Wasserstoff-Elektrolyse Referenzfabrik für die Serienfertigung von Elektrolyseuren

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Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP

Wasserstoff-Elektrolyseure spalten Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Sie herzustellen ist teuer. Das wollen mehrere Fraunhofer-Institute jetzt ändern; dabei helfen wird ein virtueller Technikbaukasten.

Fraunhofer will die Herstellkosten für Wasserstoff-Elektrolyseure im Gigawatt-Bereich deutlich senken – um mehr als 25 Prozent sollen sie gegenüber den heutigen sinken. Dafür arbeiten Institute aus Aachen, Chemnitz, Görlitz, Halle (Saale) und Stuttgart zusammen. Sie bauen eine Referenzfabrik, in der sie in den nächsten vier Jahren neue Produktionsverfahren entwickeln und prüfen.

Im Detail untersuchen die Forschenden günstigere Werkstoffe, die Qualität der Bauteile, die Lebensdauer, bessere Produktionstechniken, die Skalierbarkeit der Produktionsverfahren, ihre Automatisierung, die Vernetzung von Produktionslinien, den Aufbau effizienter Lieferketten und die Fabrikplanung. So soll eine rentable Großserienfertigung entstehen.

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Technikbaukasten aus virtueller Fabrik

Vielversprechende Produktionsverfahren bauen die Forschenden virtuell nach. „Wir bauen eine digitale Bibliothek der zukunftsfähigen Elektrolyseur-Herstellungsverfahren auf, mit dem die Investitionskosten und sogar die Kapitalrendite je nach geplanter Produktionsmenge, Fertigungstiefe und Herstellungsvariante vorab bestimmbar sind“, sagt Ulrike Beyer, Leiterin der Wasserstoff-Taskforce am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU.

Beyer koordiniert das Projekt. „Der entstehende Technologiebaukasten wird der Elektrolyseur-Industrie einen echten Boost verschaffen“, ist sich die Forscherin sicher, auch, „weil unser technologieoffener Ansatz es erlaubt, immer wieder neue Ideen und Konzepte aus Wirtschaft und Wissenschaft zu integrieren.“

Neben dem Fraunhofer IWU sind weitere Institute an dem Projekt beteiligt: das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart, das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale).

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Die Aufgaben der Institute im Detail

Das Fraunhofer IWU leistet die Forschung zu Walzverfahren für Bipolarplatten. Ein neuer mehrstichiger Walzprozess soll die Kanal-Geometrien in die Anoden und Kathoden einbringen. Das Fertigungsverfahren soll sich am Ende für den Hochlauf der Elektrolyseurproduktion eignen, die einer Serienproduktion entsprechende Stückzahlen liefern kann. Zur Forschung gehört es, Mikrostrukturen einzufügen, die die Lebensdauer und den Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs verbessern. Auch das Stacking, das enge Übereinanderstapeln der Bipolarplatten, soll schneller erfolgen und sich stärker automatisieren lassen. Zudem entwickeln die Forschenden die anschließende Qualitätskontrolle weiter.

Das Fraunhofer IPT erforscht neue Ansätze für die Produktion der Catalyst Coated Membrane (CCM), der Porösen Transport Lage (PTL) und der Bipolarplatten. Dafür baut das Institut Produktionseinrichtungen, die unter anderem die direkte Beschichtung der Membran ermöglichen. Der Schwerpunkt bei den PTL und Bipolarplatten liegt darin, Produktionsverfahren für integrierte Komponenten zur Verteilung der Fluide im Inneren des Elektrolyseurs zu entwickeln.

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Das Fraunhofer IPA wird die an den Instituten aufgebauten Produktionsmodule der Referenzfabrik als digitale Zwillinge abbilden und virtuell zu einer Produktionslinie vernetzen. Dazu entsteht eine standortübergreifende, serviceorientierte Produktions-IT-Plattform.

Das Fraunhofer ENAS qualifiziert im Projekt das Inkjet-Druckverfahren als CCM-Herstellungsverfahren. Die Catalyst Coated Membrane (CCM) ist eine zentrale Komponente von Elektrolyseuren. In Summe sollen die Herstellkosten für die Membran um 30 Prozent sinken, verglichen mit dem heutigen Stand.

Das Fraunhofer IMWS wird die Elektrolyseur-Bauteile und -Systeme charakterisieren und so mögliche Schwachstellen und Defekte im industriellen Einsatz identifizieren.

Eines von drei geförderten Leitprojekten

Die Bundesregierung fördert das Forschungsprojekt über das Wasserstoff-Leitprojekt „H2Giga“ mit 22 Millionen Euro. Insgesamt drei Leitprojekte sollen über vier Jahre den Einstieg Deutschlands in eine Wasserstoffwirtschaft erleichtern. Dabei geht es um die serienmäßige Herstellung großskaliger Wasser-Elektrolyseure (H2Giga), die Erzeugung von Wasserstoff und Folgeprodukten auf hoher See (H2Mare) sowie Techniken für den Transport von Wasserstoff (TransHyDE).

In den Leitprojekten arbeiten über 240 Partner aus Wissenschaft und Industrie zusammen. Alleine im Projekt H2Giga sind 130 Industrie- und Forschungspartner involviert. Im Frühjahr sind die Projekte gestartet, basierend auf Förder-Inaussichtstellungen. Insgesamt wird die Förderung über 740 Millionen Euro betragen.

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