von Anette Weingärtner | Nov. 28, 2024 | 2024, Entwicklung, Meldungen, News, Wasserstoffwirtschaft, Weiterbildung
Neuer Katalysator löst H2 aus Ammoniak heraus
Um die Rückgewinnung von Wasserstoff aus Ammoniak zu erleichtern und zu beschleunigen, haben Forschende des Instituts für Anorganische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) in ihrem Projekt AmmoRef (04/2021-03/2025) zusammen mit ihren Kooperationspartnern einen aktiveren und kostengünstigeren Katalysator entwickelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in dem Wasserstoff-Leitprojekt TransHyDE des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) festgehalten. AmmoRef ist eins von zehn TransHyDE-Projekten, die vom BMBF gefördert werden. Dabei sollen bereits bestehende Technologien für den Wasserstofftransport verbessert werden.
Abb. 1: Ammoniak kann aus „grünem Wasserstoff“ hergestellt und dann über weite Strecken, z. B. per Tankschiff, transportiert werden. Wie man wieder reinen Wasserstoff aus Ammoniak rückgewinnen kann, wird im TransHyDE-Forschungsverbund „AmmoRef“ untersucht. Bisher gibt es noch keine großindustriell einsetzbare Technologie zur Reformierung von Ammoniak, daher wird unter den technologischen Grundlagen auch die Katalysatorentwicklung erforscht.
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Quelle: Projektträger Jülich im Auftrag des BMBF
Die Möglichkeit, Energie aus Wind- oder Solarkraft zu speichern, spielt für die Energiewende eine zentrale Rolle. „Die Speicherung von Energie in Form von chemischen Verbindungen wie Wasserstoff hat viele Vorteile. Die Energiedichte ist hoch, und auch die chemische Industrie benötigt Wasserstoff für viele Prozesse“, sagt Malte Behrens, Professor für Anorganische Chemie an der CAU Kiel und Teilprojektleiter im AmmoRef-Verbund. Außerdem lässt sich durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen „grüner Wasserstoff“ herstellen, ohne dass CO2 entsteht.
Wasserstoff aus Regionen zu importieren, in denen Wind- und Solarstrom günstig ist, ist allerdings nicht einfach. Eine Möglichkeit ist die chemische Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak, das selbst bereits relativ viel Wasserstoff enthält. Für den Transport von Ammoniak über weite Strecken existiert bereits eine ausgereifte Infrastruktur. „Ammoniak lässt sich zum Transportieren einfach verflüssigen. Es wird heute schon im Megatonnenmaßstab hergestellt, weltweit verschifft und gehandelt und ist daher für uns interessant“, sagt Chemiker Dr. Shilong Chen, Wissenschaftler im Kieler AmmoRef-Teilprojekt von TransHyDE. Gemeinsam erforschen Chen und Behrens, wie sich Wasserstoff nach dem Transport wieder aus Ammoniak freisetzen lässt.
Aufnahme mit einem Transmissionselektronenmikroskop: nanoskaliger Aufbau des Eisen-Kobalt-Katalysators. Die vielen bimetallischen Partikel, hier als dunkle Flecken zu erkennen, werden durch das Trägermaterial auf der Nanoebene voneinander getrennt und tragen so zu einer großen aktiven Oberfläche des Katalysators bei.
Quelle: Franz-Philipp Schmidt, Thomas Lunkenbein, adaptiert: Shilong, C.et al. Nature Communications (2024), https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Bei einer Transformation des Wasserstoffs in Ammoniak geht weniger Gas verloren als bei anderen Verfahren. Ammoniak lasse sich, so Behrens, bereits bei einem Druck von acht Bar verflüssigen. Tankschiffe ließen sich problemlos damit befüllen. „Ein großer Vorteil gegenüber anderen chemischen Verfahren, wie zum Beispiel LOHC, ist auch, dass Wasserstoff in flüssigem Ammoniak über eine sehr hohe Speicherdichte verfügt,“ sagt Behrens.
Die Problemstellung bestand für die Wissenschaftler zu Projektbeginn darin, einen Katalysator zu entwickeln, der eine schnelle Umwandlung von Ammoniak in Wasserstoff am Zielort erlaubt. „Hierfür sind große Anlagen erforderlich“, erläutert Behrens. Derzeit gebe es jedoch noch keine industrielle Anwendung für die Reformierung von Ammoniak in diesem Maßstab.
Kobalt zur Aktivierung von Eisen
Ziel der Forschenden war, möglichst günstige Materialien für die Katalyse zu finden. Zudem sollte die voraussichtliche Anwendung des Katalysators skalierbar sein. Das Material Ruthenium bildet derzeit die Benchmark in der Forschung. Eisen ist, so Behrens, jedoch das kostengünstigste Gebrauchsmetall. „Das Problem ist aber, dass preiswerte Eisenkatalysatoren unter einer geringen Aktivität aufgrund einer zu starken Eisen-Stickstoff-Bindungsenergie im Vergleich zu aktiveren Metallen wie Ruthenium leiden. Diese Einschränkung kann jedoch durch die Zugabe von Kobalt überwunden werden“, erläutert er. Durch die Kombination zweier Basismetalle (Eisen und Kobalt), bei der hochaktive, bimetallische Oberflächen mit einer geringeren Metall-Stickstoff-Bindungsenergie und weiteren Eigenschaften, die sonst nur von sehr viel teureren Edelmetallen bekannt sind, entstehen, sei der Katalysator, welcher über einen Metallgehalt höher als 70 Prozent verfüge, nicht nur hochaktiv, sondern auch bezahlbar.
„Hochaktiv“ bedeutet dabei, dass er über eine sehr hohe Umwandlungsgeschwindigkeit verfügt. „Unser Katalysator erreicht über 90 Prozent von Ruthenium und ist um etwa 20 Prozent leistungsfähiger als unsere Nickelbenchmark“, sagt Behrens. Zudem haben die Forscher eine besondere Herstellungsmethode entwickelt, die eine sehr hohe Metallbeladung erlaubt. Bis zu 74 Prozent des Materials bestehen aus aktiven Metallpartikeln. Diese wechseln sich mit Trägerpartikeln ab, so dass dazwischen Hohlräume im nanoskaligen Bereich entstehen – wie ein poröser, metallischer Nano-Schwamm. Die Struktur ist stabil genug, um die hohen Temperaturen (etwa 600 °C), die bei der Zersetzung von Ammoniak entstehen, auszuhalten.
Bisheriges Ergebnis
Durch die Legierung von Eisen mit Kobalt konnte die Nitrierung von Eisen, die zu einer zu schwachen Bindungsenergie und dadurch zu einer geringeren Aktivität führte, unterdrückt und die Stickstoff-Bindungsenergie zusätzlich so beeinflusst werden, dass sich die Bindungsenergien näher an die Spitze des Aktivitätsvulkans bewegen, was zu einer hochaktiven und katalytischen Leistung führt. Gezeigt werden konnte auch, dass das Legieren von Eisen durch andere Metalle mit schwacher Stickstoffadsorptionsenergie einen einfachen und allgemeinen Ansatz zur Herstellung eines hochaktiven und nitridfreien Katalysators für die Ammoniak-Zersetzungsreaktion bietet.
