H2Giga – Wasserstoff-Herstellung in Serienfertigung

Die Wasserstoff Leitprojekte des BMBF

Die Wasserstofftechnologien der Zukunft entwickeln möchte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit drei Wasserstoff-Leitprojekten, die aus 32 Ideenskizzen, im Rahmen des „Ideenwettbewerb Wasserstoffrepublik Deutschland“ hervorgegangen sind. Wissenschaft, Wirtschaft und die Zivilgesellschaft waren eingeladen, Ideen zu Wasserstoff-Großprojekten einzureichen. Die drei Projekte H2Giga, H2Mare und TransHyDE dienen als zentraler Beitrag zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie.

Das BMBF schätzt, dass der Bedarf Deutschlands an grünem Wasserstoff mehrere Hundertmillionen Tonnen jährlich betragen werde. Ziel der nationalen Wasserstoffstrategie sei der Aufbau von möglichst 5 Gigawatt Elektrolyse-Kapazität bis 2030 allein in Deutschland. In Summe bilden H2Giga, H2Mare und TransHyDE die größte Förderinitiative des BMBF zum Thema Energiewende. Im April 2021 konnten über 200 Partner in den drei Wasserstoff-Leitprojekten mit ihrer Arbeit beginnen. Die Projektlaufzeit beträgt vier Jahre. Edelstahl Aktuell wird die drei Leitprojekte in dieser und den Folgewochen als Artikel der Woche ausführlicher vorstellen.

H2Giga – Wasserstoff-Herstellung in Serienfertigung

Das Leitprojekt H2Giga werde die serienmäßige Herstellung von Elektrolyseuren unterstützen, denn um Deutschlands Bedarf an Grünem Wasserstoff decken zu können, bedarf es großer Kapazitäten an leistungsfähigen, kostengünstigen Elektrolyseuren. Die Herstellung – auch leistungsfähiger Elektrolyseure – erfolgt noch immer größtenteils in Handarbeit. Das sei zeitaufwändig, kostenintensiv und fehleranfällig. Stattdessen brauche es die serienmäßige Herstellung von Elektrolyseuren, die modular an ihren Einsatzort angepasst werden könnten. Auch um Grünen Wasserstoff wettbewerbsfähig zu machen, seien in Serie hergestellte Elektrolyseure notwendig.

Bestehende Technologien weiterentwickeln

Drei bereits bestehende Technologien sollen schlussendlich für die Serienfertigung bereit sein:

• Die PEM-Elektrolyse (PEM = Proton Exchange Membrane, zu Deutsch: Protonenleitende-Membran-Elektrolyse)
• Die alkalische Elektrolyse (AEL)
• Die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL)

Zur Serienreife gebracht werden sollen sie von etablierten Elektrolyseur-Herstellern, Zulieferern aus verschiedenen Technologiebereichen, darunter viele mittelständische und kleine Unternehmen, sowie Forschungseinrichtungen und Universitäten.

So beteiligt sich etwa der Automobil- und Industriezulieferer Schaeffler als Konsortialführer am Verbundprojekt „Stack Scale up – Industrialisierung PEM Elektrolyse“.

Mit der Erforschung und Entwicklung einer Großserienfertigung der alkalischen Wasserelektrolyse wird sich das von thyssenkrupp geführte Projekt „Install AWE“ befassen. Hierfür werden dem Unternehmen nach eigenen Angaben fast 8,5 Millionen Euro Fördergelder vom BMBF bereitgestellt. Neben langjährigen Partner von thyssenkrupp wie De Nora und Hoedtke GmbH & Co. KG werde in diesem Projekt auch auf neue Kooperationen gebaut.

Fraunhofer-Forschende aus Chemnitz, Görlitz, Aachen, Stuttgart und Halle (Saale) arbeiten gemeinsam in einem Großforschungprojekt, dass zum Ziel hat, die Kosten zur Herstellung von Elektrolyseuren für grünen Wasserstoff um mehr als ein Viertel zu senken. Sie bauen eine Referenzfabrik für die Elektrolyseur-Massenproduktion.

