Mit Brennstoffzellen die Dekarbonisierung vorantreiben

Vermutlich, sagt Dr. Tore Fischer, wäre er nach dem Abitur in den klassischen Naturwissenschaften gelandet, hätte vielleicht Physik studiert oder Mathematik. Doch der gebürtige Hamburger wächst in Hannover auf und hat dort nach dem Abitur genau zwei Studiengänge zur Auswahl, die ihn interessieren: Maschinenbau oder Gravitationsphysik. Letzteres erschien ihm zu abstrakt, Fischer wollte einen praktischen Bezug und studiert daher Maschinenbau mit Fachrichtung Fahrzeugtechnik.

Text: Mathias Heerwagen | Fotos: Stefan Bausewein,  FFCC

Die Faszination für Wasserstoff entwickelt sich langsam, obwohl er im Studium die Brennstoffzellenvorlesung aus Interesse sogar zweimal besucht. Eigentlich wäre er »ein klassischer Motoren-Mensch« geworden. Doch an der Uni wechselt die Professur und Fischer orientiert sich um. Thermische Turbomaschinen klingen schließlich auch interessant. »Das war ein ähnliches Thema, aber mit mehr Geschwindigkeit und weniger Unwucht«, lacht Fischer. Spätestens ab dem 6. Semester sei klar gewesen, es geht in Richtung Turbomaschinen; Fischer arbeitet an großen Radialverdichtern, geht in die Numerik und landet bei den Abgasturboladern. Während der Promotion kommt er schließlich mit der Brennstoffzellentechnik in Kontakt und arbeitet im Rahmen eines öffentlichen Forschungsprojekts an einem Radialgebläse für Brennstoffzellen; von da an »schwimmt das Wasserstoffthema immer mit«.

Nach fünf Jahren Forschung verlässt der Ingenieur 2017 die Uni. »Ich hatte mir diese Zeitschiene gesetzt und wollte dann etwas Praktisches machen. Das war allerdings nicht der beste Zeitpunkt, Turboladerseitig gab es damals nur zwei passende Stellen – in Mexiko oder China.« Sicher interessant, aber nicht das, was Fischer vorschwebt. Er nutzt seine Kontakte und erweitert seinen Interessenkreis. Die Brennstoffzellentechnik war damals im Kommen, bei der FISCHER AG Präzisionsspindeln im schweizerischen Herzogenbuchsee wurde 2018 die zuvor ausgelagerte Kompressorsparte wieder eingegliedert – das passt. 2020 wird die Sparte als FISCHER Fuel Cell Compressor AG (FFCC) ausgegründet, im gleichen Jahr schließt Fischer seine Promotion ab. Mit einem Drei-Personen-Team soll er nun als Leiter Industrialisierung die aktuelle Kompressorgeneration robuster machen für große Stückzahlen; damals gab es Kooperationen mit beispielsweise VW und dem kanadischen Brennstoffzellenpionier Ballard Power Systems. Qualität steigern, Kosten senken – Fischer soll die klassischen Themen angehen. Er übernimmt die Betreuung des Prüffelds, vor zwei Jahren wird er Leiter der Vorentwicklung.

Im Alltag steht Tore Fischer seinem jungen, elfköpfigen Team bei Projekten oft beratend zur Seite. »Die scharren mit den Hufen und wollen innovativ sein, diese Energie muss man in die richtigen Bahnen lenken«, sagt der Ingenieur. Neben der dezentralen Energieerzeugung, wo die Brennstoffzelle mit ihrer Leistungsdichte punktet, sieht Fischer vor allem Lkw, Busse, Boote oder kleine Fähren als die idealen Anwendungsfelder. »Das wird ganz klar der Markt sein, wenn wir den Verbrenner rausnehmen. Im Pkw sehe ich die Brennstoffzelle in den nächsten Jahren nicht mehr, dafür ist dort zu viel Geld in die Batterieentwicklung und -Produktion geflossen.«

Doch was haben Turbomaschinen mit Brennstoffzellen zu tun? »Jede Brennstoffzelle benötigt Verdichter, um effizient Leistung zu generieren. Je mehr Sauerstoffmoleküle auf einen Quadratzentimeter Zellfläche gelangen, desto mehr Energie kann erzeugt werden – ein höherer Ladedruck sorgt für mehr Leistung«, erklärt Fischer. Bei Brennstoffzellen mit einer Stackleistung zwischen 50 und etwa 300 kW liegt der Ladedruck bei stationären Anwendungen bei 1,5 bis 2 bar. Bis zu 2,7 bar liegen an, wenn die Brennstoffzelle in Fahrzeugen Energie erzeugt.

