Wasserstofftechnologien: Elektrolyseure, Brennstoffzellen und Speicher für nachhaltige Energie und Mobilität

Fertigungskosten und Stückpreise senken

Elektrolyseure und Brennstoffzellen und damit die Wasserstoffproduktion und Nutzung sind im Vergleich zu Verbrennungsmotoren und fossilen Brennstoffen noch zu teuer. Gelingt es, die Fertigungsprozesse der Komponenten zu automatisieren und in eine Serienfertigung zu überführen, können die Stückpreise der Brennstoffzellen und Elektrolyseure gesenkt und darüber hinaus ein steigender Bedarf gestillt werden.

Transport und Lagerung sicher gestalten

Auch die erforderliche Infrastruktur für den Transport und die Lagerung von Wasserstoff ist noch nicht flächendeckend vorhanden. Darüber hinaus birgt Wasserstoff ein hohes Explosionsrisiko – eine Herausforderung für die sichere Handhabung und Lagerung. Hier setzen wir mit Wasserstoffdrucktanks aus Faserverbundkunststoffen an, die trotz des geringen Eigengewichts enormem Druck standhalten und korrosionsbeständig sind.

Produktionstechnik für effiziente Energieumwandlung entwickeln

Die Effizienz von Wasserstofftechnologien ist im Vergleich zu anderen Energiequellen noch zu niedrig, um sie kostendeckend und wirtschaftlich überall einsetzen zu können. Daher entwickeln wir gemeinsam mit unseren Partnern aus Industrie und Forschung Komponenten und die Verfahren zu ihrer Herstellung mit Hochdruck weiter. Die immer neuen produktionstechnischen Fragestellungen, die sich daraus hinsichtlich neuer Materialen und einer präzisen Fertigung ergeben, beantworten wir mit Prozessverständnis und unseren Kenntnissen im Sondermaschinenbau.

Sicherheitsstandards durch lückenlose Dokumentation der Fertigungsprozesse gewährleisten

Besonders in der Luftfahrt unterliegen alle Komponenten ausgesprochen hohen Sicherheitsstandards. Eine lückenlose Dokumentation der Fertigung können wir durch den Einsatz digitaler Zwillinge erreichen.

Mit Fertigungsdaten Nachhaltigkeit und Qualität verbessern

Um Wasserstoff zu einer nachhaltigen und dennoch wirtschaftlichen Alternative für das Transportwesen und die Energieversorgung weiterzuentwickeln, setzen wir auf die Digitalisierung der Produktion. Indem wir Fertigungsschritte simulieren, Prozessdaten speichern und auswerten, optimieren wir die Produktion und können so den Materialeinsatz verringern, Ausschuss minimieren und die Qualität der Produkte verbessern.

Herstellen, speichern und nutzen – Wasserstofftechnologien für nachhaltige Energie

Die Produktion ist ein wichtiger Befähiger der Energiewende: Erst, wenn es gelingt, die Herstellungsprozesse für die Komponenten und Systeme in großen Stückzahlen herzustellen, wird sich Wasserstoff als erneuerbarer Energielieferant für Gesellschaft und Industrie vollständig beweisen können. Das Fraunhofer IPT arbeitet gemeinsam mit seinen Partnern mit Hochdruck daran, Prozesse, Systeme und Anlagen bereitzustellen und in Betrieb zu nehmen.

Druckbehälter aus faserverstärkten Kunststoffen

In automatisierten Systemen und Prozessen fertigen und recyceln wir Wasserstoff-Druckbehälter aus faserverstärkten Kunststoffen.

Serientauglich Brennstoffzellen fertigen

Wir automatisieren die Fertigung und schaffen ganzheitliche Konzepte für die Großserienherstellung von Brennstoffzellen.

Elektrolyseure für grünen Wasserstoff

Unser Ziel sind großserientaugliche und skalierbare Fertigungsprozesse, um nachhaltig und kostengünstig Elektrolyse-Komponenten zu fertigen.

