Fischer Fuel Cell Compresor: Luftkompressoren für Brennstoffzellen Zukunft für Brennstoffzellen: High-Tech aus der Schweiz

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Fischer Fuel Cell Compressor (FFCC) entwickelt und produziert Luftkompressoren für Brennstoffzellen. Dr. Tobias Moser (CEO), Werner Stieger (Head of Technology) und Dr. Tore Fischer (Head of Industrialization) berichten, mit welchem Know-how das Unternehmen diese Hightech-Produkte entwickelt und in der Schweiz wirtschaftlich für weltweite Märkte produziert.

SMM: Wie hat es Fischer geschafft, sich in einem derart zukunftsweisenden Bereich der Technik zu etablieren? Welche Erfahrungen und welches Spezialwissen sind erforderlich, um in einer Hightech-Nische wie dem Bau von Luftkompressoren für Brennstoffzellen erfolgreich zu sein?

Dr. Tobias Moser: Fischer ist eine familiengeführte, weltweit führende Technologie­gruppe mit über 80-jähriger Erfahrung in der präzisen, schnellen und starken Rotation. Unsere Vision ist die perfekte Rotation mit Kundenwertschöpfung. Neben unserem Hauptgeschäft – dem Bau hochwertiger Präzisionsspindeln für Werkzeugmaschinen – entwickeln und produzieren wir auch für andere Anwendungen und Branchen, die Hightech-Lösungen «Made in Switzerland» benötigen.

Werner Stieger: Bereits vor 15 Jahren haben wir einen ersten Kompressor für die Belüftung von Brennstoffzellen entwickelt und erfolgreich im Fahrzeug eingesetzt. In der Folge investierten wir in Forschung und Entwicklung der aerodynamischen Luftlager. Bereits bei niedrigen Drehzahlen baut sich bei diesen Wellenlagern im Spalt zwischen Welle und Lager ein Luftfilm auf – die Welle rotiert stabil und berührungsfrei. Dies ermöglicht einen nahezu verschleissfreien, effizienten sowie langlebigen Betrieb des Kompressors. Im Laufe der letzten zehn Jahre haben wir unser Know-how nach einem gesamtheitlichen Ansatz aufgebaut. Bei uns durchlaufen sämtliche Kompressoren alle Entwicklungs- und Arbeitsschritte von der Simulation über das Engineering bis hin zur Produktion und zum Testing. Ermöglicht hat dies ein Team aus hochtalentierten Mitarbeitenden, modernste Technologie, aber auch unsere Fertigungsinfrastruktur. Somit profitieren alle unsere Produkte von unserer patentierten Spiralrillen-Lagertechnologie.

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Wie funktionieren Luftkompressoren und welche Forderungen müssen sie erfüllen, damit man damit den umweltfreundlichen Antrieb Brennstoffzelle aufbauen kann?

Dr. Tore Fischer: Für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle ist die Versorgung mit sauberer, staubfreier Luft sehr wichtig. Dies wird mit einem ölfreien Kompressor verwirklicht. Der Kompressor pumpt dabei die Luftmenge mit dem erforderlichen Druck durch die einzelnen Lagen im Stack, damit die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff im richtigen Verhältnis stattfinden kann. Für eine lange Lebensdauer ist ein verschleissfreies Start-Stopp- Verhalten entscheidend. Unsere Spiralrillen-Lagertechnologie hat dafür herausragende Vorteile. Unsere Kompressoren sind wartungsfrei und kompakt. Sie arbeiten leise und benötigen wenig Umsysteme, also wenige zusätzliche Nebenaggregate. Da die Luftkompressoren unter allen denkbaren Umweltbedingungen in aller Welt eingesetzt werden – also auch bei sehr unterschiedlichen Temperaturen –, sind sie zudem mit einem optimierten Thermomanagement ausgeführt. Unsere Antwort auf die Versorgung der «Zero-Emission-Brennstoffzelle» ist ein möglichst umweltfreundliches Kompressorensystem.

