Dec 12, 2024
Klimafreundlich hergestellter Wasserstoff wird künftig fossile Treib- und Brennstoffe im Mobilitätssektor, in der Industrie und in kommunalen Energieprojekten auf der ganzen Welt ersetzen. Allein in Deutschland soll die Produktionskapazität von grünem Wasserstoff bis zum Jahr 2030 auf zehn Gigawatt erhöht werden. Um den internationalen Wasserstoffhochlauf zu beschleunigen und rasch ausreichend Produktionskapazitäten für grünen Wasserstoff aufzubauen, kommt es auf den Einsatz der richtigen Technologie an. Wir betrachten Vor- und Nachteile von alkalischer Elektrolyse und PEM-Elektrolyse.
Grüner Wasserstoff ist der „Kraftstoff der Energiewende“. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen entstehen keine CO2 -Emissionen bei seiner Herstellung und auch später bei seiner Nutzung. Wichtig ist, dass die Energie für die Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen stammt. Erneuerbare Energien, grüner Wasserstoff und seine Derivate wie Ammoniak und Methanol sind besonders essenziell für die Energiewende in der Industrie und für den Schwerlastverkehr, wie Lkw, Schifffahrt und Luftfahrt.
Die Elektrolyse, die Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Strom, hat sich als das am besten geeignete Verfahren zur Herstellung von grünem Wasserstoff erwiesen. Es gibt verschiedene Elektrolyseverfahren: die PEM-Elektrolyse auf Basis der Proton Exchange Membrane (PEM)-Technologie und die Alkalische Elektrolyse (AEL). Diese sind die ausgereiftesten Verfahren. Weitere Elektrolyseverfahren sind die Hochtemperatur-Elektrolyse und die AEM-Wasserelektrolyse (AEM steht für Anion Exchange Membrane).
Während AEM und Hochtemperatur-Elektrolyse noch nicht die volle technische Reife erreicht haben und nur in Pilotprojekten oder im kleinen Maßstab betrieben werden, sind die Alkalische Elektrolyse und die PEM-Elektrolyse besonders wichtig für den schnellen Wasserstoff-Hochlauf. Insbesondere die PEM-Elektrolyse ist eines der wichtigsten Verfahren für die Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab aus erneuerbaren Energiequellen.
Was passiert im Elektrolyseur?
Die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse wurde bereits 1800 beschrieben und gehört zu den ältesten elektrochemischen Verfahren. Die Wasserstoffelektrolyse nutzt Strom, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten: Zwei Wassermoleküle (2 H2O) werden jeweils zu zwei Wasserstoffmolekülen (2 H2) und einem Sauerstoffmolekül (O2).
Die Elektrolyse benötigt zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode, Gleichstrom sowie einen flüssigen Elektrolyten für die Alkalische Elektrolyse oder eine saure Festelektrolytmembran für die PEM-Elektrolyse. Durch den Einsatz von Gleichstrom wird das Wasser in seine Bestandteile getrennt. Der Wasserstoff sammelt sich an der negativ geladenen Kathode und der Sauerstoff an der positiv geladenen Anode.
Alkalische Elektrolyse
Die Alkalische Elektrolyse ist fast 100 Jahre alt und die älteste im großen Maßstab verfügbare Technologie. Die Alkalische Elektrolyse verwendet Kaliumhydroxid (KOH) als Elektrolyt. Zwischen Kathode und Anode befindet sich eine Diaphragma, die für die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff undurchlässig ist und so deren Vermischung verhindert. Sie verhindert zudem die Bildung explosiver Gase. Die negativ geladenen Hydroxidionen können die Diaphragma passieren und zur Anode wandern. Die Kaliumhydroxidlösung wird ständig zirkuliert, wodurch eine kontinuierliche Entgasung gewährleistet ist.
Alkalische Elektrolyseure können jedoch weniger dynamisch auf Lastwechsel reagieren. Aus diesem Grund weist die Alkalische Elektrolyse einige Nachteile auf, wenn sie mit erneuerbaren Stromquellen gekoppelt wird: So nimmt beispielsweise die erreichbare Gasreinheit im Teillastbetrieb ab und es treten Degradationsprobleme auf. Ein Grund dafür ist der vergleichsweise träge Elektrolytkreislauf. Zudem benötigt die Alkalische Elektrolyse eine längere Kaltstartzeit.
PEM-Elektrolyse
Die PEM-Elektrolyse wurde vor etwa 50 Jahren entwickelt. Damit ist sie die neuere Technologie, aber wie die Alkalische Elektrolyse bereits im industriellen Maßstab kommerziell verfügbar. Anstelle eines flüssigen Elektrolyten verwendet die PEM-Elektrolyse einen festen Polymerelektrolyten, die protonenleitende „Proton Exchange Membrane“ oder „Polymer Electrolyte Membrane“ (PEM).
Die PEM-Elektrolyse ist im Wesentlichen die Umkehrung des Brennstoffzellenprinzips. Ein PEM-Elektrolyseur wird verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln. Der Prozess findet im Elektrolyse-Stack, dem Herzstück des Elektrolyseurs, statt. Während der Elektrolyse bewegen sich positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) durch die gasdichte Membran zur Kathode. Dort verbinden sie sich mit einem Elektron zu Wasserstoffmolekülen. Gleichzeitig wird auf der Anodenseite Sauerstoff abgeschieden, der je nach Systemtechnologie wiederverwendet werden kann. Die gasundurchlässige Membran sorgt dafür, dass sich die Elektrolyseprodukte Wasserstoff und Sauerstoff nicht vermischen. Im Gegensatz zur Alkalischen Elektrolyse benötigt der PEM-Elektrolyseur im internen Wasserkreislauf ausschließlich hochreines, deionisiertes Wasser. Die Verwendung dieses Wassers trägt dazu bei, die Katalysatoren vor Verunreinigungen zu schützen, wodurch Degradation und der allmähliche Verlust von Leistung und Effizienz verhindert werden.
Die Verwendung von hochgereinigtem, deionisiertem Wasser trägt auch dazu bei, dass der erzeugte Wasserstoff eine höhere Reinheit aufweist als bei anderen Elektrolysetechnologien.
