Grüner Wasserstoff durch Elektrolyseure

Power-to-Gas-Anwendungen, kurz PtG, gelten weithin als wichtiges Element in der klimaneutralen Energiewirtschaft der Zukunft. Die Umwandlung von Elektrizität durch Wasserelektrolyse in einen gasförmigen oder flüssigen Energieträger ermöglicht es, die Sektoren Energie, Stahl- und Chemieindustrie, Mobilität und Wärme aneinander zu koppeln. Durch die Zwischenspeicherung in Form von Wasserstoff lässt sich außerdem die schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energien durch Wind und Sonne kompensieren. Der Ersatz fossiler Energieträger durch grünen Wasserstoff trägt dazu bei, die Treibhausgasemissionen durch Mobilität und Materialwirtschaft zu reduzieren. Die zu erwartende Nachfrage nach Power-to-Gas-Energiespeichern verspricht daher einen wachsenden Markt für Elektrolysesysteme. Die Wasser-Elektrolyse bietet eine nachhaltige Lösung für die Erzeugung von Wasserstoff und lässt sich mit alternativen Energiequellen wie Wind und Sonne koppeln. Die wachsenden Forderungen nach grüner Energie haben das Interesse an der Elektrolyse und den zugehörigen Systemen und Komponenten verstärkt.

Nachhaltige und kostengünstige Serienproduktion von Elektrolyse-Komponenten

Das Fraunhofer IPT entwickelt und bewertet unterschiedliche Elektrolyseur-Arten wie PEM- oder Alkaline-Elektrolyseure (AEL) in verschiedenen Forschungs- und Industrieprojekten und arbeitet an den Herstellungsprozessen der wesentlichen Elektrolyseur-Komponenten wie Bipolarplatten (BPP) und katalysatorbeschichteten Membranen (Catalyst Coated Membrane, CCM). Weitere Aufgaben in diesem Gebiet umfassen die Entwicklung neuer Materialien und Herstellungsprozesse für poröse Transport-Lagen (Porous Transport Layer, PTL) sowie die Montage des gesamten Elektrolyse-Stacks.

Im Fokus der Entwicklungsarbeiten stehen großserientaugliche und skalierbare Fertigungsprozesse. Um das grundlegende Verständnis für weitere Entwicklungen auszubauen, werden aktuelle marktgängige Fertigungstechnologien systematisiert und bewertet. Ziel ist es, die hohen Herstellungskosten von Stack-Komponenten und die Kosten der Wasserstofferzeugung sowie der Systemtechnik von heute mehr als 1000 Euro pro Kilowatt durch Skaleneffekte deutlich zu senken. Indem die Produktionsschritte weiterentwickelt und automatisiert werden, soll es gelingen, den wachsenden Bedarf an Elektrolyseuren zu bedienen und die Großserienfertigung von Stacks effizient zu gestalten. Auch der Einfluss verschiedener Komponenten-Designs und Stack-Auslegungen wird untersucht.

Virtuelle Planung von Produktionskonzepten und -linien

Je nach Anwendungsfall und Entwicklungs-Szenario können gemeinsam mit dem Fraunhofer IPT unterschiedliche Produktionslinien sowohl für einzelne Komponenten als auch für die gesamte Stack-Produktion virtuell geplant, aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Das virtuelle Konzept erlaubt es, Produktionszeiten, Taktung, Kosten und Effizienz einer Produktionslinie zu simulieren. Grundlage ist dabei das umfassende Technologieverständnis des Fraunhofer IPT für die Einzelprozesse. Neben der reinen Simulation stehen reale Anlagen und Prüfstände für alle wesentlichen Prozessschritte zur Verfügung, sodass die digitalen Modelle stets auf einer validen Datenbasis stehen.

Ökonomische Bewertung der Elektrolyseur-Produktion

Das Fraunhofer IPT entwickelt derzeit ein Modell, um Kosten und Leistung in der Produktion unterschiedlicher Elektrolyseurdesigns zu untersuchen. Die Ergebnisse, Werte und Erfahrungen von Projektpartnern aus Industrie und Forschung fließen in Form von Daten in das Untersuchungsmodell ein. Zusätzlich verfügt das Fraunhofer IPT über entsprechende Fertigungskapazitäten, um reale Daten für einzelne Prozessschritte zu erheben. Das Kostenmodell ermöglicht es dann, den Einfluss ausgewählter Herstellungstechnologien und Produktionsszenarien für verschiedene Systemkonzepte mit Blick auf die Gesamtsystemkosten zu bewerten. Das Kostenmodell liefert Leistungs- und Kostenübersichten, mit denen die effizientesten Optionen für die Herstellung von PEM-Elektrolyseuren ermittelt werden können. Durch die Berücksichtigung neuer Technologien und Materialien wird das Herstellungs- und Materialkostenmodell laufend weiter aktualisiert. Auf Grundlage des Kostenmodells ist das Fraunhofer IPT in der Lage, seine Partner und Kunden bei der Auswahl der Herstellungstechnologien oder -materialien zu unterstützen, um die Produktions- und Kostenszenarien in der Elektrolyseurfertigung zu erreichen.