H₂-Kettenreaktionen gemeinsam im Griff

LKH₂ – Laser Colloquium Hydrogen 2023: Denken in Prozessen und Teamwork in
Netzwerken
Rund 70 Fachleute aus Industrie und Wissenschaft trafen sich im September
2023 auf dem LKH₂ – Laser Colloquium Hydrogen auf dem Forschungscampus
Digital Photonic Production (DPP) der RWTH Aachen University. Im
Mittelpunkt des Herbstkongresses des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik
ILT standen Anwendungsmöglichkeiten von Lasern für die
Wasserstoffproduktion. Wie wichtig dabei das Denken in Prozessketten ist,
erfuhren die Teilnehmenden bei vielen Referaten und den Laborvorführungen
am Fraunhofer ILT und dem benachbarten Fraunhofer-Institut für
Produktionstechnologie IPT.

Weltweit haben Hersteller von Güterverkehrsmitteln Wasserstoffantriebe
fest im Blick: »Die Nutzfahrzeuge der Zukunft brauchen nicht nur
Batterien, sie brauchen auch Wasserstoff«, erklärte Martin Daum,
Vorstandvorsitzender der Daimler Truck AG, im Fraunhofer-Magazin 3/23.
Daimler Truck plant mit der Toyota Motoren Corporation eine Zusammenarbeit
bei Wasserstoffantrieben. 2021 startete das Unternehmen aus Leinfelden-
Echterdingen bei Stuttgart mit der Volvo Group das Joint Venture
cellcentric, um eine der größten Produktionsstätten für Brennstoffzellen
in Europa aufzubauen. Eine zentrale Aufgabe hat dabei der Laser, ein
Allroundwerkzeug: Beim batterieelektrischen 19-Tonner eActros kommt er
bereits zum Einsatz.

Die zweispurige Strategie mit Wasserstoff und Batterie von Daimler Truck
deckt sich ebenfalls mit den Entwicklungen, die Prof. Arnold Gillner,
Abteilungsleiter Business Development Forschungsmärkte am Fraunhofer ILT,
auf dem LKH₂ – Laser Colloquium Hydrogen anhand einer »Roadmap Hydrogen
Market« der Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) aus Berlin skizzierte.
Sowohl etablierte als auch potenzielle Anwender, einschließlich der
Prozessindustrie, erkennen zunehmend den Bedarf an Wasserstoff. Dies gilt
ebenfalls für Bereiche wie die Produktion von grünem Stahl.

Die Nachfrage nach grünem Wasserstoff ist immens, ebenso die Ideen, wofür
der nachhaltige Treibstoff verwendet werden kann. Viele Branchen
beschäftigen sich daher mit Verfahren zur Serienproduktion von
Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Laser sind dafür hervorragend
geeignet aufgrund ihrer hohen Präzision, Flexibilität und Skalierbarkeit
der Prozesse sowie die Integrierbarkeit in bestehende Produktionsanlagen.
Weiterer Vorteil: Lasern ist ein grüner Prozess, denn er senkt CO₂-
Emissionen und den Verbrauch von Ressourcen. Laut Gillner gewinnen Laser
daher auch in der Wasserstoffproduktion zunehmend an Bedeutung. Zwei
Beispiele von vielen: Ultrakurzpulslaser erzeugen Wasserstoff direkt aus
Salzwasser; das Trennen von Methan mit Laserverfahren soll dreimal
schneller ablaufen als der konventionelle thermokatalytische Prozess.

All diese Verfahren haben einen gemeinsamen Nenner: Sie erfordern
Prozessdenken in Ketten. Das gelingt am besten, wenn alle Akteure an einem
Strang ziehen. Gillner sprach daher erneut seine Vision vom Aufbau einer
gemeinsamen Wasserstoff-Plattform an, die der Experte für Forschungsmärkte
mit einem Aufruf an die H₂-Community konkretisierte: »Wir suchen sechs
industrielle Partner von kleinen, mittleren, aber auch gerne größeren
Unternehmen, die in unserem Netzwerk »Laser in hydrogen technology«
mitmachen.« Die verlockenden Angebote aus Aachen: gemeinsame Forschungs-
und Entwicklungsprojekte, kontinuierlicher Know-how-Austausch sowie
Zusammenarbeit im 2022 eröffneten Wasserstofflabor, Deutschlands bisher
größtes Testfeld für die gesamte H₂-Prozesskette.

Vorbild Aachen – Gestern Tagebau, heute Laser-Netz

Vorbilder für das Netzwerken lernten die Teilnehmenden in Aachen mehrfach
kennen: So berichtete Edwin Büchter, geschäftsführender Gesellschafter der
Clean-Lasersysteme GmbH aus Herzogenrath und Projektkoordinator vom
Bündnis LASER.region.AACHEN, von den Chancen lokaler Partnerschaft, die
das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert. Im Projekt
KoLa (kombinierte Laserverfahren in der industriellen Fertigung)
beispielsweise entwickeln Unternehmen und wissenschaftliche Partner
zusammen neue Verfahrenskombinationen, um die Lasertechnik im
elektrifizierten Antriebsstrang oder in der Wasserstoffindustrie zu
etablieren.

