Eine Trumpf-Mitarbeiterin nimmt eine geschweißte Bipolarplatte in Augenschein. Die Herausforderung ist es, die hauchdünnen Metallplatten mit einer feinen Schweißnaht perfekt zu fertigen - denn bereits kleinste Fehler können ein komplettes Brennstoffzellenstack unbrauchbar machen. (Bild: Trumpf Gruppe)
Um Stacks für Brennstoffzellen herzustellen, benötigt es hochanspruchsvolle Fertigungstechnologien wie den Laser. Trumpf sieht sich gerüstet, diesen Job zu erledigen - wobei es auch noch eine Menge Herausforderungen sowie Verbesserungsmöglichkeiten gibt.
Autokonzerne hätten ihre Strategie längst auf die Elektromobilität ausgerichtet, so die Wahrnehmung von Dr. Christian Schmitz, Mitglied des Vorstands und CEO Lasertechnik Trumpf SE + Co. KG. Doch bei Lkw und Bussen ließen sich große Reichweiten mit Batterien allein kaum erreichen, ohne große Einschränkungen in der Zuladung in Kauf zu nehmen. Es könnte also in Zukunft schwer werden, die immer härteren Klima-Vorgaben in Deutschland und Europa zu erfüllen.
Wasserstoffantriebe ergänzen E-Mobilität
"Wasserstoffantriebe können die E-Mobilität dort ergänzen, wo batterie-elektrische Antriebe nur eingeschränkt Vorteile bieten. Brennstoffzellen spielen ihre Stärke vor allem im Schwerlastverkehr aus. Sie verschaffen den Fahrzeugen große Reichweiten, getankt wird fast so schnell wie beim Dieselmotor", erklärt Schmitz. So könnten beispielsweise in China im Jahr 2030 bereits mehr als eine Million Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf der Straße sein - laut Prognose der China Society of Automotive Engineers.
Um das weltweite Rennen um diese Technologie für das Autoland Deutschland zu entscheiden, benötige es aber auch Fertigungstechnologie made in Germany. Denn eine Herausforderung seien laut Schmitz die noch hohen Herstellungskosten der Fahrzeuge mit Brennstoffzelle.
Ohne hochanspruchsvolle Fertigungstechnologie und den Laser lassen sich diese hauchdünnen Metallplatten stand heute nicht wirtschaftlich herstellen.
Viel Erfahrung in Bezug auf Lasertechnologien in Deutschland
"China geht in der Brennstoffzellentechnologie derzeit definitiv voraus und investiert auch mehr – im Vergleich zur westlichen Welt. Allerdings holt der Westen gerade sehr schnell auf – aktuell pusht auch die Bundesregierung die Wasserstofftechnologie. Somit erwarte ich hier eine weitere Beschleunigung", glaubt Schmitz. Außerdem gebe es hierzulande eine große Erfahrung in Bezug auf Lasertechnologien, beispielsweise wie die Systeme in Produktionslinien integriert werden können. Für Deutschland gebe es demnach laut Schmitz definitiv einen Platz im weltweiten Wettbewerb um den Einsatz von Lasertechnologien.
Brennstoffzelle: Wichtige Rolle der deutschen Industrieausrüster
Deutsche Industrieausrüster spielten deswegen beim Thema Wasserstoff eine entscheidende Rolle, vor allem bei der Fertigung des Herzstücks einer Brennstoffzelle - dem sogenannten Stack, der aus vielen Bipolarplatten besteht: Diese wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in Strom um, der zum Antrieb für den E-Motor verwendet wird. Dabei entstehen keine Abgase, sondern nur Wasser und Wärme.
An dieser Stelle sieht Schmitz einen immensen Vorteil der Fertigung mittels Laser: "Ohne hochanspruchsvolle Fertigungstechnologie und den Laser lassen sich diese hauchdünnen Metallplatten Stand heute nicht wirtschaftlich herstellen." Denn das Schweißen der Bipolarplatten aus Edelstahl sei schwierig. "Wir sprechen hier von Feinschweißungen. Mit dem bloßen Auge sind sie kaum zu sehen. Die Schweißnaht muss perfekt sein, denn selbst kleinste Fehler wären fatal", betont Schmitz.
Denn Wasserstoff ist das kleinste Molekül der Welt, viel kleiner als Erdgas, und schlüpft durch jede Ritze. "Eine einzelne undichte Bipolarplatte kann ein komplettes Brennstoffzellenstack unbrauchbar machen. Es kommt hier beim Schweißen auf höchste Qualität an, was am besten mit dem Laser gelingt", unterstreicht Schmitz.
