Hannover Messe: Fraunhofer IPA zeigt Exponate rund um Energie und Nachhaltigkeit

»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 vermeiden 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:

• Baden-Württemberg International in Halle 12, Stand D15
• Fraunhofer-Gesellschaft in Halle 2, Stand B24

Gleichstrom für die Industrie

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.

CO2-Verbrauch von Unternehmen wird transparent

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.

Künstliche Intelligenz erkennt Leckagen in Druckluftanlagen

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.

Produktiv, rein und nachhaltig: Innovationen für Batteriezellen

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.

Industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen

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.

Die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette rückt in den Blick

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.

Verlustfreies Lackieren zur Oberflächenveredelung additiv gefertigter
Bauteile

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 Kunststoffbauteilen.
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.

2ndSCIN® – ein Maßanzug für Roboter

»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.

Vorträge und Diskussionsrunden: Das Rahmenprogramm der Hannover Messe

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.