Prof. Malte Behrens und Dr. Shilong Chen in ihrem Kieler Labor vor einem Teststand für neue Katalysatoren
Quelle: Julia Siekmann, Uni Kiel
Ammoniaksynthese und -zersetzung
Die Herstellung von Ammoniak durch das Haber-Bosch-Verfahren veränderte die Welt, da sie die Produktion von Düngemitteln im industriellen Maßstab ermöglichte. 2021 wurden 235 Mio. Tonnen Ammoniak hergestellt, was es zur volumenstärksten produzierten Chemikalie machte. Diese Produktion könnte in naher Zukunft weiter gesteigert werden, da Ammoniak aufgrund seines hohen Wasserstoffgehalts und seiner Energiedichte sowie der günstigen Infrastruktur für Transport und Speicherung als Träger- und Speichermaterial für regenerativ erzeugten Wasserstoff dazu beitragen könnte, die Klimakrise abzumildern. In diesem Szenario könnte Wasserstoff aus Ammoniak durch dessen Zersetzung freigesetzt werden.
Im Gegensatz zur Ammoniaksynthese hat ihre umgekehrte Reaktion, die Ammoniakzersetzung, keine vergleichbare großindustrielle Anwendung gefunden, sondern wird seit über einem halben Jahrhundert hauptsächlich akademisch eingesetzt, um den Reaktionsmechanismus der Ammoniaksynthese bei Umgebungsdruck an Katalysatoren zu untersuchen, die für die Ammoniaksynthesereaktion entwickelt wurden. Die aktivsten Katalysatoren für diese Synthese sind ruthenium-basierte, aber der kommerzielle Aspekt lässt die weniger aktiven, jedoch weitaus kostengünstigeren Eisenkatalysatoren attraktiver erscheinen. Grund für deren moderate Aktivität ist die Nitrierung. In dem hier vorliegenden AmmoRef-Teilprojekt konnte gezeigt werden, wie die Nitrierung unterdrückt und eine Stickstoffbindungsenergie, ähnlich wie bei Ruthenium, durch eine Legierung des Eisens mit Kobalt erreicht werden kann.
Die derzeitige Herausforderung bestehe darin, den Kobaltanteil zu reduzieren. Dies sei zum einen aus Kostengründen, zum anderen aber auch wegen der aktuellen politischen Rahmenbedingungen, unter denen Kobalt gewonnen wird, geboten. Die Voraussetzungen für ein Upscaling seien bereits da, aber es gelte, Maßnahmen für weitere zu eruieren. Zudem müsse ermittelt werden, was noch zu tun sei, um die Stabilität und Aktivität des Katalysators weiter zu erhöhen. Eine Zugabe von Promotoren, von Stoffen, die die Aktivität eines Katalysators erhöhen, werde erwogen.
Die Synthesebemühungen werden momentan vom 1-Liter- in den 100-Liter-Maßstab überführt. Der Katalysator soll nun weiter untersucht und aus der Grundlagenforschung in die Anwendung übertragen werden. Ziel der Wissenschaftler ist es, einen industriellen Maßstab für den Katalysator zu erreichen.
Autorin: Anette Weingärtner
von Niels Hendrik Petersen | Nov. 26, 2024 | 2024, Deutschland, Entwicklung, Europa, News, Wasserstoffwirtschaft
Wasserstoff durch Photokatalyse
Das Start-up Yellow SiC aus Berlin arbeitet an einer innovativen Technologie, die keine Elektrolyseure benötigt, um grünen Wasserstoff zu produzieren. Gelbe HydroSiC-Zellen aus Siliziumkarbid erzeugen den Wasserstoff direkt an ihrer Oberfläche. Sie nutzen dabei ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts als andere Solarzellen. Je nach Standort könnte die Erzeugung von „goldenem Wasserstoff“ deutlich billiger als die von grünem Wasserstoff aus Solarstrom werden. So könnten 6 Ct pro kWh, selbst in unseren Breitengraden, erreicht werden.
Die H2-Farbpalette ist bekanntlich schon heute recht umfangreich bis unübersichtlich. Nun kommt mit „goldenem Wasserstoff“ eine weitere Variante hinzu. So nennt jedenfalls Yellow SiC aus Berlin sein zünftiges Produkt. Das Start-up hat eine eigene Technologie entwickelt: Die innovative HydroSiC-Zelle spaltet Wasser in einem einstufigen Prozess in Wasserstoff und Sauerstoff. Bei dieser direkten Photokatalyse (genauer photochemischen Wasserspaltung) dient hochreines Siliziumkarbid (3C-SiC) als Katalysator.
Das 3C bezieht sich auf die kubische Kristallstruktur. Dieses Halbleitermaterial ist gelb, woraus sich auch der Name des jungen Unternehmens erklärt. Dessen Solarzelle kommt ohne elektrische Kabel aus und besteht nur aus einer von Wasser umgebenen 3C-SiC-Platte, die von einer Seite mit Sonnenlicht bestrahlt wird. Diese Mehrfachsolarzelle nutzt dabei ein breiteres Spektrum des Sonnenlichts als andere Solarzellen – und das erhöht die Effizienz. Einen Elektrolyseur braucht es also nicht. Stattdessen könnten Solarzellen auf dem Dach direkt grünen Wasserstoff erzeugen.
ERSTE PILOTANLAGE IN OSNABRÜCK
Derzeit gibt es verschiedene Prototypen, die zeigen, dass die Photokatalyse mit dem Testmaterial funktioniert. „Im Moment arbeiten wir vor allem an der Verbesserung der Materialeigenschaften“, erklärt Co-Gründer und Geschäftsführer Dr. Christopher Höfener. Für eine Pilotanlage müssen die Elektroden, die derzeit im Labormaßstab hergestellt werden, noch in größeren Mengen produziert werden. „Wir arbeiten nun daran, die Herstellungsprozesse für die Elektroden zu skalieren“, sagt der Physiker und Maschinenbauer.
Prototypzelle: Die Photokatalyse mit dem Testmaterial funktioniert
Die junge Firma hat hehre Ziele: Schon im Jahr 2025 will Yellow SiC den goldenen Wasserstoff in einer ersten Pilotanlage zur H2-Erzeugung auf dem Gelände eines Papierwerks im niedersächsischen Osnabrück produzieren. „Elektrolyse für die H2-Herstellung ist Vergangenheit“, ist der ehemalige Investmentbanker Höfener überzeugt. Ein zweistufiges Verfahren ist aus seiner Sicht schlicht zu ineffizient. Diese Überzeugung lässt sich auch mit seinem finanziellen Engagement untermauern: Von den mehr als 8 Mio. Euro an eingeworbenen Entwicklungskosten stammt ein wesentlicher Teil aus seinem eigenen Vermögen.
Mitgründer und CTO der Firma Prof. Siegmund Greulich-Weber hat sein Fachwissen zu Siliziumkarbid an der Uni Paderborn erworben. Er arbeitet seit einigen Jahren voll für das Start-up und führt das Entwicklungsteam in Berlin.
Die Kosten pro kg H2 hängen letztendlich von der erreichten Effizienz des Materials ab:
„Im Gegensatz zu Silizium, wo es eine physikalische Grenze für den Wirkungsgrad von circa 33 Prozent gibt, liegt diese Grenze für dotiertes Siliziumkarbid 3C-SiC bei 63 Prozent – und damit erreicht es fast doppelt so viele Prozentpunkte bei der Umwandlung“, sagt Greulich-Weber. Er und sein Team gehen davon aus, dass für diesen sogenannten Solar-to-Hydrogen-Prozess Wirkungsgrade von etwa 25 Prozent erreicht werden können.
