Wie Brancheninsider PEM- und alkalische Wasserstoffgeneratoren sehen

In der Wasserstoffenergieindustrie sind PEM- und alkalische Wasserstoffgeneratoren zwei Haupttechnologien zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser. Als Ingenieur in diesem Bereich werde ich oft gefragt, wie wir Insider diese beiden Ansätze sehen und was ihre Vor- und Nachteile sind. Ich werde PEM- und alkalische Technologie in fünf Schlüsselbereichen vergleichen: Unterschiede in den technischen Prinzipien, Kosten & Effizienz, Anwendungsszenarien, technische Reife & Wartung und Zukunftstrends. Dies sollte Ihnen helfen, die Unterschiede leicht zu verstehen und eine fundierte Entscheidung zu treffen.

Unterschiede im technischen Prinzip

Zunächst betrachten wir das Grundbetriebskonzept jeder Technologie. Sowohl PEM- als auch alkalische Systeme sind Arten von Wasserelektrolyseuren – sie spalten Wasser (H₂O) mithilfe von Strom in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). Sie tun dies jedoch auf unterschiedliche Weise mit verschiedenen Materialien, was zu sehr unterschiedlichen Eigenschaften führt.

Also, was ist der praktische Unterschied zwischen diesen Ansätzen? Lassen Sie uns einige hervorheben:

• Materialien und Kosten: Da ein PEM-Elektrolyseur in einer stark sauren Umgebung betrieben wird (innerhalb der Membran-Elektroden-Einheit), erfordert er Katalysatoren und Hardware, die dem standhalten können. Dies bedeutet typischerweise Platingruppenmetalle für Katalysatoren und korrosionsbeständige Metalle wie Titan für einige Komponenten, die teuer sind. Alkalische Elektrolyseure hingegen benötigen keine Edelmetallkatalysatoren – sie können billigere Metalle wie Nickel oder nickelbeschichteten Stahl für Elektroden und weniger exotische Separatoren verwenden. Die Elektroden in alkalischen Systemen enthalten kein Platin, was ein wichtiger Grund dafür ist, dass alkalische Technik historisch geringere Kosten hat. Auf der anderen Seite ist auch der KOH-Elektrolyt korrosiv, aber es handelt sich um eine Art Korrosion, die billigere Materialien (wie bestimmte Edelstähle oder Legierungen) über lange Zeiträume hinweg handhaben können, sodass Sie die wirklich hochwertigen Materialkosten vermeiden.
• Stromdichte und Größe: PEM-Zellen arbeiten typischerweise mit viel höheren Stromdichten als alkalische Zellen. Es ist üblich, dass PEM mehr als 1 A/cm² Elektrodenfläche erreicht, was mindestens 4× der Stromdichte einer herkömmlichen alkalischen Zelle entspricht. Einfach ausgedrückt kann man in einem PEM-System viel mehr Wasserstoffproduktion durch eine gegebene aktive Fläche treiben. Dies macht PEM-Systeme bei gleicher Leistung kompakter. In der Branche hört man oft, dass PEM-Elektrolyseure eine kleinere Stellfläche für eine gegebene Wasserstoffkapazität haben. Alkalische Systeme, die mit geringerer Stromdichte betrieben werden, benötigen in der Regel größere Elektroden oder mehr Zellen, um die gleiche Menge H₂ zu produzieren. (Um fair zu sein, haben moderne alkalische Elektrolyseure die Stromdichte etwas verbessert, aber in diesem Aspekt liegt PEM immer noch vorn.) PEM-Zellen verwenden auch ein Zero-Gap-Design (die Elektroden werden direkt gegen die Membran gepresst), was den Innenwiderstand reduziert und die Effizienz steigert. Alkalische Zellen hatten historisch eine Lücke zwischen Elektrode und Membran (um die Zirkulation des Elektrolyten zu ermöglichen), die zusätzlichen Widerstand verursachte und die Leistung begrenzte – obwohl neuere alkalische Designs ebenfalls versuchen, diese Lücke zu minimieren.
• Gasreinheit: Da die Membran eines PEM-Elektrolyseurs fest ist und kein flüssiger Elektrolyt mit den Gasen austritt, ist der Wasserstoff aus PEM von sehr hoher Reinheit – typischerweise etwa 99,999%, im Wesentlichen frei von Verunreinigungen. Alkalische Elektrolyseure produzieren Wasserstoff, der etwas weniger rein ist, normalerweise im Bereich von 99,5–99,9%. Der Wasserstoff kann winzige Tröpfchen von KOH oder Wasserdampf enthalten, wenn er nicht ordnungsgemäß getrocknet wird. In der Regel beinhalten alkalische Systeme Gasreinigungsschritte (wie Entfeuchter, Trockner usw.), um hochreinen H₂ zu erhalten. Aber von Natur aus ist PEM-Wasserstoff sauberer, was ein großer Vorteil ist, wenn man ultrareinen Wasserstoff benötigt (zum Beispiel für Elektronik oder Brennstoffzellen). Brancheninsider weisen darauf hin, dass PEM die Spezifikationsreinheit ohne zusätzliche Reinigung erreichen kann, während alkalische Systeme für bestimmte sensible Anwendungen zusätzliche Filter- oder Reinigungsstufen benötigen könnten.
• Betriebsflexibilität: Dies ist ein entscheidender Unterschied. PEM-Elektrolyseure haben eine ausgezeichnete dynamische Reaktion – sie können sich schnell hoch- und runterfahren und sogar im Leerlauf stehen, um dann innerhalb von Sekunden wieder mit voller Leistung Wasserstoff zu produzieren. Dies macht sie ideal für variable Energiequellen wie erneuerbare Energie, die schwankt. Man kann einen PEM-Elektrolyseur ein-, ausschalten oder modulieren, ohne großen Effizienzverlust oder Verschleiß (innerhalb vernünftiger Grenzen). Alkalische Elektrolyseure hingegen bevorzugen im Allgemeinen den stationären Betrieb. Sie haben oft einen begrenzteren Turndown-Bereich – zum Beispiel können sie möglicherweise nur bis etwa 20 % der Nennleistung gut arbeiten, darunter verschlechtern sich Gasreinheit und Effizienz. Außerdem können beim abrupten Ab- und Wiederhochfahren einer alkalischen Einheit Druck- und Konzentrationstransienten entstehen, die für das System ungünstig sind. Eine fortgeschrittene Steuerung kann dem entgegenwirken, aber in der Praxis werden alkalische Einheiten normalerweise kontinuierlich oder mit langsamen Anpassungen betrieben. Bei Stromszenarien, die an/aus/an/aus sind, gilt PEM in der Branche daher in der Regel als die geeignetere Technologie. Das bedeutet nicht, dass alkalische Systeme keine Schwankungen bewältigen können – sie können, allerdings mit mehr Aufwand (z. B. durch zusätzliche Puffersysteme oder Betrieb in einem engeren Bereich).
• Temperatur und Druck: Sowohl PEM- als auch alkalische Elektrolyseure sind typischerweise Niedertemperatur-Elektrolyse (im Gegensatz zur Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolyse). Sie arbeiten bei etwa 50–80 °C. Alkalische Systeme arbeiten historisch nahe dem Atmosphärendruck (typischerweise 0–30 bar, viele bei etwa 1–10 bar). PEM-Systeme können leichter so ausgelegt werden, dass sie Wasserstoff unter hohem Druck ausgeben – einige PEM-Elektrolyseure können H₂ direkt mit 30 bar oder mehr liefern. Die feste Membran kann als Druckbarriere wirken (man kann H₂ unter hohem Druck auf der Kathodenseite und O₂ unter nahezu Umgebungsdruck auf der Anodenseite haben). Das ist bei alkalischen Systemen schwieriger, da die gesamte Zelle mit Flüssigkeit gefüllt ist; eine Druckbeaufschlagung würde bedeuten, dass alles (sowohl Wasserstoff- als auch Sauerstoffseite und die Flüssigkeit) unter Druck steht. Daher kann PEM sich gut in Anwendungen integrieren, die Wasserstoff unter Druck benötigen (wie Einspeisung in Pipelines oder Betankung), und manchmal kann die Notwendigkeit einer separaten Kompressorstufe entfallen.
• Korrosivität und Sicherheit: Alkalische Elektrolyseure verwenden eine ätzende Flüssigkeit (KOH), die korrosiv ist und eine Handhabungsgefahr darstellt. Das bedeutet, dass das System Pumpen, Behälter und Rohrleitungen für den Elektrolyten benötigt, die alle resistent gegen heiße, konzentrierte Base sein müssen. Wartungspersonal muss bei Leckagen oder Kontakt mit KOH vorsichtig sein (es ist rutschig und kann Haut verbrennen). PEM-Elektrolyseure hingegen verwenden nur reines Wasser und eine feste Membran – keine ätzende Flüssigkeit, die zirkuliert. Der korrosive Teil ist im Wesentlichen auf die Membran- und Katalysatorschichten beschränkt. Außerhalb des Stacks besteht ein PEM-System also hauptsächlich aus Rohrleitungen für Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff – viel unproblematischer, falls es zu einem Leck kommt. Dieser Unterschied wird oft bei kleinen oder mobilen Systemen deutlich: das Mitführen von KOH-Tanks oder dessen Entsorgung ist ein Nachteil alkalischer Anlagen. PEM-Einheiten sind in dieser Hinsicht sauberer und einfacher zu betreiben.

