Doppelter Startschuss Forschung und Industrie ebnen Weg ins Wasserstoff-Zeitalter

Von Nikolaus Fecht

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Das Timing war perfekt! Am 13. September 2022 startete offiziell in Berlin der „H2GO – Nationale Aktionsplan Brennstoffzellenproduktion“ und auch in Aachen gab es ein „wasserstoffliches“ Event.

Eine umfassende Wasserstoffinitiative wurde in Berlin gestartet. Und in Aachen zeigten Laserspezialisten, wie Stacks im fünfstelligen Stückzahlbereich zu fertigen sind: Etwa mit solch einer schlüsselfertigen Anlage, wie sie von Schuler, Thyssenkrupp und Andritz Soutec geliefert wird.
Eine umfassende Wasserstoffinitiative wurde in Berlin gestartet. Und in Aachen zeigten Laserspezialisten, wie Stacks im fünfstelligen Stückzahlbereich zu fertigen sind: Etwa mit solch einer schlüsselfertigen Anlage, wie sie von Schuler, Thyssenkrupp und Andritz Soutec geliefert wird.
(Bild: Andritz Soutec)

Im Spätsommer 2022 übergab Bundesverkehrsminister Dr. Volker Wissing dem Fraunhofer-Präsident Prof. Reimund Neugebauer einen Fördermittelbescheid über rund 80 Millionen Euro für das Projekt H2GO. Es bündelt die Aktivitäten von 19 Fraunhofer-Instituten mit dem Ziel einer signifikanten CO2-Reduzierung in der Lastenmobilität. Unter der Koordination des Chemnitzer Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU soll das ehrgeizige Projekt laut Wissing wesentlich dazu beitragen, die Kosten für Wasserstofffahrzeuge im Schwerlastverkehr deutlich zu reduzieren.

Und just am selben Tag begrüßte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen wieder Produktionsfachleute zu einem jährlichen Insidertreff der Wasserstoff-Community. Im Mittelpunkt des sogenannten LKH2 Laserkolloquiums Wasserstoff stand dabei das neue Wasserstofflabor auf dem Campus der RWTH Aachen University.

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Forschungsprojekt soll Kosten für Stacks drastisch verringern

Der Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA) aus Berlin unterstützt H2GO und bezeichnet das Projekt laut einem VDA-Sprecher als Schritt in die richtige Richtung zur Industrialisierung der Brennstoffzellen, um die Energiewende spürbar und erfolgreich weiter voranzutreiben. Industrialisiert heißt in diesem Fall: Es ist der Großserieneinsatz bei der Herstellung von Brennstoffzellen gefragt, die außer der Membran-Elektroden-Einheit jeweils rund 300 bis 400 Bipolarplatten (BPP) benötigen. Noch ist die Produktion nicht nur zu langsam, sondern auch zu teuer. Aktuell kostet die Herstellung der sogenannten Stacks insgesamt rund 300 bis 400 Euro pro Kilowatt. Das Projekt H2GO soll helfen, diese Kosten auf rund 30 Euro pro Kilowatt zu senken.

Mit dem Laser zur produktiveren Brennstoffzellen-Fertigung

Für die dazu nötige Grundlagenforschung eignet sich das im Mai eröffnete, rund 300 Quadratmeter große Wasserstofflabor des Fraunhofer ILT. Es gibt zwar bundesweit ähnliche Einrichtungen, doch es besitzt laut Aussage von Dr. Alexander Olowinsky, dem Initiator des LKH2-Laserkolloquiums Wasserstoff und Gruppenleiters Mikrofügen am Fraunhofer ILT, ein Alleinstellungsmerkmal: „Was die Vielfalt der praktischen Möglichkeiten betrifft, ist unser neues Wasserstofflabor einzigartig.“ Davon überzeugen konnten sich die 70 Gäste des LKH2, die im September bei Vorführungen an den Versuchsanlagen live erleben konnten, wie sich zum Beispiel mit dem Laser hauchdünne Metallplatten von 70 bis 100 Mikrometern Dicke präzise schneiden und prozesssicher zu gasdichten Stacks verschweißen lassen.

Bei den intensiven Vorführungen ging es auch darum, wie sich typische Probleme nicht nur im Labor, sondern auch unter Serienbedingungen verhindern lassen. Hier hat sich in Aachen 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-Onlineoptimierer für „intelligente“ Lasermaschinen (Projekt Dipool) vor, bei dem die Aachener erstmals die zeitliche und räumliche Programmier- und Kontrollierbarkeit von Laserwerkzeugen mit maschinellem Lernen kombinieren. Hier arbeitet das Institut im Rahmen des BMBF-Projekts eng zusammen mit einer vollkommen neuartigen, multispektralen Sensorik von der 4D Photonics GmbH aus Isernhagen, die der Geschäftsführer Christoph Franz auch als „Weldwatcher“ beim Laserschweißen von Bipolarplatten einsetzt.