WASSERTSOFF FÜR 2 CENT PRO KWH
Die Kosten für herkömmlichen grünen Wasserstoff aus einer Elektrolyse liegen derzeit zwischen 4,5 und 6,7 US-Dollar pro Kilogramm oder bei rund 16 US-Cent pro kWh. Die junge Firma prognostiziert den Preis für ihr Produkt mit 0,75 bis 2 US-Dollar pro kg – je nach Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter. Das wäre weniger als ein Drittel der derzeitigen Kosten. Daraus ergeben sich Kosten von rund 6 Ct pro kWh in unseren Breitengraden in Mitteleuropa bzw. 2 Ct pro kWh in Nordafrika. „Umgerechnet auf die Kosten pro kg Wasserstoff sind das 2 Euro bzw. 0,75 Euro“, kalkuliert Höfener.
Der Hauptvorteil der neuen Technologie liegt in den geringeren Kosten und dem geringeren Platzbedarf im Vergleich zu einer Kombination aus Photovoltaik und Elektrolyseverfahren. „Der Kostenvorteil entsteht, weil alles in einem Schritt geschieht“, betont Höfener. So entfallen die hohen Investitionskosten für den Elektrolyseur sowie die Wirkungsgradverluste durch das Elektrolyseverfahren.
Der nächste Schritt für Yellow SiC ist die Demonstration eines Prototyps, der die erreichbare Effizienz auf einer Fläche von einigen Quadratmetern zeigt. Technisch sei dazu vor allem eine weitere Optimierung des Materials nötig. Dazu werden nun die hergestellten Elektroden mit verschiedenen Methoden charakterisiert.
2.000 °C UND HÖCHSTE REINHEIT
Es gibt allerdings noch einige Hürden zu nehmen: Denn die Herstellung des Materials benötigt sehr hohe Temperaturen von rund 2.000 °C – was eine ganze Reihe von technischen Herausforderungen mit sich bringt. Zudem darf der Prozess nur unter höchster Reinheit erfolgen. Genauer: Von einer Million Atome darf nur maximal ein Atom ein Fremdatom sein (1 ppm), so die eigene Vorgabe. Gleichzeitig muss auf die richtige Dotierung und Oberflächenstruktur des Materials geachtet werden.
Das ist ein komplexer Vorgang. „Etwas geringer sind die Herausforderungen, wenn man das Material in der Elektrolyse einsetzt“, vergleicht Höfener. Yellow SiC hat bei den Tests bereits interessante Ergebnisse erzielt: So konnte das Unternehmen Platin und Iridium in der PEM-Elektrolyse ersetzen.
Eine weitere Herausforderung ist die Suche nach Fachkräften, denn das Team soll weiter wachsen. Gebraucht werden vor allem Techniker, Physiker sowie Chemiker, insbesondere mit Erfahrung in den Bereichen PEM/AEM-Elektrolyse und Herstellung von Hochtemperaturkeramik. Alles in allem also sehr spezielle Themen. Berlin-Adlershof, wo das Start-up ansässig ist, bietet mit Partnern aus Industrie und Forschung wie dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ein hervorragendes Umfeld dafür.
Das Team Berlin
Die Technologie stärkt die dezentrale H2-Produktion und passt somit zur Energiewende und zu Millionen Photovoltaikanlagen auf den Dächern von privaten Eigenheimen. Erste Anwendungen werde es jedoch eher für die chemische Industrie und Stahlwerke geben, meint Höfener. Ende des Jahres wird das 2020 gegründete Unternehmen wieder auf die Suche nach neuen Investoren gehen.
Anfang letzten Jahres investierte bereits Conenergy aus Essen: „Produkt, Geschäftsidee und Management des Unternehmens haben uns sehr überzeugt“, begründet Vorstand Niels Ellwanger die Entscheidung von Conenergy, sich an dem Berliner Unternehmen zu beteiligen. Nun geht es darum, weitere Risikokapitalgeber ins Boot zu holen. Für die neue Pilotanlage müssen etwa 10 Mio. Euro an frischem Geld reinkommen.
von Jörg Steger | Nov. 26, 2024 | 2024, Deutschland, Entwicklung, Markt, Meldungen, News, Weiterbildung
Atmosphärische Plasmabeschichtung von Polymer-Bipolarplatten
In Zeiten globaler Sensibilisierung gegenüber ökonomischen, aber vor allem auch ökologischen Themenstellungen wächst auch das Bewusstsein für energieeffiziente Gesamtlösungsstrategien über die komplette Wertschöpfungskette sowie eine nachhaltige Nutzung verfügbarer Ressourcen. Bevor es zu einer gewinnbringenden Massenfertigung von Bipolarplatten kommen kann, sind im Produktentstehungsprozess eine ganze Reihe von Entwicklungen und Voruntersuchungen nötig, um den optimalen Wirkungsgrad in Abhängigkeit des Designs und der Ausführung zu bestimmen. Da dies nicht allein mithilfe von Simulationen geschehen kann, sind experimentelle Untersuchungen unumgänglich.
Mit den aktuell am Markt erhältlichen Beschichtungsverfahren ist die Prototypen-, Vor- und Kleinserienherstellung sehr zeit- und kostenintensiv. An diesen Punkt knüpft der von der ITW Chemnitz untersuchte Ansatz an, einen leicht in Form zu bringenden und kostengünstigen Grundwerkstoff mit einer geeigneten Beschichtung auszustatten, um somit energie-, zeit-, kosten- und materialeffizient Vor- und Kleinserienuntersuchungen durchzuführen.
Mithilfe der in diesem Projekt umgesetzten Kombination aus günstiger additiver Grundwerkstoffherstellung und universal einsetzbarer Beschichtungstechnologie ist es möglich, verschiedene Bipolarplattendesigns flexibel und kostengünstig herzustellen, ohne die geforderten industriellen Parameter zu vernachlässigen. Im Ergebnis soll es durch die anvisierte wandlungsfähige Fertigungstechnologie möglich sein, eine Prototypen- sowie Vor- und Kleinserienfertigung energie-, zeit-, kosten- und materialeffizient zu gestalten und somit den Weg in die industrielle Praxis zu ebnen.
Beschichtungstechnik spielt eine große Rolle
Im Zuge der Untersuchungen wurde ein Niedrigenergie-Plasma genutzt, in welches definiert der genutzte Beschichtungswerkstoff in Form von Mikropartikeln zugeführt wurde. Dies ermöglicht eine stoffschlüssige Verbindung von Beschichtungswerkstoff und Substrat (s. Abb. 1). Durch die technologisch bedingte geringe thermische Belastung des zu beschichtenden Substrates ist es möglich, Materialkombinationen zu erzeugen, die auf den ersten Blick unrealistisch erscheinen (im vorgestellten Kontext ein Polymer als Substrat und Kupferpulver als Beschichtungswerkstoff). Ein weiterer Vorteil des eigesetzten Verfahrens besteht in der Anwendung unter atmosphärischen Bedingungen. Im Gegensatz zu Vergleichsverfahren wie physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung sind eine vorherige Evakuierung und Arbeiten im Vakuum nicht nötig. Des Weiteren sind der hohe Flexibilisierungsgrad sowie die Möglichkeit der partiellen Beschichtung positiv hervorzuheben.
Suche nach geeignetem Substratwerkstoff
Bei der Suche und Auswahl eines geeigneten Substratwerkstoffs waren diverse Herausforderungen zu beachten:
- Die benötigte Temperaturbeständigkeit (sollte sich an Einsatztemperaturen von PEM-Brennstoffzellen von ca. 110 °C orientieren),
- die leichte sowie variable Verarbeitung (Grundstruktur soll mittels selektiven Lasersinterns herstellbar sein, um hohe Designflexibilität zu gewährleisten),
- die gute sowie kostengünstige Verfügbarkeit des Rohstoffes.
