Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »H2-D«
Wasserstoff – ein Energieträger mit vielen Einsatzmöglichkeiten
In Kombination mit erneuerbaren Energien kann Wasserstoff fossile Energieträger weitgehend ersetzen und so den Weg zu einer zentralen und dezentralen emissionsfreien Energieversorgung ebnen. Wasserstoff ist vielfältig einsetzbar: Er kann als Kraftstoff in Elektrofahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieben oder als »Range Extender« zur Verlängerung der Reichweite eingesetzt werden.
Zusätzlich kann Wasserstoff zur Langzeitspeicherung dienen und dazu beitragen tageszeitlich oder saisonal bedingte Schwankungen in den Energienetzen auszugleichen, die besonders bei verstärktem Einsatz regenerativer Energiequellen zum Tragen kommen. Nicht zuletzt kann Wasserstoff auch in der Stahl- und Chemieindustrie eingesetzt werden. Um die Dekarbonisierung weiter Industrieteile zu beschleunigen, muss künftig die Wasserstoff-Erzeugung durch Elektrolyseure gewährleistet werden. Elektrolyseure spalten Wasser unter Zufuhr von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff. Für eine skalierbare industrielle Fertigung von Elektrolyseursystemen und -komponenten muss die Produktionstechnik jedoch zunächst noch auf das Niveau einer Großserienfertigung weiterentwickelt werden. Die Ausgestaltung und Optimierung der erforderlichen Produktionstechnologien war das Ziel von 5 Fraunhofer-Instituten im Rahmen des Forschungsprojekt »H2-D«.
Zur Durchführung der Elektrolyse bietet der PEM-Elektrolyseur ein leistungsfähiges System mit hoher Dynamik. Der PEM-Elektrolyseur besteht aus zahlreichen Einzelzellen, die in einem Stack gestapelt und durch Endplatten umschlossen werden. Eine Einzelzelle besteht aus der Bipolarplatte, der porösen Transportschicht, der Katalysatorschicht und der Polymermembran. Die Hürde bei der Produktion eines Elektrolyseurstacks besteht heute noch in den hohen Material- und Herstellungskosten, die keine wirtschaftliche Fertigung zulassen.
Effizienz und Qualität in der Produktion in Einklang bringen
Das Forschungsprojekt »H2-D« befasste sich mit dem Design und der Fertigung von PEM-Elektrolyseuren. Zunächst wurde im Projekt eine Technologieübersicht erstellt, die den Stand der Technik und die aktuellen Best-Practice-Ansätze in Form eines Verzeichnisses mit geeigneten Fertigungstechnologien aufzeigte. Nach der Definition relevanter KPIs (Key Performance Indicators) wurden Technologieprofile für die Verfahren zur Produktion einzelner Komponenten erarbeitet. Eine Kostenbetrachtung und Bewertung der Serientauglichkeit ließ dann einen Vergleich geeigneter Verfahren zu und veranschaulichte die Wechselwirkungen zwischen Produktionsverfahren und Produkteigenschaften. Auf Basis dieser Informationen wurden Einzeltechnologien in der Herstellungskette der Komponenten ausgewählt und verschiedene Produktionskonzepte- und Ketten virtuell abgebildet. Diese Art der virtuellen Darstellung schafft Orientierung und bietet eine Diskussionsgrundlage für produzierende Unternehmen.
Von virtuellen Produktionskonzepten zur konkreten Produktionslinie für PEM-Elektrolyseure
Das Fraunhofer IPT identifizierte gemeinsam mit dem Konsortium geeignete Verfahren und Parameter zur Entwicklung und Optimierung der Herstellungsprozesse von PEM-Elektrolyseuren. Auf Grundlage der umfangreichen Technologiebewertung entstanden virtuelle Produktionskonzepte, die zu vorab definierten Produktionsszenarien verschiedene Optionen für den Aufbau und die Verkettung der Produktionsschritte anbieten.
Die Zusammenarbeit im Projekt »H2-D« schaffte einen enormen Wissenspool, in dem die Expertise der Institute zusammenfloss. Als Resultat entstand ein erstes Konzept einer realen Produktionslinie, die den Anforderungen einer Serienfertigung entspricht und eine kostengünstige Produktion und ein Upscaling der Herstellung von Elektrolyseuren ermöglicht. Die bestehenden Produktionstechnologien des Fraunhofer IPT und die dazugehörigen Module stehen Unternehmen zur Prototypenfertigung von Elektrolyseuren zur Verfügung.
Schematischer Aufbau eines PEM-Elektrolyseurs, ©FraunhoferIPT
Konsortium
*Eine Wasserstoffwirtschaft für Deutschland Schwerpunkt 2 - Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse AP3: Fertigungstechnologien
- *Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
- Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal
- Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam
- Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG, Bochum
- Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM, Dresden
- Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg
- *Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart
- Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Hermsdorf
- Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Erlangen
- Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen
- Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM, Mainz
- Fraunhofer-Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie IMW, Leipzig
- Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, Halle
- Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg
- Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg
- *Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe
- Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig
- Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Kaiserslautern
- Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES, Bremerhaven
- Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg
- *Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden
- Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
- Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Saarbrücken
- Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
- *Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, Oberhausen