Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

1 Einleitung: Rettet Wasserstoff das Klima?
Wsserstoffgewinnung 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) lässt 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-Hürth, im Chemiepark Knapsack, großtechnisch durchgeführt. Lange Zeit wurde der dort anfallende Wasserstoff einfach gemeinsam mit Erdgas verbrannt. Inzwischen wird jedoch ein gewisser Anteil über eine Rohrleitung an das Abfüllwerk Hürth geliefert und dort für die Weiterverwertung aufbereitet. Die Qualität des komprimierten und gereinigten Wasserstoffs kann den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Der Standardreinheitsgrad beträgt 99,9 Prozent. Durch Nachreinigungsprozesse (Adsorption) kann die Qualität vor Ort bis auf 99,999 Prozent gesteigert werden. So können etwa 2.500 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde abgefüllt und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.

Die alkalische Elektrolyse ist auch außerhalb der Chlorherstellung die am längsten erprobte und weltweit verbreitete Form der Elektrolyse: Der weltweit größte 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 verhältnismäßig günstig 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 geführt werden muss, was ein etwas träger Prozess ist. Bei Teillast ist außerdem die Reinheit des Gases schlechter. Dies machte sie lange Zeit für die Kombination mit fluktuierenden Energiequellen wie Wind- und Solarstromanlagen ungeeignet.

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

Auch PEM-Elektrolyseure sind mittlerweile kommerziell verfügbar, bis hin in den zweistelligen Megawattbereich. PEM steht dabei für „Proton Exchange Membrane“, auf Deutsch Protonenaustauschmembran. Wie der Name verrät, 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 Qualität. 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 dafür 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 Hoffnungsträger. 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 lässt. Die hohe Temperatur geht allerdings mit langen Kaltstartzeiten einher – für 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 hält die IEA bis zu 84 Prozent für möglich, perspektivisch sogar 90 Prozent.

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

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