Es wurden mehrere potenzielle Substratwerkstoffe näher betrachtet und auf ihre Beschichtungseignung hin untersucht. Dabei wurden am Markt verfügbare Varianten auch dahingehend modifiziert, dass sie für die geplante Anwendung optimiert wurden. Nach umfassenden Untersuchungsreihen, bestehend aus Beschichtungsversuchen, optischen Analysen, Oberflächenmessungen, simulativen Studien sowie thermischen Nachbehandlungsuntersuchungen hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, fiel die Wahl auf einen glasfasermodifizierten Polybutylenterephthalat (PBT). Dieser Werkstoff wurde durch gezielte Hinzunahme von Glasfasern dahingehend modifiziert, dass alle geforderten technischen Parameter erreicht werden. Darüber hinaus weist der modifizierte PBT die besten Beschichtungseigenschaften auf.
Von der Idee zum industrienahen Flow-Field-Design
Eine der großen Herausforderungen innerhalb der Untersuchungen war die Entwicklung eines industrienahen Flow-Field-Designs unter Beachtung der materialspezifischen sowie technologischen Grenzen der genutzten Verfahren. Dabei mussten zum einen die Herstellungsgrenzen des selektiven Lasersinterns unter Berücksichtigung des Materials und der Zielanwendung sowie zum anderen die technologischen Grenzen des nachfolgenden Beschichtungsverfahrens herausgearbeitet und definiert werden. Dazu wurden verschiedene Parameter- und Geometriestudien zu industriell eingesetzten Flow-Field-Designs durchgeführt. Schlussendlich wurde eine mäanderförmige Flow-Field-Struktur mit folgenden Abmessungen realisiert:
| effektive Fläche |
Kanalbreite |
Steghöhe |
Stegbreite |
| 100 cm² |
1,5 mm |
1,5 mm |
0,6 mm |
Tab. 1: Realisierte Flow-Field-Struktur
Die vier flügelförmigen Niederhalter (s. Abb. 2) werden zur Fixierung während des Beschichtungsprozesses benötigt und können im Anschluss problemlos entfernt werden.
Entwickelter Polymergrundkörper (links) und resultierendes Beschichtungsergebnis (rechts)
Um einem eventuellen Verzug entgegenzuwirken, wurde eine metallische Probenaufnahme verwendet. Dieser Versuchsaufbau sichert eine gezielte Abfuhr der eingebrachten Temperatur und somit ein optimales Beschichtungsergebnis. Sowohl optische Oberflächenanalysen als auch Haftfestigkeitsuntersuchungen in Anlehnung an den Gitterschnitttest nach DIN EN ISO 2409 ergaben zufriedenstellende Ergebnisse und lassen ein hohes Potenzial für bereits erwähnte Prototypen- sowie Vor- und Kleinserienfertigung erkennen.
Die Untersuchungen wurden mit finanziellen Mitteln vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz unterstützt.
Autor: Jörg Steger, Institut für innovative Technologien, Technologietransfer, Ausbildung und berufsbegleitende Weiterbildung e. V. Chemnitz (ITW)
von Victoria Kubenz | Nov. 25, 2024 | 2024, Deutschland, Energiewirtschaft, Entwicklung, Meldungen, News, Wasserstoffwirtschaft
Daten als Schlüssel für eine grüne Wasserstoffwirtschaft
Grüner Wasserstoff gilt als eines der Schlüsselelemente zur Erreichung der globalen Klimaziele[i] – aber auch als eine mögliche Alternative zu Gas, was die Dringlichkeit eines schnellen Hochlaufs der Wasserstoffwirtschaft in Deutschland und Europa einmal mehr erhöht. Zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft sind jedoch nicht nur innovative Technologien für Produktion, Transport und Nutzung erforderlich. Es bedarf digitaler Lösungen für eine höhere Effizienz, für die Vorhersage von Wasserstoffangebot und -nachfrage, für die Überwachung des Transports und der Speicherung sowie für die sichere Nutzung von Wasserstoff in den verschiedenen Anwendungsgebieten. Allerdings werden die dafür benötigten Daten bislang kaum bzw. unzureichend unter den potenziellen Marktteilnehmenden ausgetauscht. Gründe dafür sind vor allem fehlendes Vertrauen und die Angst vor Wettbewerbsnachteilen. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt HyTrust will nun durch die Etablierung eines Datentreuhandmodells in der Wasserstoffwirtschaft diesen Herausforderungen begegnen.
Daten spielen eine entscheidende Rolle in der Wertschöpfung von Unternehmen und sind von großer Bedeutung für den Aufbau von Wettbewerbsvorteilen. Sie dienen als Informationsgrundlage für fundierte strategische Entscheidungen und zur Steuerung von internen Unternehmensprozessen, bieten aber auch großes Potenzial bei der Interaktion über die Unternehmensgrenzen hinweg. Sie ermöglichen zum Beispiel Effizienzsteigerungen, die Koordination der Zusammenarbeit mit Partnern und Kunden sowie die Erschließung von Innovationspotenzialen.
Das Teilen von Daten in Wirtschaft und Forschung ist grundlegend für die Entwicklung von Lösungen für gesellschaftliche Probleme und gilt als wesentlicher Treiber für Innovation und Wettbewerb. Trotz der steigenden Verfügbarkeit von Daten ist zu beobachten, dass sie bisher selten über organisatorische Grenzen hinweg genutzt werden. Dies liegt vor allem am mangelnden Vertrauen der Unternehmen, der Angst vor Know-how-Verlusten sowie vor Wettbewerbsnachteilen[ii]. Weitere Hindernisse sind ein fehlender organisatorischer Rahmen für den sicheren Datenaustausch und unklare Geschäftsmodelle[iii]. Unternehmen erkennen zwar zunehmend den Wert von Daten, aber viele scheitern an der effektiven Nutzung dieser Ressource[iv].
Doch was passiert, wenn Unternehmen die Digitalisierung und den Datenaustausch vernachlässigen? Die Antworten finden wir in den Lehren aus der jüngeren Wirtschaftsgeschichte:
Dort finden sich Unternehmen wie Kodak, Quelle und Nokia – einstige Giganten in ihren Branchen. Kodak, ein Pionierunternehmen in der Fotografie, verschlief den Übergang zur Digitalfotografie trotz frühzeitiger technologischer Vorreiterschaft. Quelle, ein traditionsreiches Versandhaus, unterschätzte die aufkommende Bedeutung des Onlinehandels und musste schließlich Insolvenz anmelden. Nokia, einst führend in der Mobilfunkbranche, verpasste den Trend hin zu Smartphones und verlor seine marktbeherrschende Position im Bereich der smarten Mobiltelefone an aufstrebende Konkurrenten.
Diese Unternehmen ignorierten nicht nur die aufkommenden digitalen Trends, sondern scheuten auch vor notwendigen Veränderungen zurück. Ihre Trägheit und das Festhalten an alten Geschäftsmodellen führten letztendlich zu existenziellen Krisen. Expertinnen und Experten erklären diese Zurückhaltung damit, dass etablierte Unternehmen lieber auf Strategien setzen, mit denen sie vertraut sind und die sich bisher gut bewährt haben. Daher erwarten Fachleute ein weiteres Wachstum bei geringen Veränderungen – wenig Innovation, kaum Investitionen und weitere Gewinne.
