Wasserstoff-Elektrolyse So wird aus Strom Gas: Die Wasserstoff-Elektrolyse unter der Lupe

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Aus Strom mach Gas: die Schlüsseltechnologie der Wasserstoff- Revolution unter der Lupe – Egal ob alkalisch, PEM oder Hochtemperatur-Elektrolyse, das älteste elektrochemische Verfahren soll die Welt von morgen möglich machen. 2021 kommen Projekte mit über 200 Gigawatt Elektrolyse-Leistung auf die Agenda. Doch was steckt hinter diesen Zahlen? Welche Technologien gibt es, und wohin geht die Reise jetzt?

Wo gibt es solches Wachstum? Bis 2040, schätzt eine aktuelle Studie, sollte sich die Gesamtkapazität der weltweit installierten Wasserstoff-Elektrolyse-Anlagen um den Faktor 1000 erhöhen. 213,5 GW Leistung sollen bis dahin rund um den Globus in Betrieb gehen – 2021 sind es gerade einmal 0,2 GW. Dabei steht Europa im Mittelpunkt des Interesses: Derzeit sind etwa 85 Prozent der geplanten Produktionskapazitäten in der „alten Welt“ zu Hause, der Löwenanteil in Deutschland. Allerdings hat die Sache einen Haken: Geplant heißt nicht gebaut. Wie viele Anlagen tatsächlich entstehen, muss die Zeit zeigen. Konkreter sind die Zahlen für 2030: Hier planen Deutschland 9 GW, die Niederlande 6 GW und Großbritannien will 4 GW Elektrolyse-Leistung aufbauen, mit steigender Tendenz. Ebenfalls steigend: die Anlagengröße: Sind derzeit Elektrolyseure mit bis zu 10 MW Leistung üblich, könnten es 2025 100 bis 500 MW sein, glaubt das Marktforschungsunternehmen Aurora Energy.

Der Strom für die H₂-Herstellung soll in den meisten Fällen aus Windenergie gewonnen werden, dazu kommen Solarstrom und ein kleiner Anteil an Anlagen, die Netzstrom nutzen. Eine beispiellose Erfolgsgeschichte für eine Reaktion, die die meisten aus der ersten Chemiestunde am Gymnasium kennen. Doch die große Zeit der Wasserelektrolyse könnte erst noch kommen – als Stromspeicher und Puffer der Energiewende.

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Arbeitspferd der H₂-Wirtschaft: Wie funktioniert die alkalische Elektrolyse?

Bis 2030, schätzt eine Studie der Unternehmensberatung Boston Consulting Group, könnten die volatilen Erneuerbaren Energien den weltweiten Bedarf an Energiespeichern auf insgesamt 330 GW steigern. Dabei könnte „grüner“, also mit emissionsfrei erzeugtem Strom gewonnener Wasserstoff eine Schlüsselrolle spielen.

Doch wie macht man aus Strom Gas? Eben über die Elektrolyse, die elektrochemische Spaltung des Wassermoleküls in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Doch während die zugrunde liegende Reaktion im Grunde immer dieselbe ist, unterscheidet sich die Umsetzung als technisches Verfahren deutlich.

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Zurück in der Zukunft: Wie H2-ready ist die Industrie?

Schon, ob in den Elektrolysezellen ein basisches oder saures Medium eingesetzt wird, macht einen wesentlichen Unterschied: Die alkalische Elektrolyse, das Arbeitspferd unter den Wasserelektrolyse-Verfahren, nutzt bis zu 40-prozentige Kalilauge-Lösungen, um Wasserstoff mit hohem Reinheitsgrad zu gewinnen. Die Elektroden, Zellen und Membranen sind vergleichsweise preiswert und langzeitstabil, die Wirkungsgrade hoch. Diese Eigenschaften – sowie die Tatsache, das für die Elektroden keine seltenen Edelmetalle benötigt werden, macht die alkalische Elektrolyse zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Erzeugung von grünem Wasserstoff.

