Elektrolyseure

Funktionsweise, Typen und die Rolle der Stromstärke und Zellspannung
electrolysis

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Ohne Elektrolyse gibt es keinen grünen Wasserstoff und damit auch keine flächendeckende und langfristige Reduzierung von Emissionen – doch wie wird Wasserstoff eigentlich hergestellt? Was ist ein Elektrolyseur und welche Arten gibt es? Welche Rolle spielt die Zellspannung und die Stromdichte bei der Elektrolyse und welchen Beitrag leistet die Messtechnik von DiLiCo engineering um diese Technologie zu verbessern? Im Folgenden sollen diese Fragen beantwortet werden.

Was sind Elektrolyseure?

Der Elektrolyseur gehört zu den essenziellen Wasserstofftechnologien einer Wasserstoffwirtschaft. Mit seiner Hilfe kann Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Die Elektrolyse stellt somit die Umkehrreaktion der Brennstoffzelle dar. Ein Elektrolyseur besteht aus mehreren aneinander gereihten Elektrolysezellen, in denen die notwendige Redoxreaktion durch zugeführte elektrische Energie erzwungen wird.

Das Funktionsprinzip der Elektrolyse wurde bereits Anfang des 19. Jahrhundert entdeckt. Das Potenzial von Wasserstoff als Energieträger wurde damals schon erkannt. Der französische Schriftsteller Jules Verne hat in seinem Roman Die geheimnisvolle Insel bereits 1875 das Potenzial von Wasser und Wasserstoff erkannt:

„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“ (Jules Verne, 1875)

Wie sind Elektrolyseure aufgebaut?

Der Aufbau eines Elektrolyse-Zelle ähnelt dem Aufbau von Brennstoffzellen. Die Elektrolysezelle besteht bei der PEM-Elektrolyse aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode, welche durch eine teildurchlässige Membran voneinander räumlich getrennt sind. Zur Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit befinden sich auf beiden Seiten der Membran Katalysatoren. Hier können nur wenige Edelmetalle wie Platin und Iridium zum Einsatz kommen, da andere Metalle sich unter den harten Reaktionsbedingungen zu schnell umwandeln würden. Die äußere Umhüllung der Elektrolysezelle bilden die Bipolarplatten, welche ebenfalls aus korrosionsbeständigem Material wie Edelstahl oder Titan gefertigt werden müssen.

Wie funktioniert die Elektrolyse?

An die Elektroden der Elektrolysezelle wird eine externe Spannung angelegt, welche mindestens über der Zersetzungsspannung von Wasser (meist 1,6 V – 2 V) liegen muss. Beschleunigt durch die katalytische Wirkung der Edelmetall-Elektroden wird an der Anode zugeführtes Wasser aufgespalten. Es entstehen Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene Wasserstoff-Ionen.

Die positiven Wasserstoff-Ionen wandern anschließend durch die Membran zur Kathode, wo sie zu molekularen Wasserstoff reduziert werden. Der Wasserstoff kann anschließend der Zelle entnommen und gespeichert werden. Welche Möglichkeiten es zur Wasserstoffspeicherung gib, finden Sie sie in unserem Beitrag zu Wasserstofftechnologien.

Bild: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer PEM-Elektrolysezelle.

Welche Varianten von Elektrolyseuren gibt es?

Bei der Elektrolyse gibt es verschiedene Verfahren, um Wasserstoff herzustellen. Diese unterscheiden sich hauptsächlich durch den verwendeten Elektrolyten, der Betriebstemperatur und durch den Aufbau der Elektrolysezelle. Nachfolgend wird auf die drei bekanntesten Arten der Elektrolyse eingegangen und die Funktionsweise kurz erklärt.

AEL - Alkalische Elektrolyse

Die Alkalische ELektrolyse (Kurz: AEL) nutzt als Elektrolyt eine Kalilauge und eine durchlässige Membran, das sogenannte Diaphragma, welche die beiden Elektroden voneinander trennt. Die Elektroden werden in eine alkalische wässrige Lösung eingetaucht. Legt man nun eine Spannung an, entsteht an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff.

Der große Vorteil dieser Form der Elektrolyse liegt darin, dass die Technologie eine hohe Langzeitstabilität und geringe Investitionskosten aufweist. Der Wirkungsgrad bei der Alkalischen Elektrolyse liegt aktuell bei ca. 65% und es können bis zu 90.000 Betriebsstunden erreicht werden. Die Elektrolyseanlagen können im Leistungsbereich von bis zu 130 Megawatt liegen und sind bereits weltweit im Einsatz.

PEM - Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse

Die Proton-Austausch-Membran Elektrolyse (engl. Proton-Exchange-Membrane, kurz: PEM) oder auch Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse genannt, nutzt als Elektrolyt eine dünne Membran aus thermoplastischem Kunststoff (Ionomer). Anode und Kathode werden durch diese gasdichte Membran getrennt, nur positive Wasserstoffionen können die Membran passieren. Auf Grund der Ionenwanderung gehört dieses Verfahren der Elektrolyse zu den sauren Verfahren. Dadurch wird der Einsatz von Edelmetallen für die Katalysatoren notwendig, um Korrosion zu vermeiden.

Der Vorteil dieser Technologie ist das gute Lastwechselverhalten. Sie kann schnell auf Schwankungen der zugeführten Energie reagieren und problemlos in Teillast betrieben werden. Der Wirkungsgrad der PEM-Elektrolyse liegt aktuell bei ca. 63% und ist somit leicht geringer als bei der alkalischen Elektrolyse. Da die Technologie noch relativ neu ist, sind die Investitionskosten wesentlich höher als bei der alkalischen Elektrolyse. Der Leistungsbereich der Anlagen erreicht Werte bis zu 6 Megawatt.