Zusätzlich solle forschungsseitig die Elektrolyse mit anionenleitender Membran (AEM) weiterentwickelt werden. Was alle Verfahren eint, ist, dass sie Wasser mithilfe von erneuerbarem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff auftrennen.

Wie das geschieht, das unterscheidet die Verfahren voneinander. Die verschiedenen Elektrolyseur-Typen seien jeweils für spezielle Einsatzgebiete besonders geeignet. Die Entwicklung und Skalierung der einzelnen Technologien werden daher mit den Branchen abgestimmt, in denen sie anschließend zum Einsatz kommen sollen.

Der Leiter des Lehrstuhls für Produktionssysteme (LPS) der Ruhr-Universität Bochum, Prof. Bernd Kuhlenkötter, arbeitet maßgeblich an H2Giga mit und gibt in einer Pressemeldung der WGP (Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik) einen kurzen Überblick über die Unterschiede: „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.“

Ein weiterer Schritt von H2Giga sei die die Entwicklung effizienter Produktionsverfahren, die auch Aspekte wie Recycling und einen flexiblen Betrieb berücksichtigten. Dabei bedeutet flexibler Betrieb, dass Elektrolyseure möglichst schnell an- und ausgeschaltet werden können sowie das Fahren auf unterschiedlichen Leistungsniveaus.

Das H2Giga Leitprojekt unterteilt sich in drei Projekte:

• Scale-up:
• Next Generation Scale-up
• Innovationspool

Scale-up: Technologien für die Serienfertigung

Wie bereits beschrieben, sollen etablierte Elektrolyse-Verfahren für die Serienfertigung weiterentwickelt werden und somit die Herstellung in Handarbeit minimieren. Herausforderungen, die es zu überwinden gelte, seien die verwendeten Materialien, die Hochskalierung sowie Technologien zur Fertigung der Elektrolyseure. Ziel vom Projekt Scale-up sei die automatisierte Fertigung von Elektrolyseuren im Gigawatt-Maßstab.

Next Generation Scale-up: Neueste Verfahren werden hochskaliert

Neben den bereits heute so weit entwickelten Arten von Elektrolyseuren, die in Serienproduktion gehen könnten, gibt es laut BMBF weitere Verfahren, die vielversprechend sind. Darunter seien Elektrolyse-Verfahren, die ganz ohne Edelmetalle auskommen oder Verfahren, die hocheffizient sind. Drei H2Giga Projekte widmen sich im Next Generation Scale-up den Technologien von morgen und übermorgen. Die Projektpartner sollen diese Verfahren weiterentwickeln und in größerem Maßstab testen. Darüber hinaus sollen im Next Generation Scale-up neue Designs für verschiedene Elektrolyseur-Komponenten erarbeitet werden, um Herstellungskosten künftig zu reduzieren und die serielle Fertigung zu vereinfachen.

Innovationspool: Wissenslücken schließen

Der wissenschaftsnahe Innovationspool soll garantieren, dass H2Giga seine Innovationsfähigkeit auch zukünftig nicht verliere. Übergreifende Verfahren, Technologien und Komponenten rund um die Elektrolyse sollen untersucht und entwickelt werden. Besonders im Fokus stehe die Prüfung neuer Materialien und Fertigungstechnologien. Über den Innovationspool könne die Wirtschaft Forschungsbedarfe und Wissenslücken an die Wissenschaft kommunizieren.

Über den Artikel der Woche

Jede Woche beleuchten wir im Artikel der Woche ein spannendes Thema für die Edelstahlbranche. Weitere Artikel finden Sie auch in unserer Zeitschrift Edelstahl Aktuell. Um diese und viele weitere Artikel (fast) monatlich zu lesen, abonnieren Sie unsere Zeitschrift (erhältlich in Print und digital).

Möchten Sie als Autor mitwirken? Bitte kontaktieren Sie Catrin Senger.

Jede Woche teilen wir einen neuen Artikel mit unserer Edelstahl Community. Machen Sie mit und lassen Sie uns Ihren Artikel auf Edelstahl Aktuell online und in gedruckter Form veröffentlichen.

Alle Bilder wurden vor der COVID-19-Pandemie bzw. unter Einhaltung der Abstandsregeln aufgenommen.