具有竞争力的绿色氢能源：创建工业创新池
服劳恩霍夫启动电解槽大规模生产参考工厂
新闻稿 / 2021 年 8 月 27 日
 
将生产绿色氢能源电解槽的成本降低四分之一以上——这就是来自开姆尼茨、格尔利茨、亚琛、斯图加特和哈勒（萨勒）的弗劳恩霍夫研究人员在一个新的大型研究项目中所做的工作。 他们正在共同建立一个参考工厂，在未来四年内可以开发和测试新的生产工艺。 最好和最经济的过程完全并行模拟，并传输到技术套件中，使工业公司能够在计划生产之前精确检查某些类型电解槽的生产成本。 该项目有助于实现气候目标并加强德国作为商业基地的地位。 因此，联邦政府通过氢铅项目“H₂Giga”为其提供了 2200 万欧元的资金。
 
氢能源是从工业和运输向可再生能源过渡的重要组成部分。 为了以市场价格以及气候中和的方式生产，需要电解槽——例如水与电混合，从风或太阳中分裂成氢气和氧气——能够自动大量生产。 对于目前可用的技术，大规模生产太昂贵，不富竞争力。 这里就是参考工厂的用武之地：研究更便宜的材料、组件的质量、寿命、更好的生产技术、生产过程的可扩展性、自动化、生产线的网络化、结构高效的供应链和工厂规划可使大规模生产有利可图。 千兆瓦级水电解槽的生产成本应下降 25% 以上。
 
数字孪生：创新池降低投资风险
 
最好和最经济的生产工艺在创新池中被完全复制。谈到“数字双胞胎”，有了它们，可以在计算机上计算并彻底检查生产过程和新生产系统的组合。 “我们正在建立一个面向未来的电解槽制造过程数字库，通过它可以根据计划的生产量、制造的垂直范围和制造变体提前确定投资成本甚至投资回报，”工程博士Ulrike Beyer，弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所 IWU 氢工作组负责人、主要研究项目的协调员，如是说道。 “由此产生的模块化技术系统将为电解槽行业带来真正的推动力。我们期待着巨大的创新影响——也由于我们的技术开放方法使我们能够不断整合来自商业和科学的新思想和概念。”
 
技术领先地位加强业务定位
 
弗劳恩霍夫研究人员相信，使绿色氢能源快速广泛适用的最佳方法是将其生产建立为具有竞争力的商业模式。 然而，目前市场上的电解槽制造商太少，而且往往服务于小批量的利基市场，仍然缺少强大的氢能源技术国内市场。该行业的技术领先地位有助于开发这样一个市场，而这将进一步加强德国作为商业基地的地位——在出口方面也是如此。
 
2200 万欧元集合了五个弗劳恩霍夫研究所的专业知识——弗劳恩霍夫 IWU，亚琛的弗劳恩霍夫生产技术研究所 IPT、斯图加特的弗劳恩霍夫生产工程和自动化研究所 IPA、弗劳恩霍夫研究所开姆尼茨的电子纳米系统 ENAS 和哈勒（萨勒）的弗劳恩霍夫材料和系统微结构研究所 IMWS。到 2025 年，他们将共同从联邦政府的“H₂Giga”铅氢项目获得 2200 万欧元的资金，由 30 个协会和 130 个工业和研究合作伙伴组成。
 
位于开姆尼茨的弗劳恩霍夫 IWU 致力于研究双极板 (BPP) 的鲸鱼过程。新的多道次轧制工艺将根据质量要求在阳极和阴极中实施通道几何形状，目标实现高速生产。因此，制造工艺可用于提高电解槽产量，该工艺可以提供与批量生产相对应的 BPP 数量。借助与成型过程相关的电子束功能化，可以插入微结构以延长使用寿命并提高电解槽的效率。此外，后续的质量控制将进一步发展。堆叠，即双极板的紧密堆叠，也应该能够以更高的频率和更高的自动化程度实现。以这种方式制造的电池堆的质量正在目前正在建造的“Fraunhofer Hydrogen Lab Görlitz”和“Fraunhofer Hydrogen Lab Leuna”中进行测试。
 
弗劳恩霍夫IPT 的贡献包括研究用于制造催化剂涂层膜 (CCM)、多孔传输层 (PTL) 和双极板的新生产技术解决方案。 对于 CCM 的生产，正在研究和建立生产设施——一方面可以通过既定的工艺步骤降低 CCM 的生产成本，另一方面可以实现新的生产方法，例如直接法膜涂层。 PTL 和双极板的研究工作重点在于开发用于分配电解槽内流体的集成组件的生产工艺。 “我们的目标是通过适合生产的整体架构，在降低组件成本的同时提高性能，”工程博士Christoph Baum弗劳恩霍夫 IPT 董事总经理说。
 
弗劳恩霍夫 IPA 将根据管理外壳的概念参考工厂的各个生产模块（将在参与机构中建立）并映射为数字孪生，通过虚拟联网以形成完整的生产线。为此，由弗劳恩霍夫 IPA 生产能力中心数字工具负责人 Joachim Seidelmann 领导的研究团队正在构建一个跨地点、面向服务的生产 IT 平台。其基础是弗劳恩霍夫Edge Cloud 云平台。 “为了确保生产模块之间的信息交换尽可能顺利进行，并且可以一致地记录和评估有关分布式位置的所有数据，我们计划为所有系统、（部分）产品和许多生产辅助设备提供一个管理外壳，”Seidelmann 说。 “主要工作在于开发用于制氢的管理外壳的特定子模型，其中详细描述了特性和特征。”
 