SOE - Festoxid-Elektrolyse

Die Feststoffoxid Elektrolyse (engl. Solid Oxide Electrolysis, kurz: SOE) nutzt als Elektrolyt einen festen keramischen Werkstoff, welcher die beiden Halbzellen trennt. Das Wasser wird in Form von Wasserdampf den Reaktionskammern zugeführt. Diese Art der Elektrolyse befindet sich aktuell im Übergang von Forschung zur industriellen Anwendung.

Diese Technologie zählt zu der Hochtemperaturelektrolyse, wird bei Temperaturen von 600-900 °C betrieben und kann einen sehr hohen Wirkungsgrad von über 80% erreichen. Die Investitionskosten liegen ungefähr auf dem Niveau der PEM Elektrolyse. Vor kurzem wurde von der Firma Sunfire GmbH der größte SOE Elektrolyseur der Welt mit einer Leistung von 250 kW in Betrieb genommen.

Anwendungen von Elektrolyseuren zur Wasserstoffgewinnung

Die Anwendungen von Elektrolyseuren finden dort statt, wo aus logistischer und energetischer Sicht die Wasserstoffgewinnung sinnvoll sind. Beispielsweise bei großer Photovoltaikanlagen oder bei Windparks. Dort kann der regenerativ erzeugte Strom für die Wasserelektrolyse vor Ort verwendet werden. Der erzeugte Wasserstoff wird meistens unter hohem Druck eingespeichert, damit er zum Nutzer weitertransportiert werden kann. Endverbraucher können z.B. der Mobilitätssektor oder auch die Stahlerzeugung sein, um CO2-Emissionen zu reduzieren.

Eine weitere Möglichkeit der Anwendung von Elektrolyseuren liegt bei der Erzeugung von Wasserstoff, welcher in das Erdgasnetz eingespeist wird. Bis zu 10 % Wasserstoff können direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden. Über den Schritt der Methanisierung kann Wasserstoff auch zuvor in reines Erdgas umgewandelt werden. Darüber hinaus wird die Elektrolyse in der Chemieindustrie eingesetzt, um Gase für Produktionsprozesse zu erzeugen. Elektrolyseure zählen zu den sogenannten Power-to-Gas (kurz: PtG) (oder auch Power-to-X) Technologien, bei denen Strom in verschiedene Gase (oder in verschiedene Formen von Energien) umgewandelt und gespeichert wird. Im Fall der Elektrolyse wird Strom in Form von Wasserstoff umgewandelt.

Bild: Erzeugungsprinzip von grünem Wasserstoff für mobile Anwendungen.
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Bild: Das Messgerät DiLiCo current density für den Einblick in die Zelle.

Die Rolle der Stromdichte bei der Elektrolyse

Die Stromdichte innerhalb einer PEM-Elektrolysezelle spielt eine wichtige Rolle für den sicheren und effizienten Betrieb des Elektrolyseurs. Denn die Stromdichte korreliert mit der Überspannung der Zelle. Ist diese zu gering, kann die Elektrolyse nicht stattfinden und das Wasser wird nicht aufgespalten.

Das hochspezialisierte Messsystem DiLiCo current density gibt die Möglichkeit, einen Blick in das innere der Zelle zu werfen. Es zeigt, wie sich die Stromdichte über die Reaktionsfläche verteilt und lässt somit Rückschlüsse auf die Alterung der Zelle sowie den optimalen Betrieb zu. Dies hat entscheidende Vorteile für den Anwender:

  • Analyse der Reaktion innerhalb der Zelle
  • Optimierung der Betriebsweise der Elektrolyse
  • Einsicht über Stromdichte- und Temperaturverhalten innerhalb der Zelle

DiLiCo engineering passt das Stromdichtemesssystem auf jede Anforderung genau an. Der Anspruch von DiLiCo engineering ist es, für jeden Kunden ein perfekt angepasstes Messsystem zu entwerfen, welches wertevolle Einblicke seine Elektrolysezellen liefert.

Die Rolle der Zellspannung bei der Elektrolyse

Die Zellspannung der einzelnen Elektrolysezellen in einem Elektrolyseur spielt eine sehr wichtige Rolle. Die Zellen müssen eine bestimmte Zellspannung halten, die sogenannte Zersetzungsspannung, bei der das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. Das Halten der Zersetzungsspannung ist für einen reibungslosen Betrieb des Elektrolyseurs essenziell wichtig. Auch die zunehmende Alterung von Zellen ist in der Höhe der Zellspannung zu erkennen und muss für einen reibungslosen Betrieb permanent kontrolliert werden.

Das Messgeräte DiLiCo cell voltage erfüllt genau diese Anforderung. Die Anwendung der Einzelzellspannungsmessung hat die folgenden Vorteile für den Anwender:

  • Sicherer Betrieb der Elektrolyse durch Einhaltung der Zersetzungsspannung
  • Regulierung der Zellspannung durch Kommunikation mit der Steuerung
  • Vermeidung von unerwünschten Ausfall- und Folgekosten der Anlage

DiLiCo engineering entwickelt für seine Kunden spezifisch angepasste Lösungen zur Überwachung der Zellspannung für industrielle Anwendungen. Für die Anwendung im Forschungsberiech bietet DiLiCo hochauflösende Messsysteme mit einer schnellen Abtastrate für möglichst genaue Messergebnisse.

Bild: Das Messgerät DiLiCo cell voltage zur Einzelzellspannungsmessung.