von Sven Geitmann | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Tiefkalter Wasserstoff stellt besondere Herausforderungen an die eingesetzten Komponenten, insbesondere wenn sie sich bewegen. Die Kugellager von Tauchpumpen zur Förderung kryogener Medien sind solch stark beanspruchte Teile. Deswegen hat die in Tokio beheimatete Firma NSK selbstschmierende Rillenkugellager entwickelt, die ohne separates Schmiermittel auskommen.
Andere reibungsmindernde Mittel als die Fördermedien kommen nicht zum Einsatz, was tribologisch ungünstig ist. Pumpen, die für Tieftemperaturanwendungen konzipiert sind, verfügen deswegen über eine zweifache Lagerung der Pumpenwelle, wobei die Innen- und Außenringe aus speziellem korrosionsbeständigem Stahl gefertigt werden. Diese Edelstahllager weisen einen verschleißfesten Käfig aus selbstschmierendem Fluorkunststoff (Phenol-Hartgewebe) auf, so dass kryogene Gase wie GH2 (gaseous hydrogen) oder LNG (liquefied natural gas) bei bis zu -200 °C gefördert werden können.
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Der europäische Wälzlagerhersteller NSK Europe Ltd. führt mittlerweile eine ganze Baureihe von Rillenkugellagern, die eigens für diese ungewöhnlichen Betriebsbedingungen ausgelegt sind, im Sortiment – mit Wellendurchmessern von 30 bis 100 mm. Sie halten sowohl tiefen Temperaturen als auch Drehzahlen bis 3.600 min-1 stand und sind sowohl in Wasserstofftankstellen als auch für größere Pumpstationen geeignet.
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Quelle: NSK
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von Niels Hendrik Petersen | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Das Unternehmen H-Tec Systems aus Augsburg hat auf der Hannover Messe 2022 das Hydrogen Cube System, kurz HCS, einem breiteren Fachpublikum vorgestellt. Das HCS erzeugt grünen Wasserstoff via PEM-Elektrolyse. Das modulare System eignet sich für große Multi-MW-Elektrolyseanlagen in energieintensiven Branchen der Industrie oder Chemie, oder um überschüssigen Windstrom zu speichern.
Die Cubes sind sowohl als geschlossene Containerlösung für die Außenaufstellung als auch offen für die Aufstellung in einem Innenraum verfügbar. Sie sind mit 18 PEM-Stacks S450 sowie integrierter Prozesswasseraufbereitung und Leistungsversorgung ausgestattet. Das System kann je nach Kundenwunsch um eine Frischwasser- und Wasserstoffaufbereitung oder eine Wärmeauskopplung ergänzt werden, erklärt der Hersteller.
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Mehrere 2-MW-Cubes dieses Systems sind zu einer Multi-Megawatt-Anlage kombinierbar. Auch eine Anlage, die langfristig 50 MW erreichen soll, kann so konzipiert werden. Die Cubes erreichen laut H-Tec Systems einen Systemwirkungsgrad von 74 Prozent. Sie sind mit einer integrierten Prozesswasseraufbereitung und Leistungsversorgung ausgestattet. Ein HCS-System mit fünf Einheiten, also mit 10 MW Elektrolyseleistung, kann demnach 4.500 kg H2 am Tag produzieren. Das macht 40 bis 50 Tankfüllungen für Lastwagen oder Busse. Durch den modularen Aufbau können, wie beschrieben, mehrere Einheiten miteinander verbunden werden. Die gesamte Anlage wird dennoch weiter zentral gesteuert und überwacht.
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Das HCS eignet sich laut H-Tec Systems für diverse Anwendungen in der industriellen Produktion, beispielsweise für Chemieanlagen, bei der Flottenbetankung von Lkw oder Bussen oder in der Stahlproduktion. Auch für die Parkbetreiber von Ökostromanlagen kann der Einsatz als Strompuffer eine Option sein. Ein konkretes Beispiel: Laut Berechnungen der Firma könnte ein 10-MW-HCS den CO2-Ausstoß in der Stahlproduktion um 117 Tonnen pro Tag und 42 Tausend Tonnen jährlich reduzieren.
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Aufgrund des steigenden Bedarfs will die Augsburger Firma ihre Produktionskapazität weiter ausbauen. Zusammen mit dem Großanlagenbauer MAN Energy Solutions und dessem direkten Zugang zu dem Know-how von Großserien bei Volkswagen soll bis Ende 2023 eine automatisierte Fabrik zur Herstellung der Elektrolyse-Stacks fertig werden, erklärt H-Tec Systems. Demnach soll bis 2025 je nach Bedarf eine Produktionskapazität von 1.000 MW erreicht werden – und in den Folgejahren kontinuierlich ausgebaut werden, so die aktuellen Pläne.
