STOFF IN DER STAHLINDUSTRIE MODERNER BRENNSTOFFZELLEN-STACKS - Ú WIRTSCHAFTLICHER EINSATZ VON WASSER- Ú BIPOLARPLATTEN: KERNELEMENTE
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Hydrogeit Verlag / www.hzwei.info / 18. Jahrgang / Heft 3 / Juli 2018 / 82
Ú WIRTSCHAFTLICHER EINSATZ VON WASSER-
STOFF IN DER STAHLINDUSTRIE
Ú IPOLARPLATTEN: KERNELEMENTE
B
MODERNER BRENNSTOFFZELLEN-STACKS
I N H A LT
INHALTSVERZEICHNIS
3 Impressum
4 Editorial
5 Meldungen
Tillmetz geht in den Ruhestand
Neues H-Tec-Tandem
GreenTec Award ehrt Nico Rosberg
PtG-Betrieb wieder aufgenommen
Japanischer Elektrolyseur für h2herten
Disruption des Energie- und Transportsektors
Quelle: Umwelt Arena
9 Messen
H2- und BZ-Branche zeigt sich zuversichtlich
f-cell schaut nach Norwegen
14 Hausenergie
Sektorenkopplung im Neubaugebiet
Massive Förderung von BZ-Heizgeräten
16 Energieautarkes Mehrfamilienhaus
in der Schweiz
Energieautarke Wohnhäuser
19 Energiespeicherung
Interview: H2-Speicherung in Ammoniak-Kartuschen
Erlangen – die LOHC-Hochburg
H2 statt CH4 im Kraftwerk
26 Elektromobilität
Quelle: Aaqius/Dubai South
Wohin steuert die Automobilindustrie?
Hat H2 Mobility alles im Griff?
Elektro-Kleinwagen für 10.000 Euro
Brennstoffzelle kommt sicherlich nach 2025
Kosteneffiziente Produktion von BZ-Systemen
34 Entwicklung
Stahlerzeugung mit grünem Wasserstoff
20 Interview mit Aaqius über deren
Stor-H-Speicherkonzept
GrInHy testet RSOC-Anlage in Salzgitter
Die tragende Funktion von Bipolarplatten
41 Produktmeldungen
42 Aktienanalyse
45 International
BIG HIT auf den Orkney-Inseln eröffnet
Quelle: Framatome
H21 – Leeds probt den Wechsel auf H2
Kanada ist die Benchmark für die Industrie
Erhöhung der Effizienz von H2-Tankstellen
54 Terminkalender
55 Firmenverzeichnis
24 LOHC etabliert sich – HySA-Anlage,
Johannesburg, Südafrika
IMPRESSUM HZwei Design: Dipl.-Des. Andreas Wolter, Weimar Namentlich gekennzeichnete Beiträge spiegeln die Meinung der Autoren
Satz: Dipl.-Des. Robert Müller, Berlin wider und entsprechen nicht unweigerlich der Meinung der Redaktion.
Anzeigen: Kirsten Laasner Projektmanagement, Bad Segeberg Inhalte der Zeitschrift sowie der Homepage sind urheberrechtlich geschützt
ISSN: 1862-393X Lektorat: Dione Gutzmer, Berlin und dürfen nur nach ausdrücklicher Zustimmung des Hydrogeit Verlages
Jahrgang: 18. (2018) / Heft 3, Juli 2018 vervielfältigt oder anderweitig veröffentlicht werden. Für unverlangt einge-
Druck: Printec Offset – medienhaus, Kassel sandte Manuskripte und Fotos wird keine Haftung übernommen.
