Fraunhofer: Elektrolyseure sollen zur Massenware werden
Wenn Wasserstoff eine Chance haben soll, werden viele Elektrolyseure benötigt, und zwar zu bezahlbaren Kosten. Ein Team vom Fraunhofer IPA arbeitet mit Partnern an einer Lösung für ihre Herstellung – die Forschenden entwickeln eine automatisierte Elektrolyseurfabrik.
Elektrolyseure müssen sehr exakt verarbeitet sein, damit sie leistungsfähig sind.
Foto: H-TEC SYSTEMS GmbH
Wasserstoff könnte zu einem wichtigen Baustein für die Energiewende werden. Ein Mangel an dem Grundstoff besteht nicht. Schließlich muss das Element nur aus Wassermolekülen herausgelöst werden. Wenn das Gas stark nachgefragt wird, könnte es allerdings in einem anderen Bereich knapp werden – es werden mehr Elektrolyseure benötigt. Sie spalten Wasser in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) auf, bevor Brennstoffzellen sie später wieder in elektrischen Strom umwandeln. Für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA ist die Aufgabe damit klar: Sie wollen eine Fabrik schaffen, in der Elektrolyseure vollständig automatisiert produziert werden können, um die steigende Nachfrage zu decken.
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Handarbeit bei Wasserstoff-Elektrolyseuren ist zu teuer
Das Problem ist in Fachkreisen bekannt: Elektrolyseure für die Wasserstoff-Produktion werden zum größten Teil in aufwendiger Handarbeit gefertigt. Das dauert auf der einen Seite verhältnismäßig lange und ist deswegen teuer. Auf der anderen Seite bringt der menschliche Faktor einen großen Nachteil mit sich – eine hohe Fehleranfälligkeit. Die IPA-Forschenden haben daher einen Plan, den sie gemeinsam mit Partnern aus der Industrie umsetzen wollen: „Ziel ist eine automatisierte Elektrolyseurfabrik im Gigawatt-Maßstab“, sagt Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Zentrum für digitalisierte Batteriezellenproduktion (ZDB) am Fraunhofer IPA. „Die hier innerhalb eines Jahres produzierten Elektrolyseure sollen also eine aufaddierte Nominalleistung von mindestens einem Gigawatt haben.“
Roboter könnten das Stacking der Elektrolysezellen übernehmen
Was heißt das konkret? Das Herz des Elektrolyseurs ist aus zwei Elektroden zusammengesetzt, der positiv geladenen Anode und der negativ geladenen Kathode. Hinzu kommt ein Separator, in diesem Fall eine Protonen-Austausch-Membran (PEM). Die Leistung solch einer Elektrolysezelle reicht für eine Wasserstoff-Produktion im größeren Maßstab aber nicht aus, weswegen viele Zellen gestapelt werden. Dabei entsteht ein sogenannter Stack. Dieses Stacking passiert derzeit meistens in Handarbeit. Dabei wäre es aus Sicht der Forschenden eine ideale Aufgabe für Roboter – die dabei erheblich präziser vorgehen könnten als der Mensch.
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Roboter fürs Stacking sind aber nur eine Maßnahme, um die gesamte Produktion auf ein hohes Tempo zu trimmen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen auch die vor- und nachgelagerten Prozesse berücksichtigen, angefangen bei der Fabrik- und Produktionsplanung, über die Bauteiltests bis hin zu den End-of-Line-Prüfständen.
Neue Designs sollen die Herstellung der Elektrolyseure beschleunigen
Im ersten Schritt errichten die Projektpartner eine Fertigungslinie nach dem aktuellen Stand der Technik. Diese wollen sie Stück für Stück modular anpassen und erweitern. Denn für eine vollständig automatisierte Elektrolyseur-Fabrik ist es wichtig, dass die einzelnen Prozesse exakt ineinandergreifen.
Viele Fragen sind offen, die beantwortet werden müssen, bis die Produktion reibungslos vonstattengehen können, unter anderen: Wie muss ein Roboter aussehen und zusammengesetzt sein, damit er sich für das Stacking optimal eignet? Wie muss er die Bauteile greifen, damit er die Komponenten dabei nicht beschädigt, und wie hoch darf sein Arbeitstempo sein? Welche optischen Sensoren können zur Qualitätssicherung der Anlage beitragen? Bei allen Fertigungstechnologien steht zudem im Raum, wie gut sie sich skalieren lassen. Schließlich sollen sie eine Massenproduktion ermöglichen. Unterm Strich wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler also herausfinden, wie eine Elektrolyseurfabrik bis ins Detail aufgebaut sein muss, damit sie vollautomatisch funktioniert.
Parallel plant das Konsortium, ganz neue Stackdesigns zu entwickeln, die künftig die Herstellung der Elektrolyseure noch weiter vereinfachen könnten.
20 Millionen Euro als Wasserstoff-Förderung vom BMBF
Der Zeitplan für das Projekt ist ehrgeizig. In nur drei Jahren wollen die Forschenden die Antworten auf ihre Fragen gefunden haben. Ihr Forschungsprojekt „Industrialisierung der PEM-Elektrolyse-Produktion“ (PEP.IN) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit über 20 Millionen Euro gefördert. Die Beteiligten des Verbundprojektes sind neben dem Fraunhofer IPA das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, die MAN Energy Solutions SE, die H-TEC Systems GmbH, die Audi AG, die VAF GmbH, das Zentrum für Brennstoffzellen-Technik GmbH und das Forschungszentrum Jülich GmbH. Das Projekt ist Teil der Nationalen Wasserstoffstrategie.
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