Zu langsam für die Netzstabilisierung?

Wo Licht ist, ist aber auch Schatten: So reagieren die Zellen träge und haben im (ohnehin geringen) Teillastbereich einen deutlich reduzierten Wirkungsgrad – beides wichtige Anforderungen, wenn die Technologie mit Überschussstrom arbeiten und last-gesteuert zur Netzstabilisierung beitragen soll.

Besonderes Augenmerk richten die Entwickler daher auf die Membran, welche die Halbzellen voneinander trennt: Diese muss einerseits möglichst Ionen-durchlässig, andererseits chemisch beständig sein, wobei Einsatztemperaturen von 80 °C und mehr keine Seltenheit sind. Zusätzlich sinkt der elektrische Widerstand der Zellen, je näher die beiden Elektroden „zusammenrücken“, wobei die Dicke des Diaphragmas der minimal mögliche „Nullabstand“ bleibt.

Die Membran macht’s: Wasserstoff per PEM-Elektrolyseur

Doch es geht auch umgekehrt: Die Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyse (kurz PEM-Elektrolyse) ist im Prinzip die „Umkehrung“ der Brennstoffzelle. Sie arbeitet im sauren Milieu, wobei positive Wasserstoffionen – Protonen – durch eine gasdichte PTFE-Membran zur Kathode wandern. Dort nehmen sie ein Elektron auf und bilden hochreine Wasserstoffmoleküle (auf eine Nachreinigung wird in der Praxis verzichtet ), während auf der Anodenseite der Sauerstoff abgeschieden wird und genutzt werden kann.

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Da die Elektroden direkt auf der Membran, die zugleich als Elektrolyt dient, aufgebracht sind, benötigt der PEM-Elektrolyseur lediglich reines, destilliertes Wasser. Aufgrund der aggressiven Reaktionsbedingungen kommen als Kathodenmaterial Platin (meist auf einem Kohlenstoff-Träger), auf der Anodenseite Edelmetalle wie Iridium oder Metalloxide zum Einsatz. Im Unterschied zur Alkalischen Elektrolyse gibt es aber an der Kathode praktisch kein flüssiges Wasser.

Teillast oder Überlast? Für PEM kein Problem!

Die PEM-Elektrolyse erzielt nicht nur hohe Stromdichten, Leistungsdichten und Wirkungsgrade, sondern kann problemlos im Teillastbereich betrieben werden. PEM-Elektrolyseure können sogar kurzzeitig überlastet werden, was sie ideal für das „Abfedern“ von Spannungsspitzen im Stromnetz macht. Im Gegensatz zu den bewährten alkalischen Elektrolyseuren ist die Technologie allerdings noch verhältnismäßig jung und war lange auf kleine Nischenanwendungen beschränkt.

Damit ist jetzt Schluss: Im Zuge des Wasserstoffbooms werden mehr und mehr Großprojekte angekündigt, so etwa ein 24 Megawatt-Elektrolyseur, den Linde zusammen mit ITM Power in Leuna baut. Die Anlage war Anfang 2021 das größte PEM-Elektrolyse-Projekt der Welt und soll ab 2022 Industriekunden mit grünem Wasserstoff versorgen. Dabei wollen die Partner von einem bestehenden Pipelinenetz in der Region profitieren.

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Wasserstoff per Festoxid: Sieht so die Zukunft aus?

Eine im wahrsten Sinne des Wortes heiße Sache ist die OEC Festoxid-Elektrolyse: Da hier die Reaktion bei sehr hohen Temperaturen (500 is 850 °C) abläuft, muss weniger Energie aufgewendet werden, um die Wassermoleküle aufzuspalten. Auch dieses Verfahren ist im Prinzip eine „rückwärts“ laufende Brennstoffzelle, bei der die Halbzellen statt durch eine Membran durch ein festes Oxid getrennt werden.

