Geschäftsbericht 2020

Zell Kultur

Brennstoffzellenantriebe werden eine entscheidende Technologie auf dem Weg zur emissionsfreien Mobilität. MAHLE bündelt seine Aktivitäten auf diesem Gebiet und sieht vor allem bei Nutzfahrzeugen großes Potenzial. Zusammen mit einem innovativen Brennstoffzellen-Entwickler will MAHLE dem Zukunftsantrieb zum Durchbruch verhelfen.
Hero img

Philipp Sommer ist ein leidenschaftlicher Auto-Fan mit einem Faible für schwierige Systementwicklungen und „mit Benzin im Blut“, wie er es mit einem Lächeln ausdrückt. Das könnte sich bald ändern, denn aktuell arbeitet er daran, mit Wasserstoff große Nutzfahrzeuge anzutreiben. Der junge Maschinenbau-Ingenieur leitet das „Projekthaus Brennstoffzelle“ bei MAHLE. Hier hat MAHLE sämtliche Aktivitäten rund um die Zukunftstechnologie gebündelt. Ziel ist es, mehr Durchschlagskraft zu erzeugen. „Wir wollen über die eigenen Systemgrenzen hinausdenken und ambitionierte Ziele verfolgen, vor allem mit Blick auf die Kosten und die Leistungsfähigkeit unserer Komponenten“, erklärt Sommer.

Um das gebündelte Wissen in technische Realität zu verwandeln, nutzen Sommer und sein Team den brandneuen Prüfstand im Stuttgarter Werk. Dort testen sie intensiv Neuentwicklungen rund um die Peripherie der Brennstoffzelle im kompletten Antriebssystem. Konkret heißt das: Sie verbessern Luftmanagement, Thermomanagement – also Heizung und Kühlung – sowie die Leistungselektronik. Im Resultat sollen Brennstoffzellen deutlich günstiger und haltbarer werden, um sie somit massentauglich zu machen. Schließlich gelten sie als aussichtsreiches Mittel, um das globale Ziel einer emissionsfreien Mobilität zu erreichen. Sommer sagt dazu: „Durch unsere Arbeit sichern wir MAHLE einen Anteil an einem nachhaltig wachsenden Markt.“ In diesem vielversprechenden Markt ist MAHLE bereits mit Komponenten sowohl für Pkw als auch für Nutzfahrzeuge aktiv. So ist MAHLE seit mehr als einer Dekade Lieferant für Serienanwendungen in der Brennstoffzelle für viele namhafte internationale Hersteller. Aktuell arbeiten die Brennstoffzellen-Experten bereits an Kundenprojekten für die kommenden Generationen von Brennstoffzellen-Pkw und -Nutzfahrzeugen.

Neue Testinfrastruktur
Mit dem Aufbau einer Wasserstoff-Testinfrastruktur in Stuttgart stärkt MAHLE seine Aufstellung als Entwicklungspartner rund um die Brennstoffzelle und den Verbrennungsmotor. Für MAHLE steht die Systemperipherie um den eigentlichen Stack im Vordergrund. Brennstoffzellensysteme lassen sich dort auf mehreren Prüfständen erproben und weiterentwickeln. Zudem können MAHLE Experten so wichtige Daten für die Grundlagenentwicklung im Bereich Brennstoffzelle gewinnen.

Technologie mit Rückenwind

Nun beschleunigt MAHLE weiter auf der Überholspur bei einer Entwicklung, für die es sich lohnt, Tempo zu machen, wie Dr. Marco Warth glaubt: „Der große Unterschied zur Situation von vielleicht noch vor fünf Jahren ist, dass öffentliche Institutionen die Brennstoffzellentechnologie mittlerweile weltweit massiv fördern.“ Warth ist studierter Maschinenbauer mit einem Doktor in technischen Wissenschaften. Bei MAHLE verantwortet er die Entwicklungsaktivitäten im Bereich Mechatronik innerhalb der Konzernvorausentwicklung. In seinen Worten ist das „alles, was wir noch nicht im MAHLE Produkt-Portfolio haben.“ Seine Aufgabe:„Aus guten Ideen innerhalb von fünf Jahren neue Produkte für MAHLE zu entwickeln.“

Dr. Marco Warth
Der große Unterschied zur Situation vor fünf Jahren ist, dass öffentliche Institutionen die Technologie mittlerweile weltweit massiv fördern.
Dr. Marco Warth,
Leiter Konzernvorausentwicklung Mechatronik, MAHLE in Stuttgart

Dass dies für die Brennstoffzelle gelingt, davon ist er auch aufgrund des politischen Rückenwinds überzeugt. In Deutschland zum Beispiel veröffentlichte das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Juni 2020 eine nationale Wasserstoffstrategie. Mehr als 300 Millionen Euro werden bis 2023 investiert. Die EU-Kommission hat eine europäische Wasserstoff-Strategie vorgestellt. Vorrangiges Ziel sind Investitionen in eine länderübergreifende Wasserstoff-Infrastruktur, etwa in die Dekarbonisierung der Herstellung des Wasserstoffs durch den Einsatz alternativer Energien. China plant in einem „Aktionsplan für eine Energietechnologierevolution“ bis 2050 eine jährliche Produktionskapazität von 5,5 Millionen Brennstoffzellensystemen und den Bau von 10.000 Wasserstofftankstellen.

