Verbundvorhaben H2Giga_TP_PEP.IN: Industrialisierung PEM-Elektrolyse-Produktion; Teilvorhaben Serial MANufacturing

Abstract

Im Rahmen des vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts wurde das Ziel verfolgt, die industrielle Produktion von PEM-Elektrolyseuren auf ein neues Niveau zu heben und deren wettbewerbsfähige Herstellung in großen Stückzahlen zu ermöglichen. Die Projektpartner entwickelten hierzu innovative Produktionstechnologien und -verfahren, die bislang in dieser Form am Markt nicht existierten. Als methodische Grundlage dienten Erkenntnisse aus der Automatisierung und Hochskalierung der Brennstoffzellenfertigung im Automobilsektor, wodurch insbesondere Automobilhersteller und -zulieferer eine zentrale Rolle im Projekt einnahmen. Die im Projekt erzielten Weiterentwicklungen und Kostenreduktionen erstreckten sich über sämtliche Wertschöpfungsstufen der Elektrolyseurherstellung. Ein zentrales Ergebnis war die Entwicklung einer Produktionstechnik für die Serienfertigung im Gigawatt-Maßstab. Hierzu wurde die Konzeption und der Bau einer Gigawatt-PEM-Elektrolyse-Stack-Fabrik ("Gigahub") am Standort Victoriapark in Hamburg realisiert, die im September 2024 eröffnet wurde. Die Fabrik ist darauf ausgelegt, PEM-Elektrolyse-Stacks mit einer Gesamtkapazität von über fünf Gigawatt pro Jahr im automatisierten Verfahren herzustellen. Das Hallendesign wurde gezielt auf einen optimierten Materialfluss ausgerichtet, und es wurden reproduzierbare Fertigungsprozesse durch Automatisierung entwickelt. Verschiedene Ansätze zur Gestaltung von Montagelinien wurden sowohl aus akademischer als auch aus industrieller Perspektive untersucht. Zudem wurden unterschiedliche Greifersysteme für das Handling anspruchsvoller Stack-Komponenten erforscht und zwei Stacking-Linien mit unterschiedlichen Automatisierungskonzepten aufgebaut und getestet. Durch diese Maßnahmen konnte die Fertigungsdauer der Stacks um 75 Prozent reduziert werden. Im Bereich der Skalierung wurde eine aufeinander abgestimmte Einheit aus Elektrolyseur und Gesamtanlage zur Produktion von grünem Wasserstoff konzipiert. Das Elektrolyseur-Modul auf 10 MW skaliert ("MHP", Modular Hydrogen Plattform) und ein modularisiertes, schlüsselfertiges Gesamtanlagendesign bestehend aus 50MW-Blöcken (je 5xMHP) geschaffen. Diese Designs setzen neue Maßstäbe für mittelgroße Wasserstoffprojekte und sind gezielt für Anlagengrößen bis 300 MW optimiert worden. Auch im Bereich der Zell- und Stackdesigns wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Das Stackdesign wurde gezielt an die Anforderungen der automatisierten Produktion angepasst ("Design for Production"). Parallel dazu wurde an einem „Stack of the Future“ geforscht, der als Basis für künftige Elektrolyseur-Generationen dienen soll. Hierbei kamen innovative Materialien wie Kohlenstoff-Compound-Bipolarplatten und NextGen-Membran-Elektroden-Einheiten zum Einsatz. Zur Sicherstellung der Lebensdauer und Qualität wurden zahlreiche Prüfstände geplant und aufgebaut. Die Konditionierungsdauer der Stacks konnte signifikant reduziert werden, und ein automatisiertes System zur Stack-Vermessung wird künftig die Prozessqualität weiter verbessern. Ein multiphysikalisches Zellmodell ermöglicht die Vorhersage der Auswirkungen von Designanpassungen, und ein erweitertes Condition-Monitoring-System erlaubt die frühzeitige Fehlererkennung. Mit diesen Ergebnissen hat das Projekt wesentliche Grundlagen für die industrielle Serienfertigung von PEM-Elektrolyseuren geschaffen und damit einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft in Deutschland geleistet.