Wasserstoffproduktion: Die Suche nach dem fehlenden Molekül

Wasserstoff ist reichlich vorhanden, aber selten frei. Er steckt in Molekülen wie Wasser (H₂O) fest und muss erst herausgelöst werden – eine Aufgabe für Elektrolyseure. Sie spalten Wasser in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O). Der gewonnene Wasserstoff kann Brennstoffzellen antreiben oder in Hochöfen ersetzt werden. Doch bislang werden entsprechende Anlagen in Deutschland in kleinen Stückzahlen und zu hohen Kosten gefertigt.

Das soll sich ändern. Im Leitprojekt "H2 Giga" wird seit 2021 an einer Produktion im Gigawatt-Maßstab geforscht. Ein Ziel, das gewissermaßen den Übergang von der Manufaktur zur industriellen Fertigung markiert.

Roboter übernehmen Fertigung der Elektrolyseure

Bislang wurden Elektrolyseure überwiegend von Hand montiert. In Braak, Schleswig-Holstein, ist nun etwas entstanden, das man als Gegenbild dazu lesen kann: eine automatisierte Fertigungslinie.

Im Teilprojekt "PEP.IN" haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gemeinsam mit der Industrie eine Anlage aufgebaut, in der Roboter das sogenannte Stacking übernehmen – das präzise Aufeinanderschichten von Elektroden und Membranen.

 „Eine Sekunde brauchen die Roboter, um eine Komponente auf die andere zu legen", sagt Nicolas Mandry vom Fraunhofer IPA.

Eine Sekunde – ein Tempo, das in der Handarbeit unerreichbar wäre. Die Greifer dafür hat das Team selbst entwickelt. Auch die Qualitätssicherung läuft über Kameras und Bildverarbeitung. Sie sortieren aus, was fehlerhaft ist, und tolerieren, was unkritisch bleibt.

So entsteht eine Fabrik im Gigawattmaßstab.

 „Die hier innerhalb eines Jahres produzierten Elektrolyseure haben also eine aufaddierte Nominalleistung von mindestens einem Gigawatt – ein Vielfaches von dem, was erreicht wurde, als Elektrolyseure noch mit viel Handarbeit gefertigt wurden",
sagt Mandry.

Digitaler Zwilling: Ein digitales Abbild

Industrialisierung braucht Übersicht. Im Teilprojekt FRHY arbeiten Forschende deshalb an einer vernetzten Produktions-IT, die Daten sämtlicher Produktionsmodule in Echtzeit sammelt – ein digitaler Zwilling, der Fehler sichtbar macht und Optimierungen ermöglicht.

Doch trotz aller Ambitionen blieb nicht alles im Zeitplan.

 „Kurz vor Ende des Forschungsprojekts sind noch immer nicht alle Produktionsanlagen, die auf insgesamt fünf Fraunhofer-Institute verteilt sind, fertiggestellt oder in Betrieb genommen",
sagt Henry Himmelstoß.

Lieferengpässe haben den Aufbau verzögert. Emulatoren simulieren vorerst, was später Maschinen übernehmen sollen. Es wirkt wie ein Provisorium – aber eines, das die Hoffnung auf ein Folgeprojekt nährt.

Iridium: Das knappe Element

Kaum ein Detail zeigt die Abhängigkeit der Technologie von globalen Rohstoffmärkten so deutlich wie die Anode der PEM-Elektrolyseure. Sie ist mit Iridium beschichtet, einem der seltensten Elemente überhaupt. Rund 0,67 Gramm benötigt man pro Kilowatt.