Elektrolyzátorokat tömegtermékké kell tenni

Elektrolyzátor Haurupban, Flensburg mellett. © H-TEC SYSTEMS GmbH

A víz- és energiaátállás során a hidrogén fontos szerepet tölt be, ezért szükség van elektrolizátorokra. Azonban ezek ritkák és drágák, mert eddig főként kézi gyártással készültek. Annak érdekében, hogy a jövőben ipari méretben tudják gyártani őket, a Fraunhofer IPA kutatócsoportja jelenleg egy folyamatosan automatizált elektrolizátor-gyár fejlesztésén dolgozik.

A víz bőségesen rendelkezésre áll a Földön. Azonban nagyon reakcióképes, ezért molekulákhoz kötött, például vízben (H2O). Az emissziómentes energiaforrásként való felhasználáshoz a gáz halmazállapotú elemet először ki kell nyerni a vízmolekulából. Erre szolgálnak az úgynevezett elektrolizátorok. Ezek felbontják a vizet víz- (H2) és oxigén (O) alkotórészekre. Az üzemanyagcellák képesek a hidrogént elektromos árammá alakítani, ami motorokat hajt. Vagy a hidrogént közvetlenül elégetik magas kemencékben.

Mivel a hidrogén fontos szerepet játszik az energia- és közlekedésátállásban, a világ számára rövid távon hatalmas mennyiségű új elektrolizátor szükséges. Azonban eddig még főként kézi munkával gyártják őket, ami sok időt vesz igénybe, drága és hibára hajlamos. A Fraunhofer Intézet Kutatóinak és Tudósainak a célja, hogy kutató- és ipari partnereikkel együtt az elektrolizátorok gyártását teljesen automatizálják. »Cél egy automata elektrolizátor-gyár létrehozása gigawattos méretben«, mondja Friedrich-Wilhelm Speckmann a Fraunhofer IPA Digitális Akkumulátorcellagyártási Központjától (ZDB). »Az itt egy év alatt gyártott elektrolizátorok összesített névleges teljesítménye legalább egy gigawatt lesz.«

A robotok a jövőben a rétegezést végzik

Az elektrolizátor két elektródából áll – a pozitív töltésű anódból és a negatív töltésű katódból – valamint egy szeparátorból, jelen esetben egy protoncsere-membránból (PEM). A teljesítmény növelése érdekében sok elektrolízis cellát egy úgynevezett stackbe (rétegre) helyeznek. Ez a rétegezés eddig még főként kézi munkával történt, de a jövőben robotok végezhetik el.

Azonban mivel nemcsak a rétegezést, hanem az egész gyártósort is automatizálni kell, a kutatóknak figyelembe kell venniük minden elő- és utófolyamatot, egészen a teljes rendszerek beállításáig. Ezek a feladatok a gyártási és termelési tervezéstől a komponensek teszteléséig és a végellenőrző állomásokig terjednek. Emellett a konzorciumban új típusú stack-terveket is fejlesztenek, amelyek a jövőben egyszerűsítik és felgyorsítják a gyártási eljárásokat.

Gyártási rendszertervezés, robotok és érzékelők az elektrolizátor-gyár számára

Az automatizált elektrolizátor-gyár megvalósításához a projektpartnerek először a legkorszerűbb gyártósort építik fel. Ezután modulárisan igazítják és bővítik, hogy az egyes folyamatok jobban összehangoltan és automatizáltan működjenek, mint eddig. A tudósok számos nyitott kérdést vizsgálnak, például: Milyen robottopológia a legalkalmasabb a rétegezéshez? Hogyan kell a robotnak megfogni a komponenseket, és milyen gyorsan mozoghat, hogy ne sérüljön a érzékeny alkatrészek? Milyen optikai érzékelőket kell beépíteni a minőségbiztosítás érdekében? Milyen gyártástechnológiák teszik lehetővé az elektrolizátorok gyártásának skálázását? Milyen kell legyen egy teljesen automatizált elektrolizátor-gyár felépítése és kialakítása?

Ezekre és sok más kérdésre a kutatócsoport 2025. március 31-ig szeretne választ találni. Ekkor jár le az „IPARISÁGÍTÁS A PEM- ELEKTROLIZÁTOR GYÁRTÁSÁBAN” (PEP.IN) kutatási projekt, amelyet a Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) több mint 20 millió euróval támogat. A konzorcium tagjai között van a Fraunhofer IPA mellett a Fraunhofer Napenergia Rendszerek Intézete (ISE), a Fraunhofer Környezet-, Biztonság- és Energia-Technológiai Intézete (UMSICHT), a MAN Energy Solutions SE, a H-TEC Systems GmbH, az Audi AG, a VAF GmbH, a Brennstoffzellen-Technik Központ GmbH és a Jülich Kutatóközpont GmbH. A PEP.IN része a „H2Giga” vezető projektnek, amely három hidrogén-kutatási főprojekt egyike, és a BMBF központi szerepet játszik a Nemzeti Hidrogénstratégia megvalósításában.