Klarer Sektorenfokus

Marco Warth nennt das „positive Signale“, die bei MAHLE Ambitionen wecken – und Fragen aufwerfen: Auf welche Komponenten konzentriert man sich? Auf welche Absatzmärkte? Wo produziert man? Schnell war sich das Team im Projekthaus Brennstoffzelle einig, für welchen Sektor Wasserstoff als Energiespeicher am besten in Frage kommt. „Das ist der Bereich Nutzfahrzeuge, der einen erheblichen Anteil an den CO2-Emissionen des Verkehrs hatund aufgrund der meist langen und häufig auch internationalen Strecken für Batterie- oder Hybridlösungen eher weniger geeignet scheint“, sagt Warth. Die Brennstoffzellentechnologie bietet hier eine große Reichweite, schnelles Betanken und Routenflexibilität, ohne die Nutzlast zu beeinträchtigen.

Dass man mit dieser Annahme nicht verkehrt liegt, zeigt zum Beispiel ein Blick nach Norddeutschland in den Hamburger Hafen: Dort soll bis 2025 eine der weltweit größten Anlagen zur klimaneutralen Herstellung von sogenanntem grünem Wasserstoff in Betrieb gehen. Im Unterschied zum grauen Wasserstoff, der aus fossilem Erdgas gewonnen wird, entsteht grüner Wasserstoff durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Wird dafür regenerativer Strom eingesetzt, etwa aus den Offshore-Windkraftanlagen, liegt ein nahezu emissionsfreier Energieträger vor. Und den sollen in Hamburg eines Tages auch möglichst viele der circa 15.000 Lkw tanken, die den Hafen täglich ansteuern.

Für den europäischen Markt sieht MAHLE derzeit das größte Potenzial. „Wir wollen in Europa für Europa produzieren“, sagt Warth. China, das 2060 klimaneutral wirtschaften will und Nordamerika sind weitere spannende Märkte. Die neue US-Regierung unter Joe Biden sieht Wasserstoff als eine von fünf Prioritäten ihrer Innovationsstrategie. Bis 2050 will das Land klimaneutral sein und weltweit die Nummer eins in der Produktion des Energieträgers werden.

Die Peripherie entscheidet

Damit aus gewöhnlicher Außenluft und Wasserstoff Strom wird, der ein Nutzfahrzeug antreibt, braucht es mehr als nur die Brennstoffzelle selbst. Im Antriebssystem müssen unter anderem Temperaturen, Drücke, Spannungen oder ungewollte Schwebeteilchen gemanagt werden. Für all das bietet MAHLE Lösungen. Die Grafik zeigt die für den Antrieb wesentlichen Schritte.

Außen- luft H 2 O Brennstoffzellen-Stack Batterie 1 2 3 6 7 7 4 5 9 Elektromotor H 2 8
1

Thermomanage­ment

Die großen Kühlmodule in der Front sind nur der Anfang: Das Kühlsystem mit Wärmeüberträgern, elektrischen Pumpen, Ventilen und Lüftern von MAHLE durchzieht das Fahrzeug wie der Blutkreislauf beim Menschen.
2

Filtration

Filter wie die von MAHLE vermeiden das Eindringen von Schadgasen und Partikeln, die die Zelle beschädigen oder vorzeitig altern lassen.
3

Elektrischer Verdichter

Der Verdichter komprimiert die zugeführte Luft. Da bereits kleine Ölmengen die Brennstoffzellen irreversibel schädigen, entwickelt MAHLE ölfreie Lager.
4

Ladeluftkühler

Beim Verdichten erwärmt sich die Luft, die für die kalte Verbrennung in den Zellen effizient gekühlt werden muss.
5

Befeuchtung

Brennstoffzellen müssen zuverlässig befeuchtet werden. Befeuchter von MAHLE übertragen Feuchtigkeit von der Abluft hin zur trockenen Zuluft.
6

MAHLE Fuel Cell Monitor

Das Modul überwacht die Signale aus dem Brennstoffzellen-Stack und gibt Rückmeldung an das zentrale Steuergerät.
7

DC/DC-Wandler

DC/DC Wandler sind hocheffiziente Bindeglieder zwischen Stack und Batterie beziehungsweise Batterie und 12-Volt-Niederspannungsnetz.
8

Abluftsystem

Der von MAHLE im gesamten System optimierte Abluftpfad in Kunststoffbauweise spart gegenüber metallischen Konstruktionen viel Gewicht ein, läuft leiser und erhält ein Maximum an Designfreiheit.
9

Wasserstoff­tanks

Wasserstoff wird unter einem extrem hohen Druck von 700 bar gespeichert. Da er dabei gasförmig bleibt, gelten sehr hohe Sicherheitsstandards für die Tanks.