在一项重大研究项目中，弗劳恩霍夫 ENAS 关注数字喷墨印刷工艺作为 CCM 制造工艺的资格，以实现高生产率的工业工艺速度。 催化剂涂层膜 (CCM) 是电解槽的核心部件。项目目标节省 33% 的工艺和 3% 的材料。 总体而言，目标将 CCM 生产的制造成本与当前技术水平相比降低 30%。 弗劳恩霍夫 ENAS 印刷功能部门负责人Ralf Zichner博士解释说：“弗劳恩霍夫ENAS 将数字喷墨印刷技术高效地用于 CCM 生产，与最先进的工艺相比，六个工艺步骤中的两个步骤被取消。”
 
弗劳恩霍夫 IMWS 专注于电解槽组件和系统的表征，从而及早识别工业使用中可能存在的弱点和缺陷。 目的是降低测试程序的成本，优化容错能力和生产元件的使用寿命，并缩短开发时间。 “凭借高分辨率诊断程序的技能和 Hydrogen Lab Leuna 的可能性，我们可以为电解组件的评估和优化做出决定性的贡献，”副弗劳恩霍夫 IMWS 主任、工程博士Sylvia Schattauer解释。
 
氢铅项目»H₂Giga«的资金详情
 
联邦教育和研究部 (BMBF) 正在通过其迄今为止关于能源转型主题的最大研究计划，支持德国进入氢经济领域。这三个氢铅项目是思想竞赛的结果，构成了BMBF对国家氢战略实施的核心贡献。在四年的时间里，他们应该消除现有障碍，这涉及大规模水电解槽 (H₂Giga) 的批量生产、公海生产氢气和二次产品 (H₂Mare) 以及氢气运输技术 (TransHyDE)。来自科学界和工业的 240 多个合作伙伴在氢铅项目中共同努力。这些项目在资金充裕的基础上于春季启动。总资金将超过 7.4 亿欧元。有关“H₂Giga”和其他关键项目的更多信息，请访问：https://www.wasserstoff-leitprojekte.de
 
各个研究所的简要介绍 
 
弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所 IWU 是创新驱动力生产技术研发领域的创新。约 690 名高素质员工在开姆尼茨、德累斯顿、莱比锡、沃尔夫斯堡和齐陶/格尔利茨的工厂为汽车和机械工程、航空航天、医疗技术、电气工程以及精密和微技术领域的竞争性生产开辟新型研究热点。重点是组件、程序、流程和复杂的机器系统——整个工厂，其目标是基于可再生能源的灵活、节约资源的生产，为人们提供新思想的信息和可视化技术，并作为未来工厂成功的保证。弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所 ENAS 是智能系统及其集成领域的专家和开发合作伙伴，负责应用研究推进。弗劳恩霍夫 ENAS 为其客户（并与其合作）开发单独的组件、相应的生产技术、系统概念和系统集成技术，并积极支持技术转让。无论是初创企业、中小企业还是大公司，弗劳恩霍夫 ENAS 提供创新咨询，伴随客户项目从想法到草案、技术开发或使用现有技术的实施到测试原型。如果标准组件不符合要求或达到其极限，弗劳恩霍夫ENAS 会开发客户特定的解决方案。
 
位于哈勒（萨勒）的弗劳恩霍夫材料和系统微结构研究所 IMWS 为创新材料、组件和系统提供基于微结构的诊断和技术开发。该研究所以高性能微观结构分析和基于微观结构的材料设计的核心竞争力为基础，研究各市场和业务领域中使用材料的功能和操作行为以及可靠性、安全性和使用寿命等问题，对社会和经济发展具有重要意义。对于工业合作伙伴和公共客户，弗劳恩霍夫 IMWS 追求的目标是加速新材料的开发、提高材料效率和盈利能力以及节约资源。通过这种方式，该研究所为确保未来重要领域的创新能力和可持续性作为 21 世纪的核心挑战做出了贡献。
 
弗劳恩霍夫生产技术研究所 IPT 结合了生产技术各个领域的多年知识和经验。在工艺技术、生产机器、生产质量和测量技术以及技术管理领域，弗劳恩霍夫 IPT 为其客户和项目合作伙伴提供网络化自适应生产的应用研究和开发。该研究所提供的服务范围针对特定行业、技术和产品领域的个别任务和挑战，包括汽车制造和供应商、能源、生命科学、航空、机械和工厂工程、光学、精密和微技术以及工具和模具结构。
 
弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所 IPA，简称弗劳恩霍夫 IPA，是弗劳恩霍夫协会最大的研究所之一，拥有近 1000 名员工，预算超7400万欧元。生产的组织和技术任务是该研究所的主要研究领域：开发、测试和实施方法、组件和设备直至完整的机器和系统。 15 个专业部门以跨学科的方式工作，由 6 个业务领域协调，主要涉及汽车、机械和设备工程、电子和微系统技术、能源、医疗和生物技术以及加工行业。 弗劳恩霍夫 IPA 的研究方向是可持续和个性化产品的经济生产。