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Sustainable Manufacturing
Neuigkeiten

Wasserstoff, Treibstoff für die Zukunft: Hierauf ist bei der Brennstoffzellenfertigung zu achten

Veröffentlicht am 2022-03-10 12:00:00 UTC in Sustainable Manufacturing

ACES-Unternehmen benötigen smarte Produktionsansätze und -technologien, um das Wasserstoff-Potenzial zu nutzen. Abläufe vermehrt automatisieren und digitalisieren.

Ist die Rede von nachhaltiger Mobilität, denkt so mancher zuerst an batteriebetriebene E-Autos. Brennstoffzelle oder Wasserstoff-Direktverbrenner sind komplementäre Technologien, die oft in den Hintergrund rücken und doch einiges zu bieten haben, wenn es um CO₂-Reduzierung und Marktoptionen geht.
Die deutsche und europäische Automobilindustrie sieht das ähnlich: In einer aktuellen Expleo-Studie erklärten 80 Prozent der befragten Autohersteller, dass sie wasserstoffbetriebene Fahrzeuge für umweltfreundlicher und sauberer als Elektroautos halten. 64 Prozent glauben, dass es in den kommenden zwei Jahren erste serienreife Wasserstoffautos im Markt geben wird.
Erforderlich sind jedoch mehr Innovationsfreude vonseiten der Hersteller und Zulieferer, Unterstützung durch die Politik und Investitionen in eine bessere Energieinfrastruktur. Worauf es darüber hinaus ankommt: Unternehmen im ACES-Umfeld – das ACES steht für autonomes Fahren, Connectivity, Elektrifizierung und Shared Mobility – benötigen effiziente und zukunftsfähige Produktionsstätten, Stichwort Smart Factory. Fertigungslinien müssen automatisiert und digitalisiert, manuelle Abläufe eliminiert und Innovationen vorangetrieben werden.

Wirklich nachhaltige Wasserstoffherstellung nur mit erneuerbarer Energie

Moderne und automatisierte Batterie- und Brennstoffzellenherstellung, unterstützt von Robotik, Sensorik und KI, steht im Mittelpunkt nachhaltiger Strategien. Sowohl bei Wasserstoffantrieb als auch bei „klassischen“ E-Fahrzeugen ist die Batterie das zentrale Element, wenn auch deutlich kleiner und anders aufgebaut. Neben E-Antrieb und Wasserstoff sind im Mix der nachhaltigen Antriebsarten noch E-Fuels, synthetische Brennstoffe, zu nennen. Um Wasserstoff wirklich nachhaltig zu nutzen, muss der Treibstoff H₂ allerdings mit Strom aus erneuerbaren Quellen produziert werden (Elektrolyse), was derzeit noch nicht vollumfänglich in größeren Mengen realisierbar ist.

Deutsche Konzerne in Sachen Wasserstoff zu abwartend

Brennstoffzellen sind anders als Batteriezellen nicht auf Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt angewiesen. Hier sind Batteriehersteller stark von China abhängig. Bei der Brennstoffzelle ist das zentrale Material Eisen. Von Vorteil ist darüber hinaus, dass sich Wasserstoff als molekularer Stoff gut speichern, transportieren und für Anwendungen zur Verfügung stellen lässt. Wasserstoffantriebe finden sich aktuell bereits in immer mehr Nutzfahrzeugen wie Stadtbussen, was insbesondere der Tatsache geschuldet ist, das sie mehr Platz für die benötigte Antriebseinheit bieten. In „normalen“ Autos sind Wasserstoffantriebe noch verhältnismäßig selten, was zum einen an den fehlenden H₂-Tankstellen, zum anderen aber auch an der zögerlichen Umsetzung der Industrie liegt.

Abläufe in Elektrolyse und Brennstoffzellenfertigung vermehrt automatisieren

An New Energy Vehicles, den sogenannten NEVs, führt kein Weg vorbei, um die anvisierten Pariser Klimaziele auch nur ansatzweise erreichen zu können. Wasserstoff lässt sich aus erneuerbaren Energien CO₂-neutral herstellen und in Brennstoffzellen in elektrische Energie verwandeln. Bei der Herstellung dieser Brennstoffzellen, sind jedoch einige Herausforderungen zu meistern, um Effizienz und Präzision zu gewährleisten. Das gilt sowohl für die Fertigung der einzelnen Komponenten als auch für die Montage der Stacks bis zur Herstellung des gesamten Systems.
Ein breiter Einsatz der Elektrolyse- und Brennstoffzellentechnologie erfordert Produkt- und Prozessinnovationen, um Produktionskosten zu senken und den Einsatz dieser Technologie voranzutreiben. Es ist eine Skalierung der Produktionsmengen bei gleichzeitiger Einhaltung einheitlicher Qualitätsanforderungen vonnöten. Ratsam sind flexible und skalierbare Fertigungslinien, die sich schnell und problemlos an individuelle Anforderungen anpassen lassen. Es sind Ansätze gefragt, mit denen sich die Produktionskosten von Brennstoffzellen senken lassen, denn nur so wird diese Technologie längerfristig angenommen werden.

