Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »FRHY«
Grüner Wasserstoff für die Energiewende
Grüner Wasserstoff ist ein zentraler Baustein der Energiewende, sowohl auf nationaler als auch auf europäischer Ebene. Regenerativ erzeugter Strom kann in Form von Wasserstoff gespeichert und bei Bedarf mit einer Brennstoffzelle wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden. Um das Potential von Wasserstoff zur Schadstoffreduktion in der Industrie, dem Transport oder der Mobilität auszuschöpfen, ist es erforderlich, Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen herzustellen. Um den Wasserstoffbedarf in Deutschland zu decken, sollen bis zum Jahr 2030 Elektrolyseure für bis zu fünf Gigawatt Gesamtleistung aufgebaut werden. Zur Wasserstofferzeugung aus regenerativen Energien sind Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseure (PEM) aufgrund ihrer hohen Dynamik gut geeignet. Damit die avisierten Mengen durch Wasserelektrolyse bereitgestellt werden können, ist es erforderlich, die Produktionstechnologien zur Herstellung von Systemen und Komponenten für Elektrolyseure weiter zu entwickeln. Erst dann können Elektrolyseure in den benötigten Stückzahlen kostengünstig gefertigt werden und so die Grundlage für den grünen Wasserstoff in der Energiewende schaffen. Am Beispiel der PEM-Elektrolyseure soll das Upscaling-Potenzial und die Wirtschaftlichkeit nachgewiesen werden.
Skalierbarkeit, Qualität und Kosten miteinander vergleichen
Zur Weiterentwicklung der Produktionstechnologien für PEM-Elektrolyseure entwirft das Fraunhofer IPT im Projekt »FRHY« gemeinsam mit weiteren Fraunhofer-Instituten eine dezentrale Referenzfabrik als flexible, multidirektionale, technologieoffene Lösung für die Großserienfertigung. Im Projekt entwickeln die Partner neue Produktions- und Prüfmodule, die eine automatisierte Serienfertigung von Wasserelektrolyseuren für Anlagen bis in den Gigawatt-Bereich ermöglichen. Parallel werden digitale Abbilder der Anlagen erstellt und in einer zentralen virtuellen Architektur verknüpft. Dies schafft vor allem bei den für die Industrialisierung notwendigen, übergreifenden Aufgaben, zum Beispiel bei der Automatisierung, der Qualitätssicherung und der Planung, bisher noch nicht ausgeschöpfte Synergieeffekte: Einzelne Verfahren lassen sich damit hinsichtlich Fertigungsqualitäten, Skalierbarkeit und Kosten vergleichen. Dieses Vorgehen bildet eine solide Basis für eine hochratenfähige, reproduzierbare Produktion, mit der sich die Qualität und Lebensdauer von Elektrolyseuren verbessern lässt und die dynamisch und flexibel an wechselnde Voraussetzungen angepasst werden kann. Darüber hinaus reduziert sich das Investitionsrisiko für Unternehmen und neue Verfahren können schneller in das industrielle Umfeld integriert werden.
Konfigurierbare Prüf- und Fertigungsmodule für die Membran-Elektroden-Eineheit
Einen Schwerpunkt setzt das Fraunhofer IPT im Projekt »FRHY« auf die Entwicklung konfigurierbarer Produktions- und Prüfmodule: Als technologische Grundlage für die Transformation in eine hochratenfähige Wertschöpfungskette erforschen die Aachener Wissenschaftler modulare Verfahren, Maschinen, Anlagen und Prüfeinrichtungen. Das Fraunhofer IPT spezialisiert sich auf neue Produktionstechnologien für die Membran-Elektrodeneinheit (engl. Membrane Electrode Assembly, kurz: MEA), die poröse Transportschicht (engl. Porous Transport Layer, PTL) und die Bipolarplatten (engl. Bipolar Plates, BPP). Von den realen Anlagen zur Komponentenproduktion wird ein digitales Abbild geschaffen. Dazu werden in einer eindeutigen Datenstruktur alle relevanten Produktionsparameter den produzierten Komponenten in Form eines digitalen Schattens zugeordnet.
Neben technologischen Optimierungen zielt das Projekt aber auch auf wirtschaftliche Verbesserungen: So erarbeiten die Partner im Projekt eine Grundlage zur Öko-Bilanzierung und analysieren auf Basis der Produktionsparameter während des gesamten Lebensweges der Produktion systematisch die Auswirkungen der Produkte auf die Umwelt. Anhand realer Produktionsmodule werden die digitalen Abbilder der Maschinenmodule in einem iterativen Prozess validiert. Ziel ist es, konfigurierbare und kalkulierbare Produktions- und Prüfmodule zu entwickeln. Die neuen Produktionsmodule unterstützen dann die Validierung verschiedener Konzepte für industrielle Partner im Sinne eines Technologietransfers.
Konsortium
Koordinator(en):
- Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Partner:
- Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, IWU
- Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, IPA
- Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme, ENAS
- Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen, IMWS