Elektrolyseverfahren für die Wasserstoff-Produktion erklärt

Die Elektrolyse ist ein Verfahren, welches unter anderem für die Produktion von Wasserstoff genutzt wird. Dabei werden chemische Verbindungen durch elektrischen Strom aufgespalten. Um als Endprodukt Wasserstoff zu erhalten, wird das Molekül Wasser (H₂O) in seine gasförmigen Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgetrennt. Dafür sind zwei Elektroden, eine Gleichstromquelle und eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit – auch Elektrolyt genannt – notwendig. Ein solcher Aufbau wird als Elektrolysezelle, selten auch als Elektrolyseur bezeichnet.

Ist in Industrieprojekten von mehreren Mega- oder Gigawatt-Leistung eines Elektrolyseurs die Rede, handelt es sich um viele einzelne Elektrolysestacks, wovon jedes wiederum aus über hundert der beschriebenen Elektrolysezellen besteht.

Stammt der für die Elektrolyse eingesetzte Strom aus erneuerbaren Quellen, also aus Wasser-, Wind- oder Solarenergie, wird von grünem Wasserstoff gesprochen. Dieser ist für die Energiewende von Bedeutung, da er an vielen Stellen fossile Energieträger ersetzen könnte – direkt oder indirekt. Denn Wasserstoff kann nicht nur in seiner Molekülform fossile Brennstoffe ersetzen, sondern kann auch als Ausgangsprodukt bei der Produktion synthetischer Kraftstoffe mittels Power-to-X-Verfahren dienen.

So oder so ermöglicht er der Industrie, langfristig ihren CO₂-Fußabdruck zu senken. Im Umkehrschluss gibt es auch ein hohes Interesse an der Elektrolyse als dasjenige Verfahren, das die Industrie befähigt grünen Wasserstoff ohne CO₂-Ausstoß zu produzieren. Mittlerweile gibt es vier verschiedene Elektrolysemethoden, die wir Ihnen im Folgenden vorstellen.

Die älteste kommerzielle – und damit die, mit dem am weitesten entwickelten technischen Stand – Elektrolysetechnologie nennt sich alkalische Elektrolyse oder kurz AEL. Alkalisch deshalb, weil der genutzte Elektrolyt einen alkalischen beziehungsweise basischen pH-Wert hat.

Eine für die AEL geeignete Zelle besteht aus einer Kammer in der eine Kathode als Minuspol und eine Anode als Pluspol von einer gasdichten Membran (Diaphragma) getrennt sind. Die Kammer ist mit dem namensgebenden wässrigen alkalischen Elektrolyten gefüllt. Wird an den beiden Elektroden eine Spannung angelegt, entsteht an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff. Da das Diaphragma gasundurchlässig ist, vermischen die entstehenden Gase sich nicht, sondern können jeweils auf ihrer Seite der Kammer abgeschieden werden.

Die AEL ist robust, benötigt kaum kritische Rohstoffe wodurch das Verfahren kostengünstig ist und die entsprechenden Elektrolyseure sind langlebig. Allerdings hat die AEL verglichen mit anderen Methoden eine bis um den Faktor fünf geringere Stromdichte, was zu einer geringeren Wasserstoff-Ausbeute führt. Zudem reagieren AEL-Systeme langsam auf Lastwechsel, was ihre Integration in volatile erneuerbare Energiesysteme erschwert. Gut eignen sie sich hingegen für den Dauerbetrieb mit stabiler Stromversorgung, etwa in der Grundlast-Stromerzeugung aus Wasserkraft oder im industriellen Maßstab.

Typische Einsatzbereiche der AEL sind großtechnische Wasserstoff-Anlagen in Raffinerien, Düngemittel- oder Chemiebetrieben, wo ein kontinuierlicher Betrieb gefragt ist. Für die Energiewende bleibt AEL solange ein zentraler Baustein wie Skalierung, Langlebigkeit und niedrige Kosten verlangt werden.