Interkontinentales Teamwork

Marco Warth glaubt, dass Brennstoffzellensysteme angesichts dieser multinationalen Anstrengungen ein globales Produkt werden, das lokal allenfalls in der dazugehörigen Infrastruktur Unterschiede aufweisen wird. Kundenseitig habe MAHLE die OEMs im Blick. Warth betont aber auch, dass man weiterhin zu seiner Technologie-Offenheit stehe: „Wir wollen keine Ideologie, sondern für jeden Sektor die optimale Antriebslösung.“

Wir wollen keine Ideologie, sondern für jeden Sektor die optimale Antriebslösung.
Dr. Marco Warth,
Leiter Konzernvorausentwicklung Mechatronik, MAHLE in Stuttgart

Bei der Weiterentwicklung seines Know-hows und seines Portfolios rund um die Brennstoffzelle hat MAHLE im Jahr 2020 einen großen Schritt nach vorn gemacht: Der Technologiekonzern vereinbarte mit dem kanadischen Brennstoffzellen-Hersteller Ballard Power Systems Inc. eine technische Kooperation. Die Nordamerikaner gelten als eine der Top-Adressen weltweit. Ballards Produkte punkten bei Parametern wie Langlebigkeit und werden vor allem für den Einsatz in Lkw, Bussen, Schiffen und Eisenbahnen mit großem Potenzial entwickelt.

Durch diese Kooperation beschleunigt MAHLE den Ausbau seiner Kompetenzen entlang der Schwerpunkte Luftmanagement – insbesondere Filtration und Befeuchtung –, Thermomanagement und Leistungselektronik. Gleichzeitg erhalten die MAHLE Ingenieure Zugang zum Know-how rund um den sogenannten Stack, den „gestapelten“ eigentlichen Zellen, in denen Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser reagieren und dabei Strom erzeugen. Und dieses Wissen wird MAHLE helfen, sein Portfolio rund um die Peripherie der Stacks weiter auszubauen, um künftig noch wirtschaftlichere und robustere Produkte für bestehende und neue MAHLE Kunden zu entwickeln.

„Die Kooperation ist eine Riesenchance, aber auch eine echte Herausforderung. Immerhin treffen mit einem kanadischen Brennstoffzellenspezialisten und einem breit aufgestellten deutschen Zulieferer-Konzern zwei sehr verschiedene Mentalitäten aufeinander. Zwischen diesen Kulturen und den 8 000 Kilometern Entfernung muss man vermitteln, aber manchmal auch bewusst neue Ansätze einbringen. Wir entwickeln dann etwas schneller als wir es uns selbst zugetraut hätten,“ sagt Sommer.

Philipp Sommer
Durch unsere Arbeit sichern wir MAHLE einen Anteil an einem nachhaltig wachsenden Markt.
Philipp Sommer,
Leiter Projekthaus Brennstoffzelle, MAHLE in Stuttgart

Fest steht: Eine neue Technologie, zumal eine so komplexe wie Brennstoffzellenantriebe, entwickelt niemand allein. „Beide Unternehmen brauchen Kooperation, um schnell Fortschritte zu erreichen“, sagt Marco Warth. Dass die Technologie funktioniere, sei schließlich schon lange Zeit erwiesen. Es gehe nun aber darum, wie sie sich industriell und zu vertretbaren Kosten produzieren lässt. An diesem Punkt bringt MAHLE viele Jahrzehnte Erfahrung in der Automotive-Industrie ein. „Wir verstehen die Branche, beherrschen sämtliche Spezifikationen und sind auf allen Vertriebswegen gut aufgestellt“, unterstreicht Warth. Auf Seiten von Ballard beeindruckt den Ingenieur die nordamerikanisch typische Umsetzungskraft: „Deren Experten forschen extrem pragmatisch, wir hingegen sehr zielgerichtet und systematisch mit Entwicklungshorizonten von mehreren Jahren.“

24 %

der globalen energiebedingten CO2-Emissionen entfallen auf den Transportsektor, der auch den Pkw-Verkehr einschließt. Ein Drittel dieser Menge verantwortet der Güterverkehr auf der Straße. Hier gilt der Brennstoffzellenantrieb als eine mögliche Lösung zum Reduzieren der Emissionen.

