Jetzt ist das endgültige Aus für den Verbrenner beschlossen.

Jetzt ist das endgültige Aus für den Verbrenner beschlossen. Zumindest in Europa. Ab 2035 dürfen in der EU keine neuen Pkw und Kleintransporter mehr zugelassen werden, die CO2 ausstoßen.

Mitte Februar stimmte das EU-Parlament einer entsprechenden Einigung mit den EU-Ländern zu. Diese Entscheidung erzeugt Handlungsdruck auf die Automobilhersteller. Sie haben nun ein Stichdatum, bis zu dem sie eine attraktive Flotte an Elektrofahrzeugen im Angebot haben müssen. Und sie erzeugt Handlungsdruck auf die Politik. Spätestens ab 2035 wird die Anzahl an Elektrofahrzeugen massiv ansteigen. Diese brauchen Strom, möglichst aus erneuerbaren Quellen, und eine gut ausgebaute Ladeinfrastruktur.

Bei der Ladeinfrastruktur gab es in letzter Zeit Fortschritte. Laut Bundesnetzagentur stieg im vergangenen Jahr die Anzahl der öffentlichen Ladesäulen in Deutschland um über 30 Prozent, die Schnellladepunkte nahmen sogar um fast 50 Prozent zu. Fast 40 000 öffentliche Ladeeinrichtungen mit insgesamt 76 000 Ladepunkten gab es Anfang Dezember 2022 in Deutschland. Bis zu den von der Bundesregierung angepeilten eine Millionen Ladepunkten ist es also noch ein weiter Weg. Einige Stimmen, etwa aus der Energiewirtschaft, bezweifeln allerdings, ob es überhaupt so viele braucht. Das muss die Politik nun schnell klären, damit zügig ein schlüssiges Konzept steht und mit der Umsetzung begonnen werden kann. Bis 2035 sind es schließlich nur noch 12 Jahre.

Die Kunststoffindustrie hat auf jeden Fall bereits viele Entwicklungen für die Mobilität der Zukunft auf den Weg gebracht. Das zeigt unser Automotive-Special ab Seite 25: Zum Beispiel mit einem großen Überblick über die Entwicklungen bei Brennstoffzellenfahrzeugen, Materialien für Elektrofahrzeuge und dem Einsatz von Rezyklaten für anspruchsvolle Strukturbauteile und den Automobilinnenraum.

Florian Streifinger [<a href="mailto:Florian.Streifinger@hanser.de">Florian.Streifinger@hanser.de</a>]

Editorial Streifinger

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Streifinger, Florian

Kunststoff Werkstoffe

Minus-CO2-Fabriken für klimafreundliche Kunststoffe

Kunststoff, Dünger und Aktivkohle herstellen und „ganz nebenbei“ das Klima schützen. Das klingt verlockend und ist die Idee der Carbonauten. Das Start-up arbeitet an Karbonisierungsanlagen, die Biomasse in Biokohlenstoffe umwandeln, in denen das CO2 dauerhaft gebunden wird.

Die Carbonauten verwandeln Holzabfälle in Biokohlenstoffe und binden dabei schädliches CO2. Eine Idee, die auch für die Kunststoffindustrie spannend ist.

Bäume nehmen bei der Fotosynthese CO2 aus der Luft auf und speichern den Kohlenstoff in ihrem Holz. Stirbt der Baum und das Holz verrottet, wandeln sich die Kohlenstoffverbindungen wieder zu CO2, Methan und Lachgas um, das an die Atmosphäre zurückgegeben wird. Die Carbonauten unterbrechen diesen Vorgang, indem sie Pflanzenkohle (Biokohlenstoffe) herstellen, in der das Kohlenstoffdioxid dauerhaft gebunden wird. Dafür macht sich das Start-up ein altbewährtes Verfahren zu Nutze: die Pyrolyse. Wir stellen das Unternehmen und dessen Gründer Torsten Becker im Rahmen unserer Start-up-Reihe „New Plastic Heroes“ vor.

Kunststoffe: Herr Becker, wie lautet der Elevator-Pitch der Carbonauten?

Torsten Becker: Wir entwickeln und produzieren kundenspezifische CO2-negative Masterbatches und Compounds. Dazu werden holzige Biomassereste in dezentralen Produktionsstandorten in einem Pyrolyseverfahren zu technischen Biokohlenstoffen karbonisiert, veredelt und mit verschiedenen Polymeren compoundiert. Eine Tonne der technischen Biokohlenstoffe speichert bis zu 3,3 Tonnen CO2. Die Karbonisierungsanlagen erzeugen dabei 90 % überschüssige Energie, die für die Herstellung der Compounds genutzt und an Dritte verkauft wird. Die Granulate weisen Füllgrade der technischen Biokohlenstoffe von bis zu 80 % auf.

Kunststoffe: Wie sind Sie auf die Idee gekommen?

Becker: Ich bin Produktdesigner mit dem Antrieb, Material durch Wissen zu ersetzen. Aufgrund der außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften von Biokohlenstoffen war ich neugierig, ob sie die Basis einer neuartigen Materialkategorie sein könnten. 2017 habe ich Carbonauten mit dem Ziel gegründet, ein System für die Industrie zu entwickeln, das Emissionen und Kosten senkt. Zwei Jahre später machten wir mit dem SKZ einen ersten Test mit Polylactid und 30 % Biokohlenstoff. Dieser war erfolgreich und die Grundlage für die weitere Motivation. Danach meldeten wir ein PCT-Patent (Patentzusammenarbeitsvertrag, Anm. d. Red.) für die Carbonauten NET Materials an.

Kunststoffe: Für welche Industrien ist das NET-Material interessant?

Becker: Das ist recht unterschiedlich, im Fokus stehen derzeit die Kunststoff- und Bauindustrie sowie die Landwirtschaft.

Kunststoffe: Können Sie ein Beispiel oder ein Kundenprojekt aus der Kunststoffindustrie nennen?

Becker: Aus gut einem Dutzend Projekte finde ich persönlich die GoPro-Transportbox für Plastmeccanica, den Trolley zum Transport von Labtops für Formcase, zwei größere Innenteile für einen Handtuchabroller und die Kofferraumwanne für einen Automobilhersteller sehr markant. Mittlerweile erzeugen wir Anteile von technischen Biokohlenstoffen in PP, ABS, PS, PE, PLA, PBS und PBAT sogar von bis zu 50 % und sehen Möglichkeiten von 80 % und darüber.

Kunststoffe: Was war bisher der größte Erfolg für das Start-up?

Becker: Zu den größten Erfolgen gehören die Finanzierung und Realisierung unserer ersten „Minus CO2 Factory “ in Eberswalde – und natürlich die Inbetriebnahme letzten Monat.

Kunststoffe: Gab es auch Rückschläge beziehungsweise was waren bisher die größten Herausforderungen?

Becker: Die Finanzierung, die Finanzierung und die Finanzierung!

Kunststoffe: Was ist das Besondere an Ihrem Biokohlenstoff?

Becker: Es handelt sich um technische Biokohlenstoffe, deren Eigenschaften wir durch unsere Pyrolyse über Temperaturen, Temperaturverlauf, Verweildauer, Oberflächen beeinflussen können. Dies hat Bedeutung für die BioC-Composites. Zudem sind sie günstig in der Herstellung und werden auf Partikelgrößen von Mikro- und Nanometern gemahlen. Die Abkühlung erfolgt innerhalb von 2,5 Stunden – wasserlos. Das können derzeit nur wir.

