Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fertigungsanlage Proton Motor

Die Brennstoffzellen-Fertigungsanlage von Proton Motor. Der Schwerpunkt liegt auf der Automatisierung von sich wiederholenden Arbeitsschritten. - Bild: Proton Motor

| von Michael Nallinger

Die interdisziplinäre Nationale Plattform Zukunft der Mobilität (NPM) attestierte kürzlich der Brennstoffzelle (BZ) eine rosige Zukunft: „Die Chancen, dass die Technologie im Bereich der mobilen Anwendungen einen Durchbruch erzielt, stehen gut“, ließ die NPM anlässlich der Vorstellung des ‚Positionspapiers Brennstoffzelle‘ verlauten.

Damit Deutschland und Europa künftig eine führende Position im Bereich BZ-Technologien aufbauen könne, müsse allerdings die globale Wettbewerbsfähigkeit der Fahrzeugindustrie ausgebaut und nachhaltig gestärkt werden. Dabei mahnt die Analyse Nachholbedarf an verschiedenen Stellen an.

Neben den Bereichen Effizienz der Rohstoffnutzung inklusive der Schließung von Rohstoffkreisläufen, zählt sie die Entwicklung und Produktion im Bereich der Membrane Electrode Assembly (MEA), die Grundlagenforschung zur Bipolarplatte und zur Stackmontage ebenso dazu wie Forschung und Entwicklung (F&E), Kostensenkungen und den Ausbau der Lieferantenlandschaft für diverse Bauteile. Bei den Bauteilen handelt es sich beispielsweise um Wasserstoff-Rezirkulationsgebläse, Befeuchter, Tankbehälter oder elektronische Luftkompressoren.

Lediglich bei der Systemmontage sowie bei den Komponenten Power Distribution Unit, Hochvolt-Leitungssatz, Tankventile und Druckregler sieht die NPM die europäischen Akteure „insgesamt mindestens gleichauf“ mit den wichtigsten globalen Playern.

Auch die vom VDMA bei FEV Consulting in Auftrag gegebene Studie ‚Antrieb im Wandel – Auswirkungen der BZ-Technologie auf den Maschinen- und Anlagenbau und die Zulieferindustrie‘ kommt zum Ergebnis, dass die Brennstofzelle ab 2030 einen signifikanten Anteil bei Antrieben in Pkw, Nutzfahrzeugen und mobilen Maschinen einnehmen wird. Danach steigt der Marktanteil bis 2040 kontinuierlich auf 12 Prozent.

Eine Schlüsselrolle auch in Bezug auf die Infrastruktur komme dabei den schweren Nutzfahrzeugen zu. In der Folge werden laut Studie in Europa rund 68.000 Arbeitsplätze entstehen. Eine Vorreiterrolle sehen die Autoren, zumindest im Pkw-Segment, in Japan und Südkorea. BZ-Fahrzeuge erreichen in Japan im Jahr 2030 einen Marktanteil von 6 Prozent und in 2040 von über 20 Prozent. Dagegen rangieren die Zahlen für die USA und Europa in 2030 bei unter 1 Prozent und sollen bis 2040 auf 10 Prozent wachsen.

Optimistisch stimmt dagegen ein anderer Aspekt: Die traditionelle Automobilindustrie sowie der Maschinenbau dürften davon profitieren, dass die Herstellungsprozesse und die Aufteilung der Wertschöpfung dem Verbrennungsmotor sehr viel ähnlicher sind als etwa bei der Antriebseinheit eines batterieelektrischen Fahrzeugs. 68 Prozent des Umsatzpotenzials von Antriebssträngen im BZ-System entfallen laut der FEV-Experten auf Brennstoffzellenstapel (Stacks), zusätzliche Komponenten (Balance of Plant) und das Wasserstofftanksystem. Die restlichen 32 Prozent werden über den elektrischen Antriebsstrang, einschließlich Batterie und elektrischer Antriebseinheit, generiert.

Bestandteile eines hybriden elektrisch angetriebenen Lkw mit Brennstoffzellen und Batterien
Insbesondere elektrische Hybridlösungen, bei denen Brennstoffzellen und Batterien kombiniert werden, gelten für Schwerlast- und Nutzfahrzeuge als Königsweg. - Bild: Freudenberg

An diesen Brennstoffzellen-Projekten arbeiten europäische Unternehmen

In jüngster Vergangenheit lässt sich eine deutliche Zunahme der Aktivitäten auch auf dem „alten“ Kontinent registrieren. Auffallend sind viele neue Kooperationen. Hier eine kleine Auswahl:

Nachfrage nach Heavy-Duty-Brennstoffzellen steigt

Auch bei Freudenberg Sealing Technologies beobachtet man derzeit eine stark steigende Nachfrage vor allem im Heavy-Duty-Bereich. In der Industrie besteht laut Michael Milch Einigkeit, dass Total-Cost-of-Ownership-Parität mit dem Diesel im Heavy Duty-Bereich noch vor dem Jahr 2030 erreicht wird. Der Director Program Management & Product Marketing Fuel Cell Systems bei Freudenberg ist überzeugt: „Die Brennstoffzelle ist dann im Heavy-Duty-Bereich die wirtschaftlichste Technologie.“

Portrait von Michael Milch, Director Program Management & Product Marketing Fuel Cell Systems bei Freudenberg
Michael Milch ist Director Program Management & Product Marketing Fuel Cell Systems bei Freudenberg. - Bild: Freudenberg

Insbesondere für Schwerlastantriebe bestehe Konsens, dass ein rein Batterie-elektrisches Konzept technisch an seine Grenze kommen wird und nicht zielführend für die Reichweiten- und Lastanforderungen dieser Sektoren ist. „Daher rückt hier der BZ-Batterie-Hybrid immer stärker in den Fokus“, betont Milch.