KI-geregeltes Schneiden: Eine Sekunde pro Anoden-Kathoden-Paar

Bei einem anderen Netzwerk steht das Hypethema Künstliche Intelligenz (KI)
im Mittelpunkt: Vier Industrieunternehmen und zwei Forschungsinstitute
entwickeln seit 2021 im BMBF-Verbundprojektes DIPOOL zwei Demonstratoren
für das Laserschneiden und das Laserschweißen. Eine zentrale Rolle
übernimmt hier ein digitaler Prozess-Onlineoptimierer für intelligente
Lasermaschinen, bei dem die Aachener erstmals die zeitliche und räumliche
Programmier- und Kontrollierbarkeit von Laserwerkzeugen mit maschinellem
Lernen (ML) kombinieren.

Beim Benchmark mit anderen ML-Verfahren schnitt ein Convolutional Neural
Network (CNN) mit einer Genauigkeit von 98 Prozent am besten ab. Bewährt
hat es sich laut Dr. Frank Schneider, Leiter der Gruppe Trennen am
Fraunhofer ILT, bereits als prozesssichere Schnittsteuerung beim
Hochgeschwindigkeitsschneiden von 0,5 bis 3 mm dünnen Bipolarplatten aus
Metall und Verbundwerkstoff. Damit ergeben sich für die Serienproduktion
interessante Perspektiven. Schneider: »Bei geeigneter Gestaltung und
Verteilung der Schneidvorgänge lässt sich die Bearbeitungszeit für ein
geschweißtes Anoden-Kathoden-Paar auf eine Sekunde senken.«

Die Sensorik übernimmt im DIPOOL-Projekt eine wichtige Funktion: Die
Precitec Optronik GmbH aus Neu-Isenburg hat eine Sensorik mit KI-Software
und DIPOOL-Ansatz entwickelt und in einen Laserschneidkopf der neuesten
Generation integriert, inklusive Datenschnittstelle. Erfahrungen aus
derartigen Gemeinschaftsprojekten nutzt Precitec auch bei
Weiterentwicklungen wie der neuen patentierten Enovasense-Sensortechnik,
die nach dem Prinzip der Laser-Photo-Thermo-Radiometrie arbeitet. Das
geschickte Zusammenspiel von Laser und Infrarotsensor erlaubt es,
kontaktlos die Schichtdicke von Materialien unterschiedlichster Art exakt
zu messen.

Eine typische nur 10 µm dünne Beschichtung einer Bipolarplatte misst das
System – so Dr. Markus Kogel-Hollacher, Leiter der F&E-Projekte bei
Precitec – mit einer möglichen Abweichung von nur 0,1 µm. Für das
Verfahren spricht außerdem, dass es den Kalibrieraufwand deutlich senkt.
Kogel-Hollacher: »Schon bekannte Materialien und Schichten müssen nicht
erneut kalibriert werden – nur unbekannte Coatings, Schichten oder
Materialien.«

Die Messtechnik für das Laserschweißen stammen von der 4D Photonics GmbH
aus Isernhagen. Es handelt sich um eine innovative multispektrale
Sensorik, die sich bereits als Prototyp beim Überwachen des Fügeprozesses
von Bipolarplatten bewährt hat. Das neue System 4D.TWO haben die
Niedersachsen laut Technologiemanager Sören Hollatz bei intensiven
Versuchen am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg optimiert.
Das Besondere: Es überwacht den Laserprozess nicht nur optisch im
sichtbaren und nicht sichtbaren Nahinfrarot-Bereich, sondern belauscht ihn
auch mit dem Mikrofon. Echtzeitfähig erfasst es Laserprozesse in drei
Kanälen und macht dazu bis eine Million Messungen in der Sekunde, um so
Schweißfehler zuverlässig zu erkennen und zu klassifizieren. Im nächsten
Schritt ist die Einführung einer KI geplant, um Fehler noch genauer und
zuverlässiger zu detektieren. Hier profitiert 4D Photonics sicherlich
ebenfalls von den Erfahrungen aus dem DIPOOL-Projekt.

Alle 13 Referate könnten problemlos ein kleines Fachbuch füllen. Einblicke
in den Stand der aktuellen Forschungen des Fraunhofer ILT in Sachen
Wasserstoffproduktion und Batterietechnik erhalten Interessierte auf dem
LSE'24 - Laser Symposium Elektromobility vom 23. bis 24. Januar 2024 in
Aachen.