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let’s dev Blog | Fertigung und Montage von Stacks und Elektro­lyseuren für die Wasser­stoff­herstellung
by Anton
21. Dezember 2021

Fertigung und Montage von Stacks und Elektro­lyseuren für die Wasser­stoff­herstellung

Das Thema "Wasserstoff für die Zukunft" beschäftigt uns in dem Forschungsvorhaben "Fertigung und Robotik" (FertiRob). Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Fördermaßnahme Energiegrundlagenforschung als Teilprojekt des Leitprojekts H2Giga - Technologieentwicklung für eine Wasserelektrolyse im Gigawattmaßstab gefördert.

FÖRDERINITIATIVE

Das Leitprojekt H2Giga umfasst zahlreiche Projekte zum Thema Scale-up. Darin wollen Elektrolyseurhersteller etablierte Elektrolyse-Verfahren bereit fürs Fließband machen (PEM-Elektrolyse, alkalische Wasserelektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse). Heute ist die Herstellung von Elektrolyseuren meist Handarbeit. Die Scale-up-Projekte wollen das ändern. Die Herausforderungen reichen dabei von den verwendeten Materialien über die Hochskalierung bis zu Technologien für die Fertigung der Elektrolyseure. An diesen Fragestellungen arbeiten Industrie und Forschung gemeinsam, um eine automatisierte Fertigung von Elektrolyseuren im Gigawatt-Maßstab zu realisieren.

Weiterführende Informationen zu H2Giga können der offiziellen H2Giga-Homepage entnommen und dem Erklärvideo entnommen werden.

KONSORTIUM

Das Konsortium des Fördervorhabens FertiRob unter der Leitung der Ruhr-Universität Bochum setzt sich aus verschiedenen Partnern zusammen, welche alle ihre jeweilige Expertise einbringen:

DARSTELLUNG DES VORHABENS

Im Rahmen des Projektes sollen Automatisierungslösungen für die verschiedenen Teilprobleme bei der Herstellung, Montage und Demontage von Stacks und Elektrolyseuren entwickelt werden. Um eine effiziente und flexible Anwendbarkeit zu ermöglichen und eine einfache Skalierbarkeit zu garantieren, soll ein modulares Automatisierungssystem entwickelt werden. Über einen Assistenten wird Spezifikation für einen Elektrolyseur aufgenommen, die die Grundlage für einen digtalen Produktzwilling bildet. Über das Modularisierungskonzept wird aus dem Produktzwilling ein digitaler Anlagenzwilling inkl. aller notwendiger Steuerungsprogramme abgeleitet und eine virtuelle Inbetriebnahme überführt. Nach der entsprechenden Inbetriebnahme, wird parallel der Zwilling betrieben und im beispielsweise Rahmen der Qualitätssicherung genutzt. Um eine effiziente und flexible Anwendbarkeit zu ermöglichen und die einfache Skalierbarkeit zu garantieren, soll ein modulares Automatisierungssystem entwickelt werden.

Insgesamt werden nachfolgend beschriebene Teilziele verfolgt.

Entwick­lung kon­kreter Auto­mati­sierungs­lösungen für tech­nische Problem­stellun­gen

Durch die Entwicklung von Teilautomatisierungslösungen für sämtliche Prozessschritte der Stack- und Elektrolyseurfertigung, soll die Taktzeit im Vergleich zur manuellen Produktion signifikant reduziert werden. Dabei steht vor allem die Entwicklung innovativer Lösungen für aktuell ungelöste Problemstellungen im Vordergrund.

Modula­risie­rung und Skalier­barkeit von Produktions­anlagen

Für eine einfachere Anlagenplanung und vor allem einer besseren Skalierbarkeit im späteren Betrieb, sollen die Automatisierungslösungen modularisiert und mit standardisierten Schnittstellen aufgebaut werden. Die Entwicklung eines Regelwerks zur Kombination und Konfiguration soll die Basis für ein automatisches und damit schnelleres Anlagenengineering bilden. Dabei liegt der Schwerpunkt auch auf der automatischen Layout-Planung und Generierung von Förderkonzepten für die Integration der Produktionsmodule.

