommunen. Wie können die Behörden einbezogen werden?
  • Integration von Wasserstoff in den europäischen Green Deal
  • Wasserstoffpartnerschaften, ein neues Thema in der Außenwirtschaftspolitik zwischen wirtschaftlichen Perspektiven und Nachhaltigkeitsforderungen.

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Vergleich politischer Systeme und europäische Integrationsforschung

Institut für Politikwissenschaften

Fachbereich Gesellschafts- und Geschichtswissenschaften

Forschungsfokus

Our research focusses on the development of non-precious metal catalysts for energy applications like proton exchange fuel cells, solar fuels applications or metal air batteries. Based on structure activity and structure stability correlations we work continuously on improving the materials.

A strong emphasis is given on MeNC catalysts and in specific FeNC catalysts that we characterize beside others by in situ Mössbauer spectroscopy.

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Fachgebiet Katalysatoren und Elektrokatalysatoren

Fachbereich Chemie

Fachbereich Material- und Geowissenschaften

Forschungsfokus

  • Expertise u.a. in thermischer, elektrochemischer und photochemischer Stickstoffaktivierung, Wasseroxidation und Sauerstoffreduktion
  • Speicherung von Wasserstoff in Folgeprodukten wie Ammoniak und Kohlenwasserstoffen
  • Vorhersage von Katalysatoreigenschaften mittels computergestützter Chemie und theoretischer Spektroskopie
  • Berechnung von thermodynamischen und kinetischen Profilen von Katalysatoren inkl. gezielter Optimierung
  • Computergestützte Chemie und Quantenchemie mit Einzel- und Multireferenzmethoden; Vorhersage und Analyse von Elektronenstrukturen in Übergangsmetallkomplexen

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Fachgebiet Theoretische Chemie

Fachbereich Chemie

Forschungsfokus

  • Brennstoffzellen
  • Elektrolyse
  • Nanopartikel
  • Elektrochemische Charaktiersierung
  • CO2 Reduktion

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Fachgebiet Elektrochemie

Fachbereich Chemie

Forschungsfokus

  • Molekulare Simulation, molecular simulation
  • Gasadsorption in Kohlenstoffmaterialien, z.B. Kohlenstoffnanoröhren, gas adsorption in carbon materials, e.g. carbon nanotubes
  • Gastrennung mit Polymermembranen, gas separation with polymer membranes

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Fachgebiet Theoretische Physikalische Chemie

Fachbereich Chemie

Forschungsfokus Korrosion

  • Systematische Analyse der Umgebungseinflüsse auf die umweltbedingte H-SpRK im Zusammenhang mit der H-Entwicklung, -Aufnahme und -Effusion
  • Verständnis um das Wasserstoff-Absorptions- und Einlagerungsverhalten und der resultierenden Auswirkungen auf die wasserstoffbedingten Schädigungsmechanismen hochfester Stähle unter Berücksichtigung von Werkstoffzustand sowie unter gleichzeitiger Einwirkung mechanischer Beanspruchungen
  • Entwicklung von Prüfverfahren

Forschungsfokus Mobilität

  • Prüfmethodenentwicklung zur Qualifikation kompatibler Werkstoffe in Kühlmedien sowie E-Fuels
  • Mittels Auslagerungsversuchen und Durchflussprüfständen (Brennstoffzellen-Emulator) kann das Beanspruchungskollektiv vollumfänglich abgebildet werden (thermisch, elektrisch, strömungsdynamisch)

Methoden

  • Wasserstoffgehaltsbestimmung (Yanaco Sammler, TDA)
  • Lastsimultane und –lose H-Permeationszellen (Technik nach Devanathan und Stachursky)
  • Versuchstechnik zur H-Be- und Entladung
  • Lastsimultane Elektrochemie (SpRK/SwRK)
  • Diverse Verspannprüfstände zur Untersuchung des Effekts von korrosions- und fertigungsbedingten Wasserstoff auf die ertragbare Last (CLT, SLT, SSRT)
  • Autoklaven für Auslagerungsversuche in modernen wasserstoffhaltigen Kraftstoffen
  • • Durchflussprüfstände (Brennstoffzellen-Emulator)

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Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW) und Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (MPA)

Fachbereich Maschinenbau

Forschungsfokus

  • Technologieoffene Bewertung des ökologischen Impacts und Potentials verschiedener elektrifizierter Antriebskonzepte (u.a. Plug-in-Hybride, Brennstoffzellen-Antriebe, Elektroantriebe)
  • Optimierung der Antriebs- und Brennstoffzellendimensionierung hinsichtlich minimalem Energiebedarf und minimaler Umweltbelastung
  • Entwicklung von lokal-optimalen Betriebsstrategien für Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge
  • Anwendung im Pkw- und Nfz-Bereich
  • Antriebsoptimierung auf Basis von Realfahrt-Daten

