BAM: Nützliche Chemikalien aus CO2

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BAM: Nützliche Chemikalien aus CO2

In Zukunft könnte die Industrie Treibhausgasemissionen nutzten, statt sie in die Atmosphäre freizusetzen – davon gehen Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) anhand aktueller Entwicklungen aus. Denn bei dem Projekt haben sie eine neue Technologie entwickelt, um mithilfe von Bakterien und Solarstrom nützliche Chemikalien aus CO2 zu gewinnen (PEM Electrolysis in a Stirred-Tank Bioreactor Enables Autotrophic Growth of Clostridium ragsdalei with CO2 and Electrons).

Dass sich Kohlendioxid mithilfe von Bakterien elektrochemisch aufwerten lässt, ist dem Prinzip nach bekannt. Dafür werden die Verfahren der Elektrolyse und der Fermentation kombiniert: CO2 wird erst zu CO reduziert und dann von Bakterien zu Essigsäure oder auch zu Ethanol oder Butandiol verstoffwechselt – also zu Säuren und Alkohole, die als Ausgangsstoffe für Spezialchemikalien dienen können. Bislang erfolgen Elektrolyse und Fermentation in zwei getrennten Schritten. Denn die Katalysatoren der Elektrolysegeräte, die aus Gold, Silber oder Kupfer bestehen, sind empfindlich gegenüber der Flüssigkeit, die für die Fermentation benötigt wird. Auch vertragen sich wiederum die Metalle aufgrund ihrer antibakteriellen Wirkung nicht gut mit den nützlichen Mikroorganismen. Die Forschende der BAM haben nun Elektrolyse und Fermentation in einem System miteinander kombiniert. Dafür hat das Team neuartige Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis entwickelt. Die Materialien sind biokompatibel, beeinträchtigen die Funktion der Bakterien also nicht, und sind zudem deutlich kostengünstiger als bisherige Katalysatoren.

Die Machbarkeit des Konzepts wurde in standardisierten Bioreaktoren erfolgreich demonstriert. Ein optimierter Prozess ließe sich also schnell in die industrielle Anwendung bringen. Da die Reduzierung des Treibhausgases CO2 als entscheidend dafür gilt, die Folgen des Klimawandels zu begrenzen, wächst das Interesse an biokatalytischen Prozessen, die CO2-Emissionen binden und in nützliche Chemikalien umzuwandeln können.

„Unsere Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltige und dezentrale Produktion von CO2-basierten Chemikalien. Sie zeigen das Potenzial der Kombination von biologischen und elektrokatalytischen Prozessen“, so Tim-Patrick Fellinger, Leiter des Fachbereichs für Elektrochemische Energiematerialien der BAM. „Die Technologie ließe sich dezentral und in Kombination mit Ökostrom aus Solaranlagen dort einsetzen, wo bei Produktionsprozessen stetig Kohlendioxid produziert und bisher mangels Alternativen als Klimagas in die Atmosphäre freigesetzt wird.“

Klimawandel: Publikation zum Stand der Forschung

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Klimawandel: Publikation zum Stand der Forschung

Das Climate Service Center Germany (GERICS), eine Einrichtung des Helmholtz-Zentrums Hereon, hat das Open-Access-Buch „Klimawandel in Deutschland“ neu aufgelegt. 165 Forschende aus unterschiedlichen Fachdisziplinen fassen darin in 39 Kapiteln das aktuelle Fachwissen zum Klimawandel und seinen Auswirkungen zusammen. Erwartungen für die Zukunft, Chancen und Risiken sowie mögliche Anpassungsstrategien werden greifbar, offene Fragestellungen benannt. Ein ganz neu aufgenommener Teil mit fünf Kapiteln widmet sich der Emissionsminderung unter anderem im Verkehrssektor, der passiven CO2-Speicherung durch naturbasierte Lösungen und Methoden zum aktiven CO2-Entzug.

