Investigadores Fraunhofer de Chemnitz, Görlitz, Aquisgrán, Stuttgart y Halle (Saale) trabajan para reducir en más de una cuarta parte el coste de producción de electrolizadores para hidrógeno verde en un nuevo proyecto de investigación a gran escala. Juntos están construyendo una fábrica de referencia en la que se podrán desarrollar y probar nuevos procesos de producción durante los próximos cuatro años. Los procesos mejores y más rentables se recrearán en paralelo en un formato completamente virtual y se transferirán a un conjunto de herramientas tecnológicas, que permitirá a las empresas industriales comprobar exactamente qué costes de producción pueden esperar para determinados tipos de electrolizadores antes de planificar la producción. El proyecto contribuye a alcanzar los objetivos climáticos y refuerza a Alemania como emplazamiento empresarial. Por ello, el Gobierno alemán lo financia con 22 millones de euros a través del proyecto líder en hidrógeno "H2Giga".
El hidrógeno es un componente importante en la conversión de la industria y el transporte a las energías renovables. Para producirlo a precios de mercado y de forma neutra para el clima, los electrolizadores -en los que el agua se divide en hidrógeno y oxígeno utilizando, por ejemplo, electricidad eólica o solar- deben fabricarse automáticamente en grandes cantidades. Con las tecnologías disponibles hasta la fecha, la producción masiva sería demasiado cara y poco competitiva. Aquí es donde entra en juego la fábrica de referencia. La investigación sobre materiales más baratos, la calidad de los componentes, la durabilidad, mejores tecnologías de producción, la escalabilidad de los procesos de producción, su automatización, la conexión en red de las líneas de producción, el desarrollo de cadenas de suministro eficientes y la planificación de las fábricas deberían hacer rentable la producción a gran escala. Se espera que los costes de producción de los electrolizadores de agua del orden del gigavatio se reduzcan en más de un 25%.
Gemelos digitales: El pool de innovación reduce el riesgo de inversión
Los procesos de producción mejores y más rentables se recrean virtualmente para un pool de innovación. Son los llamados "gemelos digitales". Permiten calcular y probar a fondo en el ordenador los procesos de producción y la combinación de nuevos sistemas de producción. "Estamos creando una biblioteca digital de procesos de producción de electrolizadores preparados para el futuro, que puede utilizarse para determinar por adelantado los costes de inversión e incluso el rendimiento de la inversión, en función del volumen de producción previsto, el rango vertical de fabricación y la variante de producción", explica la Dra. Ulrike Beyer, Directora del Grupo de Trabajo de Hidrógeno del Instituto Fraunhofer de Máquinas-Herramienta y Tecnología de Conformado IWU y coordinadora del proyecto de investigación a gran escala. "El conjunto de herramientas tecnológicas resultante dará un verdadero impulso a la industria de los electrolizadores. Esperamos un enorme impacto innovador, también porque nuestro enfoque de tecnología abierta nos permite integrar constantemente nuevas ideas y conceptos de la industria y la ciencia."
El liderazgo tecnológico refuerza la ubicación de la empresa
Los investigadores de Fraunhofer están convencidos de que la mejor manera de generalizar rápidamente el uso del hidrógeno verde es establecer su producción como un modelo de negocio competitivo. Sin embargo, en la actualidad todavía hay muy pocos fabricantes de electrolizadores en el mercado y tienden a servir a nichos de mercado con pequeñas cantidades. Sigue faltando un mercado nacional fuerte para las tecnologías del hidrógeno. El liderazgo tecnológico en este sector industrial puede contribuir a desarrollar dicho mercado. Esto reforzaría aún más a Alemania como emplazamiento empresarial, también en términos de exportación.
Proyecto de investigación a gran escala en Alemania: estructura y elementos clave de la fábrica de referencia © Fraunhofer IWU
22 millones de euros para cinco Institutos Fraunhofer
Además de la Fraunhofer IWU, otros cuatro institutos de la Fraunhofer-Gesellschaft aportan su experiencia: El Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción IPT de Aquisgrán, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Fabricación y Automatización IPA de Stuttgart, el Instituto Fraunhofer de Nanosistemas Electrónicos ENAS de Chemnitz y el Instituto Fraunhofer de Microestructura de Materiales y Sistemas IMWS de Halle (Saale). Juntos, recibirán financiación por un total de 22 millones de euros hasta 2025 del proyecto emblemático de hidrógeno del Gobierno alemán "H2Giga". Comprende un total de 30 alianzas y 130 socios industriales y de investigación.
La Fraunhofer IWU de Chemnitz contribuye a la investigación sobre procesos de laminado de placas bipolares (BPP). El nuevo proceso de laminado multipaso permitirá insertar las geometrías de los canales en los ánodos y cátodos con una calidad conforme. El objetivo es lograr una producción de alto rendimiento. Esto proporciona un proceso de fabricación para el aumento de la producción de electrolizadores que puede suministrar las cantidades correspondientes de BPP para la producción en serie. Al vincular la funcionalización con el proceso de conformado mediante haces de electrones, será posible insertar microestructuras para aumentar la vida útil y mejorar la eficiencia de un electrolizador. Además, se seguirá desarrollando el control de calidad posterior. El apilamiento, es decir, el apilamiento estrecho de placas bipolares, también debería ser posible a mayor frecuencia y con un mayor grado de automatización. La calidad de las pilas así producidas se analizará en el "Fraunhofer Hydrogen Lab Görlitz", actualmente en construcción, y en el "Fraunhofer Hydrogen Lab Görlitz".
