Vom Brennelement bis zur Bipolarplatte

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Text: Thomas Masuch

Der Sektor Energie, Öl und Gas ist extrem vielfältig, und das zeigt sich auch in den Anwendungen, die die Additive Fertigung hier ermöglicht. Diese reichen von der Entwicklung neuer Generatoren über Bipolarplatten, die entscheidend in der Wasserstoffindustrie sind, bis hin zu zahlreichen Komponenten in Kraftwerken. Und überall dort, wo Energie umgewandelt wird, kommen auch Wärmetauscher zum Einsatz – mittels AM und integrierter Kühlkanäle können diese leitungsstärker und effizienter werden. 

Kraftwerke

In Kraftwerken (Kohle, Gas, Kernkraft) umfasst der Einsatz von AM zum Beispiel Pumpenteile, sogenannte Labyrinth-Scheiben, die sich in Ventilen wiederfinden und die Wartungsarbeiten verbessern, sowie zahlreiche Bauteile und Komponenten, die in den Turbinen zu finden sind. 

Siemens Energy beschäftigt sich schon seit fast 20 Jahren mit AM, ein wesentlicher Treiber der Entwicklung sind verschiedene Kompetenzzentren, unter anderem in Finspång, Schweden. Ein wichtiger Meilenstein waren 2017 die ersten 3D-gedruckten Gasturbinenschaufeln, die unter Volllastbedingungen erfolgreich in der Turbine getestet wurden. Heute leistet AM bei Siemens Energy weit mehr als Prototyping: Das Unternehmen beschäftigt sich mit der Serienfertigung komplexer Teile wie Brennerdüsen und Turbinenschaufeln. 

Auch in Kernkraftwerken wird AM häufig genutzt. Zum Beispiel verlängert Vattenfall mit 3D-gedruckten Ersatzteilen und Komponenten für ältere Reaktoren, die in den 1970er- und 1980er-Jahren gebaut wurden, deren Betriebssicherheit und Lebensdauer. Mit Westinghouse setzt auch eines der weltweit führenden Kernkraft-Technologiekonzerne AM industriell ein. Im Jahr 2020 installierte Westinghouse die erste sicherheitsrelevante AM-Komponente, eine Thimble Plugging Device, in einem kommerziellen Reaktor. Bereits vier Jahre später produzierte Westinghouse die tausendste additiv gefertigte Komponente für VVER-440-Brennelemente. Diese kommen eigentlich nur in sowjetischen Druckwasserreaktoren zum Einsatz – nach Russlands Krieg in der Ukraine haben aber auch westliche Unternehmen wie Westinghouse begonnen, diese hexagonalen Brennelemente zu qualifizieren. Damit können Länder mit ehemals sowjetischer Reaktortechnik versorgt werden (zum Beispiel in Osteuropa und in Finnland).

Öl und Gas

Die Förderung und Weiterverarbeitung von Öl und Gas ist so etwas wie der klassische Anwendungssektor in der Energiebranche. Seit rund 25 Jahren werden Prototypen additiv hergestellt, seit rund 15 Jahren funktionale Metallteile und seit rund 10 Jahren gibt es zertifizierte industrielle Anwendungen. In der Öl- und Gasbranche werden oft recht zeitnah kleine Stückzahlen benötigt, die flexibel dezentral (z. B. auf Bohrinseln) produziert werden. Und wenn die Produktion wegen eines Ersatzteils beeinträchtigt ist, spielt es auch selten eine Rolle, ob ein Bauteil etwas teurer ist, sofern es schnell geliefert werden kann. Zum Teil werden 3D-Drucker auf den Ölplattformen remote betrieben. Inzwischen dürfte wohl fast jeder große Player der Branche AM nutzen – die Bandbreite der Anwendungen reicht vom Wärmetauscher über Druckbehälter bis hin zu Komponenten für Bohr- und Richtsysteme für Öl- und Gas-Bohrungen.

Wasserstoff

Bipolarplatten waren auf der Formnext 2025 an zahlreichen Ständen zu sehen. Diese spielen eine zentrale Rolle bei der Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle, sei es bei der Herstellung in Elektrolyseuren oder bei der Umwandlung in Strom in einer Brennstoffzelle. Die Bipolarplatten verteilen die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff, leiten den elektrischen Strom zwischen den Zellen weiter, sorgen für die Kühlung und trennen gleichzeitig die einzelnen Zellräume gasdicht voneinander. Dank AM können komplexe Kühlstrukturen mit integrierten Strömungskanälen hergestellt werden, die konventionell nur schwer oder gar nicht realisierbar sind. Dadurch lassen sich zum Beispiel Druckverluste reduzieren und die Reaktionsflächen besser ausnutzen. Ein weiterer Vorteil: AM kann das Gewicht der Bipolarplatten reduzieren, was zum Beispiel bei Antrieben für Flugzeuge eine entscheidende Rolle spielt. Das Thema wird auch in der Forschung weiter vorangebracht. So entwickelt der Lehrstuhl Digital Additive Production (DAP) der RWTH Aachen gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung innovative additive Lösungen entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette. Das reicht von optimierten, skalierbaren Zellarchitekturen für Elektrolyseure über wasserstofffähige Pipelines bis hin zu industriellen Brennersystemen.