Zukunft Wasserstoff Der Laser ist für die Wasserstofftechnik unverzichtbar

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Wasserstoff ist nicht nur im Periodensystem die Nummer 1, sondern auch als grüne Energiequelle. Um Wasserstoff ausreichend zu erzeugen und zu nutzen, ist der Laser gefragt.

Sie wollen Ernst machen in Sachen grüner Wasserstoff! Denn gleich 28-mal steht der Begriff Wasserstoff im Koalitionsvertrag vom 7. Dezember 2021 zwischen SPD, Bündnis 90/Die Grünen und der FDP. Die Ampelkoalition will demnach den Ausbau der Wasserstoffwirtschaft beschleunigen und bis 2030 mindestens 10 Gigawatt Elektrolysekapazität in Deutschland installieren, sagen die Experten vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen. Damit nicht genug, denn geplant sind außerdem Quoten für grünen Wasserstoff in der öffentlichen Beschaffung, der Aufbau einer „Europäischen Union für grünen Wasserstoff“ sowie die Umsetzung der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ der Bundesregierung.

Ambitionierte Wasserstoffplanungen bieten Chancen für Deutschland

Die Pläne könne man durchaus als ambitioniert bezeichnen, denn noch ist grüner Wasserstoff selten. Nur rund 5 Prozent des 2021 in Deutschland erzeugten und verbrauchten Wasserstoffs (rund 60 Terawattstunden) stammen nämlich derzeit aus nachhaltiger Produktion. Der Bedarf an wettbewerbsfähiger Technik zur Herstellung von grünem Wasserstoff ist entsprechend hoch.

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Die Aussichten für Deutschland seien jedoch sehr gut. Denn laut Angaben des Europäischen Patentamts (EPA) und der Internationalen Energieagentur (IEA) sind einige deutsche Unternehmen bei Wasserstofftechnologien führend wie BASF, Bosch, Linde und Siemens. Und der VDMA hat im Sommer 2020 eine Studie veröffentlicht, die für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau bis 2050 ein Marktpotenzial von über 10.000 Milliarden Euro prognostiziert. Bei schätzungsweise 300 Milliarden Euro pro Jahr liegt das langfristige Marktpotenzial, informiert das ILT zum Hintergrund für diesen Bericht, über die unterstützenden Einsatzmöglichkeiten des Lasers für die Wasserstoffzukunft. Nicht zuletzt haben die Experten ein laserbasiertes Verfahren in petto, mit dem die Serienproduktion von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren möglich ist – und das auch noch CO₂-arm.

Laser schweißt Komponenten für Wasserstoff absolut dicht

Besondere Herausforderungen stellt die Brennstoffzelle an die Entwickler. Denn sie benötigt außer der Membran-Elektrodeneinheit jeweils 300 bis 400 Bipolarplatten (BPP), erklären die Forscher. Dafür sind aber neue Fertigungsverfahren gefragt, weil die existierenden zu langsam und damit zu teuer sind. Den Aachenern gelang es aber mithilfe von angepassten Wellenlängen und gezielter Strahlmodulation, Bleche extrem schnell prozesssicher wasserstoffdicht zu BPP zu verschweißen, wie man betont. Trotz Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 60 Meter pro Minute kam es nicht zum sogenannten Humping-Effekt, bei dem das Schmelzbad abhebt, perlt und die Naht undicht wird. In Kombination mit einer Inline-Prozesskontrolle zur Überwachung und Dokumentation ist das Laserstrahlschweißen in diesem Metier ein effizienter und reproduzierbarer Fertigungsprozess für die Massenfertigung von metallischen Bipolarplatten.

Spezialverfahren optimiert BPP-Herstellung aus Kunststoff per Laser

Und ganz neu sind bei Brennstoffzellen BPP aus thermoplastischem Kunststoff, die sich ebenfalls mit dem Laser fügen lassen, wie man weiter erfährt. Weil transparente Bauteile aber nur eine geringe Laserlichtabsorption haben, werden sie vor dem Schweißen häufig mit Ruß eingeschwärzt – nicht wirklich ideal. Als Alternative entstand am ILT deshalb das zweistufige Clearweld-Verfahren. Mithilfe einer Infrarotabsorberschicht lässt sich dabei die polymerbasierte BPP mit einem CO₂-Laser schneiden und anschließend mit einem NIR-Diodenlaser schweißen. Man erhalte mit diesem Verfahren eine transparente Fügestelle. Das Verfahren eigne sich deshalb besonders gut zum Aufbau von Biopolarplatten-Stacks.

Höherer Wirkungsgrad von PEM-Brennstoffzellen erreicht

Eine andere Herausforderung entsteht bei PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane). Dort bildet sich zum Beispiel bei mit Graphit gefüllten thermoplastischen Compoundmaterialien ein Kunststofffilm auf der Oberfläche der Bipolarplatte, der die elektrische Anbindung der Gastransportschicht verhindert. Am Fraunhofer ILT entstand aber ein Verfahren, das mit einem Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) die isolierende Kunststoffmatrix entfernt. Es handle sich im Gegensatz zum mechanischen Schleifen um ein schonendes Verfahren, bei dem der ultrakurzgepulste Laserstrahl den Kunststoff selektiv entfernt, ohne das Füllmaterial zu beschädigen.