Vergleich von Kosten und Effizienz

Was die Kosten betrifft, erkennen viele Brancheninsider an, dass alkalische Wasserstoffgeneratoren aufgrund ihrer Verwendung verbreiteter, günstiger Materialien einen niedrigeren Anschaffungspreis haben. Im Gegensatz dazu verwenden PEM-Wasserstoffgeneratoren teure Edelmetallkatalysatoren und spezialisierte Membranen, was ihre Stückkosten auf Systemebene höher macht. In groß angelegten Projekten können PEM-Systeme jedoch im Laufe der Zeit geringere Betriebs- und Wartungskosten aufweisen – eine Analyse legt nahe, dass die Gesamtbetriebskosten für eine PEM-Anlage langfristig sogar niedriger sein können als für eine alkalische Anlage, wobei die Wartungskosten von PEM auf etwa ein Drittel der von alkalischen Systemen geschätzt werden. Hinsichtlich der Effizienz erreichen PEM-Einheiten typischerweise etwa 70–80 % Energieeffizienz, in der Regel etwas höher als alkalische Systeme. Dennoch ist die alkalische Elektrolyse eine ausgereifte Technologie, die bei hohen Lasten eine konstante Leistung liefert, sodass bei der Abwägung von „Kosten vs. Effizienz“ die optimale Wahl wirklich von den spezifischen Anforderungen und Prioritäten eines Projekts abhängt.

Anwendungsszenarien

Jede Technologie hat ihre Stärken in unterschiedlichen Szenarien. Große industrielle Wasserstoffanlagen (z. B. in Chemiewerken oder Stahlwerken) bevorzugen häufig alkalische Wasserstoffgeneratoren, da sie eine hohe Wasserstoffausbeute zu geringeren Kosten bieten und sich leicht skalieren lassen. Im Verkehrssektor (zum Beispiel an Wasserstofftankstellen für Brennstoffzellenfahrzeuge) werden PEM-Systeme oft als die bessere Wahl angesehen, da sie eine höhere Wasserstoffreinheit und eine reaktionsschnellere Leistung bieten. Für Anlagen, die schnell hoch- und runterfahren müssen, um schwankender erneuerbarer Energie gerecht zu werden, ist PEM’s schnelle Reaktionsfähigkeit ein großer Vorteil. Darüber hinaus sind PEM-Einheiten für kleine oder private Wasserstoffsysteme – die nur mit reinem Wasser und ohne ätzenden flüssigen Elektrolyten betrieben werden – einfacher zu warten. Das bedeutet auch, dass sie geringere Sicherheitsrisiken aufweisen, was ihre Nutzung in nicht-industriellen Umgebungen beruhigender macht. Es ist erwähnenswert, dass beide Technologien recht vielseitig sind und in den meisten Sektoren eingesetzt werden können; Branchenexperten passen sie in der Regel an die oben beschriebenen spezifischen Anforderungen an, um Kunden die richtige Lösung zu empfehlen.