KI hilft beim Lasermikroschweißen von Bipolarplatten

Und Christian Knaak, Wissenschaftler der Gruppe Prozesssensorik und Systemtechnik am ILT, setzt für das schnelle Erkennen von Spritzern beim BPP-Laser-Mikroschweißen auf ein sogenanntes siamesisches neuronales Sensornetzwerk, das nicht das ganze Bild analysiert, sondern nur charakteristische Ausschnitte miteinander vergleicht. Mit Blick auf weitergehende Forschungen regte Knaak an, künftig nicht nur den eigentlichen Laserprozess mit KI-Hilfe zu überwachen, sondern auch vor- und nachgelagerte Verfahrensschritte ins Visier zu nehmen.

Die für das ehrgeizige H2GO-Projekt nötige industrielle Praxisnähe stand auch im Mittelpunkt des dritten LKH2-Events, das erstmals seit dem Start im Jahr 2020 in Präsenz ablief. Die Bandbreite der Vorträge aus der Industrie umfasste eine Reihe ganzheitlicher Aspekte. Dazu zählten das Hydroforming von ultradünnen Bipolarplatten aus Titan für die Aerospace-Branche (Gräbener Maschinentechnik), das Laserschweißen im Vakuum (Lava-X), das Bändigen der Schmelzbaddynamik und wie der Humping-Effekt mit Multifokus-Strahlführung verhindert werden kann (Trumpf und Audi) sowie das prozesssichere Spannen der BPP-Folien (Weil Technology).

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Automatisierte BPP-Herstellung: Eine pro Sekunde!

Spannend war auf dem Campus der RWTH Aachen University mit Blick auf effektive Großserienproduktion von Stacks stets die Frage, wie schnell man mit dem Laser schneiden und schweißen kann, ohne dass Nähte undicht werden. Losgelöst von vor- und nachgelagerten Prozessen gelang bereits das Laserschweißen mit einem Speed von deutlich über 1.000 Millimetern pro Sekunde.

Doch wie gehen Hersteller von Anlagen für die komplette Prozesskette C vor? Antwort kann zum Beispiel die Andritz Soutec AG aus Neftenbach (Schweiz) zusammen mit dem Pressenhersteller Schuler und Thyssenkrupp Automation Engineering geben. Eine entsprechende Anlage ist etwa zur Jahresproduktion von 50.000 Stacks mit 15 bis 20 Millionen BPP ausgelegt. Im Schichtbetrieb gelingt das nur, wenn etwa jede Sekunde eine Platte entsteht.

Dazu reicht aber den Schweizern ein Laserschweißtempo von 500 Millimetern pro Sekunde. Details nannte Daniel Wenk, Vice President Business & Development: „Wir schweißen Platten mit acht Lasern konservativ langsam mit einer Geschwindigkeit von 30 Metern pro Minute.“ Der Kooperation geht es vor allem um Sicherheit, denn sie betreten hier Neuland. Wenk hatte deshalb in Aachen einen Wunsch an das Fraunhofer-Konsortium und die gesamte H2-Community: Die Bildung von Arbeitsgruppen zum Entwickeln und Standardisieren – vor allem in Sachen Dichtigkeitsprüfungen.

Viele Fragen um den Wasserstoff gibt es zu beantworten:

Damit sprach der Schweizer einen wichtigen Aspekt an, den auch Prof. Arnold Gillner, Abteilungsleiter Abtragen und Fügen am Fraunhofer ILT, aufgriff: „Ich weiß auch noch nicht, wie im Sekundentakt die In-situ-Prozesskontrolle der Dichtheit funktionieren soll. Da stehen noch viel Fragen an, die wir das nächste Mal diskutieren sollten.“ Man kann diese Themen aber hier in Aachen im Forschungscampus Digital Photonic Production DPP gemeinsam an den Versuchsanlagen angehen, um so eine Wasserstoff-Plattform auf die Beine zu stellen.

Resultate der Arbeit an der Wasserstoffzukunft im H2GO-Projekt sowie am Forschungscampus DPP erfahren Interessierte in Aachen übrigens außer anderen Themen wie Batterietechnik bereits im Februar 2023 auf dem LSE'23 Lasersymposium Elektromobilität. Und das vierte LKH2 im September 2023 bietet wieder einen Rundumschlag in puncto Wasserstofftechnologie.

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