Elektrolyse von Wasserstoff: Innovationen für eine grüne Zukunft
Prinzip, Verfahren & Herausforderungen
Die Elektrolyse ist das gängigste Verfahren zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Wie diese funktioniert und welche Verfahren es dabei gibt, lesen Sie in diesem Ratgeber.
Die Elektrolyse von Wasserstoff ist ein faszinierender Prozess, der es ermöglicht, Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, indem elektrischer Strom durchgeleitet wird. Diese Methode spielt eine entscheidende Rolle in der Herstellung von grünem Wasserstoff, da sie es erlaubt, nachhaltig erzeugte Elektrizität in einen sauberen und vielseitigen Energieträger umzuwandeln.
Inhaltsverzeichnis
Lesedauer insgesamt ca. 7 Min
Was ist die Elektrolyse?
Allgemein ist die Elektrolyse ein Verfahren, bei dem durch den Einsatz von Strom eine chemische Verbindung aufgespalten wird. Die Elektrolyse ist das gängigste Verfahren, mit dem grüner Wasserstoff hergestellt wird. Da Wasserstoff nur in gebundener Form vorliegt, muss es mittels der Elektrolyse aus der Verbindung, in der es vorkommt, gelöst werden. Die Elektrolyse erfolgt in einem Elektrolyseur.
Herstellung von grünem Wasserstoff über Elektrolyse
Um die Dekarbonisierung in Deutschland voranzutreiben ist das Ziel grüner Wasserstoff. Dieser ist 100 % klimaneutral, wenn die Energie aus erneuerbaren Energiequellen kommt. Aber wie funktioniert das mit der Herstellung?
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Elektrolyseverfahren erklärt
Es gibt verschiedenen Methoden bei der Elektrolyse, die gängigsten Verfahren wollen wir folgend beleuchten. Sie unterscheiden sich in der Technologie, der eingesetzten Materialen und auch hinsichtlich des Wirkungsgrades zwischen 60 und 85 %.
Das Grundprinzip der Elektrolyse – aus wasserstoffhaltigen Verbindungen Wasserstoff herzustellen – ist bei allen vorgestellten drei Verfahren aber gleich.
AEL-Elektrolyse (alkalische Elektrolyse)
Die alkalische Elektrolyse ist gut erprobt und in großem, industriellem Maßstab im Einsatz. Sie funktioniert mit Nickelelektroden, Hydroxidionen und der Elektrolyt, also die leitfähige Flüssigkeit ist in diesem Fall eine Kaliumhydroxid-Lösung (KOH).
Unter Gleichspannung bildet sich an der negativ geladene Kathode Wasserstoff und an der positiv geladene Anode Sauerstoff. Die nickelbasierten Elektroden werden bei der AEL-Elektrolyse voneinander getrennt durch eine semipermeable Zirfon-Membran.
Die alkalische Elektrolyse verwendet unedle Metalle als Katalysator und ist daher günstiger und auf dem Markt etablierter als andere Elektrolyseverfahren. Sie hat aber im Vergleich zu anderen Verfahren eine limitierte Effizienz: Der poröse Separator (Zirfon-Membran) hält nur begrenzt Druck aus. Die Stromdichte muss daher geringgehalten werden und das drückt auf die Effizienz.
Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse
Bei Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse kommt kein flüssiger Elektrolyt zur Gewinnung des Wasserstoffes zum Einsatz, sondern ein Festpolymer-Elektrolyt. Dieses Verfahren ist auch unter dem Kürzel PEM-Elektrolyse aus dem englischen für "Proton Exchange Membrane" zu finden.
Bei dieser Methode kann Wasserstoff aus reinem Wasser gewonnen werden, da eine Protonen-Austausch-Membran eingesetzt wird. Die Funktion der Membran besteht darin, für Protonen leitend, gleichzeitig für Gase wie Wasserstoff undurchlässig zu sein.
Zudem trennt die Membran die Anode und die Kathode elektrisch voneinander. Die Kathode besteht aus einer Gasdiffusionsschicht und einer Katalysatorschicht.
Die Anode aus einer porösen Transportschicht und einer Katalysatorschicht. Diese Elektrolyseart hat eine hohe Effizienz, da die Membran eine dreimal höhere Stromdichte zulässt als die Zirfon-Membran bei einer AEL-Anlage.
Dieses Verfahren ist aktuell noch teuer, da die Katalysatoren aus teuren Metallen wie Platin bestehen. Dieses Verfahren erträgt höhere Lastschwankungen und es wird weniger Energie benötigt, da keine Komprimierung für den Transport oder Speicherung erforderlich ist.