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Autor: Niels Hendrik Petersen
von Sven Geitmann | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Interview mit Benjamin Daniel von Schaeffler Automotive Technologies
Im Juni 2022 hat der Automobilzulieferer Schaeffler mit Symbio, einem Joint Venture von Michelin und Faurecia, das Gemeinschaftsunternehmen Innoplate zur BPP-Produktion „der nächsten Generation“ gegründet. Benjamin Daniel, Leiter des Geschäftsbereichs Brennstoffzelle bei Schaeffler Automotive Technologies, erläutert die neuen Optionen.
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HZwei: Bipolarplatten gelten als strategische Komponente des Brennstoffzellensystems. Wie gehen Sie bei Schaeffler die Herausforderungen bei der Herstellung an? Welche Kompetenzen bringen Sie hier schon mit?
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Daniel: Um Brennstoffzellensysteme in großen Stückzahlen einzusetzen, ist eine effiziente und wirtschaftliche Großserienfertigung der Komponenten wie der BPP der Schlüssel. Diese Industrialisierung steht im Zentrum der Schaeffler-Strategie und ist wichtiger Teil der Roadmap 2025. So können die Kosten von Brennstoffzellen-Stacks und -systemen insgesamt reduziert werden. Als ein weltweit führender Automobil- und Industriezulieferer verfügen wir über eine umfassende Kompetenz im Bereich der Präzisions-Umformungstechnik und -Stanztechnik sowie über fundiertes Prozess-Know-how für die Großserienfertigung von metallischen Bipolarplatten. Wir verwenden diese sowohl für die Elektrolyse als auch als Schlüsselelement der Brennstoffzellen-Stacks. Schaefflers hohe Fertigungstiefe im Bereich Umformungstechnik und anspruchsvolle Beschichtungsverfahren bilden die Grundlage für das fundierte Prozess-Know-how für die Großserienfertigung von Bipolarplatten.
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Welche Rolle spielt hier Ihr Joint Venture mit Symbio?
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Gemeinsam sehen wir ein enormes Potenzial in der sich entwickelnden Wasserstoffwirtschaft. Durch den Aufbau dieses deutsch-französischen Projekts wird zudem die europäische Wertschöpfungskette für Mobilität durch Wasserstoff gestärkt. Wir werden bis Ende des Jahres den Betrieb des Joint Ventures unter dem Markennamen Innoplate aufnehmen und die Produktion von Bipolarplatten der nächsten Generation für den gesamten Markt von Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran forcieren. Dadurch profitieren Kunden zukünftig in diesem Bereich von erhöhter Leistung, größeren Kapazitäten und einem geringeren Preis. Das Joint Venture ermöglicht uns zudem einen schnellen Markteintritt mit einem führenden Brennstoffzellenanbieter als Partner.
Was ist hier der aktuelle Stand und was werden die nächsten Schritte sein?
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Wir entwickeln zurzeit die Fertigungsprozesse in unserem Kompetenzzentrum für Wasserstofftechnologie in Herzogenaurach und bauen die Fertigung am Standort des Joint Ventures in Haguenau in Frankreich auf. Am Produktionsstandort in Haguenau wollen wir anfänglich vier Millionen Bipolarplatten pro Jahr herstellen und haben das Ziel, bis 2030 jährlich rund 50 Millionen Platten zu produzieren. Dann sollen 120 Mitarbeitende in diesem Bereich arbeiten. Die Kunden des Joint Ventures sind Schaeffler und Symbio. Symbio hat bereits von einem führenden Fahrzeughersteller einen ersten Auftrag als wesentlicher Zulieferer für ein Brennstoffzellensystem erhalten. Es ist vorgesehen, dass das Joint Venture hierfür die Bipolarplatten herstellt.
