Produktion von Wasserstoff-Systemen: Elektrolyseur und Brennstoffzelle

Wasserstofftechnologien spielen eine zentrale Rolle, um die deutschen und europäischen Klimaziele zu erreichen. Schlüsselelemente sind dabei Systeme zur Wandlung erneuerbarer Energien zu Wasserstoff (Elektrolyseur) bzw. dessen Rückverstromung (Brennstoffzelle). Noch fehlen jedoch die für die wirtschaftliche Produktion dieser Kernelemente erforderlichen Technologien. Hier setzt die Referenzfabrik.H2 mit den vom BMBF bzw. BMDV geförderten Leitprojekten H₂Giga/ FRHY (Elektrolyseur) und H₂GO (Brennstoffzelle) an. Denn mit der Produktion von wesentlichen Wasserstoffsystemen wie Elektrolyseuren und Brennstoffzellen entsteht in naher Zukunft ein attraktives Geschäftsfeld für eine Vielzahl von Unternehmen unterschiedlicher Branchen und Größe. In der Referenzfabrik. H2 bündeln Fraunhofer-Institute alle wesentlichen Kompetenzen, um Unternehmen eine technologische und wirtschaftliche Perspektive für industrialisierbare Lösungen aufzuzeigen.

H2Giga Verbundprojekt: FRHY – Referenzfabrik für hochratenfähige Elektrolyseur-Produktion

FRHY wird im Rahmen des Wasserstoffleitprojektes H2Giga vom BMBF gefördert. Neben dem koordinierenden Fraunhofer IWU Chemnitz sind die Fraunhofer-Institute: IPT Aachen, IPA Stuttgart, ENAS Chemnitz, IMWS Halle/ S. und das IWES Bremerhaven beteiligt. FRHY ist als flexible, multidirektionale, technologieoffene Lösung für die Großserienfertigung von Elektrolyseuren konzipiert. In dessen Rahmen werden neuartige Produktions- und Prüfmodule entwickelt. Parallel werden die entsprechenden digitalen Abbilder geschaffen und in einer zentralen virtuellen Architektur verknüpft. Dadurch entstehen nicht nur neue Produktionslösungen, sondern auch ein Technologiebaukasten, der weitreichende Betrachtungen erlaubt. So können einzelne Verfahren hinsichtlich Fertigungsqualitäten, Skalierbarkeit und Kosten verglichen werden. In der Referenzarchitektur den Prozessschritten zugeordnet, lassen sich daraus Produktionsvarianten bis hin zu gesamten Wertschöpfungsketten berechnen. Damit ist es möglich, Strategien zu Parallelisierung, Automatisierung und Fertigungstiefe einander gegenüberzustellen und zu bewerten. Folglich können nicht nur Investitionskosten, sondern auch Return-on-Investment- Aussagen in Abhängigkeit der geplanten Produktionsmenge validiert dargestellt werden. Dieses ist die kontinuierliche Basis für eine hochratenfähige, reproduzierbare Produktion zur stetigen Weiterentwicklung und Erhöhung der Elektrolyseurqualität und Verbesserung der Lebensdauer, die zudem dynamisch und flexibel an sich verändernde Voraussetzungen angepasst werden kann.

H₂GO – Nationaler Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion

Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) ermöglichen gute Chancen für ein zukünftig marktrelevantes Antriebssystem im Fernverkehr. In technologischer Hinsicht bietet die Brennstoffzelle im Vergleich zu den heutigen fossilen Antriebstechnologien ähnliche Volumen- und Gewichtszuladungen bei gleichen Reichweiten und Tankzeiten. Damit bleibt den Speditionen die heute gewohnte Flexibilität im Lkw-Einsatz erhalten. Gegenüber anderen emissionsfreien Antrieben sind FCEVs gerade im Schwerlastverkehr betriebs- wie volkswirtschaftlich und auch ökologisch wettbewerbsfähig – einen erfolgreichen Markthochlauf vorausgesetzt. Über importierten Wasserstoff kann die Belastung des heimischen Strommarktes, die sich durch die Produktion von größeren Mengen an Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ergeben würde, verringert werden.

Der vom BMDV geförderte Nationale Aktionsplan Brennstoffzellen- Produktion H₂GO unterstützt den Aufbau der deutschen Brennstoffzellen-Industrie über produktionstechnische Forschung, Entwicklung und industrielle Umsetzung. Dadurch soll nachhaltig eine nationale Technologie-Souveränität gewährleistet und gleichzeitig die Exportfähigkeit der deutschen Lkw-Hersteller bzw. des notwendigen Maschinen- und Anlagenbaus forciert werden.

Das Fundament bilden 19 Fraunhofer-Institute in insgesamt 9 Bundesländern, die mit ihren Forschungskompetenzen und -infrastrukturen sowie lokalen Netzwerken neue Fertigungslösungen in regionalen Technologiehubs entwickeln. Diese werden in die vier Technologie-Verbünde für Protonenaustausch- Membran (R2MEA), Bipolar-Platte (R2HP, HP2BPP) sowie industrielle Demontage und eine Überführung in Recycling und Reuse (ST2P) integriert und unter Einbeziehung aktuell entstehender Länder- und Bundesinitiativen gezielt gestärkt.

Der übergeordnete NEXUS-Verbund: ViR ermöglicht auf Basis der digitalen Abbilder der entwickelten Produktionslösungen, den synergetischen Zusammenschluss in einer virtuellen Referenzarchitektur für Brennstoffzellen-Produktion.

Adressat der Lösungen des Nationalen Aktionsplans sind Unternehmen verschiedener Größe, die die Wertschöpfungskette der Brennstoffzellen-Produktion darstellen und bis zur Systemumgebung der mobilen Anwendung schließen bzw. der dafür erforderliche Maschinen- und Anlagenbau.

