Mit Elektrolyse Wasserstoff herstellen
„Elektrolyse“ bezeichnet die Aufspaltung einer chemischen Verbindung durch den Einsatz von elektrischem Strom. Durch die Elektrolyse werden also die in der Verbindung enthaltenen Stoffe voneinander getrennt. Die Elektrolyse wird in einem Elektrolyseur durchgeführt. Für den Vorgang werden zwei Elektroden (Anode und Kathode) benötigt, eine Gleichstromquelle und ein Elektrolyt (z.B. reines Wasser oder alkalische Verbindungen), also eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit. Da Wasserstoff (H2) nur in gebundener Form existiert, muss er erst aus dieser Verbindung gelöst werden. Somit ist die Elektrolyse für die Herstellung von Wasserstoff notwendig: Hierbei werden aus zwei Wassermolekülen (2H2O) je zwei Wasserstoffmoleküle (2H2) und ein Sauerstoffmolekül (O2) gewonnen. Diese Form der Elektrolyse wird auch als „Wasserelektrolyse“ bezeichnet.
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Wasserstoff: Verfahren zur Elektrolyse und deren Nachhaltigkeit
Bei der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff können drei verschiedene Verfahren angewandt werden: AEL-Elektrolyse, PEM-Elektrolyse und HTE-Elektrolyse. Die Verfahren zur Wasserelektrolyse beziehungsweise die entsprechenden Anlagen unterscheiden sich in Aspekten wie den eingesetzten Technologien und Materialien, aber auch hinsichtlich der Stromdichte und der energetischen Wirkungsgrade. Letztere variieren zwischen circa 60 und 85 %. Alle Methoden eint jedoch das Grundprinzip der Produktion von Wasserstoff durch die Elektrolyse von wasserstoffhaltigen Verbindungen.
Die Beantwortung der Frage, ob sich durch die Elektrolyse von Wasser schließlich Wasserstoff umweltfreundlich herstellen lässt, hängt vom eingesetzten Strom ab. Stammt er aus erneuerbaren Energien, so gilt auch der durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff als frei von Kohlenstoffdioxid (CO2) und nachhaltig. In diesem Fall handelt es sich um grünen Wasserstoff. Vom Ausbau der erneuerbaren Energien profitiert also auch die Herstellung von grünem Wasserstoff. Je günstiger sich nachhaltiger Strom herstellen lässt, desto günstiger ist auch die Erzeugung des grünen Wasserstoffs mithilfe der Wasserelektrolyse. Folgende Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse können unterschieden werden:
AEL-Elektrolyse (alkalischer Elektrolyseur)
Alkalische Elektrolyseure sind weltweit in industriellem Maßstab im Einsatz, da sie am besten erprobt sind, mit vergleichsweise günstigen Materialien arbeiten und sich durch eine hohe Langzeitstabilität auszeichnen. Als Elektrolyt nutzen sie eine Kaliumhydroxid-Lösung (KOH) mit einer Konzentration von 20 bis 40 %. Unter einer Gleichspannung von mindestens 1,5 Volt wird dabei an der Kathode (positiv geladen) Wasserstoff und an der Anode (negativ geladen) Sauerstoff gebildet. Als Elektroden dienen nickelbasierte Elektroden sowie rutheniumoxid- oder iridiumoxidbeschichtete Titanelektroden.
Bei der AEL-Elektrolyse ist die Effizienz limitiert: Anode und Kathode werden bei alkalischen Elektrolyseuren durch eine poröse, semipermeable Zirfon-Membran getrennt. Diese hält lediglich einem begrenzten Druck stand und kann nur bei geringen Stromdichten betrieben werden (maximal 600 Milliampere pro Quadratzentimeter Membranfläche). Der Wasserstoff muss bei der AEL-Elektrolyse daher anschließend unter hohem Energieaufwand komprimiert werden, damit er sich speichern und weitertransportieren lässt.
HTE-Elektrolyse (Hochtemperatur- oder Dampfelektrolyseur)
Ein Hochtemperatur-Elektrolyseur (Hochtemperatur = HTE) arbeitet je nach Aufbau im Temperaturspektrum zwischen 100 °C bis ca. 900 °C, wobei der Wirkungsgrad der Temperatur entsprechend zunimmt. Im Vergleich zu AEL- und PEM-Elektrolyseuren benötigt er keine Edelmetallkomponenten. Bei der HTE-Elektrolyse für die Wasserstoffproduktion trifft der Wasserdampf auf eine Festoxid-Elektrolysezelle. In dieser erfolgt die Spaltung der Wassermoleküle über Nickel-Cermet Dampf-Wasserstoffelektroden und Mischoxide aus Lanthan, Strontium und Cobalt-Sauerstoffelektroden.
