Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTAachener Produktionstechniker laden ein zur Diskussion über die Zukunft der Wasserstofftechnologien
Wasserstoff gilt heute als vielversprechender Energieträger, um CO2-Emissionen in Industrie und Verkehr zu senken und so die Energiewende und den Klimaschutz einen entscheidenden Schritt voran zu bringen. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT hat deshalb jetzt zwei Diskussionspapiere über Wasserstofftechnologien und Energiespeichersysteme für die Mobilität der Zukunft veröffentlicht: Die Aachener Forscher möchten damit in das Gespräch mit der Industrie einsteigen, wie sich eine industriell skalierbare Herstellung von Brennstoffzellen auf den Weg bringen lässt. Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Fertigungsindustrie erhalten mit den beiden »Discussion Papers« eine komprimierte Faktensammlung über Energiespeicher und den Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft. Beide Broschüren liegen in englischer Sprache vor und stehen kostenlos als PDF auf der Webseite des Fraunhofer IPT zum Download bereit.
Der zunehmende Einsatz erneuerbarer Energien konzentriert sich stark auf die Stromerzeugung und fordert daher von der Industrie eine schnelle Entwicklung neuer Energiespeicher- und Antriebstechnologien. Politik und Industrie haben diesen Trend erkannt und bereits im Juni 2020 in der Nationalen Wasserstoffstrategie die Eckpunkte für eine konsequente Weiterentwicklung dieser entsprechenden Technologien festgelegt.
Mit den beiden jüngst erschienenen Discussion Papers »Future Energy Storage Systems for Mobility Applications« und »The Relevance of Fuel Cells for Mobility Applications« liefert das Fraunhofer IPT einen detaillierten Überblick über aktuelle Speichertechnologien, ihre Funktionsprinzipien, Designs, Marktpotenziale und Herstellungsverfahren. Für produzierende Unternehmen haben die Aachener Wissenschaftler die wichtigsten Erkenntnisse ihrer bisherigen Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu den Wasserstofftechnologien sowie umfassende Marktanalysen kompakt zusammengefasst. Das nun vorliegende Kompendium soll die Unternehmen dabei unterstützen, gezielt Entscheidungen zur strategischen Ausrichtung und für Investitionen in die unterschiedlichen Zweige der Wasserstoffwirtschaft zu treffen.
Teil 1: Future Energy Storage Systems for Mobility Applications
Der erste Teil der Untersuchung bietet einen Überblick über die wichtigsten Energiespeicher-Technologien wie Brennstoffzellen, Lithium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien sowie Superkondensatoren. Unter allen bewerteten Brennstoffzellen-Technologien zeigt dabei die PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane, deutsch: Protonen-Austausch-Membran) aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur und der hohen Leistungsdichte das höchste Potenzial für den Einsatz in Nutzfahrzeugen.
Als zentrale Komponenten des Brennstoffzellen-Stacks betrachten die Aachener Forscher vor allem die Membran-Elektroden-Einheit, in der die chemischen Reaktionen ablaufen, und die Bipolarplatte. Für die Herstellung dieser Bauteile bestehen heute noch einige technische Hürden, die zu hohen Produktionskosten führen. So ist es beispielsweise erforderlich, die Materialien beider Komponenten vor Alterung zu schützen, die während der Verwendung der Brennstoffzelle schleichend voranschreitet. Fertigungskosten lassen sich zukünftig vor allem durch Skalierung der Produktionsmengen und durch Fortschritte in den Fertigungstechnologien senken.
Teil 2: The Relevance of Fuel Cells for Mobility Applications
Teil 2 der Analyse des Fraunhofer IPT befasst sich damit, geeignete Anwendungsfelder für Brennstoffzellen aufzudecken, die sich besonders gut zur Skalierung der Produktion eignen. So könne es gelingen, anfänglich hohe Investitionen abzufangen und erste vielversprechende Märkte mit Wasserstofftechnologien zu erschließen, um Folgeentwicklungen auf den Weg zu bringen, schlagen die Aachener Experten vor. Besonders Nutzfahrzeuge berge ein großes Potenzial für den Einsatz von Brennstoffzellen.
Unternehmen, die in die Technologie einsteigen wollen, sollten bei der Markteinschätzung vor allem berücksichtigen, welche Infrastruktur für die Betankung der Fahrzeuge vorgesehen werden kann, so die Forscher. Aber auch das Zelldesign könne die Skalierbarkeit der Produktion stark beeinflussen. Transparenz hinsichtlich der möglichen Produktionstechnologien – und damit der entstehenden Kosten – zu schaffen, sei vorrangiges Ziel für eine effiziente Fertigung.
Das Discussion Paper vergleicht zu diesem Zweck exemplarisch verschiedene Prozesslinien und beleuchtet die Vor- und Nachteile in Bezug auf Kosten, Qualität und tatsächliche Umsetzbarkeit. Um die Daten zu validieren, die der Untersuchung zugrunde liegen, nutzten die Aachener Ingenieure eine eigens am Fraunhofer IPT aufgebaute Referenzproduktionslinie, die die Prozessschritte Prägen, Trennen und Laserschweißen als wichtige technische Verfahren der Bipolarplattenproduktion bereits umfasst.
Markteinstieg erfordert Entwicklungsarbeiten für die Serienproduktion
»Die aktuellen Fortschritte in der Produktionstechnik und Marktentwicklungen zu erkennen und aufzugreifen, sollte vorrangiges Ziel aller Unternehmen sein, die jetzt erfolgreich in die Brennstoffzellentechnologie einsteigen wollen«, erklärt Carolin Hamm, die die Projektleitung für den zweiten Teil der beiden Diskussionspapiere gemeinsam mit Paul Scholz verantwortete. Das Design der Energiespeicher müsse genau an den gewählten Anwendungsfall angepasst sein, jedoch habe dies regelmäßig große Auswirkungen auf die Produktionskette. Deshalb sei es unerlässlich die Verbesserungen und Erweiterungen der Produktionstechnologien laufend mit den Anforderungen der nachgefragten Komponenten zu synchronisieren.
»Noch haben Brennstoffzellen und ihre Produktionstechnologien nicht die technologische und wirtschaftliche Reife erreicht, die für eine industrielle Serienfertigung gefordert sind«, ergänzt Clemens Müller, Geschäftsfeldleiter Energiespeicher am Fraunhofer IPT. »Um die neuen Speichersysteme in Deutschland und Europa wettbewerbsfähig zu produzieren, müssen wir nun schnell Lösungen entwickeln, die den Übergang von der oft noch manuellen Fertigung in die Großserie unterstützen.«
H2-Forum: Anknüpfungspunkt zur Diskussion über die Wasserstoff-Produktion
Mit den beiden Diskussionspapieren, die ab sofort kostenlos unter https://s.fhg.de/brennstoffzellen zum Download bereitstehen, möchten die Fraunhofer-Forscher nun konkrete Entwicklungen in der Industrie anregen. Eine erste Gelegenheit, mit den Experten des Instituts zu diesem Thema ins Gespräch einzusteigen, bietet sich während des H2-Forums am 27. und 28. April 2021, an dem das Fraunhofer IPT als Aussteller und mit einem Fachvortrag teilnimmt.
Download der beiden Discussion Paper
https://s.fhg.de/brennstoffzellen
H2 Forum
Virtuelle Konferenz, 27. und 28. April 2021