Institut für Flugzeug-Produktionstechnik

Erforschung von Anlagen für die großskalige Erzeugung von grünem Wasserstoff

Für vielfältige Anwendungen aus unterschiedlichsten Industriesektoren ist Grüner Wasserstoff eine umweltfreundlicher Lösungsansatz, um fossile Energieträger zu ersetzten. Daher liefert der sukzessive Einsatz von Wasserstoff einen wichtigen Beitrag, um CO2-Emissionen einzusparen und damit die globalen und nationalen Klimaziele erreichen zu können. Der Bedarf an Wasserstoff im Zuge der Energiewende wird auf mehr als Hundertmillionen Tonnen jährlich geschätzt (H2Giga). Das Ziel der nationalen Wasserstoffstrategie ist daher der Aufbau von 5 Gigawatt Elektrolyse- Kapazität in Deutschland bis 2030. Des Weiteren gilt es die Bundesrepublik als Technologievorreiter in diesem schnell aufstrebenden internationalen Industriezweig zu etablieren. Diese Herausforderungen sollen nun mit dem Leitprojekt H2Giga des BMBF erfolgreich bewältigt werden.

H2Giga ist eines der drei verbundenen Wasserstoff-Leitprojekte des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Mit seinen über 130 beteiligten Institutionen aus Wirtschaft und Wissenschaft, organisiert in fast 30 eigenständig arbeitenden Verbünden, wird H2Giga die Herstellung von Grünem Wasserstoff im industriellen Maßstab entwickeln. Mit einem Volumen von etwa 500 Millionen Euro wird das Projekt vom BMBF gefördert, um eine Wasserstoffwirtschaft in der Bundesrepublik Deutschland zu etablieren. Die Wasserstoff-Leitprojekte bilden einen zentralen Beitrag zur Umsetzung der nationalen Wasserstoffstrategie und ermöglichen einen großen Schritt in Richtung eines nachhaltigen Energiesystems.

Das Projekt HyPLANT100 befasst sich mit der Entwicklung optimierter und automatisierter Abläufe und Standards für den Aufbau großskaliger Elektrolyse-Kapazitäten, um die notwendigen Wasserstoff- Produktionsmengen zu erreichen. HyPLANT100 schließt damit die Lücke im H2Giga Leitprojekt von der Entwicklung und -Fertigung von Elektrolyse-Grundeinheiten - die kleinsten Bausteine - hin zum finalen, betriebsbereiten großskaligen Elektrolyseur-Gesamtsystem am Aufstellort. Die betrachteten Elektrolyse-Grundeinheiten, werden zunächst in einer Vorfertigung mit weiterer Peripherie zu modularen Baugruppen (Skids) montiert. Anschließend werden die Skids auf einem Baufeld zu einem Gesamtsystem kombiniert. Dabei soll die Systemkonfiguration (z.B: Gesamtleistung, Randbedingungen für Installation und Betrieb, …) durch Modularisierung variabel gestaltet werden. So können Anforderungen des Standorts bedarfsgerecht erfüllt werden. Begleitend werden technologieoffene Anpassungen und Standards für Komponenten, Prozesse und Schnittstellen entwickelt, um eine Aufwands- und Kostenreduktion zu schaffen. Ein weiteres Ziel ist die Digitalisierung und intelligente Unterstützung der Montageprozesse von der Vormontage der Skids bis hin zur Installation auf dem Baufeld durch intelligente Sensorik, Steuerung und mobile Robotik. So soll zum Beispiel der Fortschritt sowie Qualitätsinformationen automatisiert dokumentiert werden. Begleitend werden innovative und angepasste Schulungskonzepte von den entwickelten Prozessen abgeleitet.

Das Teilvorhaben des IFPT adressiert die Steuerungstechnologie, welcher in diesem Kontext zur Gewährleistung von Qualität und Sicherheit eine zentrale Bedeutung zukommt. Weitere Teilaufgaben sind die Kommunikationsstruktur, die Fortschrittsüberwachung und das daraus abgeleitete Prozessabbild, die Auswahl und Integration notwendiger Sensorik, sowie die auf dem Prozessabbild aufbauenden Dienste zur konkreten Umsetzung der Qualitätssicherung.