Batterieexpertise unterstützt Brennstoffzellenfertigung

Anders als bei der Batteriezellenfertigung, bei der bereits seit vielen Jahren Abläufe automatisiert stattfinden und immer weiterentwickelt werden, steht die Brennstoffzellenfertigung noch nahezu am Anfang. Dies ist vor allem der Tatsache geschuldet, dass Wasserstofftechnologien derzeit noch nicht die Anwendung und Akzeptanz finden, die eine gesteigerte Produktion erfordern. Viele Workflows werden daher halbautomatisch oder sogar manuell durchgeführt. Um Wasserstoffanwendungen attraktiver zu machen, ist eine vermehrte Automatisierung in der Herstellung dringend erforderlich. Da sich Batterie- und Brennstoffzellenfertigung in vielen Punkten ähneln, ist es ratsam, hier auf einen Partner zu setzen, der sich mit automatisierter Batteriezellenfertigung auskennt. Neben der Technologie und dem Knowhow sind zudem Systemintegratoren und Maschinenbauer gefragt, die dieses Thema gemeinschaftlich vorantreiben. Ein besonders kritischer Prozess in der Batterie- und Brennstoffzellenfertigung ist das Stacking (Stapeln) – hier können Fehler, etwa Lecks, geschehen.

Factory of the Future: Modernisierte Produktionsabläufe, innovative Technologie

Grundpfeiler eines derartigen Vorgehens und einer zukunftsorientierten Brennzellenfertigung zur Forcierung nachhaltiger Mobilität, sind die Ansätze und Technologien der Smart Factory (Produktion der Zukunft). Sie ermöglichen es, parallel zur Erweiterung und Umstellung auf neue Antriebstechnologien die Produktion umfassend zu modernisieren und Lieferketten von Grund auf zu rationalisieren. Innovative Industrierobotik, mobile Roboter und Cobots, Edge Computing, Sensorik, die Kopplung von Mechatronik und IT, aber auch Augmented Reality (AR) sind einige Beispiele dieser Fabrikhalle der Zukunft.
Ein möglichst hoher Digitalisierungsgrad ist der Schlüssel zum Erfolg, damit sich der Fertigungsprozess selbständig optimieren kann. Aber auch Traceability ist essenziell, um jede einzelne Schicht einer Brennstoffzelle idealerweise zurückverfolgen zu können, um dann Rückschlüsse zu ziehen, wo eine Fertigung nicht optimal läuft.
Ein weiterer Pfeiler ist Künstliche Intelligenz (KI), da sich mit ihr neue Effizienzpotenziale aus hochkomplexen Fertigungsketten freisetzen lassen. Richtig eingesetzt, kann KI Unternehmenslenkern im Automotive-Bereich helfen, eigene Abläufe besser zu verstehen. Die durch KI- und Sensor-basierte Technologien gesammelten Informationen führen zu neuen Erkenntnissen, um Prozesse innerhalb und außerhalb des Unternehmens zu optimieren. Ein Beispiel ist Predictive Maintenance: Mit ihr lassen sich etwa Verschleißmuster, Besonderheiten und Anomalien erkennen und so dem Ausfall von Maschinen, Stillständen und Fehlern entgegen wirken. Außerdem kann KI dazu beitragen, Marktanteile in Blue-Ocean-Segmenten – neuen innovativen Märkten – zu erobern. Besonders zu achten ist darüber hinaus auf nahtlose und flexible Intralogistikabläufe, Stichwort transparente Supply Chain.

Fazit: Gemeinschaftliches Vorgehen gefragt

In den kommenden Jahren wird sich ein Mix aus verschiedenen Antriebstechnologien am Markt etablieren. Hierzu gehört die Brennstoffzelle als ein wichtiger Baustein. Damit die alternativen Technologien der Zukunft an Auftrieb gewinnen, liegt es nun an Politik, Herstellern und Dienstleistern, an einem Strang zu ziehen, Rahmen- und Produktionsbedingungen zu optimieren, Digitalisierung und Automatisierung voranzutreiben. OMRON unterstützt hier mit langjähriger Expertise.

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  • Henry Claussnitzer

    Henry Claussnitzer