"Ohne Automatisierung wird es für Elektrolyseur-Hersteller schwierig"

Die Wirtschaft in der EU braucht bis 2030 große Mengen an Wasserstoff. Hersteller von Elektrolyseuren stellt das vor Herausforderungen, wie Alessandro Piscioneri im ersten Teil des zweiteiligen Interviews erläutert.

Für den Übergang zu einer kohlenstoffneutralen Wirtschaft werden enorme viel Wasserstoff benötigt. Können die erforderlichen Mengen überhaupt produziert werden?

Die Europäische Union hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2030 10 Millionen Tonnen erneuerbaren Wasserstoff zu produzieren, um verschiedene Fahrzeugtypen zu betanken und fossile Brennstoffe in vielen Prozessindustrien zu ersetzen. Nach Schätzungen der Industrie wird zur Erreichung dieses Produktionsniveaus eine installierte Elektrolyseurkapazität von 100 GW benötigt, während die derzeitige Kapazität der Elektrolyseurhersteller in Europa auf 1,75 GW pro Jahr geschätzt wird.

Es wird also im Jahr 2030 nicht genug Elektrolysekapazität vorhanden sein?

Im Mai 2022 unterzeichnete eine Gruppe von 20 Elektrolyseur-Herstellern eine gemeinsame Erklärung mit dem EU-Binnenmarktkommissar, in der sie sich verpflichteten, ihre Kapazität bis 2025 zu verzehnfachen und diese bis 2030 entsprechend der prognostizierten Nachfrage nach erneuerbarem und kohlenstoffarmem Wasserstoff weiter zu steigern.

Aber wie kann die Produktion von Elektrolyseuren in so kurzer Zeit so drastisch gesteigert werden?

Zwei Dinge müssen geschehen: Die Zahl der Hersteller muss steigen und die Produktionsraten müssen wachsen. Traditionell ist die Herstellung und die Montage von Elektrolyseuren langsam, teuer und arbeitsintensiv. Ohne Automatisierung wird es daher für die europäischen Hersteller schwierig, wenn nicht gar unmöglich sein, mit den REPowerEU-Zielen Schritt zu halten. Das Erreichen dieses Ziels erfordert von den Industrieakteuren jedoch auch immer fortschrittlichere Fähigkeiten und ständige technologische Innovationen entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette.

... große Herausforderungen für einen Sektor, der bisher nur in kleinen Mengen produziert hat.

Man kann in der Tat behaupten, dass die Automatisierung eines traditionell manuellen Herstellungsprozesses eine der größten Herausforderungen für die Beschaffung von grünem Wasserstoff darstellt. Genauso wichtig ist aber auch das sorgfältige Management des gesamten industriellen Prozesslebenszyklus, von der konzeptionellen Entwicklung bis hin zur Fertigung und den unterstützenden Dienstleistungen.

Wie sollten sich die Hersteller auf den Scale-up vorbereiten?

Zum Beispiel durch die Anwendung von Design for Manufacturing. Dabei handelt es sich um eine synergetische Methode, bei der das Herstellungsverfahren zusammen mit dem Produkt selbst entwickelt wird, mit dem Ziel, einen besseren Elektrolyseur zu niedrigeren Kosten herzustellen. Dies geschieht durch Vereinfachung, Optimierung und Verfeinerung des Produktdesigns. So lässt sich sicherstellen, dass das Endprodukt keine unnötigen Kosten mit sich bringt. Idealerweise sollte das Design for Manufacturing bereits in einem frühen Stadium des Designprozesses stattfinden, lange bevor mit der Herstellung der Werkzeuge für die automatisierten Produktionslinien begonnen wird.

Wie unterstützt Comau?

Wir helfen den Herstellern von Elektrolyseuren dabei, ihre Produkte so zu entwerfen, dass sie einfacher und kosteneffizienter mit der Automatisierung zusammengebaut werden können. So können wir den Energieversorgern helfen, die Produktionsmengen zu steigern und gleichzeitig die Qualität des hochpräzisen Prozesses zu erhöhen. Wir arbeiten auch an der Industrialisierung der Elektrolyseur- und Brennstoffzellenfertigung, indem wir ein eigenes Lösungsportfolio entwickeln, mit dem sich die wichtigsten Produktionsschritte wie Zellvorbereitung, Stapeln, Komprimieren, Schweißen, Dichtheitsprüfung und mehr automatisieren lassen. Internen Schätzungen zufolge werden die Hersteller dadurch ihre Produktionskosten kurzfristig um bis zu 20 % senken können. 

Welche Teile der Fertigung bieten das größte Potenzial für die Automatisierung?

Die Automatisierung ist aus mehreren Gründen wichtig, wobei der erste mit der Architektur des Elektrolyseurs selbst zusammenhängt. In einigen Fällen, wie zum Beispiel bei der PEM-Technologie, ist der Montageprozess weitgehend analog zu dem von Brennstoffzellen. Der Kern einer Brennstoffzelle, der so genannte Brennstoffzellenstack, besteht aus Hunderten von sich wiederholenden Elementen – etwa 100 bis 300 Zellen pro Stack –, während die Zellen selbst aus mehreren Schichten bestehen; nach unseren bisherigen Erfahrungen zwei bis vier pro Zelle. Diese inhärente Wiederholung ist ein Schlüsselfaktor für die Automatisierung, da sie zu Zykluszeiten von ein bis zehn Sekunden pro Schicht führt – abhängig von Produkt und Anlagenproduktivität. In dieser Zeit wird jede Schicht entnommen, auf Qualität geprüft und ordnungsgemäß im Stapel platziert.

Unterscheiden sich die Anforderungen bei der Produktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen?

Bei Elektrolyseuren ist die Zykluszeit weniger anspruchsvoll, da die Strommengen viel geringer sind, jedoch sind die Abmessungen, Gewichte und die Anzahl der Schichten pro Zelle viel höher. Ein PEM-Elektrolyseur zum Beispiel kann mehr als eine Tonne wiegen, mit Zellen von 0,5 mal 0,5 Metern. Er kann auch mit mehr Schichten gestapelt werden als Brennstoffzellen und erreicht bis zu 1,5 Meter oder mehr. 

Im zweiten Teil des Interviews erläutert Allessandro Piscioneri, was die Automatisierung in der Elektrolyseurfertigung so herausfordernd macht und wie sich der Markt für die unterschiedlichen Elektrolysetechnologien entwickeln wird.