Zrównoważone rozwiązania na przyszłość z ekologicznym wodorem

Aby transformacja energetyczna się powiodła, technologie wodorowe muszą wykonać decydujący krok naprzód. Z tego powodu Fraunhofer ILT pracuje nad wysoce wydajnymi procesami laserowymi do seryjnej produkcji ogniw paliwowych i elektrolizerów. Wynika to z faktu, że zastosowanie laserów do łączenia lub spawania wiązką laserową umożliwia dużą elastyczność i wysoki stopień automatyzacji w całym łańcuchu procesu. Podczas Laser Colloquium Hydrogen LKH2 w Aachen w dniach 19-20 września 2023 r. eksperci ze świata nauki i przemysłu przekażą informacje na temat aktualnego stanu technologii produkcji i zastosowań laserów w dziedzinie technologii wodorowej.

Wydarzenie wewnętrzne społeczności wodorowej: jesienią 2022 r., 70 uczestników zobaczyło seryjną produkcję elektrolizerów i ogniw paliwowych podczas 3rd Laser Colloquium Hydrogen LKH2 w laboratorium wodoru o powierzchni 300 metrów kwadratowych.

Dla wielu wodór jest nie tylko numerem 1 w układzie okresowym, ale także zielonym źródłem energii przyszłości. Jednak aby osiągnąć tę najwyższą pozycję, potrzebna jest wydajna energetycznie i wydajna technologia produkcji i wykorzystywania ekologicznego wodoru. Lasery odgrywają w tym ważną rolę, o czym świadczą obecne działania Fraunhofer ILT.

Chcą poważnie podejść do zielonego wodoru: rzeczywiście termin wodór pojawia się 28 razy w niemieckiej umowie koalicyjnej między SPD, Bündnis 90/Die Grünen i FDP z 7 grudnia 2021 r. Rząd chce przyspieszyć ekspansję wodoru przemysłu i zainstalować w Niemczech co najmniej 10 gigawatów mocy elektrolizy do 2030 r. Ale to nie wszystko: planuje również ustanowienie kwot na zielony wodór w zamówieniach publicznych, utworzenie „Europejskiej Unii na rzecz Zielonego Wodoru” oraz wdrożenie Narodowego Programu Rządu Niemiec Strategia wodorowa.

Plany są ambitne, bo zielony wodór to wciąż rzadkość. Zaledwie pięć procent wodoru wyprodukowanego i zużytego w Niemczech w 2021 r. (około 60 terawatogodzin) pochodziło ze zrównoważonej produkcji. Zapotrzebowanie na konkurencyjną technologię produkcji ekologicznego wodoru jest odpowiednio duże.

Wiodąca rola firm niemieckich

Perspektywy dla Niemiec są bardzo dobre. Według Europejskiego Urzędu Patentowego (EPO) i Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) liderami technologii wodorowych jest kilka niemieckich firm, takich jak BASF, Bosch, Linde czy Siemens.

Latem 2020 roku Niemiecka Federacja Inżynierów (VDMA) opublikowała badanie, w którym prognozuje potencjał rynkowy niemieckiego przemysłu budowy maszyn i urządzeń do 2050 roku na ponad 10 000 miliardów euro. Długoterminowy potencjał rynku szacuje się na 300 miliardów euro na rok.

W projekcie CoBiP powstał system do ciągłej produkcji metalicznych, dwuściennych blach bipolarnych typu roll-to-roll z modułem do spawania laserowego i cięcia laserowego.

 W tym miejscu wkracza Instytut Technologii Laserowej im. Fraunhofera ILT, który opracowuje wysoce wydajne procesy laserowe do seryjnej produkcji ogniw paliwowych i elektrolizerów. Lasery mają ogromną przewagę nad innymi systemami, ponieważ są nie tylko niezwykle precyzyjne i elastyczne, ale także można je skalować i integrować z istniejącymi zakładami produkcyjnymi. Ponadto wiadomo, że procesy wykorzystujące wiązkę laserową są zrównoważone, ponieważ zmniejszają emisję CO2 i zużycie zasobów.

Przesunięto granicę drgań: Spawanie wodoroszczelne za pomocą lasera

Ogniwo paliwowe stawia szczególne wyzwania: oprócz jednostki elektrody membranowej wymaga od 300 do 400 płytek bipolarnych (BPP). Potrzebne są tutaj nowe procesy produkcyjne, które zastąpią obecne procesy produkcyjne, które są zbyt wolne i zbyt drogie. Korzystając z dostosowanych długości fal i ukierunkowanej modulacji wiązki, naukowcom z Aachen udało się niezwykle szybko i niezawodnie spawać blachę w BPP. Pomimo prędkości posuwu do 60 metrów na minutę, nie występuje efekt garbienia – gdy stopione jeziorko unosi się, perełki i szew stają się nieszczelne. Dr Alexander Olowinsky, kierownik działu łączenia i cięcia w firmie Fraunhofer ILT: „W połączeniu z kontrolą procesu na linii w celu monitorowania i dokumentowania, spawanie laserowe jest wydajnym i powtarzalnym procesem produkcyjnym do wysokowydajnej produkcji metalowych blach bipolarnych”.

BPP wykonane z materiałów termoplastycznych, które można również łączyć laserowo, to zupełnie nowe osiągnięcie w ogniwach paliwowych. Ponieważ przezroczyste elementy mają tylko niską absorpcję, często są czernione sadzą przed spawaniem, aby umożliwić osadzanie energii. Alternatywnie, w Fraunhofer ILT opracowano dwuetapowy proces Clearweld: dzięki warstwie pochłaniającej podczerwień BPP na bazie polimeru można ciąć laserem CO2, a następnie spawać laserem diodowym NIR. „Dzięki temu procesowi uzyskuje się przezroczyste połączenie”, wyjaśnia Maximilian Brosda, kierownik grupy ds. łączenia polimerów i materiałów przezroczystych w firmie Fraunhofer ILT. „Proces ten szczególnie dobrze nadaje się do budowania dwubiegunowych stosów płyt”.

Zwiększ wydajność ogniw paliwowych PEM

Kolejne wyzwanie pojawia się w przypadku ogniw paliwowych PEM (z membraną do wymiany protonów). Tam, na przykład, tworzy się folia z tworzywa sztucznego na powierzchni płyty bipolarnej w termoplastycznych materiałach złożonych wypełnionych grafitem; folia zapobiega połączeniu elektrycznemu warstwy transportującej gaz. Fraunhofer ILT opracował proces wykorzystujący lasery o ultrakrótkich impulsach do usuwania izolującej matrycy z tworzywa sztucznego. W przeciwieństwie do szlifowania mechanicznego jest to delikatny proces, w którym wiązka lasera o ultrakrótkich impulsach selektywnie usuwa tworzywo sztuczne, nie uszkadzając materiału wypełniającego.

Cięcie zamiast wykrawania: cięcie bez zużycia z dużą prędkością

Lasery są ekonomiczną alternatywą dla mechanicznych procesów cięcia, takich jak cięcie ścinające. Szybkie cięcie laserowe może w wielu przypadkach zastąpić konwencjonalne procesy wykrawania. Olowinsky: „Wysoka elastyczność, precyzja i prędkość procesu do kilku metrów na sekundę sprawiają, że cięcie laserowe jest optymalnym narzędziem do produkcji metalowych blach bipolarnych. Jest szybkie, bezpieczne i nie zużywa się i nadaje się zarówno do produkcji prototypów, jak i do produkcji na dużą skalę produkcja."

Dr Alexander Olowinsky, kierownik działu łączenia i cięcia w firmie Fraunhofer ILT: „W połączeniu z kontrolą procesu na linii w celu monitorowania i dokumentowania, spawanie wiązką laserową jest wydajnym i powtarzalnym procesem produkcyjnym do wysokowydajnej produkcji metalowych blach bipolarnych”.

 Proces ten okazał się idealny w CoBiP, wspólnym projekcie z sąsiednim Instytutem Technologii Produkcji im. Firma Fraunhofer ILT opracowała moduł roll-to-roll do spawania i cięcia laserowego, który teraz tnie bez zadziorów z dużą prędkością (dużo ponad 100 m/min) i spawa bez defektów w atmosferze argonu (maks. 30 m/min) w zakładzie CoBiP w sąsiednim obiekcie.