Kunststoffe: Was sind die „Grundzutaten“ für Ihren Biokohlenstoff und wie entsteht er?

Becker: Grundzutaten sind holzige Biomassereste aus der Forst- und Landwirtschaft, Lebensmittel-, Holz- und allgemeinen Industrie. Diese können auch Störstoffe wie Metalle, Mineralik und Kunststoffe enthalten, da unsere Karbonisierungstechnologie keine drehenden Teile hat. Das macht sie zudem robust, flexibel und wirtschaftlich.

Kunststoffe: Wie viel CO2 können Sie damit einsparen?

Becker: Die Einsparung findet an verschiedenen Punkten statt: Biokohlenstoff aus der Pyrolyse entzieht aktiv über die Photosynthese der Atmosphäre CO2 und bindet es dauerhaft, jede Tonne Biokohlenstoff speichert physikalisch das Äquivalent von bis zu 3,3 Tonnen CO2. Bei erdölbasierten Kunststoffen sind bis zu 80 % realistisch, bei biobasierten Kunststoffen bis zu 50 %.

Gründer, Geschäftsführer und Träumer Torsten Becker (l.) mit Christoph Hiemer (Co-Gründer und Hauptgesellschafter)

Carbonauten - Hauptartikel

Minus-CO2-Fabriken für klimafreundliche Kunststoffe 

Gründung: 2017 in Giengen an der Brenz

Homepage: <a href="https://carbonauten.de " target="_blank">https://carbonauten.de</a>

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Vor 100 Jahren nahm die Geschichte des Familienunternehmens Hehl ihren Lauf

Showeinlagen, Maschinenpremieren und ein emotionaler Feiermarathon in mehreren Akten: An vier Abenden füllte das Familienunternehmen Hehl eine eigens errichtete Leichtbauhalle, um sein 100-jähriges Gründungsjubiläum mit regionalen Gästen, deutschen und internationalen Kunden sowie Partnerunternehmen zu feiern. Ausrichtung, Haltung und Kernbotschaft blieben bei aller Veränderung erkennbar über die Jahrzehnte erhalten.

Das Familienunternehmen Hehl blickt auf 100 Jahre bewegte Geschichte zurück und präsentiert zum Jubiläum neue energiesparende Spritzgießmaschinen.

Hyperinflation in Deutschland. Ein Liter Milch kostet 9200 Mark, als ein junger Mann trotz widriger Umstände 1923 beschließt, sich selbstständig zu machen. Der Feinmechaniker Arthur Hehl, so sein Name, stellt im Keller seines Wohnhauses in Loßburg zunächst chirurgische Instrumente her. Damit nimmt eine Geschichte ihren Anfang, auf die das gastgebende Unternehmen 100 Jahre später an vier Festabenden mit jeweils mehreren hundert Gästen und einem multimedialen Bilderbogen zurückblickt.

Jahre nach den bescheidenen Anfängen erfasste die Weltgeschichte auch die „Feingeräte-Fabrik Hehl“, die 1939 ihre Produktion auf kriegswichtige feinmechanische Teile umstellen musste. Gerhard, einer der drei Söhne Arthur und Maria Hehls, überlebte den Zweiten Weltkrieg nicht. Die beiden anderen, Karl und Eugen, machten sich bald nach Kriegsende daran, den väterlichen Betrieb zu modernisieren. Kurz zuvor hatte der Betrieb seinen heutigen Namen erhalten, als Kombination aus der ersten Silbe des Namens Arthur und der letzten Silbe des Standorts Loßburg.

Mit Weitblick und technischem Verstand wurden die vorhandenen Produktionsmaschinen auf Einzelantrieb umgestellt. Das Unternehmen fertigte damals Gebrauchsgüter für den täglichen Bedarf wie etwa Kartoffelkörbchen, Untersetzer oder Schoppenringe für Babyflaschen, zumeist aus Metall. Diese tiefgreifende Fertigungsumstellung war eine von mehreren, auf denen letztlich der Unternehmenserfolg gründete. Schon damals ging es darum, flexibel auf die Marktbedürfnisse zu reagieren.

In den Wirtschaftswunderjahren der 1950er ergänzten die Hehl-Brüder ihr Sortiment um die Herstellung von Blitzlichtgeräten der Marke „DuoLux“, national wie international zunächst mit großem Erfolg – der jedoch beinahe in eine existenzgefährdende Krise umgeschlagen wäre: Mit dem Export der Blitzlichtgeräte, besonders nach Übersee, begannen Reklamationen und massenhafte Rücksendungen, denn in feuchtem Klima neigten die Steckkontakte zur Korrosion. Die Lösung des „Tüftlers“ Karl Hehl war einfach: Der Metallstecker musste isoliert werden. Das Problem: Eine Maschine zum Umspritzen der kleinen Stecker mit Kunststoff gab es nicht – weder in der entsprechenden kleinen Baugröße noch mit der notwendigen Einspritzung in die Trennebene des Werkzeugs.

Einmal mehr waren technische Pionierleistungen gefragt, jedoch: „Wir hatten so wenig Ahnung von Kunststoff wie die Kuh vom Tanzen“, bringt Eugen Hehl die damalige Ausgangslage auf den Punkt. Das hinderte seinen Bruder Karl aber nicht daran, 1954 eine solche Technik zu entwickeln: die erste handbetriebene kleine Spritzgießmaschine von Arburg. Das war zugleich der Startschuss für einen Welterfolg – 1956 wird die erste Serienmaschine produziert, die ab 1957 über 10 000 Mal verkauft wird.

Im Laufe der folgenden Jahrzehnte entwickelte Arburg die Maschinentechnik branchenprägend weiter, wie eine enorme Anzahl von Patenten belegt. Entwicklungen wie das Allrounder-Prinzip mit schwenkbarer Schließ- und umsteckbarer Spritzeinheit, das Zweifarben-Spritzgießen, die Metall- und Keramikpulver-Verarbeitung, das erste Leitrechnersystem für Spritzgießer und intuitive Steuerungen mit grafischer Ablaufprogrammierung sind untrennbar mit dem Namen Arburg verbunden. Hinzu kam mit der Erfindung des AKF-Verfahrens (Arburg Kunststoff-Freiformen) und der dazugehörigen Maschine Freeformer 2013 der Sprung in die Welt der industriellen additiven Fertigung.

Bis heute produziert Arburg für die weltweite Kundschaft ausschließlich in der Unternehmenszentrale in Loßburg – auf mittlerweile mehr als 210 000 m2. Ein Umstand, der viele Jahre als Qualitätskriterium betrachtet wurde – der sich im Lichte der Ereignisse der vergangenen drei Jahre, in denen ein hoher Eigenfertigungsanteil mit zumeist regional geprägten Lieferketten Produktionsausfälle verhinderte, aber auch als großer Vorteil entpuppt hat.

