Elektrolyseure auf dem Weg in die Massenproduktion

Die Automatisierung soll Elektrolyseure in das Zeitalter der Massenproduktion überführen. Darüber berichtet das Fraunhofer-Institut IPA. Demnach ist Wasserstoff zwar auf der Erde reichlich vorhanden. Allerdings ist er sehr reaktionsfreudig und daher in Molekülen gebunden wie in Wasser (H₂O). Wer das gasförmige Element als emissionsfreie Energiequelle nutzen möchte, muss den Wasserstoff also zunächst aus dem Wassermolekül herauslösen. Dafür gibt es sogenannte Elektrolyseure. Sie spalten Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O) auf. Brennstoffzellen können den Wasserstoff wieder in elektrischen Strom umwandeln, der dann Motoren antreibt. Der Wasserstoff kann aber auch in Hochöfen zum Einsatz kommen.

Automatisierte Elektrolyseurfabrik im Gigawatt-Maßstab

Da Wasserstoff bei der Energie- und Verkehrswende eine wichtige Rolle spielt, braucht die Welt in absehbarer Zeit massenhaft neue Elektrolyseure. Doch die werden bisher noch weitgehend in Handarbeit gefertigt, was sehr viel Zeit braucht, teuer und fehleranfällig ist. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA wollen deshalb zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie die Fertigung von Elektrolyseuren durchgängig automatisieren. »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.«

Ein Elektrolyseur besteht aus zwei Elektroden – der positiv geladenen Anode und der negativ geladenen Kathode – und einem Separator, in diesem Fall einer Protonen-Austausch-Membran (PEM). Um die Leistung zu erhöhen, werden viele Elektrolysezellen zu einem sogenannten Stack gestapelt. Dieses Stacking geschieht bisher noch größtenteils in Handarbeit. In Zukunft könnten das aber Roboter erledigen.

Roboter sollen viel erledigen

Um die gesamte Produktionslinie zu automatisieren, müssen die Forschenden aber auch sämtliche vor- und nachgelagerte Prozesse berücksichtigen. Dabei reichen die Aufgaben von der Fabrik- und Produktionsplanung, über die Bauteiltests bis hin zu den End-of-Line-Prüfständen. Zusätzlich entwickelt das Konsortium auch neuartige Stackdesigns, die zukünftige Produktionsverfahren vereinfachen und somit beschleunigen.

Zunächst bauen die Projektpartner eine Fertigungslinie nach dem aktuellen Stand der Technik auf. Diese wird dann Stück für Stück modular angepasst und erweitert, damit die einzelnen Prozesse besser als bisher ineinandergreifen und automatisiert ablaufen. Dabei gibt es verschiedene Fragestellungen: Welche Robotertopologie eignet sich für das Stacking am besten? Wie muss ein Roboter zudem die Bauteile greifen. Und wie schnell darf er sich dabei maximal bewegen, um die sensiblen Komponenten nicht zu beschädigen? Welche optischen Sensoren sollen zur Qualitätssicherung in die Anlage kommen? Welche Fertigungstechnologien ermöglichen eine Skalierung der Elektrolyseurproduktion? Wie muss eine vollkommen automatisierte Elektrolyseurfabrik aussehen und aufgebaut sein?

Antworten auf diese und viele weitere Fragen will das Forschungsteam bis 31. März 2025 gefunden haben. Dann nämlich läuft das Forschungsprojekt »Industrialisierung der PEM-Elektrolyse-Produktion« (PEP.IN) aus. Dieses fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit über 20 Millionen Euro. Beteiligt sind an dem Verbundprojekt neben dem Fraunhofer IPA auch 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. PEP.IN ist Teil des Leitprojekts »H2Giga«, einem von drei Wasserstoff-Leitprojekten, die einen zentralen Beitrag des BMBF zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie bilden.

19.1.2022 | Quelle: Fraunhofer IPA | Solarserver © Solarthemen Media GmbH