Der Schwerlastverkehr braucht günstige Brennstoffzellen. Skaleneffekte senken die hohen Kosten aber nur bedingt, es bedarf auch neuartiger Produktionstechnologien. Der H2Go-Aktionsplan soll nun den nötigen Anschub liefern.
Der H2Go genannten Aktionsplan fördert den Hochlauf der Brennstoffzellen-Produktion mit 80 Millionen Euro
Fraunhofer IWU
Die Brennstoffzelle als Herz des Antriebs der Zukunft – zumindest im Schwerlastverkehr könnte dies Realität werden. Industrieseitig befasst man sich im Bereich der Nutzfahrzeuge zunehmend mit dem Antrieb, wie Beispiele von Schaeffler, MAN Truck & Bus oder Toyota belegen. In einem breiten Markt durchsetzen konnte sich die Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle trotz ihrer verheißungsvollen Zukunft bislang allerdings noch nicht – sie ist zu teuer.
Kostentreiber der Brennstoffzelle sind allen voran die Membran-Elektroden-Einheit und die Bipolarplatte. Auf sie entfallen circa 90 % der Kosten eines Brennstoffzellen-Stacks, wie die Autoren um Ulrike Beyer im Kapitel Produktion der PEM-Systeme, Hochskalierung, Rollout-Konzept darlegen. Der Grund dafür ist die bislang noch aufwendige Fertigung. Hier dominieren noch modular skalierbare, flexible Prozesse, die sich jederzeit an Produktänderungen und Auftragslage anpassen lassen, gibt Gernot Stellberger im Gastkommentar der MTZ 4/22 zu verstehen.
Aktionsplan soll Großserienfertigung anschieben
Ein Forschungsvorhaben der Fraunhofer-Gesellschaft verspricht der Entwicklung hin zur wirtschaftlichen Großserienfertigung von Brennstoffzellen nun aber den nötigen Schub geben. Im Rahmen des Nationalen Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion, kurz H2Go, der das Vorhaben bis Ende 2025 mit rund 80 Millionen Euro fördert, sollen mithilfe der 19 beteiligten Fraunhofer-Institute Forschungs- und Entwicklungsergebnisse in marktfähige Produkte überführt werden und so einen zügigen Markthochlauf ermöglichen.
Das Projekt umfasst zum einen Beratungsdienstleistungen, insbesondere für KMU, die Brennstoffzellen-Produktion einsteigen wollen. Außerdem sollen digitale Produktionslinien für die Analyse von Wertschöpfungsketten aufgebaut und zur Verfügung gestellt werden. Zudem sollen Lösungen für Anlaufprobleme in zukünftigen Serienproduktionen angeboten werden. Die Fraunhofer-Gesellschaft schätzt, dass ein zügig aufgebaute Brennstoffzellen-Industrie zu einem zentralen Kompetenzfeld deutscher Unternehmen werden kann.
Kosten sinken mit der Stückzahl
Wie der Weg hin zur wirtschaftlichen Brennstoffzelle aussehen könnte, haben Autoren um Achim Kampker von der RWTH Aachen im Artikel Brennstoffzellensystemkosten durch Skaleneffekte senken in der Zeitschrift maschinenbau 3/22 skizziert. Dazu haben die Wissenschaftler ein Modell entwickelt, das industrietypische Prozessketten und Produktionskapazitäten mit der Fertigungslinienanzahl und der Auslastung je Fertigungsschritt koppelt. Daran angeschlossen ist ein Kostenmodell, über das sich der Richtpreis – also der Verkaufspreis – pro System ergibt.
Am Beispiel einer PEM-Brennstoffzelle mit einer Systemleistung von 80 kW demonstrieren sie es. Die Richtkosten bei jährlich 500 gefertigten Systemen liegen bei 341 Euro/kW und sinken bei einer Stückzahl von 50.000 auf unter 200 Euro/kW. Dabei machen die Herstellkosten, die sich aus Material- und Fertigungskosten zusammensetzen, noch rund Zweidrittel des Richtpreises aus. Bei einer weiteren Steigerung der Stückzahlen auf 750.000 würde der Richtpreis auf unter 160 Euro/kW sinken.
Skaleneffekte allein reichen nicht
Der häufig geäußerten Ansicht, Skaleneffekte spielten bei der Senkung der Herstellkosten künftig eine entscheiden Rolle, widerspricht die Berechnung allerdings. Stark sinkende Fertigungskosten stellen sich laut der Berechnung nämlich nur bei jährlichen Stückzahlen zwischen 500 und 2500 ein.
Kosten von Brennstoffzellensystemen in Abhängigkeit der jährlich produzierten Stückzahl
PEM | RWTH Aachen University
Die heute in der Brennstoffzellen- und Maschinenbauindustrie vorhandenen Fertigungsressourcen wären damit ausgeschöpft. Höhere Produktionsmengen erforderten zusätzliche Fertigungsressourcen, wodurch Skaleneffekte ausgebremst werden. Die RWTH-Wissenschaftler kommen deswegen zu der Erkenntnis, dass neben der Senkung der Herstellkosten auch neuartige Produktionstechnologien nötig sind. Diese wiederum versprächen dann aber weitere Skaleneffekte.