Mit mittlerweile rund 3600 Beschäftigten weltweit, eigenen Organisationen in 25 Ländern und, seit 2020, zwei Unternehmenszukäufen – dem 3D-Druckerhersteller innovatiQ und dem Antriebs- und Steuerungsspezialisten AMKmotion – ist das Familienunternehmen zur „Arburg Family“ gewachsen. Doch Größe, Erfolg und Innovationskraft sind nur die eine Seite. Mindestens ebenso wichtig sind Nachhaltigkeit und traditionelle Werte wie Verlässlichkeit, Bescheidenheit, Weitblick und das Bewusstsein für die soziale Verantwortung, die ein Unternehmen wie Arburg für die Mitarbeitenden und die Region trägt. Darauf wiesen die geschäftsführenden Gesellschafterinnen Juliane Hehl und Renate Keinath zu Beginn des Festabends in einer Talkrunde hin. Dass das keine leeren Worte sind, haben viele „Arburger“ in den Jahren der Finanzkrise 2008/2009 erfahren.

Geschäftstüchtig und mit großem Gemeinsinn

Doch Arburg wäre nicht Arburg, wenn es nicht auch diesen Abend – je nach Sichtweise – mit einer innovativen Überraschung für die Kunden oder einem verlockenden Kaufanreiz zum Wohle des eigenen Auftragsbuchs garniert hätte. Man denke an die Vorstellung der Allrounder C Jubilee anlässlich des Jubiläums „75 Jahre Hehl“ (1998) oder die Einführung der Golden Edition zu „50 Jahre Arburg-Spritzgießmaschinen“ (2006). Die Jubiläumsausgabe dieses Jahres, eine Maschine mit elektrischer Schließ- und hydraulischer Spritzeinheit, steht mit verschiedenen Optionen und in drei Leistungsvarianten (Comfort, Premium, Ultimate) zur Auswahl.

Premiere hatte zunächst die Allrounder 470 H mit 1000 kN Schließkraft, weitere Baugrößen kündigten die beiden Geschäftsführer Gerhard Böhm (Vertrieb) und Guido Frohnhaus (Technik) in einem munteren Dialog vor dem Publikum an. Alle Baugrößen kennzeichnen in jedem Fall ein neues Ölmanagement-Konzept, das rund 35 % weniger Öl benötigen und die erforderliche Kühlwasserleistung um mindestens 50 % verringern soll, sowie eine optimierte Energiebilanz (Details dazu in der nächsten Ausgabe).

Michael Hehl, wie seine Schwester und Cousine seit 2005 in der Verantwortung, spannte schließlich einen Bogen vom Gestern in die Zukunft. Veränderung sei die Voraussetzung, um die positiven Merkmale des Familienunternehmens Hehl erhalten zu können. Der Wahlspruch der beiden Vorgängergenerationen „Mehr sein als scheinen“ soll Arburg dabei auch durch die nächsten Jahrzehnte leiten. Hehl wörtlich: „Die etablierten Wettbewerber haben uns damals beim Markteintritt nicht ernst genommen, das hat uns sehr geholfen.“ Diesen Fehler sollte heute niemand mehr machen.

Geschäftsführung und Gesellschafter auf der Bühne zum Schlussapplaus: Gerhard Böhm, Jürgen Boll, Renate Keinath, Juliane Hehl, Gisela Hehl, Michael Hehl und Guido Frohnhaus (v. l.)

Dazwischen liegen 67 Jahre: Seine Bestimmung fand Arburg mit der ersten selbst entwickelten Spritzgießmaschine (links). Zur 100-Jahr-Feier stellte der Maschinenbauer den Festgästen zwei neue Modelle vor, darunter die Allrounder 470 H Comfort (rechts).

Hauptartikel

100 Jahre Familienunternehmen Hehl - Festakt mit Arburg-Maschinenpremiere

Eine ausführliche Chronik der Unternehmensgeschichte, historische Bilder und bunte Impressionen vom Festabend:

<a href="http://www.kunststoffe.de/a/news/article-3393764" target="_blank">www.kunststoffe.de/a/news/article-3393764</a>

Doriat, Clemens, Dr.

Unternehmenskultur

Spritzgießmaschinen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Arburg Kunststoff Freiformen

Verfahren für die additive Fertigung

Freiraumverfahren

Warum der klassische Produktentstehungsprozess innovative Fertigungsverfahren blockiert

Ziel aller Unternehmen ist es, den wertschöpfenden Prozess der Produktentwicklung so verschwendungsarm wie möglich zu durchlaufen. Dafür setzen sie auf bewährte Vorgehensweisen, die jedoch viele Potenziale ungenutzt lassen. Abhilfe schafft ein Umdenken innerhalb des Prozesses – die neue Perspektive erleichtert den Einsatz von innovativen Werkstoffen, Produkt- und Werkzeugkonzepten. Aber nur, wenn das nötige Know-how zum richtigen Zeitpunkt in den Prozess eingebunden wird.

Ein schlanker Innovationsprozess verlangt Verschwendung – durch Analyse verschiedener Lösungskonzepte zu Beginn.

Es finden sich in der Literatur verschiedene Stage-Gate-Modelle, die den Produktentstehungsprozess (PEP) starr in idealer Sequenzialität beschreiben. Jede Phase (Stage) endet mit einem Etappenziel (Gate), an dem die Tätigkeiten abgeschlossen und die essenziellen Erkenntnisse gewonnen sein müssen [1, 2]. Auch wenn jedes Innovationsprojekt einmalig ist, kann der PEP im Prinzip standardisiert werden, wobei die Arbeitspakete unterschiedlich umfangreich sein oder für kleine Projekte teilweise auch entfallen können. Oft ist es jedoch so, dass dieser Ablauf in der Realität nicht eingehalten werden kann. Einerseits ändern sich in unserer von Volatilität, Unsicherheit, Komplexität und Mehrdeutigkeit geprägten VUCA-Welt (volatility, uncertainty, complexity, ambuigity) die Anforderungen während der Projektlaufzeit dynamisch. Andererseits führen Fehler oder unerwartete Ergebnisse zu Optimierungsschleifen, die in alle PEP-Phasen zurückspringen können (Bild 1).

Verschwendung sind in diesem Kontext zum einen unnötiger Ressourcenverbrauch (etwa durch Änderungen und Optimierungsschleifen) und zum anderen nicht wertschöpfende Tätigkeiten, zum Beispiel, wenn der Wertstrom durch fehlerhafte Verteilung essenzieller Informationen unterbrochen ist. Um Verschwendung zu vermeiden, haben sich die Methoden des Lean Management bewährt. Die klassischen Lean-Methoden in Produktion, Logistik und Administration befassen sich mit der Optimierung von planbaren, sich wiederholenden Arbeitspaketen und sind deshalb für den kreativen, jeweils einmaligen PEP nur bedingt anwendbar. Für den PEP wurden deshalb neue Methoden entwickelt, die unter dem Begriff „Lean Innovation“ subsummiert werden; dabei wurden auch viele agile Ansätze aus der Softwareentwicklung assimiliert [3].

Paradoxerweise beginnt der schlanke PEP mit einer bewussten Verschwendung (Frontloading), nämlich der detaillierten Analyse verschiedener Lösungskonzepte (Lösungsraum) gleichzeitig. Dabei werden die Konzepte nicht nur bezüglich der Produktanforderungen untersucht, sondern insbesondere für Kunststoffbauteile wird auch das Konzept für die Werkzeuge und ggf. für weitere Betriebsmittel ausgearbeitet und evaluiert. Nur so lässt sich eine Aussage treffen, ob das Konzept später in der erforderlichen Qualität und zu wettbewerbsfähigen Kosten in der Produktion umgesetzt werden kann.

