Fraunhofer-Institut forscht an innovativen Brennstoffzellen
Fahrzeuge mit Brennstoffzellen gelten als attraktive Alternative zu Elektroautos. Doch die Zellen sind bisher viel zu teuer. Das will das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz ändern. Die Wissenschaftler entwickeln momentan innovative und kostengünstige Lösungen.
Brennstoffzelle und Wasserstoff treiben die grüne Mobilität voran.
Foto: panthermedia.net/malpetr
Günstigere Brennstoffzellen für die Marktfähigkeit
Wasserstoff als Energieträger und Brennstoffzellen, die mit ihm Strom erzeugen: Die Verbreitung dieser Technologie würde die Energiewende im Verkehrssektor massiv voranbringen. Die Chemnitzer Wissenschaftler sehen darin genauso wie viele andere Experten ein wichtiges Instrument, um den CO2-Ausstoß in einem erheblichen Maß zu senken. Aktuell liegen viele Hoffnungen auf batteriebetriebenen Elektroautos, Unternehmen wie Tesla investieren riesige Summen. E-Fahrzeuge mit Akkus sind aufgrund niedrigerer Produktionskosten näher an der Wettbewerbsfähigkeit, aber es gibt Nachteile: lange, Aufladezeiten, geringe Reichweite, hoher Schadstoffausstoß bei der Herstellung von Batterien und die problematische Entsorgung der Akkus.
Wasserstoffautos tanken Besitzer dagegen innerhalb weniger Minuten auf, bereits heute können sie mit einer Tankfüllung eine Strecke von über 500 Kilometer fahren. Aus diesen Gründen glauben Wissenschaftler, dass bezahlbare Fahrzeuge mit Brennstoffzellen gute Chancen auf dem Markt hätten. Bisher handelt es sich aber um eine Nische, Anfang 2019 waren in Deutschland laut Kraftfahrtbundesamt nur 386 Autos zugelassen. Bei einem Preis von mindestens rund 70.000 bis 80.000 Euro pro Fahrzeug darf das nicht wundern. Der Chemnitzer Projektleiter Sören Scheffler und sein Team wollen ihren Beitrag dazu leisten, dass diese Kosten deutlich sinken.
Dünne Metallfolien statt Grafit als Lösungsansatz
Die Forschungsgruppe des Fraunhofer-Instituts nimmt sämtliche Komponenten und den gesamten Aufbau der Brennstoffzellen unter die Lupe. Sie sucht ganzheitlich nach Optimierungspotenzial. In der Anfangsphase bildet die Analyse der Stacks den Schwerpunkt, dabei handelt es sich um das Herzstück der Brennstoffzelle. Bis jetzt verwenden Unternehmen zur Produktion Bipolarplatten aus Grafit, dieser Bestandteil treibt die Herstellungskosten in die Höhe. Die Wissenschaftler wollen diese Bipolarplatten künftig aus dünnen Metallfolien fertigen. Das Ziel ist klar: dieselbe Effizienz der Brennstoffzelle zum geringeren Preis.
Der Rennwagen Silberhummel® wird künftig mit einem fortschrittlichen Brennstoffzellen-Antrieb ausgestattet sein.
Foto: Fraunhofer IWU
Das Projekt in Chemnitz verbindet Theorie und Praxis: Die Forscher entwickeln diese neuen Brennstoffzellen konkret. Dafür bauen sie eigene Fertigungsanlagen und testen die Erzeugnisse in einem Sportwagen namens Silberhummel. Die Idee für dieses Fahrzeug stammt von der Auto Union in den 1940ern, die Firma hat es aber nie produziert. Die Wissenschaftler haben auf die Konstruktionspläne zurückgegriffen und diesen Wagen gebaut. Ihrer Ansicht nach eignet er sich für dieses Forschungsprojekt ideal. Der willkommene Nebeneffekt: Mit diesem einzigartigen Fahrzeug lenken sie mehr Aufmerksamkeit auf ihre Entwicklungen bei den Brennstoffzellen.
Steuerungssoftware: Anpassung an äußere Faktoren und Fahrsituation
Zudem beschäftigen sich die Forscher des Fraunhofer-Instituts zurzeit mit der Steuerung der Brennstoffzellen. Die bisherigen Zellen auf dem Markt weisen einen starren Betriebsverlauf auf. Die Chemnitzer entwickeln als Alternative eine Steuerungssoftware, die auf äußere Einflüsse und die Fahrsituation reagiert. Sie erhoffen sich durch die dynamische Anpassung an die Umgebungsvariablen und die Art des Fahrens Einsparungen beim Verbrauch. Ihrer Meinung nach macht es zum Beispiel einen großen Unterschied, ob ein Auto langsam bei hohen Temperaturen bergaufwärts fährt oder sich bei Minusgraden schnell auf einer flachen Strecke bewegt.
Über die Stacks und die Steuerungssoftware hinaus begutachten die Experten viele weitere Bestandteile und Mechanismen. Projektleiter Scheffler nennt die Bereitstellung des Wasserstoffes und die Wärmeregulation in der Brennstoffzelle sowie im gesamten Fahrzeug als Beispiele. Zudem analysieren sie sämtliche Materialien, die direkt an der Erzeugung des Stroms beteiligt sind.
Präsentation auf der Hannover Messe im April 2020
Die Forscher befinden sich mitten in der Entwicklungsphase, ein Durchbruch ist noch nicht gelungen. Ihren Forschungsansatz stellen sie auf der Hannover Messe vor, einer internationalen Leitmesse für Technologien, Werkstoffe und Ideen. Die Messe findet vom 20. bis 24. April 2020 statt, die Forscher aus Chemnitz zeigen am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Institute C18 in Halle 16 Präsenz. Dort präsentieren sie den nachgebauten Silberhummel, der auch ohne Brennstoffzellen ein sehenswertes Exponat ist. Die Wissenschaftler haben ihn mit einer eigenen modernen Fertigungstechnologie produziert, dieses Verfahren wird viele Besucher interessieren. Im Zentrum stehen jedoch Erklärungen zu den neuartigen Brennstoffzellen, welche die Verantwortlichen zur besseren optischen Vorstellung digital in den Silberhummel hineinprojizieren werden.
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