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Elektrolyseure & Brennstoffzellen

Mit Automatisierung zu einer effizienteren Produktion

31. März 2023, 15:45 Uhr | Alessandro Piscioneri, Comau

Automation made in Comau: Symbol für Effizienz, zeitsparende Produktion und hohe Anpassungsfähigkeit.

Um den Energieträger Wasserstoff in die breite Anwendung zu bringen, braucht es eine Vielzahl an Elektrolyseuren und Brennstoffzellen – die idealerweise schnell und kosteneffizient produziert werden sollten. Das gelingt mit der richtigen Automatisierungstechnik, zum Beispiel vom Hersteller Comau.

Wasserstoff ist einer der Hoffnungsträger, mit dem verschiedene energiepolitische Herausforderungen bewältigt werden sollen. Die emissionsfreie Energiequelle kann als Treibstoff für Pkw, Busse, Lkw, Gabelstapler und viele andere Anwendungen dienen. Wasserstoff-Brennstoffzellen lassen sich auch für die dezentrale Stromerzeugung und Kraft-Wärme-Kopplung sowie in der Schiff- und Luftfahrt und in anderen Non-Automotive-Bereichen einsetzen.

Neben seiner Funktion als kosteneffiziente Energiespeicher- und Antriebslösung bietet Wasserstoff eine effektive Möglichkeit, Kohlenstoffemissionen in Bereichen wie der Chemie- sowie Eisen-/Stahlbranche zu reduzieren, in denen es derzeit keine anderen sauberen Rohstoffalternativen gibt.

Die Herstellung und Montage von Elektrolyseuren, die Wasserstoff produzieren, und Brennstoffzellen, die aus Wasserstoff Strom erzeugen und mit diesem Fahrzeuge antreiben, ist jedoch meist langsam, teuer und arbeitsintensiv. Um die Produktion und damit den Einsatz dieser Technologien zu steigern, will Comau an der Industrialisierung deren Fertigung industrie- und damit massentauglich machen.

Produktion von Brennstoffzellen automatisieren

Dafür entwickelt das Unternehmen ein eigenes Portfolio an Lösungen, die die wichtigsten Produktionsschritte automatisieren können, einschließlich Zellenvorbereitung, Stapeln, Kompression, Schweißen und Leckprüfung. Auf diese Weise können Energieversorger ihre Produktionsvolumina erhöhen und gleichzeitig die Qualität des hochpräzisen Prozesses steigern. Nach Schätzungen von Comau trägt dies auch dazu bei, die Produktionskosten um bis zu 20 Prozent zu senken.

Die Automatisierung der Brennstoffzellen-Fertigung ist trotz des im Vergleich zu Batterien noch geringen Volumens aus mehreren Gründen wichtig. Der erste Grund hat mit der Architektur einer Brennstoffzelle zu tun. Der Kern, der sogenannte Brennstoffzellenstapel, besteht aus Hunderten von sich wiederholenden Elementen (100 bis 300 Zellen pro Stapel), während die Zellen selbst aus mehreren Schichten bestehen – aus zwei bis vier pro Zelle. Eine solche Wiederholung ist ein Schlüsselfaktor für die Automatisierung, da sie zu Zykluszeiten von einer bis zehn Sekunden pro Schicht (je nach Produkt- und Anlagenproduktivität) führt, während denen jede Schicht entnommen, qualitätsgeprüft und ordnungsgemäß im Stapel platziert wird.

Während des Montageprozesses muss eine hohe Präzision und Qualität gewährleistet sein – was ein weiterer Grund für eine automatisierte und damit optimierte Brennstoffzellenfertigung ist. Zunächst muss jede Zelle innerhalb einer Toleranz von 0,1 mm ausgerichtet werden und jedes Bauteil und jede Schicht wird auf Oberflächen- und Geometriefehler qualitätsgeprüft. Zudem müssen, bis ein Stapel versiegelt ist, Reinraumstandards eingehalten werden. Und schließlich sind die Testverfahren für Brennstoffzellen sehr umfangreich: Hier werden sowohl Lecks als auch elektrische Vorgänge geprüft, wobei einige der Leckprüfungen bei hohen Geschwindigkeiten durchgeführt werden.

Die Automatisierung beschränkt sich jedoch nicht allein darauf, den Montageprozess mit Robotern zu optimieren. Die Digitalisierung spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle, da das Speichern von Informationen in jedem Prozessschritt (Quality Gates, Sichtprüfungen, Feldparameter) sehr wichtig ist, um eine Datenbank für detaillierte Analysen zu erstellen. So können Hersteller die Informationen erhalten, die sie benötigen, um die Dynamik anzupassen, das Produkt zu verbessern und einen intelligenteren und effizienteren Montageprozess aufzusetzen.

