Im Jahre 2019 begann im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) und unterstützt durch das Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE das Projekt HyFab. Dieses mit 7,9 Millionen Euro durch den baden-württembergischen Umweltminister geförderte Projekt hat das Ziel, einen wesentlichen Baustein hin zur Wasserstoffwirtschaft zu entwickeln.
Insbesondere die vergangenen 10 Jahre haben gezeigt, dass ein Weiter so bei der Verbrennung fossiler Energieträger in eine Klimakrise führen würde. Als einer der wichtigsten Alternativen zu Erdgas und Erdöl wird heute die Speicherung regenerativ gewonnener Energie in Wasserstoff angesehen. Allerdings wurde diese altbekannte, jedoch teure Form der Energieumwandlung (Elektrolyse, Power-to-Gas, PtG) und Energieerzeugung (Brennstoffzellen-Stack) nie zu einer industriellen Serienreife entwickelt. Nur die Alkalielektrolyse hat zur Herstellung von in der chemischen Industrie benötigtem Wasserstoff einen nennenswerten MRL (Manufacturing Readiness Level) erreicht.
Das Kernstück einer Brennstoffzelle ist die beidseitig beschichtete Membrane, die den Wasserstoff vom Sauerstoff getrennt hält und den Protonen-Austausch ermöglicht. Um diesen Austausch möglichst effizient zu gestalten, sind solche Membranen sehr dünn und damit mechanisch instabil. Eine als „Subgasket“ bezeichnete Dichtung stabilisiert die CCM (Catalyst Coated Membrane) und bewirkt gleichzeitig die elektrische Isolation zwischen den beiden Halbzellen.
Bislang wird diese als MEA (Membranelektrodeneinheit) bezeichnete Einheit in einem langsamen Stapelprozess in weitgehender Handarbeit hergestellt.
Das 2019 gestartete Projekt HyFab hat die Aufgabe, binnen kurzer Zeit zu zeigen, dass eine Hochskalierung der bisherigen Manufaktur-Fertigung auf einen industriellen Serienfertigungsprozess möglich ist. Dazu wurde in Zusammenarbeit mit Automatisierungsspezialisten und mit Förderung durch das baden-württembergische Umweltministerium eine Fertigungsstrecke aufgebaut. Am 10. Februar 2021 fand der Spatenstich zur Errichtung der Forschungsfabrik HyFab (Kontakt: Ulf Groos) statt. Inzwischen ist das Gebäude fertiggestellt und die Musterfertigung angelaufen. Mit Hilfe der Automatisierungsstrecke soll nun erforscht werden, an welchen Stellschrauben gedreht werden kann, um mit immer höherer Taktzahl zuverlässig Membranelektrodeneinheit herzustellen.
Einen ähnlichen Ansatz verfolgt das NOW-Projekt „Innovative, skalierbare Brennstoffzellenproduktion „i-skaB“ (Kontakt: Dr. Marcus Gebhard). Mit dem Förderkennzeichen 03B11033 begannen im Dezember 2022 die sieben Projektpartner (Thyssen Automation, ZBT Duisburg, Fraunhofer, BMW, Laufenberg, Siemens und SK Laser) ihre Arbeit. Ziel des Projektes ist es, den Automatisierungsgrad bei der Herstellung von Bipolarplatten und MEA erheblich zu erhöhen. Erst bei einer signifikanten Vervielfachung der Ausbringungsrate sind die angestrebten Ziele einer auf Wasserstoff basierenden Energiewirtschaft überhaupt erreichbar. Zudem ist nur durch eine weitgehend automatisierte Produktion die benötigte Qualität und Betriebssicherheit erreichbar. In industriellen Serienfertigungsprozessen können in jeder Fertigungsstufe Maßnahmen zur Qualitätsüberprüfung eingeplant werden und so bei Abweichungen frühzeitig eingegriffen werden. Heutige, in Handmanufaktur hergestellte Brennstoffzellen haben eine zu hohe Ausschussrate. Zudem werden Mängel oft erst am Ende des Fertigungsprozesses festgestellt – also dann, wenn die gesamte Wertschöpfung des Fertigungsprozesses bereits in dem Brennstoffzellen-Stack steckt.
Die Hochskalierung des Fertigungsprozesses beinhaltet zudem die sehr wichtigen Vorteile einer Economy of Scale, also den Kostenvorteilen einer Massenproduktion. Diese ist auch dringend notwendig, um Energie auf zukünftig bezahlbar zu halten.
Die beiden Projekte HyFab und i-skaB stehen jedoch nur stellvertretend für zahlreiche Entwicklungen, die zurzeit auch ohne staatliche Förderung in zahlreichen Unternehmen verfolgt werden. Denn wer als erster eine funktionierende und kostendeckende Produktion von PEM-Elektrolyseuren und PEM-Brennstoffzellen in Betrieb nehmen kann, wir auch die ersten Kunden mit größerem Stückzahlenbedarf beliefern können.
Eine gute Übersicht über geförderte Forschungsprojekte im Bereich Wasserstoff/Brennstoffzellen findet man auf der Webseite der NOW-GmbH (Nationale Organisation Wasserstoff). Dazu gehören auch BI-FIT (Erstkonditionierung von Brennstoffzellen), GroProBiP (großvolumige Produktion von Bipolarplatten) und OREO (Übersichtsforschung für die Beschichtungsprozesse der Elektroden).
@ Gerald Friederici, 03/2023