Elektrolyse: Entwicklungstrends und Herstellerübersicht

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Alkalischer Elektrolyseur, © Nel Hydrogen

Die Aufspaltung von Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff wird allgemein als Wasserelektrolyse bezeichnet. Dieser Vorgang entspricht der aus dem Schulunterricht bekannten Knallgas-Reaktion in entgegengesetzter Richtung. Sofern die Anode und die Kathode in einer Elektrolysezelle durch eine semipermeable Membran oder ein Diaphragma getrennt sind, können die produzierten Gase getrennt aus der Zelle abgeführt werden.

Durch den stetigen Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und die damit einhergehende Transformation unseres Energiesystems ist die Bedeutung der Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse in den letzten Jahren erheblich gewachsen. Als elektrochemisches Verfahren erlaubt die Wasserelektrolyse eine Kopplung der Elektrizitätserzeugung mit anderen energiewirtschaftlichen Sektoren (Power-to-X-Konzept).

Der mit grünem Strom erzeugte Wasserstoff oder seine Folgeprodukte lassen sich als Speichermedien für erneuerbare Energien einsetzen. Verwendung finden sie nicht nur als Ausgangsstoffe für chemische Prozesse, sondern auch als Sekundärenergieträger in stationären und mobilen Anwendungen der unterschiedlichen Sektoren.

 

Entwicklungstrends

Es gibt heute drei relevante Verfahren der Wasserelektrolyse: die alkalische Elektrolyse (AEL) mit einem flüssigen, basischen Elektrolyten, die saure Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyse (PEMEL) mit einem polymeren Festelektrolyten und die Hochtemperatur-Elektrolyse mit einem Festoxid als Elektrolyten (SOEL).

Vor allem die alkalische Elektrolyse mit flüssigen Elektrolyten (Betriebstemperatur ca. 80 °C) wird seit über 100 Jahren kommerziell genutzt (s. Abb. 1). In der Mitte des vergangenen Jahrhunderts wurden teilweise Elektrolyseanlagen mit einer Anschlussleistung von bis zu 140 MW aufgebaut und vor allem für die Erzeugung von Wasserstoff als chemischem Ausgangsstoff für die Düngemittelherstellung genutzt. Auch heute noch sind diese Module im einstelligen Megawatt-Bereich, mit Zellflächen bis zu 3 m² und meistens in atmosphärischer Betriebsweise verfügbar und werden zunehmend in modifizierter Form für PtG-Anwendungen eingesetzt.

Neuere Entwicklungen in der alkalischen Elektrolyse weisen häufiger …

Die PEM-Elektrolyse konnte sich in den l

etzten 20 Jahren vor allem in industriellen oder Nischenanwendungen mit kleinen Produktionskapazitäten bis etwa 10 Nm³/h und hohem Betriebsdruck etablieren (Betriebstemperatur ca. 60 °C). Aufgrund ihrer prinzipiellen Eignung zur Kopplung mit erneuerbaren Energien (schnelles Start- und Stoppverhalten, Teillast- und Überlastfähigkeit auf Stack-Ebene, hohe Druckfestigkeit in kompakter Bauweise, Möglichkeit des Differenzdruckbetriebes usw.) setzten in den letzten zehn Jahren in fast allen Ländern intensive Entwicklungsbestrebungen sowohl auf industrieller Seite als auch in Forschungseinrichtungen ein. Vor allem das Scale-up der Zellfläche und damit die Erhöhung der Stack-Leistung stand und steht im Fokus aktueller Entwicklungsarbeiten.

Waren in den oben genannten Nischenanwendungen Zellflächen von …

Bereits heute gibt es erste Entwicklungsarbeiten für die nächste Generation von PEM-Zellstapeln mit einer …

Hochtemperaturbereich

Die Hochtemperatur-Wasserdampfelektrolyse befindet sich überwiegend noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium. Einzelne Zellstapel haben eine Anschlussleistung im unteren Kilowattbereich. Die Betriebstemperatur liegt typischerweise bei 750 bis 1.000 °C. Aufgrund der hohen Arbeitstemperaturen können die Stacks sowohl im Brennstoffzellen- als auch im Elektrolysemodus betrieben werden. Dies wird auch als Vorteil von den wenigen Anbietern un

d Entwicklern von Festoxid-Elektrolysezellen (Solid Oxide Electrolysis Cell) beworben. In fast allen SOEC-Entwicklungen werden daher Materialien aus der Brennstoffzellentechnik, der SOFC, eingesetzt, die gegebenenfalls für den Elektrolysebetrieb optimiert werden. Die planare Bauweise wird gegenüber dem tubularen Zelldesign eindeutig bevorzugt (s. auch Abb. 6).

Markt- und Herstellerübersicht

Trotz der wachsenden Bedeutung der Elektrolyse für die intersektorale Kopplung in der Energiewirtschaft existiert weltweit nur ein kleiner kommerzieller Markt für Wasserelektrolyseure. International sind nur wenige, meistens kleine Firmen auf dem Gebiet aktiv und bieten ihre Produkte an. Neben den etablierten Märkten für eine industrielle Nutzung wie die Wasserstofferzeugung in Kraftwerken zur Generatorkühlung befindet sich der Markt zur Speicherung erneuerbarer Energien gerade im Aufbau. Meistens fehlen jedoch aktuell noch tragfähige Geschäftsmodelle, die einen rentablen Einsatz in diesem Markt erlauben.

Tab. 1: Übersicht ausgewählter Elektrolyseurhersteller, Datenbasis 2017

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Autor: Dr. Tom Smolinka, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg

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