Diese Arbeit wird anfangs parallel für alle Konzepte des Lösungsraums durchgeführt, im weiteren Projektverlauf scheiden nach und nach unvorteilhafte Konzepte aus, bis die Entwicklung mit dem verbliebenen besten Konzept zu Ende geführt wird. Der Mehraufwand für die anfängliche Parallelentwicklung zahlt sich erfahrungsgemäß bereits durch die eingesparten Optimierungsschleifen in der Anlaufphase vielfach aus – ganz zu schweigen davon, dass dieser vermeintliche Umweg überhöhte Herstellkosten durch unvorteilhafte Konzepte vermeidet.

Werkzeugkonzept, Simulation und Toleranzrechnung

Im klassischen PEP nach dem IATF-Phasenmodell (Bild 2) findet die Werkzeugfreigabe nach dem Abschluss der Serienentwicklung statt. Das heißt, die Werkzeuge werden erst dann angefragt, bei dem ausgewählten Lieferanten oder dem eigenen Werkzeugbau bestellt und schließlich konstruiert und gebaut. Diese Vorgehensweise ist sinnvoll, wenn die Artikel in den vorherigen Phasen optimal kunststoff- und fertigungsgerecht entwickelt wurden [3, 4].

In der Praxis ist das oft nicht der Fall. Jedes Fertigungsverfahren stellt spezielle Anforderungen an das Bauteildesign und die technische Umsetzung in der Konstruktion. Werden diese nicht erfüllt, treten die Probleme meistens erst in der Vorserien- und Serienphase zutage – die Fehler lassen sich dann nur durch umfangreiche Änderungen an den Werkzeugen und teilweise auch an den Artikeln beheben. Und dennoch können die Teile in der Serie oft nur mit einem erhöhten Aufwand und/oder mit Qualitätsmängeln produziert werden.

Mit dieser Thematik beschäftigen sich die OEM und Lieferanten der Automobilbranche kontinuierlich und versuchen ihre Prozesse dementsprechend zu optimieren. Deshalb findet man in aktuellen Ansätzen der OEM für den PEP, dass ein erstes Werkzeugkonzept bereits in der Serienentwicklungs- oder sogar Prototypenphase (Bild 2) vorliegen sollte. Aber selbst das ist zu spät, denn schon zum Design Freeze muss der Input des Werkzeugbaus, der Produktion, der Qualität usw. das Fertigungskonzept maßgeblich beeinflussen.

Um in der Konzeptphase beurteilen zu können, ob ein Produkt herstellbar ist, sind einerseits Spritzgießsimulationen und andererseits Toleranzrechnungen essenziell. Beides ist nicht möglich ohne ein detailliertes Werkzeugkonzept, denn eine Simulation nur mit der Bauteilgeometrie ist bekanntermaßen wenig aussagekräftig. Für die Toleranzrechnung muss definiert sein, welche Maße werkzeuggebunden sind und welche nicht, ebenso welche Bereiche zum Beispiel verzugsgefährdet sind und deshalb nicht eng toleriert werden können. Auch die Materialauswahl ist untrennbar mit diesen Themen verbunden, denn das Material geht wesentlich sowohl in die Simulation als auch in die Toleranzen gemäß ISO 20457 ein.

Durch innovative Sonderverfahren zu besseren Produkten

Selbst wenn sich die Bauteile mit dem normalen Kompaktspritzgießen herstellen lassen, sind diese Analysen in der Konzeptphase die Voraussetzung dafür, dass die Produktion in hoher Qualität und zu geringen Kosten umgesetzt werden kann. Manche Bauteile lassen sich jedoch im Kompaktspritzgießen nicht in der geforderten Qualität oder nur zu hohen Kosten herstellen, sei es, weil beispielsweise Verzug oder Einfallstellen auftreten, sei es wegen langer Zykluszeiten durch Masseanhäufungen. Einen Ausweg, derartige Bauteile überhaupt bzw. zu akzeptablen Kosten herstellen zu können, können in solchen Fällen Sonderverfahren bieten. Diese Verfahren müssen jedoch in der Regel bereits in der Konzeptphase bei der Bauteilauslegung berücksichtigt werden.

Innovative Sonderverfahren und Werkzeugkonzepte haben nicht nur das Potenzial, Qualitätsprobleme zu vermeiden und Kostenvorteile zu erzielen, sondern durch Einsparung von Material und Energie auch einen wesentlichen Beitrag zur Nachhaltigkeit eines Produkts zu leisten. Außerdem erschließen sie alternative Möglichkeiten in der Formgebung und Gestaltung von Bauteilen und Oberflächen. Sogar ganze Bearbeitungsschritte lassen sich durch diese Verfahren einsparen, zum Beispiel, wenn in einem 2K-Spritzgießprozess ein Bauteil mit einer Softtouch-Oberfläche überzogen wird [6].

In der Produktentwicklung fehlt jedoch in der Regel die Fachkompetenz, um geeignete Sonderverfahren zu identifizieren, Werkzeugkonzepte zu erstellen und sinnvolle Simulationen durchzuführen. Deshalb werden nützliche Sonderverfahren relativ selten eingesetzt. Ihr Einsatz wird also nicht durch technische Restriktionen behindert oder weil sie nicht genügend erprobt wären, sondern durch den klassischen sequenziellen Ablauf des PEP.

Problemlöser „Simultaneous Engineering“

Stellt man diese Fachkompetenz in Gestalt eines „Simultaneous Engineering“-Teams (SE) so früh wie möglich zur Verfügung, kann dieses Problem gelöst werden. Wenn ein OEM oder Zulieferer eigenes Produktions- oder Werkzeugbau-Know-how vorhält, kann das SE-Team die Expertise aus diesen Bereichen für die Entwicklung des neuen Produkts nutzen. Falls nur einzelne Kompetenzen im Hause nicht verfügbar sind, zum Beispiel Spritzgießsimulationen, können diese von spezialisierten Dienstleistern zugekauft werden.

Andernfalls müssen geeignete strategische Partner bereits in der Konzeptphase, teilweise sogar schon in der Angebotsphase eingebunden werden (Bild 3). Da detaillierte Anfrageunterlagen zu diesem frühen Zeitpunkt im PEP nicht vorhanden sein können, erfolgt die Nominierung auf Basis einer Open-Book-Kalkulation mit geeigneten Annahmen. Nach Abschluss der Entwicklungsphase wird der Serienpreis dann auf dieser Basis mit den tatsächlichen Gegebenheiten (Material, Gewicht, Zykluszeit, etc.) einvernehmlich kalkuliert.

Gasaußendruck vermeidet Verzug und Einfallstellen

Ein Beispiel für ein relativ unbekanntes und selten eingesetztes Verfahren – obwohl seit über 20 Jahren am Markt – ist die Gasaußendrucktechnik (External Gas Molding, EGM). Flächige Teile mit hohen ästhetischen Anforderungen an die Sichtseite und die Ebenheit sowie ausgeprägten Funktionselementen auf der Rückseite (zum Beispiel Rippen, Schraubdome, o. ä.) lassen sich im Kompaktspritzgießen praktisch nicht herstellen. Ein Beispiel ist die Fußplatte eines einbeinigen TV-Ständers (Bild 4). Hier wird der Gasaußendruck flächig auf die Bauteilrückseite geleitet und ersetzt den Nachdruck aus der Spritzgießmaschine. Dadurch wird die Schmelze in die Düsenseite gedrückt, sodass keine Einfallstellen entstehen (Bild 5) – der gleichmäßige Gasdruck führt zu einer einheitlichen Schwindung und vermeidet dadurch Verzug [7].