Effektiv Laserschneiden statt Stanzen mit Verschleiß

Laser gelten als wirtschaftliche Alternative zu mechanischen Schneidverfahren, wie etwa dem Scherschneiden. Speziell das Laserstrahl-Hochgeschwindigkeitsschneiden könne in vielen Fällen konventionelle Stanzprozesse ersetzen. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und Trennen beim ILT, erklärt: „Die hohe Flexibilität, Präzision und Prozessgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde machen das Laserstrahlschneiden zum optimalen Werkzeug, um metallischen Bipolarplatten herzustellen.“ Das Laserschneiden dieser Art ist schnell, sicher und verschleißfrei. Es eigne sich sowohl für die Prototypenproduktion als auch für die Großserie.

Das Verfahren hat sich im Rahmen des Projekts „CoBiP“ als ideal erwiesen. Das war ein gemeinsames Projekt mit dem benachbarten Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, in dem eine kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Fertigung von metallischen, doppelwandigen BPP entsteht. Das ILT entwickelte dafür ein Rolle-zu-Rolle-Modul zum Laserschweißen und -schneiden, das nun in der „CoBiP“-Anlage beim Nachbarn mit Hochgeschwindigkeit gratfrei schneidet (weit über 100 Meter pro Minute). Das Schweißen klappe fehlerfrei unter Argon als Schutzgas (maximal 30 Meter pro Minute).

Laserbasierte additive Fertigung schafft Elektrolyseure

Für Anwendungen der Wasserstoffindustrie kommt ebenfalls der laserbasierte, metallische 3D-Druck infrage. Zu den etablierten Verfahren zählt dabei das Laserauftragschweißen (Laser Material Deposition, kurz LMD), das die Aachener seit über 30 Jahren intensiv erforschen und konsequent für verschiedene Anwendungsfelder und Branchen weiterentwickeln, wie es heißt. Bewährt habe sich LMD etwa bei der Herstellung von Elektrolyseuren, die oft aus unterschiedlichen Werkstoffpaarungen bestünden. So haben die ILT-Forscher etwa eine LMD-Anlage entwickelt, mit der sich eine Baustahlplatte mit einer extrem dünnen, porösen Nickel-Aluminium-Legierung beschichten lässt.

Neuronales Netzwerk erkennt Fehler beim BPP-Laserschweißen

Christian Knaak, Gruppe Prozesssensorik und Systemtechnik am Fraunhofer ILT, setzt dagegen beim schnellen Erkennen von Spritzern beim BPP-Laser-Mikroschweißen auf ein sogenanntes siamesisches neuronales Sensornetzwerk, wie man weiter erfährt. Dieses Netzwerk analysiere nicht das ganze Bild, sondern vergleiche nur charakteristische Ausschnitte miteinander. Mit Blick auf weitergehende Forschungen regt Knaak an, künftig nicht nur den eigentlichen Laserprozess mit KI-Hilfe zu überwachen, sondern auch vor- und nachgelagerte Verfahrensschritte ins Visier zu nehmen.

Im ILT-Wasserstofflabor wird weiter Zukunft gemacht

Die MDL-Anlage sahen übrigens die 70 Teilnehmer im Herbst 2022 in Aachen auf dem 3. Laserkolloquium Wasserstoff LKH2, seit 2020 ein Insider-Event der Wasserstoff-Community. Im Mittelpunkt der Veranstaltung des Fraunhofer ILT stand erneut die Serienproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen im 300 Quadratmeter großen Wasserstofflabor. Es gibt zwar bundesweit ähnliche Einrichtungen, doch es besitzt laut Dr. Alexander Olowinsky, Initiator des LKH2 und Abteilungsleiter Fügen und Trennen am Fraunhofer ILT, ein besonderes Alleinstellungsmerkmal: „Was die Vielfalt der praktischen Möglichkeiten betrifft, ist unser neues Wasserstoff-Labor einzigartig.“ Davon konnten sich die Gäste des LKH2 überzeugen, die im September bei Vorführungen an den Versuchsanlagen live erfuhren, wie sich mit dem Laser hauchdünne Metallplatten von 70 bis 100 Mikrometern Dicke präzise schneiden und prozesssicher zu gasdichten Stacks verschweißen lassen.

Bei den hochinteressanten Vorführungen ging es auch darum, wie sich typische Probleme nicht nur im Labor, sondern auch unter Serienbedingungen verhindern ließen. Hier habe sich die künstliche Intelligenz (KI) bereits mehrfach bewährt. Zwei Beispiele von vielen – Dr. Frank Schneider, Gruppe Makrofügen und Schneiden am Fraunhofer ILT, stellte den digitalen Prozess-Online-Optimierer für „intelligente“ Lasermaschinen (Projekt „DIPOOL“) vor, bei dem die Forscher, wie betont wird, erstmals die zeitliche und räumliche Programmier- und Kontrollierbarkeit von Laserwerkzeugen mit maschinellem Lernen kombinierten. In diesem Projekt arbeitet das Institut im Rahmen des BMBF-Projekts eng mit einer vollkommen neuartigen, multispektralen Sensorik von der 4D Photonics GmbH aus Isernhagen zusammen, die Geschäftsführer Christoph Franz als „Weldwatcher“ beim Schweißen von Bipolarplatten einsetzt.

Wie es in Sachen Wasserstoff und Laser weitergeht, erfahren Interessenten vom 19. bis 20. September 2023 auf dem Laserkolloquium Wasserstoff LKH2 in Aachen, dem langjährigen Insider-Event der Wasserstoff-Community des Fraunhofer ILT.

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