DIE STACK-STORY - wissenschaft.de
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DIE STACK-STORY

Wissen, Kooperationen und eine Prise Glück sind die Zutaten, mit denen sich ein Dresdner Fraunhofer-Institut bei Brennstoffzellen an die Weltspitze katapultiert hat.

Es ist schwarz wie Zartbitterschokolade, quadratisch, enthält jede Menge Rippen und liefert Energie – wem jetzt in Erwartung süßen Naschwerks eines bekannten deutschen Schokoladenherstellers das Wasser im Munde zusammenläuft, sollte seine Gier zügeln. An dem, was Alexander Michaelis im Showroom des Fraunhofer- Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden zeigt, würde man sich die Zähne ausbeißen. Statt aus Kakao besteht das schwarze Ding aus dünnen Schichten gerippter und mit Röhren durchzogener Keramik sowie aus Metallscheiben. Schwarz ist das Paket Zellstapel – im Fachjargon „Stacks“ –, weil es aus Erdgas und Luft bei 850 Grad Celsius schon einige Tausend Stunden lang viele Kilowattstunden Strom und Wärme erzeugt hat. Wenn es nach Institutsleiter Michaelis geht, arbeiten solche Mikroblockheizkraftwerke künftig in den Kellern vieler Wohnhäuser: „Keramische Brennstoffzellen sind bald ein Massenmarkt.“ Versuche, Brennstoffzellen zur Kraft-Wärme-Kopplung – also zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme – in Gebäuden zu etablieren, gibt es zuhauf. Etliche Firmen sind auf der Strecke geblieben, weil sie die technischen Herausforderungen unter- und die Lebensdauer der Zellstapel überschätzten.

Damit sind sie in guter Gesellschaft. Statt serienmäßig produzierter Brennstoffzellenautos, wie sie in den 1990er-Jahren allen voran Mercedes ab dem Jahr 2005 versprochen hatte, fahren heute nur eine Handvoll Versuchswagen über die Straßen. Dass die Brennstoffzelle als Mikrokraftwerk dennoch eine rosige Zukunft zu haben scheint, verdankt sie dem langen Atem der IKTS-Wissenschaftler und Unternehmen, die trotz der Risiken an das Projekt glauben. Die Erfolgsstory ihrer Brennstoffzelle ist ein Paradebeispiel aus dem Fraunhofer-Lehrbuch: Grundlagenwissen wird erfolgreich in Anwendungsnähe umgemünzt, Allianzen werden geschickt aufgebaut und schließlich Unternehmen gegründet. Abgesichert wird die Entwicklung durch Patente – bis heute sind es über 20.

DDR-WISSEN BEFLÜGELTE

Rückblende in die DDR der 1980er-Jahre. In Dresden wurden damals Technologien zum Drucken und Verpacken von Elektronik entwickelt. Sie waren rustikal, aber gut genug, um mit Produkten des Westens Schritt zu halten. So entstanden zum Beispiel leitfähige Pasten oder Glaslote zum Abdichten. Nach der Wende schien sie niemand mehr zu brauchen. Zum Glück blieb das Know-how erhalten und floss 1992 in das neugegründete IKTS. Denn mit der Zeit stellte sich heraus, dass eine Technologie wie der Siebdruck auf Keramik auch geeignet ist, keramische Katalysatorschichten für Brennstoffzellen aufzutragen. Und es zeigte sich, dass Glaslote nicht nur zum Zusammenbau von Elektronik-Komponenten taugen, sondern auch zum gasdichten Fügen heißer Zellstapel.

Die Würze in einer guten Story sind Zufälle, die sich als Glücksfälle entpuppen. Seit den 1980er-Jahren experimentierte Siemens an Brennstoffzellen mit flachen Keramiken, den SOFC-Zellen (Solid Oxide Fuel Cells). Im Jahrzehnt darauf kooperierte diese Siemens-Gruppe mit dem IKTS. 1997 übernahm der Elektrokonzern das US-Unternehmen Westinghouse, das auf ein SOFC-Konzept mit runden Röhren und langer Entwicklungsgeschichte setzte. Besonders für Leistungen im Megawatt-Bereich schien das gut geeignet zu sein. Siemens entschied sich für die Westinghouse-Variante mit runden Röhren. Dadurch fielen die flachen Keramiken durchs Raster. Die Patente erwarb das IKTS zu einem sehr günstigen Preis. Die Dresdner führten die Entwicklung auf eigene Faust weiter, kooperierten mit mittelständischen Betrieben und integrierten neue Technologien, um die gesamte Wertschöpfungskette ins Haus zu holen.

