»Energizing a Sustainable Industry« lautet das Motto der diesjährigen Hannover Messe. Die Themen Energie und Nachhaltigkeit sind auch ein umfassender Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IPA. Einblicke in laufende und Ergebnisse von bereits abgeschlossenen Forschungsprojekten präsentiert das Institut von 22. bis 26. April 2024 auf zwei Messeständen.
Zu den Messe-Leitthemen 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 ver-meiden lässt. Dazu gehört beispielsweise die Abteilung Industrielle Energiesysteme mit Lösungsansätzen für maßgeschneiderte Energiesysteme. Den Schwerpunkt bilden dabei die Optimierung der Energieeffizienz, die Reduzierung von CO2-Emissionen und die Maximierung der Versorgungssicherheit.
Auf zwei verschiedenen Messeständen stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrerer Abteilungen von 22. bis 26. April 2024 ihre Ergebnisse vor und geben Einblicke in laufende Forschungsprojekte:
Die Solarzellen auf dem Dach und der Batteriespeicher auf dem Hof haben eines gemeinsam: Sie liefern beide Gleichstrom. Warum also nicht gleich die ganze Fabrik mit Gleichstrom betreiben? Das spart Energie und Ressourcen. So liegen die Einsparungen bei Infrastruktur, Logistiksystemen und Fertigungsrobotern zwischen acht und 20 Prozent. Die oft überdimensionierten Gleichrichter der einzelnen Maschinen entfallen und Bremsenergie kann in das Gleichstromnetz eingespeist werden. Ein Forschungsteam um Isabella Bianchini von der Abteilung Industrielle Energiesysteme am Fraunhofer IPA hat nun zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie ein Systemkonzept entwickelt, das die Einführung von Gleichstromnetzen in Fabriken ermöglicht. Einblicke in praktische Anwendungsbeispiele geben sie auf dem Messestand von Baden-Württemberg International: Halle 12, Stand D15.
Konsequenter Klimaschutz erfordert einen ganzheitlichen Ansatz über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg. 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 beispielsweise 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 Prozent 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. Einen Prototyp des offenen Plattformkonzepts, das CS4I hervorgebracht hat, zeigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Halle 12 auf Stand D15.
Die teuerste Energie ist diejenige, die verschwendet wird: Schätzungen zufolge entweicht durchschnittlich etwa ein Drittel der Druckluft, die ein Unternehmen erzeugt, ungenutzt aus winzigen Löchern und undichten Verbindungsstücken. Die Kosten für diese Verschwendung belaufen sich schnell auf zehntausende Euro pro Jahr. 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 auf dem Messestand von Baden-Württemberg International: Halle 12, Stand D15.
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 Forscherinnen und Forscher 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.
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. Wie das DryCleanCAPE® aussieht und funktioniert, erfahren Messegäste in Halle 12 auf Stand D15.
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 in Halle 12 auf Stand D15.
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 noch 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.
Sowohl Elektrolyseure als auch Brennstoffzellen werden momentan noch häufig im sogenannten Manufakturbetreib 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 Centrum 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.
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 von Baden-Württemberg International: Halle 12, Stand D15.
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 Millionen 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. Mehr über WAVE-H2 erfahren Messebesucher in Halle 12 auf Stand D15.
