| Key Facts |
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Was ist das Grundprinzip der Wasser-Elektrolyse?
Wasser wird mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dabei wird das Wassermolekül (H2O) durch die Zuführung von Strom (negativ geladener Elektronen e-) in elektrisch geladene Kationen und Anionen gespalten, welche anschließend zu Wasserstoff- und Sauerstoff-Molekülen (H2, O2) reagieren. Dabei wird aufgrund der Struktur des Wassers mit zwei Wasserstoffatomen pro Sauerstoffatom die doppelte Menge Wasserstoff im Vergleich zum Sauerstoff erzeugt. [1]
Die chemische Formel dieser Redox-Reaktion lautet: 
Der Prozess der Wasserelektrolyse ist reversibel. Der umgekehrte Prozess, bei dem aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasser sowie elektrische Energie entsteht, läuft in einer galvanischen Zelle, bzw. Brennstoffzelle ab. [1]
Welche Elektrolyse-Technologien gibt es?
Alkalische Elektrolyse - AEL
Seit fast hundert Jahren ist die alkalische Elektrolyse (AEL) die am häufigsten eingesetzte und am weitesten entwickelte Technologie. Aufgrund einer langen Lebensdauer und den eingesetzten Katalysatormaterialien ergeben sich Kostenvorteile. Allerdings kann ohne aufwendigere Nachbereitung (wie etwa Gasaufbereitung oder Trocknung) nicht die gewünschte Reinheit des Wasserstoffes von 99,999 % erreicht werden. Als Elektrolyt wird der Gefahrenstoff Kaliumhydroxid in Form einer 25-prozentigen Kalilauge eingesetzt. [2, 3]
Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau und die Prozessschritte bei der AEL.
Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse - PEM-EL
Die trockene Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse oder Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (englisch proton-exchange-membrane) (PEM-EL) nutzt zur Trennung der Produktgase und Protonenleitung ein festes Kunststoffelektrolyt als Membran und zeichnet sich durch eine dynamische Betriebsweise aus. Diese eignet sich ideal zum Ausgleich der schwankenden Erzeugungsleistung von erneuerbaren Energien wie Photovoltaik und Windenergie. Von Nachteil sind die teuren verwendeten Edelmetallkatalysatoren aus Platin und Iridium. [2, 3]
Abbildung 3 zeigt den schematischen Aufbau und die Prozessschritte bei der PEM-EL
Hochtemperatur-Elektrolyse - HTEL (SOEC)
Die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL) bzw. Festoxid-Elektrolyseurzelle (englisch solid oxide electrolyzer cell, SOEC) hat die höchsten Wirkungsgrade zur Wasser-Spaltung. Durch den Einsatz von sehr heißem Wasserdampf wird die benötigte elektrische, durch zusätzliche thermische Energie substituiert. Jedoch bedingen die hohen Temperaturen lange Aufwärmzeiten, wodurch das Einsatzgebiet auf stationäre Anwendungen begrenzt wird. Es kommen poröse Elektroden und eine keramische Elektrolyt-Membran zum Einsatz, welche spezielle Materialien wie Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Cermet oder Lanthan-Strontium-Manganit erfordern. [2, 5, 6]
Die Abbildung 4 zeigt den schematischen Aufbau und die Prozessschritte bei der HTEL.
Abbildung 4: Schema und Prozessschritte bei der Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL), eigene Darstellung nach [2, 5, 6], *Abkürzungen: Ni: Nickel; YSZ: Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid; Cermet: Verbundwerkstoff aus einem keramischen Werkstoff in einer metallischen Matrix; LSM: Lanthan-Strontium-Manganit.
Anionen-Austauschmembran-Elektrolyse - AEM-EL
Zurzeit entwickelt die Firma Enapter die Anionen-Austauschmembran-Elektrolyse (englisch anion exchange membrane electrolyses, AEM-EL) weiter, welche die Vorteile der PEM-EL und der AEL verknüpft. Vorteile sind hinsichtlich der Materialien, dass verglichen mit dem PEM keine Platinmetalle notwendig sind. Gegenüber der AEL kann der Prozess mit einem Elektrolyt aus Kalilauge betrieben werden, die lediglich eine Konzentration von 1 Massenprozent Kaliumhydroxid aufweist [7]. Diese Art der Elektrolyse zeichnet sich somit durch günstige Katalysatoren aus, wodurch die Systemkosten gesenkt werden. Allerdings sind die Lebensdauer und die Stromdichte bislang, verglichen mit den anderen Erzeugungsarten, noch weiter zu optimieren und zu erforschen. [2]
Die Abbildung 4 zeigt den schematischen Aufbau und die Prozessschritte bei der HTEL.