Während der Entwicklung hat Fischer mit mehreren Herausforderungen zu tun, nicht alle sind technischer Natur. Die Luft für die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle muss absolut sauber und ölfrei sein. »Also brauchen wir eine ölfreie Lagerung der Verdichterwelle, und alle ›alten‹ Technologien funktionieren dafür nicht«, sagt Fischer. Eine Lösung können Folienlager sein. Doch FFCC hat ein für den Markt ungewöhnliches Luftlager (weiter-)entwickelt, das ohne Folie auskommt und bei dem Öl durch Luft ersetzt wird und sich die Lagerspalte nicht mehr im Bereich von Zehntelmillimetern bewegen, sondern von Hundertsteln. Nur mit sehr viel technischem Know-how und Präzisionsmaschinen lassen sich diese besonders verlustarmen Lager fertigen. Und wer hat’s erfunden? In diesem Fall nicht die Schweizer. Die Entwicklung geht zurück auf ein NASA-Patent aus den 60er-Jahren. Auch das Brennstoffzellenabgas sei »undankbar für eine Turbomaschine«, da der Wasserdampf eine niedrige Temperatur, bis zu 100 Prozent Luftfeuchtigkeit und einen hohen Flüssigwasseranteil aufweist. Dementsprechend gut müssen die Elektromotoren und Luftlager der Verdichter abgedichtet sein.

Neben den technischen Herausforderungen hadert Fischer gelegentlich mit der Mentalität hierzulande: »Während die Japaner einfach mal ein Brennstoffzellenauto entwickeln, auf den Markt bringen und Felderfahrung sammeln, wird in Europa ein System entwickelt, dann baut man zehn Prototypen für einen Flottenversuch und will am liebsten gleich das nächste System entwickeln, weil das ja viel spannender ist, als eins zur Serienreife zu bringen«, beschreibt Tore Fischer ein Problem, das er gelegentlich auf OEM-Seite beobachtet. 

Auch gewisse politische Entscheidungen bedauert er aus Technologiesicht. Wenn Gelder in die Rüstung fließen und nicht in die Energiewende, spüren das die Unternehmen; die dann am wenigsten etablierte Technik wird eingedampft. VW hat die Brennstoffzellen-Entwicklung vor Jahren eingestellt, Audi und Bosch fahren sie herunter – doch die FISCHER Fuel Cell Compressor AG generiert Wachstum. Eine Besonderheit des Unternehmens ist die fast vollständige Inhouse-Entwicklung und -Fertigung: Aerodynamik, Lagerung, Kühlung, sogar die Elektromotoren werden von FFCC entwickelt, als nahezu einziges Bauteil werden die Motoren jedoch extern produziert. Diese Fertigungsbreite und -tiefe ist auch ein Grund für die FVV-Mitgliedschaft.

»Durch die FVV erhalten wir Einblick in die vorwettbewerbliche Forschung in vielen Bereichen, auch bei den Verbrennungsmotoren, etwa in Themen wie Ammoniak- oder Wasserstoffverbrennung und Abgasnachbehandlung. So haben wir die Möglichkeit, auf dem neuesten Stand zu bleiben«, sagt Fischer. Das sei wichtig, um den Markt zu verstehen. »Ich habe fünf Jahre gekämpft, dass wir als Schweizer Unternehmen Mitglied in der FVV werden. Das Netzwerk auf Augenhöhe ist attraktiv und wir nutzen das Wissen in THEMIS sehr intensiv, weil es uns weiterbringt«, erklärt Fischer, der gerade ein eigenes Projekt vorbereitet und kurz vor der Antragsstellung steht. Für die FVV-Mitgliedschaft musste Fischer etwas interne Lobbyarbeit betreiben, die Forschungsvereinigung ist in der Schweiz kaum bekannt. Doch die Mitgliedschaft sei unheimlich wertvoll für KMU mit geringen Forschungsbudgets, daher fände Fischer es sinnvoll, den Nutzen noch besser zu kommunizieren, um weitere KMU zu gewinnen. Schließlich können dank der Gemeinschaftsforschung auch die Kosten gesenkt werden, ein wichtiger Punkt, denn: »Der Fokus liegt derzeit auf den Kosten, und die sinken stark mit steigenden Stückzahlen. Man sieht das an E-Autos: dank Förderung kostet das gleiche Modell als E-Variante nun ähnlich viel wie das Modell mit Verbrenner. Und das war eine Entwicklung von ungefähr zehn Jahren.« Daran sehe man, was möglich ist, wenn eine Technologie politisch gewollt, gefördert und in die Serie überführt wird.

Fischer wagt einen Blick in die Zukunft: Sofern die Politik die Weichen in die richtige Richtung stellt, ist er vom Erfolg der Brennstoffzellentechnologie überzeugt: »Außer für Flugzeuge und große Schiffe ist es für mich der Energieträger, den es braucht im Hinblick auf die Erneuerbaren, Netzstabilität und die Dekarbonisierung des Straßenverkehrs.« Technisch sei man derzeit bereits nah am Machbaren, bei der Leistungsdichte sieht Fischer noch Potential für die Zukunft, etwa durch den Einsatz einer Turbine am Verdichter, die die Wellenleistung um bis zu 40 Prozent steigert und so auf gleichem Bauraum deutlich größere Brennstoffzellensysteme ›beatmen‹ kann.

Dass Tore Fischer langfristig und nachhaltig plant, davon zeugt sein privater Pkw mit Verbrennungsmotor. Das acht Jahre alte Auto soll noch sieben Jahre halten, danach könnte sich Fischer durchaus vorstellen ein Brennstoffzellenauto zu kaufen, »wenn die Tank-Infrastruktur passt und es preislich nicht völlig danebenliegt«. Die Kosten müssen runter, damit kennt er sich aus. //