Die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse ist der meist angewandte Weg zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, einem sauberen Energieträger, der eine entscheidende Rolle in der Energiewende spielen könnte. Doch wie funktioniert ein Elektrolyseur, welche Bauarten gibt es und welche Wasser- und Energieanforderungen bestehen? Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise und die unterschiedlichen Technologien von Elektrolyseuren.
So wird in einem Elektrolyseur Wasser zu grünem Wasserstoff
Ein Elektrolyseur ist ein Gerät, das Wasser (H₂O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt, indem elektrischer Strom durch das Wasser geleitet wird. Dieser Prozess, bekannt als Elektrolyse, umfasst mehrere zentrale Komponenten:
- Stromquelle: Eine Gleichstromquelle liefert den notwendigen elektrischen Strom.
- Elektroden: Zwei Elektroden – eine Anode (positiv geladen) und eine Kathode (negativ geladen) – sind die Hauptbestandteile in einem Elektrolyseur.
- Elektrolyt: Ein Elektrolyt, oft eine wässrige Lösung, leitet den Strom zwischen den Elektroden.
An der Anode wird Wasser oxidiert, wobei Sauerstoff, Protonen und Elektronen freigesetzt werden. An der Kathode werden die Protonen reduziert und es entsteht Wasserstoffgas. Der erzeugte Wasserstoff kann gesammelt und als Energieträger genutzt werden, während Sauerstoff als Nebenprodukt freigesetzt wird.
Typen von Elektrolyseuren
Es gibt drei Haupttypen von Elektrolyseuren, die sich in der verwendeten Technologie und ihren spezifischen Anwendungen unterscheiden (sciencedirct 2021):
- Alkalische Elektrolyse (AEL)
Diese Technologie verwendet einen flüssigen alkalischen Elektrolyten, meist Kalium- oder Natriumhydroxid, und Nickel-basierte Elektroden. Alkalische Elektrolyseure sind kostengünstig und langlebig, haben jedoch niedrigere Stromdichten und längere Anlaufzeiten. - Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEMEL)
PEM-Elektrolyseure nutzen eine feste Protonenaustauschmembran und Elektroden aus Edelmetallen wie Platin oder Iridium. Sie bieten hohe Stromdichten und Effizienz sowie schnelle Anlaufzeiten, sind jedoch teurer und empfindlicher gegenüber Wasserverunreinigungen. - Festoxid-Elektrolyse (SOEL)
Diese Technologie arbeitet bei hohen Temperaturen (700–1000 °C) und verwendet einen festen keramischen Elektrolyten aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid. Festoxid-Elektrolyseure bieten höchste Effizienz und ermöglichen die CO₂-Elektrolyse zur Erzeugung von Synthesegas, sind jedoch komplex und teuer.
Wasser- und Energieanforderungen
Die Qualität des verwendeten Wassers ist für den Betrieb eines Elektrolyseurs entscheidend. In der Regel wird destilliertes oder deionisiertes Wasser bevorzugt, da Verunreinigungen die Effizienz beeinträchtigen und die Lebensdauer der Elektroden und Membranen verringern können. Alkalische Elektrolyseure sind etwas toleranter gegenüber Verunreinigungen, während PEM-Elektrolyseure sehr reines Wasser benötigen. Festoxid-Elektrolyseure erfordern ebenfalls sehr reines Wasser, um die Effizienz und Lebensdauer des Systems sicherzustellen.
Für die Erzeugung von 1 Kilogramm Wasserstoff sind etwa 9 Liter Wasser erforderlich. Der Energiebedarf liegt zwischen 50 und 60 kWh (Kilowattstunden) pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff, abhängig von der Effizienz des Elektrolyseurs. Wasserstoff besitzt einen Energiegehalt von etwa 33 kWh pro Kilogramm. Ein Kubikmeter Wasserstoff hat einen Energiegehalt von etwa 3,0 kWh. Im Vergleich dazu hat ein Kubikmeter Erdgas bei gleichem Druck und gleicher Temperatur einen Energiegehalt von etwa 10,55 kWh. Das bedeutet, dass Erdgas pro Volumeneinheit einen höheren Energiegehalt hat als Wasserstoff. Um dieselbe Energiemenge zu liefern, sind daher mehr als das dreifache Volumina an Wasserstoff erforderlich.
Verdichtung und Verflüssigung von Wasserstoff zum Transport
Nach der Erzeugung muss Wasserstoff aufgrund seines großen Volumens komprimiert oder verflüssigt werden, um Transport und Lagerung zu erleichtern. Die Verdichtung auf 700 bar, wie es für den Transport und die Lagerung von gasförmigem Wasserstoff erforderlich ist, benötigt zusätzliche Energie, die etwa 10–15 % des Energiegehalts des Wasserstoffs beträgt, d. h. für ein Kilogramm Wasserstoff wird noch einmal zwischen 3 und 5 kWh Strom benötigt. Die Verflüssigung von Wasserstoff ist noch energieintensiver und erfordert etwa 30–40 % des Energiegehalts des Wasserstoffs, d. h. bei zur Verflüssigung von Wasserstoff fallen noch einmal zwischen 10 und mehr als 13 kWh an. Dies bedeutet, dass die Gesamtenergiekosten für die Herstellung und Aufbereitung von Wasserstoff für den Endverbraucher signifikant sind. Die Energie zur Aufbereitung des Wassers ist in dieser Bilanz noch gar nicht enthalten. Die Wasseraufbereitung kann zusätzliche Energie erfordern, insbesondere bei der Verwendung von entsalztem Meerwasser.
Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom
Elektrolyseure arbeiten mit Gleichstrom (DC), während das öffentliche Stromnetz meist Wechselstrom (AC) liefert. Um den für die Elektrolyse notwendigen Gleichstrom bereitzustellen, muss der Wechselstrom zuerst umgewandelt werden. Dieser Umwandlungsprozess ist jedoch nicht verlustfrei und führt zu zusätzlichen Energieverlusten. Typischerweise betragen die Verluste bei der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom etwa 5 – 10 %. Diese Verluste müssen, sofern die Elektrolyseure nicht direkt mit Gleichstrom versorgt werden können, in der Gesamtenergiebilanz ebenfalls noch berücksichtigt werden, da sie den Energiebedarf weiter erhöhen.
Warum die Wirkungsgrade von Elektrolyseuren nur die halbe Wahrheit sind
Elektrolyseure spielen eine zentrale Rolle in der Produktion von grünem Wasserstoff. Die Wahl des Elektrolyseurs hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Effizienz, Kosten, Flexibilität und spezifische Anwendungen. Alkalische Elektrolyseure sind kostengünstig und bewährt, PEM-Elektrolyseure bieten hohe Effizienz und Flexibilität, während Festoxid-Elektrolyseure höchste Effizienz bei hohen Betriebskosten und Komplexität bieten. Eine sorgfältige Wasseraufbereitung ist notwendig, um eine optimale Effizienz und Lebensdauer der Elektrolyseure zu gewährleisten. Die zusätzlichen Energieanforderungen für die Verdichtung oder Verflüssigung von Wasserstoff sowie die Energie zur Wasseraufbereitung müssen ebenfalls berücksichtigt werden.
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