Untersuchung einer PEM-Folie, die Teil eines Elektrolyseurs ist
7. November 2023
4 Min.

Die Zukunft der Herstellung von Wasserstofftechnologien

By Moritz Gathmann

Es ist eine Fabrik für die Zukunft. Als eine der ersten Elektrolyseurfabriken der Welt, die moderne Roboter und Digitalisierung für eine hochautomatisierte Produktion implementiert, beschleunigt die neue Elektrolyseur-Produktionsanlage von Siemens Energy in Berlin, Deutschland, die nachhaltige Produktion und die Wirtschaft mit erneuerbarem Wasserstoff.

"Was für eine Woche", sagt der 47-jährige Ingenieur Axel von Levetzow, Fertigungsleiter der Gigawatt-Elektrolyseurfabrik von Siemens Energy in Berlin, einem Joint Venture von Siemens Energy und Air Liquide. Es ist Ende September, und von Levetzow und seine Kollegen sind damit beschäftigt, neue Maschinen zu installieren und die Produktion stetig zu steigern. Gleichzeitig haben sie Industriellen, Unternehmern und Politikern ihre Pläne für die Produktion von Elektrolyseuren vorgestellt – darunter auch Energieministern aus aller Welt.

Das Interesse ist groß, denn die Fabrik mit Robotern, Automatisierung und Digitalisierung ist ein Herzstück für den Klimaschutz und das weltweite Bestreben, mit einer erneuerbaren Wasserstoffwirtschaft Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Ab November diesen Jahres beginnt die Fabrik mit der Produktion von Elektrolyseur-Stacks im Gigawatt-Maßstab, beginnend mit 1 Gigawatt im ersten Jahr, über 2 Gigawatt bis 2024 bis hin zu 3 Gigawatt 2025.

"Früher haben die Kunden gesagt: 'Wir brauchen Energie', und wir haben für sie Kraftwerke gebaut", sagt von Levetzow. "Jetzt können wir sogar alles liefern, was sie für eine vollständige Strategie für grünen Wasserstoff benötigen."

Die neue Gigawatt-Elektrolyseuranlage in Berlin ist weltweit die erste, die mit Robotik und Digitalisierung hochautomatisiert wird.

Ausbau der Produktion von erneuerbarem Wasserstoff

In der Fabrikhalle bleibt von Levetzow vor einer Grafik stehen, die die Energieerzeugung und den Energieverbrauch in den verschiedenen Industriezweigen zeigt. Ein großer Teil dieses Diagramms, die Stromerzeugung, kann durch direkte Elektrifizierung dekarbonisiert werden, erklärt er. Die eigentliche Herausforderung bestand darin, schwer zu reduzierende Sektoren wie die Chemie- oder Stahlindustrie, Raffinerien, Mobilität, Schifffahrt und Luftfahrt zu dekarbonisieren. "Mit der Produktion von grünem Wasserstoff machen wir erneuerbare Energie für alle Wirtschaftszweige verfügbar."

Für die Herstellung von Elektrolyse-Stacks für erneuerbaren Wasserstoff hat sich Siemens Energy mit Air Liquide zusammengetan. Die Joint-Venture-Partnerschaft mit einem Unternehmen, das die Bedürfnisse von Unternehmen, die mit Industriegasen arbeiten, gut kennt, schafft Synergien für beide Partner. "Um die Produktion schnell hochzufahren und einen Skalierungseffekt zu erzielen, müssen wir den Markt überzeugen. Und das geht nur mit einem starken Partner wie Air Liquide, der Wasserstoff entlang der gesamten Wertschöpfungskette beherrscht", sagt von Levetzow.

Die weltweite Wasserstoffnachfrage erreichte im Jahr 2022 95 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr. Die Stahlproduktion benötigt Wasserstoff als Reduktionsmittel. Die Betreiber von Frachtschiffen suchen nun nach Wasserstoff für die Herstellung von Methanol, und die Luftfahrt und die Mobilität werden nicht mehr lange auf sich warten lassen. Heute wird der meiste Wasserstoff aus Kohle oder Erdgas hergestellt, wodurch schädliche Emissionen freigesetzt werden. Deshalb steht die Fähigkeit, erneuerbaren Wasserstoff in großem Maßstab zu produzieren, im Zentrum einer Energiewende.

