Zum Leitthema der Hannover Messe 2024 „Energizing a Sustainable Industry“ führt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA zahlreiche Forschungs- und Transferprojekte durch. Gleich mehrere Abteilungen beschäftigen sich mit Energieeffizienz, Wasserstofftechnologie oder Batteriezellenproduktion. Alle eint die Frage, wie sich der Ressourceneinsatz in der Produktion effizienter gestalten und Verschwendung vermeiden lässt. Ein Überblick über die Projekte.
Inhaltsverzeichnis
1. Gleichstrom für produzierende Unternehmen
2. App legt CO2-Verbrauch für Unternehmen offen
3. Künstliche Intelligenz erkennt Leckagen in Druckluftanlagen
4. Batteriezell-Produktion – von der digitalisierten Fertigungskette bis hin zum Recycling
5. Industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen
6. Die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette rückt in den Blick
Die Themen Energie und Nachhaltigkeit sind ein umfassender Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IPA. Den Schwerpunkt bilden dabei die Optimierung der Energieeffizienz, die Reduzierung von CO2-Emissionen und die Maximierung der Versorgungssicherheit.
Gleichstrom für produzierende Unternehmen
Ein Forschungsteam um Isabella Bianchini von der Abteilung Industrielle Energiesysteme am Fraunhofer IPA hat zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie ein Systemkonzept entwickelt, das die Einführung von Gleichstromnetzen in Fabriken ermöglicht. Das spart Energie und Ressourcen. Das Fraunhofer IPA schätzt die Einsparungen bei Infrastruktur, Logistiksystemen und Fertigungsrobotern auf zwischen acht und 20 Prozent. Die oft überdimensionierten Gleichrichter der einzelnen Maschinen entfallen und Bremsenergie kann in das Gleichstromnetz eingespeist werden.
Gleichstromnetze profitieren von weniger Spannungswandlungen
App legt CO2-Verbrauch für Unternehmen offen
Im bereits abgeschlossenen Forschungsprojekt „Climate Solutions for Industries“ (CS4I) hat ein Team um Christian Schneider von der Abteilung Industrielle Energiesysteme am Fraunhofer IPA zusammen mit Partnern aus der Industrie eine App entwickelt, mit der sich der sogenannte „True Carbon Footprint“ eines Produkts über Unternehmensgrenzen hinweg ermitteln lässt. Denn Prozesse, die der Produktion vor- und nachgelagert sind, verursachen in manchen Fällen bis zu 70 % der gesamten CO2-Emissionen. CS4I adressierte daher von der Beschaffung des Ausgangsmaterials über Investitionsentscheidungen, bis hin zur Auslieferung unterschiedliche Aspekte, damit Unternehmen Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit gleichzeitig berücksichtigen können. Als Entscheidungsgrundlage dient ein digitales Abbild der Maschinen und Anlagen. Auf der Hannover Messe ist ein Prototyp des offenen Plattformkonzepts zu sehen.
Engineering 2036: Konferenz zur Zukunft im Engineering adressiert Nachhaltigkeit
Künstliche Intelligenz erkennt Leckagen in Druckluftanlagen
Die Suche nach den Leckagen war bisher aufwendig. Doch nun haben das Fraunhofer IPA, die Universität Stuttgart und der Sensorhersteller Sick eine automatisierte Detektion entwickelt. Das Herzstück bildet ein Durchflusssensor, der laufend Massenstrom, Druck- und Temperaturverlauf erfasst. Ein intelligenter Algorithmus wertet diese Kurvenverläufe in Echtzeit aus und erkennt charakteristische Signaturen, die auf Leckagen hindeuten. Den aktuellen Stand der gemeinsamen Entwicklungsarbeit veranschaulicht ein Demonstrator.
Batteriezell-Produktion – von der digitalisierten Fertigungskette bis hin zum Recycling
Noch wichtiger als Druckluft für die Produktion ist die Batteriezelle für das Elektroauto. Sie soll kompakt und möglichst leistungsstark sein – und vor allem sicher. Das stellt große Anforderungen an die Produktion. Wie die in Zukunft aussehen könnte, zeigen Forscher:innen vom Zentrum für Digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA. Ihr Ziel ist es, die gesamte Fertigungskette von Lithium-Ionen-Batterien im Labormaßstab aufzubauen und durchgängig zu digitalisieren. Im Vordergrund steht, die Produktivität unter Berücksichtigung von strengen ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen zu stabilisieren und zu steigern.