Zunahme des Risikos für Sturmfluten, mehr Niederschläge und verstärkte Windaktivitäten im Winter, Starkregen und Hochwasser, Dürre, Hitzeperioden und Austrocknung der Böden im Sommer – so vielschichtig ist das Problem und wirkt sich global auf Wirtschaft und Gesellschaft aus: auf Landwirtschaft und Produktion, die Energiegewinnung, den Tourismus, die Meere und Ökosysteme und die menschliche Gesundheit. In gleichem Maße vielgestaltig und adäquat müssen aus Sicht des Autorenteams auch die Antworten sein. Das Buch zeigt daher verschiedene Handlungsoptionen auf, die diskutiert werden. Der Aufruf zum verstärkten Zusammendenken von Klimaschutz und -anpassung, der im jüngst erschienenen European Climate Risk Assessments (EUCRA) der Europäischen Umweltagentur (EEA) enthalten ist, findet auch in diesem Buch seine Entsprechung: Es liefert Hintergrundinformationen und Denkanstöße für verschiedene Sektoren und stellt somit eine wissenschaftliche Grundlage für Anpassungs- und Klimaschutzaktivitäten in einzelnen Regionen und Branchen dar.

Dabei sollten aus Sicht des Autorenteams die Begrenzung des Klimawandels und eine Anpassung an seine Auswirkungen immer zusammen gedacht werden. Dafür könne kann auch ein Perspektivwechsel hilfreich sein, etwa die Frage, inwieweit trägt der eigene Lebensstil zur Erreichung der Pariser Klimaziele beiträgt – Stichwort „Paris Lifestyle. Auch zu diesem Ansatz liefert diese Veröffentlichung interessante Anstöße.

Das Buch wird von Guy P. Brasseur, Daniela Jacob und Susanne Schuck-Zöller herausgegeben. Es ist unter diesem Link als gedrucktes Exemplar sowie als E-Book im Open Access erhältlich.

Gebäudemanagement: Zweites Leben für Smartphones

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Gebäudemanagement: Zweites Leben für Smartphones

Auf Gebäude entfallen in Deutschland mehr als 30 Prozent des Energieverbrauchs. Das sollen selbstlernende Algorithmen ändern, die Gebäude aufgrund ihrer baulichen Merkmale und ihrer Nutzung optimal betreiben können. Allerdings wird für das Gebäudemanagement entsprechende Hardware gebraucht, vor allem Rechen- und Kommunikationsleistung, deren Produktion und Transport ebenfalls wertvolle Ressourcen benötigt und große Mengen CO2 verursacht. Als Alternative zu neuen Geräten setzt Empa-Forscher Hanmin Cai daher auf ausgediente Smartphones.

Zurzeit werden Smartphones häufig wegen eines beschädigten Displays oder nachlassender Akkulaufzeit ersetzt, während Prozessor und Speicher immer noch einwandfrei funktionieren. Hanmin Cai hat untersucht, inwiefern sich grundlegende Kontroll- und Kommunikationsaufgaben im Gebäudemanagement mit herkömmlichen Smartphones durchführen lassen, welche Leistung diese erbringen und welche Software-Applikationen dazu benötigt werden. Dazu hat er einen von ihm mitentwickelten Algorithmus mit Hilfe von Open-Source-Software auf sein altes Smartphone gespielt, um zunächst die Raumtemperatur in einer NEST-Unit innerhalb einer von ihm festgelegten Komfortzone zu kontrollieren. NEST ist das modulare Forschungs- und Innovationsgebäude von Empa und Eawag. In einem zweiten Versuch kontrollierte er damit den Lade- beziehungsweise Entladevorgang einer elektrischen Batterie, die mit einem simulierten Stromnetz verbunden war.

Die ersten Ergebnisse sind dem Forscher zufolge zufriedenstellend, weil beide Aufgaben mit ansprechender Genauigkeit ausgeführt werden konnten. Auch bezüglich der Kommunikationsgeschwindigkeit lag der Smartphone-Controller in einem Bereich, der für die Gebäudesteuerung ausreichend ist. Trotzdem steht die Idee noch ganz am Anfang. Wichtige Fragen – etwa zur Sicherheit der Software-Kette, zur Skalierbarkeit der Anwendung oder der Lebensdauer eines solchen Smartphone-Controllers – sind noch nicht abschließend beantwortet. Außerdem steht noch eine fundierte Analyse des CO2-Verbrauchs über den gesamten Lebenszyklus des Smartphone-Controllers an, um genau beziffern zu können, wie viele Emissionen gegenüber einem neu produzierten Gerät eingespart werden können.

