• Titelbild Wasserstoffelektrolyse

    Wasserstoffelektrolyseure

Wasserstoff – ein wandelbares Gas und Hoffnungsträger für die Zukunft

Wasserstoff übernimmt als Energieträger und Ausgangsstoff in diversen Produktionslinien eine Schlüsselfunktion auf dem Weg zu einer klimaneutralen Wirtschaft. Das Gas ist sehr wandelbar und kann auch in emissionsintensiven Industrieprozessen genutzt werden, z.B. in der Stahlproduktion oder der Grundstoff- und Chemieindustrie. 

 Im Straßen-, Schienen- und Flugverkehr kann Wasserstoff als alternativer Kraftstoff entweder in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen, in denen Strom zum Betrieb von Elektromotoren erzeugt wird, eingesetzt werden. Auch die Seefahrt lässt sich nicht direkt elektrifizieren, so dass der Umweg über die Verbrennung von Wasserstoff oder die Nutzung von H2-betriebenen Brennstoffzellen gegangen werden muss. Die derzeit eingesetzten fossilen Einsatzstoffe und Energieträger werden dann durch erneuerbare strombasierende Alternativen, die im Power-to-X-Verfahren hergestellt werden, ersetzt. 

Auch als indirekter Stromspeicher ist Wasserstoff gefragt. Die Strom erzeugenden erneuerbaren Energien Sonne und Wind erfordern verlässliche Energiespeichermethoden auf Grund ihres intermittierenden Charakters. Um die zeitliche Lücke zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch zu schließen, wird das Elektrolyseverfahren genutzt, in dem Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten und der Wasserstoff in verdichteter Form in Tanks eingelagert wird (Power-to-Gas-Verfahren). Bei Bedarf wird der Wasserstoff in einer Brennstoffzelle, die den Prozess der Elektrolyse praktisch umkehrt, dann wieder verstromt.

 

Weitertransport von Wasserstoff

Nach seiner Erzeugung im Elektrolyseverfahren kann Wasserstoff über Pipelines oder im Güterverkehr direkt zur weiteren Nutzung transportiert werden. Allerdings wird er wegen seiner niedrigen volumetrischen Energiedichte häufig nicht in seiner reinen Form als Gas transportiert, sondern entweder komprimiert, durch Tieftemperaturen in eine Flüssigkeit umgewandelt oder gebunden in Chemikalien wie Ammoniak oder Methanol. 

Für den Transport und die Verteilung von Wasserstoff wird in Deutschland teilweise die gut ausgebaute Erdgasnetzinfrastruktur mit angeschlossenen Gasspeichern genutzt. Die bestehenden Netze werden vorher auf Wasserstofftauglichkeit geprüft. Aber auch der umfassende Ausbau von dezidierten Wasserstoffnetzen ist geplant. 

Um Wasserstoff und seine Folgeprodukte zu einem zentralen Bestandteil der Dekarbonisierungsstrategie zu machen, muss seine gesamte Wertschöpfungskette – Technologien, Erzeugung, Speicherung, Transport über weite Strecken, Verteilung und Verwendung – auf Wirtschaftlichkeit und ein hohes, lückenloses Sicherheitsniveau eingehend untersucht werden. Die Anforderungen an Konstruktion, Qualität und Materialbeständigkeit sind besonders hoch durch die Gefahr der Wasserstoffversprödung und die große Explosionsfähigkeit des Gases. Kürzlich haben die Vereinten Nationen auf Antrag Deutschlands die größenabhängige Druckbegrenzung von Behältern beschlossen, um die Sicherheit im Transport und der Speicherung von Wasserstoff zu gewährleisten.

Die Elektrolyse

Zur Gewinnung von Wasserstoff ist die Elektrolyse ein bewährtes Verfahren. Die Elektrolysezelle hat zwei Kammern. Sie besteht aus Anode (positiv geladen), Kathode (negativ geladen) und dem Ionenleiter (Elektrolyt). Das Wasser wird im Kathodenraum aufgenommen und in zwei Teilreaktionen mit Hilfe von elektrischer Spannung in seine Grundbestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Für die Wasserstoff-Elektrolyse ist Energie notwendig, die entweder chemisch, elektrisch bzw. thermisch bereitgestellt wird oder klimaneutral durch die Verwendung von Sonnen-, Wasser- oder Windenergie. Je nachdem, woher der Strom für die Spaltung kommt, wird Wasserstoff farblich einsortiert. 

Alkalische Elektrolyse (AEL)

Bei der konventionellen alkalischen Elektrolyse werden nickelbasierte Elektroden, eine hydroxidionen-durchlässige Membran und eine wässrige Kaliumhydroxidlösung als Elektrolyt verwendet.
Das Wasser wird als Ausgangsstoff in den Elektrolyseur geleitet. An der Kathode entstehen dann unter Elektronenaufnahme Hydroxidionen und Wasserstoff. Die Hydroxidionen wandern aufgrund ihrer negativen Ladung durch die Membran zur Anode, wo sie unter Elektronenabgabe zu Sauerstoff und Wasser reagieren. Die AEL findet in einem Temperaturbereich zwischen 40 °C und 90 °C statt.
In der alkalischen Elektrolyse werden unedle Metalle als Katalysator verwendet, so dass diese Technologie vergleichsweise kostengünstig verfügbar ist. Daher ist sie insbesondere für größere Anlagen der 10 MW-Klasse oder höher geeignet.

Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM / PEMEL)

Während die alkalische Elektrolyse mit einer alkalischen Lösung arbeitet und die Trennung von Wasser- und Sauerstoff durch eine permeable Membran erreicht wird, bedient sich die PEM-Analyse eines sauren Milieus und einer gasdichten Membran. Diese lässt selektiv nur die Wasserstoffprotonen durch, während die Elektronen von der Kathode zum Anodenraum nach außen übertragen werden. Die Wasserstoffprotonen und die Elektronen rekombinieren im Anodenraum und bilden Wasserstoffgas. Die PEM findet in einem Temperaturbereich zwischen 20 °C und 100 °C statt.

Mit der PEM werden größere Stromdichten erzeugt. Ein weiterer Vorteil ist der Betrieb mit schwankenden Lastprofilen, so dass hier eine gute Möglichkeit besteht, die Elektrolyse klimaneutral mit erneuerbaren Energien zu koppeln, die bekanntlich abhängig von Sonnenintensität, Wasserströmung bzw. Windaufkommen sind. Allerdings erfordert das saure Milieu in der PEM-Elektrolyse sehr robuste Materialien. Aus diesem Grund werden die Katalysatoren aus Edelmetallen, wie z.B. Platin oder Iridium, hergestellt.
Bei der PEM-Elektrolyse steht die Kommerzialisierung großer Systeme erst am Anfang, so dass noch von erheblichen Kostensenkungspotenzialen ausgegangen werden kann. Langfristig gehen die Erwartungen dahin, dass die PEM-Technologie sogar günstiger in der Herstellung als die alkalische Elektrolyse sein wird.

 

Anionenaustauschmembranen-Elektrolyse (AEM)

Das Herzstück der AEM-Elektrolysezelle besteht aus der Membran-Elektrodeneinheit. Die Einzelzelle wird durch die semipermeable Anionenaustauschmembran in zwei Halbzellen unterteilt, von denen jede aus einer Elektrode, einer Gasdiffusionsschicht und einer Bipolarplatte aus Stahl besteht. 

Das zugeführte Wasserelektrolyt ist schwach alkalisch, da es nur 1% Kaliumhydroxid (KOH) enthält.  Es benetzt die Membran und wandert von der Anode zur Kathodenhalbzelle. Dort wird es in Wasserstoff und Hydroxidionen (OH-) aufgespalten. Der Wasserstoff entweicht über die Gasdiffusionsschicht, während sich die verbleibenden Hydroxidionen in der mildalkalischen Umgebung über die Membran in die Anodenhalbzelle zurückbewegen. Dort wird Sauerstoff aus den Hydroxidionen erzeugt und über die dortige Gasdiffusionsschicht freigesetzt. Für je zwei Einheiten Wasserstoff wird demnach eine Einheit Sauerstoff durch die Übertragung von vier Einheiten Elektronen erzeugt.

Das ausgetauschte Hydroxidion ist ein Anion und gibt diesem Elektrolyseverfahren seinen Namen. Die Elektrolyse findet in einem Temperaturbereich von 40 – 80 °C statt. Der hohe Druckunterschied zwischen den Halbzellen von mehr als 30 bar verhindert, dass der erzeugte Sauerstoff in die Hochdruck-Halbzelle übergeht. In diesem Verfahren wird sehr reiner und komprimierter Wasserstoff mit einem höheren Wirkungsgrad erzeugt, der leichter eingespeist werden kann. Gleichzeitig ist ein geringerer Reinheitsgrad des Wassers auf der Eingangsseite möglich, so dass beispielsweise gefiltertes Regen- oder Leitungswasser verwendet werden kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für die Bipolarplatten keine kostspieligen Platingruppenmetalle benötigt werden, da das Elektrolyt nur schwach alkalisch und daher mäßig korrosiv wirkt. Das AEM-Elektrolyseverfahren ist höchst flexibel, denn durch das schnellere Hoch- und Herunterfahren und einen möglichen Teillastbetrieb ist es geeignet für einen fluktuierenden Markt. Somit vereint es viele Vorteile der PEM- und AEL-Technologie.

Hochtemperatur-Elektrolyse (HT / HTEL)

Im Gegensatz zu den anderen Verfahren spaltet die Hochtemperatur-Elektrolyse, oder auch Dampfelektrolyse, kein flüssiges Wasser, sondern Wasserdampf in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Der Umwandlungsprozess findet bei Temperaturen zwischen 200 °C und 1.000 °C statt. Dieses Verfahren kann daher in energieintensive Industrien, z.B. die Stahlindustrie, eingebunden werden, da dort große Mengen an Abwärme meist ungenutzt zur Verfügung stehen. So wird Strom zum Beheizen eingespart und es können höhere Wirkungsgrade als bei der Niedertemperatur-Elektrolyse erreicht werden. 

Für die Trennung der Halbzellen wird ein festes Oxid (SOEC = solid oxide electrolyzer cell) genutzt. Der Dampf wird in die poröse Kathode eingespeist, dann an der Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche aufgespalten in reines H2 und Sauerstoffionen. Das Wasserstoffgas diffundiert durch die Kathode zurück, während die Sauerstoffionen durch den festen Elektrolyten geleitet werden. Dieser lässt ausschließlich die Sauerstoffionen durch, keinen Dampf und kein Wasserstoffgas. An der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Anode oxidieren die Sauerstoffionen und bilden reines Sauerstoffgas, das an der Oberfläche der Anode gesammelt wird.
In der Elektrolysezelle werden keine Edelmetallkomponenten benötigt, was erhebliches Kostensenkungspotential birgt. Die hohen Betriebstemperaturen belasten allerdings das Material und reduzieren die Lebensdauer der Elektrolysezellen zum Teil erheblich.

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