In diesem Fall war der Einsatz des Sonderverfahrens also zwingend, aber auch für viele flächige Sichtteile wie etwa Hochglanz-Dekorblenden im automobilen Interieur, die sich im Kompaktspritzgießen nur schlecht herstellen lassen, kann dieses Verfahren eine wesentliche Verbesserung bewirken. Natürlich gibt es nicht ein Sonderverfahren, das für alle Bauteile geeignet ist, aber es gibt praktisch für alle Problembauteile mindestens ein vorteilhaftes Sonderverfahren.

Hierfür müssen bereits in der Konzeptphase, bevor das finale Produktdesign feststeht (Design Freeze), die Teile so gestaltet werden, dass die Sonderverfahren anwendbar sind, in der Regel also anders als für das Kompaktspritzgießen. Falls in der Konzeptphase erkannt wird, dass das Produkt im Kompaktspritzgießen nicht herstellbar ist, suchen Projektteams heute schon nach anderen Lösungen. Aber in den vielen Fällen, in denen das Produkt im Kompaktspritzgießen bedingt herstellbar ist oder zu sein scheint, wird dieses im klassischen PEP nicht gemacht. Damit bleiben die großen Potenziale für mehr Nachhaltigkeit, höhere Qualität und geringere Kosten ungenutzt. Ein Zustand, der heute nicht mehr akzeptabel ist – der sich erfreulicherweise aber auch leicht ändern lässt.

[1] Schömann, S.: Produktentwicklung in der Automobilindustrie. Gabler, Wiesbaden 2012

[2] Gericke, K.; Bender, B.; Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J.; Grote, K.-H.: Der Produktentwicklungsprozess. In: Bender, B.; Gericke, K. (Hrsg.); Pahl, G.; Beitz, W.: Konstruktionslehre. 9. Aufl., Springer, Berlin 2021, S. 57–93

[3] Schuh, G.; Dölle, C.: Sustainable Innovation. Springer, Berlin 2021

[4] IATF 16949: Anforderungen an Qualitätsmanagementsysteme für die Serien- und Ersatzteilproduktion in der Automobilindustrie, Ausgabe: 01.10.2016

[5] Dietert, T.; Ranig, R.: Nachhaltiger Produktentstehungsprozess für den Automobil-Innenraum. In: Vogt, R. (Hrsg.): Nachhaltige Mobilität der Zukunft. KCFM Schriftenreihe der FOM Band 1. MA Akademie Verlags- und Druck-Gesellschaft mbH, Essen 2022, S. 101–137

[6] Fischer, M.; Kaufmann, R.; Giordani, A.: Softtouch zum Preis von 2K-Spritzgussteilen. Kunststoffe 102 (2012) 3, S. 90–94

[7] Stieler, U.: Innovative Kombination von Prozessen führt zu höchsten Oberflächenqualitäten. Plasticker 27.06.2011, URL: <a href="https://plasticker.de/Kunststoff_Fachartikel_109_Innovative_Kombination_von_Prozessen_fhrt_zu_hchsten_Oberflchenqualitten" target="_blank">https://plasticker.de/Kunststoff_Fachartikel_109_Innovative_Kombination_von_Prozessen_fhrt_zu_hchsten_Oberflchenqualitten</a>; Zugriff zuletzt: 15.01.2023

Bild 1. Klassische Produktentwicklung und echte Innovation gehen oft in verschiedene Richtungen.

Bild 2. Phasenmodell mit Etappenzielen (Gates), angelehnt an die Darstellungsform nach Cooper (Stage-Gate-Prozess) und die Inhalte nach IATF 16949.

Quelle: Gericke u. a. [2] / IATF [4]; Grafik: © Hanser

Bild 3. Für die frühe Einbindung der Werkzeugkonstruktion (WZK), des Werkzeugbaus (WZB) und des Produktions-Know-hows in den PEP muss entschieden werden, ob eigenes Know-how vorhanden ist oder strategische Partner mit deren Experten in das SE-Team integriert werden müssen. Die Grafik zeigt die parallelen Wege auf, die zu dem gleichen detaillierten Stand bis zur Werkzeugfreigabe führen müssen.

Quelle: Dietert/Ranig [5]; Grafik: © Hanser

Bild 4. TV-Fuß, im Gasaußendruck-Verfahren hergestellt. Die Besonderheiten stellen die Versteifungsrippen und Schraubdome auf der Rückseite (rechts) dar, die auf der Hochglanzseite keinerlei Einfallstellen bilden.

Bild 5. Schematischer Ablauf des Gasaußendruck-Verfahrens. Der Gasaußendruck ersetzt den Nachdruck aus der Spritzgießmaschine und führt zu einer einheitlichen Schwindung.

Frontloading: Bessere Produkte und Prozesse entwickeln

Prof. Dr. Tilko Dietert ist Professor für Wirtschaftsingenieurwesen an der FOM Hochschule Nürnberg und Inhaber der Lean Management Consulting in Gunzenhausen, einer Unternehmensberatung für Kunststoffverarbeitung und Werkzeugbau; <a href="mailto:tilko@dr-dietert.eu">tilko@dr-dietert.eu</a>

Ragna Ranig, B. Sc., hat an der FOM Hochschule München Wirtschaftsingenieurwesen studiert und arbeitet als Entwicklungsingenieurin bei einem Entwicklungsdienstleister der Automobilindustrie in München; <a href="mailto:ragna.ranig@googlemail.com">ragna.ranig@googlemail.com</a>

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Produktentwicklung (F+E)

Spritzgieß-Sonderverfahren

Produktentwicklung(sprozess)

Qualitätsmanagement

Produktionsreste ressourcenschonend recyceln

Polyurethan ist Bestandteil vieler Gegenstände des täglichen Lebens. Während deren Herstellung fallen jedoch auch Produktionsreste an, die bisher ungenutzt bleiben. Keil und Nitroil wollen das ändern und haben gemeinsam einen neuen chemischen Recyclingprozess entwickelt.

Keil und Nitroil haben gemeinsam ein neues chemisches Recyclingverfahren entwickelt. Damit lassen sich etwa PUR-Produktionsreste in Rohpolyol zurückführen.

Nach Angaben von Rohstoffherstellern werden allein in Europa jährlich über 1,3 Mio. t Blockweichschaumstoffe aus Polyurethan (PUR) produziert. Daraus entstehen beispielsweise Matratzen, Polsterungen oder technische Schäume. Durch den Verschnitt der Schaumstoffblöcke fällt ein enormer Anteil als ungenutzte Abfälle in Form von Produktionsresten an – und zwar bis zu 20 % der produzierten Tonnage.

Diese könnten jedoch auch recycelt werden. Grundsätzlich stehen dafür drei Verfahren zur Verfügung:

<ul><li>thermische Verwertung: Wärmegewinnung durch Verbrennung</li><li>mechanisches Recycling („Bonding“): Verarbeitung zu Sekundärrohstoffen</li><li>chemisches Recycling: Depolymerisation von Kunststoffen</li></ul>

Mit Blick auf eine besonders ressourcenschonende Lösung, fokussiert sich die Keil Anlagenbau GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit ihrem Partner, der Nitroil Performance Chemicals GmbH, auf das chemische Recycling. Ziel der Zusammenarbeit ist es, anfallende Produktionsabfälle lokal dem Wertschöpfungskreislauf zurückzuführen.