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Trumpf setzt Laser in der Fertigung von E-Auto-Batterien ein
Weil es für Trumpf mehr als 30 Anwendungen für den Laser in der Fertigung von E-Auto-Batterien gebe, bleibe die Batterie-basierte Elektromobilität für die Ditzinger auch weiterhin eine wichtige Branche. "Die Brennstoffzelle hingegen ist für uns ein Zukunftsthema. Wir sehen Potenzial vor allem im Schwerlastverkehr", erklärt Schmitz.
Viele Lkw-Hersteller seien gerade weltweit dabei Lastwagen mit Wasserstoffantrieb auf die Straße zu bringen oder haben es bereits getan. "Brennstoffzellen kommen jedoch nicht nur in Lkw, Bussen oder Autos zum Einsatz. Sie eignen sich auch für die Stromversorgung von Industrieanlagen und Wohnhäusern, in der Stahlproduktion, der Chemieindustrie sowie in der Luftfahrt", bemerkt Schmitz.
Johannes Bührle, Head of Mobililty Laser Technology bei Trumpf fügt hinzu: "Für die Brennstoffzelle gibt es mit dem Laser nur eine Schlüsselanwendung. Aber wir lernen durch diese einzelne Laser-Applikation auch für die nächste Generation der Batteriezellenfertigung dazu, da sich beide Technologien im Design in der Zukunft annähern werden. So entsteht auch ein Synergieeffekt." Laut Schmitz dürfe man nicht vergessen, dass es sich dabei um keine Volumenproduktion, sondern um eine Prototyp-Produktion handele.
Wir lernen durch die einzelne Laser-Applikation auch für die nächste Generation der Batteriezellenfertigung dazu, da sich beide Technologien im Design in der Zukunft annähern werden. So entsteht auch ein Synergieeffekt.
Herausforderungen beim Fügen der Bipolarplatten
Die Hersteller müssen auf einer sehr großen Fläche komplexe Geometrien mit extremer Genauigkeit schweißen. Komplexe Geometrie heißt, die Schweißnähte müssen extrem dünn und gleichzeitig absolut dicht sein. Die Qualitätsansprüche sind sehr hoch. Beim Fügen der Platten darf der Hersteller nur minimal Wärme in das Werkstück einbringen, ansonsten kann es zu Verzug kommen.
Diese Kombination an Anforderungen sorgt dafür, dass fast alle Fügeverfahren hierfür nicht infrage kommen – bis auf den Laser. Das Schweißen der Bipolar-Platten geht außerdem mit einem hohen Prüfaufwand hinsichtlich Dichtigkeit und Festigkeit einher. Trumpf arbeitet an integrierten Sensorlösungen, um die Qualität sicherzustellen und den Prüfaufwand zu reduzieren.
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Welche ist die beste Sensor-Technologie?
Um welche Sensorlösungen es sich dabei handelt, wollte Bührle noch nicht verraten: "Zum heutigen Zeitpunkt kann ich noch nicht sagen, welche Sensorik das Rennen machen wird. Wir schauen auf die Vor- und Nachteile hauptsächlich bei optischen Sensoren, aber auch andere Möglichkeiten ziehen wir in Betracht. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es noch keine hundertprozentige Zuverlässigkeit bei der Sensor-Technologie."
Laut Schmitz nutze Trumpf auch Künstliche Intelligenz. "AI unterstützt uns sehr gut dabei, unsere komplexen Prozesse zu optimieren – vor allem beim Schweißen von Kupfer. Da gibt es viele Parameter, die dies komplex machen, wobei uns AI sowohl bei der Lernzeit als auch bei der Qualitätskontrolle unterstützt."
Hier gibt es noch Verbesserungspotenzial
Auf die Frage, wo es noch Verbesserungspotenzial gebe, lacht Schmitz und erklärt: "Ich würde sagen, dass nichts perfekt ist. Doch nicht die grundsätzlichen Tools müssen verbessert werden, aber spezielle Prozesse und die ganzen unterstützenden Technologien, beispielsweise die Reinigung oder Vorbereitung von Bipolarplatten." Da gebe es verschiedene Möglichkeiten, bei denen derzeit noch nicht klar ist, welche die beste sei. "Am Ende des Tages müssen wir uns für den zuverlässigsten Prozess entscheiden", erklärt Schmitz und ergänzt, dass es auch beim Data Management zum Tracken der Teile noch Verbesserungspotenzial gebe.
Bührle bezieht sich direkt auf den Laserprozess und sieht dort höchste Stabilität. "Eine Herausforderung ist es, das Scanfeld zu vergrößern, weil die Bipolarplatten in der Regel größer sind als unser Scanfeld, mit dem wir arbeiten", findet Bührle. So wolle man in der Lage sein, eine Bipolarplatte in einem Setup zu schweißen und zudem den Schweißprozess mit Sensorik abbilden. "Diese Kombination in einem perfekten Setup mit dem Laser – das ist unsere Herausforderung, die es zu lösen gilt", blickt Bührle nach vorn.
