Der Erfolg der Brennstoffzelle ist im vollen Gange

Bei Diskussionen zum Wandel der Mobilität wird die Brennstoffzelle frühestens im zweiten Atemzug genannt. Elon Musk bezeichnet die Brennstoffzellentechnologie sogar als „richtig nervig“ und setzt auch bei schweren Nutzfahrzeugen auf rein batterieelektrische Antriebsstränge. Doch der Hochlauf der Produktionskapazitäten von Brennstoffzellenstacks zeichnet ein gänzlich anderes Bild.

Schon heute befinden sich mit Brennstoffzellenbussen bereits vereinzelt Serienanwendungen auf deutschen und europäischen Straßen. Wenn es nach der Daimler Truck AG und JCB Excavators Ltd. geht, sollen künftig auch schwere Nutzfahrzeuge und Baumaschinen mit Wasserstoffantrieben ausgestattet sein. Doch die Produktion von Brennstoffzellenstacks und Systemkomponenten war hierauf lange nicht vorbereitet.

Abbildung 1: Globaler Aufbau von Produktionskapazitäten für Stacks und Systeme / Quelle: PEM der RWTH Aachen

Rasanter Aufbau von Produktionskapazitäten in den nächsten fünf Jahren

Diesen Umstand planen viele namhafte Hersteller nun zu ändern. Überall auf der Welt werden in den nächsten fünf Jahren Werke für die Produktion von Brennstoffzellenstacks und -systemen ihren Betrieb aufnehmen. Zum Vergleich: Global wurden im Jahre 2020 knapp 82.500 Brennstoffzellenstacks gefertigt. Bereits im Jahr 2025 wird allein Toyota in Japan 200.000 Brennstoffzellenstacks pro Jahr fertigen und die Hyundai Motor Company möchte schon im Jahr 2023 50.000 Systeme pro Jahr ausliefern. Auch in Nordamerika werden von Ballard Power Systems und Plug Power betriebene Werke in den kommenden Jahren starten. Es wird deutlich, dass, entgegen dem Gedanken der Globalisierung, Kapazitäten vor allem in den jeweiligen Herkunftsländern der Firmen entstehen.

Deutschland bleibt Produktions- und Industriestandort

Dies hilft auch dem deutschen Industriestandort, denn neben Japan, China und den USA sind insbesondere in Deutschland große Fabriken geplant. So plant die cellcentric GmbH Co. KG ab dem Jahre 2022 in Dettingen die Produktion von 100.000 Brennstoffzellenstacks pro Jahr. Auch die Robert Bosch GmbH (Bamberg, 2022) und die Proton Motor Fuel Cell GmbH (München, 2025) planen mit jeweils 50.000 Stück ähnlich große Kapazitäten. Dieser Aufbau von Produktionskapazitäten ist nicht nur eine deutliche Befürwortung der Brennstoffzellentechnologie, sondern dient auch der Verbesserung ihres Reifegrades. Denn das TRL‑Level des Produkts ist weitaus höher als das seiner Herstellprozesse.

Die Produktionsskalierung löst zentrale Probleme der Brennstoffzellentechnologie

Die Produktionskosten von Brennstoffzellenstacks und -komponenten sind eines der größten Hemmnisse der Technologie. Im Detail liegt das sowohl an hohen Investitions- als auch Betriebskosten, die sich auf die Verkaufspreise niederschlagen. Durch die Skalierung von Produktionsvolumen wird es möglich sein, Anlagen zu niedrigeren Preisen anzuschaffen und die Produktion preisgünstiger durchzuführen. Es ist davon auszugehen, dass innerhalb der nächsten fünf Jahre Brennstoffzellenfahrzeuge zu ähnlichen Kosten herstellbar sind wie rein batterieelektrische Fahrzeuge – trotz der deutlichen Unterschiede in der Forschungsfokussierung vieler Unternehmen.

Dies bedeutet auch, dass das Henne-Ei-Problem nicht mehr nur von der Seite der Tankstelleninfrastruktur angegangen werden kann, sondern auch von Seiten der OEMs. Denn zu hohen Stückzahlen gefertigte Brennstoffzellen befähigen sie zur Herstellung wettbewerbsfähiger und serienfähiger Produkte.

Abbildung 2: Subprozesse des Stackings von Brennstoffzellen / Quelle: PEM der RWTH Aachen

Innovationspotenziale müssen bei der aktuellen Skalierung berücksichtigt werden

Die Skalierung der Produktion ist somit notwendig und kommt auch zum richtigen Zeitpunkt. Dennoch besteht die Gefahr, dass starre Fabrikkonzepte keinen Raum für die Integration aktueller Innovationspotenziale bieten. Denn ebenso wie die Produktionskapazitäten skalieren auch die Patentveröffentlichungen im Bereich der Brennstoffzelle. Exemplarisch dargestellt ist dafür die Entwicklung der Patente zum Thema Bipolarplatte, einer Komponente der Brennstoffzelle. Im Jahre 2020 konnte die Hürde von 4.000 Patentveröffentlichungen erstmalig überschritten werden. Es herrschen weiterhin produkt- und prozesstechnische Verbesserungspotentiale, die zum jetzigen Zeitpunkt nicht vollumfänglich abgesehen werden können.