Additive Fertigungsverfahren sind längst in der industriellen Realität angekommen. Sie bieten eine hohe Flexibilität und ermöglichen neue Produkte und Lösungen in einer Vielzahl an Branchen. Allerdings weist die Oberfläche additiv gefertigter Bauteile bei fast allen gängigen Verfahren eine Porosität oder Rauigkeit auf, sodass eine entsprechende Nachbehandlung erforderlich ist. Dieser Thematik widmet sich ein Exponat des Fraunhofer-Verbunds Produktion. Es zeigt verschiedene Möglichkeiten auf, die Oberflächeneigenschaften additiv gefertigter Bauteile zu verbessern. Das Fraunhofer IPA präsentiert dabei die Technologie des verlustfreien Lackierens als eine Möglichkeit zur automatisierten Dekoration und Beschichtung von additiv gefertigten Kunststoffbau-teilen. Hierbei fließt die Expertise aus den Bereichen Additive Produktion von Oliver Refle und Lackiertechnik von Oliver Tiedje ein. Optimierte Prozessführung in der additiven Fertigung kombiniert mit einer gezielten Nachbehandlung zur Glättung der Bauteiloberfläche bilden die Grundlage für die nachfolgende Lackierung ohne Entstehung von Lacknebel – mit Lacksystemen, die speziell auf die Oberflächeneigenschaften additiv gefertigter Kunststoffbauteile abgestimmt wurden. Damit sind hochwertige Bauteiloberflächen auch bei personalisierten Bauteilen wirtschaftlich realisierbar. Zu sehen ist das Exponat auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft: Halle 2, Stand B24.
»Die Schlüsseltechnologien von morgen kommen nur mit Reinheitstechnik voran. Sie ist entscheidend: von der Batterieproduktion bis zur Biotechnologie«, sagt Udo Gommel, Leiter der Abteilung Reinst- und Mikroproduktion am Fraunhofer IPA. Um diesen Anforderungen zu genügen, haben Gommel und sein Team die Schutzumhüllung 2ndSCIN® entwickelt. Sie macht dynamische Automatisierungskomponenten wie zum Beispiel einen Roboter einsatzbereit für die ultrareine Produktion. 2ndSCIN® besteht aus einem luftdurchlässigen, beweglichen Textil. Je nach Anwendung können zwei oder mehr Schichten übereinanderliegen. Die Schichten werden jeweils mit Abstandshaltern separiert. In jedem Zwischenraum kann zum Beispiel Luft eingesaugt oder abgeführt werden. So können Partikel entfernt werden, die aus der Umgebung oder von der Automatisierungskomponente stammen. Die Zuführung von Spezialgasen in die Zwischenräume des Systems ermöglicht beispielsweise für Life-Science-Anwendungen die Sterilisation – sowohl von der eingehüllten Automatisierungskomponente als auch des Maßanzugs selbst. Die Textilschichten sind außerdem mit Sensoren ausgestattet, die kontinuierlich Parameter wie Partikelkonzentration, chemische Kontamination, Druck oder Feuchtigkeit messen. KI-basierte Algorithmen werten diese Sensordaten aus und ermöglichen eine vorausschauende Wartung und die Bewertung des aktuellen Sauberkeitszustands. Die Schutzumhüllung lässt sich in etwa einer Stunde wechseln und kann nach einer Dekontaminierung wiederverwendet werden. 2ndSCIN® ist auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft zu sehen: Halle 2, Stand B24.
Auch abseits der beiden Messestände werden Gäste im Zuge des Rahmenprogramms der Hannover Messe auf das Fraunhofer IPA treffen. So findet am Dienstag, 23. April, auf der Industrial Transformation Stage in Halle 3 das ganztägige Veranstaltungsformat »Industrial AI« statt. Dabei erhalten Interessierte Einblicke in gemeinsame Forschungsprojekte rund um das Thema Künstliche Intelligenz, die das Fraunhofer IPA zusammen mit namhaften Industriepartnern in Use Cases präsentiert.
Einen Tag später, am Mittwoch, 24. April, nimmt Professor Thomas Bauernhansl, der Institutsleiter des Fraunhofer IPA, auf der TechTransfer Conference Stage in Halle 2, Stand B02 ab 10:50 Uhr an der Podiumsdiskussion »Biointelligente Wertschöpfung im Maschinen- und Anlagenbau« teil. Er stellt dort zusammen mit Vertretern von der Universität Hohenheim, vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) und von Festo die Ergebnisse einer neuen internationalen Benchmark-Untersuchung zum Thema Biointelligenz vor.
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA