Ein Forscherteam arbeitet unter dem Projekttitel „H2Giga“ daran, Elektrolyseure zur Produktion von grünem Wasserstoff in die Massenproduktion zu bringen.„Wir wollen sowohl Elektrolyseure reif fürs Fließband machen als auch die Fließbandfertigung für die Elektrolyseurproduktion im industriellen Maßstab erarbeiten“, sagt Bernd Kuhlenkötter, Leiter des Lehrstuhls für Produktionssysteme (LPS) der Ruhr-Universität Bochum. Der LPS arbeitet dafür mit dem Institut für Produktionstechnik (wbk) vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und 14 weiteren Partnern aus der Industrie, darunter Unternehmen wie Bosch und ABB.

Laut einer Mitteilung geht es den Forschern darum, die Produktion von Stacks und Elektrolyseuren zu automatisieren, ihre Kapazitäten drastisch zu erhöhen und dabei die Qualitätsanforderungen einzuhalten. Die Herstellung von Stacks, dem Kernbestandteil von Elektrolyseuren, in denen die eigentliche Aufspaltung erfolgt, sei derzeit eine reine Manufaktur und damit sehr kostenaufwändig. Zudem seien die Fertigungskapazitäten begrenzt.

Wertschöpfung im Land sichern

„Wir brauchen daher auch Automatisierungslösungen für die Herstellung und Montage von kleineren Elektrolyseuren, die später zu größeren Elektrolyseur-Anlagen zusammengesetzt werden“, berichtet Kuhlenkötter. „Dieser Schritt ist notwendig, wenn wir nicht wollen, dass die Wertschöpfung wie schon bei der Sonnenenergie in den Osten abwandert, wo Arbeitskraft günstig verfügbar ist. Die Gefahr ist real, denn China zum Beispiel investiert derzeit Unsummen in Wasserstofftechnologien.“

Dabei gehen die Forscher aus Bochum und Karlsruhe technologieoffen an die Sache heran, wollen sich also sowohl die PEM-Technologie (Protonenleitende-Membran-Elektrolyse) als auch die alkalische (AEL) und die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL) anschauen. „Jeder der drei Typen ist für spezielle Einsatzgebiete besonders geeignet“, so Kuhlenkötter. „HTEL hat – wie der Name vermuten lässt – seine Einsatzgebiete überall dort, wo hohe Temperaturen herrschen, wie zum Beispiel in der Stahlindustrie. Der Vorteil der PEM-Elektrolyseure liegt dagegen in ihrer Dynamik, sie können immer wieder ein- und ausgeschaltet werden und finden vor allem dort Verwendung, wo volatile Energiebereitstellung notwendig ist.“

Teure PEM-Elektrolyse

So zum Beispiel in einem Stromnetz, das durch einen immer stärkeren Anteil an regenerativen Energiequellen wie Windkraft und Sonnenenergie gespeist wird. Statt Windkraftanlagen an windreichen Tagen auszuschalten, um das Stromnetz nicht zu überlasten, kann die überschüssige Energie in die Wasserstoffproduktion geschickt werden. „So können Leistungsspitzen im deutschen Stromnetz, besonders an den Standorten von Windkraft- und Sonnenkraftanlagen, sinnvoll geglättet werden. Nur leider sind PEM-Elektrolyseure sehr teuer.“

Der Fokus der Forschenden liegt jedoch nicht allein auf Montage, Automatisierung und einfacherer Handhabung. Bei allem spielt laut einer Pressemitteilung auch die Qualitätssicherung eine zentrale Rolle. „Um die Elektrolyseurfertigung wirtschaftlicher zu gestalten, ist es wesentlich, Strategien zur Qualitätssicherung zu erarbeiten, damit das Ergebnis des Produktionsprozesses schon durch die Beurteilung von Zwischenprodukten möglich wird“, konkretisiert Gisela Lanza vom WBK am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Unser Ziel ist daher, kritische Prozess- und Produktparameter zu identifizieren, um die Qualität der Elektrolyseure zu sichern, ohne Zeit und Geld mit unreifen Produktionsprozessen zu verlieren.“

Digitale Zwillinge

In den kommenden Jahren sollen digitale Zwillinge der Stacks und Anlagen sowie Virtuelle Inbetriebnahmen (VIBN) etabliert werden. Mithilfe der digitalen Abbilder werden dann Prozesse vor der realen Umsetzung optimiert und damit defekte Produkte im Vorfeld verhindert. (amo)