Wenn Massenproduktion auf P2X-Nachhaltigkeit trifft

Das Schlagwort lautet Power-to-X, kurz P2X. P2X beschreibt den Prozess der Umwandlung von Strom aus erneuerbaren Energien in kohlenstofffreien "grünen" oder e-Wasserstoff zur direkten Nutzung als Kraftstoff oder Rohstoff. Darüber hinaus kann es auch weiter in klimafreundliche e-Fuels wie e-Methanol oder e-Ammoniak umgewandelt werden.

Der Standort in Berlin ist eine der ersten Elektrolyseurfabriken im industriellen Maßstab weltweit. Und von der Ankündigung im März bis zur Eröffnung im November hat es nur acht Monate gedauert, eine Smart Factory zu bauen, die neue Maßstäbe für die Massenfertigung von Elektrolyseuren setzt. In dieser Zeit haben Ingenieure gleichzeitig neue Fertigungsanlagen entwickelt und skaliert, um die Produktion zu beschleunigen.

Es ist kein Zufall, dass Siemens Energy sich für diesen Standort entschieden hat, an dem das Unternehmen seine modernsten Gasturbinen für Kunden aus aller Welt produziert. Vor über einem Jahrhundert wurden hier Dampfturbinen produziert, die Schiffsmotoren und die industrielle Produktion revolutionierten. Das Gleiche gilt für die Elektrolyseur-Produktion, die in diesen Tagen hochgefahren wird, obwohl das gedämpfte Brummen von Robotern und Maschinen, das die 2000 Quadratmeter große Anlage füllt, ganz anders ist als vor einem Jahrhundert. "Wir sind Pioniere", sagt von Levetzow. 

“Wir bringen eine komplett neue Technologie an diesen Standort.”

Mara Mertens, Head of Technical Services for Siemens Energy Electrolyzer Manufacturing Gmbh.

„Für die Entscheidung nach Berlin zu gehen, waren drei Punkte ausschlaggebend."

Axel von Levetzow, Head of Manufacturing for Siemens Energy Electrolyzer Manufacturing GmbH.

Roboter wie dieser helfen dabei, die industrielle Produktion von Elektrolyseur-Stacks zu automatisieren.

Die Produktionslinie in der neuen Gigawatt-Elektrolyseurfabrik ist hochautomatisiert.

Die industrielle Produktion von Elektrolyseuren im Siemens-Energiewerk in Berlin wird dazu beitragen, die Preise für erneuerbaren Wasserstoff gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen wettbewerbsfähig zu machen.

Leistungsfähige Elektrolyseur-Stacks wie diese bilden das Herzstück der erneuerbaren Wasserstofftechnologie.

Roboter mit sanfter Berührung

"Hier an unserem Produktionsstandort in Berlin haben wir viele erfahrene Kollegen, die wissen, wie man die Produktion hochfährt und Lösungen mit Lieferanten entwickelt", sagt Mara Mertens, Leiterin des Technischen Service im Werk. "Dieses Projekt ist alles andere als Plug and Play." Sie weist auch darauf hin, dass Siemens Energy eng mit seinen langjährigen Partnern aus dem Maschinenbau zusammenarbeitet: "Es ist eine Sache, dass Roboter in der Automobilindustrie mit Ersatzteilen umgehen. Viel schwieriger ist es aber, wenn sie mit hochempfindlichen Membranen mit ultradünnen Schichten hantieren müssen."

