Methodik zur Nutzung von Skaleneffekten in der Produktion am Beispiel von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensystemen

Hohe Kosten und geringe Nachfrage stellen bei Wasserstofftechnologien eine zentrale Herausforderung zur Erreichung signifikanter Marktanteile in der Automobilindustrie dar. Zahlreiche manuelle Fertigungsschritte in der Brennstoffzellenproduktion gelten als Ursache für hohe Herstellkosten. Zu ihrer Senkung sollen Skaleneffekte (Economies of Scale) genutzt werden. Durch systematische Veränderung bestehender Fertigungstechnologien wird die beschleunigte Nutzung von Skaleneffekten ermöglicht.

Hohe Kosten und eine gleichzeitig geringe Produktnachfrage stellen im Bereich der Wasserstofftechnologien derzeit eine zentrale Herausforderung zur Erreichung signifikanter Marktanteile in der Automobilindustrie dar. Eine Vielzahl manueller Fertigungsschritte innerhalb der gesamten Wertschöpfungskette von PEM-Brennstoffzellensystemen gilt dabei als wesentliche Ursache für hohe Herstellkosten. Zur Senkung derselben sollen Skaleneffekte (Economies of Scale) in der Produktion in möglichst kurzer Zeit und unter möglichst geringem Aufwand genutzt werden können. Dazu wird eine durch produzierende Unternehmen anwendbare Methodik erstellt, die durch systematische Veränderung bestehender Fertigungstechnologien die beschleunigte Nutzung von Skaleneffekten ermöglicht. Die Grundlagen des Gestaltungsbereiches werden durch den Stand der Brennstoffzellentechnik und die wissenschaftliche Definition von Skaleneffekten dargestellt. Außerdem resultiert das zugrundeliegende Praxisdefizit aus der Durchführung einer Industriestudie und formuliert Anforderungen an die Theorie. Die Grundlagen des Gestaltungsbereiches beinhalten Techniken zur Produktionskostensenkung sowie zur Ableitung innovativer Fertigungstechnologien. Durch Abgleich der Anforderungen aus der Praxis mit verfügbaren theoretischen Lösungsansätzen ergibt sich das Theoriedefizit. Zum Ausgleich dessen wird ein eigenes Vorgehen erarbeitet, das einer inhaltlichen und einer sequenziellen Logik folgt. Anwender:innen liegen dabei neun Phasen vor, in denen zunächst Ist- und Sollkosten generiert, anschließend technische Maßnahmen mit größtem Kostensenkungspotenzial ausgearbeitet und diese schließlich entsprechend ihres Zielebeitrages eingeordnet werden. Im Rahmen der Untersuchungen werden die Produktkosten von PEM-Brennstoffzellensystemen mathematisch modelliert, Produktionsparameter mittels Sensitivitätsanalyse variiert und daraus mögliche Kostenersparnisse quantifiziert. Außerdem werden innovative Fertigungstechnologien abgeleitet und Technologieveränderungsmaßnahmen priorisiert, die eine beschleunigte Nutzung von Skaleneffekten versprechen. Die Validierung der Methodik im Rahmen eines Forschungsprojektes an der RWTH Aachen beinhaltet die Erarbeitung und Umsetzung von drei technischen Maßnahmen für ein praxisnahes Brennstoffzellen-Produktionssystem, die bei einer jährlichen Ausbringung von 10.000 Stück innerhalb von fünf Jahren eine Herstellkostensenkung von 16% erzielen.