Erfolgreich in der Industrie umgesetzt

Maschinenentwicklung für die Produktion von Festkörperzellen für den Automobilbereich

 

Ziele

  • Entwicklung, Montage und Inbetriebnahme einer Sondermaschine für die Produktion von Festkörperzellen (engl. all-solid-state battery, ASSB) für die automobile Anwendung
  • Produktion von ASSB-Zellen in kleinem Maßstab

Vorgehen

  • Anforderungsanalyse: Zell-Randbedingungen, Umgebungs-Randbedingungen, Szenario-Definition, Prozess-Definition, Schnittstellen-Definition
  • Rolle-zu-Rolle-Konzept (R2R): Bahnführung, Spanneinheit, Ausrichtungseinheit, Sensoreinheiten, Prozesseinheiten, Mikroumgebung
  • Konzept für die Steuerung der R2R-Maschine
  • Mechanische Definition der R2R-Module, elektrische Definition der R2R-Module
  • Konstruktion der Sondermaschine, Bestellung von Komponenten und Bauteilen, Montage
  • Programmierung und Implementierung der Steuerung, Digitalisierung der relevanten Prozessparameter, Graphical User Interface
  • Anfahren und Inbetriebnahme, Zertifizierung und erste Prozessversuche

Ergebnisse

  • Sondermaschine für ASSB-Produktion in Betrieb genommen und versandt
  • Erste Prozessversuche für ASSB-Zellen

Referenz

Automobil-OEM, 2023

Technologiestudie: Trockenbeschichtung für die Zellherstellung

 

Ziele

  • Identifikation unterschiedlicher Technologien zur Trockenbeschichtung
  • Analyse von Technologiealternativen und Empfehlung von Schwerpunkttechnologien zur weiteren Prüfung
  • Kontaktaufbau in Industrie und Forschung
  • Training On-the-Job für einen projektbeteiligten Mitarbeiter des Kunden

Vorgehen

  • Erfassung der Ausgangssituation einschließlich bekannter und gewünschter Technologien, Definition der Anforderungen an die Technologien
  • Analyse verschiedener Trockenbeschichtungstechnologien: Eckdaten, Erstbewertung, Anbieter-Screening
  • Auswahl von drei Technologien für die Empfehlung des weiteren Vorgehens

Ergebnisse

  • Beschreibung von 15 Technologien in den vier Clustern »Pulverbeschichtung«, »Direktkalandrierung«, »Extrusion« und »Andere«
  • Branchenkarte: Hersteller von Trockenbeschichtungsanlagen und Komponenten

Referenz

Zellhersteller, 2022

Zukünftige Batteriezelltechnologien – Überblick und Analyse

 

Ziele

  • Technologieübersicht und Charakterisierung zukünftiger Batteriezellen
  • Analyse wichtiger zukünftiger Batteriezelltechnologien
  • Abschätzung der erforderlichen Produktionsprozesse, des Equipments und der Lieferanten im Vergleich zu aktuellen Batteriezelltechnologien

Vorgehen

  • Erstellung einer Übersicht über aktuelle und zukünftige Batteriezelltechnologien und ihren Entwicklungsstand unter Berücksichtigung neuester Forschungsergebnisse
  • Untersuchung der Vor- und Nachteile der Batteriezelltechnologien im Vergleich zum Stand der Technik sowie Ermittlung relevanter Akteure in Forschung und Industrie
  • Detaillierte Beschreibungen und technologische Konzepte für ausgewählte Batteriezelltechnologien einschließlich technischer Parameter für gewünschte Anwendungen
  • Analyse der Produktionsprozesse für die Zelltechnologien im Vergleich zu aktuellen Prozessen der Lithium-Ionen-Batterieproduktion einschließlich TRLs und MRLs

Ergebnisse

  • Breiter Überblick über Produkttechnologien
  • Detaillierte Profile der zukunftsrelevanten Batteriezelltechnologien

Referenz

Automobilindustrie, 2021

Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Brennstoffzellen setzen sich aus einer Vielzahl an Einzelzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff zusammen. Die dafür benötigten Bipolarplatten müssen in hoher Stückzahl produziert werden, um die exponentiell wachsende Nachfrage in den kommenden Jahren für die Wasserstofftechnologie decken zu können. Das Fraunhofer IPT arbeitet an Technologien, die ein Upscaling für die Hochvolumenproduktion ermöglichen.

Anwendungsfelder für Wasserstofftechnologien

 

Automobilindustrie

Elektrifizierung, Digitalisierung und Automatisierung sind die drei wichtigsten Treiber der Mobilitätswende. Die Katalysatoren für diese Entwicklungen sind globale Trends wie die Urbanisierung, Ressourcenknappheit, klimapolitische Vorgaben und die Energiewende.

 

Luftfahrt

Die Entwicklung optimaler Produktionsprozesse für die Luftfahrt erfordert ein umfassendes Verständnis für das Bauteil im Betrieb und ein breites Spektrum an Fertigungstechnologien für die ideale Fertigungskette.

 

Energie

Die Energie- und Mobilitätswende wird sich auf alle Industriezweige auswirken – nicht nur auf die Automobilindustrie und weitere Anwendungsfelder der E-Mobilität, sondern auch auf die Gebäudetechnik oder Consumerprodukte.