Nach dem Recycling stehen die Ausgangsstoffe erneut für den Einsatz in der Industrie zur Verfügung. Anspruch und Herausforderung zugleich ist, das Recyclingverfahren möglichst energieeffizient zu gestalten. Aus dieser Ausgangslage heraus ist ein komplett neues Recyclingverfahren für Weichschaum, Hartschaum und TPUs entstanden.

Produkt- und materialschonender  Recyclingprozess

Für das Verfahren wurde SynSolve entwickelt. Dabei handelt es sich um ein Flüssigkeitsgemisch aus mehreren Reaktivkomponenten. Der Recyclingprozess besticht in puncto Batchdauer, Energieeffizienz und Produktqualität: So läuft der Recyclingprozess inklusive Befüll-, Heiz-, Kühl- und Entleerungsprozess innerhalb von 4 bis 6 Stunden ab (Bild 1). Dabei liegt die Betriebstemperatur des Reaktionsprozesses mit 180 °C weit unterhalb den Betriebstemperaturen vergleichbarer Verfahren.

Durch den Einsatz von reaktiven aber zugleich produkt- und materialschonenden Additiven erfolgt der chemische Depolymerisationsprozess selektiver. Das heißt, es entstehen keine weiteren Nebenprodukte, die kostenintensiv entsorgt werden müssen. Der Verzicht auf aggressive Reaktionskomponenten ermöglicht den Einsatz kostengünstiger Materialien für den Reaktor. Auch der technische Aufwand bei den Explosionsschutz-Ausrüstungen fällt vergleichsweise gering aus.

Im Betrieb wird der Reaktor anteilig mit einem Basispolyol und dem SynSolve befüllt. Anschließend wird der Reaktorinhalt homogenisiert und auf 180 °C aufgeheizt. Sobald die benötigte Temperatur erreicht ist, erfolgt die Zugabe des Weichschaums im Verhältnis 1:1.

Das aus dem Verfahren gewonnene Rezyklat wurde anteilig bei einer Versuchsschäumung im Labor dem Ursprungspolyol zu 20 % beigemengt. Der neu aufgeschäumte Blockweichschaum wurde nach den Vergabekriterien des Umweltzeichens „Blauer Engel“ analysiert, wobei die Emissions-Anforderungen zur Vergabe des Umweltzeichens an den Blockweichschaum bereits nach sieben Tagen erzielt wurden. Die Übertragung der Ansätze vom Labor-Maßstab auf den technischen Maßstab in einem Pilotreaktor war erfolgreich.

Der neue chemische Recyclingprozess eröffnet die Möglichkeit, ein Recycling-Polyol zu erzeugen, das sich direkt wieder für die PUR-Weichschaumherstellung eignet.

Bild 1. Schematischer Ablauf: Der gesamte Prozess benötigt nur 4 bis 6 Stunden.

PUR-Recycling: Hier stimmt die Chemie

Patrick Götte ist Strategischer Projektmanager für den Bereich Recycling bei Keil Anlagenbau in Bohmte-Hunteburg; <a href="mailto:recycling@keil-anlagenbau.de ">recycling@keil-anlagenbau.de</a>

Keil Recyclinganlagen können modular segmentiert, flexibel erweitert und kundenspezifisch angepasst werden. Dies betrifft den mechanischen sowie elektrischen Anlagenbau, jedoch explizit auch die chemische Formulierung der Reaktivkomponenten. Somit kann der Recyclingprozess an individuelle Bedürfnisse angepasst werden. Ein entsprechender Beratungsservice rund um das Thema PUR-Recycling erfolgt zusammen mit dem Partner Nitroil Performance Chemicals.

Recycling

Polyurethan-Schaumstoffe (PUR)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Polyurethan

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Kreislaufwirtschaft

26. Zulieferforum der Arbeitsgemeinschaft Zulieferindustrie

Seien es gestiegene Marktanforderungen, die CO2-Reduzierung oder die Finanzierung der Branche: Die Zulieferindustrie steht vor großen Veränderungen. Genügend Diskussionsstoff gab es also für die mehr als 100 Teilnehmer des 26. Zulieferforums der Arbeitsgemeinschaft Zulieferindustrie (ArGeZ), das Ende Januar in Frankfurt stattfand. Am Ende zog der Sprecher aber doch noch ein positives Fazit.

26. Zulieferforum der Arbeitsgemeinschaft Zulieferindustrie: Vor welchen Veränderungen die Zulieferindustrie steht – und warum es trotzdem ein positives Fazit zum Abschluss gibt.

Der Wandel der Automobilindustrie ist in vollem Gange, konstatierte Steven van Arsdale, Manager Autofacts bei PricewaterhouseCoopers (PwC), mit Blick auf die Marktentwicklung. PwC sieht einen schnelleren Ausbau der BEV-Fahrzeugproduktion und erwartet, das 2030 rund 42 Mio. Fahrzeuge rein elektrisch auf den Markt kommen – allen voran in Europa und Asien. Zudem erwarten die Analysten einen Produktionsrückgang in den traditionellen Herstellerländern USA, Japan und Deutschland, wohingegen 2030 China, Indien und Mexiko weiter wachsen.

Wenig optimistisch äußerte sich Eric Heyman, Director und Senior Economist bei der Deutschen Bank AG für den Industriestandort Deutschland. Der strukturelle Umbruch, nicht nur im Automobilbereich, zieht sich durch die gesamte Wertschöpfungskette, die durch die politische Gesamtgemengelage nicht besser wird.

Heyman unterschied allerdings zwischen dem Industriestandort Deutschland und seinen Industrieunternehmen, die er trotz ihrer mittelständischen Struktur durch ihre Internationalisierung und Innovation besser gerüstet sieht für die gegenwärtigen Herausforderungen als den Industriestandort als solchen.

Henning Rennert, Partner und Geschäftsführer Strategie bei PwC Germany, sieht die Zulieferindustrie auf einer ausgesprochen soliden Grundlage aufgestellt. Deutsche Automobilhersteller haben einen Weltmarktanteil von 20 %, deutsche Zulieferer sogar von 25 %. Die Transformationsnotwendigkeit ist allerdings überproportional hoch.

Die zukünftigen Anforderungen an die Automobilzulieferer im Zusammenhang mit der CO2 -Bilanzierung und einem „ökologischen Reifenabdruck“ skizzierte Dr. Thorsten Becker, BMW Group Strategy Sustainability & Mobility: mehr Grünstrom in der Produktion und mehr Sekundärmaterial in den Produkten, damit in der Lieferkette eine CO2-Reduzierung von 20 % gelingt. In bereits mehr als 400 Lieferantenverträgen wurde die Verwendung von Grünstrom vereinbart. Nachhaltigkeit und CO2 -Reduzierung entsprechen den ehrgeizigen Zielen des Autobauers und sind ein hartes Kriterium sowie ein weiterer Parameter bei der Vergabeentscheidung.