Mobiles Trockenreinraumzelt DryCleanCape
Zwingend erforderlich für die Batteriezellenproduktion sind eine absolut reine Umgebung und eine besonders geringe Luftfeuchtigkeit. Mit dem mobilen Trockenreinraumzelt DryCleanCape hat ein Forschungsteam um Udo Gommel und Frank Bürger ein mobiles Reinraumsystem entwickelt. Damit lässt sich kostengünstig, schnell und flexibel eine reine und trockene Produktionsumgebung aufbauen, die ähnliche Luftreinheitsklassen erreicht wie hochwertige konventionelle Reinräume. DryCleanCape besteht aus zwei unterschiedlichen Hüllen. Dabei entstehen Trockenheit sowie Partikel- und Chemikalienfreiheit unabhängig voneinander durch separate Luftaufbereitungseinheiten.
Roboterzelle unterstützt Recycling
Aber nicht nur die effiziente Herstellung von Batteriezellen unter reinen Bedingungen wird immer wichtiger, sondern auch das Recycling ausgedienter Batteriesysteme. Denn wenn alle Ankündigungen wahr werden, könnten bis 2030 weltweit fast 50 Millionen Elektroautos auf den Straßen unterwegs sein. Ihre Batterien enthalten wertvolle Rohstoffe wie Nickel, Kobalt, Mangan und Lithium, die wiederverwendbar sind. Im Forschungsprojekt „Industrielle Demontage von Batteriemodulen und E-Motoren“ (DeMoBat) ist deshalb eine Roboterzelle mit ganz verschiedenen Werkzeugen entstanden, die alle nötigen Arbeitsschritte der Demontage ausführen kann und sich für sehr viele Batterietypen eignet. Mehr über das Projekt DeMoBat erfahren Messebesucher.
DeMoBat erforscht Technologien zur Demontage von E-Auto-Batterien
Industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen
Neben Batterien gilt auch Wasserstoff als vielversprechender Energieträger, der sauber und vielseitig einsetzbar ist. Interessant ist Wasserstoff besonders für die Industrie und den Schwerlastverkehr. Damit aktuell emissionsintensive Prozesse durch Wasserstofftechnologien ersetzt werden können, besteht allerdings noch ein weitreichender Forschungsbedarf entlang der gesamten Wertschöpfungskette – angefangen bei der Produktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.
Projekt „H2FastCell“
Sowohl Elektrolyseure als auch Brennstoffzellen werden momentan noch häufig im sogenannten Manufakturbetrieb hergestellt, also mit viel Handarbeit. „Wenn Brennstoffzellen im Schwerlastverkehr den Verbrenner ablösen sollen, müssen sie in industrieller Massenproduktion, weitgehend automatisiert und entsprechend kostengünstig hergestellt werden“, sagt Erwin Groß von der Abteilung Unternehmensstrategie und -entwicklung am Fraunhofer IPA. Genau das ist einem Forschungsteam vom Fraunhofer IPA und vom Zentrum für Digitalisierung, Führung und Nachhaltigkeit Schwarzwald (Campus Schwarzwald) nun gelungen. Im Projekt „H2FastCell“ ist eine Roboterzelle entstanden, in der zwei Roboter in Sekundenschnelle Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten im Wechsel zu Brennstoffzellenstacks stapeln.
Projekt Pep.In
In einer ähnlichen Roboterzelle könnten in Zukunft auch Elektrolyseure massenhaft hergestellt werden, denn auch sie bestehen aus mehreren Schichten – zwei Elektroden und eine Protonen-Austausch-Membran (PEM) in der Mitte – und werden gestapelt. Im Forschungsprojekt „Industrialisierung der PEM-Elektrolyse-Produktion“ (Pep.In) soll bis Frühjahr 2025 aber nicht nur dieses sogenannte Stacking, sondern die gesamte Produktionslinie automatisiert werden – mit sämtlichen nachgelagerten Prozessen bis zum End-of-line Testing. Einblicke in die Forschungsprojekte Pep.In und H2FastCell gibt es auf dem Messestand.
Die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette rückt in den Blick
Noch einen Schritt weiter geht das Forschungsprojekt „Wandlungsfähige, energieflexible und vernetzte H2-Industrieforschungsplattform“ (Wave-H2) der Universität Stuttgart. Betrachtet wird hier ein ganzheitliches industrielles Energiesystem mit dem Fokus auf der Nutzung von Wasserstoff. Für insgesamt rund 36 Mio. Euro soll in den kommenden Jahren auf dem Campus der Universität Stuttgart und benachbart zum Campus Schwarzwald in Freudenstadt eine Industrieforschungsplattform aufgebaut werden. Sie soll unterschiedliche Technologieoptionen für die Erzeugung, Verteilung, Speicherung sowie den Verbrauch von Wasserstoff in einem vernetzten industriellen Energiesystem integrieren und so eine systematische Entwicklung und Erprobung innovativer Produktions- und Energietechnologien erlauben. Die Industrieforschungsplattform wird im industriellen Maßstab aufgebaut und betrieben. So können Firmen ihre Prozesse umrüsten und dort testen. (eve)
Hannover Messe 2024: Halle 12, Stand D15
