Bosch Research bahnt den Weg für Wasserstofftechnologien
Wasserstoff: Schlüsselelement für den Klimaschutz
Erdgas, Öl und Kohle haben im Energiesystem der Zukunft keinen Platz. Sie müssen durch CO₂-neutrale Alternativen ersetzt werden. Diese Aufgabe übernimmt vielfach grüner Wasserstoff. Sofern sichergestellt wird, dass kein reiner Wasserstoff in die Atmosphäre entweicht, entstehen beim Einsatz keine Treibhausgas-Emissionen, da die enthaltene Energie aus erneuerbaren Quellen stammt – der Wasserstoff wird per Elektrolyse mit grünem Strom produziert. Damit wird der Energieträger zum chemischen Speicher für Wind- oder Solarenergie. Gebunden in Wasserstoff lassen sich die erneuerbaren Energien zudem über weite Strecken transportieren. All das macht Wasserstoff zum Schlüsselelement für den Klimaschutz. Bosch Research erforscht und entwickelt dafür die notwendigen Wasserstofftechnologien – mit drei Schwerpunkten:
- der Erforschung der Herstellung von Wasserstoff per Elektrolyse,
- der Weiterentwicklung der mobilen Brennstoffzelle für Anwendungen im Pkw- und Nutzfahrzeugbereich sowie
- der Erforschung und Weiterentwicklung von Festoxid-Brennstoffzellen für den stationären Einsatz zur dezentralen Energieversorgung in der Industrie, in Rechenzentren oder in Gebäuden und Quartieren.
Grünen Wasserstoff herstellen: Forschung an der Elektrolyse
Bei der Wasserelektrolyse wird unter Aufwendung von Strom das zugeführte Wasser in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Ein Elektrolyt zwischen der Wasserstoff- und Sauerstoffseite trennt die Gase und ermöglicht den zur Reaktion erforderlichen Ionenaustausch. Es gibt unterschiedliche Arten von Elektrolyten, also flüssige oder feste Stoffe mit Ionenleitfähigkeit, nach welchen die Systeme klassifiziert werden: protonenleitende Membrane (PEM), anionenleitende Membrane (AEM), alkalische Elektrolyse (AEL) sowie Feststoffelektrolyte (engl.: Solid Oxid Electrolyzer Cell, SOEC). Um kompakte Anlagen zu bauen und im Elektrizitätssystem übliche Spannungen einzusetzen, werden einige Hundert Zellen durch Übereinanderlegen zu einem sogenannten Stack kombiniert. Der Stack wird mit zusätzlichen Komponenten in einem Gesamtsystem betrieben.
Bosch Research forscht bereits seit 2012 im Bereich der Elektrolyse. Aufgrund der großen Relevanz der Technologie für den Klimaschutz hat Bosch 2022 entschieden, in die Produktentwicklung für die Wasserstoff-Elektrolyse einzusteigen, und dazu ein neues Geschäftsfeld gegründet. Bosch fokussiert sich zunächst auf die Entwicklung eines 1,25 MW PEM-Elektrolyse-Stacks. Parallel läuft die Entwicklung eines „Smart Electrolysis Module“, das den PEM-Elektrolyse-Stack mit Steuergerät, Leistungselektronik und Sensoren kombiniert.
Bei der Entwicklung wird Bosch mit Partnern zusammenarbeiten und zunächst den PEM-Elektrolyse-Stack und nachgelagert das Smart Electrolysis Module an Hersteller von Großanlagen zur Wasserstofferzeugung sowie Industrie-Dienstleister liefern. Die Ergebnisse der Bosch-Forschung an der Elektrolyse haben diesen Markteinstieg vorbereitet und begleiten laufend die Entwicklung und Produktion der Komponenten.
