Brennstoffzellen – ungenutzte Chance?

Merkle & Partner: Simulationstechnologien zur Brennstoffzellen-Entwicklung

Brennstoffzellen - ungenutzte Chance?

Wasserstoff weist im Vergleich zu Li-Ionenakkus (0,5 MJ/kg) eine Energiedichte von 120 MJ/kg auf. (Bildquelle: @shutterstock 1966821514/scharfsinn)

Die hohe Leistungsfähigkeit und das enorme Potenzial der Brennstoffzellen-Technologie bietet für den High-Tech-Standort Deutschland viele Möglichkeiten – trotz großer technologischer Herausforderungen. Unterstützung hierbei bieten Simulationstechnologien wie FEM und CFD.

Abgesehen von ideologischen Aspekten, die dem Wasserstoff-Fahrzeug entgegenstehen, ist es tatsächlich technologisch weitaus anspruchsvoller zu bauen als ein batteriebetriebenes Fahrzeug. Allein der Wasserstofftank muss langfristig enormen Druck aushalten. Die Brennstoffzellenstacks müssen gleichmäßig durchströmt und temperiert werden, es dürfen keine Staubpartikel in die Stacks gelangen und die Luft in der Brennstoffzelle muss eine definierte Feuchtigkeit haben. Noch dazu ist das Zusammenspiel der Technologien komplexer. Viele Zusammenhänge sind noch nicht erforscht und lassen sich erst im Versuch und selbst dann nicht leicht erkennen.

Hier setzen Simulationstechnologien an. Mittels FEM- und CFD-Simulationen lassen sich Schwachstellen, Spannungen, Engpässe, Materialermüdungen aber auch Zusammenhänge der Technologien im digitalen Zwilling erkennen. Ingenieurstechnische Simulationstechnologien bilden auf Basis der physikalischen Naturgesetze, Datenbanken von Materialeigenschaften und der Geometrien und Eigenschaften der Produkte deren Verhalten reell ab. Für die Entwicklung von Hochtechnologien wie von Brennstoffzellenfahrzeugen können so Entwicklungszyklen merklich beschleunigt werden. Zusammenhänge sind schneller erkennbar und kostspielige Entwicklungsschleifen können reduziert werden.

Der Einsatz würde sich lohnen. Denn in 1 kg Li-Ionenakku lassen sich 0,5 JM Energie speichern, in 1 kg Diesel 40 MJ, in 1 kg Wasserstoff ganze 120 MJ. Zusätzlich dazu kann der Energiespeicher bei einem Wasserstoff-Fahrzeug wesentlich kompakter gebaut werden als bei einem E-Fahrzeug. Dabei lässt sich das Fahrzeug auch schneller betanken und hat eine wesentlich höhere Reichweite. Denn im Vergleich zur Batterie hat die Brennstoffzelle den Vorzug, dass ein kontinuierlicher Betrieb sehr lange ohne zwischenzeitliches elektrisches Aufladen möglich ist. Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb können große Mengen an Wasserstoff mitführen, ohne dass ihr Gewicht stark ansteigt.

Dass diese Technologien bereits erfolgreich eingesetzt werden, weiß Merkle & Partner. Das Ingenieurbüro setzt seit mehr als 16 Jahren FEM– und CFD-Simulationen in diesem Technologiefeld um; von der Entwicklung der Brennstoffzellen-Stacks über Verhalten von Dichtungen, Folien, Schläuchen oder dem Einsatz unterschiedlicher Materialien.
„Die Brennstoffzellen-Technologie bietet meiner Meinung nach für den Standort Deutschland eine enorme Chance. Als Hochtechnologie-Standort könnte die Automobil-Industrie hier wieder eine führende Rolle einnehmen. Wir unterstützen als Technologiepartner mit Erfahrung, Know-how und dem Mut, neue Felder zu bestellen“, so Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle & Partner GbR.

Das Ingenieurbüro Merkle & Partner GbR in Heidenheim wurde 1989 von Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet und zählt zu den ersten und führenden Dienstleistern für ingenieurwissenschaftlicher Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Wolfsburg, Homburg/Saar und Erfurt bearbeiten die 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtueller Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Schiffbau.

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