Durch­gän­gig auto­ma­ti­sier­te Elektrolyseurfertigung

Was­ser­stoff ist auf der Erde reich­lich vor­han­den. Aller­dings ist er sehr reak­ti­ons­freu­dig und daher in Mole­kü­len gebun­den, in Was­ser (H2O) zum Bei­spiel. Wer das gas­för­mi­ge Ele­ment als emis­si­ons­freie Ener­gie­quel­le nut­zen möch­te, muss den Was­ser­stoff also zunächst aus dem Was­ser­mo­le­kül her­aus­lö­sen. Dafür gibt es soge­nann­te Elek­tro­ly­seu­re. Sie spal­ten Was­ser in sei­ne Bestand­tei­le Was­ser­stoff (H2) und Sauer­stoff (O) auf. Brenn­stoff­zel­len kön­nen den Was­ser­stoff wie­der in elek­tri­schen Strom umwan­deln, der dann Moto­ren antreibt. Oder der Was­ser­stoff wird in Hoch­öfen direkt verbrannt.
 
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 braucht, teu­er und feh­ler­an­fäl­lig ist. Wis­sen­schaft­le­rin­nen und 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.«
 
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 For­sche­rin­nen und 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.
 
Fer­ti­gungs­sys­tem­pla­nung, 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 Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler eine gan­ze Rei­he offe­ner Fra­ge­stel­lun­gen, zum Bei­spiel: 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 zum 31. März 2025 gefun­den haben. Dann näm­lich läuft das For­schungs­pro­jekt »Indus­tria­li­sie­rung der PEM-Elek­tro­ly­se-Pro­duk­ti­on« (PEP.IN) aus, wel­ches das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung mit über 20 Mil­lio­nen Euro för­dert. 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, die MAN Ener­gy Solu­ti­ons, die H‑TEC Sys­tems, die Audi, VAF, das Zen­trum für Brenn­stoff­zel­len-Tech­nik 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.