Einen großen Vorteil kann Cai jedoch schon jetzt benennen: „Wir alle kaufen uns etwa alle fünf Jahre ein neues Smartphone. Dazu kommt, dass in den meisten Haushalten mehr als eine Person lebt. Die Ressourcen wären also zur Genüge vorhanden.“

ZevRA: Ressourcenschonende Automobilproduktion

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ZevRA: Ressourcenschonende Automobilproduktion

Im Projekt Ekoda (Effiziente und wirtschaftliche kreislauforientierte Demontage und Aufbereitung) arbeitet ein Forschungsteam des Fraunhofer IWU in Chemnitz bereits daran, den Reuse-Anteil bei Gebraucht- oder Unfallwagen zu erhöhen, die bislang oft mit hohem Energieaufwand verschrottet werden. Jetzt will unter Federführung des Fraunhofer IWU ein Konsortium aus 28 europäischen Partnern zudem Wege in eine konsequent ressourcenschonende Automobil-Produktion aufzeigen: Im EU-Projekt ZEvRA (Zero Emission electric vehicles enabled by haRmonised circulArity) wollen die beteiligten Unternehmen und Institutionen auf Basis eines beliebten Serienmodells von Skoda virtuell ein Circular Car Concept entwickeln. Zu Demonstrationszecken werden sie ein Fahrzeug mit Teilen aus recycelten Werkstoffen aufbauen, die den Kriterien der Kreislaufwirtschaft entsprechen.

Hintergrund: Bis 2035 sollen nach EU-Vorgaben Neufahrzeuge nahezu vollständig aus recycelten, überarbeiteten, umfunktionierten, reparierten oder wiederverwendeten Teilen hergestellt werden; der Verbrauch neuer Rohstoffe für die Pkw-Produktion soll gegen Null gehen. Trotzdem müssen Neufahrzeuge auch künftig alle Anforderungen hinsichtlich der Crashsicherheit erfüllen und den Qualitätsansprüchen der Kunden genügen. Im Projekt ZevRA soll die gesamte Wertschöpfungskette betrachtet werden: von der Materialbereitstellung und der Herstellung bis zu den Prozessen am Ende des Produktlebens. Dafür will ZEvRA eine Methodik für zirkuläres Design und eine ganzheitliche Kreislaufbewertung entwickeln. Betrachtet werden die wichtigsten Materialien, die im Materialmix eines typischen Elektrofahrzeugs mehr als 84 Prozent abdecken: Stahl, Aluminium, Thermoplast-Verbundstoffe, Kunststoffe, Glas, Reifen und Seltene Erden. Zudem sollen digitale Tools Kreislauffähigkeit, Rückverfolgbarkeit und virtuelle Integration von Komponenten in ein vollständig reproduzierbares Fahrzeug sicherstellen.

Zu den Partnern des bis Ende 2026 laufenden EU-Projekts gehören unter anderem Pkw-Hersteller wie Volkswagen, Skoda und Stellantis sowie große Zulieferer wie Faurecia und Continental. Wichtige Erkenntnisse und Ergebnisse von ZevRA sollen so breit in der Automobilindustrie verankert werden und Wirkung entfalten.

Retrofit: Unternehmen für Forschungsprojekt gesucht

Beitragsbild: Ralf Büchler für das IPH

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Retrofit: Unternehmen für Forschungsprojekt gesucht

Produktionskosten senken, die Bauteilqualität erhöhen, Ausschuss reduzieren – all das können Unternehmen mit einem Retrofit erreichen. Ob sich diese Investition lohnt, soll künftig Künstliche Intelligenz (KI) entscheiden. Darum geht es bei dem Forschungsprojekt „DiReProFit“ des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und des Labors für Massivumformung (LFM) der Fachhochschule Südwestfalen. Unternehmen aus der Schmiedebranche, die Unterstützung bei ihrem Retrofit-Vorhaben suchen und im Gegenzug Daten für die Forschung zur Verfügung stellen, können noch in das Projekt einsteigen. Weitere Informationen sowie Kontaktdaten gibt es auf den Projektseiten des IPH Hannover und der Fachhochschule Südwestfalen.