Verlag: Hydrogeit Verlag PEFC-zertifiziertes Papier
Inh. Sven Geitmann, Gartenweg 5 Alle technischen Angaben in
D – 16727 Oberkrämer Druckauflage: 4.500 Stück (plus 20.000 Downloads/Jahr) dieser Zeitschrift wurden von
Erscheinungsweise: 4 × jährlich den Autoren, der Redaktion
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Internet: www.hydrogeit-verlag.de, www.hzwei.info
Redaktion. Mitarbeit: Sven Geitmann, Alexandra Huss, Niels Hendrik Studenten: 50 % Ermäßigung Titelbild: Hochofen im Stahlwerk (Quelle: Adobe Stock)
Petersen, Sven Jösting, Robert Rose Kündigung: jederzeit möglich, 6 Wochen vor nächster Ausgabe
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ENT WICKLUNG
Thema: Entwicklung Autor: Sven Geitmann
GRAPHIT KONTRA METALL
Die tragende Funktion von Bipolarplatten
Bipolarplatten sind Kernelemente eines jeden PEM-Brenn- möglichst geringen Verlusten abgeleitet werden. Gleichzeitig
stoffzellen-Stacks. Über sie wird die Zufuhr von Wasser- muss auf der Anodenseite die Membran befeuchtet und auf der
stoff sowie Luft und auch die Abfuhr von Wasserdampf Kathodenseite das Reaktionsprodukt Wasser abgeführt wer-
beziehungsweise Abgabe von thermischer und elektrischer den. Zudem müssen Reaktionsgase sowie Kühlmedien vonein-
Energie geregelt. Die Gestaltung ihres Flow-Fields hat ei- ander getrennt und alles gut abgedichtet werden.
nen wesentlichen Einfluss auf die Höhe des Wirkungsgrads Für all diese Aufgaben kommen unterschiedliche Materi-
des gesamten Aggregats. Dabei können sich Bipolarplatten alien in Frage, die eine gute elektrische und auch thermische
38 deutlich voneinander unterscheiden – sowohl hinsichtlich
ihrer Größe als auch in Bezug auf ihre Herstellungsweise.
Leitfähigkeit besitzen und außerdem eine hohe Haltbarkeit
unter den gegebenen Betriebsbedingungen gewährleisten
– wahlweise hochkonzentriertes Graphit beziehungsweise
Grundsätzlich lässt sich Folgendes feststellen: Je größer die Graphit-Kunststoff-Mischungen oder auch Metall.
Platten, desto höher ist die Stromstärke einer Einzelzelle, da
mit ihrer Größe auch die wirksame Fläche der Polymer-Elek- GRAPHITPLATTEN Kohlenstoff besitzt generell eine gute
trolyt-Membranen (PEM) korrespondiert. Und je mehr Was- elektrische Leitfähigkeit. Allerdings ist Graphit, eine Son-
serstoff pro Zeiteinheit umgesetzt werden kann, desto höher derform der C-Atomanordnung, sehr spröde und kann bei
ist der Stromfluss. unvorsichtiger Handhabung (Erschütterung, ungleichmä-
Pro Zelle sind zwei Bipolarplatten erforderlich – auf der ßiges Anziehen der Schrauben) leicht zerbrechen. Trotzdem
Anodenseite für die Wasserstoffzufuhr und auf der Katho- werden in der Brennstoffzellentechnik insbesondere im sta-
denseite für die Luftzufuhr. Wird nun die Anzahl der Zellen tionären Bereich, wo der Bauraum kein limitierender Fak-
gesteigert, erhöht sich – parallel zur Verdoppelung der Plat- tor ist, häufig Graphitplatten verwendet. Bei ihnen wird das
tenanzahl – auch die Spannung, da jede Einzelzelle in der Flow-Field in der Regel per Extrusion, durch Heißpressen,
Regel etwa 1 Volt erzeugt. Fräsen oder Spritzgießen erzeugt.
Neben der Medienzu- und -abfuhr sind Bipolarplatten auch Unternehmen wie die Centroplast Engineering Plastics
für das Strom- sowie das Wärmemanagement zuständig. Die GmbH oder die Eisenhuth GmbH & Co. KG, die beide auch
infolge der chemischen Reaktionen anfallende Wärme muss in Hannover ausstellten, arbeiten daran, Composite-Mate-
aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt und so weit wie mög- rialien aus Graphit und Hochtemperaturkunststoffen ein-
lich nutzbar gemacht werden. Und der erzeugte Strom muss mit zusetzen, da diese widerstandsfähiger in aggressiven Um-
gebungen sind. Die Herausforderung liegt insbesondere in
ihrer Lebensdauer, da Graphitplatten im stationären Bereich
· Die Anzahl der Zellen innerhalb des Stacks bestimmt 30.000 bis 50.000 Betriebsstunden überdauern müssen,
die Spannung. während im mobilen Sektor meist 5.000 Stunden ausreichen.
