Die Entwicklung nachhaltiger Energiesysteme, beispielsweise unter Nutzung von grünem Wasserstoff, spielt eine wichtige Rolle bei der Begegnung der aktuellen Energieversorgungsengpässe sowie beim Erreichen des Zwei-Grad-Ziels aus dem Pariser Klimaschutzabkommen von 2015. Die Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von grünem Wasserstoff stellt in diesem Zusammenhang eine Schlüsseltechnologie dar. Wasser-Elektrolyseure spalten Wasser unter Nutzung von elektrischer Energie in die elementaren Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff auf. Wird dabei ausschließlich Energie aus erneuerbaren Quellen genutzt, entsteht klimaneutraler, sogenannter grüner Wasserstoff. Als erneuerbare Quellen kommen insbesondere Sonnen-, Wind- und Gezeitenkraftwerke in Betracht.

Wasserstoffleitprojekt H2Giga

Das H2Giga-Projekt HyPLANT100 am Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) der Ruhr-Universität Bochum dient der Erforschung sowie Entwicklung einer effizienten Montage und Aufstellung von großskaligen Elektrolyseur-Systemen. Zentrale Forschungsfrage ist hierbei, wie sich aus einer großen Anzahl von Einzelelektrolyseuren anwendungs- und kostenoptimiert eine Anlage bis in den Gigawatt-Leistungsbereich automatisiert konfigurieren und montieren lässt.

Ziel des Projekts ist es zu analysieren, wie eine (Teil-)Automatisierung der Skidmontage an dezentralen Standorten sowie eine effiziente Montage am Aufstellungsstandort erfolgen können, um die Aufbaueffizienz zu steigern. Im Rahmen des Projekts wird insbesondere die roboterbasierte Rohrverschraubung zur wirtschaftlicheren Produktion von Elektrolyseuren für grünen Wasserstoff näher untersucht. Physikalisch ist eine reine Skalierung der Größe von Elektrolysestacks nur bedingt möglich, sodass das Zusammenschalten von kleineren Einheiten, auch als Numbering-up bezeichnet, betrachtet wird. 

Flexibilität des Montageprozesses

Bewertungen der manufakturähnlichen Prozesse im industriellen Mittelstand haben unterschiedliche Eignungen für eine Automatisierung durch roboterbasierte Automatisierungen ergeben. Mithilfe von Co-Engineering ist eine montage- sowie automatisierungsgerechte Produktgestaltung möglich, sodass eine prozessbegleitende Abstimmung von Arbeitsvorbereitung und konstruktiver Auslegung mit dem Ziel der besseren Montageeignung erfolgt. Das Roboter-Werkzeug automatisiert die Montage von wasserstoffführenden Rohren durch das automatische Vermessen der notwendigen Positionen sowie Aufnehmen des Rohrs und Montieren der beiden Rohrverschraubungen. Mit der Auswertung von Verschraubungsversuchen und Taktzeitbestimmungen lässt sich festhalten, dass bislang durch die menschliche Arbeit eine schnellere Montage erfolgt, diese jedoch eine wesentlich höhere Fehlerquote bei den Rohrverschraubungen verursacht, welche zu aufwändigen Qualitätssicherungen und daraus resultierenden Nacharbeiten führt. Das entwickelte Roboter-Werkzeug kann die Güte der Verschraubung prozessintegriert bewerten, was die Nachkontrolle in den automatisierten Prozess integriert. Ein charakteristischer Verlauf des aufgebrachten Drehmoments sowie typische Prozessfehler konnten in Versuchen an einem sechsachsigen Kraft-Momenten-Sensor identifiziert werden.

Qualifizierung des entwickelten Roboterwerkzeugs

Die Forschungsergebnisse sollen langfristig genutzt werden, um weitere Prozesse der Verbindungstechnik zu untersuchen und entsprechend der "Economy of Scale" als Produktionssystem anzupassen. Der Einsatz der roboterbasierten Montage von Rohrverschraubungen im Aufbau von Elektrolyseuren kann dadurch signifikante Auswirkungen auf die Produktivität und die Gesamtkosten haben. Zudem lassen sich roboterbasierte Prozesse an verschiedene Anlagenkonfigurationen anpassen. Eine Übertragbarkeit auf Anwendungen in Luft- und Raumfahrt ist durch die große Anzahl an Rohrleitungen unmittelbar gegeben, ebenso wie der Einsatz beispielsweise an Bremsleitungen im Automobilsektor und weitere.

Das H2Giga-Projekt HyPLANT100 wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Ideenwettbewerbs "Wasserstoffrepublik Deutschland" und vom Projektträger Jülich betreut (Förderkennzeichen: 03HY114B).