Was sind Elektrolyseure und wie funktionieren sie?

Grüner Wasserstoff ist einer der Eckpfeiler im Kampf gegen die Klimaerwärmung. Er wird durch Elektrolyse in Elektrolyseuren hergestellt. Wir geben einen Überblick über Funktionsweise und Bauarten von Elektrolyseuren.

Inhaltsverzeichnis:

Die Anfänge der Elektrolyse
Verschiedene Verfahren der Wasserelektrolyse
AEL (alkalische Elektrolyseure)
PEM (Proton Exchange Membrane, saure Elektrolyseure)
SOE (Solid Oxide Electrolysis; Feststoffoxid-Elektrolyseure)
AEM (Anion Exchange Membrane, Anionenaustauschmembran)
Literatur

Die Anfänge der Elektrolyse

Die Elektrolyse von Wasser hat eine lange Geschichte. Britische Chemiker zerlegten bereits im Jahr 1800 erstmals Wasser mithilfe des elektrischen Stroms und erzeugten so Wasserstoff und Sauerstoff. Die Umkehrung, das heißt die Reaktion der beiden Gase unter Erzeugung von Elektrizität, gelang rund 40 Jahre später – die Grundlage der Brennstoffzelle. Anfang des 20. Jahrhunderts gewann jedoch zunächst der stoffliche Einsatz von Wasserstoff an Bedeutung. Mit dem Haber-Bosch-Verfahren wird seitdem Ammoniak (und schließlich Dünger) aus Wasserstoff und Stickstoff erzeugt. Die großen Mengen Wasserstoff, die dafür nötig waren, wurden mithilfe der Kohlevergasung oder der Dampfreformierung (aus Erdgas und Wasser) erzeugt. Dabei entsteht jeweils auch klimaschädliches Kohlendioxid – im Gegensatz zum Elektrolyse-Verfahren. Elektrolyseure waren jedoch lange nicht leistungsfähig genug, um eine wirtschaftliche und zugleich ökologische Alternative darzustellen.

Vor dem Hintergrund der ersten Ölkrisen in den 1970er- und 1980er-Jahren kreierten Entwickler die ersten Konzepte, in denen Wasserstoff eine Rolle als Energieträger spielte. In Projekten wie HYSOLAR wurde Wasserstoff mithilfe von Solar-Strom erzeugt. Die Verfahren waren zwar noch weit davon entfernt, wirtschaftlich zu arbeiten. Es erstaunt dennoch, dass nicht mit Hochdruck an ihrer Optimierung gefeilt wurde. Denn die Endlichkeit fossiler Brennstoffe war bekannt. Und die steigende Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre wurde damals bereits von zahlreichen Experten äußerst kritisch bewertet. Immerhin stellten die Hysolar-Partner (Saudi-Arabien und Deutschland) bereits 1994 die weltweit erste technische Wasserstoffproduktion, bei der Photovoltaik und Wasserelektrolyse direkt gekoppelt wurden, vor.

Verschiedene Verfahren der Wasserelektrolyse

Seitdem jedoch mehr und mehr Windkraft- und Photovoltaikanlagen elektrische Energie erzeugen, wird immer deutlicher: Wasserstoff, den man mithilfe von überschüssigem grünen Strom erzeugt, wird ein wichtiger Bestandteil der Energiewende werden. Im Rahmen der Sektorenkopplung kann er als Speichermedium dienen. Das denkbar einfache Prinzip der Wasserelektrolyse besteht aus zwei Teilreaktion, die in saurer Lösung oder alkalischer Lösung unterschiedlich ablaufen. In saurer Lösung entsteht an der Kathode aus Hydronium-Ionen (H3O+) Wasserstoff und Wasser. Und an der Anode wird Wasser zu Sauerstoff und Hydronium-Ionen umgesetzt.

