CO2-neutrale Energieträger sind ein wichtiger Faktor für eine nachhaltigere Zukunft. Exentis trägt mit der additiven Fertigung von Wasserstofftrennplatten dazu bei, die Energiewende voranzutreiben. Mit der innovativen 3D-Siebdrucktechnologie können mikropräzise Bauteile gefertigt werden, die mit traditionellen Verfahren wie CNC-Fräsen, Pressen oder Spritzguss so nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisierbar wären. Erfahren Sie in diesem Blog mehr darüber.
Das CAMPFIRE-Partnerbündnis, gefördert vom Deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung, sucht nach Lösungen, um nachhaltig gewonnenen, grünen Wasserstoff aus Ammoniak saisonal und dezentral als Energieträger verwenden zu können.
Im Projekt «Ammoniak-zu-Wasserstoff Tankstelle», das Exentis wesentlich mitgestaltet, soll eine Anlage zur Erzeugung von betankungsgeeignetem Wasserstoff aus grünem Ammoniak entwickelt werden. Dieser Wasserstoff soll später in Lastwagen oder Bussen als Treibstoff verwendet werden, und den umweltschädlichen Diesel-Treibstoff ersetzen. Transport und Lagerung von Wasserstoff ist jedoch aufwändig und gefährlich, da er in Verbindung mit Sauerstoff explosiv reagiert. Zudem hat Wasserstoff ein grosses Volumen, was für den Transport ein Nachteil ist. Deshalb wird Wasserstoff vor Transport und Lagerung mittels des Haber-Bosch-Verfahrens in flüssigen Ammoniak umgewandelt und gespeichert.
Bei der Rückumwandlung, der Spaltung von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff durch Cracking, enthält der erzeugte Wasserstoff Restammoniak. Dieser muss herausgefiltert werden mittels eines mehrstufigen Filterverfahrens, damit der Wasserstoff als Treibstoff genutzt werden kann. Damit dieses Vorhaben gelingt, wird im Projekt CAMPFIRE ein innovatives, kostengünstiges Membranmodul entwickelt, das die Filterung ermöglicht. Die von Exentis additiv gefertigten Wasserstofftrennplatten spielen eine wichtige Rolle in diesem Modul.
Die Funktion von Wasserstofftrennplatten bei der Umwandlung von grünem Ammoniak in Wasserstoff
Vor der Betankung soll der Ammoniak in einer Hochdruck-Wasserstoff-Betankungsanlage wieder in Wasserstoff umgewandelt werden. Bei diesem Prozess bleiben Restrückstände von Ammoniak zurück, die mit der Wasserstofftrennplatte mittels Membrantechnologie herausgefiltert werden. Das Gemisch wird durch die dünnen Kanäle, in der additiv gefertigten Stahlplatte, geschleust. An den mit Palladiumfolie abgedichteten Kanalenden kann der restliche Ammoniak aufgrund der Molekülgrösse nicht diffundieren und wird so herausgefiltert. Der reine Wasserstoff ist nach diesem Prozess als Treibstoff verfügbar.
Die Wasserstofftrennplatte kommt im Membranmodul zum Einsatz.
Warum bietet die 3D-Siebdrucktechnologie Vorteile bei der Produktion der Wasserstofftrennplatte?
Der Vorteil der additiven Fertigungstechnologie von Exentis besteht darin, dass sehr feine, dünne Funktionsstrukturen in mikropräzisen Bauteilen abgebildet werden können. Zudem entfallen mehrere Herstellungsschritte, wie das bei traditionellen Verfahren wie CNC-Fräsen, Pressen, Schweissen/Bonden und dergleichen notwendig wäre. Die feinen Kanäle der Wasserstofftrennplatte, die für eine zuverlässige Filterung zuständig sind, werden in einem Arbeitsgang direkt in die Platte integriert.
Dies geschieht beim Druckprozess mit drei verschiedenen Sieben: Zuerst werden die geschlossenen Schichten gedruckt, anschließend die Schichten mit den Kanälen und schliesslich werden die Kanäle mit einer darüberliegenden, geschlossenen Schicht überdruckt. Diese überdruckten Kanäle sind mit der 3D-Siebdrucktechnologie einfach herzustellen und bleiben auch nach der Sinterung des Metall-Grünteils perfekt erhalten. Eine Nachbearbeitung des Stahl-Bauteils ist nicht erforderlich, da die Exentis-Technologie die notwendige Oberflächenqualität beim Drucken problemlos erreicht.
