Wasserstoff trifft Additive Manufacturing

Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung energieintensiver Prozesse. Doch die Herausforderungen entlang seiner Wertschöpfungskette sind komplex: von der energieintensiven Herstellung über den anspruchsvollen Transport bis zur effizienten Nutzung in Hochtemperaturprozessen. Genau hier setzt die Forschung des DAP an – mit digitalen Werkzeugen und additiven Fertigungstechnologien, die bestehende Infrastrukturen ertüchtigen, neue Anwendungen ermöglichen und industrielle Produktionsprozesse beschleunigen.

Optimierte Zellarchitekturen für Elektrolyseure
Wasserstoff entsteht in Elektrolyseuren, deren industrielle Skalierbarkeit eine zentrale Herausforderung ist. Im Fokus der DAP-Entwicklungen stehen poröse Transportstrukturen (PTLs), die in PEM-Elektrolysezellen den Stofftransport sichern, elektrische Ladungsträger leiten und die Zellarchitektur stabilisieren. Am DAP entstehen massgeschneiderte PTL-Geometrien im Rapid-Prototyping-Verfahren mittels pulverbettbasiertem Laserschmelzen (PBF-LB/M) und Aerosol-Jet-beschichtete Funktionsschichten mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit.
Ziel ist, in kurzer Zeit robuste PTL-Designs für die Serienfertigung bei reduziertem Einsatz kritischer Rohstoffe wie Iridium und Platin zu entwickeln.

Wasserstofffähige Pipelines durch HS-DED
Auch der Transport ist mit hohen Anforderungen verbunden: Wasserstoff diffundiert durch klassische Stahlrohre und verursacht Versprödungen. Um bestehende Netze nachzurüsten, setzt der DAP auf eine Innenbeschichtung per High-Speed Directed Energy Deposition (HS-DED). Dabei wird eine metallische Schutzschicht auf die Rohrinnenwand aufgebracht, die als Permeationsbarriere wirkt und so die Lebensdauer der Infrastruktur verlängert. Gemeinsam mit dem Institut für Textiltechnik (ITA) entwickelt der DAP zudem hybride Rohrsysteme aus faserverstärktem Kunststoff und metallischer Beschichtung. Perspektivisch sollen die Fertigungsprozesse automatisiert und direkt vor Ort skalierbar umgesetzt werden. Diese neuartige und innovative Verbindung von Metall und Kunststoff ist leicht, korrosionsbeständig sowie hochbelastbar ist eröffnet den Weg für weitere Forschung in diesem Bereich.
Schliesslich bedarf auch die Nutzung von Wasserstoff in energieintensiven Industrien neuer Konzepte. Der DAP entwickelt industrielle Brenner für den flexiblen Betrieb mit Erdgas- Wasserstoff-Gemischen. Dazu werden Flammenstabilität, Emissionsverhalten und Wärmeverteilung optimiert. Digitale Zwillinge und prädiktive Simulationsmodelle dienen als Grundlage für das inverse Design und schaffen eine digitale Testumgebung. In dieser werden Strömung, Reaktion und Fertigungsbedingungen simuliert. Anschliessend werden per PBF-LB/M aus kupferbasierten Werkstoffen hochfunktionale Prototypen mit hoher thermischer Beständigkeit realisiert. Ziel ist ein modularer Brennerbaukasten für industrielle Anwendungen, der den Weg zu CO2-ärmeren Prozessen ebnet.

Additive Fertigung als systemischer Enabler
«Die Wasserstoffwirtschaft entsteht nicht durch Insellösungen, sondern durch ein tragfähiges Gesamtsystem – vom Molekül bis zur Anwendung», so das Fazit der Forschenden. Die Additive Fertigung liefert dafür die notwendigen Schlüsseltechnologien: als Katalysator für neue Designs, als Hebel zur Werkstoffinnovation und als Werkzeug zur Beschleunigung von Entwicklungs- und Produktionsprozessen. Mit den hier vorgestellten Ansätzen leistet der Lehrstuhl DAP einen Beitrag zu einer nachhaltige Wasserstoffwirtschaft. Langfristig sollen die gewonnenen Erkenntnisse in die Entwicklung industriell skalierbarer Zellarchitekturen einfliessen. Mit dem Potenzial, auch auf benachbarte Anwendungen wie die Brennstoffzelle übertragen zu werden. Für weitergehende Infos steht ein Whitepaper zur Verfügung.

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