Insbesondere in der Schifffahrt beobachtet der BZ-Fachmann eine sehr große Dynamik, oftmals würden die Kunden gerne sofort Produkte kaufen. Hintergrund ist hier ebenfalls wie auf der Straße die kontinuierliche Verschärfung der Emissionsziele und die Einführung von sogenannten Emission Control Areas. Die lange kalkulatorische und echte Laufzeit von Schiffen mit über 35 Jahren zwinge die Akteure zu handeln, so Milch. Dies betrifft Neubauten ebenso wie das Retrofitting der bestehenden Flotten. Daneben unterliegt auch der straßengebundene Langstreckentransport aktuell einer gewissen Dynamik.

Gefragt sind laut Milch wirtschaftliche Lösungen für hohe Reichweiten. Hier greift die Gesetzgebung sogar noch früher: „2025 und 2030 hat die EU-Grenzwerte vorgeschrieben, die nicht mehr mit Dieselfahrzeugen erreicht werden können“, weiß der Experte.

Bestandteile eines Heavy-Duty-Brennstoffzellen-Stacks
Das sind die Bestandteile eines Heavy-Duty-Brennstoffzellen-Stacks. - Bild: Freudenberg

Freudenberg arbeitet an mehreren Brennstoffzellen-Projekten

Und die Industrie kommt diesen Bedürfnissen nach. Der Freudenberg-Manager sieht die Zukunft so: „Bis 2025 werden sehr viele Entwicklungsprojekte und Erprobungen realisiert, um die richtige Systemkonfiguration bis hin in die Zellebene für die Large-Scale-Industrialisierung zu definieren.“ Die Implementierung der Prozesstechnologie, sprich die Umsetzung der Industrialisierung, betrachtet er hierbei als essenziellen parallelen Strang. Für die zweite Hälfte dieses Jahrzehnts erwartet Milch die Skalierung eine unglaubliche Dynamik: „Brennstoffzellen-Technologie wird zum Standard im Alltag“, ist er sich sicher.

Diese Dynamik entfaltet sich heute schon bei der Freudenberg-Tochter. Unter anderem arbeitet man mit Hochdruck an einem maritimen BZ-System mit integrierter Kraftstoffreformierung. Dies ermöglicht eine große Flexibilität. „Unsere Systeme realisieren Heavy-Duty-Lebenszeiten mit purem Wasserstoff, LNG oder Methanol“, erläutert Milch. Bereits im 3. Quartal dieses Jahres ist die Installation eines BZ-Systems auf dem Kreuzfahrtschiff AIDAnova im Rahmen des Forschungsprojektes Pa-X-ell2 geplant. Aber auch BZ-Systeme für das Segment Truck & Bus stehen im Fokus. „Unser Ziel sind hocheffiziente Systeme und optimale Lebensdauermaximierung“, so Milch.

Proton Motor konzentriert sich ebenfalls auf Schwerlast-Brennstoffzellen

Auch der Brennstoffzellen-Spezialist Proton Motor Fuel Cell hat seinen Fokus auf Schwerlastanwendungen ausgerichtet, wobei das Unternehmen aus Puchheim bei München hier neben Bussen, Lastwagen, Zügen oder Schiffen auch Baumaschinen und Gabelstapler subsumiert.

Portrait von Sebastian Goldner, CTO und COO der Proton Motor Fuel Cell GmbH
Sebastian Goldner ist CTO und COO von Proton Motor Fuel Cell. - Bild: Proton Motor

Laut Sebastian Goldner nimmt derzeit insbesondere die Nachfrage nach der von den Puchheimern produzierten „weltweit leistungsstärksten Wasserstoff-Brennstoffzelle bis 71 Kilowatt“ aus grafitischen Bipolarplatten, die im Innern zu den sogenannten Stacks als Herzstück der Zelle gestapelt werden, kontinuierlich zu. Die frostlagerfähigen Modelle haben dem CTO und COO von Proton Motor zufolge den Vorteil, dass sie sich horizontal und vertikal installieren lassen.

Für die aktuelle Dekade hat Proton eine klar definierte Entwicklungs-Roadmap, in der auch der Übergang von der Fertigung mittlerer Stückzahlen hin zur Serienproduktion vorgegeben ist. „Wir streben mittelfristig die Produktion von 5.000 BZ-Stacks der elektrischen Leistungsklasse 36 Kilowatt an“, so Goldner.

Ein Meilenstein im Hinblick auf die Reduzierung der Produktionszeit war die 2019 in Betrieb genommenen Stack-Fertigungsanlage, die als EU-Förderprogramm unter dem Arbeitstitel Fit-4-AMandA (Fit for Automatic Manufacturing and Assembly) finanziert wurde. Der Schwerpunkt des Herstellungsprozesses liegt auf der Automatisierung von sich wiederholenden Arbeitsschritten, wie etwa dem Stapeln von Einzelzellen zu einem Stack.

Proton Motor verfolgt zudem das industrielle Ziel, einen modularen Systembaukasten zu entwickeln, um möglichst viele Gleichteile verwenden zu können. In diesem Kontext steht auch die Mitgliedschaft an der Anfang 2021 gestarteten StasHH-Mission. 25 Unternehmen und Organisationen mit Wasserstoff-Schwerpunkt werden dort erstmals einen europäischen Standard für BZ-Module bezüglich Heavy-Duty-Anwendungen erarbeiten, entwickeln und testen.

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