Welche speziellen Technologien sind im Detail nötig, um effiziente und leistungsfähige Luftkompressoren verwirklichen zu können?

T. Moser: Wir sind überzeugt, dass ein enges Zusammenspiel von Engineering und Produktion die ideale Basis für eine erfolgreiche Entwicklung schafft. Unsere strategische Partnerschaft mit WEICHAI Power in China hat dies bestätigt. Die Kompetenz für das Engineering und die Wertschöpfung haben wir komplett im Stammhaus in Herzogenbuchsee aufgebaut. Wichtig sind beispielsweise die Simulation der rotativen Systeme, die Motorentechnologie sowie die gesamte Auslegung der optimalen Aerodynamik. Aber auch der digitale Zwilling, die Prüfstandsmessungen und die Validierung der Systeme sind essenziell. Wir verbinden Schweizer Hightech-Innovation mit chinesischer Operational Excellence. Damit haben wir ein sehr vielversprechendes und zukunftsweisendes Produkt verwirklicht, unsere aktuelle Generation Luftkompressoren für die Brennstoffzellentechnologie.

In welchen Bereichen der Mobilität werden nach Ihrer Einschätzung künftig Antriebe mit Brennstoffzellen genutzt werden?

W. Stieger: Derzeit sind weltweit einige tausend Brennstoffzellen-Kompressoren von Fischer erfolgreich im Einsatz. Sie arbeiten vor allem in Bussen, in Lastwagen und Schiffen sowie in der stationären Energieversorgung. Wir gehen davon aus, dass aufgrund der aktuellen Markttrends innerhalb der emissionsfreien Mobilität genau in diesen Anwendungen und Branchen der Bedarf an Luftkompressoren deutlich zunehmen wird. Aber auch in weiteren Branchen sehen wir Potenzial. Das betrifft zum Beispiel die Luft- und Raumfahrt und die Eisenbahn. Letztere nutzt bisher noch in zahlreichen Regionen der Welt – speziell bei sehr langen Fahrstrecken – vorwiegend Lokomotiven mit Dieselmotoren. Dort wird es eine Elektrifizierung mithilfe der Brennstoffzellen geben, um emissionsfrei bei vertretbaren Kosten fahren zu können.

T. Moser: Wir sehen grosse Chancen bei Anwendungen, in denen es wichtig ist, grosse Energiemengen kompakt zu speichern und rasch nachladen – betanken – zu können. Dort wird speziell Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen. Die Brennstoffzelle hat aktuell gegenüber der Batterie besonders bei grossen und schweren Fahrzeugen und Systemen einen Vorteil. Die Technologie ist kompakt, sie benötigt wenig Einbauraum und sie ist deutlich leichter, als Kombinationen aus elektrischen Batterien und Elektromotoren.

In welchen Mengen – Serien – werden die Luftkompressoren derzeit hergestellt, welche Serien sind zukünftig zu erwarten und zu bewältigen?

T. Fischer: Aktuell ist der Weltmarkt noch klein, die Serien betragen allenfalls einige tausend Brennstoffzellenantriebe und somit Luftkompressoren pro Jahr. Der Markt wird sich aber in den nächsten Jahren stark entwickeln. Speziell die Heavy-Duty-Applikationen schaffen nach unserer Einschätzung alsbald den Schritt von den Prototypen zur Kleinserie. Ob und wann der wirklich grosse Markt für Pkw erschlossen wird, hängt vor allem von den erreichbaren Herstellkosten und der installierten Infrastruktur ab. Wir erwarten einen möglichen Einzug des emissionsfreien Antriebs mit Brennstoffzellen und Wasserstoff im Privatwagen erst zum Jahr 2030.

Wie schaffen Sie es, die Fertigung der Bauteile und die Montage der Geräte an einem doch sehr kostenintensiven Standort in der Schweiz zu etablieren?