Als Elektrolyt kommt in Anbetracht der hohen Betriebstemperatur ein Ionenleiter wie Zirkoniumdioxid zum Einsatz, welches beim Anfahren der Zellen erst erhitzt werden muss. Und das sogar außerirdisch: Das MIT schickte 2020 eine Festoxid-Elektrolyse mit dem Mars Rover zum roten Planeten, um zu prüfen, ob das Verfahren zur Sauerstoffgewinnung im All geeignet wäre.

Was kann die Chlor-Elektrolyse für den Wasserstoff?

Bleibt die Chloralkali-Elektrolyse: Auch bei der Herstellung von Chlor aus Salzsole fällt Wasserstoff als Koppelprodukt an – und damit haben Anlagenbauer Jahrzehnte Erfahrung. Die Technologie sei relativ ausgereift und weise Wirkungsgrade bis zu 80 Prozent auf, erklären Experten.

Die meisten Elektrolyse-Anlagen werden in vorgefertigten Standardmodulen geliefert, die sich einfach transportieren, installieren und zu verschiedenen Anlagengrößen bis zu mehreren hundert Megawatt bzw. Gigawatt zusammenschalten lassen. Auch die Chlor­elektrolyse kann zur Netzstabilisierung genutzt werden und erfüllt alle Anforderung für den Primärregelenergiemarkt, etwa die Forderung, zwischen Maximal- und Minimallast innerhalb von 30 Sekunden oder weniger wechseln zu können.

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Durchbruch in Sicht? Diese Stolpersteine bremsen die Elektrolyse

Also alles bereit für die Energiewende? Nicht ganz, gibt Hanns Koenig, Head of Comissioned Projects bei Aurora Energy Research, zu Bedenken: „Der Erfolg von grünem Elektrolyse-Wasserstoff wird von zwei Schlüsselfaktoren abhängen“, so der Energieexperte. „Zum einen den Stromkosten, die den größten Teil der Produktionskosten ausmachen. Und zum anderen der CO₂-Bilanz, die entscheidend ist, ob das Gas als klimafreundlich gelten kann.“

Und da ist Deutschland plötzlich nur noch im Mittelfeld: Erstens sind die Energiekosten vergleichsweise hoch, zweitens ist die CO₂-Intensität noch nicht auf dem Niveau etwa Norwegens, Schwedens oder Frankreichs. „Nur in diesen Ländern werden mit Netzstrom betriebene Elektrolyseure wohl die relativ strengen Grenzwerte einhalten, die die EU bis 2030 für das Label ‘nachhaltiger’ Wasserstoff plant“, sagt Koenig. Die Alternative zur Minderung des CO₂-Fußabdrucks wäre natürlich, die Elektrolyse vom Netz zu entkoppeln und direkt mit Grünstrom aus Wind, Sonne und Wasser zu versorgen.

Wieviel Wasserstoff gibt das nochmal?

Doch es gibt noch einen weiteren Faktor, der nach Ansicht von Branchenkennern über die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens entscheidet: Die mögliche Stromdichte, von der direkt die Menge erzeugten Wasserstoffs abhängt. Da aber die Elektroden und Zellen bei zu hohen Spannungen zu korrodieren beginnen, kann diese nicht beliebig erhöht werden – stattdessen müssen größere bzw. mehr Elektrolysezellen her.

Dossier Wasserstoff 5

Aufbruch ins Wasserstoff-Zeitalter

Generell ist die mögliche Stromdichte von PEM-Elektrolyseuren (1.000 bis 2.000 mA/cm²) deutlich höher als die typischer alkalischer Elektrolysezellen (200 bis 500 mA/cm²), allerdings holen diese mit großen Schritten auf. Die Entwickler glauben sogar, mittelfristig durch die Verbesserung der katalytischen Eigenschaften der Elektroden, des Elektrodendesigns und des Separators, sowie durch Druck- und Temperaturerhöhungen, die Stromdichten verdoppeln zu können. Der Wirkungsgrad könnte dadurch bei etwa gleichbleibender Zellspannung auf fast 90 Prozent klettern, erwarten Experten. ●

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