Vergleich der Technologien
Der tabellarische Vergleich der vier vorgestellten Technologien erfolgt in der nachfolgenden Tabelle 1. Die Angaben dienen als Anhaltswerte.
Tabelle 1: Vergleich der Elektrolyse-Technologien A-EL, PEM-EL, HT-EL und AEM-EL
| Technologie | A-EL | PEM-EL | HT-EL (SOEC) | AEM-EL |
|---|---|---|---|---|
| Schematische Darstellung |
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| Kathodenreaktion (HER) [7, 8] |
4 H2O + 4e- → 2 H2 + 4 OH- | 4H+ + 4 e- → 2 H2 | 2 H2O + 4 e- → 2 H2 + 2 O2- | 4 H2O + 4e- → 2 H2 + 4 OH- |
| Ladungsträger [7, 8] | OH- | H+ | O2- | OH- |
| Anodenreaktion (OER) [7, 8] |
4 OH- → O2 + 2 H2O + 4 e- | 2 H2O → O2 + 4H+ + 4e- | 2 O2- → O2 + 4e- | 4 OH- → O2 + 2 H2O + 4 e- |
| Elektrolyt [2, 3, 7] | Stark alkalisch (25 %ige Kalilauge) | Sauer (in fester Polymer-Membran, platinmetallhaltige Katalysatoren) | O2--leitende Keramik-Elektrolyt-Membran | Alkalisch (1 %ige Kalilauge + feste Polymer-Membran) |
| Temperaturbereich [2, 8] | 60 - 95 °C | 50 - 80 °C | 700 - 1000 °C | 40 - 80 °C |
| Druck [2, 7] | atm. - 32 bar | atm. - 40 bar | 1 - 3 bar | 1 bar (O2) / 30 - 35 bar (H2) |
| Wirkungsgrad (bis zu) [2, 9] | 65 % | 65 % | 82 % | 68 % |
| Spezifischer Strom-verbrauch [1, 7] | 4,6 kWhel/m3H2 | 4,8 kWhel/m3H2 | 3,8 kWhel/m3H2 | 4,8 kWhel/m3H2 |
| Wasserstoff-Reinheit [2, 7, 10, 11] | 99,9 % | 99,999 % | 90 % H2 / 10 % H2O nach Kathode (99,99 % nach Gasaufbereitung) | 99,9 % (99,999 % nach Trocknung) |
| Investitions-Kosten [2, 9, 12] | 500 - 1.200 €/kW | 1.000 - 1.800 €/kW | 1.200 - 2.000 €/kW | 3.750 €/kW |
| Eingesetzt seit [1, 9, 13, 14] | 1927 | 1973 | 1980er | 2012 |
| Wer vermarktet die Technologie? [1, 7, 15] | De Nora SAP, Norsk Hydro, Electrolyzer Corp, Teledyne Energy Systems, General Electric, Thyssenkrupp Uhde | ITM Power GmbH, Siemens AG, Westnetz | Sunfire GmbH | Enapter |
H2-Informationen und Umrechnungshilfen
Die Tabelle 2 fasst die wesentlichen Kenndaten für Wasserstoff zusammen.
Tabelle 2: Kenndaten und praktische Informationen für H2 nach [16]
| Wasserstoff-Daten | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Heizwert1 | 33,33 kWh/kg ≙ 3,00 kWh/m3 | ||||||||
| Brennwert1 | 39,41 kWh/kg ≙ 3,54 kWh/m3 | ||||||||
| Unterer Wobbe-Index1 | 11,361 kWh/m3 | ||||||||
| Oberer Wobbe-Index1 | 13,428 kWh/m3 | ||||||||
| Dichte1 | 0,0899 kg/m3 | ||||||||
| Gasvolumen1 | 11,1235 m3/kg | ||||||||
| Explosionsgrenze in Luft | 4,0 - 75,0 Vol.-% | ||||||||
| Umrechnung | 1 kg ≙ 11,891 m3 (15 °C, 1 bar) ≙ 14,126 Liter (flüssig, 1,013 bar) | ||||||||
| Gasvolumen von 1 kg H2 (≙ 33,33 kWh) abhängig vom Druck (bei 0 °C) | |||||||||
| Druck (bar) | 1,013 | 50 | 100 | 200 | 300 | 350 | 500 | 700 | 1000 |
| Volumen (m3) | 11,12 | 0,233 | 0,120 | 0,064 | 0,045 | 0,040 | 0,030 | 0,024 | 0,019 |
1unter Normbedingungen (1,013 bar, 0 °C)