· Die Größe der Membranfläche bestimmt die Strom- Die Produktion einer einzelnen Graphitplatte dauert zwar
stärke. etwas länger als die einer metallischen Platte, kann durch
· Die Größe des Brennstoffzellen-Stacks bestimmt die die gleichzeitige Fertigung mehrerer Exemplare in Serie aber
Leistung. durchaus im Minutentakt erfolgen.
· Die Größe des Brennstoffreservoirs bestimmt die Be-
triebsdauer. METALLISCHE BIPOLARPLATTEN Demgegenüber sind Me-
tallplatten robuster, weshalb sie häufiger b eispielsweise i m
Ein Viertel bis ein Drittel der Kosten von BZ-Systemen Automobilsektor Anwendung finden. I n d er R egel w erden
entfallen auf Bipolarplatten. Und ein Viertel bis ein Drit- jeweils zwei Platten miteinander verschweißt, so dass das
tel der Kosten von Bipolarplatten entfallen auf die Be- Kühlmittel dann quer zum Flow-Field hindurchfließen kann.
schichtung. Ein seit etlichen Jahren gut in der BZ-Branche etablierter
Anbieter ist borit NV. Das belgische Unternehmen, das 2010
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als Spin-off der OCAS NV und der borit Leichtbau-Technik GEWICHTSEINSPARUNG DURCH BESCHICHTUNG Einen
GmbH startete, baut auf ein werkzeugschonendes Hydro- neuen Ansatz verfolgt Dr. Vitali Weißbecker mit seinem
formverfahren namens Hydrogate TM, bei dem eine möglichst Team: Der Wissenschaftler hatte im März 2016 gemeinsam
gleichmäßige Druckverteilung mit Wasser erzeugt wird. mit dem Maschinenbauer Andreas Schulze Lohoff und
Hierbei werden Bleche mithilfe des Wasserdrucks mit bis dem Materialwissenschaftler Dr. Klaus Wedlich Precors ins
zu 1.800 bar gegen ein Werkzeug gedrückt. Auf diese Weise Leben gerufen. Kurz darauf gewannen die drei den Aache-
können auch komplexe Geometrien erzeugt werden, selbst in ner Gründungswettbewerb AC2 mitsamt 10.000 Euro Start-
kapital und auch den f-cell award (s. HZwei-Heft Jan. 2017).
Und zwar war es ihnen gelungen, Gewicht und Volumen
von Brennstoffzellen um 80 % beziehungsweise um 60 %
zu verringern.
Das Problem, insbesondere von Graphitplatten, ist, dass
sie voluminöser und schwerer sind als die Alternative aus
Metall. Ein 85-kW-Stack für ein Brennstoffzellenauto, der
über rund 350 Bipolarplatten verfügt, wiegt etwa 150 kg. Der
Nachteil metallischer Platten ist jedoch, dass sie dazu nei-
gen, in der aggressiven Umgebung im Stack-Inneren zu kor-
rodieren. Die Nachwuchsforscher kamen deswegen auf die
Idee, Metallplatten mit einer selbstentwickelten ultradünnen
Schutzschicht zu besprühen. Anders als andere Beschichter
(z. B. Aperam, Impact Coatings, Sandvik) wählte Precors je-
Abb. 2: Dana lieferte Abb. 3: Dr. Joachim Kroemer von borit doch Kohlenstoff als Schutzschicht.
unter anderem die präsentiert eine Metallplatte Ausgangspunkt dieser Erfindung war Weißbeckers Pro-
Bipolarplatten für motionsthema, bei dem es um kohlenstoffbasierte Beschich-
den Autostack tungen ging. Der Chemiker untersuchte unterschiedliche
Materialien, bevor er quasi durch Zufall eine passende Koh-
Kleinserien, ohne dass Metall über Metall kratzt. Üblicher- lenstoffverbindung fand, deren Zusammensetzung geheim
weise kann das Bauteil hierbei in einem Schritt umgeformt bleiben soll. Nur so viel gab er preis: Die Beschichtung wird
werden, während beim Tiefziehen mitunter bis zu sechs selbst per Synthese im Haus hergestellt und verfügt über eine
Schritte erforderlich sind. Das patentierte Hydrogate-Um-
formverfahren basiert auf einer Erfindung von Dr. Dirk Boh-
mann von der borit Leichtbau-Technik GmbH.