Die HTE-Elektrolyse gewährleistet eine hohe Effizienz: Mit Wirkungsgraden von bis zu 90 % gilt die Hochtemperatur-Elektrolyse als besonders effizienter Weg zur industriellen Wasserstoffherstellung. Ihre Vorteile liegen im Bereich energieintensiver Sektoren, wie etwa der Stahlindustrie, wo große Mengen an Abwärme verfügbar sind und in der Hochtemperatur-Elektrolyse genutzt werden können. Aktuell befindet sich die HTE-Elektrolyse noch in der Pilotphase.
PEM-Elektrolyse (saurer Elektrolyseur)
Im PEM-Elektrolyseur für die Herstellung von Wasserstoff kommt statt eines flüssigen Elektrolyts ein Festpolymer-Elektrolyt zum Einsatz. Dieser wird auch als „Proton Exchange Membrane“ bezeichnet, daher die Abkürzung „PEM“. Die Membran wird von destilliertem Wasser oder von Trinkwasser umspült. Das aggressive, saure Milieu bei der PEM-Elektrolyse stellt hohe Anforderungen an die Materialien. Deshalb ist die Polymermembran kathodenseitig mit einer porösen platinbeschichteten Kohlenstoffelektrode ausgerüstet. Anodenseitig besitzt sie meist eine Ruthenium- oder Iridiumoxidbeschichtung.
Die PEM-Elektrolyse zeichnet sich durch eine hohe Effizienz aus: Mit 2.000 Milliampere pro Quadratzentimeter Membranfläche erlaubt die feste, semipermeable Polymermembran für die PEM-Elektrolyse eine dreimal höhere Stromdichte als die Zirfon-Membran in AEL-Anlagen. Die PEM-Elektrolyse erreicht einen Wirkungsgrad von 60 bis 70 %, je nach Einsatzbereich. Darüber hinaus erträgt sie größere Lastschwankungen.
Da PEM-Elektrolyseure unter hohem Druck betrieben werden können, reduzieren sie zudem den Energieaufwand für die anschließende Wasserstoffkomprimierung zwecks Speicherung und Transport. Die höhere Effizienz ermöglicht es, mit kleineren Elektrolyseuren die gleiche Menge Wasserstoff herzustellen wie mit größeren AEL-Einheiten. Bei einem Ersatz des teuren Katalysators Platin durch Molybdänsulfit lassen sich zudem in der Herstellung Investitionskosten reduzieren. Hinzu kommt, dass die vergleichsweise neue PEM-Elektrolyse noch viel Potenzial für technische Weiterentwicklungen besitzt.
Elektrolyse in Deutschland: Status quo bei der Wasserstoffherstellung
Aktuell stellt die Chemieindustrie in Deutschland jedes Jahr rund drei Terawattstunden (TWh) Wasserstoff durch die Wasserelektrolyse her. Zur Einordnung: 2020 betrug der deutsche Bruttostromverbrauch rund 545 TWh. Die größte Herausforderung besteht zurzeit darin, dass für die Elektrolyse von Wasser zur Wasserstofferzeugung viel Energie aufgewandt werden muss. Es wird jedoch hierzulande viel in puncto Elektrolyse getan: Mit der PEM-Wasserstoff-Elektrolyseanlage in der Rheinland-Raffinerie (Wesseling) von Shell die weltweit größte PEM-Wasserstoff-Elektrolyseanlage in Deutschland.
In der 2020 veröffentlichten Nationalen Wasserstoffstrategie der deutschen Bundesregierung findet sich ein Aktionsplan, der die notwendigen Schritte für den Erfolg der Strategie beschreibt. Darin wird festgehalten, dass die Möglichkeiten für neuartige Geschäftsmodelle und Kooperationen zwischen Elektrolyseurbetreibern und Strom- und Gasnetzbetreibern analysiert werden. Dies soll unter Beachtung der regulatorischen Entflechtung geschehen. Zudem erfolgt die Ankündigung von ein bis zwei Pilotprojekten für die Stärkung des Wasserstoffmarkts in Deutschland. Hierbei sollen Ansätze mit hohem Potenzial erprobt werden – unter der Voraussetzung, dass eine deutliche Entlastung der Strom- und Gasnetze zu angemessenen Preisen gegeben ist und es zu keiner Verletzung der Wettbewerbsneutralität kommt. Mit „Wettbewerbsneutralität“ ist gemeint, dass der Staat als Marktteilnehmer keine Vorteile besitzt. Es wird zudem geprüft, ob die Rahmenbedingungen angepasst werden müssen, um entsprechende Konzepte rund um Elektrolyse und Wasserstoff zu fördern.