TecPart bietet CO2 -Rechner für die Kunststoffindustrie an

Michael Weigelt, Geschäftsführer von TecPart, erläutert, dass TecPart gemeinsam mit der ArGeZ einen CO2 -Rechner für die Kunststoffindustrie als Hilfsmittel anbietet. Der Rechner namens „Fred“ bewertet schon in der Produktentstehungsphase, wie die Materialauswahl und das Produktdesign möglichst CO2 -arm ausgelegt werden können.

Diese Konsequenz begrüßte Dr. Kathy Reimann, Programmleiterin für klimaneutrale Industrie bei Agora Energiewende. Neben der unbestritten politischen Agenda auf dem Weg zur CO2 -Neutralität sieht sie grundsätzlich auch das Verständnis und den Willen der Industrie, schnell und flexibel zu agieren.

Unterstützung bei der Mittelstandsfinanzierung bieten die Bürgschaftsbanken, etwa die Bürgschaftsbank Hessen, deren Geschäftsführer Sven Volkert die Möglichkeiten komplexer Finanzierungen auch vor dem Hintergrund der Transformation und Decarbonisierung der Wirtschaft erläuterte. Hier werden Resilienz und Nachhaltigkeit der Unternehmen als Kriterien für die Kreditentscheidung einen zunehmenden Einfluss haben.

Doch letztendlich ist immer der Unternehmer gefragt, sich diese Resilienz zu erarbeiten. Dies weiß Johann Georg von Hülsen, Geschäftsführer der Sauer Product GmbH und Diskutant der abschließenden Gesprächsrunde der Veranstaltung. Unternehmerisches Handeln, Weitsicht, Kreativität und Pragmatismus überzeugten hier schließlich auch die Banken.

So war das Fazit des 26. Zulieferforums der ArGeZ bei anfänglich geäußertem Pessimismus doch ein positives: So äußerte sich abschließend der Sprecher der ArGeZ, Christian Vietmeyer, Hauptgeschäftsführer, WSM Wirtschaftsverband Stahl- und Metallverarbeitung e. V., dass die Transformation und der bisher dorthin beschrittene Weg unumkehrbar und sicher nicht einfach sind. „Doch dass die Zulieferindustrie eine Vielzahl von Krisen in relativ kurzer Zeit überstanden hat, macht Mut, Krisen als Chance zu sehen für Veränderungen, in deren Zuge auch die Ziele zur Transformation unserer Industrie erreicht werden können.“

Hauptartikel Tecpart

26. Zulieferforum der ArGeZ: Krisen als Chance sehen

TecPart – Verband Technische Kunststoff-Produkte e. V.

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Fahrzeugbauzulieferer (KU)

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Brennstoffzellen bieten sich für viele Bereiche im Verkehrssektor an. Insbesondere Schwerlasttransporte profitieren von der Technologie. Für die komplexen Antriebssysteme sind jedoch spezielle Materialien erforderlich. Eigens dafür entwickelte Compounds auf Polyphenylensulfidbasis bieten nicht nur die notwendige mechanische und chemische Beständigkeit, sondern sorgen auch für eine deutlich längere Laufzeit der Systeme.

Brennstoffzellen bieten sich für den Transportsektor an. PPS-Compounds erfüllen die technischen Anforderungen und erhöhen die Laufzeit der Systeme.

Um die CO2-Emissionen aus fossilen Quellen zu reduzieren, verbreiten sich weltweit immer stärker erneuerbare und umweltfreundliche Energielösungen. Eine davon ist die Nutzung von Wasserstoff als alternative Energieanwendungen. Weltweit wird mittlerweile massiv in entsprechende Technologien investiert. Wasserstoff ist das häufigste Element im Sonnensystem, aber auf der Erde kommt es nur in gebundener Form vor. Wasserstoff muss daher aus Molekülen mithilfe bestimmter Prozesse wie thermochemische und biochemische Umwandlung oder Wasserelektrolyse hergestellt werden.

Die weltweite Wasserstoffproduktion erreicht mittlerweile etwa 75 Mio. t pro Jahr, die fast vollständig aus Erdgas durch Dampfreformierung und Kohle durch Kohlevergasung hergestellt wird. Da der Wasserstoff aus fossilen Energieträgern hergestellt wird, spricht man von grauem Wasserstoff. Obwohl er als Kraftstoff an seinem Verwendungsort sauber verbrennt, verlagert die Herstellung aus fossilen Rohstoffen ohne eine entsprechende Kohlenstoffabscheidung die entstehenden Emissionen lediglich. Um die Umweltvorteile von Wasserstoff voll auszuschöpfen, muss er daher durch Wasserelektrolyse unter Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen hergestellt werden. Dieser elektrochemische Prozess spaltet Wasser in sogenannten grünen Wasserstoff und Sauerstoff. Derzeit macht die Wasserelektrolyse jedoch weniger als 0,1 % der weltweiten Wasserstoffproduktion aus. Aus diesem Grund erwägen viele Regierungen auch den temporären Einsatz von blauem Wasserstoff, bei dem das bei der Herstellung freigesetzte CO2 aufgefangen und anschließend unterirdisch gespeichert wird.

Die zukünftige globale Wachstumsrate von Wasserstoff wird von zwei Hauptfaktoren bestimmt: der Wettbewerbsfähigkeit seiner Produktionskosten und der Verfügbarkeit einer guten Infrastruktur. Gegenwärtig ist der Preis für grünen Wasserstoff zwei- bis dreimal so hoch wie der für grauen. Künftig werden Skaleneffekte, staatlich gesteuerte CO2-Preispolitiken und verbesserte Herstellungsprozesse das Kostendelta jedoch reduzieren und zu einer breiteren Nutzung von grünem Wasserstoff führen.

Seit Jahrzehnten wird Wasserstoff vor allem in der Chemie-, Raffinerie-, Agrar- und erdölverarbeitenden Industrie verwendet. Außerdem kommt er auch in der Lebensmittelerzeugung, Metallverarbeitung, Glasherstellung, beim Schweißen, als Reduzier- und Ätzmittel in der Elektronik oder zur Herstellung von Wasserstoffperoxid in der medizinischen Industrie zum Einsatz. Neuere Wasserstoffanwendungen wie Brennstoffzellen eröffnen neue Möglichkeiten in der Weltraumforschung, Luftfahrt, Schwerlastlogistik, dem öffentlichen Verkehr und bei Personenkraftwagen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Anwendungen derzeit weniger als 10 % des weltweiten Wasserstoffverbrauchs ausmachen (Bild 1).

Viele dieser neuen Wasserstoffanwendungen werden im kommerziellen Maßstab unter sehr anspruchsvollen Bedingungen betrieben. Beispielsweise müssen die Tanks, die Wasserstoff für Brennstoffzellensysteme in einem Fahrzeug speichern, dauerhaft Drücke von 700 bar und höher aushalten. Andere Flüssigwasserstoffanwendungen arbeiten bei extremen kryogenen Temperaturen.

