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Wasserstofftechnologie

Elektrolyseure sollen Massenware werden

25. Januar 2022, 12:01 Uhr | Kathrin Veigel

Ein Elektrolyseur des Unternehmens H-TEC Systems in Haurup bei Flensburg.

Wer Wasserstoff als Energiequelle nutzen will, braucht Elektrolyseure. Doch die sind rar und teuer, weil sie meist von Hand gefertigt werden. Damit sie im industriellen Maßstab produziert werden können, wird am Fraunhofer IPA derzeit eine durchgängig automatisierte Elektrolyseurfabrik entwickelt.

Da Wasserstoff bei der Energie- und Verkehrswende 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 in Anspruch nimmt sowie teuer und fehleranfällig ist.

Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA wollen deshalb zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie die Fertigung von Elektrolyseuren durchgängig automatisieren. »Ziel ist eine automatisierte Elektrolyseurfabrik im Gigawatt-Maßstab«, sagt Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Zentrum für digitalisierte Batteriezellenproduktion (ZDB) am Fraunhofer IPA. »Die hier innerhalb eines Jahres produzierten Elektrolyseure sollen also eine aufaddierte Nominalleistung von mindestens einem Gigawatt haben.«

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Roboter sollen künftig das Stacking übernehmen

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 sogenannten 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 Forscher 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.

Roboter und Sensoren für die Elektrolyseurfabrik

Um die automatisierte Elektrolyseurfabrik verwirklichen zu können, bauen die Projektpartner zunächst eine Fertigungslinie nach dem aktuellen Stand der Technik auf. Diese wird dann Stück für Stück modular angepasst und erweitert, damit die einzelnen Prozesse besser als bisher ineinandergreifen und automatisiert ablaufen. Dabei klären die Wissenschaftler offene Fragestellungen wie:

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?

Antworten auf diese und viele weitere Fragen will das Forschungsteam bis 31. März 2025 gefunden haben – so lange läuft das Forschungsprojekt »Industrialisierung der PEM-Elektrolyse-Produktion« (PEP.IN).

Beteiligt sind an dem Verbundprojekt neben dem Fraunhofer IPA auch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, MAN Energy Solutions, H-TEC Systems, Audi, VAF, das Zentrum für Brennstoffzellen-Technik sowie und das Forschungszentrum Jülich.

PEP.IN ist Teil des Leitprojekts »H2Giga«, einem von drei Wasserstoff-Leitprojekten, die einen zentralen Beitrag des BMBF zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie bilden.