Autor: Michael Nallinger
Abb.: Benjamin Daniel, Leiter des Geschäftsbereichs Brennstoffzelle bei Schaeffler Automotive Technologies
Quelle: Schaeffler
von Sven Geitmann | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Sowohl in PEMEC (Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren) als auch in PEMFC (-Brennstoffzellen) laufen im Betrieb chemische Prozesse ab, die mittel- und langfristig die Oberfläche der verwendeten Materialien angreifen und zu Korrosion führen. Verschiedene Studien zeigen, dass sich bei BPP aus reinem Edelstahl aufgrund der inneren Korrosionsprozesse die etwa für Pkw-Brennstoffzellen angestrebten Lebensdauern von mindestens 10.000 Betriebsstunden nur schwerlich erreichen lassen. Für Brennstoffzellen für den Schwerlastbereich oder aber für Elektrolyseure im Dauerbetrieb sind noch weitaus längere Lebensdauern gefordert.
Die seit Jahrzehnten für eine Vielzahl von Anwendungen genutzte Technik der PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) stellt eine Lösung für diese Problematik dar. „Durch geeignete Beschichtungen der beiden Außenseiten der BPP kann deren Korrosionsverhalten unter Langzeitbetrieb und damit deren Lebensdauer signifikant optimiert werden“, sagt Dr. Andreas Kraft. Laut dem Director of Operations bei PVT Plasma und Vakuum Technik ergeben sich dadurch keine Einbußen in der Leitfähigkeit, sondern sogar Verbesserung hin zu einem angestrebt hohen Leitwert. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Bensheim bei Frankfurt a. M. operiert seit mehr als 35 Jahren im Bereich der ionen- und plasmagestützten PVD-Beschichtung von Werkzeugen und Bauteilen.
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Die Beschichtungen, die auf den BPP aufgebracht werden, sind zwar sehr dünn, stellen aber einen entscheidenden Kostenfaktor bei der Herstellung der Platten dar. „Bei einer Platte mit einer Größe von rund 750 cm2 sollten die Kosten für die Beschichtung deutlich unterhalb von 1 Euro pro Platte liegen“, betont Kraft. Eine gleichzeitige Beschichtung beider Seiten einer BPP erfordere deshalb einen hochproduktiven Beschichtungsprozess sowie zuverlässige Beschichtungstechnik. Deshalb sind auch laut dem Werkstoffexperten die in der Werkzeug- und Bauteilbeschichtung meist üblichen Batch-Beschichtungssysteme hinsichtlich ihrer Produktivität unwirtschaftlich und nicht zielführend.
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„Für eine derartige Massenproduktion kommen nur sogenannte In-Line-Systeme in Frage, bei denen Substrate mit hohem Durchsatz beidseitig und ohne Rotation beschichtet werden“, betont Kraft. Im Unterschied zu Batch-Systemen handelt es sich hierbei um Mehrkammeranlagen, bei denen die Substrate von Kammer zu Kammer transportiert werden. Die Kammern werden dabei von großen Transferventilen separiert, wodurch räumlich und zeitlich getrennt verschiedene definierte Prozessschritte ablaufen können. Dieser Aufbau ermögliche eine saubere Umgebung mit gleichbleibenden Vakuum- und Prozessbedingungen.
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Mit der von PVT entwickelten In-Line-Anlage i-L 4.3500 lassen sich laut Kraft pro Jahr etwa 5 Mio. BPP für Brennstoffzellen mit den Dimensionen von 500 mm x 150 mm beidseitig in gleichbleibender Qualität beschichten. Der Aufbau der Anlage ist als Kombination aus vier kammerförmigen Einzelmodulen realisiert, wodurch gleichzeitig mehrere Positionen an BPP eingeschleust (Atmosphäre à Vakuum), unter gleichbleibenden Vakuumbedingungen beschichtet und schließlich wieder ausgeschleust (Vakuum à Atmosphäre) werden können.
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Der PVT-Manager betont, dass die Beschichtungskosten pro Platte (bezogen auf die Brennstoffzellen-BPP) typischerweise deutlich unterhalb von 1 Euro liegen. Abhängig vom verwendeten Prozess und den eingesetzten Beschichtungsmaterialien können die Kosten sogar signifikant geringer ausfallen, so Kraft.
Autor: Michael Nallinger
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von Sven Geitmann | Nov 27, 2022 | 2022, Allgemein
Die Bipolarplatte ist neben der Membran-Elektroden-Einheit und den Dichtungen das am meisten verwendete Bauteil in Brennstoffzellen-Stacks. Deshalb ist es im Gesamtkonzept wichtig, ihre Kosten zu senken. Die Hersteller, egal ob metallischer oder graphitischer Lösungen, setzen einerseits verstärkt auf Automatisierung und Verkettung der Einzelprozesse und andererseits auf eine Optimierung der Produkte selbst, etwa über eine weitere Reduzierung der Blechstärken. Im Blick sind bereits die nächsten Skalierungsschritte mit Stückzahlen von mehreren Millionen Bipolarplatten für über 100.000 Stacks pro Jahr.
