Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 4.2.1.1

Teil 4.2.1.1 | Verschiedene Elektrolyseurtypen

Elektrolyseure unterscheiden sich nach der Art des Elektrolyten, nach der Auftrennung der Gase und auch nach Druck und Temperatur.

Am weitesten verbreitet ist die Chlor-Alkali-Elektrolyse. Diese erfolgt in der Regel nicht zur Wasserstofferzeugung, sondern vor allem zur Gewinnung von Chlor aus Natriumchlorid (besser bekannt als Kochsalz). Dabei entstehen Natronlauge und Wasserstoff als Nebenprodukte. Als Elektrolyt wird 20- bis 40-prozentige Kalilauge verwendet. Die gasdichte Trennwand (Diaphragma) lÀsst OH-Ionen passieren und trennt zugleich die entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff voneinander. Alkalische Elektrolyseure sind sehr effizient und weit ausgereift.

Die Chlor-Alkali-Elektrolyse wird beispielsweise in Köln-HĂŒrth, im Chemiepark Knapsack, großtechnisch durchgefĂŒhrt. Lange Zeit wurde der dort anfallende Wasserstoff einfach gemeinsam mit Erdgas verbrannt. Inzwischen wird jedoch ein gewisser Anteil ĂŒber eine Rohrleitung an das AbfĂŒllwerk HĂŒrth geliefert und dort fĂŒr die Weiterverwertung aufbereitet. Die QualitĂ€t des komprimierten und gereinigten Wasserstoffs kann den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Der Standardreinheitsgrad betrĂ€gt 99,9 Prozent. Durch Nachreinigungsprozesse (Adsorption) kann die QualitĂ€t vor Ort bis auf 99,999 Prozent gesteigert werden. So können etwa 2.500 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde abgefĂŒllt und einer weiteren Verwendung zugefĂŒhrt werden.

Die alkalische Elektrolyse ist auch außerhalb der Chlorherstellung die am lĂ€ngsten erprobte und weltweit verbreitete Form der Elektrolyse: Der weltweit grĂ¶ĂŸte alkalische Elektrolyseur wird am Assuanstaudamm in Ägypten betrieben. Er produziert fast drei Tonnen Wasserstoff pro Stunde und hat eine elektrische Nennleistung von 156 Megawatt.

Alkalische Elektrolyseure sind verhĂ€ltnismĂ€ĂŸig gĂŒnstig zu bauen und haben eine hohe Lebensdauer. Die Betriebstemperatur liegt bei leicht handhabbaren 40 bis 90 °C. Allerdings können sie nur recht langsam auf Lastwechsel reagieren. Das liegt nicht an der Elektrolyse an sich, sondern daran, dass die Kalilauge im Kreis gefĂŒhrt werden muss, was ein etwas trĂ€ger Prozess ist. Bei Teillast ist außerdem die Reinheit des Gases schlechter. Dies machte sie lange Zeit fĂŒr die Kombination mit fluktuierenden Energiequellen wie Wind- und Solarstromanlagen ungeeignet.

Abb. 15: H2-Kompressionsanlage in HĂŒrth
Messer-Griesheim-Kompressionsanlage-Huerth.jpg
Quelle: Messer Griesheim

Auch PEM-Elektrolyseure sind mittlerweile kommerziell verfĂŒgbar, bis hin in den zweistelligen Megawattbereich. PEM steht dabei fĂŒr „Proton Exchange Membrane“, auf Deutsch Protonenaustauschmembran. Wie der Name verrĂ€t, durchqueren hier nicht OH-Ionen die Trennwand zwischen den Elektroden (sie heißt in diesem Fall Membran), sondern H+-Ionen (Protonen).

PEM-Elektrolyseure arbeiten bei niedrigen Temperaturen (20 bis 100 °C), haben eine hohe Stromdichte, sind relativ einfach aufgebaut und kompakt. Ihr Vorteil ist ein relativ gutes Teillastverhalten: Sie können ihre Leistungsaufnahme schnell anpassen und liefern weiterhin Wasserstoff in hoher QualitĂ€t. Sie können zudem reversibel betrieben werden. Das heißt, anstatt Strom aufzunehmen, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, können sie aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom generieren – sie funktionieren also zugleich als Brennstoffzelle.

Allerdings werden an beiden Elektroden Edelmetalle benötigt – an der Kathode Platin, an der Anode in der Regel Iridium und Ruthenium. Die dafĂŒr benötigte Menge dieser teuren Materialien zu reduzieren oder diese Substanzen zu ersetzen ist ein wesentliches Forschungsthema.

Die Hochtemperaturelektrolyse bei 700 bis 1.000 °C rangiert in ihrem Status zwischen Exot und HoffnungstrĂ€ger. In den 1990ern ging das HOT-ELLY-Verfahren bei rund 1.000 °C an den Start. Zwischenzeitlich wurde die Entwicklung eingestellt, seit den 2010er Jahren aber wieder aufgenommen. Der Elektrolyt ist hier ein Feststoff, der O2-Ionen passieren lĂ€sst. Die hohe Temperatur geht allerdings mit langen Kaltstartzeiten einher – fĂŒr den dynamischen Betrieb eher schwierig.

Die Solide Oxide Elecrolyser Cell (SOEC) ist vor allem wegen möglicher Synergieeffekte mit der Hochtemperaturbrennstoffzelle SOFC (Solid Oxide Fuel Cell, Festoxidbrennstoffzelle) interessant. Ein Vorteil ist der hohe Wirkungsgrad, der heute schon bei 74 bis 81 Prozent liegt. Bis 2030 hĂ€lt die IEA bis zu 84 Prozent fĂŒr möglich, perspektivisch sogar 90 Prozent.

Eine Möglichkeit, die Gesamtkosten fĂŒr Herstellung und Speicherung zu senken, ist die Verwendung von Druckelektrolyseuren (30 bis 100 bar), bei der die anschließende Komprimierung des erzeugten Gases als zusĂ€tzlicher Arbeitsschritt entfĂ€llt. Das auf diese Weise vorverdichtete Gas kann ohne weiteren Zwischenschritt in Druck- oder MetallhydridbehĂ€ltern zwischengespeichert werden. Bei Bedarf kann es dann mithilfe von Kompressoren bis auf 350 oder 700 bar verdichtet werden.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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