Nachhaltige Lösungen für die Wasserstoff-Zukunft

Wasserstoff ist für viele nicht nur im Periodensystem, sondern auch als
grüne Energiequelle der Zukunft die Nummer 1. Diese Top-Position erfordert
energieeffiziente und leistungsstarke Technik, um grünen Wasserstoff zu
erzeugen und zu nutzen. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Laser, wie
aktuelle Aktivitäten des Fraunhofer ILT beweisen.

Sie wollen ernst machen in Sachen grüner Wasserstoff: Gleich 28-mal steht
der Begriff Wasserstoff im Koalitionsvertrag zwischen SPD, Bündnis 90/Die
Grünen und der FDP vom 7. Dezember 2021. Die Ampelkoalition will den
Ausbau der Wasserstoffwirtschaft beschleunigen und bis 2030 mindestens
zehn Gigawatt Elektrolysekapazität in Deutschland installieren. Damit
nicht genug: Geplant sind Quoten für grünen Wasserstoff in der
öffentlichen Beschaffung, der Aufbau einer »Europäischen Union für grünen
Wasserstoff« sowie die Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie der
Bundesregierung.

Die Pläne sind ambitioniert, denn noch ist grüner Wasserstoff selten.
Gerade mal fünf Prozent des 2021 in Deutschland erzeugten und verbrauchten
Wasserstoffs (rund 60 Terawattstunden) stammte aus nachhaltiger
Produktion. Der Bedarf an wettbewerbsfähiger Technik zur Herstellung von
grünem Wasserstoff ist entsprechend hoch.

Führende Rolle deutscher Unternehmen

Die Aussichten für Deutschland sind jedoch sehr gut. Laut Angaben des
Europäischen Patentamts (EPA) und der Internationalen Energieagentur (IEA)
sind einige deutsche Unternehmen bei Wasserstofftechnologien führend wie
BASF, Bosch, Linde und Siemens.

Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau 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.

Hier kommt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ins Spiel, das
hochproduktive laserbasierte Verfahren für die Serienproduktion von
Brennstoffzellen und Elektrolyseuren entwickelt. Für den Einsatz von
Lasern sprechen hohe Präzision, Flexibilität und Skalierbarkeit der
Prozesse sowie die Integrierbarkeit in bestehende Produktionsanlagen.
Zudem ist Lasern selbst ein nachhaltiger Prozess, weil er CO2-Emissionen
und den Verbrauch von Ressourcen senkt.

Humping-Grenze verschoben: Mit dem Laser wasserstoffdicht schweißen

Besondere Herausforderungen stellt die Brennstoffzelle: Sie benötigt außer
der Membran-Elektrodeneinheit jeweils 300 bis 400 Bipolarplatten (BPP).
Dort sind neue Fertigungsverfahren gefragt für die bisherige zu langsame
und zu teure Herstellung. Den Aachenern gelang es mit Hilfe von
angepassten Wellenlängen und gezielter Strahlmodulation, Bleche extrem
schnell, prozesssicher wasserstoffdicht zu BPP zu verschweißen. Trotz
Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 60 Meter pro Minute kam es nicht zum
Humping-Effekt, bei dem das Schmelzbad abhebt, perlt und die Naht undicht
wird. Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und Trennen am
Fraunhofer ILT: »In Kombination mit Inline-Prozesskontrolle zur
Überwachung und Dokumentation ist Laserstrahlschweißen ein effizienter und
reproduzierbarer Fertigungsprozess für die Hochrateproduktion von
metallischen Bipolarplatten.«

Ganz neu sind bei Brennstoffzellen BPP aus thermoplastischem Kunststoff,
die sich ebenfalls mit dem Laser fügen lassen. Weil transparente Bauteile
nur eine geringe Absorption besitzen, werden sie vor dem Schweißen häufig
mit Ruß eingeschwärzt. Als Alternative entstand am Fraunhofer ILT das
zweistufige Clearweld-Verfahren: Dank einer Infrarot-Absorberschicht lässt
sich die polymerbasierte BPP mit einem CO2-Laser schneiden und
anschließend mit einem NIR-Diodenlaser schweißen. »Man erhält mit diesem
Verfahren eine transparente Fügestelle«, erklärt Maximilian Brosda,
Gruppenleiter Fügen von Polymeren und transparenten Materialien am
Fraunhofer ILT. »Das Verfahren eignet sich besonders gut zum Aufbau von
Biopolarplatten-Stacks.«

Wirkungsgrad von PEM-Brennstoffzellen erhöhen

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

Schneiden statt Stanzen: Verschleißfrei Schneiden mit Hochgeschwindigkeit
Laser sind eine wirtschaftliche Alternative zu mechanischen
Schneidverfahren wie etwa dem Scherschneiden. Das Laserstrahl-
Hochgeschwindigkeitsschneiden kann in vielen Fällen konventionelle
Stanzprozesse ersetzen. Olowinsky: »Die hohe Flexibilität, Präzision und
Prozessgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde machen das
Laserstrahlschneiden zum optimalen Werkzeug, um metallischen
Bipolarplatten herzustellen. Es ist schnell, sicher und verschleißfrei und
eignet sich sowohl für die Prototypen-Produktion genauso wie für die
Großserie.«

Das Verfahren hat sich im Rahmen von CoBiP als ideal erweisen, einem
gemeinsamen Projekt mit dem benachbarten Fraunhofer-Institut für
Produktionstechnologie IPT, in dem eine kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-
Fertigung von metallischen, doppelwandigen BPP entsteht. Das Fraunhofer
ILT entwickelte ein Rolle-zu-Rolle-Modul zum Laserschweißen und
-schneiden, das nun in der CoBiP-Anlage beim Nachbarn mit
Hochgeschwindigkeit gratfrei schneidet (weit über 100 m/min) und
fehlerfrei unter Argongas schweißt (max. 30 m/min).

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

Wasserstoff-Labor bietet Praxisvielfalt

Diese Anlage sahen die 70 Teilnehmenden 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 darum, wie sich typische
Probleme nicht nur im Labor, sondern auch unter Serienbedingungen
verhindern lassen. Hier hat 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-
Onlineoptimierer für intelligente Lasermaschinen (DIPOOL) vor, bei dem die
Forschenden erstmals die zeitliche und räumliche Programmier- und
Kontrollierbarkeit von Laserwerkzeugen mit maschinellem Lernen
kombinieren. In diesem Projekt arbeitet das Institut im Rahmen des BMBF-
Projekts DIPOOL 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.

Siamesisches neuronales Netzwerk vergleicht Ausschnitte

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 Sensor-
Netzwerk. Dieses Netzwerk analysiert nicht das ganze Bild, sondern
vergleicht 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.

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.