Der PEM-Elektrolyseur
Derzeit sind vier Elektrolyseverfahren bekannt, die sich in unterschiedlichen technischen Entwicklungsstadien befinden.
Der Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (auch „Proton Exchange Membrane Electrolysis“ oder kurz PEM-Elektrolyse) wird das Potential beigemessen, langfristig die derzeit am meisten ausgereifte und leistungsstärkere Alkalische Elektrolyse (AEL) hinsichtlich Leistung und Kosten zu überholen und damit die höchsten Zuwachsraten in der Produktion mittelfristig zu erzielen.
Die PEM-Elektrolyseanlage arbeitet mit aufbereitetem Wasser, welches mithilfe elektrischer Energie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Der im Prozess generierte Wasserstoff wird aufbereitet und an der Schnittstelle („delivery line“) mit 30 bis 40 bar Systemdruck übergeben.
Idealerweise wird die bei der Elektrolyse anfallende Wärme genutzt, um den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses zu erhöhen.
Schema – Allgemeiner Überblick Elektrolyse
Wasseraufbereitung
Bei der PEM-Elektrolyse wird das für die Zerlegung genutzte Wasser als Ultrareinstprodukt benötigt, wie es z.B. auch für die Pharma- und Halbleiterindustrie verwendet wird. Es muss frei von Partikeln und Salzen sein, so dass eine reine Deionisierung hierfür nicht ausreicht.
Häufig wird zu diesem Zweck ein Mischbettfilter als Feinreinigungsstufe verwendet, der die Restentsalzung von entsalztem Wasser in modernen Wasseraufbereitungsanlagen durchführt. Er entfernt die restlichen ionogenen Verbindungen, die als Schlupf in einer VE-Anlage vorhanden sind, durch eine Kombination von Kationen- und Anionenaustauschharz.
Geschlossener Elektrolyse-Kreislauf
Die Elektrolyse wird in den Anodenkreislauf (in der Abbildung grün dargestellt) und den Kathodenkreislauf (rote Sektion) unterteilt.
Im Anodenkreislauf (grün), der Sauerstoffseite des Prozesses, wird das Wasser nach einer Wasseraufbereitungsanlage bereitgestellt. Er ist aus unserer Erfahrung (zumindest teilweise) als kombinierter Prozess- und Kühlwasserkreislauf konzipiert.
Da in diesem Kreislauf ein Druck von 1 – 1,5 bar benötigt wird, ist ein Druckminderer des Typs DM 505 vor den geschlossenen Kreislauf geschaltet. Es können weitere Filter vor und hinter dem Ventil erforderlich sein. Die hier abgebildete Elektrolyse arbeitet mit einem Elektrolyse-Stack, in dem die Zerlegung des Ultrareinstwassers stattfindet. Die semipermeable Polymerelektrolytmembran lässt die Protonen nur in eine Richtung hindurch, was eine saubere Trennung der Kreisläufe ermöglicht.
Das erzeugte Sauerstoffgas muss aus dem entstehenden Wasser-/Sauerstoff-Zweiphasengemisch abgeschieden werden. Da der Wasseranteil höher ist als der Gasanteil, wird nach Austritt des Gemisches aus dem Elektrolyse-Stack ein Mankenberg Gasabscheider des Typs AS 5 eingesetzt. Das verbleibende, nicht zerlegte reine Wasser wird wieder dem Elektrolyse-Kreislauf zugeführt und fließt z.B. durch einen Wärmetauscher, der mit einem Be-/Entlüfter EB 1.12 zur Restgasabscheidung ausgestattet sein kann, zurück. Vor dem Wärmetauscher ist ein Kondensatableiter KA 2 angeordnet, der Restflüssigkeiten bzw. evtl. anfallenden Kondensatschlamm drucklos abführt.
Kathodenkreislauf (rot): Auf der anderen Seite der semipermeablen Membran fällt der Rohwasserstoff an. Er hat den Elektrolyse-Zellenstapel (Stack) mit ca. 30 bis 40 bar Druck verlassen. Diese Druckstufe bleibt erhalten, um keine Energie zu verschwenden.
Das erzeugte Wasserstoffgas ist wasserdampfgesättigt und muss für den Verbraucher aufbereitet werden. Die Trocknung kann mittels Fliehkraftabscheider Typ AS 2 erfolgen. Bei der Verwendung von Wärmetauschern sowie Reduzierung des Druckniveaus des abzuführenden Kondensats können ebenso Nachabscheideprozesse erforderlich werden, mit Abscheidern Typ AS 2 oder Ableitern Typ KA 2. Die Fliehkraftabscheider bieten eine Abscheiderate von 99 % und speisen das angesammelte Kondensat wieder vor der Aufbereitungssektion ein, während das trockene Wasserstoffgas zur Übergabesektion geleitet wird.
Die H2-Übergabesektion besteht aus zwei Überströmventilen und einem Puffertank.
Das erste Überströmventil UV 8.2 vor dem Tank ist auf 30 bar eingestellt und öffnet, sobald der Systemdruck nach dem Hochfahren des Systems erreicht ist. Der Puffertank wird auf 30 bar vorgespannt. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, steigt der Druck weiter an, so dass Überströmventil und Puffertank überfahren werden und das zweite Ventil bei 37,5 bis 40 bar öffnet und den Wasserstoff mit definiertem Druck abgibt.
Wasserstoffaufbereitung
Der strombasiert erzeugte Wasserstoff wird in bestehenden Gasinfrastrukturen gespeichert, transportiert und bedarfsgerecht wieder bereitgestellt. Auf Grund seiner relativ geringen volumetrischen Speicherdichte ist das Gas nur komprimiert lager- und transportfähig.
Zur Verdichtung werden seit Jahrzehnten Wasserstoffkompressoren genutzt, die die erforderlichen Mengen und Drücke für industrielle Anwendungen bereitstellen. Das verdichtete Wasserstoffgas wird über ein Ventil in einen Druckgasbehälter eingefüllt. Modulare Verdichtereinheiten sind eine effektive Lösung für den wachsenden Bedarf, z.B. für die Endverwendung an Wasserstofftankstellen für PKW- und Schwerlastverkehr. Verschiedene neue Verdichter-Technologien werden erforscht, um die Verfügbarkeit und Langzeitstabilität des Gases zu erhöhen.
Die Verflüssigung erhöht die Speicherdichte um ein Vielfaches. Dies ist für den Transport und die Lagerung von Wasserstoff von Vorteil. Das Gas ist bei -253 °C kryogen und kann durch Wärmeeintrag von außen verdampft werden. Seit den 1950er Jahren wird Flüssigwasserstoff in der Raumfahrtindustrie eingesetzt. Bei dieser Technologie ist der konstante Einsatz von Strom für die Verflüssigung erforderlich, was die Nutzung erneuerbarer Energien für diesen Prozess erheblich einschränkt.