Zudem kommt die oberste Entscheidungsebene in etablierten Unternehmen oft nur zögerlich in Gang, wenn es um die Planung und Strategie für die Digitalisierung geht. Dies führt dazu, dass diese Unternehmen oft nicht rechtzeitig auf Trends setzen und dort ein Klima der Angst herrscht, in dem Scheitern nicht toleriert wird. Diese Faktoren behindern den Innovationsprozess und führen zu kurzfristigem Denken. In Deutschland herrscht ein mittelmäßiger Digitalisierungsgrad vor. Im europäischen Vergleich befinden wir uns auf dem dreizehnten Platz. Vorreiter sind die skandinavischen Staaten und die Niederlande[v].
Dabei spielen Digitalisierung und Datenaustausch in Deutschland eine entscheidende Rolle für den Systemumbau der Energieversorgung hin zu einem nahezu vollständig erneuerbaren Energiesystem und fungieren als Enabler dieses Übergangs. Sie sind somit mehr als nur ein unterstützendes Hilfsmittel (Facilitator), insbesondere im Bereich der Strom- und Wasserstofferzeugung und -nutzung. Studien zur klimaschutzkompatiblen Entwicklung unseres Energiesystems betonen Wind- und Solarenergie als wesentliche Pfeiler der zukünftigen Stromerzeugung. Modellrechnungen zeigen, dass zur Erreichung der Klimaziele eine große Anzahl von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen, stationären Batteriespeichern, Elektrolyseuren und anderen technischen Anlagen benötigt wird. Bis 2030 sollen mindestens 80 Prozent des Bruttostromverbrauchs (Haushalte, Unternehmen, öffentliche Einrichtungen) aus erneuerbaren Energien kommen[vi]. Das bedeutet einen enormen Zubau an Solar- und Windkraft-Anlagen.
Hinzu kommt ein Ausbau der Produktion von grünem Wasserstoff bis 2030 auf eine Kapazität von zehn Gigawatt[vii]. Ein bedeutender Anteil dieser Anlagen wird volatile und nicht regelbare erneuerbare Energien zur Stromerzeugung nutzen, was einen Paradigmenwechsel vom bisherigen zentralen Kraftwerksmodell hin zu einem flexibleren System erfordert. Dieses komplexe Zusammenspiel erfordert eine zeitlich angepasste Energienutzung, eine stärkere Kopplung der Sektoren sowie den temporären Einsatz flexibler Erzeugungsanlagen und verschiedener Speichertechnologien[viii].
Gleichzeitig besteht eine Herausforderung in der saisonalen Balance von Angebot und Nachfrage bei der Integration von Strom aus Photovoltaik und Windenergie. Lösungsansätze wie die Erzeugung und Rückverstromung von Wasserstoff sowie die Nutzung großer Speicherkraftwerke werden hier diskutiert. Die Einbindung einer Vielzahl an dezentralen Verbrauchs- und Erzeugungseinheiten als aktiven Marktteilnehmenden ist entscheidend für den kurzfristigen Ausgleich im Energiesystem[ix]. Von ihr hängen die (Kosten-)Effizienz und Umweltfreundlichkeit des Gesamtsystems sowie die Liquidität der Märkte ab.
Die Einführung echtzeitfähiger und resilienter Digitalisierungskonzepte, die eine reaktive Netzführung ermöglichen, ist ein weiterer Schritt zur Entwicklung von Flexibilitätspotenzialen. Allerdings bestehen gegenwärtig noch digitale Lücken, da die Prozesse zur dynamischen Anpassung von Stromangebot und -nachfrage häufig zeitaufwendig und papierbasiert sind. Eine vollständige Ende-zu-Ende-Digitalisierung und ein datenbasierter Informationsaustausch sind erforderlich, um diese Abläufe effizienter und effektiver zu gestalten.
Einblicke in digitale Lösungen
Produktion von grünem Wasserstoff: Hier werden insbesondere die Herausforderungen der volatilen Verfügbarkeit erneuerbarer Energien und der Produktionskosten adressiert. Digitale Lösungen wie automatisierte Energiemanagementsysteme können eine prädiktive Produktionsplanung unterstützen, indem sie Parameter wie Stromverfügbarkeit, Strompreise und Wasserstofflast kontinuierlich analysieren. Predictive Maintenance reduziert Ausfallzeiten und maximiert die Verfügbarkeit der Anlagen durch vorausschauende Wartungsarbeiten.
Wasserstofftransport: Nach der Produktion muss der Wasserstoff zu den Verbrauchern transportiert werden. Dies erfordert jedoch nicht nur die Überprüfung und Anpassung bestehender Infrastrukturen, sondern auch eine Dynamisierung dieser. Smart Grids ermöglichen eine dynamische Anpassung des Wasserstoffflusses in Echtzeit, was zu einer effizienten Verteilung und Nutzung führt. Energiemanagementsysteme können genutzt werden, um die Integration von Energie aus Wasserstoff in bestehende Energieinfrastrukturen zu ermöglichen, indem sie Netzbelastungen ausgleichen und Energieverluste minimieren. Digitale Logistikplattformen koordinieren den Wasserstofftransport und verbessern die Effizienz der Lieferkette, wobei regulatorische Vorgaben und die Nachverfolgbarkeit der Zertifizierung von grünem Wasserstoff berücksichtigt werden.
Wasserstoffspeicherung: Die Speicherung von Wasserstoff ist entscheidend für die Versorgungssicherheit. Eine intelligente Planung der Speicherkapazitäten mit Hilfe digitaler Technologien (wie zum Beispiel Energiemanagementsystemen) kann die Kosten senken, indem sie die Effizienz der Nutzung durch automatisierte Be- und Entladevorgänge maximiert und Energieverluste minimiert. Handelsplattformen bieten Transparenz über Bestände und Nachfrage, während Simulationsprogramme oder digitale Zwillinge verschiedene Speicherszenarien modellieren, testen und optimieren können.
Wasserstoffnutzung: In der Anwendung von grünem Wasserstoff sorgen auf Echtzeitdaten basierte KI-gestützte Steuerungssysteme für eine effiziente und bedarfsgerechte Nutzung von grünem Wasserstoff in verschiedenen Anwendungen, wie zum Beispiel in industriellen Prozessen oder im Bereich Mobilität. Hier werden bereits existierende Cloud-Computing-Anwendungen genutzt, die eine optimale Steuerung ermöglichen. Außerdem gibt es zunehmend Potenzial für neue Geschäftsmodelle, wie zum Beispiel Mietmodelle für Elektrolyseanlagen, welche auf Datenqualität basieren und die Flexibilität erhöhen. Start-ups spielen eine wichtige Rolle bei der Adressierung von Herausforderungen in der Wertschöpfungskette, indem sie innovative Lösungen anbieten.
Entwicklung eines Wasserstoffmarktes: Digitale Lösungen könnten regionale und globale Marktplätze verknüpfen und den Handel über verschiedene Plattformen ermöglichen. Blockchain-basierte Smart Contracts können Handelsabwicklungen automatisieren und absichern, wodurch Vertrauen und Sicherheit erhöht werden. Big-Data-Analysen unterstützen die Preisbildung und die Entwicklung von Marktstrategien durch die Auswertung umfangreicher Marktdaten.
Nachvollziehbarkeit und Zertifizierung: Zertifizierung und Nachvollziehbarkeit der Herkunft des Wasserstoffs dürften aktuell zu den meistdiskutierten Themen zählen. Digitale Ansätze können hier Lösungen bieten, wie zum Beispiel die Blockchain-Technologie. Sie gewährleistet die Nachverfolgbarkeit der gesamten Lieferkette von grünem Wasserstoff, von der Produktion bis zur Endnutzung. Digitale Zertifikate und Supply-Chain-Management-Tools sorgen zudem für Transparenz und Vertrauen in die Herkunft und Qualität des Wasserstoffs. Durch die Nutzung digitaler Technologien wird die gesamte Lieferkette effizienter und nachvollziehbarer gestaltet, was die Akzeptanz und Verbreitung von grünem Wasserstoff fördert.
