Wasserstoff-Elektrolyse

Die derzeit kommerziell am weitesten entwickelte Technologie zur Herstellung von Wasserstoff ist die Elektrolyse. Die Elektrolyse ist ein optimistischer Ansatz für die kohlenstofffreie Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren und nuklearen Ressourcen. Unter Wasserelektrolyse versteht man die Zersetzung von Wasser (H2O) in seine Grundbestandteile, Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), durch elektrischen Strom. Wasser ist eine vollständige Quelle für die Erzeugung von Wasserstoff, und das einzige Nebenprodukt, das während des Prozesses freigesetzt wird, ist Sauerstoff. Bei diesem Prozess wird elektrische Energie verwendet, die dann als chemische Energie in Form von Wasserstoff gespeichert werden kann.

Wie sieht das Verfahren aus?

Zur Herstellung von Wasserstoff wird bei der Elektrolyse elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, indem Elektronen in stabilen chemischen Bindungen gespeichert werden. Wie Brennstoffzellen bestehen Elektrolyseure aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen wässrigen Elektrolyten getrennt sind, je nach Art des Elektrolytmaterials und der Ionenart, die es leitet. Der Elektrolyt ist ein obligatorischer Bestandteil, da reines Wasser nicht in der Lage ist, genügend Ladung zu transportieren, da es keine Ionen enthält. An der Anode wird das Wasser zu Sauerstoffgas und Wasserstoffionen oxidiert. An der Kathode wird das Wasser zu Wasserstoffgas und Hydroxid-Ionen reduziert. Gegenwärtig gibt es drei führende Elektrolyseverfahren.

Alkalische Elektrolyseure (AEL)

Diese Technologie wird seit über 100 Jahren in industriellem Maßstab eingesetzt. Alkalische Elektrolyseure funktionieren über den Transport von Hydroxidionen (OH-) durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, wobei auf der Kathodenseite Wasserstoff erzeugt wird. Elektrolyseure arbeiten bei 100°-150°C und verwenden eine flüssige alkalische Lösung aus Natrium- oder Kaliumhydroxid (KOH) als Elektrolyt. Bei diesem Verfahren werden Anode und Kathode durch ein Diaphragma getrennt, das eine erneute Vermischung verhindert. An der Kathode wird Wasser zuH2 gespalten und setzt Hydroxidanionen frei, die durch das Diaphragma hindurchgehen und sich an der Anode rekombinieren, wo Sauerstoff entsteht. Da es sich hierbei um eine etablierte Technologie handelt, sind die Produktionskosten relativ niedrig und sie ist langzeitstabil. Allerdings gibt es einen Übergang in Gase, der den Reinheitsgrad beeinträchtigen kann, und es wird ein korrosiver Flüssigelektrolyt benötigt.

Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseure (PEM)

Die Polymer-Elektrolyt-Membran ist die neueste Technologie, die kommerziell zur Wasserstofferzeugung eingesetzt wird. In einem PEM-Elektrolyseur besteht der Elektrolyt aus einem festen Spezialkunststoff. PEM-Elektrolyseure arbeiten bei 70°-90°C. Bei diesem Verfahren reagiert das Wasser an der Anode unter Bildung von Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen). Die Elektronen fließen durch einen externen Kreislauf und die Wasserstoffionen bewegen sich selektiv durch die PEM zur Kathode. An der Kathode verbinden sich die Wasserstoffionen mit den Elektronen aus dem externen Kreislauf und bilden Wasserstoffgas. Im Vergleich zu AEL gibt es mehrere Vorteile: Die Produktgasreinheit ist im Teillastbetrieb hoch, das Systemdesign ist kompakt und hat eine schnelle Systemreaktion. Allerdings sind die Bauteilkosten hoch und die Lebensdauer gering.

Festoxidelektrolyseure (SOE)

AEL- und PEM-Elektrolyseure werden als Niedertemperatur-Elektrolyseure (LTE) bezeichnet. Festoxid-Elektrolyseure (SOE) hingegen werden als Hochtemperatur-Elektrolyseure (HTE) bezeichnet. Diese Technologie befindet sich noch im Entwicklungsstadium. Bei SOE wird ein festes keramisches Material als Elektrolyt verwendet, das negativ geladene Sauerstoffionen (O2-) bei hohen Temperaturen leitet und auf etwas andere Weise Wasserstoff erzeugt. Bei einer Temperatur von etwa 700°-800°C verbindet sich Wasserdampf an der Kathode mit Elektronen aus dem externen Kreislauf zu Wasserstoffgas und negativ geladenen Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen durchdringen die feste Keramikmembran und reagieren an der Anode zu Sauerstoffgas und erzeugen Elektronen für den externen Kreislauf. Die Vorteile dieser Technologie liegen in der hohen Wärme- und Stromeffizienz sowie den geringen Emissionen bei relativ geringen Kosten. Aufgrund des hohen Wärme- und Strombedarfs dauert die Inbetriebnahme allerdings länger.

Warum wird Wasserstoff als alternativer Kraftstoff in Betracht gezogen?

Wasserstoff wird im Rahmen des Energy Policy Act von 1992 als alternativer Kraftstoff angesehen. Mittels Elektrolyse hergestellter Wasserstoff kann, je nach Quelle der verwendeten Elektrizität, null Treibhausgasemissionen verursachen. Diese Technologie soll mit erneuerbaren (Wind, Sonne, Wasser, Erdwärme) und nuklearen Energieoptionen zusammenarbeiten, um praktisch keine Treibhausgas- und andere Schadstoffemissionen zu verursachen. Allerdings müssen die Kosten für diese Art der Erzeugung erheblich gesenkt werden, um mit ausgereifteren kohlenstoffbasierten Verfahren wie der Erdgasreformierung konkurrenzfähig zu sein. Es besteht ein Potenzial für Synergien mit der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Die Erzeugung von Wasserstoff als Kraftstoff und Strom könnte verteilt und in Windparks angesiedelt werden, was eine flexible Verlagerung der Produktion ermöglicht, um die Verfügbarkeit der Ressourcen optimal mit den betrieblichen Anforderungen des Systems und den Marktfaktoren in Einklang zu bringen.