Vergleich des Energieverbrauchs
In diesem Video haben wir ein Experiment durchgeführt, um den Energieverbrauch von PEM- und alkalischen Elektrolyseuren zu vergleichen. Dabei stellten wir fest, dass der alkalische Elektrolyseur bei gleicher Wasserstoffausbeute einen höheren Energieverbrauch aufweist.
1. Einführung
Auf der Suche nach sauberer Energie und ökologischer Nachhaltigkeit hat sich Wasserstoff als vielversprechender alternativer Energieträger herausgestellt. Die Elektrolyse ist eine weit verbreitete Methode zur Wasserstoffgewinnung aus Wasser, wobei zwei gängige Typen von Elektrolyseuren, die Protonenaustauschmembran (PEM)-Elektrolyseure und alkalische Elektrolyseure, zum Einsatz kommen. In diesem Artikel werden wir die Unterschiede in den Elektroden, die Vor- und Nachteile sowie die Anwendungen dieser beiden Elektrolyseur-Technologien erörtern.
2. Unterschiede der Elektroden
2.1. PEM-Elektrolyseur
PEM-Elektrolyseure verwenden eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt, um den während des Elektrolyseprozesses erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen. Die Elektroden in einem PEM-Elektrolyseur bestehen typischerweise aus einer Titanlegierung, die mit einem Katalysator aus der Platingruppe, wie Rutheniumoxid oder Iridiumoxid, beschichtet ist. Der durch PEM-Elektrolyseure erzeugte, hochreine Wasserstoff erreicht eine Reinheit von 99,9995%, wobei Wasserdampf der Hauptverunreiniger ist.
2.2. Alkalischer Elektrolyseur
Alkalische Elektrolyseure verwenden eine alkalische Lösung (in der Regel Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid) als Elektrolyt. Die Elektroden in einem alkalischen Elektrolyseur bestehen üblicherweise aus Edelstahl (304ss, 316Lss) oder einer Cu-Ni-Legierung. Allerdings weist der von alkalischen Elektrolyseuren erzeugte Wasserstoff eine geringere Reinheit von 99,98% auf, wobei ätzende Gase und Wasserdampf die Hauptverunreinigungen darstellen.
3. Vorteile und Nachteile
Alkalischer Elektrolyseur
Vorteile
Nachteile
PEM-Elektrolyseur
Vorteile
Nachteile
4. Anwendungen von PEM- und alkalischen Wasserstoffgeneratoren
Sowohl PEM- als auch alkalische Wasserstoffgeneratoren finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, darunter Energiespeicherung, Power-to-Gas, industrielle Anwendungen, Transport sowie Wohn- und Geschäftsenergie. Während beide Elektrolyseurtypen für verschiedene Wasserstoffproduktionsanwendungen eingesetzt werden können, gibt es bestimmte Szenarien, in denen der eine Typ besser geeignet ist als der andere. Hier sind einige Beispiele, wie diese Technologien genutzt werden:
4.1. Energiespeicherung
Eine der vielversprechendsten Anwendungen von Elektrolyseuren ist die Energiespeicherung, insbesondere für erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windkraft. Durch die Umwandlung von überschüssigem Strom in Wasserstoff können Elektrolyseure Energie speichern, die später entweder direkt als Brennstoff oder durch Rückumwandlung in Elektrizität mittels Brennstoffzelle genutzt werden kann.
4.2. Power-to-Gas
Power-to-Gas ist eine Technologie, bei der Elektrolyseure elektrische Energie in gasförmige Energie umwandeln, typischerweise durch die Erzeugung von Wasserstoff oder synthetischem Erdgas (SNG). Dies kann dazu beitragen, das Stromnetz auszugleichen und eine Möglichkeit zur Speicherung erneuerbarer Energie für zukünftige Anwendungen zu bieten.
4.3. Industrielle Anwendungen
Sowohl PEM- als auch alkalische Elektrolyseure können in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt werden, darunter die Herstellung von Chemikalien, Metallen und Elektronik. Der von Elektrolyseuren erzeugte Wasserstoff kann als Reduktionsmittel, als Ausgangsstoff für chemische Synthesen oder als Energieträger in verschiedenen industriellen Prozessen verwendet werden.
4.4. Transport
Der von Elektrolyseuren erzeugte Wasserstoff kann als sauberer Brennstoff für den Transport verwendet werden. Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen stoßen lediglich Wasserdampf als Nebenprodukt aus und bieten vergleichbare Reichweiten und Betankungszeiten wie benzinbetriebene Fahrzeuge.
4.5. Energie für Wohn- und Geschäftsanwendungen
Der von Elektrolyseuren erzeugte Wasserstoff kann für den Energiebedarf in Wohn- und Geschäftsbereichen genutzt werden, entweder direkt als Brennstoff für Heizung und Kochen oder durch Rückumwandlung in Elektrizität mittels Brennstoffzelle.
4.6. Kleinmaßstäbliche, schnelle Wasserstoffproduktion
PEM-Elektrolyseure sind ideal für kleinmaßstäbliche Wasserstoffproduktionsanwendungen, die schnelle Reaktionszeiten erfordern, wie beispielsweise Wasserstoff-Autokit zur Verbesserung der Lkw-Wirtschaftlichkeit. Ihre hohe Effizienz, kompakte Bauweise und schnelle Reaktionsfähigkeit auf wechselnde Nachfragen machen sie für diese Szenarien besonders geeignet.
4.7. Großmaßstäbliche, zentrale Wasserstoffproduktion
Alkalische Elektrolyseure sind in der Regel besser geeignet für großmaßstäbliche Wasserstoffproduktionsanwendungen, wie zentrale Wasserstoffproduktionsanlagen. Ihre geringeren Investitionskosten und hohe Wasserstoffproduktionskapazität machen sie zu einer attraktiven Option für diese Szenarien, auch wenn ihre Effizienz im Vergleich zu PEM-Elektrolyseuren niedriger ist.