Quelle: International Energy Agency (IEA), 2018

Im System denken

MAHLE konzentriert sich in der Partnerschaft klar auf die Entwicklung einzelner Komponenten eines Brennstoffzellensystems, braucht dafür aber den Blick für das Ganze: „Eine sehr komplexe Aufgabe“, wie Philipp Sommer sagt. „Die Auslegungskriterien der Bauteile verändern sich, sobald ich den Fokus von der einzelnen Komponente auf das System verlagere.“ Ein Beispiel dafür sehen wir in diversen von Luft und Wasserstoff durchströmten Bauteilen, wie zum Beispiel dem Befeuchter. „Obwohl ein runder Querschnitt auf Komponentenebene die theoretisch besten Ergebnisse bei Druckverlust und Effizienz erzielen würde, tendieren wir inzwischen zu eher länglichen rechteckigen Designs, da sie sich deutlich besser ins Gesamtsystem einfügen und Kostenvorteile bei der Herstellung mit sich bringen.“ Dabei bringt MAHLE sein über Jahrzehnte erworbenes Know-how im Bereich der Filtration und der Verarbeitung von Kunststoffen ein.

„Ein Brennstoffzellenantrieb wird Stand heutiger Technik keine Solo-Technologie, sondern immer mit einer Batterie zusammen geplant werden. Die Frage ist, in welchen Leistungen und Auslegungen“, erläutert Warth. Er sagt auch, dass sich Zulieferer wie MAHLE bei diesen Fragen künftig noch früher einbringen müssen. „Ich erwarte, dass sich das Spektrum der Fahrzeuge in Zukunft noch ausweiten wird, ein Modell für alles, das ist Vergangenheit. Diese zunehmende Diversifizierung wird sich auch auf die Komponenten auswirken.“

Das Ziel: Stolze Gesichter

Marco Warth vermutet, dass es nur noch wenige Jahre dauern wird, bis eine leistungsstarke Wasserstoff-Infrastruktur und Lkw mit in Preis und Leistung wettbewerbsfähigen Brennstoffzellensystemen verfügbar sind. „Wir bewegen uns bis dahin von Meilenstein zu Meilenstein. All das mit dem Ziel, in die stolzen Gesichter der Kolleginnen und Kollegen schauen zu können, wenn wir dem Brennstoffzellenantrieb, in dem unsere Komponenten verbaut sind, zum großen Durchbruch verhelfen“, sagt Marco Warth. Dieser Moment sei es, für den er jeden Tag arbeite. Und Philipp Sommer wird dann vielleicht von sich behaupten, dass er nun Wasserstoff statt Benzin im Blut habe.

3 Fragen an ...

Randy MacEwen, CEO bei Ballard Power Systems Inc.,
über strategische Ziele und die technische Kooperation mit MAHLE.

Randy MacEwen
Unser Ziel ist es, die besten Brennstoffzellenantriebe für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge auf den Markt zu bringen.
Warum hat sich Ballard für die Zusammenarbeit mit MAHLE entschieden?

MacEwen:
Es gibt eine wachsende Nachfrage nach Brennstoffzellen-Antriebslösungen für Nutzfahrzeuge. Ballard entwickelt die Brennstoffzellentechnologie seit 40 Jahren. Für die Industrialisierung von Brennstoffzellenantrieben brauchen wir einen renommierten Partner mit starker Expertise in der Entwicklung und Produktion von Automobilkomponenten und -systemen. Als globaler Tier-1-Zulieferer der Automobilindustrie besitzt MAHLE einzigartiges Know-how für die Entwicklung von Komponenten für Brennstoffzellensysteme und die besonderen Anforderungen an Lkw.
Welche strategischen Ziele verfolgt Ballard und wie trägt die Partnerschaft mit MAHLE dazu bei?

MacEwen:
Unser Ziel ist es, die besten Brennstoffzellenantriebe für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge auf den Markt zu bringen. Der Beitrag von MAHLE wird Systemintegrationswissen wie Kühlung und Leistungselektronik, brennstoffzellenspezifische Komponenten wie Filter sowie Entwicklungsoptimierung von der Modellierung bis hin zu Test- und Fertigungs-Scale-up-Fähigkeiten auf fünf Kontinenten umfassen.
Wie läuft die Zusammenarbeit in diesen herausfordernden Zeiten mit der Pandemie?

MacEwen:
Trotz Covid-19 hat unsere Kooperation im Jahr 2020 bedeutende Fortschritte gemacht. Unsere Teams konnten einen Programmplan entwickeln, Ziele und Produktanforderungen definieren. Die Arbeit unter diesen herausfordernden Pandemiebedingungen hat unsere Teams intensiver zusammengebracht und bestätigt unsere Ausrichtung auf gemeinsame Werte, Unternehmenskultur und eine Vision für nachhaltige Technologie.