Elektrolyseurs moeten massaproducten worden

Elektrolyseur in Haurup bei Flensburg. © H-TEC SYSTEMS GmbH

Wie Wasserstof als energiebron wil gebruiken, heeft elektrolyseurs nodig. Maar deze zijn zeldzaam en duur, omdat ze tot nu toe nog grotendeels handgemaakt worden. Om ze in de toekomst op industriële schaal te kunnen produceren, ontwikkelt een onderzoeksteam van het Fraunhofer IPA momenteel een volledig geautomatiseerde elektrolyseur-fabriek.

Wasserstof is op aarde overvloedig aanwezig. Echter, het is zeer reactief en daarom gebonden in moleculen, bijvoorbeeld in water (H2O). Wie het gasvormige element als emissievrije energiebron wil gebruiken, moet eerst de waterstof uit het watermolecuul halen. Hiervoor bestaan zogenaamde elektrolyseurs. Zij splitsen water in de componenten waterstof (H2) en zuurstof (O). Brandstofcellen kunnen de waterstof weer omzetten in elektrische stroom, die dan motoren aandrijft. Of de waterstof wordt direct verbrand in hoogovens.

Aangezien waterstof een belangrijke rol speelt in de energietransitie en de mobiliteit, heeft de wereld op korte termijn massaal nieuwe elektrolyseurs nodig. Maar deze worden tot nu toe nog grotendeels met de hand vervaardigd, wat veel tijd kost, duur is en foutgevoelig. Wetenschappers van het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA willen daarom samen met partners uit onderzoek en industrie de productie van elektrolyseurs volledig automatiseren. »Het doel is een geautomatiseerde elektrolyseur-fabriek op gigawatt-schaal«, zegt Friedrich-Wilhelm Speckmann van het Centrum voor gedigitaliseerde batterijcelproductie (ZDB) van het Fraunhofer IPA. »De elektrolyseurs die hier binnen een jaar geproduceerd worden, moeten dus een geaccumuleerde nominale capaciteit hebben van minimaal één gigawatt.«

Robotten moeten in de toekomst het stapelen overnemen

Een elektrolyseur bestaat uit twee elektroden – de positief geladen anode en de negatief geladen kathode – en een separator, in dit geval een protonenuitwissingsmembraan (PEM). Om de capaciteit te verhogen, worden veel elektrolysecellen gestapeld tot een zogenaamde stack. Dit stapelproces gebeurt tot nu toe nog grotendeels handmatig, maar kan in de toekomst door robots worden gedaan.

Omdat niet alleen het stapelen, maar ook de volledige productielijn geautomatiseerd moet worden, moeten de onderzoekers ook alle voor- en achterliggende processen, tot en met het inbedrijfstellen van de systemen, in overweging nemen. De taken variëren van fabriek- en productieplanning, tot testen van componenten en eindcontrole op de productielijn. Daarnaast worden in het consortium ook nieuwe stack-ontwerpen ontwikkeld die toekomstige productieprocessen kunnen vereenvoudigen en versnellen.

Productiesysteemplanning, robots en sensoren voor de elektrolyseurfabriek

Om de geautomatiseerde elektrolyseurfabriek te realiseren, bouwen de projectpartners eerst een productielijn volgens de huidige stand van de techniek. Deze wordt vervolgens modulair aangepast en uitgebreid, zodat de verschillende processen beter op elkaar aansluiten en geautomatiseerd verlopen dan voorheen. Daarbij onderzoeken de wetenschappers een reeks open vragen, zoals: Welke robot-topologie is het meest geschikt voor het stapelen? Hoe moet een robot de onderdelen grijpen en hoe snel mag hij zich daarbij bewegen om de gevoelige componenten niet te beschadigen? Welke optische sensoren moeten worden geïntegreerd voor kwaliteitsborging? Welke fabricagetechnologieën maken opschaling van de elektrolyseurproductie mogelijk? Hoe moet een volledig geautomatiseerde elektrolyseurfabriek eruit zien en opgebouwd zijn?

Antwoorden op deze en vele andere vragen wil het onderzoeksteam uiterlijk 31 maart 2025 gevonden hebben. Dan loopt het onderzoeksproject »Industrialiserung van de PEM-elektrolyse-productie« (PEP.IN), dat wordt gefinancierd door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) met meer dan 20 miljoen euro. Naast het Fraunhofer IPA zijn betrokken bij het consortium ook het Fraunhofer-instituut voor zonne-energiesystemen ISE, het Fraunhofer-instituut voor milieu-, veiligheids- en energietechniek UMSICHT, MAN Energy Solutions SE, H-TEC Systems GmbH, Audi AG, VAF GmbH, het Centrum voor brandstofcellen-techniek GmbH en het Forschungszentrum Jülich GmbH. PEP.IN maakt deel uit van het leidende project »H2Giga«, een van de drie waterstof-leidende projecten die een centrale bijdrage leveren van het BMBF aan de uitvoering van de nationale waterstofstrategie.