Die höchstratenfähige Prozesskette gibt, aufgrund ihres hohen Evolutionsgrades neuen, bislang nicht beteiligten, Branchen die Möglichkeit, ihr Geschäftsfeld durch die Brennstoffzellen-Produktion zu erweitern. So partizipieren nicht nur die Komponentenhersteller und Systemintegratoren von den innovativen Produktionslösungen des Nationalen Aktionsplans, sondern insbesondere der Maschinen- und Anlagenbau. Auch weiteren Unternehmen mit spezifischen Verfahren und darüber hinaus der Werkzeugbau, Materiallieferanten, Engineering, Mess- und Regelungstechnik bieten die H2GO-Entwicklungen neue wirtschaftliche Perspektiven.

Dabei wird ein neutraler und von konkreten Unternehmen unabhängiger Ansatz verfolgt. Insbesondere erlaubt das Konzept des Aktionsplans, innovative Produktionskonzepte für die Zukunft zu verfolgen, die vorwettbewerblich sind und über die derzeitig verfügbaren Technologien weit hinausgehen.

Der Aktionsplan bietet einen umfassenden Wissens- und Technologietransfer und ermöglicht es zudem, die geschaffene Infrastruktur verschiedenen Industriepartnern zur direkten Kooperation, Bemusterung, Pilotfertigung bzw. Ausgründung zur Verfügung zu stellen und sowohl Produktionsprozesse als auch die Brennstoffzelle als Produkt weiterzuentwickeln. Dadurch werden nicht nur einzelne Konsortien subventioniert, sondern das gesamte Ökosystem der Wertschöpfung gepusht.

Referenzfabrik.H₂ – Wertschöpfungsgemeinschaft Wasserstoffsystemproduktion

H₂GO und FRHY bilden die technologischen Stützstellen der Referenzfabrik.H₂. Diese hat sich das Ziel gesetzt, Schrittmacher für die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen zu sein. Industrie und Wissenschaft verstehen sich dabei als eine Wertschöpfungsgemeinschaft, die gemeinsam am zügigen Hochlauf einer effizienten, stückzahlskalierbaren Produktion dieser Wasserstoffsysteme arbeitet. In der Referenzfabrik.H2 bringen Industrieunternehmen ihre Kernkompetenzen in die Wertschöpfungskette ein und entwickeln diese gemeinsam mit anderen Industrieunternehmen weiter. So kann es gelingen, im Schulterschluss mit der Wissenschaft schneller voranzukommen und kostengünstige Systeme für den Masseneinsatz zu produzieren.

Die Referenzfabrik.H₂ umfasst den Technologie-Baukasten -Services und -Mall.

Die Herstellung der Wasserstoffsysteme Elektrolyseur und Brennstoffzelle ist technologisch sehr vielfältig. Neben den verschiedenen Methoden: Alkalisch, Elektron- und Protonaustausch sowie Hochtemperatur, die fertigungstechnisch berücksichtig werden müssen, stellen Geometrie, Lebensdauer, Herstellungsmengen sowie -kosten weitere Rahmenbedingungen für die Auswahl von Verfahren und die Notwendigkeit von Prozessschritten dar.

Der Technologie-Baukasten beinhaltet verschiedenartige produktionstechnische Bausteine an Verfahrensvarianten, Maschinen und Anlagen, die zur Herstellung von Wasserstoffsystemen notwendig sind. Er ist für unterschiedliche Wasserstoffsystem- Komponenten entwickelt und umfasst mehrere Ebenen, die jeweils die einzelnen Fertigungs- bzw. Prüfschritte darstellen. Hier sind mögliche Verfahrensvarianten und die untersuchten Parameter angeordnet. Ziel ist es, somit einen Vergleich von Verfahrensvarianten zu ermöglichen. Dabei werden technologische, wirtschaftliche und Nachhaltigkeitsaspekte berücksichtigt. Auch kann eine Verfahrensvariante pro Ebene bzw. Produktionsschritt ausgewählt werden und dann zu einer Teilprozesskette kombiniert werden. Diese können wiederum Komponenten übergreifend zu Wertschöpfungsnetzen verbunden werden.

Die technologische Basis wird von den beteiligten Fraunhofer-Instituten generiert. Dabei werden Ergebnisse aus vorwettbewerblichen Fraunhofer-Projekten und geförderten Forschungsvorhaben transparent zum Wissens- und Technologietransfer zu Verfügung gestellt.

Die Technologie-Services wurden speziell für Unternehmen geschaffen, die daran interessiert sind, ihre Kompetenzen und Infrastrukturen in eine Wasserstoffsystem-Produktion zu integrieren. Dabei werden die Handlungsbereiche Orientierung, Auslegung, Entwicklung, Automatisierung, Industrialisierung, Digitalisierung, Qualitätssicherung und Labeling adressiert. Um den Technologie- und Wissenstransfer zu unterstützen, wurde die Technologie-Mall entwickelt. Hier sind die wesentlichen Stack-Komponenten aufgeführt und hinsichtlich der für deren Produktion notwendigen Module untersetzt. Pro Produktionsmodul sind die möglichen Verfahren genannt und mit der in der Wertschöpfungsgemeinschaft verfügbaren Anlagentechnik beschrieben. Einzelne Verfahren können unter spezifischen Zielkorridoren (z.B. hohe Fertigungsmengen, hohe Qualität) zu Prozessketten zusammengeführt werden. Komponenten übergreifend wird die Prozessketten-Darstellung anhand der System-Entwicklungen realisiert. In ähnlicher Art und Weise werden die Service-Module dargestellt und untersetzt.