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Konstruktionsseminar - Vom Zeolith bis hin zur Brennstoffzelle

Regelmäßig zum Ende eines jeden Semesters laden die Studierenden des sechsten Semesters des Bachelorstudiengangs Maschinenbau/Produktentwicklung zur Abschlusspräsentation des Produktentwicklungsseminars ein. Am Mittwoch, 15. Januar 2020, wurde über zwei komplexe Aufgabenstellungen referiert.

Für eine Teilgruppe des Konstruktionsseminars ging es um die Optimierung und Weiterentwicklung der Produktion von Zeolith-Kugeln. Zeolith ist ein Mineral und besteht aus kristallinen Alumosilikaten. Es kommt in zahlreichen Varianten in der Natur vor, wird aber in der Regel synthetisch hergestellt. Es hat die Eigenschaft durch Trocknung Energie aufnehmen zu können, die es bei Befeuchtung als Wärme oder Kälte – je nach Prozessablauf - wieder abgibt und damit ein idealer Wärme-Kältespeicher ist. Die Firma Chemiewerk Bad Köstritz GmbH (CWK) ist einer der Produzenten für Zeolith-Kugeln (D ca. 2 mm) und möchte ihre Produktion optimieren und erweitern. Ziel war es, die Produktion von Zeolith-Kugeln zu verdoppeln ohne dass die Produktionszeit verlängert werden muss. Gewünscht war – neben der Verdopplung des Durchsatzes – eine Erhöhung der Service-Freundlichkeit, eine staubfreie Bedienung, einfache Transportfähigkeit der Produktionsanlage und eine automatisierte Reinigung. Die Studierenden mussten die Produktionseinheit einmal `von rechts auf links drehen´ und alle Bauelemente kritisch hinterfragen. Nach intensiver Recherche und Planung stellten die Studierenden quasi eine Neukonstruktion vor. Diverse Bauteile und Baugruppen mussten neu entwickelt werden und angepasst werden. Übergeben werden nun komplette Fertigungsunterlagen, die von der CWK GmbH, Bad Köstritz direkt umgesetzt werden. „Es war wichtig, den Studierenden den gesamten Entwicklungsprozess bis hin zu produziergeeigneten Fertigungsdokumenten erfahrbar zu machen. Sie erlebten den Alltag in einer Projektgruppe genauso, wie er in einem Ingenieurbüro ablaufen könnte“, so der Betreuer Dipl.-Ing. Rolf Helmerich.

„Erstaunlich wie viel wir in den vergangenen Semestern gelernt haben. Das ingenieurmäßige Arbeiten ging leichter von der Hand, als anfangs befürchtet. Die Verhandlungen und Gespräche mit den Zulieferern, das Arbeiten in und mit Gruppen sowie Untergruppen alles zusammen war spannend. Ich gehe positiv und gestärkt in das nächste Semester“, resümiert Kifah Hussein, 7. Semester.

Die zweite Gruppe des Produktentwicklungsseminars beschäftigte sich mit dem Einsatz eines Brennstoffzellenantriebs in Kraftfahrzeugen. Diese Technologie lebt seit über 40 Jahren immer wieder auf, konnte sich allerdings gegen den Verbrennungsmotor nicht durchsetzen. Der derzeitige Fokus liegt auf der reinen Elektromobilität, doch auch der Brennstoffzellenantrieb könnte bei gewissen Applikationen eine sinnvolle Alternative darstellen. Unter der Leitung von Prof. Dr. Ing. Rainer Häberer wurde zur Brennstoffzelle der aktuelle Wissensstand zusammengetragen und daraus die Chancen und Risiken dieser Technologie ausgelotet. 

Bei einer Brennstoffzelle wird aus Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) elektrische Energie und Wasser gewonnen. Mit dieser elektrischen Energie wird das Fahrzeug über einen Elektromotor angetrieben. Das Herzstück der Brennstoffzelle ist der Stack. Hier findet die chemische Reaktion statt. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, müssen der Wasserstoff und die Luft genau zugemessen werden. Der Stack und die äußere Peripherie müssen durch einen Kühlkreislauf sehr genau temperiert werden. Außerdem muss die Membrane eine definierte Feuchte aufweisen.  Mehrere unterlagerte Regelkreise (Druck, Massenströme, Feuchte, Temperatur) unterstützen die Zumessung.

Auf Basis einer Literatur – und Patentrecherche erarbeiteten die Studierenden den Stand der Technik. Sie verstanden die Wirkzusammenhänge und entwarfen darauf basierend ein eigenes Brennstoffzellensystem, das anschließend hinsichtlich Herstellkosten analysiert wurde. Wichtige Komponenten wurden konstruktiv ausgearbeitet.

Die Studie zeigt, dass für ein Kraftfahrzeug ein sehr komplexes Brennstoffzellensystem erforderlich ist. Dieses System ist eine gewaltige interdisziplinäre Aufgabe von Ingenieuren, Chemikern und Physikern. Auf dem Markt werden bereits vereinzelte Fahrzeuge mit Brennstoffzelle angeboten, d.h., dass die Funktion prinzipiell darstellbar ist. Die Reichweite, die mit einer Tankfüllung erreicht werden kann, entspricht einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Die Energie kann in Form von Wasserstoff gespeichert und transportiert werden.  Nachteilig ist der gegenüber der reinen Elektromobilität schlechtere Gesamtwirkungsgrad. Dieser ist jedoch immer noch besser als beim Verbrennungsmotor. Die Marktchancen sind davon abhängig, inwieweit der Brennstoffzellenantrieb industrialisiert werden kann. Im Automotive – Bereich erwartet man bei sehr großen Stückzahlen eine sehr hohe Qualität, eine robuste Funktion und attraktive Kosten. Daran muss gearbeitet werden.

„Wie waren überrascht über die Komplexität einer Brennstoffzelle. Wir konnten uns in diesem Projekt einen Überblick über die Thematik verschaffen. Außerdem sind wir erstaunt, wie vielseitig der Maschinenbau ist, denn die Vorgänge in einer Brennstoffzelle sind sehr chemisch und so bewegten wir uns im Fachgebiet der Chemie. Also über den berühmten Tellerrand hinaussehen“, freuten sich die Studentinnen Anna-Lena Maier und Lissy Mile, beide im 7. Semester.

„Mein Ziel war es, die Studierenden an ein komplexes, innovatives Thema heranzuführen. Man musste sich sehr tief einarbeiten, die Wirkzusammenhänge erkennen und alle Informationen kritisch plausibilisieren. Weg von der „Wischer-Mentalität“, hin zu einem wissenschaftlichen Arbeiten“, so Prof. Dr.-Ing. Rainer Häberer.

Hintergrund:
Das Seminar, das über ein Semester läuft, hat das Ziel, mit den zukünftigen Ingenieuren bereits an der Hochschule anhand einer anspruchsvollen, praxisnahen Aufgabenstellung den späteren Alltag zu proben. Dabei müssen die Studierenden das bisher im Studium erlernte Wissen selbstständig zur Anwendung bringen. In mehreren Kleingruppen wird ein gemeinsames Thema mit zahlreichen Schnittstellen im Team erarbeitet. Betreut werden die Studierenden auf hohem abstraktem Niveau und praxisnah angeleitet. Dies fördert die Selbstständigkeit, die Kreativität sowie die soziale und fachliche Kompetenz.