Die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff bietet viele Vorteile:

<ul><li>unbegrenzte Versorgung</li><li>Kann aus verschiedenen Quellen ohne CO2-Fußabdruck hergestellt werden.</li><li>einfacher Transport in großen Mengen</li><li>Produktion von sauberem Strom oder Wärme direkt am Verbrauchsort</li><li>Kann in großen Mengen über lange Zeiträume gelagert werden.</li></ul>

Die Bereitstellung von grünem Wasserstoff stellt jedoch noch eine große Hürde dar. Eine entscheidende Technologie zur Herstellung von emissionsarmem Wasserstoff aus erneuerbarem oder nuklearem Strom ist wie erwähnt die Elektrolyse. Die Kapazität für die dedizierte Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse ist in letzter Zeit rasant gewachsen, angetrieben durch die wachsende Nachfrage nach grünem Wasserstoff. Sie lag weltweit bei 8 GW in 2021 und stieg 2022 auf 13,6 GW im Jahr. Voraussichtlich wird sie in diesem Jahr auf 21,4 GW und bis 2030 auf 61,3 GW wachsen [1]. Derzeit entfallen fast 85 % der gesamten Produktionskapazität auf Europa und China, aber in Zukunft werden Australien und die USA einen größeren Beitrag leisten.

Viele Regierungen haben ihre Ambitionen zur Erhöhung der Wasserstoffkapazität deutlich erhöht:

<ul><li>In den USA beinhaltet das überparteiliche Infrastrukturgesetz der Regierung von Präsident Joe Biden Zuschüsse für die Schaffung von Wasserstoff-Hubs und Anreize für den Bau von Infrastruktur für die Elektrolyse. Das US DOE Loan Program Office hat beispielsweise eine Kreditgarantie in Höhe von 504 Mio. USD für ein groß angelegtes Wasserstoffspeicherprojekt abgegeben. Auch das Inflationsminderungsgesetz bietet mehrere Steuergutschriften sowie Zuschüsse zur Unterstützung von Wasserstofftechnologien.</li><li>In der EU genehmigte die Kommission Mittel in Höhe von 5,4 Mrd EUR zur Unterstützung ihres ersten wasserstoffbezogenen Projekts von gemeinsamem europäischem Interesse. Drei weitere solcher Projekte, die sich mit industriellen Anwendungen, Wasserstoffinfrastruktur und Mobilität befassen, sollen in naher Zukunft noch auf den Weg gebracht werden.</li><li>In Deutschland wurde die H2Global-Initiative ins Leben gerufen, die analog zum CCfD-Ansatz (Carbon Contracts for Difference) die Differenz zwischen Angebotspreisen (Produktion und Transport) und Nachfragepreisen durch Fördermittel des Bundes ausgleicht.</li><li>Großbritannien hat ein Geschäftsmodell für kohlenstoffarmen Wasserstoff zur öffentlichen Konsultation vorgelegt. Das Geschäftsmodell basiert auf einem ähnlichen Ansatz wie CCfDs. Die Regierung will 2023 mit den ersten Projekten beginnen.</li></ul>

Der Straßenverkehr trägt etwa 20 % zu den weltweiten CO2-Emissionen aus Energie und zu 75 % zu den verkehrsspezifischen Emissionen bei. Die meisten Dekarbonisierungsbemühungen konzentrierten sich bisher hauptsächlich auf Elektrofahrzeuge (BEV) als Personenkraftwagen. Sie führten zu einer großen Verbraucherresonanz, wodurch der BEV-Markt 2022 ein Allzeithoch erreichte. Schwerlastanwendungen stellen jedoch eine größere Herausforderung für batterieelektrische Fahrzeuge dar. Allein in der EU sind mehr als 6 Millionen schwere Lkw auf den Straßen unterwegs, mit einer prognostizierten Wachstumsrate von mehr als 30 % bis 2050. Diese Fahrzeuge benötigen eine enorme Menge an Energie. Sollen sie alle mit Ökostrom betrieben werden, ist ein enormer Ausbau der regenerativen Stromerzeugung in der EU erforderlich. Diese grüne Energie würde vollständig diesem Zweck gewidmet und könnte nicht in Haushalten oder Industrie verwendet werden. Der Energieverbrauch der gesamten Lkw in der EU lag 2020 bei etwa 640 TWh im Jahr. Die Herausforderung, den Straßenverkehr zu dekarbonisieren, ist somit enorm.

Während Brennstoffzellenfahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) eine große Chance für den kommerziellen Sektor darstellen, ist eine breite Einführung mit Problemen belastet. Aufgrund ihrer hohen Kosten sind sie in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten weniger wettbewerbsfähig als BEV oder Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Dadurch sind sie für das Pkw-Segment weniger geeignet. Anders sieht es im kommerzielle Bereich aus. In diesem spielen eine schnelle Betankung und hohe Betriebszeiten eine wichtige Rolle. Deshalb gehen Experten von einer Kostenneutralität bis etwa 2025 für leichte Nutzfahrzeuge [2] und für schwere Diesel-Lkw bis 2031 [3] aus.

Neben Brennstoffzellen beschäftigt sich die Schwerlastwagenindustrie auch mit Wasserstoffverbrennungsmotoren. Ein entscheidender Nachteil bei diesen ist jedoch, dass weiterhin lokale NOx-Emissionen entstehen und daher eine sekundäre Behandlung der Abgase des Verbrennungsprozesses (SCR) erforderlich sein kann. Eine kurzfristigere Markteinführung von Lkw mit Wasserstoffverbrennungsmotor könnte jedoch zur Entwicklung einer Wasserstoffkraftstoffinfrastruktur beitragen und den Weg für die längerfristige Einführung von Brennstoffzellen-Lkw ebnen. Auf diese Weise sind Wasserstoffverbrennungsmotoren und Brennstoffzellen komplementäre Technologien, die beide die Wasserstoffwirtschaft vorantreiben.

Unter den verschiedenen Brennstoffzellenvarianten zieht gegenwärtig die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) im Transportsektor große Aufmerksamkeit auf sich – insbesondere in Nutzfahrzeugen, die typischerweise mehr als 25 000 Betriebsstunden benötigen. Von den vielen Herausforderungen auf Komponentenebene ist eine der kritischsten die Auswahl des richtigen Materials für die Komponenten, um die ständig steigenden Anforderungen an Leistungsdichte und Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu erfüllen. DSM Engineering Materials hat unter dem Namen Xytron ein Polyphenylensulfid (PPS) speziell für Brennstoffzellen entwickelt. Es verringert das Auslaugen von Ionen und des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC), ermöglicht eine ausgewogenere mechanische Leistung sowie eine höhere Integration des Brennstoffzellensystems und sorgt letztlich für höhere Leistungsdichten sowie längere Betriebszeiten der Brennstoffzelle.

Brennstoffzellenfahrzeuge sind entscheidend für die Bereitstellung eines kohlenstoffarmen Verkehrs. Es wird erwartet, dass die Well-to-Wheel-Treibhausgasemissionen auf nahezu Null reduziert werden, sobald Wasserstoff mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Windkraftanlagen und Solarkollektoren hergestellt wird. Da die beiden kohlenstoffarmen Transportoptionen – FCEV und batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) – oft direkt miteinander verglichen werden, ist es wichtig sich zu verdeutlichen, dass Batterien Energiespeichergeräte und Brennstoffzellen Energieumwandlungsgeräte sind. Letztere verwenden typischerweise Wasserstoff sowohl zur Energiespeicherung als auch zur Umwandlung. Diese beiden erneuerbaren Transportoptionen weisen einige deutliche Unterschiede auf. BEV übertreffen FCEV in puncto Energieeffizienz, die Ladeinfrastruktur sowohl an öffentlichen als auch privaten Standorten ist besser ausgebaut und sie verfügen über niedrigere Systemkosten.

Wasserstoff bietet hingegen mehrere Vorteile im Vergleich zu alternativen Kraftstoffen und BEV im Transportwesen: