Schlüsselvorhaben Das passiert, wenn Wasserstofftechnik auf additive Fertigung trifft

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Der Lehrstuhl Digital Additive Production (DAP) der RWTH Aachen entwickelt mit Partnern neue additive Fertigungsmöglichkeiten entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette ...

Wasserstoff gilt als Energieträger bekanntlich als einer der Schlüssel für eine erfolgreiche Dekarbonisierung energieintensiver Prozesse. Doch die Herausforderungen entlang seiner Wertschöpfungskette sind komplex. Denn die reichen von der energieintensiven Herstellung über den anspruchsvollen Transport bis zur effizienten Nutzung in Hochtemperaturprozessen, wie der DAP erklärt. Aber genau das ist der Punkt, an dem setzt die Forschung nun ansetzt. Und zwar mit digitalen Werkzeugen und additiven Fertigungsmethoden, die bestehende Infrastrukturen ertüchtigten, neue Anwendungen ermöglichten und industrielle Produktionsprozesse beschleunigten. Die im Folgenden behandelte Forschung ist Teil der Initiativen „Clusters4Future Hydrogen“ und „SupplHyInno Rhineland“. Langfristig sollen die dabei gewonnenen Erkenntnisse so in die Entwicklung industriell skalierbarer Zellarchitekturen einfließen, damit alles bei Bedarf auch auf benachbarte Anwendungen wie etwa die Brennstoffzelle übertragen werden kann. Das Vorhaben wird gefördert vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt. Schauen wir uns mal an, was damit genauer gemeint ist, wenn es um die Wasserstoffgewinnung geht ...

Pulverbettbasiertes Laserschmelzen verbessert Elektrolyseure

Wasserstoff entsteht bekanntlich in Elektrolyseuren durch Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff über elektrische Energie. Die industrielle Skalierbarkeit dieser Systeme ist aber eine der zentralen Herausforderung. Im Fokus der DAP-Entwicklungen stehen deshalb poröse Transportstrukturen (PTL), die in PEM-Elektrolysezellen (PEM = Protonen-Austausch-Elektrolyseur) den Stofftransport sichern, elektrische Ladungsträger leiten und die Zellarchitektur stabilisieren. Am DAP entstehen nun maßgeschneiderte PTL-Geometrien durch Rapid Prototyping. Das Geschehe mittels pulverbettbasiertem Laserschmelzen (PBF-LB/M) und mithilfe von korrosionsbeständigen Funktionsschichten, die per Aerosol Jet-Verfahren appliziert werden, wie es weiter heißt. Das Ziel ist, in kurzer Zeit robuste PTL-Designs für die Serienfertigung bei reduziertem Einsatz kritischer Rohstoffe (etwa Iridium und Platin) zu entwickeln. Doch es gibt noch weitere Herausforderungen, die durch 3D-Druck gemeistert werden können ...

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Beschichtungen lösen das Problem der Wasserstoffdiffusion

Denn auch der Transport von Wasserstoff ist nicht so ganz einfach. Wasserstoff diffundiert nämlich als kleinstes Molekül im Periodensystem durch klassische Stahlrohre und verursacht dabei auch noch die unbeliebte Wasserstoffversprödung derselben. Um bestehende Netze nun entsprechend nachzurüsten, setzt der DAP auf eine Innenbeschichtung per High Speed Directed Energy Deposition (HS-DED). Dabei wird eine metallische Schutzschicht auf die Rohrinnenwand aufgebracht, die die Wasserstoffmoleküle aufhalten, um die Lebensdauer der Infrastruktur zu verlängert. Mit dem Institut für Textiltechnik (ITA) entwickelt der DAP aber auch noch hybride Rohrsysteme aus faserverstärktem Kunststoff (FVK respektive Composite-Material) plus metallischer Beschichtung. Perspektivisch sollen die Fertigungsprozesse später automatisiert und direkt vor Ort skalierbar umgesetzt werden können. Diese neuartige und innovative Verbindung von Metall und Kunststoff ist laut Aussage der Forscher leicht, korrosionsbeständig sowie hoch belastbar. Und es gibt noch etwas zu verbessern ...

Spezieller Brennerbaukasten soll Emissionen reduzieren helfen

Schließlich bedarf auch die Nutzung von Wasserstoff in energieintensiven Industrien neuer Konzepte, wie die Aachener weiter ausführen. Der DAP entwickelt aus diesem Grund industrielle Brenner für den flexiblen Betrieb mit Erdgas-Wasserstoff-Gemischen. Dazu werden Flammenstabilität, Emissionsverhalten und Wärmeverteilung optimiert. Digitale Zwillinge und prädiktive Simulationsmodelle dienen dabei als Grundlage für das inverse Design und schaffen eine digitale Testumgebung. Im Rahmen dieser würden Strömung, Reaktion und Fertigungsbedingungen simuliert. Anschließend werden per additiver Fertigung mittels PBF-LB/M aus kupferbasierten Werkstoffen sehr funktionale Prototypen mit hoher thermischer Beständigkeit hergestellt. Das Ganze zielt dann darauf ab, den Weg zu einem modularen Brennerbaukasten für industrielle Anwendungen zu ebnen, der bei diesem Prozess dabei hilft CO₂ zu sparen.

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