Wasserstoff und Brennstoffzelle – 7 Fakten zur Mobilität der Zukunft
Ab 2035 werden in der EU keine neuen Verbrenner mehr zugelassen. Doch mit batteriebetriebenen Fahrzeugen allein droht Stillstand. Laster und Busse etwa würden auf Grund ihres Gewichts mit der Batterie nicht weit kommen. Sieben Gründe, warum Wasserstoff eine Schlüsseltechnologie für die Mobilität der Zukunft ist.
- Lkw- und Busse: Kaum Zukunft ohne Wasserstoff
Brennstoffzellen eignen sich sehr gut für den Einsatz im Schwerlastverkehr. Lkw, Busse, Züge und Schiffe brauchen wegen ihres hohen Gewichts sehr viel Energie. Heißt: Akku-basierte Elektromobilität kommt an ihre Grenzen. Dafür können Wasserstoff und die Brennstoffzelle ihre Stärken voll ausspielen: Große Reichweite und kurze Tankstopps. - Ob Start-up oder Großkonzerne: Die Serienfertigung hat bereits begonnen
Etablierte Truck-Hersteller und Start-ups treiben die Entwicklung von Brennstoffzellen-Lkw voran. Zulieferer und OEMs sind bereits in die Kleinserienfertigung von Brennstoffzellen eingestiegen. Neue Produktionsstätten mit größeren Fertigungskapazitäten befinden sich in der Planung oder im Bau, auch in Deutschland. - Preisverfall: Wasserstoff lässt sich immer günstiger produzieren
Viele Regionen der Welt haben die erneuerbaren Energien in den letzten Jahren ausgebaut. Die sogenannten Stromgestehungskosten sind dadurch stark gesunken. Stromgestehungskosten bezeichnen die Kosten, die entstehen, wenn eine Energieform in elektrischen Strom umgewandelt wird. Einige Regionen der Welt können grünen Wasserstoff schon heute zu wettbewerbsfähigen Preisen produzieren. - Milliardenförderung: EU und Bundesregierung investieren in Wasserstofftechnologie
Deutschlands Wirtschaft soll bis 2050 klimaneutral sein. Die tragenden Säulen dafür sind erneuerbare Energien, eine höhere Energieeffizienz und Wasserstoff. Dafür hat die Bundesregierung eine Wasserstoffstrategie beschlossen. Insgesamt neun Milliarden Euro sollen den Energieträger marktfähig machen. Auch die Europäische Union fördert die Wasserstofftechnologie – mit bis zu 5,4 Milliarden Euro. - Kein Erfolg ohne internationale Partnerschaften
Viele Länder haben nationale Wasserstoffstrategien verabschiedet. Dazu zählen Deutschland, Japan, Frankreich, Südkorea, Australien, Norwegen und die Niederlande. Der Durchbruch der Wasserstoffwirtschaft gelingt laut Experten jedoch nur mit international vernetzten Lieferketten. Spitzenverbände etwa aus der deutschen und der französischen Wirtschaft (BDI, France Industrie und Medef) wollen deshalb den Aufbau einer Wasserstoff-Wertschöpfungskette beschleunigen und setzen dazu auf enge Zusammenarbeit. - Brennstoffzellen: Keine wirtschaftliche Fertigung ohne Lasertechnik
Deutsche Industrieausrüster dürften die noch hohen Herstellungskosten der Brennstoffzellen bald kräftig senken. Beispiel Trumpf: Ohne hochanspruchsvolle Fertigungstechnologie und den Laser als Fügewerkzeug lassen sich sogenannte Bipolarplatten kaum wirtschaftlich herstellen. Diese hauchdünnen Metallplatten sind das Herzstück einer mobilen Brennstoffzelle. Gestapelt ermöglichen die Bipolarplatten, dass Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft reagiert und verbrennt. Dabei entsteht Wasser, Strom und Wärme. Den Strom nutzt das Wasserstoff-Fahrzeug als Antrieb für seinen E-Motor. - Ingenieurs-Knowhow entscheidet über Erfolg oder Misserfolg
Das Schweißen der hauchdünnen Bipolarplatten ist schwierig. Die Schweißnaht muss perfekt sein, sie ist mit dem bloßen Auge kaum zu sehen. Selbst kleinste Fehler wären fatal. Denn Wasserstoffmoleküle sind winzig und schlüpfen durch jede Ritze. Eine einzelne undichte Bipolarplatte würde einen großen Teil der Brennstoffzelle unbrauchbar machen. Ein Job für den Laser – denn alle anderen Fügeverfahren tun sich hier schwer.
Quelle: Trumpf
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