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Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau (IMS)

Fachbereich Maschinenbau

Forschungsfokus

  • Heterogene Katalyse
  • Transformation erneuerbarer Rohstoffe (biobasierte Plattformchemikalien und CO2) für eine nachhaltige chemische Produktion
  • Poröse und funktionelle Materialien als innovative Katalysatoren, Adsorbentien und Membranmaterialien

Kompetenzen

  • Katalysatorpräparation und -charakterisierung
  • Reaktionstechnik
  • Kinetische und mechanistische Untersuchungen (Experiment & Modellierung)

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Fachgebiet Technische Chemie II

Fachbereich Chemie

Introduction

Renewable energies have fluctuations during day period (solar energy) and seasonal period (wind power). One proposed way to stabilize these fluctuations and secure the energy supply is to use the surplus electricity to produce hydrogen through water electrolysis. However, this viable methodology requires storage infrastructures for high amount of hydrogen. Underground storage is a very attractive storing option, because of its’ special characteristics. Based on the resulting estimation from HyUnder project*, Germany needs at least the equivalent storage capacity of 74 salt caverns to store the surplus of renewable energy sources as the hydrogen until 2050. However, detailed investigation of the salt caverns’ distribution shows that they are mainly available in the northern part of the Germany. In other side, storage formations should be close to the consumption points to reduce the costs and safety risks. To overcome this problem, we are proposing saline aquifers as a good candidate for hydrogen storage.

  • Unique potentials of Institute of Geothermal Science and Technology toward hydrogen storage

Hopefully, our solid background in underground fluid flow would help us to examine this process in details. Our capabilities are listed as below:

  • Analyzing the candidate aquifers (economical and safety aspects)
  • Estimation of the capacity of storage sites
  • THMC modeling of the involved processes
  • Planning and optimization of the injection and withdrawal flowrates
  • Proposing the geophysical methods to track stored gas phase
  • Safety analysis from environmental and infrastructure maintenance aspects Proposing remediation for the possible field scale problems

*HyUnder, “Assessment of the Potential, the Actors and Relevant Business Cases for Large Scale and Long Term Storage of Renewable Electricity by Hydrogen Underground Storage in Europe”, Executive Summary (2014)

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Fachgebiet Angewandte Geothermie

Teilfachbereich Angewandte Geowissenschaften

Forschungsfokus

Die Verringerung des Rohstoff- und Energieverbrauchs ist eine wesentliche Voraussetzung für eine globale nachhaltige Entwicklung. Das Fachgebiet Stoffstrommanagement und Ressourcenwirtschaft trägt mit seiner Expertise dazu bei, Lösungsansätze für konkrete Fragestellungen im Kontext von Ressourcen- und Energieeffizienz zu finden: Wir nutzen systemanalytische Methoden, insbesondere Life Cycle Assessment (Ökobilanzen) und Material Flow Analysis (Stoffstromanalyse). Wir erarbeiten Szenarien und Modelle, entwickeln chemisch-analytische Methoden und arbeiten experimentell an der Entwicklung neuer Verfahren und Konzepte im Bereich Kreislaufwirtschaft. Unsere aktuellen Forschungsthemen liegen in den Bereichen neue Energietechnologien, Ressourceneffizienz in der Produktion, Urban Mining, Bioökonomie und Mikroplastik.

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Fachgebiet Stoffstrommanagement und Ressourcenwirtschaft

Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen

Forschungsfokus

Die Forschungsinteressen des Fachgebiets Werkstofftechnik und Ressourcenmanagement liegen in der Anwendung von ausgefeilten und nachhaltigen Synthesetechniken. Dies beinhaltet die Verwendung von mikrowellen- und plasmabasierter sowie der „chimie douce“ Synthese zur Herstellung von (selbst-)regenerierenden Energiewandelmaterialien. Diese kommen bei thermoelektrischen, power-to-X und photo(elektro)katalytischen Anwendungen zum Einsatz. Parallel hierzu erarbeiten wir neuartige Recyclingkonzepte um die Materialien am Ende ihrer Lebenszeit direkt wieder in funktionale Präkursoren für die oben genannten Syntheseverfahren überführen zu können. Um diese Ziele schneller erreichen zu können sowie Prozesse auf einen höheren Technologie-Reifegrad (TRL) bringen zu können arbeiten wir intensiv mit dem ebenfalls von Prof. Weidenkaff geleiteten Fraunhofer IWKS zusammen.

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Fachgebiet Werkstofftechnik und Ressourcenmanagement

Fachbereich Material- und Geowissenschaften