4.8. Integration mit erneuerbaren Energiequellen
PEM-Elektrolyseure sind aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeiten und der Fähigkeit, schwankende Energie effizient zu nutzen, bestens für die Integration mit erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windkraft geeignet. Dies kann dazu beitragen, das Stromnetz auszugleichen und eine Möglichkeit zur Speicherung erneuerbarer Energie für zukünftige Anwendungen zu bieten.
4.9. Industrielle Anwendungen, die hochreinen Wasserstoff erfordern
PEM-Elektrolyseure erzeugen Wasserstoff mit einer höheren Reinheit im Vergleich zu alkalischen Elektrolyseuren. Für industrielle Anwendungen, die hochreinen Wasserstoff erfordern, wie z. B. die Halbleiterfertigung oder die pharmazeutische Produktion, sind PEM-Elektrolyseure die geeignetere Wahl.
4.10. Wasserstoffproduktion in korrosiven Umgebungen
Alkalische Elektrolyseure sind gegenüber Verunreinigungen und korrosiven Umgebungen toleranter als PEM-Elektrolyseure. In Anwendungen, bei denen Verunreinigungen im Ausgangsmaterial oder korrosive Bedingungen ein Problem darstellen, könnten alkalische Elektrolyseure die bessere Wahl sein.
5. Zukunftsausblick für PEM- und alkalische Elektrolyseure
Während sich die Welt auf eine nachhaltigere Energiezukunft zubewegt, wird erwartet, dass die Nachfrage nach sauberen Wasserstoffproduktionstechnologien wie PEM- und alkalischen Elektrolyseuren erheblich steigen wird. Forschungs- und Entwicklungsbemühungen konzentrieren sich weiterhin darauf, die Effizienz, die Kosten und die Haltbarkeit dieser Technologien zu verbessern sowie neue Materialien und innovative Designs zu erforschen.
In den kommenden Jahren ist es wahrscheinlich, dass sowohl PEM- als auch alkalische Elektrolyseure weiterhin eine wesentliche Rolle in verschiedenen Sektoren spielen werden, von der Energiespeicherung und Power-to-Gas-Anwendungen bis hin zu industriellen Prozessen und dem Transportwesen. Mit fortschreitender Technologie und sinkenden Kosten der Elektrolyseure wird erwartet, dass ihre Verbreitung und ihr Einfluss auf die globale Energielandschaft zunehmen werden.
6. Neue Technologien und Innovationen bei Elektrolyseuren
Mit wachsender Nachfrage nach sauberer Wasserstoffproduktion arbeiten Forscher und Ingenieure an neuen Technologien und Innovationen, um die Effizienz, die Kosten und die Skalierbarkeit von Elektrolyseuren zu verbessern. Einige der aufkommenden Technologien und Innovationen umfassen:
6.1. Festoxid-Elektrolyseure (SOEC)
Festoxid-Elektrolyseure arbeiten bei hohen Temperaturen (typischerweise etwa 800°C) und nutzen ein festes Oxid-Keramikmaterial als Elektrolyt. Sie können höhere Wirkungsgrade als PEM- und alkalische Elektrolyseure erreichen und haben das Potenzial, sowohl Wasser als auch Kohlendioxid in Wasserstoff und andere nützliche Produkte umzuwandeln. Allerdings stellt die hohe Betriebstemperatur Herausforderungen hinsichtlich der Materialien und der Haltbarkeit dar.
6.2. Elektrolyseure mit Anionenaustauschmembran (AEM)
Elektrolyseure mit Anionenaustauschmembran sind ein relativ neuer Typ von Elektrolyseur, der anstelle einer Protonenaustauschmembran eine Anionenaustauschmembran verwendet. AEM-Elektrolyseure können potenziell einige der Vorteile von PEM- und alkalischen Elektrolyseuren bieten, wie hohe Effizienz und niedrige Kosten. Allerdings sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten notwendig, um einige der aktuellen Einschränkungen, wie die Haltbarkeit der Membran und die Stabilität der Leistung, zu überwinden.
6.3. Bipolare Membran-Elektrolyseure
Bipolare Membran-Elektrolyseure kombinieren eine Anionenaustauschmembran und eine Kationenaustauschmembran, wodurch eine bipolare Membran entsteht, die die Elektrolyse von Wasser ohne externen Elektrolyten ermöglicht. Diese Technologie hat das Potenzial, die Kosten zu senken und das Design des Elektrolyseurs zu vereinfachen, befindet sich jedoch noch in einem frühen Entwicklungsstadium.
6.4. Neue Materialien und Katalysatoren
Forscher untersuchen auch neue Materialien und Katalysatoren für Elektrolyseure, um die Kosten zu senken und die Leistung zu verbessern. Beispielsweise könnte die Entwicklung von Katalysatoren ohne Edelmetalle für PEM-Elektrolyseure die Abhängigkeit von teuren Platingruppenmetallen verringern. Ebenso könnten neue Elektrodenmaterialien für alkalische Elektrolyseure die Effizienz und Haltbarkeit verbessern.
Vergleich von PEM-, AEM-, SOEC- und ALK-Elektrolyseuren
Wir haben speziell einen Artikel geschrieben, der Ihnen dabei hilft, den für Sie am besten geeigneten Elektrolyseur auszuwählen. Dieser Artikel wird Ihnen auch die Unterschiede in den technologischen Ansätzen und der Wasserstoffproduktions-Effizienz dieser vier Elektrolyseurtypen klar vorstellen.
