Zukunft Wasserstoff Der Laser ist für die Wasserstofftechnik unverzichtbar

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Wasserstoff ist nicht nur im Periodensystem die Nummer 1, sondern auch als grüne Energiequelle. Um Wasserstoff ausreichend zu erzeugen und zu nutzen, ist der Laser gefragt, sagt das Fraunhofer ILT.

Sie wollen Ernst machen in Sachen grüner Wasserstoff! Denn gleich 28-mal steht der Begriff Wasserstoff im Koalitionsvertrag vom 7. Dezember 2021 zwischen SPD, Bündnis 90/Die Grünen und der FDP. Die Ampelkoalition will demnach den Ausbau der Wasserstoffwirtschaft beschleunigen und bis 2030 mindestens 10 Gigawatt Elektrolysekapazität in Deutschland installieren, sagen die Experten vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen. Damit nicht genug, denn geplant sind außerdem Quoten für grünen Wasserstoff in der öffentlichen Beschaffung, der Aufbau einer „Europäischen Union für grünen Wasserstoff“ sowie die Umsetzung der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ der Bundesregierung.

Ambitionierte Wasserstoffplanungen bieten Chancen für Deutschland

Die Pläne könne man durchaus als ambitioniert bezeichnen, denn noch ist grüner Wasserstoff selten. Nur rund 5 Prozent des 2021 in Deutschland erzeugten und verbrauchten Wasserstoffs (rund 60 Terawattstunden) stammen nämlich derzeit aus nachhaltiger Produktion. Der Bedarf an wettbewerbsfähiger Technik zur Herstellung von grünem Wasserstoff ist entsprechend hoch.

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Die Aussichten für Deutschland seien jedoch sehr gut. Denn laut Angaben des Europäischen Patentamts (EPA) und der Internationalen Energieagentur (IEA) sind einige deutsche Unternehmen bei Wasserstofftechnologien führend wie BASF, Bosch, Linde und Siemens. Und der VDMA hat im Sommer 2020 eine Studie veröffentlicht, die für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau bis 2050 ein Marktpotenzial von über 10.000 Milliarden Euro prognostiziert. Bei schätzungsweise 300 Milliarden Euro pro Jahr liegt das langfristige Marktpotenzial, informiert das ILT zum Hintergrund für diesen Bericht, über die unterstützenden Einsatzmöglichkeiten des Lasers für die Wasserstoffzukunft. Nicht zuletzt haben die Experten ein laserbasiertes Verfahren in petto, mit dem die Serienproduktion von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren möglich ist – und das auch noch CO₂-arm.

Laser schweißt Komponenten für Wasserstoff absolut dicht

Besondere Herausforderungen stellt die Brennstoffzelle an die Entwickler. Denn sie benötigt außer der Membran-Elektrodeneinheit jeweils 300 bis 400 Bipolarplatten (BPP), erklären die Forscher. Dafür sind aber neue Fertigungsverfahren gefragt, weil die existierenden zu langsam und damit zu teuer sind. Den Aachenern gelang es aber mithilfe von angepassten Wellenlängen und gezielter Strahlmodulation, Bleche extrem schnell prozesssicher wasserstoffdicht zu BPP zu verschweißen, wie man betont. Trotz Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 60 Meter pro Minute kam es nicht zum sogenannten Humping-Effekt, bei dem das Schmelzbad abhebt, perlt und die Naht undicht wird. In Kombination mit einer Inline-Prozesskontrolle zur Überwachung und Dokumentation ist das Laserstrahlschweißen in diesem Metier ein effizienter und reproduzierbarer Fertigungsprozess für die Massenfertigung von metallischen Bipolarplatten.

Spezialverfahren optimiert BPP-Herstellung aus Kunststoff per Laser

Und ganz neu sind bei Brennstoffzellen BPP aus thermoplastischem Kunststoff, die sich ebenfalls mit dem Laser fügen lassen, wie man weiter erfährt. Weil transparente Bauteile aber nur eine geringe Laserlichtabsorption haben, werden sie vor dem Schweißen häufig mit Ruß eingeschwärzt – nicht wirklich ideal. Als Alternative entstand am ILT deshalb das zweistufige Clearweld-Verfahren. Mithilfe einer Infrarotabsorberschicht lässt sich dabei die polymerbasierte BPP mit einem CO₂-Laser schneiden und anschließend mit einem NIR-Diodenlaser schweißen. Man erhalte mit diesem Verfahren eine transparente Fügestelle. Das Verfahren eigne sich deshalb besonders gut zum Aufbau von Biopolarplatten-Stacks.

Höherer Wirkungsgrad von PEM-Brennstoffzellen erreicht

Eine andere Herausforderung entsteht bei PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane). Dort bildet sich zum Beispiel bei mit Graphit gefüllten thermoplastischen Compoundmaterialien ein Kunststofffilm auf der Oberfläche der Bipolarplatte, der die elektrische Anbindung der Gastransportschicht verhindert. Am Fraunhofer ILT entstand aber ein Verfahren, das mit einem Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) die isolierende Kunststoffmatrix entfernt. Es handle sich im Gegensatz zum mechanischen Schleifen um ein schonendes Verfahren, bei dem der ultrakurzgepulste Laserstrahl den Kunststoff selektiv entfernt, ohne das Füllmaterial zu beschädigen.

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