Was ist ein Wasser-Elektrolyseur?

Ein Elektrolyseur ist ein Gerät, das elektrische Energie nutzt, um eine nicht-spontane chemische Reaktion anzutreiben, typischerweise die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffgase. Dieser Prozess, bekannt als Elektrolyse, beinhaltet das Anlegen eines elektrischen Stroms an Wasser, wodurch es in seine Bestandteile aufgespalten wird.

Elektrolyseprozess:

Elektrolyse ist der grundlegende Prozess, den Elektrolyseure durchführen. Wenn elektrischer Strom auf Wasser (H₂O) angewendet wird, spaltet es sich in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) auf. Die Gesamtreaktion lautet:

2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)

Komponenten eines Elektrolyseurs:

  • Anode: Die positive Elektrode, an der die Oxidation stattfindet. Bei der Wasserelektrolyse wird an der Anode Sauerstoff erzeugt.
  • Kathode: Die negative Elektrode, an der die Reduktion stattfindet. Bei der Wasserelektrolyse wird an der Kathode Wasserstoff erzeugt.
  • Elektrolyt: Ein Medium, das den Ionentransport zwischen Anode und Kathode ermöglicht. Es kann eine saure, alkalische oder Feststoffpolymer-Substanz sein.
  • Externe Stromquelle: Liefert die elektrische Energie, die für den Elektrolyseprozess erforderlich ist.

Arten von Elektrolyseuren:

  1. Protonenaustauschmembran (PEM)-Elektrolyseure: Verwenden eine feste Polymer-Elektrolytmembran, die Protonen von der Anode zur Kathode leitet. Diese Elektrolyseure bieten hohe Effizienz und können bei höheren Stromdichten betrieben werden.
  2. Alkalische Wasserelektrolyseure (ALK): Verwenden eine Lösung aus Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) als Elektrolyt. Diese sind etabliert und weit verbreitet, da sie kostengünstiger sind und auf ausgereifter Technologie basieren.
  3. Festoxid-Elektrolyseure (SOE): Arbeiten bei hohen Temperaturen (typischerweise 700–1000 °C) und verwenden ein festes keramisches Material als Elektrolyt. Sie sind sehr effizient und können Wasser und CO₂ direkt in Synthesegas umwandeln.
  4. Anionenaustauschmembran (AEM)-Elektrolyseure: Verwenden eine anionenleitende Polymermembran als Elektrolyt. Sie sind eine neuere Technologie mit Potenzial für niedrigere Kosten und bessere Leistung.

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Haupttypen von Elektrolyseuren und ihre Eigenschaften


Alkalische Elektrolysetechnologie (ALK)

Die alkalische Elektrolysetechnologie verwendet eine alkalische Umgebung, z. B. eine Kaliumhydroxid-Wasserlösung, als Elektrolyt und Asbest als Diaphragma, um Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Im Vergleich zu anderen Technologien besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass die Anoden- und Kathodenplatten keine Edelmetalle enthalten, was zu relativ niedrigen Kosten für den Elektrolyseur führt. Diese Technologie ist seit langem entwickelt und verfügt über ein gut etabliertes technisches und kommerzielles Ökosystem, das derzeit etwa 80 % des Marktes ausmacht.

Nachteile:
Sie lässt sich nur schwer schnell starten und an Veränderungen anpassen, benötigt eine stabile Stromversorgung und ist nicht für schwankende Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft geeignet. Das bedeutet, dass sie nicht am „Boom“ der Wind- und Solarenergie teilnehmen kann.

Festoxid-Elektrolyseur (SOE)

Festoxid-Elektrolyseure verwenden feste Oxide wie Zirkonia als Elektrolyt und arbeiten bei hohen Temperaturen. Die zentrale Herausforderung liegt in der Entwicklung von Kathoden- und Anodenmaterialien, die lange Zeit experimentell waren. In letzter Zeit gab es jedoch einige Durchbrüche.

Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur (AEM)

Die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse befindet sich ebenfalls im Laborstadium, und zukünftige Fortschritte hängen von Durchbrüchen bei den entsprechenden Materialien ab. Derzeit ist der Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (PEM) am vielversprechendsten, um ALK zu ersetzen.

PEM-Elektrolyseur

PEM-Elektrolyseure umfassen Komponenten wie Protonenaustauschmembranen, Katalysatoren, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten. Die Vorteile sind schneller Start und Anpassungsfähigkeit an flexible Energiequellen wie Wind- und Solarenergie. Allerdings sind die Elektroden und Katalysatoren stark von Edelmetallen wie Iridium, Platin und Titan abhängig. Insgesamt ist der Nachteil von PEM gegenüber ALK die höheren Kosten. Aus Sicht der Lebenszykluskosten liegen die Kosten für PEM bei 2,77 $/kg, höher als die 2,45 $/kg bei ALK.

Natürlich bemüht sich PEM auch, die Kosten durch technologische Entwicklung, Inlandsersatz und Skaleneffekte zu senken. Im Vergleich zu ALK sind PEM-Elektrolyseure kompakter, wodurch der Platzbedarf für die gleiche Wasserstoffproduktionsmenge halbiert wird, was ebenfalls ein Vorteil ist.

Angesichts der Notwendigkeit einer stabilen Stromversorgung werden ALK-Alkalielektrolyseure in großindustriellen Wasserstoffproduktionsbereichen eingesetzt, wie in der chemischen und metallurgischen Industrie. In Regionen mit reichlich Wind- und Solarenergie werden PEM-Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure bevorzugt.