Ähnliche Probleme und Möglichkeiten gibt es bei Elektrolyseuren – und in vielen Fällen ist der Montageprozess weitgehend mit dem von Brennstoffzellen vergleichbar. Die Zykluszeit ist weniger anspruchsvoll, da die Stückzahlen hier viel geringer sind. Aber die Abmessungen, das Gewicht und die Anzahl der Schichten pro Zelle sind viel höher. Ein alkalischer Elektrolyseur kann beispielsweise mehr als 40 Tonnen wiegen, wobei die Zellen einen Durchmesser von 1,5 Metern haben und aus mehr Schichten als Brennstoffzellen bestehen.

Da die Automatisierung in diesem Bereich noch neu ist, müssen sich Hersteller zahlreichen Herausforderungen stellen, wie zum Beispiel der präzisen Handhabung und Ausrichtung von flexiblen Komponenten (Dichtungen, Membranen, Gewebe- und Metallgeflechten) bei hohen Geschwindigkeiten. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat Comau mehrere Labortests und Kundenkooperationen angestoßen.

Darüber hinaus nutzt das Unternehmen für die Entwicklung seiner speziellen Lösungen viele der Kompetenzen und Fähigkeiten, die es durch die Lieferung von Montagelinien für Rohkarosserien, Batteriemodule und Batteriepacks erworben hat, zusammen mit Technologien wie Laser- und Widerstandsschweißen, Sichtprüfung, Dichtheitsprüfung und Hochgeschwindigkeitsmontage.

Optimale Unterstützung der Wasserstoffbranche durch Comau

Laut der Europäischen Umweltagentur stammt mehr als ein Viertel der gesamten CO₂-Emissionen in Europa aus dem Verkehrssektor. Die Entwicklung von Fahrzeugen, die mit erneuerbarer Energie angetrieben werden, hilft dabei, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und dem Ziel der EU näher zu kommen, den Mobilitätssektor vollständig zu dekarbonisieren.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Akteure entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette ihre Kompetenzen ausbauen und beständig technische Innovationen entwickeln. Und obwohl die Automatisierung eines bisher manuellen Herstellungsprozesses eine der größten Herausforderungen für die Produktion von grünem Wasserstoff darstellt, ist das sorgfältige Management des gesamten industriellen Prozesslebenszyklus – von der konzeptionellen Entwicklung bis hin zur Herstellung und den Support-Dienstleistungen – nicht weniger wichtig. Hier kommt beispielsweise der Simultaneous-Engineering-Ansatz von Comau zum Tragen; wenn es darum geht, die Kunden dabei zu unterstützen, ihre Produkte so zu entwerfen, dass die Montage mit Hilfe von Automatisierung einfacher und kostengünstiger wird.

Comau erhielt Anfang des Jahres den Zuschlag für sein erstes Wasserstoff-Brennstoffzellenprojekt in China: Für Shanghai Hydrogen Propulsion Technology (SHPT), eine Tochtergesellschaft von SAIC Motor, lieferte das Unternehmen eine moderne Produktionslinie für einen P4-Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel. Die Linie verfügt über eine eigene, präzise Hochgeschwindigkeits-Mehrachs-Stacking-Technologie und führt gleichzeitig eine Reihe von Stapelvorgängen von Polstücken durch, um die Aufnahme, das Scannen der Codes, die sekundäre Positionierung und das Beladen der Hülle innerhalb von vier Sekunden zu bewältigen.

In ähnlicher Weise hat das Unternehmen kürzlich ein Projekt in der EMEA-Region umgesetzt, bei dem Brennstoffzellen für Leicht- und Nutzfahrzeuge montiert werden. Dabei arbeitet Comau mit großen Herstellern in verschiedenen Sektoren in anderen Regionen zusammen, um deren Produktentwicklungs- und Industrialisierungspläne mit Beratungs- und Technologiedienstleistungen zu unterstützen.

Auf der Grundlage interner Schätzungen geht Comau davon aus, dass der Wasserstoffmarkt exponentiell wachsen wird, und zwar von einigen Tausend Brennstoffzellen-Einheiten im Jahr 2020 auf 1,2 Millionen Einheiten im Jahr 2030, was mehr als 100 GW an Wasserstoffenergie entspricht.

Um einer solchen Nachfrage gerecht zu werden, sind zwei Dinge nötig: Die Zahl der Hersteller muss steigen, und die Zykluszeiten müssen sinken. Tatsächlich planen einige der weltweit bekanntesten Hersteller bereits eine zehnfache Steigerung der langfristigen Produktivität – von heute rund zwei Sekunden pro Zelle auf künftig 0,2 Sekunden pro Zelle. Um dies zu erreichen, muss sich die Automatisierung jedoch erheblich ändern.

Wenn heutzutage für den Aufbau von Stapeln noch Hochgeschwindigkeitsroboter mit geringer Traglast zum Einsatz kommen, wird sich der Markt in etwa fünf Jahren in Richtung beschleunigter Prozesse und erster Stapelmaschinen bewegen (ähnlich der Rolle-zu-Rolle-Anlagen, die in der Verpackungs-, Elektronik- und Li-Ionen-Herstellung eingesetzt werden). In allen Fällen ist das Ziel das gleiche: Die Produktion von emissionsfreier Energie zu beschleunigen und die Kosten für die Herstellung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zu senken. (kv)