hohe Leitfähigkeit, die vergleichbar ist mit der von Gold. >>
39
AUTOSTACK FÜR NIKOLA Auch Dana Inc., ein großer Au-
tomobilzulieferer aus den USA, ist in diesem Sektor aktiv,
obwohl der Konzern mit seinen über 25.000 Mitarbeitern
weltweit hauptsächlich im Bereich der Verbrennungskraft-
maschinen agiert. Seit Jahren beschäftigt sich das nordame-
rikanische Unternehmen aber auch mit der Elektrifizierung
Bio-elektrochemische
der Antriebstechnik – insbesondere über das deutsche Toch- Brennstoffzelle
terunternehmen Reinz Dichtungs GmbH auch im Bereich
der Brennstoffzellentechnik. Dabei fertigt es Bipolarplatten
sowohl aus Edelstahl als auch aus Graphitverbundstoff, wobei
dem Neu-Ulmer Unternehmen insbesondere das firmeneige-
ne Know-how im Bereich des Laserschweißens zugutekommt.
So entwickelte Dana zunächst für das seit 2010 laufende
Projekt Autostack CORE 1 + 2 eine Bipolarplatte und opti-
mierte diese dann im Rahmen der Folgevorhaben Autostack Unsere Entwicklung für eine
Industry. Ziel dieser Projekte war insbesondere die Senkung emissionsfreie, nachhaltige und
der Kosten und die Verbesserung der Qualität von Brennstoff- saubere Abwasserreinigung
zellen im Automotive-Sektor, um die Möglichkeiten für die
Produktion in großem Maßstab zu verbessern. Wie Ende 2017
bekannt wurde, wird die schwedische Firma PowerCell, die als
Projektpartner die Lizenz zur Vermarktung bekommen hat,
ihren auf dem Autostack basierenden S3-Stack unter anderem Revolutionäres Projekt zur
an den US-amerikanischen H2-Truck-Hersteller Nikola liefern. direkten Stromerzeugung durch
Ebenfalls seit vielen Jahren in diesem Bereich aktiv ist auch Abwasserreinigung von
Eisenhuth
Gräbener Maschinentechnik, die sich allerdings als Anlagen-
bauer vornehmlich um die Produktion der Fertigungsmaschi-
nen kümmert. Aufgrund häufiger Nachfragen hat das Unter- Mittels einer speziellen Brennstoffzelle
nehmen aus Netphen-Werthenbach allerdings inzwischen ist es einem Team von Eisenhuth, der
sein Portfolio so weit ausgedehnt, dass es neben den Hydrofor- TU Clausthal, TU Braunschweig und
ming-Anlagen auch die gesamte Produktionskette vom Dich- KIT Karlsruhe gelungen, aus dem
ten, Schneiden, Schweißen übers Vermessen und Beschichten Abwasser einer Kläranlage direkt
bis hin zur Nachbehandlung der Metallplatten anbietet. Strom zu gewinnen und dabei das
Abwasser gleichzeitig zu reinigen.
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Eisenhuth GmbH & Co. KG | Tel.: +49 (0) 5522 – 90 67 0 | info@eisenhuth.de | www.eisenhuth.de
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nären Konsortium ebenfalls an großserientauglichen Bi-
polarplatten, die für eine kostengünstige Produktion von
Pkw-Brennstoffzellen geeignet sein sollen. Im Rahmen eines
mit 3,6 Mio. Euro geförderten Vorhabens geht es hier vor-
nehmlich um ein fertigungsgerechtes Design, das in eine
sicher und einfach herstellbare Bauteil- und Werkzeuggeo-
metrie überführt werden soll.
Seit April 2016 arbeiten Mitarbeiter der Technischen Uni-
versität Chemnitz gemeinsam mit fünf sächsischen Unter-
nehmen und dem Steinbeis Innovationszentrum Fügetech-
nik an dem Projekt HZwo:BIP – Bipolarplatten aus Sachsen.