Forschungsprojekt HyTrust[x]
Datentreuhandmodelle (DTM) gelten als eine vielversprechende Methode, um den organisationsübergreifenden Datenaustausch und die wirtschaftliche Datenverwertung zu fördern. Ein Datentreuhänder fungiert als Intermediär[xi], der als neutrale Vertrauensinstanz und Datenverwalter agiert und sich für einen fairen Interessenausgleich zwischen Datengebern und Datennutzern einsetzt[xii]. Ziel eines Datentreuhandmodells ist es, einen vertrauenswürdigen Rahmen mit geeigneter Infrastruktur für den kontrollierten Austausch von Daten über Unternehmensgrenzen hinweg bereitzustellen. Diese Modelle sollen die Datensouveränität und individuelle Kontrolle über den Datenaustausch stärken, indem Datengeber festlegen können, welche Daten zu welchem Zweck und in welcher Form für welche Akteure zugänglich gemacht werden dürfen[xiii].
Datentreuhandmodell, Quelle: Eigene Darstellung, Fraunhofer IMW
Für den Markthochlauf von grünem Wasserstoff spielen Datentreuhandmodelle eine entscheidende Rolle, indem sie das Potenzial bieten, die Bereitschaft zum Teilen von Daten zu erhöhen und die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Akteuren der Wasserstoffindustrie zu erleichtern. Durch die Verbesserung des Datenzugangs können beispielsweise Wertschöpfungsketten im Kontext der Wasserstoffwirtschaft besser koordiniert und Innovationspotenziale erschlossen werden.
Außerdem stärken Datentreuhandmodelle die Datensouveränität und -sicherheit, indem sie Datengebern ermöglichen, den Zugriff auf ihre Daten genau zu definieren. Die zentralisierte Datenverwaltung und -bereitstellung fördert das Vertrauen und erleichtert den sicheren Austausch von Daten zwischen nationalen und internationalen Akteuren wie Wasserstoffproduzenten und -abnehmern sowie Netzbetreibern.
Trotz der Potenziale gibt es Bedenken und Herausforderungen im Zusammenhang mit Datentreuhandmodellen. Eine verbesserte Datenverfügbarkeit ist nicht automatisch garantiert, insbesondere wenn Datenerfassung und -bereitstellung weiterhin komplex sind. Zudem könnte die Einführung eines Datentreuhandmodells als zusätzliche bürokratische Hürde wahrgenommen werden, die den Prozess der Datennutzung erschwert. Unternehmen und Organisationen könnten auch aufgrund noch offener Haftungsfragen zögern, ihre Daten in einem zentralisierten Modell zu teilen.
Die konkreten Mehrwerte und passenden Anwendungsfälle für Datentreuhandmodelle im Wasserstoffmarkt sind im Status quo noch nicht vollständig definiert. Darum erforschen wir in unserem Projekt, wie Datentreuhandsysteme in der aufkommenden Wasserstoffwirtschaft für verschiedene Anwendungskontexte genutzt und ausgestaltet werden können. Das Forschungsteam entwickelt im Rahmen dieses Projekts tragfähige Geschäfts- und Betriebsmodelle für Datentreuhänder und adressiert technische Aspekte zur Umsetzung des Datentreuhandmodells. Dabei werden die Bedenken und Herausforderungen bei der Einführung eines solchen Modells berücksichtigt und die rechtlichen Rahmenbedingungen und Anforderungen an Datentreuhänder mit einbezogen.
Mögliche Use Cases für Datentreuhandmodelle
Nachvollziehbarkeit und Zertifizierung: Ein Datentreuhandmodell (DTM) wäre bei der Etablierung des Wasserstoffmarktes sinnvoll, da es die Nachvollziehbarkeit und Zertifizierung im Wasserstoffmarkt verbessern kann. Durch ein solches Modell werden Transparenz und Vertrauen geschaffen, was den Marktzugang aus dem Ausland erleichtert und den Nachfragern klare Informationen über nationale und internationale Akteure, Angebote, Speicherung und Nachfrage liefert. Ein neutraler Non-profit-Verband könnte als Datenverwalter fungieren, ohne direkt in die H2-Wertschöpfungskette involviert zu sein. Dadurch würde die Neutralität des Zertifizierungsprozesses gewährleistet.
Planung von H2-Erzeugung und -Abnahme im Hochlauf: Für eine effiziente Planung der Wasserstoffproduktion und -abnahme ist ein Datentreuhandmodell von entscheidender Bedeutung. Es ermöglicht die Erfassung und Analyse von Daten zu Produktionskapazitäten, Speicherkapazitäten, Nachfrageprognosen und importierten Mengen. Diese Daten sind essentiell für die Optimierung der Netzplanung und die Abstimmung von Angebot und Nachfrage. Ein DTM kann Unternehmen dabei unterstützen, Prozesse zu optimieren und den Wasserstoffmarkt effektiv zu gestalten.
Durch Datentreuhandmodell unterstützte Regulatorik: Die Entwicklung einer praxisnahen und sinnvollen Regulatorik im Wasserstoffmarkt wird durch ein Datentreuhandmodell erleichtert. Dieses ermöglicht die systematische Erfassung und Auswertung von Bedarfen und Anforderungen der Akteure sowie die Umwandlung dieser Informationen in regulatorisch relevante Daten. Auf diese Weise können regulatorische Entscheidungen auf fundierten und aktuellen Daten basieren, was zur Schaffung eines stabilen und verlässlichen Marktumfelds beiträgt.
Netzüberwachung: Für die sichere und effiziente Netzüberwachung im Wasserstoffmarkt ist ein Datentreuhandmodell unerlässlich. Es ermöglicht die sekundengenaue Überwachung von Ein- und Ausgängen im Netz sowie die Erfassung und Analyse von Netzdaten. Dadurch können Netzinseln identifiziert, Engpässe vermieden und eine kontinuierliche Versorgung mit Wasserstoff gewährleistet werden. Ein DTM unterstützt die Offenlegung und Analyse von Netzdaten, was für die Sicherheit und Stabilität des Wasserstoffnetzes von großer Bedeutung ist.
Insgesamt zeigt sich, dass ein Datentreuhandmodell im Wasserstoffmarkt eine zentrale Rolle bei der Verbesserung von Transparenz, Planungssicherheit, regulatorischer Unterstützung und Netzüberwachung spielt. Es fördert Vertrauen zwischen den Marktteilnehmern, erleichtert die Entwicklung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft und trägt zur Schaffung eines effizienten und zuverlässigen Marktes für grünen Wasserstoff bei.
Die digitale Transformation ist kein Luxus, sondern eine notwendige Bedingung für die Zukunftsfähigkeit von Unternehmen in der vernetzten Welt von heute. Das lässt sich am Beispiel des Hochfahrens des Wasserstoffmarktes und am Design der Wertschöpfungsketten eingängig aufzeigen. Durch den effektiven Einsatz von Datentreuhandmodellen und digitalen Technologien entlang der Wertschöpfungskette können Unternehmen den Übergang zu einer grünen Wasserstoffwirtschaft erfolgreich gestalten und so einen Beitrag dazu leisten, den nachhaltigen Wandel von Wirtschaft und Gesellschaft voranzutreiben.