Die namensgebende Komponente der PEM-Elektrolyse ist die Protonenaustausch-Membran, die bei dieser Elektrolysetechnologie Anode und Kathode voneinander trennt und von Wasser umgeben ist. Die PEM ist wie das Diaphragma bei der AEL gasundurchlässig. Wenn an die Elektroden in der Elektrolysezelle eine Spannung angelegt wird, oxidiert das Wasser an der Anode zu Sauerstoff und die Wasserstoff-Ionen wandern – getrennt von ihren Elektronen – durch die Membran hindurch, um sich an der Kathode mit freien Elektronen zu Wasserstoff-Atomen zu kombinieren. Aufgrund des sauren Milieus kommen nicht viele Materialien für die Elektroden in Frage. Die Kathode ist meist mit Platin beschichteter Kohlenstoff, während für die Anode Beschichtungen aus Iridium und Ruthenium genutzt werden.

Die PEM-Technologie hat eine kompakte Bauweise, verfügt über eine hohe Stromdichte und eine gute Dynamik. PEM-Systeme reagieren schnell auf Lastwechsel und eignen sich darum für den Betrieb mit fluktuierenden erneuerbaren Energien, etwa Wind- oder Solarstrom. Anwender können sie gut in modulare, dezentrale Produktionssysteme integrieren – auch als Containerlösungen.

Die Technologie wird bereits für Pilot- und Industrieprojekte genutzt, ist aber bisher kostenintensiver als AEL. Grund dafür sind der aufwendige Aufbau, teure Katalysatormaterialien wie Iridium und Platin sowie die bislang geringere Lebensdauer verglichen mit AEL. Dennoch gilt die PEM-Elektrolyse als Schlüsseltechnologie für flexible Anwendungen in der Energiewirtschaft und dezentralen Industrie. Gerade bei Wasserstoff-Tankstellen, Power-to-X-Projekten und in Kombination mit Wind- oder Solarparks ist sie oft die bevorzugte Lösung.

Die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM) vereint gewissermaßen die Eigenschaften von AEL und PEM. Sie nutzt eine feste Anionen-Austauschmembran, durch die negativ geladene Hydroxid-Ionen (OH⁻) zur Anode wandern, wo Sauerstoff entsteht – der Wasserstoff entsteht an der Kathode. AEM-Systeme arbeiten im alkalischen Milieu benötigen im Gegensatz zu AEL allerdings keinen flüssigen Elektrolyten. Dadurch kombinieren sie günstige Katalysatoren – wie bei der AEL – mit den Vorteilen fester Elektrolyte aus der PEM-Technologie. Statt teurer Edelmetalle wie Platin und Iridium können Nickel oder andere preiswertere Materialien für das Beschichten der Elektroden genutzt werden.

Die AEM-Elektrolyse befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Zwar existieren bereits Pilotanlagen, vor allem durch Start-ups, doch Herausforderungen bestehen bei Lebensdauer, Skalierung und industrieller Serienreife. Sollte die Technologie wirtschaftlich werden, hätte sie potenziell ein attraktives Kosten-Nutzen-Verhältnis. Ein AEM-Elektrolyseur könnte flexibel an- und abgefahren werden und demnach gut auf Lastwechsel reagieren. Die Wasserstoff-Ausbeute wäre höher als bei einem AEL-Elektrolyseur bei ähnlichen Kosten.

Die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTE) arbeitet bei Temperaturen zwischen 100 °C und 1.000 °C und spaltet Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff. Zum Einsatz kommen dabei Festoxid-Zellen (Solid-Oxid-Electrolysis-Cell, SOEC), bei deren Elektrolyten es sich meist um keramische Materialien handelt. Durch die hohen Temperaturen ist die thermodynamische Energie im System so hoch, dass für das Aufspalten des Wasserdampfes weniger elektrische Energie als für das Aufspalten von flüssigem Wasser nötig ist. Dadurch hat die HTE von den vier Elektrolysemethoden den höchsten Wirkungsgrad.

Bei der HTE haben Anwender zudem die Möglichkeit der Co-Elektrolyse, bei der Wasser und Kohlendioxid in Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufgespalten werden. Es entsteht ein Synthesegas, das gespeichert aber auch in andere höherwertige Produkte umgewandelt werden kann.

Werden entsprechende Elektrolyseure in Anlagen für energieintensive Industrieprozesse integriert, lässt sich die vorhandene Prozesswärme optimal nutzen. Somit ist HTE besonders interessant für Branchen mit kontinuierlich verfügbarer Hochtemperatur-Wärme – etwa in der Glas-, Zement- oder Stahlindustrie. Langfristig könnte HTE zur effizientesten Form der Elektrolyse werden, sobald die technologischen Hürden überwunden sind.