Das zentrale Arbeitsziel des IFPT besteht in der Entwicklung der Steuerungstechnologie, im Sinne der in der nachfolgenden Abbildung dargestellten Struktur.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Orchestrierungssystems und seiner Subkomponenten in der Montage von Wasserstoffelektrolyseuren

Die Ablaufsteuerung bildet die orchestrierende Informationsverarbeitung zwischen den verschiedenen externen Cloud-Diensten ab, um letztlich mögliche und sinnvolle Operationen inkl. der zugehörigen Anweisungen und Programme in die Kommunikationsstruktur zu geben. Der Werker wählt letztlich aus den Möglichkeiten den nächsten Montageschritt innerhalb vorgegebener und überwachter Qualitäts- und Logik-Gates aus. Die Ablaufsteuerung garantiert, dass diese Gates eingehalten werden und realisiert somit auch die Qualitätssicherung. Das Prozessabbild ist der exklusive und integrale Cloud-Dienst der Ablaufstruktur in dem der aktuelle Status des Montagevorgangs abgebildet ist. Auf diesem Abbild können weitere optionale Services wie z.B. die Dokumentation aufsetzen. Der Informationsfluss ist ein eigenständiges System, das jedoch ebenfalls über die Ablaufsteuerung orchestriert werden muss und wird hier als Bestandteil betrachtet. Die anderen Cloud-Dienste sowie die Sensorlösungen in Hard- und Software, soweit sie nicht der Qualitätssicherung dienen, werden von Projektpartnern inkl. der zugehörigen Informationsbeschaffung und -aufbereitung entwickelt bzw. realisiert. Die Ablaufsteuerung orchestriert auf Ein- und Ausgabeseite ausschließlich höherwertige Informationen wie komplette Anweisungen oder logische Kontextinformationen. Die Systematik ist optimiert für die baustellenorientierte Montage und kann im In- und Outdoorbereich gleichermaßen genutzt werden, wobei im Außenbereich die Orchestrierung des Menschen stärker gewichtet ist. Mit identischer Struktur lassen sich optional auch kollaborierende Logistikvorgänge einbinden, wenn die dafür notwendigen Cloud-Dienste zur Verfügung gestellt werden.

Ein eng mit der Ablaufsteuerung verbundenes Arbeitsziel besteht in der Entwicklung einer Fortschrittsüberwachung des gesamten Montageprozesses. Basierend auf den eingehenden Sensorinformationen, der Rückmeldung des Abschlusses manueller, automatischer, oder kombinierter Prozessschritte und der Lokalisierung von Komponenten soll so ein digitales Prozessabbild für den Abgleich mit dem vorher erstellten Prozessablauf ermöglicht werden.

Ein weiteres, über die einfache Fortschrittsüberwachung hinausgehendes, Arbeitsziel stellt die Entwicklung von Prozessen zur Qualitätssicherung dar. Diese sollen nach Abschluss von Montageoperationen in Form von Zwischen- und Endkontrollen erfolgen und sicherstellen, dass alle Operationen mit der erforderlichen Qualität ausgeführt wurden.

Das abschließende Arbeitsziel stellt die Demonstration ausgewählter Teilprozesse in Form eines Funktionsdemonstrators dar. Hierbei sollen die durch das IFPT entwickelten Teil-komponenten und Prozessschritte mit denen beteiligter Kooperationspartner zusammengefügt werden und sowohl Montage- als auch Prüfprozesse am Beispiel eines Mockups demonstriert werden.

Die dargestellten Ziele bilden elementare Bestandteile des im Verbund angestrebten Ziels, automatisierte Abläufe für den Aufbau von Großelektrolyseuren zu entwickeln und tragen somit auch entscheidend zu den Zielen der Plattform H2Giga bei.

Studentische Arbeiten:

Stellenausschreibungen für Studentische Hilfskräfte:

Veröffentlichungen

2022 - Grünen Wasserstoff schnell produzieren; In: Industrial Production 6/2022

Ansprechpartner am Institut:  Lukas Büsch, Christian Masuhr.