Automa­tisches Anlagen­enginee­ring auf Basis von Produkt­rand­bedingungen

Um den Aufwand und den Zeitraum für die Planung und Umsetzung der Produktionsanlagen für Stacks und Elektrolyseure drastisch zu verkürzen, soll ein Planungsvorgehen entwickelt werden, sowie anhand von Produktrahmenbedingungen (Abmessungen, Gewicht, Konstruktion, Material, usw.) automatisch Produktionsmodule ausgewählt, parametrisiert und verknüpft werden können. Neue Methoden, wie z. B. Steuerungsprogramme oder Einzelkomponenten, wie Adapterflansche oder Greiffinger, welche automatisch generiert werden können, sollen entstehen.

Durch­gängige virtuelle und reale Qualitäts­absicher­ung und -dokumen­tation

Es soll eine durchgängige virtuelle und reale Qualitätsabsicherung zur Abschätzung von Produktqualitäten im Anlagenplanungsprozess und einer automatischen Qualitätsdokumentation mit Hilfe des digitalen Produktzwillings entwickelt werden. Gleichzeitig sollen Methoden zur autonomen Fehlererkennung und -behandlung im Produktionsprozess für eine höhere Prozessstabilität entwickelt werden.

Entwicklung und Nutz­ung des digitalen Zwillings von Produkt und Anlage

Um einen schnelleren Anlagenplanungsprozess mit einer höheren Prozessqualität zu erreichen, soll der digitale Produktzwilling und digitale Anlagenzwilling genutzt werden. Dabei steht die Entwicklung neutraler und standardisierter Datenstrukturen im Vordergrund, sowie Betriebskonzepte zur Überführung der Zwillinge aus der Planungs- in die Betriebsphase der Produktionsanlagen.

Was ist eigentlich Elektro­lyse?

Elektrolyse bezeichnet eine chemische Reaktion, bei der ein Ausgangsstoff mit Hilfe von elektrischem Strom in höherwertige energetische (also chemisch wertvollere) Bausteine gespalten wird. Beispielsweise liefert die Elektrolyse von Wasser neben Sauerstoff den Energieträger Wasserstoff.

FertiRob-Beitrag zu den Zielen des Leit­projekts H2Giga

Durch die Automatisierung aufwändiger manueller Prozessschritte erhöhen die Ergebnisse des FertiRob-Projekts die Produktivität in der Fertigung und Montage von Elektrolyseuren. Dabei soll durch die entwickelten Automatisierungslösungen eine durchschnittliche Reduzierung der Taktzeit von 50% gegenüber der manuellen Fertigung erzielt werden. Durch das Modularisierungskonzept besteht eine hohe Übertragbarkeit einzelner Lösungen auf andere Teilprojekte, wodurch ein wesentlicher Beitrag zu den Gesamtzielen geleistet wird. Damit trägt dieser Verbund mit innovativen Automatisierungslösungen effektiv zur Umsetzung einer seriellen Produktion von Elektrolyseuren bei.

Die Entwicklung einer automatischen Anlagenplanung und Konfiguration für die Produktion von Elektrolyseuren reduziert den großen Aufwand, der aktuell nötig ist und führt damit zur schnelleren Umsetzung und Verbreitung von automatisierten Produktionsanlagen für die Elektrolyseurfertigung. Der Zeitaufwand für das Engineering einer Produktionsanlage soll dabei um durchschnittlich 60% reduziert werden. Durch eine schnellere und einfachere Umsetzung von automatisierten Produktionsanlagen für Elektrolyseure trägt der Verbund zu den Zielen von H2Giga für eine schnellere Skalierung der Wasserstoffproduktion bei.

Stay tuned!

Auf der Projektwebsite https://fertirob.de wird kontinuierlich über den Projektfortschritt informiert. Wir laden herzlich ein, die Seite regelmäßig zu besuchen.

Bundesministerium für Bildung und Forschung
Wasserstoff Leitprojekte

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