Technische Reife und Wartung

Was die Reife betrifft, ist die alkalische Elektrolyse die „alte Hand“ der Branche – sie gibt es seit fast einem Jahrhundert und sie hat in großen Industrieprojekten (einige im Bereich von über 100 MW) eine zuverlässige Haltbarkeit bewiesen. PEM-Technologie hingegen ist die neuere Herausforderung; sie ist erst seit kürzerer Zeit kommerziell verfügbar, und die größten PEM-Projekte liegen derzeit nur im Bereich von etwa 20 MW, sodass es bisher weniger Langzeitdaten in großem Maßstab gibt. Was die Wartung betrifft, verwendet ein alkalisches System einen flüssigen Kaliumhydroxid-(KOH)-Elektrolyten, was regelmäßige Instandhaltung für Komponenten wie Pumpen und Ventile sowie sorgfältiges Management der ätzenden Flüssigkeit erfordert; der Vorteil ist, dass alkalische Einheiten bezüglich der Wasserqualität nicht sehr wählerisch sind und sogar Standardindustrie-Wasser ohne Probleme verwenden können. PEM-Systeme hingegen haben keine großen flüssigen Elektrolyttanks, was die Routinewartung vereinfacht. Sie erfordern jedoch extrem reines deionisiertes Wasser und strenge Überwachung, um zu verhindern, dass Verunreinigungen die Membran und die Katalysatoren beschädigen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alkalische Geräte dank ihrer bewährten Stabilität und gut verstandenen Wartungspraktiken die Nase vorn haben, während PEM-Geräte die täglichen Wartungsaufgaben reduzieren, aber höhere Anforderungen an ihre Betriebsumgebung und die Reinheit des Speisewassers stellen.

Zukünftige Trends und Branchenpräferenzen

Mit Blick auf die Zukunft geht man in der Branche allgemein davon aus, dass sich beide Elektrolysetechnologien parallel weiterentwickeln und sich ergänzen werden. Kurzfristig wird prognostiziert, dass alkalische Elektrolyseure ihre Dominanz behalten – derzeit entfallen schätzungsweise 70–90 % der neuen Elektrolyseurkapazität weltweit auf alkalische Technologie, ein Muster, das sich in den kommenden Jahren voraussichtlich fortsetzen wird. Da sich die Technologie jedoch verbessert und die Kosten sinken, steigt das Interesse an PEM, und immer mehr Unternehmen erwägen PEM-Optionen für ihre neuen Wasserstoffprojekte. Viele Experten weisen darauf hin, dass die PEM-Technologie noch erhebliches Potenzial für Kostensenkungen und Leistungsverbesserungen hat, während die alkalische Technologie bereits nahe dem Tiefpunkt ihrer Kostenkurve angekommen ist. So laufen beispielsweise Bemühungen, die Abhängigkeit von Edelmetallkatalysatoren in PEM zu verringern und neuartige Membranmaterialien zu entwickeln, die die Kosten senken und die Ressourcensituation entzerren könnten; gleichzeitig werden alkalische Systeme mit Innovationen wie höheren Betriebsdrücken und digitaler Steuerung verbessert, um ihre Leistung weiter zu optimieren. Insgesamt vertritt man in der Branche die Ansicht, dass jede Technologie ihre Nische bedienen wird: Alkalische Elektrolyseure bleiben die Arbeitspferde für großflächige, Basis-Wasserstoffproduktion, während PEM-Elektrolyseure in Anwendungen, die eine dynamischere Reaktion, höheren Wasserstoffreinheit oder eine enge Integration mit erneuerbarer Energie erfordern, eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Da die Nachfrage nach grünem Wasserstoff voraussichtlich explosionsartig ansteigen wird (die globale Elektrolyseurkapazität wird voraussichtlich von unter 1 GW heute auf mehrere zehn Gigawatt in den nächsten zehn Jahren steigen), haben beide Technologien reichlich Raum zum Wachsen. Tatsächlich sehen die meisten in der Branche alkalische und PEM-Systeme als komplementäre Lösungen, die gemeinsam den Wasserstoffsektor vorantreiben werden.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich aus Sicht eines Brancheninsiders sagen, dass PEM- und alkalische Wasserstoffgeneratoren jeweils ihre Stärken haben – es gibt keinen universellen „Gewinner“ zwischen ihnen. Alkalische Systeme sind bewährte, kosteneffiziente Arbeitspferde, die sich gut für große, kontinuierliche Wasserstoffproduktion eignen, während PEM-Systeme flexibel und effizient sind, ultrareinen Wasserstoff liefern und in Szenarien glänzen, die schnelle Reaktion und hohe Gasreinheit erfordern. Für potenzielle Kunden ist der Schlüssel, die spezifischen Anwendungsanforderungen und Prioritäten zu identifizieren und dann die Technologie auszuwählen, die am besten zu diesen Anforderungen passt. Wenn Sie unsicher sind, ist es sinnvoll, Branchenexperten zu konsultieren oder uns zu kontaktieren, um professionellen Rat zu erhalten. Letztendlich ist das Ziel, unabhängig von der gewählten Technologie, eine kosteneffektive und nachhaltige grüne Wasserstofflösung zu implementieren – und darauf hinarbeitet die gesamte Branche.