H2Giga: Wasserstoff in Serienfertigung

RWTH Aachen an Deutschlands Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft beteiligt

 

Grüner Wasserstoff, der mit Energie aus regenerativen Quellen erzeugt wird, ist einer der wichtigsten Träger der Energiewende. Um Deutschlands Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft zu unterstützen, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die drei Wasserstoff-Leitprojekte H₂Giga, H₂Mare und TransHyDE mit einem vorgesehenen Fördervolumen von insgesamt 740 Millionen Euro aufgelegt. Bis 2025 soll Deutschland so eine führende Rolle in den Wasserstofftechnologien einnehmen. Auch Teams der RWTH Aachen, die ihre Expertise im Themenfeld Wasserstoff im Center for Sustainable Hydrogen Systems gebündelt hat, sind mit mehreren Forschungsvorhaben daran beteiligt, um die Technik für die Erzeugung von Wasserstoff im großen Maßstab zu entwickeln.

H₂Giga: Das Leitprojekt Elektrolyse

H₂Giga ist das zahlenmäßig größte der drei Leitprojekte. Über 130 Institutionen aus Wirtschaft und Wissenschaft arbeiten mit einem angekündigten Fördervolumen von rund 500 Millionen Euro an der Herstellung von Grünem Wasserstoff in industriellem Maßstab. Grüner Wasserstoff ist das Schlüsselmolekül, mit dem erneuerbare elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und damit speicherbar gemacht werden kann. Die Speicherung elektrischer Energie wiederum ist eine wesentliche Voraussetzung, um Deutschlands Energiewirtschaft auf regenerative Quellen umstellen zu können.

Die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser und Strom, die „Elektrolyse“, hat zwar bereits eine beachtliche technische Reife errungen, ist jedoch noch nicht in großen Maßstäben vorhanden. Die Elektrolyseure werden derzeit noch in Handarbeit aufgebaut, mit entsprechend hohem Kostenaufwand und geringer Fertigungskapazität. Das Ziel von H₂Giga ist, die Industrialisierung der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Grünem Wasserstoff vorzubereiten und bis 2025 den Grundstein für eine wettbewerbsfähige Herstellung im Gigawatt-Maßstab zu legen.

Weitere Informationen unter www.wasserstoff-leitprojekte.de.

Die Projekte mit RWTH-Beteiligung im Rahmen von H₂Giga im Überblick:

PrometH₂eus

Hauptaufgabe des H₂Giga-Projektes PrometH₂eus ist die anwendungsorientierte Katalysator- und Elektrodenentwicklung für die alkalische Wasserelektrolyse. Der Fokus liegt dabei auf den Sauerstoffevolutionselektroden. Die entwickelten Katalysatormaterialien werden dabei nicht nur für Laborbedingungen optimiert, sondern auf industrierelevante Parameter hin entwickelt, um eine direkte Hochskalierung auf die industrielle Anwendung hin zu garantieren. Hierzu vollzieht PrometH₂eus den Brückenschlag zwischen grundlagenorientierten Materialwissenschaften und anwendungsnaher Elektrodenherstellung. Die Innovation besteht darin, bei der Synthese, Beurteilung und Optimierung neuer Materialien die technische Anwendbarkeit direkt mitzudenken und somit den nächsten Schritt in Richtung einer zielgerichteten Elektrodenentwicklung zu gehen.

PrometH₂eus vereint dabei die Expertise von über 20 Forschungsgruppen sowie dreier Großkonzerne, welche eng verzahnt in den Arbeitsgebieten Synthese, Verständnis und Anwendung an der Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien arbeiten. Von der RWTH sind seitens der Aachener Verfahrenstechnik Professorin Anna Mechler (Elektrodenmodifikation), Professor Alexander Mitsos und Dr. Dominik Bongartz (Prozessmodellierung), Professor Matthias Wessling und Dr. John Linkhorst (3D-Druck) sowie seitens des Instituts für Technische und Makromolekulare Chemie Professorin Regina Palkovits (Oberflächenaktivcluster) maßgeblich involviert.

AlFaKat

Im Verbundvorhaben AlFaKat arbeitet von der RWTH der Lehrstuhl für Heterogene Katalyse und Technische Chemie unter Leitung von Professorin Regina Palkovits gemeinsam mit dem Zentrum für Brennstoffzellen Technik und dem Unternehmen KCS Europe GmbH an der Entwicklung von Elektrokatalysatoren für die Wasserstoffherstellung mittels Wasserelektrolyse. Im Fokus steht ein neuartiger Herstellungsprozess für leistungsstarke und skalierbare Elektrodenmaterialien auf Basis verfügbarer Elemente.

StacIE

Im Forschungsvorhaben StacIE (Stack Scale-up – Industrialisierung PEM Elektrolyse) wird am Institut für Oberflächentechnik der RWTH gemeinsam mit zehn weiteren Projektpartnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen die Effizienzsteigerung der PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane) für den Gigawatt-Maßstab angestrebt. Mittels der Verfahren Thermisches Spritzen und Laser-Auftragsschweißen werden neuartige Beschichtungslösungen zum Korrosionsschutz der Bipolarplatten (BPP) als auch poröse leitfähige Transportschichten (PTL) mit anwendungsspezifischer Schichtstruktur entwickelt. Der disruptive Einsatz dieser Beschichtungsverfahren soll die Herstellungskosten der PEM-Elektrolyse deutlich senken und diese langfristig wettbewerbsfähig gegenüber anderen Elektrolysetechnologie machen.