Brennstoffzellen für klimaneutrale Mobilität
Neben dem Herstellen von Wasserstoff per Elektrolyse richtet Bosch Research den Fokus auch auf dessen Verwendung: Wir forschen zu Brennstoffzellen für den mobilen und stationären Einsatz. Sie sind ein wichtiger Baustein für die Energiewende und der effizienteste Ansatz, die im Wasserstoff gebundene erneuerbare Energie wieder in Strom zurückzuwandeln. In der Mobilität sind sie deshalb von großer Bedeutung. Wegen der im Vergleich zu Batterien hohen Energiedichte des Wasserstoffs sichern sie Elektrofahrzeugen große Reichweiten – bei kurzen Tankzeiten. Der Vorteil: Bosch kann sämtliche Komponenten des Brennstoffzellensystems selbst herstellen, vom Herzstück – dem Stack – über den Luftverdichter bis hin zum Steuergerät. Damit ist sowohl Hardware- als auch Softwarekompetenz bei Bosch in vollem Umfang vorhanden. Das gibt uns in der Forschung zahlreiche Ansatzpunkte für innovative Ideen. Ein Forschungsschwerpunkt ist eine ganzheitlich optimierte Auslegung und Betriebsstrategie unter Berücksichtigung der vielfältigen System-Wechselwirkungen. Eine der großen Herausforderungen besteht darin, die Brennstoffzellensysteme so klein wie möglich zu machen und dabei flexibel für verschiedene zukünftige Anwendungen und technologische Weiterentwicklungen zu bleiben.
Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung liegt auf den Brennstoffzellen selbst. Hierbei geht es vorrangig um die Forschung an neuen, zukunftsfähigen Materialien zur Optimierung der Leistung, Lebensdauer und Kosten der Brennstoffzelle.
Stationäre Brennstoffzellen mit hoher Effizienz
Auch für die stationäre und dezentrale Stromerzeugung eignen sich Brennstoffzellen bestens: Sie können etwa Stadtquartiere, Rechenzentren oder Industriebetriebe klimafreundlich mit Strom und auch Wärme versorgen. Bosch setzt dabei auf die Festoxid-Brennstoffzellen-Technologie (engl.: Solid Oxide Fuel Cell, kurz SOFC). Wir bei Bosch Research und Bosch SOFC erreichen damit einen elektrischen Wirkungsgrad von rund 60 Prozent und einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 90 Prozent, zudem sind die SOFCs dezentral und skalierbar einsetzbar. Solange Wasserstoff noch nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht, lassen sich die Brennstoffzellen auch mit Erd- oder Biomethan betreiben.
Die Forschung von Bosch trägt umfassend dazu bei, das SOFC-System zu industrialisieren. Wir arbeiten intensiv an der Optimierung der Funktions- und Lebensdauer der SOFCs: Wir analysieren einzelne Zellen, entwickeln neuartige Prozessrouten für die Herstellung von Funktionsschichten innerhalb der Zelle und untersuchen die Korrosionsfähigkeit der verwendeten Stähle im Brennstoffzellen-Stack. Zudem entwickeln wir einen High-Speed-Laserbohrprozess für das Metallsubstrat, den Träger der Zelle, und betreiben auf Systemebene einen dynamischen und modulierbaren Microgrid-Demonstrator am Bosch Research Standort Renningen. Dieser beinhaltet zehn SOFC-Units und die dazugehörige Leistungselektronik.
Unsere Forschungsarbeit schafft die Basis dafür, dass Bosch eine Vielzahl der verwendeten Bauteile selbst herstellen kann, bis hin zum Herzstück des Systems, dem SOFC Stack, den wir in Zusammenarbeit mit unserem Partner Ceres entwickeln. So kann Bosch auch bei den Brennstoffzellen für die stationäre Anwendung Komplettsysteme liefern. Dabei profitieren wir von unserer langjährigen Erfahrung mit komplexen Fertigungsprozessen und anspruchsvollen Materialien, beispielsweise bei der Verarbeitung keramischer Werkstoffe. Aus diesem Grund wurde 2021 basierend auf der Forschungsarbeit von Bosch Research eine eigene Einheit für die Produktion und Industrialisierung von stationären Brennstoffzellen gegründet – Bosch SOFC. Die Ergebnisse der Bosch Forschung fließen dabei laufend in die Entwicklungsarbeit mit ein.