Mertens und von Levetzow studierten in den 2000er Jahren Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Erneuerbare Energien, als das Feld von – wie sie es nennen – "Idealisten" getrieben wurde. Dann entwickelte von Levetzow jahrelang Gasturbinen weiter, während Mertens die Welt bereiste, um wasserstoffgekühlte Generatoren in Anlagen von Brasilien bis Ägypten in Betrieb zu nehmen. Jetzt freuen sie sich wie nie zuvor auf ein Projekt, das den Weg in die Energiezukunft weist: "Jeder von uns ist bereit, die Extrameile zu gehen", sagt Mertens.

In der Massenproduktion von Elektrolyseuren, Berlin, Deutschland

Wir sehen den Moment, in dem der Zug abfährt.

Axel von Levetzow

Head of Manufacturing, Siemens Energy

Automatisierung der Produktion von PEM-Elektrolyseuren

Und die Extrameile ist das, was es braucht. Die Technologie der Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) ist einfach und einige Jahrzehnte alt: Wasser fließt durch eine Membran und wird in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Herausforderung besteht jedoch darin, die Produktion auf industrielle Mengen zu skalieren.

Bisher wurde am ehemaligen Produktionsstandort von Siemens Energy noch viel Handarbeit geleistet. Doch die neue Fabrik ist hochautomatisiert: Beschichtungsmaschinen tragen auf der einen Seite eine dünne Platinschicht auf die Membran auf, auf der anderen Seite eine Iridiumschicht. "Die Herausforderung besteht darin, dass die Schicht sehr dünn sein muss, weil das Rohmaterial teuer ist, aber dick genug, um die Membran zuverlässig zu machen", sagt Mertens. Am Ende der Linie werden die Behälter mit dem Stanzabfall befüllt: All das wird recycelt, aus ökologischen Gründen, aber auch wegen des Wertes der Platin- und Iridiumreste auf der Membran.

Ultradünne PEM-Membran, Berliner Gigawatt-Elektrolyseurfabrik, Deutschland

Herstellung von ultradünnen Membranen für die PEM-Elektrolyseure. 

Roboter bereiten Membranen vor, Berliner Gigawatt-Elektrolyseurfabrik, Deutschland

Dieser Prozess erfordert eine Robotik, die in der Lage ist, hochzerbrechliches Material zu handhaben. 

Dann wird die Membran laminiert und in rechteckige Formen gepresst, in Rahmen gesteckt und schließlich zu den sogenannten Stapeln zusammengefügt, etwa auf der Höhe einer Tür. Dann wird jeder Stapel in eine andere Halle transportiert, um die Leistung zu testen. An anderen Fertigungsstandorten wie Mülheim werden die Stacks zum Endprodukt montiert – einem Elektrolyseursystem, bestehend aus vier mal sechs Stack-Arrays und Prozessteilen, die einfach verpackt und zur Baustelle des Kunden transportiert werden können.

Entscheidend ist die vollautomatisierte Kamera-Qualitätskontrolle in der neuen Fabrik: Sie kann kleinste Unebenheiten in der Beschichtung der Membran erkennen – was später zu einer weniger effizienten Funktion der Stacks führen könnte. Die meisten Komponenten sind serialisiert, viele Komponenten werden optisch gescannt. "Wir haben alle Daten von den Stapeln bis hin zur Iridiumladung, die während der Produktion verwendet wurde", sagt Mertens. "Wir erhalten einen digitalen Zwilling der Produktion. So können wir die hohe Qualität unserer Produkte sicherstellen – und die Produktion jeden Tag weiterentwickeln."

"Erinnern Sie sich noch an die Zeiten, als Solarenergie noch sehr teuer war?", fragt von Levetzow. "Dann wurde die Produktion hochgefahren und die Preise für Solarmodule begannen zu fallen, was die Produktion wettbewerbsfähig machte. Das Gleiche wird mit der Elektrolyse passieren. Wir sehen den Moment, in dem der Zug abhebt."  

November, 2023

Der Berliner Journalist Moritz Gathmann berichtet seit 2004 für zahlreiche Medien, darunter DER SPIEGEL und die Frankfurter Allgemeine Zeitung.

 

Kombinierter Bild- und Videonachweis: Siemens Energy