La contribución del Fraunhofer IPT incluye la investigación de nuevas soluciones tecnológicas de producción para la fabricación de membranas recubiertas de catalizador (CCM), capas porosas de transporte (PTL) y placas bipolares. Para la producción de CCM, se están investigando y desarrollando instalaciones de producción que, por un lado, permitan una reducción de costes para la producción de una CCM mediante pasos de proceso establecidos y, por otro, posibiliten procesos de producción novedosos como el recubrimiento directo de membranas. El trabajo de investigación de las placas PTL y bipolares se centra en el desarrollo de procesos de producción de componentes integrados para la distribución de los fluidos en el interior del electrolizador. "Nuestro objetivo es reducir los costes de los componentes y aumentar al mismo tiempo el rendimiento mediante una arquitectura global adecuada para la producción", afirma el Dr. Christoph Baum, Director Gerente del Fraunhofer IPT.
Fraunhofer IPA mapeará los módulos de producción individuales de la fábrica de referencia, que se instalarán en los institutos participantes, como gemelos digitales basados en el concepto de la cáscara de administración y los conectará en red virtualmente para formar una línea de producción completa. Con este fin, un equipo de investigación dirigido por Joachim Seidelmann, Director del Centro de Competencia de Herramientas Digitales en la Producción de Fraunhofer IPA, está creando una plataforma informática de producción orientada a los servicios y que abarque varias ubicaciones. La base para ello es la plataforma Fraunhofer Edge Cloud. "Para garantizar que el intercambio de información entre los módulos de producción funcione lo mejor posible y que todos los datos puedan registrarse y analizarse de forma coherente en todas las ubicaciones distribuidas, estamos planeando proporcionar a todos los sistemas, (sub)productos y muchos recursos de producción un shell de administración", dice Seidelmann. "El trabajo principal reside en el desarrollo de los submodelos específicos de la cáscara de administración para la producción de hidrógeno, que describen las propiedades y características en detalle".
En el proyecto de investigación a gran escala, Fraunhofer ENAS está trabajando en la cualificación del proceso de impresión digital por inyección de tinta como proceso de fabricación de CCM para conseguir una velocidad de proceso industrial altamente productiva. La membrana recubierta de catalizador (CCM) es un componente central de los electrolizadores. Los objetivos del proyecto incluyen un ahorro de proceso del 33% y un ahorro de material del 3%. En conjunto, el objetivo es reducir los costes de fabricación de CCM en un 30% en comparación con el estado actual de la técnica. El Dr. Ralf Zichner, director del departamento de Funcionalidades Impresas de Fraunhofer ENAS, explica: "Con el uso altamente productivo de la tecnología de impresión digital por chorro de tinta de Fraunhofer ENAS para la producción de CCM, se eliminan dos de cada seis pasos del proceso en comparación con el estado actual de la técnica."
El Fraunhofer IMWS se centra en la caracterización de componentes y sistemas de electrolizadores, lo que permite identificar en una fase temprana posibles puntos débiles y defectos en el uso industrial. El objetivo es reducir los costes de los procedimientos de ensayo, optimizar las tolerancias de fallo y la vida útil de los elementos de producción y lograr tiempos de desarrollo más cortos. "Con nuestra experiencia en procedimientos de diagnóstico de alta resolución y las posibilidades del Hydrogen Lab Leuna, podemos contribuir de forma decisiva a la evaluación y optimización de los componentes de electrólisis", afirma la Dra. Sylvia Schattauer, Directora Adjunta del Fraunhofer IMWS.
Detalles sobre la financiación del proyecto faro del hidrógeno "H2Giga
Con su mayor iniciativa de investigación sobre la transición energética hasta la fecha, el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) apoya la entrada de Alemania en la economía del hidrógeno. Los tres proyectos faro del hidrógeno son el resultado de un concurso de ideas y constituyen una contribución central del BMBF a la aplicación de la Estrategia Nacional del Hidrógeno. A lo largo de un periodo de cuatro años, se pretende eliminar los obstáculos existentes que dificultan la entrada de Alemania en la economía del hidrógeno. Se trata de la producción en serie de electrolizadores de agua a gran escala (H2Giga), la producción de hidrógeno y productos derivados en alta mar (H2Mare) y tecnologías para el transporte de hidrógeno (TransHyDE). Más de 240 socios de la ciencia y la industria colaboran en los proyectos emblemáticos del hidrógeno. Los proyectos se pusieron en marcha en primavera sobre la base de perspectivas de financiación no vinculantes. La financiación totalizará más de 740 millones de euros.