In einer PEM-Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte (BPP) eine Schlüsselkomponente. Sie macht bis zu 80 Prozent des Stackgewichts und bis zu 65 Prozent des Stackvolumens aus, ist also für die Leistungsdichte enorm wichtig. Gleiches gilt für die Funktion: Die BPP übernimmt die Trennung und Verteilung der Prozessgase sowie die Abfuhr von Produktwasser. Auch die Ableitung des erzeugten Stroms und die homogene Verteilung aller Medien sind essenzielle Aufgaben dieser Komponente.
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Bipolarplatten werden hauptsächlich aus metallischen Werkstoffen oder Graphit hergestellt. Die verschiedenen Materialien sind mit unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteilen für die Funktionalität der BPP verbunden. Aufgrund nur geringer Effizienzvorteile und fehlender Herstellungsverfahren für wettbewerbsfähige metallische BPP dominierte in der Vergangenheit die Graphitalternative. Insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen haben allerdings die kohlenstoffhaltigen BPP volumetrische und gravimetrische Defizite gegenüber den metallischen Varianten. Außerdem ist Graphit sehr spröde und kann daher leicht brechen. Dennoch werden Graphitplatten häufig in stationären Anwendungen eingesetzt, bei denen das Bauvolumen keinen limitierenden Faktor darstellt.
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Was die Kosten betrifft, so sind metallische Platten führend. „Mit dem richtigen Herstellungsverfahren lassen sich die Blechdicken auf bis zu 0,05 mm reduzieren. In diesem Bereich liegt Metall auf einem völlig anderen Preisniveau als Graphit“, betont der Hersteller CellForm. Da für einen einzigen Stack mehrere Hundert Platten verwendet werden, sind die finanziellen Auswirkungen auf die Endanwendung enorm. Als weiteren Vorteil der metallischen Variante betont man bei CellForm den positiven Einfluss auf die Kaltstartfähigkeit der Brennstoffzelle.
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Das Unternehmen aus dem baden-württembergischen Baienfurt deckt den gesamten Herstellungsprozess metallischer BPP mit einem mehrstufigen Umformprozess und nachgelagerter Laserverschweißung ab. Firmenvertreter verweisen hierbei auf die „extrem dünnen“ Blechdicken, die eine besondere Herausforderung darstellen: Die Umformung eines solch dünnen Ausgangsblechs und einer so präzisen und anspruchsvollen Geometrie der Kanalstruktur kann aufgrund der physikalischen Beschränkungen schnell zu Rissen führen, die die BPP unbrauchbar machen würden. Hinzu kommen die hohen Qualitätsanforderungen mit geringen Fehlertoleranzen, die in der Serienproduktion mit hohen Stückzahlen gewährleistet sein müssen. „Nur wer diese Anforderung erfüllt, wird sich auf diesem wachsenden und umkämpften Markt behaupten können“, ist man in Baienfurt sicher.
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Abb. 2: Bipolarplatte, gefertigt mit passivem Hydroforming (s. Kasten)
Bipolarplatte gefertigt mit passivem Hydroforming.jpg
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Quelle: Fraunhofer IWU
Diese Herausforderungen üben laut CellForm einen gewissen Selektionsdruck auf die derzeit in der Entwicklung befindlichen Herstellverfahren aus. „Die Verfahren werden aufgrund physikalischer Restriktionen – wie Wärmeentwicklung – in ihrer Ausbringungsmenge für die zukünftige Großserienproduktion begrenzt sein“, ist der Hersteller überzeugt. Dieses Problem trete bei kleinen Stückzahlen noch nicht in Erscheinung, werde aber in den nächsten Jahren mit steigender Nachfrage immer deutlicher werden.
Die von CellForm selbst entwickelte Technologie lasse sich jedoch leicht skalieren. „In Kombination mit einer Dicke von bis zu 0,05 mm ermöglichen wir Strömungsfelder für die effizientesten Brennstoffzellensysteme“, gibt sich das Unternehmen selbstbewusst. Jedes Teil werde im hochmodernen Maschinenpark in einer vollklimatisierten Anlage gefertigt.
