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Netzwerk HZwo an der TU Chemnitz - Dem Brennstoffzellenantrieb zum Durchbruch verhelfen

An alternativen Antrieben für eine ökonomisch wie ökologisch sinnvolle Mobilität wird an vielen deutschen Hochschulen und Instituten geforscht. Bricht man das Thema auf den Brennstoffzellenantrieb herunter, dann landet man bei etwa einer Handvoll Einrichtungen. Zu ihnen gehört die TU Chemnitz. Hier hat Prof. Dr. Thomas von Unwerth 2010 mit dem Aufbau der Professur für Alternative Fahrzeugantriebe begonnen und das Thema Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb in den Vordergrund gerückt. Zu diesem Zeitpunkt konnte er bereits auf ein Jahrzehnt Erfahrung auf diesem Gebiet verweisen. Diese Kompetenz hat er sich in der Konzernforschung von Volkswagen erworben und beispielsweise am Aufbau einer Brennstoffzellen-Fahrzeugflotte für die Olympischen Spiele 2008 in China mitgearbeitet. 


Die Ausschreibung der Professur sei damals eine sehr weitsichtige Entscheidung der Chemnitzer Universitäts-Gremien gewesen, und die Bewerbung darauf habe er keinen Tag bereut, betont Prof. von Unwerth: „Ich wusste, dass ich in eine Region mit viel Sachverstand zum Thema Automobil komme, eben in das Autoland Sachsen. Hier gibt es viele gestandene KMU, aber auch Start-ups, die sich mit innovativen Aufgabenstellungen für neue Mobilität befassen. Auf dieser Basis haben wir viele Partner gefunden, mit denen wir gemeinsam an den Antrieben der Zukunft arbeiten.“


Ein solcher Antrieb ist die Elektromobilität, aber nicht nur die batteriegestützte, sondern ebenso die Wasserstofftechnologie. In der Brennstoffzelle wird die chemische Energie des Wasserstoffs in Reaktion mit Sauerstoff direkt in die elektrische Antriebsenergie gewandelt. Eine Verbrennung ist nicht erforderlich, ebenso keine Zwischenspeicherung. Dennoch haben auch diese Fahrzeuge eine Batterie an Bord, z. B. um die Bremsenergie zu sammeln. 


Prof. von Unwerth ist überzeugt, dass gerade mit Brennstoffzellen betriebene Elektrofahrzeuge im Langstreckenbereich punkten können. Bereits am Markt oder in Entwicklung befindliche Modelle weisen Reichweiten von 400 bis 600 Kilometer auf. Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann man rund 100 Kilometer weit fahren. Ein Tanksystem fasst im Durchschnitt fünf bis sechs Kilogramm. Ein Tankvorgang dauert etwa drei bis fünf Minuten. Das heutige Tankstellennetz lässt sich im Vergleich zur Errichtung eines völlig neuen Elektro-Ladenetzes mit weitaus weniger Aufwand ausbauen. Und die Fahrzeuge verursachen keine anderen Emissionen als Wasserdampf. Diese Vorteile lassen brennstoffzellenbetriebene E-Autos wesentlich alltagstauglicher erscheinen als batteriegestützte. Was also behindert den massenhaften Einsatz dieser Antriebstechnologie?


„Es fehlt noch an großserientauglichen und kostengünstigen Verfahren zur Herstellung der notwendigen Komponenten“, weiß Prof. von Unwerth. Damit sich das ändert, bündelt er mit Partnern sächsische Kompetenzen auf diesem Gebiet im Netzwerk „HZwo: Antrieb für Sachsen“. Es ist zugleich Sachsens erstes InnoTeam, ein neuer Baustein in der Technologieförderung des Freistaates, mit dem die Kooperation von Industrie und Forschung für die Entwicklung neuer Produkte bzw. Verfahren vorangetrieben werden soll.


Ein aktuelles HZwo-Projekt widmet sich dem Herzstück im Brennstoffzellen-Antriebsstrang – der Bipolarplatte, an der die Umwandlung des Wasserstoff-Gases in Protonen und Elektronen erfolgt. Für ein Brennstoffzellen-Stack in einem Fahrzeug werden durchschnittlich 800 Platten benötigt. Die Fertigung dieser meist graphitbasierten Komponenten ist gegenwärtig noch sehr aufwändig. Die Chemnitzer Wissenschaftler arbeiten deshalb mit Industriepartnern an einer neuen Bipolarplatte, die sich mit großserienfähigen Fertigungsverfahren und Produktionsanlagen kostengünstig herstellen lässt. Bis 2019 soll der Prototyp entstehen. 