Generell können Kanäle ab 125 Mikrometer hergestellt werden mit der Exentis Technologie. Zudem ist die Technologie auf echte Massenproduktion ausgerichtet. Auf einem einzigen Produktionssystem lassen sich pro Jahr Millionen von Bauteilen additiv fertigen. Bei der Wasserstofftrennplatte aus Edelstahl 316 L (Masse 71 x 71 mm) können beim Druck auf der EX432i mit 40 Werkstückträgern 1’050 Stück pro 24-Stunden-Schicht hergestellt werden. Dies entspricht umgerechnet einem Ausstoss von mehr als 40 Wasserstofftrennplatten pro Stunde, was mit konventioneller Fertigung wesentlich mehr Zeit in Anspruch nehmen würde.
Auf zwei Seiten der Wasserstofftrennplatte sind die Ausgänge der mikropräzisen Kanäle sichtbar
Gemeinsam zum besten Resultat für einen Schritt in Richtung nachhaltige Zukunft
Der Prototyp einer geeigneten Wasserstofftrennplatte für das Membranmodul wurde von den Exentis Ingenieuren und 3D-Siebdruckspezialisten zusammen mit dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik ZBT entwickelt. Komplexe Kanäle stellen innerhalb des Bauteils sicher, dass der Wasserstoff zuverlässig gefiltert werden kann. Durch das Knowhow von Exentis konnte bereits im Designprozess sichergestellt werden, dass die Vorteile der Technologie genützt werden und zudem ein effizienter Fertigungsprozess ermöglicht wird.
Die grosse Flexibilität der Exentis Technologie ermöglicht es, dass Designänderungen am Bauteil im Projekt rasch umgesetzt werden konnten, neue formgebende Siebe sind innert 48 Stunden verfügbar. Zudem lässt sich für die Exentis Technologie nahezu jedes Material, das als Pulver verfügbar ist, zu einer druckfähigen Paste verarbeiten. Dies ermöglicht eine freie Materialwahl, um das Bauteil optimal an die Funktionalität anpassen zu können. Auch in Forschungsprojekten ein wichtiger Vorteil.
Fazit und Zusammenfassung
Die Exentis Technologie spielt eine wichtige Rolle in diesem Projekt zur Umwandlung von nachhaltig gewonnenem, grünem Wasserstoff. Die Technologie ermöglicht es, feinste Details und komplexe Strukturen in den Wasserstofftrennplatten herzustellen, welche eine Effizienzsteigerung und sehr reinen Wasserstoff ermöglichen, was mit herkömmliche Fertigungsverfahren so nicht möglich wäre.
Der 3D-Siebdruck ermöglicht auch die Perfektionierung ähnlicher Geometrien, wie sie zum Beispiel für Kupferbauteile mit Kühlkanälen zur Motorenkühlung oder Wärmeregulierung erforderlich sind. Diese Beispiele zeigen nur einige der zahlreichen Anwendungen auf, bei denen unsere additive Fertigungstechnologie entscheidende Vorteile bietet. Kontaktieren Sie uns, wir informieren Sie gerne über die umfangreichen Möglichkeiten von Exentis Industrialized Additive Manufacturing und finden gemeinsam mit Ihnen innovative Lösungen.
Im Rahmen der Energiewende werden in Deutschland emissionsfreie, erneuerbare Energien gefördert. Damit die erneuerbaren Energien nutzbar sind, müssen diese gespeichert und verwertet werden können. Das Projekt CAMPFIRE befasst sich deshalb mit der saisonalen und dezentralen Produktion von Ammoniak aus lokal erzeugtem Wind- oder Solarstrom, Luft und Wasser sowie dessen Verwertung als innovativer Energieträger für eine emissionsfreie maritime Mobilität sowie in der stationären Energieversorgung. Weitere Informationen zum Projekt finden Sie im nachfolgenden Link.