In Kalilauge oder mit neutralen Salzen als Elektrolyt wird Wasser dagegen an der Kathode zu Wasserstoff und Hydroxid-Ionen (OH-). An der Anode reagiert Wasser zu Sauerstoff und Hydronium-Ionen.

Die für diese Prozesse genutzten Wasserelektrolyseure enthalten neben Kathode und Anode sowie den Behältern für den Elektrolyten eine Membran (Diaphragma). Sie trennt den Kathoden- und Anodenbereich und verhindert, dass die entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff miteinander in Berührung kommen. Dabei lässt sie jedoch selektiv die entstehenden Ionen (H+ bei saurem, OH- bei alkalischem Elektrolyseur) durch. So kann der Stromkreis geschlossen werden.

Inzwischen gibt es diverse Typen von Wasserelektrolyseuren, bei denen mehrere Elektrolysezellen aneinandergereiht werden. Sie unterscheiden sich neben dem eingesetzten Elektrolyten auch durch den Aufbau der Zellen im Detail (z. B. der Membran, der Gasdiffusionsschicht GDL, der Art der Bipolarplatten und der Katalysatoren) und durch die Temperaturen und Drücke, die während der Elektrolyse herrschen. Unterm Strich entstehen in allen Elektrolyseuren unter Einsatz von Gleichstrom aus zwei Wassermolekülen zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül.

AEL (alkalische Elektrolyseure)

Alkalische Elektrolyseure arbeiten meist mit Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt und nickelbasierten Elektroden. Alternativ kommen auch Titanelektroden mit einer Beschichtung aus Ruthenium- oder Iridiumoxid zum Einsatz. AEL werden bei Temperaturen zwischen 40 und 90 °C und einem Druck von ein bis 30 bar betrieben. Ein seit der 1950er etablierter Elektrolyseur mit hoher Langzeitstabilität.

PEM (Proton Exchange Membrane, saure Elektrolyseure)

Saure Elektrolyseure arbeiten mit destilliertem oder Trinkwasser. Als Elektrolyt dient eine protonendurchlässige Polymermembran. Sie ist auf der Kathodenseite mit Platin/Kohlenstoff und auf der Seite der Anoden mit Iridium- oder Rutheniumoxid beschichtet. Die Bipolarplatten bestehen aus Titan. (Erklärvideo)Es gibt auch reversible PEM, die sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolyseure arbeiten können. Für den Einsatz zur Energiespeicherung in Kombination mit einem Wasserstoffspeicher ist dies von Vorteil. Die PEM-Elektrolyseure sind weitgehend wartungsfrei. Im Gegensatz zu AEL können sie innerhalb von Sekunden aus dem Standby auf Volllastbetrieb gefahren werden. Das ist besonders zur Speicherung von Windenergie wichtig.

SOE (Solid Oxide Electrolysis; Feststoffoxid-Elektrolyseure)

Bei Feststoffoxid-Elektrolyseuren ist der Elektrolyt ein keramischer Werkstoff zwischen den Halbzellen. Wasser wird dampfförmig zugeführt. SOE werden bei 600 bis 900 °C betrieben (Hochtemperaturelektrolyse) und erreichen – u. a. aufgrund der als Wärme eingekoppelten zusätzlichen Energie – einen hohen Wirkungsgrad von über 80 %.

AEM (Anion Exchange Membrane, Anionenaustauschmembran)

AEM-Elektrolyseure enthalten eine ionenleitende, auf beiden Seiten mit Katalysator beschichtete Membran. Im Unterschied zur PEM wandern Hydroxidionen (OH-) hindurch. Die Membran des neueren AEM-Elektrolyseurs ist deutlich kostengünstiger als die des PEM-Elektrolyseurs. Sie ist von Gasdiffusionsschichten umhüllt. Den Abschluss auf beiden Seiten bilden Stahl-Bipolarplatten. Der Wirkungsgrad wird mit 62,5 % angegeben. Es entsteht Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,9 %.