Ziel ist, bis März 2019 einen Prototyp präsentieren zu kön-
nen. Prof. Birgit Awiszus, Leiterin des Lehrstuhls Virtuelle
Fertigungstechnik, sagte: „Die Herausforderung liegt darin,
ultradünne beschichtete Bleche mit engen Fertigungstole-
Quelle: Forschungszentrum Jülich
ranzen beschädigungsfrei und mit einer hohen Wirtschaft-
lichkeit umzuformen.“
Der Projektleiter Prof. Thomas von Unwerth von der TU
Chemnitz erklärte: „Wir müssen bereits heute die einzelnen
Komponenten für den Serieneinsatz vorbereiten. Die Pro-
jektfamilie HZwo kann, beginnend bei den Bipolarplatten,
den Aufbau einer Wertschöpfungskette in Sachsen auch für
weitere Serienkomponenten von Fahrzeugbrennstoffzellen-
Abb. 4: Bipolarplatte aus graphitischen Materialien (re.) im Ver- systemen initiieren. Mit diesem Leuchtturmprojekt legen
gleich zu einer noch unbeschichteten metallischen (li.) wir einen Grundstein für die langfristige Entwicklung eines
automotiven Brennstoffzellen-Clusters in Sachsen.“
Das von den drei Wissenschaftlern gemeinsam initiierte Einer der HZwo:BIP-Partner ist die WätaS Wärmetau-
Start-up wurde zunächst für 18 Monate über EXIST-For- scher Sachsen GmbH, die zukünftig Bipolarplatten hoch-
schungstransfer, eine Initiative des Bundesministeriums automatisiert aus Edelstahl und Titan in den marktbestim-
40 für Wirtschaft und Energie, gefördert. Damit konnte nach
der Gründung der Precors GmbH eine Pilotanlage für die
Beschichtung von Bipolarplatten im Technologiezentrum
menden Materialstärken von 0,07 bis 0,1 mm herstellen
möchte. Gegenüber HZwei berichtete Geschäftsführer Tor
sten Enders: „Wir haben ernsthaft investiert und prüfen alles
Jülich finanziert werden. Im Oktober 2017 erfolgte dann der auf Massenfertigung.“ Ziel des Olbernhauer Unternehmens
Umzug in eigene Räumlichkeiten. Auch die Pilotanlage, die ist, das bestehende Know-how aus der Serienproduktion von
über eine Jahreskapazität von 200.000 Platten verfügt, wurde Wärmetauschern auf die Herstellung von Bipolarplatten zu
inzwischen transferiert und in den neuen Räumen aufgebaut. übertragen, damit die Platten zukünftig im Sekundentakt für
Der Mentor des Projekts, Prof. Werner Lehnert, bezeichnete 20 Euro pro Stück gefertigt werden können (s. auch S. 11). ||
diesen Schritt als „mutig und zum richtigen Zeitpunkt“.
Nun geht es bei dem mittlerweile auf fünf Mitarbeiter an-
gewachsenen Team um eigene Schritte auf dem freien Markt,
denn Anfang des Jahres lief die Gründungsförderung aus. Vi-
tali Weißbecker erklärte gegenüber HZwei: „Seit März 2018
sind wir vollständig aus dem Institut raus und bearbeiten eige-
ne Aufträge und Projekte. Eine Anschlussfinanzierung haben
wir über Risikokapital sowie geförderte Projekte.“
Eines dieser Projekte ist PRECOIL, ein vom Bundes-
verkehrsministerium im Rahmen des Programms NIP 2
mit rund 470.000 Euro gefördertes Vorhaben, das Anfang
des Jahres startete und bis Mitte 2020 läuft. Weißbecker
erläuterte, es gehe nicht nur um den Aufbau einer Labo-
ranlage, sondern insbesondere „um das Beschichten von
Metall-Coils im Roll-to-Roll-Verfahren, die im Folgepro-
zess umgeformt und zu doppelschaligen Bipolarplatten ge-
fügt werden können“. Weiter sagte er: „Unser einzigartiges
Beschichtungsmaterial ist elastisch und hochbeständig, so
dass eine nachträgliche Umformbarkeit möglich ist. Ent-
scheidend ist hierbei, dass unsere Expertise sowohl die Ma-
terialsynthese als auch den Beschichtungsprozess umfasst
und somit die Materialeigenschaften gezielt auf die Anwen-
dung angepasst werden können.“
STARTSCHUSS FÜR „INNOTEAM“ Eine ähnliche Entwick-
lung hat in den vergangenen Monaten auch das InnoTeam
HZwo:BIP in Ostdeutschland durchlebt. Dort arbeiteten Abb. 5: Firmen-Chef Enders (mi.) im Kundengespräch während der
Wissenschaftler der TU Chemnitz in einem interdiszipli- Hannover Messe
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