Da die Elektrolyse unter hohem Druck erfolgen kann, schaffen kleine PEM-Anlagen die gleiche Menge Wasserstoff, wie eine große AEL-Anlage.
HTE-Elektrolyse
Die Hochtemperatur-Elektrolyse wird auch als Festoxid-Elektrolyse bezeichnet und arbeitet im Spektrum von 100-900 Grad Celsius. Hier erhöht sich mit Temperaturanstieg auch der Wirkungsgrad bis zu 90 %.
Diese Methode kommt ohne Edelmetallkomponenten aus: Bei dieser Methode trifft Wasserdampf auf eine Festoxide-Elektrolysezelle, in der Wassermoleküle über Nickel Cermet Dampf-Wasserstoffelektroden und Mischoxide aus Lanthan, Strontium und Cobalt-Sauerstoffelektroden gespalten werden.
Das HTE-Verfahren ist besonders für energieintensive Sektoren geeignet bzw. überall, wo große Mengen an Abwärme direkt genutzt werden können. Die Hochtemperatur-Elektrolyse befindet sich derzeit noch in der Pilotphase.
Herausforderung Elektrolyseziele
Die große Herausforderung bei der Herstellung von Wasserstoff ist der hohe Strom- und Wasserverbrauch bei der Elektrolyse. Für 1 kg Wasserstoff werden neun Liter Wasser benötigt.
Die im Juli 2023 fortgeschriebene Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) der Bundesregierung muss den Ausbau der Wasserstoffkapazitäten, den Fortschritt der Umstellung und Infrastruktur sicherstellen. Dafür werden beispielsweise zentrale und dezentrale Elektrolyseanalagen installiert.
Ob Deutschland seine Wasserstoff-Ausbauziele erreichen wird, ist im Elektrolysemonitor für Deutschland einzusehen. Die DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie und die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften haben einen Energiemonitor entwickelt.
Er zeigt aktuelle Elektrolyseprojekte und Elektrolysekapazitäten für Deutschland und Europa, und welche Bundesländer in Sachen Wasserstoff-Infrastruktur die Nase vorne haben.
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Sicherheit beim Umgang mit Wasserstoff
Die fortschreitende Produktion von Wasserstoff stellt nicht nur hohe Anforderungen an den Strombedarf, sondern auch an die Sicherheitstechnik. Aus einem Gemisch aus gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff entsteht beispielsweise Knallgas.
Zu einer Knallgasreaktion kommt es bei Kontakt mit Glut, Funken oder einem offenen Feuer. Hinzukommen die niedrige Mindestzündenergie und die hohe Flammengeschwindigkeit.
Bei der Herstellung von Wasserstoff verhindern Maßnahmen des primären Explosionsschutzes durch besonders dichte Anlagenteile, dass Wasserstoff freigesetzt wird. Denn: Wasserstoffmoleküle sind sehr klein und können so auch durch metallische Werkstoffe diffundieren.
Gasmessgeräte überwachen die unmittelbare Umgebung, um dies abzusichern. Die Dichtigkeit der Wasserstoffanlagen stellt eine besondere Herausforderung dar.
An Fehlstellen oder Korngrenzen kann Wasserstoff zu Metallversprödung führen. Es ist unbedingt erforderlich auf Vorgaben für die Dichtigkeit der Rohrleitverbindungen und Anlagen zu achten.
Im Technical Report ISO/TR 15916 werden unverbindlich Maßnahmen zur Gefahrenabwehr festgehalten und bieten einen guten Einstieg in die Thematik. Für die Elektrolyse mit Wasser gibt es den ISO 22734:2019: "Hydrogen generators using water electrolysis. Industrial, commercial, and residential applications".
Für den Explosionsschutz ist eine Zoneneinteilung nach der IEC 60079-10-1 (8) durchzuführen. Dazu müssen auf Grundlage des primären Explosionsschutzes, Maßnahmen zur Vermeidung des Auftretens explosionsfähiger Atmosphären, sowie des sekundären Explosionsschutzes zur Vermeidung von Zündquellen gemäß IEC 60079 ergriffen werden.
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Häufig gestellte Fragen
Um 1 kg Wasserstoff herzustellen, werden ca. neun Liter Wasser benötigt.
Die Wasserelektrolyse ist das gängige Verfahren, um grünen Wasserstoff herzustellen. Je nachdem woher der Strom kommt, kann es sich um grünen Wasserstoff handeln. Kommt der Strom für die Wasserstoff-Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen, kann von grünem Wasserstoff gesprochen werden. Kommt der Strom nicht aus erneuerbaren Energien, ist es kein grüner, sondern z. B. blauer oder grauer Wasserstoff. Lesen Sie hier mehr zu den Wasserstoff-Farben.