T. Moser: Wir setzen global auf das Konzept, lokal für die jeweilige Region zu produzieren. Wir sind überzeugt, dass insbesondere die Zero-Emission-Technologie lokal und möglichst unabhängig produziert werden soll. Die aktuelle Situation rund um unterbrochene Lieferketten und die politische Dimension der Energieversorgung bestätigt unsere Meinung. Die Vorteile der globalen Supply Chain nutzen wir ganz nach unserem Motto «Think global, act local». Mit unserer Tochtergesellschaft in Weifang, China, haben wir das internationale System-Engineering sowie die globale Supply Chain aufgebaut. Die neue Produktegeneration Luftkompressoren haben wir gemeinsam entwickelt und können sie nun in Serien produzieren – in Produktionsstätten in China und in Europa. In der Provinz Shandong werden die Produkte für den chinesischen Markt hergestellt und vertrieben. Für die europäischen und die amerikanischen Märkte entwickeln und produzieren wir in der Schweiz. Wir werden je nach Bedarf für diese Regionen weitere Produktionsstätten etablieren.

Welche speziellen Produktionstechnologien sind dafür erforderlich? Welche haben Sie bereits in Herzogenbuchsee installiert? Welche weiteren Massnahmen werden Sie treffen und welche Strukturen werden Sie schaffen, um auch künftig wirtschaftlich in der Schweiz zu produzieren?

T. Moser: Forschung und Entwicklung des Lagersystems betreiben wir für alle Märkte exklusiv in der Schweiz. Die Rechte und Patente werden vollständig von der Muttergesellschaft «FISCHER Fuel Cell Compressor AG» in der Schweiz gehalten. Auch die Produktionstechnologie hat ein Team in der Schweiz entwickelt und ist dabei, diese weiter zu optimieren. Es kommt darauf an, dass Engineering und Produktion sich sehr eng miteinander abstimmen. Nur so ist eine Produktion auch langfristig in der Schweiz denkbar.

Wir beherrschen in der Schweiz somit den gesamten Herstellungsprozess. Speziell die Hightech-Komponenten, insbesondere das Wellensystem, werden für alle Märkte neben China weiterhin in der Schweiz hergestellt. Qualität «Made in Switzerland» ist für Anwender selbstverständlich ein herausragendes Kriterium bei der Wahl geeigneter Produkte. Allerdings müssen wir auch streng darauf achten, wirtschaftlich zu arbeiten. Über die Qualitätsmerkmale hinaus stehen wir doch im internationalen Wettbewerb.

Arbeiten Sie in Herzogenbuchsee zum Beispiel mit einer digitalisierten Fertigung und Montage? Welche Arbeitsschritte sind bereits digitalisiert, also smart?

W. Stieger: In der gesamten Unternehmensgruppe haben wir die Prozesse von der Konstruktion bis zum fertigen Produkt komplett digitalisiert. Alle unsere Standorte haben Zugriff auf unsere zentralen Datenbanken und arbeiten mit derselben Software. In der Konstruktion wird zuerst ein digitaler Zwilling aufgebaut, sodass jede produzierte Spindel ein virtuelles Ebenbild erhält. Die Arbeitsvorbereitung plant die Ressourcen. Die Baugruppe wird im PLM-System abgelegt. Das ist speziell für die Standardisierung besonders vorteilhaft. In der Produktion greifen die Maschinen auf die digitalen Daten zu. In der Montage ist jeder Arbeitsplatz mit einem gros­sen Bildschirm ausgestattet. Jeder Monteur kann auf unser Fischer-Portal zugreifen und trägt wichtige Daten ein. «End of Line», also nach der Fertigung und der Montage wird jedes Produkt auf eigens von uns entwickelten Prüfständen getestet. Die daraus erhaltenen Informationen und Daten verknüpfen wir mit dem digitalen Zwilling der Spindel. Wir werten nicht nur das Verhalten aus, sondern leiten daraus auch Massnahmen zur Qualitätsverbesserung und zur Weiterentwicklung des Produkts und seiner Komponenten ab. In einem weiteren Schritt beabsichtigen wir, das «Internet of Things» zu nutzen. Wir können damit ein Condition Monitoring verwirklichen und die Produkte im Betrieb fortlaufend überwachen.

Das Interview führte Konrad Mücke. SMM

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