Beim Material setzt das Entwicklerteam auf Edelstahl. „Gegenüber Graphit können die Platten deutlich dünner ausgelegt und kostengünstiger hergestellt werden. Damit unterstützen wir auch das Bestreben der Autoindustrie nach Leichtbau“, begründet Prof. von Unwerth die Werkstoffwahl. Die Materialexperten im Projekt kommen von der Auerhammer Metallwerk GmbH Aue. Sie entwickeln ein funktionalisiertes Halbzeug. Das ist eine Plattierung verschiedener Metalle mit jeweils geforderten chemischen, physikalischen und wirtschaftlichen Eigenschaften als Ausgangsmaterial für den Herstellungsprozess der Bipolarplatte. „Wir sehen die Brennstoffzelle als Schlüsseltechnologie für die E-Mobilität, da der Wasserstoff als einziger Energieträger hohe Reichweiten bei null Emission ermöglicht“, erklärt Geschäftsführer Dr. Rainhard Laag die Motivation zur Mitwirkung im Projekt. Durch die Mitarbeit bei der Entwicklung der Bipolarplatte und des Herstellungsprozesses verspricht sich das Unternehmen aus dem Erzgebirge einen Vorsprung gegenüber der Konkurrenz bei der Herstellung des Ausgangsmaterials und damit einen Zugang zum Wachstumsmarkt der Brennstoffzellen.


Die Bipolarplatten benötigen Beschichtungen, mit denen vergleichbare physikalische und chemische Eigenschaften erzielt werden wie mit Graphitplatten. Das hierfür notwendige Know-how von der Forschung und Entwicklung bis zur industriellen Beschichtungslösung bringt die VON ARDENNE GmbH Dresden in das Projekt ein. 


Ein weiterer Industriepartner ist die WätaS Wärmetauscher Sachsen GmbH Olbernhau. „WätaS baut sich durch die Teilnahme am Projekt zukünftig ein neues Standbein auf. Hierdurch können eigenständige Produkte entstehen, die wir auf den Markt bringen. Somit haben wir die Chance, als Lieferant ein neues zukunftsträchtiges Marktsegment mit enormen Wachstumspotentialen erschließen zu können“, so Geschäftsführer Torsten Enders. In zirka fünf Jahren plant das Unternehmen die Komplettfertigung von Brennstoffzellen mit allen Komponenten. Dabei sieht der Chef im Projekt aber auch weitere Chancen, zum Beispiel für seine Mitarbeiter: „Das InnoTeam ist eine Investition in unsere Köpfe. Im Vorhaben entwickeln Projektmitarbeiter bereits heute zukünftige Fertigungstechnologien und werden so selbst Akteure in der Fertigung sein. Damit einher übernehmen sie Verantwortung, bringen sich aktiv in die Unternehmensentwicklung ein und qualifizieren sich weiter. So bietet das Projekt beispielsweise Möglichkeiten zur Promotion.“ 


Das Thema Aus- und Weiterbildung zum Brennstoffzellenantrieb beschäftigt Prof. von Unwerth und die weiteren Akteure über das Projekt hinaus: „Damit morgen Brennstoffzellenfahrzeuge gebaut und gewartet werden können, müssen wir heute beginnen, Fachkräfte zu qualifizieren. In der Ingenieursausbildung sind wir als Universität bereits aktiv und bieten Vertiefungsmodule für alternative Antriebe in mehreren Studiengängen an, auch als internationalen Doppelmaster-Abschluss. Hier arbeiten wir mit Hochschulen in Tschechien, Frankreich und den Niederlanden zusammen“, informiert Prof. von Unwerth.


Die TU Chemnitz arbeitet eng mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) zusammen, um das HZwo-Netzwerk zu erweitern. Dabei bilden der  Kompetenzaufbau auf mehreren Ebenen sowie die Kooperation von Forschung und Industrie die Basis für ein übergreifendes Ziel - den Aufbau einer vollständigen Wertschöpfungskette für Brennstoffzellen-Antriebskomponenten im Autoland Sachsen.


Weiterführende Links
Prof. Dr. Thomas von Unwerth (l.), Inhaber der Professur Alternative Fahrzeugantriebe an der TU Chemnitz, an einem Brennstoffzellensystem. (Quelle: Steve Conrad / Professur Alternative Fahrzeugantriebe / TU Chemnitz)

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