SOE-Technologie auf dem Weg zur Industrialisierung

Hohe Effizienz mit keramischer Hochtemperaturelektrolyse

»Grüne Moleküle« sind ein integraler Bestandteil der zukünftigen Klimaneutralität. Die effiziente Umwandlung »grüner« Elektronen aus Erneuerbaren Energien in »grünen« Wasserstoff findet über Elektrolyse statt. Die Effizienz dieses Verfahrens erhöht sich mit steigender Betriebstemperatur des Elektrolyseurs. Der niedrigste Elektroenergieverbrauch und die höchste Effizienz wird bei Betriebstemperaturen von 650 bis 800 °C (Hochtemperaturelektrolyse) mit Wasserdampf- (H₂O) und Co-Elektrolyse (H₂O/CO₂) erreicht. Hierfür wurden am Fraunhofer IKTS keramische Zellen (Solid Oxide Electrolysis (SOE) Cells), planare Stacks und Module entwickelt, die sich bereits in Demonstrationsprojekten weltweit bewiesen haben.

Herausforderungen der Serienproduktion

Am Fraunhofer IKTS wird die Zell-, Stack- und Modul-Fertigung seit Jahren im Prototypenmaßstab umgesetzt. Die Skalierung hin zu einer Massenproduktion birgt jedoch einige Herausforderungen: der Aufbau einer resilienten Lieferantenkette, die Automatisierung der Herstellungsprozesse der Komponenten, die Entwicklung, Automatisierung und Integration schneller Qualitätsprüfung sowie die Entwicklung schneller Fertigungsverfahren für geschwindigkeitsbestimmende Schritte im Produktionsprozess. Diese Herausforderungen wurden bereits in zahlreichen Entwicklungsprojekten am Fraunhofer IKTS adressiert, allerdings ohne praktische Umsetzung in einer Pilotfertigungslinie.

Industrialisierungsansatz

Der europäische und weltweite Bedarf an Elektrolyseuren ist immens. Um ihn zu decken, ist eine Produktionskapazität im Gigawatt-Maßstab notwendig, wofür eine Partnerschaft mit einem markterfahrenen und potenten Industriepartner von entscheidender Bedeutung ist. Aus diesem Grund wurde eine strategische Kooperation mit dem Unternehmen thyssenkrupp nucera für die Umsetzung der am Fraunhofer IKTS entwickelten Technologie auf dem weltweiten Markt abgeschlossen. Der gemeinsame Industrialisierungsansatz besteht im kurzfristigen Aufbau und Betrieb einer Pilotlinie zur Stack- und Modulfertigung am Institutsstandort in Arnstadt (Thüringen), wo neue Fertigungsverfahren und innovative Ideen zur Automatisierung der Herstellungsschritte getestet werden, bevor die Fertigung in den Gigawatt-Bereich skaliert wird.

Die Realisierung der Pilotlinie führt zum Aufbau lokaler sowie deutscher und europäischer Wertschöpfungsketten im Bereich der automatisierten Zell- und Stackfertigung. Zudem stärken die Aktivitäten den Industriestandort Deutschland in einem der wichtigsten Innovationsbereiche des zukünftigen Energiesystems.