[i] BMWK (2020): https://www.bmwk-energiewende.de/EWD/Redaktion/Newsletter/2020/07/Meldung/direkt-erklaert.html
[ii] BDVA Position Paper (2019): Towards a European data sharing space. Enabling data exchange and unlocking AI potential.
[iii] European Commission (2018): Study on data sharing between companies in Europe. https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/8b8776ff-4834-11e8-be1d-01aa75ed71a1/language-en
[iv] Bitkom (2023): https://www.bitkom.org/sites/main/files/2023-05/Bitkom-ChartsDatenoekonomie.pdf
[v] Statista (2022): Digitalisierungsgrad der EU-Länder 2022 | Statista
[vi] Bundesregierung (2024): So läuft der Ausbau der Erneuerbaren Energien in Deutschland. So läuft der Ausbau der Erneuerbaren Energien in Deutschland | Bundesregierung
[vii] Bundesregierung (2023): Neue Gigafabrik für Wasserstoff-Zukunft. Neue Fabrik für Wasserstoff-Elektrolyseure | Bundesregierung
[viii] Digitalisierung und Energiesystemtransformation – Chancen und Herausforderungen (2018) 7288_Henning.pdf (wupperinst.org)
[ix] Strüker J., Weibelzahl M., Körner M.-F., Kießling A., Franke-Sluijk A., Hermann, M. (2021): Dekarbonisierung durch Digitalisierung – Thesen zur Transformation der Energiewirtschaft. wi-1290.pdf (uni-bayreuth.de)
[x] Fraunhofer IMW; Projekt HyTrust (2023): https://www.imw.fraunhofer.de/de/forschung/data-mining/PlattformbasierteWertsch/forschungsprojekte/hytrust.html
[xi] Blankertz, A.; von Braunmühl, Patrick; Kuzev, Pencho; Richter, Frederick; Richter, Heiko; Schallbruch, Martin (2020): Datentreuhandmodelle. Stiftung Neue Verantwortung. https://www.stiftung-nv.de/de/publikation/datentreuhandmodelle
[xii] Kühling, Jürgen LL.M Prof. Dr. (2021): Der datenschutzrechtliche Rahmen für Datentreuhänder. Zeitschrift für Digitalisierung und Recht (ZfDR). https://rsw.beck.de/zeitschriften/zfdr
[xiii] BDR (2019): Der Datentreuhänder – Centrust Platform der Bundesdruckerei. Bundesdruckerei. https://www.bundesdruckerei.de/de/Newsroom/Aktuelles/Vertrauen-durch-Datentreuhaender
von Klaus Vollrath | Nov. 25, 2024 | 2024, Deutschland, Entwicklung, Markt, Meldungen, News
Einblicke in eine sich rasant entwickelnde Technologie
Werkzeuge für das Stanzen, Prägen und Umformen von Blechmaterialien sind sehr anspruchsvoll. Bei der Herstellung sind teils Genauigkeiten im Bereich von 1 bis 2 µm gefordert. Der Schwierigkeitsgrad nimmt stark zu, je größer das Werkzeug und je dünner die Bleche werden. Ein Paradebeispiel hierfür sind Prägeplatten für die Blechteile von Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Hierbei handelt es sich um dünne Strukturen aus verschweißten Blech-Halbschalen, die filigrane Strömungskanäle umschließen. Zusammen mit den dazwischen im Sandwichverfahren angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten ergeben zahlreiche Lagen hintereinander die eigentlichen Stacks.
Bipolarplatten für Brennstoffzellen, die im Kfz-Bereich eingesetzt werden, bestehen häufig aus geprägten, gestanzten und zu Hohlkörpern verschweißten Blech-Halbschalen. Die Herstellung geeigneter Präge- und Stanzwerkzeuge ist beim aktuellen Stand der Technik eine Engpass-Technologie. Dünnere Bleche würden zwar das Gewicht der Brennstoffzellen reduzieren. Je dünner jedoch das Material, desto enger muss auch der Schnittspalt und umso genauer die Geometrie werden. Die von den Präge- und Stanzwerkzeugen sowie von den Pressen zu erbringenden Genauigkeiten sind daher äußerst herausfordernd.
Im Mittelpunkt des Interesses steht die Entwicklung einer geeigneten Prozesskette für die Herstellung der Präge- und Stanzwerkzeuge für die Produktion der Blechteile. Wesentliche Punkte betreffen die Anforderungen an den Stahl für die Werkzeuge, die CAD/CAM-Software, die benötigten Mikrofräswerkzeuge, die Eigenschaften der Werkzeugmaschine, die Schmierung und Kühlung der Fräser sowie die messtechnische Kontrolle und Dokumentation der Qualität.
In diesem Bereich arbeiten beispielsweise die Unternehmen Hufschmied, MHT, Röders, Open Mind, Voestalpine und Zeiss, die gemeinsam den aktuellen Entwicklungsstand im Rahmen eines Seminars mit mehr als 50 Teilnehmern präsentierten. Die dort vorgetragenen Ergebnisse sind nicht nur für Bipolarplatten-Akteure interessant, sondern darüber hinaus auch für weitere Branchen wie die Mikroproduktion, die Feinmechanik, die Medizintechnik oder die Luft- und Raumfahrt.
Ultraharter Stahl: Böhler K888 Matrix
Um die äußerst feinen Strukturen von Bipolarplatten wirtschaftlich darstellen zu können, muss das Prägewerkzeug eine sehr hohe Maßhaltigkeit, gute Verschleißbeständigkeit sowie eine geringe Adhäsionsneigung aufweisen. Weitere Voraussetzung ist eine gute Zerspanbarkeit. Dies setzt einen niedrigen Anteil an Primärcarbiden in einer harten Gefügematrix (Matrixstahl) voraus. Des Weiteren sollten die Carbide nur sehr klein sowie homogen über den gesamten Querschnitt verteilt sein, da grobe Exemplare beim Zerspanen zerbrechen und dadurch Oberflächenfehler verursachen können. Deshalb kommen pulvermetallurgisch erzeugte Stähle zum Einsatz.
Gewählt wurde mit dem Böhler K888 Matrix ein Werkstoff mit einem maximalen Carbidanteil von weniger als zwei Prozent. Dieser wird im weichgeglühten Zustand mit einer Brinellhärte von unter 280 HB ausgeliefert und erreicht nach dem Härten bei Temperaturen zwischen 1.070 und 1.120 °C eine Rockwellhärte von 63 +1 HRC. Dadurch zeichnet er sich selbst im Vergleich mit hoch carbidhaltigen Werkstoffen durch eine hohe Verschleißbeständigkeit aus.
Zerspanungsversuche bei der Firma Hufschmied ergaben, dass das Material dennoch gut bearbeitbar ist und sehr gute Oberflächenqualitäten erreichbar sind. Der Werkstoff ist zudem gut beschichtbar, was ebenfalls zu einer Standzeiterhöhung führt.
CAD/CAM-Software
Für eine optimale Bauteilqualität ist ein geeignetes NC-Programm unentbehrlich. Zur Erstellung dieser NC-Programme bietet Open Mind mit seinem CAD/CAM-System hyperMILL alle Voraussetzungen. Die Software berechnet dazu die Werkzeugwege mit höchster Genauigkeit und liefert dadurch entsprechend exakte NC-Daten. Hierfür müssen jedoch einige Punkte beachtet werden: Um für die Berechnung der Werkzeugwege die Topologie des Bauteils vollständig zu berücksichtigen, müssen geometrische Merkmale wie scharfe Kanten, Lücken sowie die Beschaffenheit der Flächenübergänge analysiert und erkannt werden. Diese Informationen fließen anschließend in die Berechnungen ein und steuern etwa die Punkteverteilung im Werkzeugweg.
