Was passiert bei der Wasserstoffelektrolyse?

Um weltweit die CO2-Emissionen zu senken, muss eine Abkehr von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energien erfolgen. In Deutschland wurde dieser Prozess bereits durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz 2000 und das Energiekonzept der Bundesregierung 2010 initiiert. Die Nutzung von Wasserstoff kann dabei behilflich sein

Im Juni 2020 hat die Bundesregierung die deutsche Wasserstoffstrategie veröffentlicht. Darin wird festgelegt, dass bis zum Jahr 2030 in Deutschland Gesamtanlagen von bis zu 5 GW zur Produktion von Wasserstoff, einschließlich der dafür benötigten Energiegewinnung, gebaut werden sollen. Zur Veranschaulichung dieser Zahlen: das Projekt zur CO2-freien Stromversorgung der Messe in Nürnberg, welches INP zurzeit bearbeitet, hat eine Gesamtleistung von 1 MW und eine Anlage in Lingen soll eine Gesamtleistung von 200 MW haben.

Wasserelektrolyse bezeichnet die Zerlegung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrischen Strom. Dabei wird elektrische Energie CO2-neutral (bei Strom aus erneuerbaren Energien) direkt in chemische Energie umgewandelt. Durch das Anlegen einer Spannung, die höher ist als die sogenannte thermoneutrale Spannung (1,48 V) wird Wasser durch Reduktion und Oxidation in H2 (Kathode) und in O2 (Anode) gespalten.

Falls zusätzlich Energie in Form von Wärme zugeführt wird, kann unterhalb der thermoneutralen Spannung bei bis zu 1,23 V (reversible Zellspannung) gearbeitet werden. Für reale Systeme ist die Mindestspannung höher als diese theoretischen Spannungen da es im Prozess zu Verlusten kommt. Deshalb arbeiten die besten Niedertemperatur-Elektrolyseure bei Spannungen von ungefähr 1,45 V. Bei der Elektrolyse wässriger Lösungen wird immer Wasser zersetzt, zugesetzte Säuren oder Basen dienen nur zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit.

Die dafür benötigte Elektrolyseanlage setzt sich aus mehreren Elektrolysezellen und Nebenanlagen (Gastrocknung, Kompressoren, Pumpen, Gleichrichter etc.) zusammen. Die einzelnen Zellen werden zu einem sogenannten Stack zusammengefügt, in dem die Zellen übereinandergestapelt und elektrisch verschaltet werden. Sie sind jeweils durch Platten getrennt.

Die gesamte Anordnung wird mithilfe von Endplatten zusammengehalten. Durch die Stackbauweise wird die aktive Zellfläche und damit die maximale Leistungsaufnahme vergrößert. Die Stacks werden meistens elektrisch in Reihe geschaltet, was als bipolares Stack-Design bezeichnet wird. Beim Aufbau der einzelnen Zellen existieren zurzeit drei verschiedene Verfahren mit unterschiedlichem Entwicklungsstand: die alkalische Elektrolyse (AEL), die am weitesten entwickelt ist, die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEMEL) und die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL), bei der noch der meiste Forschungsbedarf besteht.

Diese drei Verfahren haben unterschiedliche Vorteile. Bei der HTEL sind die höchsten Wirkungsgrade mit bis zu 95 % zu erreichen, die PEMEL eignet sich vor allem für Projekte, bei denen der Elektrolyseur dynamisch agieren soll und bei der AEL sind zurzeit die günstigsten Anlagen realisierbar. Bei der AEL liegt der Wirkungsgrad bei ungefähr 70 % und bei der PEMEL bei bis zu 75 %. 2017 war das Verhältnis von PEMEL zu AEL 10 % zu 90 %.

Wasserstoff kann in vielen Bereichen Anwendung finden. Mithilfe der Brennstoffzelle oder einer Gastrubine kann aus Wasserstoff wieder Strom hergestellt werden. Außerdem kann er zur Erzeugung von Wärme durch z. B. Brennstoffzellen-Heizgeräte genutzt werden

Im Bereich der Mobilität kann Wasserstoff in Brennstoffzellen-Autos/-LKWs oder zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen genutzt werden. Auch in der chemischen Industrie und in der Stahlindustrie kann Wasserstoff zur Dekarbonisierung verwendet werden. Bei der Stahlerzeugung kann Wasserstoff zum Beispiel als Ersatz für den zugeführten Kohlenstoff verwendet werden. Die Herstellung von Stahl ist derzeit eine der CO2-intensivsten Industriebranchen in Deutschland.

In der chemischen Industrie kann Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak verwendet werden, was der Grundstoff für Düngemittel ist.

Da Wasserstoff nur ein Energieträger ist und keine primäre Energiequelle, kann dadurch allein nicht das Problem der Energieversorgung gelöst werden. Aber er stellt ein wichtiges Speichermedium für die Nutzung erneuerbarer Energien dar und kann, wie oben beschrieben, vielfältig genutzt werden.

Quellen/Sources:
Hebling, C., et al. (2019), Eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland.
Deutscher Bundestag (2020), Wasserstoffstrategien National und international.
Lettenmeier, P. (2018), Entwicklung und Integration neuartiger Komponenten für Polymerelektrolytmembran- (PEM) Elektrolyseure. Dissertation.
Kurzweil, P. & Dietlmeier, O. (2018), Elektrochemische Speicher. Superkondensatoren, Batterien, Elektrolyse-Wasserstoff, rechtliche Rahmenbedingungen,
Springer Vieweg, Wiesbaden, www.springer.com, ISBN: 978-3-658-21829-4.
Tjarks, G. H. (2017), PEM-Elektrolyse-Systeme zur Anwendung in Power-to-Gas Anlagen.
Barisic, M. (2019), Preiswerte, lastflexible und nachhaltige Erzeugung von grünem Wasserstoff.
Siemens AG (2020), Large Scale PEM Electrolysis for Industrial Applications.
https://assets.new.siemens.com/siemens/asset/public.1524040818.abae9c1e48d6d239c06d88e565a25040ed2078dc.ct-ree-18-047-dbsilyzer-300-db-de-en-rz.pdf