Metaliczny druk 3D jest również opcją do zastosowań w przemyśle wodorowym. Jednym z ustalonych procesów jest osadzanie materiałów laserowych (LMD), które ILT intensywnie bada od ponad 30 lat i konsekwentnie ulepsza dla różnych dziedzin zastosowań i branż. Firma LMD sprawdziła się w produkcji elektrolizerów, które często składają się z różnych kombinacji materiałów. Na przykład Fraunhofer ILT opracował system LMD, który może być stosowany do powlekania płyty ze stali miękkiej niezwykle cienkim, porowatym stopem niklowo-aluminiowym.

Laboratorium wodoru oferuje praktyczną różnorodność

70 uczestników zobaczyło ten system w Akwizgranie jesienią 2022 r. podczas 3. Kolokwium Laserowego Wodór LKH2, które od 2020 r. jest wydarzeniem dla społeczności wodorowej. Wydarzenie Fraunhofer ILT ponownie skupiło się na produkcji seryjnej elektrolizerów i ogniw paliwowych w laboratorium wodoru o powierzchni 300 metrów kwadratowych. Chociaż podobne obiekty istnieją w całych Niemczech, zdaniem dr. Alexandra Olowinskiego, inicjatora LKH2 i kierownika działu łączenia i cięcia w Fraunhofer ILT, to laboratorium ma wyjątkową zaletę: „Pod względem różnorodności praktycznych możliwości, nasze nowe laboratorium wodorowe jest wyjątkowe”. Goście targów LKH2 mogli się o tym przekonać, biorąc udział we wrześniowych demonstracjach na żywo w obiektach testujących, w jaki sposób laser może precyzyjnie ciąć ultracienkie blachy o grubości od 70 do 100 mikrometrów i niezawodnie spawać je w gazoszczelne stosy .

Laserowe osadzanie materiału (LMD) nadaje się do zastosowań w przemyśle wodorowym – na przykład do produkcji elektrolizerów, które często składają się z wielu różnych kombinacji materiałów.

 Bardzo interesujące demonstracje koncentrowały się na tym, jak można zapobiegać typowym problemom nie tylko w laboratorium, ale także w warunkach produkcji seryjnej. Tutaj sztuczna inteligencja (AI) sprawdziła się już wielokrotnie. Dwa spośród wielu przykładów: Dr Frank Schneider z Macrojoining and Cutting Group w Fraunhofer ILT przedstawił cyfrowy optymalizator procesu online dla inteligentnych maszyn laserowych (DIPOOL), w którym naukowcy łączą czasową i przestrzenną programowalność oraz sterowalność narzędzi laserowych z uczenie maszynowe po raz pierwszy. W ramach tego projektu instytut ściśle współpracuje z całkowicie nowym typem technologii czujników multispektralnych firmy 4D Photonics GmbH w Isernhagen w ramach projektu BMBF DIPOOL, którego dyrektor zarządzający Christoph Franz używa jako „Weldwatcher” w spawaniu płyt bipolarnych .

Sieć neuronowa syjamska porównuje wycinki

Z drugiej strony Christian Knaak z Process Sensors and Systems Engineering Group w Fraunhofer ILT polega na tak zwanej syjamskiej sieci czujników neuronowych do szybkiego wykrywania rozprysków podczas mikrospawania laserowego BPP. Sieć ta nie analizuje całego obrazu, a jedynie porównuje ze sobą charakterystyczne sekcje. Mając na uwadze dalsze badania, Knaak sugeruje, że w przyszłości nie tylko rzeczywisty proces laserowy powinien być monitorowany za pomocą sztucznej inteligencji, ale także należy ukierunkować wcześniejsze i dalsze etapy procesu.

Zainteresowane strony mogą dowiedzieć się, jaka przyszłość czeka wodór i lasery podczas Laser Colloquium Hydrogen LKH2 w Akwizgranie w dniach 19 i 20 września 2023 r., wieloletniego wydarzenia dla społeczności zajmującej się wodorem Fraunhofer ILT.

Źródło: Fraunhofer ILT