Wie die Projektpartner mitteilen, werden bei einem Retrofit alte Maschinen mit neuen Sensoren ausgestattet, um beispielsweise die Qualität zu überwachen, den Verschleiß vorherzusagen oder den Stromverbrauch zu optimieren. Ein Retrofit ist demnach oftmals deutlich kostengünstiger, als eine gänzlich neue Maschine anzuschaffen – trotzdem schrecken viele Unternehmen vor dieser Investition zurpck, da sie nicht wissen, ob der Kosten- und Zeitaufwand sich lohnt und ob sie mit der neuen Sensorik tatsächlich ihre Ziele erreichen, beispielsweise eine Verbesserung der Qualität oder eine Senkung der Kosten.

Geht es nach den Projektpartnern, soll sich genau das in Zukunft vorhersagen lassen: mithilfe von KI und einem Softwaredemonstrator, der prognistizieren kann, ob Unternehmen ihre Ziele mit einem Retrofit erreichen. Für die Entwicklung dieser Anwendung wollen die Forschenden im Projekt „DiReProFit“ Retrofits begleiten und Daten sammeln und damit den KI-Algorithmus anlernen. Dieser soll Muster in den Daten erkennen und verstehen, welche Art des Retrofits in der Vergangenheit welchen Nutzen gebracht hat. Zukünftige Retrofit-Vorhaben soll die KI dann mit den vorhandenen Daten abgleichen und eine Vorhersage treffen, welche Herangehensweise und welche Sensorik geeignet ist. Das soll Unternehmen helfen, Fehlinvestitionen zu vermeiden.

Da Vorhersagen umso genauer werden, je mehr Daten der KI zur Verfügung stehen, suchen die Forschenden möglichst viele Unternehmen, die gerade ein Retrofit durchführen oder für die Zukunft ein solches Projekt planen. Gesucht werden Unternehmen aus der Schmiedebranche, insbesondere umformende Mitglieder des Industrieverbands Massivumformung (IMU).

ResC4EU: Widerstandsfähige Lieferketten schaffen

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ResC4EU: Widerstandsfähige Lieferketten schaffen

Resilient Supply Chains for Europe (ResC4EU) heißt eine neue Initiative von zehn Unternehmen, Verbänden und Institutionen aus sieben Ländern. Diese haben sich – finanziell unterstützt von der EU – zu einem Konsortium zusammengeschlossen, um EU- und EFTA-Unternehmen dabei zu unterstützen, mittels fortschrittlicher Technologien widerstandsfähiger und nachhaltiger zu werden und sich schnell an Unterbrechungen ihrer Lieferketten anzupassen.

Das ResC4EU-Konsortium will Modelle und Tools entwickeln und bereitstellen, die Unternehmen bei der Erkennung und Antizipation von Störungen in ihrer Lieferkette unterstützen können. Das Projekt ist auf drei Jahre angelegt und soll sich unter anderem an kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) richten. Diesen sollen im Rahmen der ResC4EU Net-Zero Industry Academies maßgeschneiderte Unterstützungs- und Schulungsprogramme angeboten werden.

Ein weiterer Schwerpunkt der Initiative liegt auf der Erkundung von Kooperationsmöglichkeiten und dem Aufbau von Allianzen zwischen traditionellen KMU im verarbeitenden Gewerbe, die fortschrittliche Technologien implementieren müssen, und technisch versierten KMU, die innovative Lösungen für widerstandsfähigere und nachhaltigere Prozesse anbieten. Die Unterstützung durch das Konsortium beginnt mit einer Bewertung der Bedürfnisse, Risiken, Störungen, Herausforderungen und Chancen für KMU.