Von den Herstellern von Brennstoffzellenstacks erfordern diese Innovationspotentiale Flexibilität in der Gestaltung ihrer Produktionsprozesse, die bereits in der Anlagenplanung und -inbetriebnahme antizipiert werden muss. Hierbei lohnt es sich den eigenen Horizont nicht nur auf Mobilitätsanwendungen zu beschränken. Denn die Vorteile der Brennstoffzelle können vielseitig genutzt werden.

Abbildung 3: Entwicklung der Patentveröffentlichungen zum Thema Bipolarplatten / Quelle: PEM der RWTH Aachen

Spannende Anwendungsfelder existieren auch außerhalb der Mobilität

Fälschlicherweise wird die Brennstoffzelle oftmals an ihrem Erfolg in der Transformation der Mobilität gemessen. Doch ihre Anwendung kann auch die Energiewende maßgeblich beeinflussen. Die Nutzung von Wasserstoff als flexible Energiespeicherlösung ermöglicht den Einsatz von Brennstoffzellenstacks in der dezentralen Energieversorgung.

Ballard Power Systems, Caterpillar Inc. und die Microsoft Corporation kooperieren seit einigen Monaten bei der Entwicklung eines Stromversorgungssystem für Rechenzentren, das auf Brennstoffzellenbasis eigenständig und flexibel die Erzeugung und Nutzung von Elektrizität steuern kann. Denn ein großes Problem von erneuerbaren Energien, die zur sektorübergreifenden Dekarbonisierung notwendig sind, sind die hohen Fluktuationen und die unregelmäßige Stromerzeugung. Lediglich Energiespeicher können diese Probleme lösen, wobei Wasserstoff als Energieträger ökonomische und technische Vorteile gegenüber anderer Speichertechnologien aufweist. Auch diesen Bereich kann eine erfolgreiche Produktionsskalierung abdecken.

Die Skalierung alleine garantiert keine erfolgreichen Prozesse

Für eine erfolgreiche Marktdurchdringung reicht das alleinige Vorhandensein von Produktionskapazitäten nicht aus. Neben der ständigen Weiterentwicklung neuer und bestehender Prozesse steht bei der Bewältigung der Produktion von Brennstoffzellenstacks insbesondere das Training und die Weiterbildung der eigenen Mitarbeiter im Fokus. Hier haben sich vor allem Kooperationen mit Forschungseinrichtungen und Industriepartnern etabliert, um Innovationspotenziale zu nutzen und Fehler in der Prozessgestaltung sowie im Produktionsanlauf auf ein Minimum zu reduzieren.

I. Literaturverzeichnis 

Allgemeine Bauzeitung; (Bagger mit Wasserstoffantrieb):
Ersten Bagger mit Wasserstoffantrieb vorgestellt. In: Allgemeine Bauzeitung, 18.07.2020

Hart, D.; Jones, S. (Fuel Cell Review):
The Fuel Cell Industry Review 2020. E4tech, 2021

IT-Times; (Wasserstoff-Brennstoffzellen-Generatoren):
Ballard Power, Caterpillar und Microsoft testen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Generatoren für Datenzentren. In: IT-Times, 22.11.2021

NaNa-Brief; (Wasserstoffbusse):
Wasserstoffbusse auf dem Vormarsch? In: BUS2BUS, 2022

Schaal, S.; (Mercedes GenH2):
Mercedes GenH2 Truck darf auf die Straße. In: electrive.net, 26.10.2021

Schmidt, B.; (Hydrogen Transport):
Musk says hydrogen transport is crazy. In: The Driven, 28.01.2021

Stegmaier, G.; (Brennstoffzelle):
Die Wahrheit über die Brennstoffzelle. In: Auto Motor Sport, 30.06.2020

Über die Autoren

Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker ist der Lehrstuhlinhaber des PEM der RWTH Aachen. Zusammen mit seinem Team widmet er sich der Produktion, Entwicklung und des Recyclings von Batteriesystemen, Brennstoffzellensystemen sowie der Produktion des elektrischen Antriebsstrangs.

Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Heiner Hans Heimes ist geschäftsführender Oberingenieur des PEM der RWTH Aachen. Zusammen mit Herrn Professor Kampker ist er für die strategische und operative Führung des Lehrstuhls zuständig.

Mario Kehrer, M.Sc. ist Oberingenieur am PEM der RWTH Aachen. Er ist verantwortlich für die Bereiche „Fuel Cell Technology & Electrification Engineering“.


 

Sebastian Hagedorn, M.Sc. ist Leiter der Gruppe „Fuel Cell“ am PEM der RWTH Aachen




 

Philipp Euchner, M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am PEM der RWTH Aachen und Teil der Gruppe „Fuel Cell“.                                                                                                                                  

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