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Die wichtigste Zutat für eine gute Geschichte sind interessante Personen. Michael Stelter etwa: Er wurde bei Webasto, einem Hersteller von Standheizungen und weiteren Automobilkomponenten, mit der Integration einer Brennstoffzelle in Lastwagen beauftragt. Doch niemand konnte einen solchen Stack liefern. Eines Tages klopfte Stelter beim IKTS an, wo er auf hilfsbereite Entwickler traf. In Windeseile stellten sie ihm eine Brennstoffzelle mit Keramikstack zusammen. Webasto war zufrieden. „Und mir hat es den Kopf gerettet“, sagt Stelter heute. Lieferant der Keramikzellen war die damalige Bayer-Tochter H.C. Starck. Dieses Unternehmen fand an dem Projekt Gefallen und stieg 2003 bei Webasto als Partner ein. Verantwortlich bei H.C. Starck war Alexander Michaelis, der 2004 Institutsleiter des IKTS wurde. Ein Jahr darauf wechselte auch Stelter an das Institut.

Die beiden Firmen standen nun ohne ihre bisherigen Projektleiter da – und beim IKTS ungeduldig vor der Tür. Sie wollten dringend Ergebnisse sehen. „Wir haben uns ziemlich gefetzt“, erinnert sich Stelter. Sein ehemaliger Brötchengeber Webasto wollte alles am liebsten schon gestern haben – typisch für Automobilzulieferer. „Doch eine Brennstoffzelle muss man nun einmal Tausende Stunden testen“, erklärt Stelter. „Das dauert locker ein Jahr. Und Doktoranden werden nicht in der halben Zeit fertig, nur weil ein Industriepartner das will.“ Um den Bedürfnissen der Unternehmen entgegenzukommen, wurde die Abteilung am IKTS umorganisiert: „Wir haben die Schlagzahl deutlich erhöht“, sagt Institutsleiter Michaelis. Resultat: Heute ist die Industrie begeistert, wie gut das IKTS sich auf ihre Bedürfnisse einstellt, und nutzt das Angebot, Keramikbauteile auch in kleineren Serien fertigen zu lassen. Michaelis: „Im Labor kriegt man immer was hin. Die Probleme fangen bei der Serienfertigung an. Doch die Problemlösungen entwickeln wir gleich mit.“ 2005 funktionierte der Stack schon gut. Webasto drängte auf den Lkw-Einsatz. Unterdessen zeichnete sich ab, dass sich die Brennstoffzelle noch für andere Anwender eignen könnte. Chancen boten sich überall dort, wo die Anlage im Dauerbetrieb läuft – etwa als Stromversorger von Mobilfunkanlagen.

ZÄHE SERIE MIT hAPPY eND

„Exklusivität ist verlockend und spült Geld in die Kassen, macht aber abhängig“, weiß Stelter. So konterte man den Webasto-Wunsch seitens Fraunhofer mit einem Gegenvorschlag: Webasto und H.C. Starck sollten ein Unternehmen gründen, das die Stacks in Serie produziert und jedem Interessenten verkauft. Gesagt, getan. Noch im selben Jahr wurde die Firma Staxera ins Leben gerufen. Durch die Staxera-Gründung wächst die Geschichte über ihre bisherige Dimension hinaus. 2008 klopfte der Heizgerätegroßhersteller Vaillant an. Vaillant experimentiert seit Mitte der 1990er-Jahre mit Brennstoffzellen und hat dabei gut 25 Millionen Euro in den Traum vom Kraftwerk im eigenen Haus investiert. Das Vorhaben entpuppte sich als zäh. „Wir haben viele Konzepte getestet“, sagt Dieter Müller, Geschäftsführer von Vaillant. Man habe sich vom Optimismus der Autobauer zunächst anstecken lassen. Zwar funktionierte die aufwendige Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle – 60 Prototypen liefen bis 2006 in Feldtests. Doch sie war zu teuer. Neue Stack-Module mussten her. Vaillant wurde bei IKTS und Staxera fündig, die gerade auf der Suche nach einem Partner mit Erfahrungswissen waren. Die Dresdener stellten das Vaillant-Konzept auf die SOFC-Zelle um.

„Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut haben wir in kurzer Zeit einen großen Sprung nach vorne gemacht“, erklärt Vaillant-Chef Müller. Jetzt will Vaillant rasch ein serienreifes Mikro-Blockheizkraftwerk auf Brennstoffzellenbasis entwickeln. Herkömmliche Mikrokraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten mit einem Verbrennungsmotor, der viel Wärme und wenig Strom erzeugt. Im Winter ist das in Ordnung. Im Sommer dagegen kann man mit der Wärme wenig anfangen. Eine Brennstoffzelle liefert etwa gleich viel Strom und Wärme. An kalten Wintertagen – wenn die von der Brennstoffzelle produzierte Wärme nicht ausreicht – soll sie durch einen Brenner unterstützt werden.

Ob alles so funktioniert, wie es auf dem Plan steht, wird ein spezielles Programm des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung zeigen. Vaillant wird 200 der 880 Kraftwerke liefern, die im Rahmen dieses Programms Einfamilienhäusern einheizen sollen. Ein großer Feldtest soll bis 2015 zeigen, ob das reibungslos funktioniert. Seit Ende 2008 liefert Staxera Stacks aus. Rund 200 sollen es in diesem Jahr sein. „Die Massenproduktion mit etwa 1000 Stück pro Jahr peilen wir für 2011 oder 2012 an“, sagt Christian Wunderlich, Geschäftsführer von Staxera. Sie leisten 1,5 bis 2 Kilowatt – genug für ein Einfamilienhaus. Auch an einem 5-Kilowatt-Stack ist Staxera dran. Obwohl alle anderen Hersteller höhere Leistungsdichten, also mehr Leistung pro Volumen erzielen, bleibt Staxera bei seinem robusten kostengünstigen Aufbau. Wunderlich: „Dafür schaffen wir schon heute 25 000 Stunden Lebensdauer, gut 40 000 Stunden – fünf Jahre nonstop – sind das Ziel.“

BÖTTGER LÄSST GRÜSSEN

Wer ein spannendes Buch gelesen hat, kennt das Gefühl: Nach der letzten Seite kommt die Leere. Nachdem der Stack Marktreife erreicht hat, muss auch das IKTS neue Seiten aufschlagen. Der Institutsname wurde schon geändert. Das „S“ im Kürzel, das bis 2005 für „Sinterwerkstoffe“ stand, steht heute für „Systeme“. Man wolle die Kompetenz beim Zusammenwirken kompletter Brennstoffzellensysteme erweitern, sagt Institutsleiter Michaelis, aber auch neue Themen angehen, etwa die Aufbereitung von Biogas für die Energiegewinnung. Und so stehen in den Labors heute nicht nur Pressen und Öfen für Keramiken, sondern neuerdings auch Häcksler für Stroh und Holz. Das Personal wurde seit 2004 nahezu verdoppelt – auf über 300 Mitarbeiter. „Damit haben wir eine Größe erreicht, die uns innovative keramikbasierte Systementwicklungen erlaubt“, sagt Michaelis. Das soll helfen, bei Keramikkomponenten Wertschöpfung von Asien nach Deutschland zurückzuholen. Schon einmal hatten die Europäer bei Keramik einen späten Erfolg. Johann Friedrich Böttger erfand in Dresden vor drei Jahrhunderten Porzellan – 1100 Jahre nach den Chinesen. Doch das große Geschäft machten damit die Europäer und nicht die Chinesen. ■

von Bernd Müller

KOMPAKT

· Zwei Industrieforscher wechselten vor wenigen Jahren in ein Fraunhofer-Institut – mit dem Ziel, Brennstoffzellen weiterzuentwickeln.

· Dazu wurde DDR-Wissen erfolgreich reanimiert.

· Demnächst beginnt die Serienproduktion für Anlagen in Wohnhäusern.

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