Das ResC4EU-Konsortium will Unterstützung in folgenden Branchen bieten: Mobilität, Transport und Automobil; Einzelhandel; Sozialwirtschaft; Textilindustrie; Tourismus; Luft- und Raumfahrt & Verteidigung; erneuerbare Energien; energieintensive Industrien, Elektronik; Digital; Konstruktion; Agrarwirtschaft; Gesundheitswirtschaft sowie Kreativ- und Kulturindustrie.

Das Konsortium besteht aus sechs der führenden Industriecluster Europas, einem Cluster- und Innovationsmanagement-Experten (KMU), einem technisch versierten KMU und zwei Forschungsorganisationen mit direktem Kontakt zu bis zu 1000 KMU in ganz Europa. Koordiniert wird das Projekt vom deutschen Spitzencluster Composites United e.V.

PQCDSM: Parallelen in Unternehmen und beim Bergsport

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PQCDSM: Parallelen in Unternehmen und beim Bergsport

Zum Thema „PQCDSM-Logic in Maintenance (TPM) and Mountaineering“ hat Wirtschaftsingenieur Stefan Schmidt (VWI-Kompetenznetzwerk Produktion und Logistik) im Technical Journal einen Fachbeitrag veröffentlicht (https://doi.org/10.31803/tg-20230518082456). Total Productive Maintenance (TPM) bedeutet so viel wie vollständige Aufrechterhaltung der Produktivität. TPM ist die Grundlage für JIT (Just in Time) und Lean Manufacturing und bildet die Basis für JIT oder termingerechte Lieferung. Das Ziel von TPM ist die Verbesserung der Anlageneffektivität und die Optimierung der Anlagenleistung, nämlich PQCDSM (Produktivität, Qualität, Kosten und Lieferung, Sicherheit und Gesundheit, Umwelt und Moral). Viele Hersteller haben versucht, ihr Produktionssystem auf ein JIT- oder Lean-Produktionssystem umzustellen, um die Produktivität und Qualität zu steigern – bisher jedoch sehr häufig (oder meistens) mit wenig Erfolg; nur einige sehr wenige Unternehmen mit frühzeitiger nachhaltiger Lean-Einführung sind vorhanden. Der Beitrag zeigt, wie anhand von Trekking- und Klettertouren die Anwendung der PQCDSM-Logik im Bergsport veranschaulicht und auf die Logistik- und Instandhaltungspraxis übertragen werden kann.

Stefan Schmidt hat jahrzehntelange Erfahrungen mit Expeditionen, Trekking- und Klettertouren sowie TPM-Implementierungen. Aus seiner Sicht gibt es viele Gemeinsamkeiten zwischen der Anwendung der PQCDSM-Logik im Bergsport und in der Logistik- und Instandhaltungspraxis, die sowohl für die betriebliche Praxis in der Industrie als auch für Hochgebirgstouren hilfreich sind, insbesondere im Hinblick auf die Sicherheit in einem sich verändernden Umfeld sowie auf die notwendige Ausdauer.

„Von den vielen Ähnlichkeiten zwischen der Anwendung der PQCDSM-Logik im Bergsport und in der Logistik- und Instandhaltungspraxis, sollte die Sicherheit sowohl in der betrieblichen Praxis als auch bei Hochgebirgstouren besonders betont werden“, schreibt Stefan Schmidt. „Das wichtigste Ziel im Bergsport ist die sichere Rückkehr, während es in der Industrie das Überleben des Unternehmens ist. Allerdings sinkt die Lebensdauer von Unternehmen seit Jahren dramatisch ab.“ Bei den 2015 in Deutschland gegründeten Unternehmen beispielsweise lag die Überlebensrate nach fünf Jahren nur bei 37,1 Prozent.

Einer der Gründe ist laut Schmidt das Fehlen einer langfristigen Ausrichtung für die Umstellung auf ein schlankes Produktionssystem. Die Umstellung auf eine schlanke Produktion werde im Allgemeinen relativ gut eingeleitet, dann aber vom Top-Management kaum weiterverfolgt, so dass die erzielten Erfolge in den nächsten Jahren verpuffen – nicht nur einmal, sondern mehrmals in Wellenbewegungen über Jahrzehnte hinweg. „Die Sicherheit in den Bergen und die langfristige, nachhaltige Unternehmensentwicklung sichern das Überleben in einem feindlichen Natur- und Geschäftsumfeld. Beide erfordern jedoch Ausdauer, denn kein Berg kann ohne Ausdauer bestiegen werden, und kein nachhaltiger Veränderungsprozess in Unternehmen kann ohne langfristige Ausdauer stattfinden“, so Schmidt. „Solange die Unternehmen jedoch weiterhin ihre Richtung in Form von Quartalsberichten vorgeben, werden Veränderungen, wie der Übergang zu einem schlanken Produktionssystem, überwiegend von vielen Rückschlägen, Misserfolgen und Flickschusterei begleitet sein.“

Beitragsbild: Bundesagentur für Arbeit, www.abi.de

Thomas Ritter Keine Kommentare

Wirtschaftsingenieurwesen: Portrait von VWI-Mitglied Martin Theobald auf abi.de

Unser langjähriges Verbandsmitglied und ehemaliges Mitglied im Bundesvorstand Martin Theobald hat in Kaiserslautern Wirtschaftsingenieurwesen studiert und arbeitet nun als Bereichsleiter Qualität bei Hilti Kunststofftechnik. Der 35-Jährige ist für die Qualitätssicherung der Wertschöpfungskette des Unternehmens in Nersingen bei Ulm verantwortlich. Marin Theobald kann damit bereits in jungen Jahren auf eine beeindruckende Karriere im Qualitätsmanagement zurückblicken. Warum das Wirtschaftsingenieurwesen dafür eine hervorragende Basis seiner Berufspraxis darstellt, hat abi.de recherchiert – ein Informationsangebot der Bundesagentur für Arbeit. Zum Beitrag auf abi.de.

Energieverbrauch: Weltweit auf neuem Rekordniveau

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Energieverbrauch: Weltweit auf neuem Rekordniveau

Der weltweite Energieverbrauch hat im Jahr 2022 mit 650 Exajoule ein neues Rekordniveau erreicht: Trotz der enormen Marktturbulenzen bei fossilen Energierohstoffen ist der Verbrauch bei sämtlichen Energieträgern mit Ausnahme von Erdgas deutlich gestiegen. Das zeigt die aktuelle Energiestudie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR). Die Studie stellt Informationen zur weltweiten Rohstoffversorgung mit fossilen Energieträgern, Kernbrennstoffen und erneuerbaren Energien zur Verfügung. Außerdem werden die Entwicklungen rund um das Thema Wasserstoff für eine nachhaltige Energieversorgung betrachtet.

Die globale Erdölförderung erhöhte sich der Studie zufolge um 5 Prozent auf rund 4,4 Milliarden Tonnen. Auch die weltweite Hartkohlenförderung stieg deutlich um 8 Prozent auf rund 7,5 Milliarden Tonnen an. Das war die mit Abstand höchste globale Zuwachsrate in den letzten zehn Jahren. Einen Zuwachs von 1,2 Prozent verzeichnete nach jahrelangen Rückgängen auch die globale Uranproduktion. Dagegen blieb die Erdgasproduktion mit knapp über 4 Billionen Kubikmetern auf dem Niveau von 2021; den kriegsbedingten Förderrückgang in Russland glichen Produktionssteigerungen unter anderem in den USA, in Kanada und Norwegen aus. Der Handel mit verflüssigtem Erdgas (LNG) hat deutlich zugenommen; 2022 wurden insgesamt 124 Milliarden Kubikmeter LNG in die EU importiert – ein Anstieg um mehr als 60 Prozent.

Die erneuerbaren Energien erlebten weltweit 2022 einen Rekordzubau von 295 Gigawatt an Leistung, davon allein 140 Gigawatt in China. In Deutschland hatten 2022 die erneuerbaren Energien einen Anteil von rund 46 Prozent an der Stromerzeugung, wobei Windkraft und Photovoltaik den größten Anteil aufwiesen. Am Energieverbrauch erreichten Windkraft und Photovoltaik in Deutschland zusammen einen Anteil von knapp 6 Prozent.

Aber: Während sich in der EU die energiebedingten CO2-Emissionen aufgrund von Einsparungen um rund 100 Millionen auf 2,48 Milliarden Tonnen verringerten, stieg der weltweite CO2-Ausstoß um mehr als 300 Millionen auf fast 37 Milliarden Tonnen an. Die CO2-Emissionen aus Kohle erreichten dabei mit fast 15,5 Milliarden Tonnen einen neuen Höchststand. Dabei verstärkt der Einsatz fossiler Brennstoffe die Klimaerwärmung weiter, so die BGR weiter: Nach neuesten Erhebungen war 2023 das wärmste Jahr seit Beginn der Datenaufzeichnung.

Brennstoffzellen

Beitragsbild: Rainer Bez/Fraunhofer IPA

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Brennstoffzellen: Auf dem Weg zur Massenproduktion

Einen Roboter, der Brennstoffzellen vollkommen automatisiert innerhalb von Sekunden stecken kann, haben Forschende vom Fraunhofer IPA und vom Campus Schwarzwald im Projekt „H2FastCell“ entwickelt. Dem Team zufolge ist diese Entwicklung wesentlich dafür, dass die Preise für Brennstoffzellen fallen und diese im Schwerlastverkehr den Verbrenner ablösen können. Bislang werden Brennstoffzellenstacks manufakturartig gefertigt, also mit viel Handarbeit und entsprechend zeit- und kostenaufwändig.

Zur Funktionsweise der neuen Technik: Ein Fließband befördert Bipolarplatten ins Sichtfeld eines Roboters, dessen Bildverarbeitungssoftware das Bauteil erkennt. Mit seinem Sauggreifer nimmt der Roboter die Bipolarplatte auf und hält sie kurz in eine weitere Kamera. Diese scannt die Bipolarplatte von unten ab, erfasst die genauen Abmessungen und erkennt die Beschaffenheit der feinen Strukturen auf der Unterseite – ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Dann legt der Roboter die Bipolarplatte auf einem Stapel ab. Zwei Sekunden dauert dieser Arbeitsablauf.

Um eine Sekunde zeitversetzt erkennt, greift und legt ein zweiter Roboter Membran-Elektrodeneinheiten ab – die zweite Schicht, aus der eine Brennstoffzelle besteht. Über die Bipolarplatte werden Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet, in der Membran-Elektrodeneinheit reagieren die beiden chemischen Elemente miteinander. Weil dabei nur eine Spannung von maximal einem Volt entsteht, müssen für einen Brennstoffzellenmotor, der beispielsweise einen Lastwagen antreiben soll, ungefähr 400 Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack gestapelt werden. Pro Sekunde legt das Roboter-Duo eine Bipolarplatte oder Membran-Elektrodeneinheit auf dem Brennstoffzellenstack ab. Ein Stack, der aus 400 einzelnen Brennstoffzellen zusammengesetzt ist, ist also schon nach etwa 13 Minuten fertig. Die manuelle Produktion würde dafür ein Vielfaches der Zeit benötigen.

Ein weiteres Kriterium für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellenstacks ist Präzision. Denn jede Abweichung – und sei es im Mikrometerbereich – kann die Leistung des Brennstoffzellensystems mindern. Deshalb schichten die beiden Roboter parallel zwei Brennstoffzellenstacks auf. Registrieren ihre Kameras bei der Qualitätskontrolle winzige Abweichungen bei Form und Größe, ordnen sie die Bipolarplatte oder Membran- Elektrodeneinheit dem jeweils passenden Stack zu.

Ein digitaler Zwilling dokumentiert die Hochgeschwindigkeitsmontage in Echtzeit. Mit diesen Daten lässt sich simulieren, wie sich die fertigen Stacks später verhalten. Zudem kann mit den Daten eine Simulation durchgeführt werden, die bei der Qualitätskontrolle der Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten zum Einsatz kommt.