H2Giga: Serienfertigung von Elektrolyseuren

Auf einen Blick

• um Deutschlands Wasserstoffbedarf zu decken, werden effiziente, langlebige, robuste, günstige und skalierbare Elektrolyseure benötigt
• Fertigung von Elektrolyseuren, die auf ihre geplante Anwendung zugeschnitten sind, soll automatisiert werden
• für PEM-Elektrolyse, alkalische Elektrolyse (AEL) und Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL)
• effiziente Produktionsverfahren, die Recycling-Fragen und Aspekte eines flexiblen Betriebs der Elektrolyseure berücksichtigen

Herausforderung

Wie hoch genau Deutschlands Bedarf an Grünem Wasserstoff zukünftig sein wird, ist derzeit noch nicht absehbar. Klar ist allerdings, dass der Bedarf mehrere Hundertmillionen Tonnen Wasserstoff jährlich betragen wird. Ziel der Nationalen Wasserstoffstrategie ist der Aufbau von möglichst 5 GW Elektrolyse-Kapazität bis 2030 allein in Deutschland - im neuen Koalitionsvertrag wurde das Ausbauziel auf 10 GW angehoben.

Dafür braucht es effiziente, langlebige, robuste, günstige und skalierbare Elektrolyseure. Zwar sind bereits heute große Elektrolyseure auf dem Markt, die effizient und über lange Zeiträume arbeiten, allerdings erfolgt ihre Herstellung noch immer größtenteils in Handarbeit. Das ist zeitaufwändig, kostenintensiv und fehleranfällig. Die serienmäßige Herstellung von Elektrolyseuren, die modular an ihre jeweiligen Einsatzorte angepasst werden können, wäre ein deutlicher Fortschritt - auch um Grünen Wasserstoff wettbewerbsfähig zu machen.

Lösung

Das Leitprojekt H2Giga verschreibt sich daher der Entwicklung serieller Produktion von Elektrolyseuren – und das technologieoffen. Gemeinsam bringen etablierte Elektrolyseur-Hersteller, Zulieferer aus verschiedenen Technologiebereichen - darunter viele mittelständische und kleine Unternehmen - sowie Forschungseinrichtungen und Universitäten bestehende Elektrolyse-Technologien weiter voran. Folgende Technologien sollen anschließend reif für das Fließband sein:

• die PEM-Elektrolyse.
• die alkalische Elektrolyse (AEL).
• die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL)

Forschungsseitig soll zudem die Elektrolyse mit anionenleitender Membran (AEM) weiterentwickelt werden.

All diesen Verfahren ist gemein, dass sie Wasser mithilfe von erneuerbarem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff auftrennen – der Unterschied der Verfahren liegt in der Art, wie genau das geschieht.

Dabei sind die verschiedenen Elektrolyseur-Typen jeweils für spezielle Einsatzgebiete besonders geeignet. Deshalb wird die Entwicklung und Skalierung der einzelnen Technologien mit den Branchen abgestimmt, in denen sie anschließend zum Einsatz kommen. Zudem soll das Leitprojekt einen ständigen Austausch zwischen Wirtschaft und Wissenschaft gewährleisten, wobei die Wirtschaft ihre Bedarfe und Wissenslücken an die Wissenschaft kommuniziert.

Mehrwert  

So sollen zeitnah effiziente Produktionsverfahren entwickelt werden, die auch Aspekte wie Recycling und einen flexiblen Betrieb berücksichtigen. Flexibel bedeutet, dass Elektrolyseure möglichst schnell an- und ausgeschaltet werden können und dass sie auf unterschiedlichen Leistungsniveaus gefahren werden können.

Ein Innovationspool soll zudem garantieren, dass H2Giga seine Innovationsfähigkeit auch mit Blick auf die Zukunft nicht verliert. Des Weiteren wird das Leitprojekt für Ausbildung sowie Weiterbildung sorgen und somit auch zukünftig eine Vielzahl an Arbeitsplätzen schaffen.

Kurzbeschreibung Verbundprojekt FHRY:
Das Fraunhofer IWES - in enger Kooperation mit den Fraunhofer IMWS - konzentriert sich auf die Qualitätssicherung durch Charakterisierung von Elektrolyseurkomponenten und Stacks. Ziel ist eine frühzeitige Identifizierung von Schwachstellen und Defekten, welche beim industriellen Einsatz von Elektrolyseuren auftreten. Durch Analyse der Fehlerursachen und Rückführung auf Produktionsprozesse sollen Kosten für Testverfahren reduziert, die Fehlertoleranzen der Produktionselemente optimiert und die Einsatzreife der Elemente schneller erreicht werden.

Übergeordnetes Ziel ist die Erhöhung der Kosteneffektivität der Produktion sowie der Systemlebensdauer durch Identifizierung von relevanten mikrostrukturellen Defekten und der Analyse des Einflusses auf die (Langzeit-)Performance, sowie der Entwicklung von geeigneten Konzepten zu deren kosteneffektiven Vermeidung bzw. Minimierung.

Kurzbeschreibung Verbundprojekt StacIE:
Das primäre Projektziel ist die Industrialisierung der Elektrolyseur-Stackproduktion auf Ebene der Zellkomponenten und Stacks. Dies wird durch ein industrialisierungsfähiges, produktnahes Konzept, eine Verbesserung der technisch-wirtschaftlichen Eigenschaften der Zellkomponenten sowie die Entwicklung industrieller Produktionsverfahren erreicht. Hierbei sind die Identifikation, Bewertung und Weiterentwicklung neuer Materialien und Materialkombinationen sowie die hierfür notwendigen Produktionsverfahren wesentliche Forschungsschritte.

Das Fraunhofer IWES unterstützt das Fraunhofer IMWS im Projekt durch seine Kompetenz im Bereich der systematischen elektrochemischen Bewertung und Modellierung aus unterschiedlichen Fachrichtungen, um zur Evaluierung von Aktivmaterialien und katalysatorbeschichteten Membranen, sowie insbesondere zur Identifizierung relevanter Degradationsmechanismen beizutragen.

Mehr Informationen: BMBF Wasserstoff-Leitprojekte