Elektrolyseure:

Ohne Elektrolyse gibt es keinen grünen Wasserstoff und damit auch keine flächendeckende und langfristige Reduzierung von Emissionen – doch wie wird Wasserstoff eigentlich hergestellt? Was ist ein Elektrolyseur und welche Arten gibt es? Welche Rolle spielen die Zellspannung und die Stromdichte bei der Elektrolyse und welchen Beitrag leistet die Messtechnik von DILICO engineering um diese Technologie zu verbessern? Im Folgenden sollen diese Fragen beantwortet werden. Wasserstoff-Elektrolyseure spielen eine entscheidende Rolle in der Energiewende, da sie die Produktion von klimaneutralem Wasserstoff ermöglichen, der in verschiedenen Industrien als Energieträger genutzt werden kann.

Der Elektrolyseur gehört zu den essenziellen Wasserstofftechnologien einer Wasserstoffwirtschaft. Mit seiner Hilfe kann Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Die Elektrolyse stellt somit die Umkehrreaktion der Brennstoffzelle dar. Ein Elektrolyseur besteht aus mehreren aneinander gereihten Elektrolysezellen, in denen die notwendige Redoxreaktion durch zugeführte elektrische Energie erzwungen wird.

Bei der Elektrolyse gibt es verschiedene Verfahren, um Wasserstoff herzustellen. Diese unterscheiden sich hauptsächlich durch die verwendeten Elektrolyten, die Betriebstemperatur und durch den Aufbau der Elektrolysezelle. Nachfolgend wird auf die drei bekanntesten Arten der Elektrolyse eingegangen und die Funktionsweise kurz erklärt.

Die Alkalische ELektrolyse (Kurz: AEL) nutzt als Elektrolyt eine Kalilauge und eine durchlässige Membran, das sogenannte Diaphragma, welche die beiden Elektroden voneinander trennt. Die Elektroden werden in eine alkalisch wässrige Lösung eingetaucht. Legt man nun eine Spannung an, entsteht an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Der große Vorteil dieser Form der Elektrolyse liegt darin, dass die Technologie eine hohe Langzeitstabilität und geringe Investitionskosten aufweist. Der Wirkungsgrad bei der Alkalischen Elektrolyse liegt aktuell bei ca. 65 % und es können bis zu 90.000 Betriebsstunden erreicht werden. Die Elektrolyseanlagen können im Leistungsbereich von bis zu 130 Megawatt liegen und sind bereits weltweit im Einsatz.

Die Proton-Austausch-Membran Elektrolyse (engl. Proton-Exchange-Membrane, kurz: PEM) oder auch Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse genannt, nutzt als Elektrolyt eine dünne Membran aus thermoplastischem Kunststoff (Ionomer). Anode und Kathode werden durch diese gasdichte Membran getrennt. Nur positive Wasserstoffionen können die Membran passieren. Auf Grund der Ionenwanderung gehört dieses Verfahren der Elektrolyse zu den sauren Verfahren. Dadurch wird der Einsatz von Edelmetallen für die Katalysatoren notwendig, um Korrosion zu vermeiden. Der Vorteil dieser Technologie ist das gute Lastwechselverhalten. Sie kann schnell auf Schwankungen der zugeführten Energie reagieren und problemlos in Teillast betrieben werden. Der Wirkungsgrad der PEM-Elektrolyse liegt aktuell bei ca. 63 % und ist somit leicht geringer als bei der alkalischen Elektrolyse. Da die Technologie noch relativ neu ist, sind die Investitionskosten wesentlich höher als bei der alkalischen Elektrolyse. Der Leistungsbereich der Anlagen erreicht Werte bis zu 6 Megawatt.

Die Feststoffoxid Elektrolyse (engl. Solid Oxide Electrolysis, kurz: SOE) nutzt als Elektrolyt einen festen keramischen Werkstoff, welcher die beiden Halbzellen trennt. Das Wasser wird in Form von Wasserdampf den Reaktionskammern zugeführt. Diese Art der Elektrolyse befindet sich aktuell im Übergang von der Forschung zur industriellen Anwendung. Diese Technologie zählt zu der Hochtemperaturelektrolyse, wird bei Temperaturen von 600-900 °C betrieben und kann einen sehr hohen Wirkungsgrad von über 80 % erreichen. Die Investitionskosten liegen ungefähr auf dem Niveau der PEM-Elektrolyse. Vor Kurzem wurde von der Firma Sunfire GmbH der größte SOE-Elektrolyseur der Welt mit einer Leistung von 250 kW in Betrieb genommen.