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Wasserstoff-Forschung: Elektrolyseure auf dem Weg zur Massenware

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Stuttgart - Die für die Wasserstoff-Produktion benötigten Elektrolyseure sind rar und teuer, weil sie bislang weitgehend von Hand gefertigt werden. Um sie künftig im industriellen Maßstab produzieren zu können, entwickelt ein Fraunhofer Forschungsteam derzeit eine durchgängig automatisierte Elektrolyseurfabrik.

Zwar sind bereits heute große Elektrolyseure auf dem Markt, die effizient und über lange Zeiträume arbeiten, allerdings erfolgt ihre Herstellung noch immer größtenteils in manueller Einzelfertigung. Für den raschen Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft werden jedoch serienmäßig hergestellte Elektrolyseure benötigt, die modular an ihre jeweiligen Einsatzorte angepasst werden können. In Serie hergestellte Elektrolyseure sind zudem notwendig, um Grünen Wasserstoff wettbewerbsfähig zu machen. Daran arbeiten Forscher vom Fraunhofer IPA.

Elektrolyseure sollen Massenware werden
Da Wasserstoff bei der Energie- und Verkehrswende auf nationaler und internationaler Ebene 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 und teuer und fehleranfällig ist. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart wollen deshalb im Forschungsprojekt „Industrialisierung der PEM-Elektrolyse-Produktion (PEP.IN)“ zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie die Fertigung von Elektrolyseuren durchgängig automatisieren. Ziel ist eine automatisierte Elektrolyseurfabrik im Gigawatt-Maßstab. „Die hier innerhalb eines Jahres produzierten Elektrolyseure sollen also eine aufaddierte Nominalleistung von mindestens einem Gigawatt haben“, so Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Zentrum für digitalisierte Batteriezellenproduktion (ZDB) am Fraunhofer IPA

Roboter sollen künftig das Stacking übernehmen - Fertigungssystemplanung, Roboter und Sensoren für die Elektrolyseurfabrik
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 Stack gestapelt. Dieses Stacking geschieht bisher noch größtenteils in Handarbeit, könnte in Zukunft aber von Robotern erledigt werden.

Weil aber nicht nur das Stacking, sondern die gesamte Produktionslinie automatisiert werden soll, müssen die Forschenden auch sämtliche vor- und nachgelagerte Prozesse, bis zum Einfahren der Gesamtsysteme, berücksichtigen. Dabei reichen die Aufgaben von der Fabrik- und Produktionsplanung, über die Bauteiltests bis hin zu den End-of-Line-Prüfständen. Zusätzlich werden im Konsortium auch neuartige Stackdesigns entwickelt, die zukünftige Produktionsverfahren vereinfachen und somit beschleunigen.

Um die automatisierte Elektrolyseurfabrik verwirklichen zu können, bauen die Projektpartner zunächst eine Fertigungslinie nach dem aktuellen Stand der Technik auf. Diese soll dann Stück für Stück modular angepasst und erweitert werden, damit die einzelnen Prozesse besser als bisher ineinandergreifen und automatisiert ablaufen.

Dabei stehen für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine ganze Reihe offener Punkte auf der Agenda, wie z.B.: Welche Robotertopologie eignet sich für das Stacking am besten? Wie muss ein Roboter 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 integriert werden? Welche Fertigungstechnologien ermöglichen eine Skalierung der Elektrolyseurproduktion? Wie muss eine vollkommen automatisierte Elektrolyseurfabrik aussehen und aufgebaut sein?

Projekt PEP.IN Teil des Leitprojektes H2Giga
Das Verbundprojekt PEP.IN läuft bis zum 31. März 2025 und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit über 20 Millionen Euro gefördert. Neben dem Fraunhofer IPA sind an PEP.IN 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 beteiligt. PEP.IN ist Teil des Leitprojekts H2Giga, einem von drei Wasserstoff-Leitprojekten, die einen zentralen Beitrag des BMBF zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie bilden. Im Leitprojekt H2Giga arbeiten ca. 30 eigenständige Verbünde an der Überführung von Elektrolysetechnologien in den Gigawatt-Maßstab.


© IWR, 2022


20.01.2022

 



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