Zusätzlich lassen sich weitere Optimierungen wie das Anpassen des Vorschubs durchführen. Dadurch kann das Fräswerkzeug das Bauteil mit konstantem Vorschub bearbeiten. Die Funktion „Sanftes Überlappen“ vermeidet sichtbare Übergänge durch den Einsatz verschiedener Fräswerkzeuge oder Strategien und reduziert den Aufwand für manuelle Nachbearbeitungen auf nahezu null.
Wichtig ist auch die Verknüpfung geometrisch identischer Strukturen innerhalb eines Bauteils, die entweder automatisch oder manuell erkannt bzw. definiert werden. Die entsprechenden Werkzeugwege, die zuerst für einen einzelnen Bereich erstellt wurden, können dann über eine Transformation an die vorher erkannten oder manuell definierten Positionen gebracht und vollautomatisch verbunden werden. Dabei werden unnötige Bewegungen entfernt. Durch dieses Vorgehen lassen sich im CAM-System die Berechnungszeiten erheblich reduzieren.
Anforderungen an die Fräsmaschine
Die Bearbeitung von Prägestempeln für Bipolarplatten ist durch hohe Materialhärte, kleine Werkzeuge mit Durchmessern deutlich unter einem Millimeter sowie hohe Anforderungen an Oberflächengüte und Genauigkeit bis herab in den 1-µm-Bereich charakterisiert. Die kleinteiligen Konturen bedingen zudem lange Laufzeiten, was sehr gute thermische Langzeitstabilität der Werkzeugmaschine voraussetzt.
Röders-Werkzeugmaschinen zeichnen sich unter anderem durch reibungsfreie Direktantriebe, hochsteife Rollenführungen, einen reibungsfreien Gewichtsausgleich der Z-Achse, Präzisions-HSC-Spindeln und eine hochgenaue Werkzeugvermessung aus. Eine Besonderheit ist die mit 32 kHz hohe Taktrate der Regelung in allen Regelkreisen, die eine schnelle Korrektur selbst kleinster Abweichungen ermöglicht. Entscheidend ist außerdem das ausgefeilte Temperaturmanagement durch ein auf ± 0,1 K stabil gehaltenes Temperiermedium, das durch alle wesentlichen Komponenten der Maschine zirkuliert. So lassen sich Toleranzen im unteren Mikrometerbereich prozesssicher einhalten.
Die zur Bearbeitung der verschiedenen Segmente des Demonstrators (50 mm x 40 mm) auf der Röders-Anlage eingesetzten Hufschmied-Werkzeuge der Bumble-Bi-Reihe sowie die entsprechenden Bearbeitungszeiten, Quelle: Röders/Hufschmied
Bumble-Bi-Mikrowerkzeuge von Hufschmied
Für die Fräswerkzeuge ist die Bearbeitung von Prägewerkzeugen für Bipolarplatten eine besondere Herausforderung. Dies liegt an der Härte des zu bearbeitenden Materials und der langen Laufzeit der Programme von teils deutlich über hundert Stunden. Auch erlauben die geforderten Genauigkeiten nur geringen Verschleiß. Hierfür entwickelte Hufschmied die spezielle „Bumble-Bi“-Baureihe von Mikrowerkzeugen. Dazu gehören Hochvorschubfräser für das Schruppen sowie Torusfräser, Kugelfräser und Flatballfräser. Letztere sind eine Art Hybrid aus Torus- und Kugelfräser. Alle Werkzeuge erhalten eine eigens entwickelte PVD-Beschichtung, deren extrem glatte Schichten ein gutes Temperaturmanagement ermöglichen. Die zur Herstellung des Demonstrators eingesetzten Fräswerkzeuge sowie ihre Einsatzparameter sind in einer Tabelle zusammengefasst.
Die hohle Hülse des MHT-Medienverteilers umschließt den Werkzeughalter, ohne ihn zu berühren oder mit ihm zu rotieren. Luft und Schmiermedium werden über die Andockstation unterhalb der Spindel zugeführt.
Optimal schmieren mit dem MHT-Medienverteiler
Bei Zerspanungsprozessen spielt die richtige Kombination von Kühlung, Schmierung und Entfernung von Spänen aus dem Arbeitsbereich eine entscheidende Rolle. Der MHT-Medienverteiler ermöglicht eine effiziente und zudem kosten- und energiesparende Herangehensweise. Kernelement ist eine konische Hülse, die dem Werkzeughalter fest zugeordnet und mit diesem beim Werkzeugwechsel getauscht wird, jedoch nicht mit dem Fräser mitrotiert. Sie wird unterhalb der Spindel angedockt und von dort mit Druckluft und Schmiermedium versorgt.
Die wesentliche Kühl- und Reinigungsarbeit übernimmt hierbei die Druckluft, die aus ringförmig angeordneten Düsen am unteren Rand der Hülse strömt. Durch den starken Luftstrahl werden die Späne samt ihrem Wärmeinhalt sofort vom Fräser und vom Werkstück entfernt. Das Schmiermedium aus sorgfältig ausgewählten Kohlenwasserstoffen wird in äußerst geringen Mengen (2 bis 10 ml/Stunde) zugeführt. Dies genügt, um die Schneiden optimal zu schmieren. Bei der Hartzerspanung verringert sich die Wärmeentwicklung an den Schneiden um etwa 50 Prozent. Entscheidende Vorteile sind deutlich erhöhte Lebensdauern der Werkzeuge, eine höhere Zerspanungsleistung der Maschine sowie bessere Oberflächen der Werkstücke.
Messtechnik und Qualitätskontrolle
Bei der Herstellung von Bipolarplatten-Prägewerkzeugen kommen Fräser mit Durchmessern bis herab zu 0,2 mm zum Einsatz. Für die Qualitätskontrolle müssen sehr kleine und zugleich enge Konturbereiche, zum Beispiel an den Flanken der Fließkanäle sowie an den geschnittenen Kanten, gemessen werden. Da es hierbei bis herab zum einzelnen µm geht, sollte die Messunsicherheit des verwendeten Messsystems zehnmal besser sein als die zu prüfenden Fertigungstoleranzen. Das schaffen jedoch nur wenige Koordinatenmessgeräte.
Um diese Messpunkte fähig und mit vertretbarem Aufwand erfassen zu können, kam daher ein optischer Sensor vom Typ Zeiss DotScan mit einer Messrate von bis zu 1.000 Messpunkte/s zum Einsatz, der mit einer Dreh-Schwenkeinheit in drei verschiedenen Winkelstellungen über die Probe geführt wurde.
Messung des Demonstrators mithilfe des optischen Sensors Typ Zeiss DotScan mit MPE von 1,8 µm + L/350. Um die Flanken besser messen zu können, wurde er mit einer Dreh-Schwenkeinheit des Typs RDS und auf einem Zeiss-„Contura“-Koordinatenmessgerät über die Probe geführt. Quelle: Zeiss
Ergebnisse
Die vorgestellten Ergebnisse (Streuung ±3µm) belegen die Effizienz der hier vorgestellten Prozesskette. Mit der richtigen Auswahl der eingesetzten Komponenten und passender Vorgehensweise lässt sich eine hohe Prozesssicherheit auch bei hochfesten bzw. harten Werkzeugstählen erreichen. Zudem können hierbei hohe Qualitätsanforderungen erfüllt werden. Aber dazu sind auch alle Aspekte eingehend zu betrachten.
Autor: Klaus Vollrath