StaR

Mit den Projektpartnern OTH Regensburg, TU Clausthal, Hochschule Rhein-Waal sowie dem assoziierten Partner TU Dortmund und dem Start-up WEW aus Dortmund startet das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH das Projekt StaR. Design und Herstellung von Elektrolyse-Stacks sollen ganzheitlich untersucht und neue Konzepte zur Reduktion der Herstellungskosten in die praktische Umsetzung gebracht werden. So kann StaR das Ziel unterstützen, eine Hochskalierung der Verfügbarkeit von Grünem Wasserstoff zu generieren, die Wasserstoffgestehungskosten zu senken und eine kostenoptimale Herstellung in Deutschland zu garantieren, inklusive des damit verbundenen Aufbaus von Wertschöpfung und Arbeitsplätzen im Land.

SEGIWA

Im Projekt SEGIWA werden in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung Grundlagen erarbeitet, um den modularen Siemens PEM-Elektrolyseur Silyzer 300® von der teilautomatisierten Fertigung in eine Serienfertigung im Gigawatt-Bereich zu überführen. Ein Fokus der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Werkzeugmaschinenlabors der RWTH und des FIR e.V. an der RWTH Aachen liegt auf der Konzeption und Implementierung weitgehend automatisierter Produktionsprozesse sowie deren Verknüpfung in einem übergeordneten Produktionskonzept. Zur Sicherstellung eines schnellen Produktionshochlaufs bei hoher Effizienz wird ein stufenweise skalierbares Produktionssystem konzipiert. Zur Reduktion von Planungsaufwand und Schnittstellenverlusten zwischen Planung und Betrieb muss besonders während der Skalierung der Produktion ein Fokus auf der integrierten, digitalen Produktions- und Fabrikplanung liegen. Die Aachener Verfahrenstechnik der RWTH befasst sich innerhalb des Projekts mit den verfahrenstechnischen Produktionsschritten, sowie der Stabilität von Elektrolyseurkomponenten.

INSTALL AWE

Die Industrialisierung der alkalischen Wasserelektrolyse wird im Verbund INSTALL AWE vorangetrieben. Gemeinsam mit den Partnern aus Industrie und Forschung (unter anderem thyssenkrupp, Industrie De Nora, Hoedtke GmbH & Co. KG) wird basierend auf der verfügbaren Technologie für Elektrolyseure eine komplett neue Stack- und Zelltechnologie entwickelt, die eine industrielle Serienfertigung erlaubt. Ziel ist insbesondere die Optimierung der Fertigung durch Einsatz von Robotik und Automation. Damit können die Herstellkosten gesenkt und der Fertigungsdurchsatz gegenüber dem heutigen Stand deutlich erhöht werden.

DERIEL

Das Projekt DERIEL befasst sich mit der Risikominimierung (De-Risking) eines neu zu entwickelnden druckbehafteten (Serien-PEM-) Elektrolyseurs. Das Hauptziel ist der Aufbau und der Betrieb zweier Einzelmodulteststände im Megawatt-Maßstab. Zusätzlich werden weitere Prüfstände von 25 bis 300 cm² mit Kurzzellstapeln von bis zu sechs Zellen im Konsortium in enger Abstimmung der akademischen und industriellen Partner betrieben. Darüber hinaus wird die Gewährleistung einer Materialrückführbarkeit erarbeitet und in industrielle Prozessketten vorgelagert implementiert. Ein Digital Twin wird zur Analyse der umfangreichen Datenmengen aus dem Betrieb der Teststände entwickelt und eingesetzt. Seitens der Aachener Verfahrenstechnik der RWTH werden für Membran-Elektroden-Anordnungen von Siemens Energy Alterungs- und Degradationsphänomene erforscht und Methoden entwickelt, um diese zu charakterisieren. Auch wird die Integration der Elektrolyseure in künftige Wertschöpfungsketten zur Herstellung chemischer Wertstoffe und Energieträger untersucht.

ReNaRe

Zusätzlich zur Entwicklung und Optimierung von Elektrolyseuren, fördert das BMBF im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung auch die stoffliche Verwertung von ausgedienten Elektrolyseuren. Diese enthalten Wertstoffe Platinmetalle, diverse Nickel-, Titan- und Eisenlegierungen, die die EU als kritische Materialien kategorisiert hat. Das Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling der RWTH arbeitet im von der TU Bergakademie Freiberg koordinierten Verbund ReNaRe (Recycling Nachhaltige Ressourcennutzung) mit zwölf Partnern an der ressourcenschonenden Rückgewinnung der Metalle. Darüber hinaus unterstützt das RWTH-Institut die Verbundpartner durch metallurgische Beratungen und analytische Prozessauswertung, um eine ganzheitliche, ökologische und ökonomische Bewertung des Metall-Recyclings zu ermöglichen.