Passives Hydroforming
Dank des sogenannten passiven Hydroformings können jetzt auch Pressen, die ursprünglich nicht für die Hochdruck-Blechumformung (HBU) ausgelegt waren, für die Fertigung von Bipolarplatten eingesetzt werden (s. Abb. 2) – und das ohne Wasserhydraulik und Druckübersetzer. Für dieses Verfahren sind Umformdrücke von rund 200 MPa erforderlich. Die Besonderheit des am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz entwickelten Verfahrens ist dabei das Werkzeugkonzept: Die Bewegung des Verdrängerkolbens beim Schließen der Presse führt zur Komprimierung des im Werkzeug eingeschlossenen Wirkmediums. Dadurch kann ausreichend Druck für die Umformung von BPP erzeugt werden. Werkzeugtechnisch anspruchsvoll ist laut IWU insbesondere die Abdichtung des Wirkmediums zwischen dem umzuformenden Blech und der Befüllplatte.
von Sven Geitmann | Nov 17, 2022 | 2022, Allgemein
Die 27. Klimakonferenz COP27 in Ägypten bleibt wie erwartet bisher weit hinter den ohnehin schon niedrigen Erwartungen zurück. 50.000 Personen haben sich in Scharm El-Scheich versammelt und reden, ohne dass bislang konkrete, ambitionierte Vorschläge zu möglichen Maßnahmen gegen die fortschreitende Klimakrise vorgebracht wurden. Umso wichtiger ist es, weiter zu informieren, zu demonstrieren und zu mobilisieren, um noch mehr Menschen auf die Dringlichkeit der aktuellen Lage und die Notwendigkeit des sofortigen aktiven Handelns hinzuweisen. In diesem Sinne fordern die Writers for Future dazu auf, dass sich möglichst viele Menschen laut und wahrnehmbar für mehr Klimagerechtigkeit aussprechen.
Die Writers for Future rufen alle For-Future-Aktivist*innen sowie alle Bürger*innen dazu auf, sich solidarisch an die Seite der Klimagerechtigkeitsbewegung zu stellen und eigene, konkrete Forderungen zu formulieren. Der Zusammenschluss von Autor*innen, Buchhändler*innen, Lektor*innen, Schriftsteller*innen, Verleger*innen und Schreibenden appelliert an alle, die diesen Aufruf lesen, selbst aktiv zu werden.
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„Jedwede Aktion, die für mehr Aufmerksamkeit für die Klimakrise sorgt und keine Personen in Gefahr bringt, ist eine gute Aktion“, erklärt Sven Geitmann, Inhaber des Hydrogeit Verlags. „Macht endlich etwas, auch wenn es euch noch so unbedeutend vorkommt. Informiert, streikt, organisiert Aktionen, um aufzurütteln und um den immer noch Zaudernden deutlich zu machen, dass wir nicht mehr viel Zeit haben, um das Pariser 1,5-Grad-Ziel noch einzuhalten.“
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Zusammen mit vielen Gleichgesinnten rufen die Writers for Future dazu auf, als Zeichen des aktiven Kampfes gegen die Klimakrise drei kurze Sätze zu vervollständigen und zu teilen:
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– Gut, dass es die Fridays for Future gibt, denn sie haben …
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– Jetzt ist genau der richtige Zeitpunkt, um …
– Bis 2030 müssen wir …
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„Mit diesen Statements möchten wir drei Sachen erreichen: Erstens wollen wir uns bei den Jugendlichen für ihr großartiges Engagement bedanken und ihnen zeigen, was sie schon alles erreicht haben. Zweitens möchten wir deutlich machen, dass gerade in der jetztigen Phase mit ihren verschiedenen Krisen enorm viel Potential steckt, aktiv unser aller Leben positiv zu verändern. Und drittens wollen wir konkrete Ziele aufzeigen, für die es sich zu kämpfen lohnt,“ erklärt Geitmann.
Mit diesen drei Sätzen können alle, die sich an der Aktion beteiligen, verfahren, wie es ihnen am sinnvollsten erscheint: Sie können über die verschiedenen Social-Media-Kanäle geteilt werden – in Postings oder Statusmeldungen auf Facebook, Instagram, Linkedin, Mastodon, Twitter, WhatsApp, usw. Sie können in Memes verarbeitet oder auch in Videos vorgeführt werden. Welches Medium gewählt wird, ist zweitrangig. Wichtiger ist Ideenreichtum und maximale Reichweite, um möglichst viele Menschen zu informieren, zu sensibilisieren und zu mobilisieren.
w4F ruft dazu auf, die Statements zwecks größerer Sichtbarkeit mit folgenden Hashtags zu versehen: #klimaretten, #Klimakrise, #COP27, #Weltklimakonferenz
