Wie funktioniert die Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse?
Im industriellen Kontext sind zurzeit drei Verfahren für die Wasserstoffelektrolyse relevant: Die Alkalische Elektrolyse (AEL), die Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse (PEM) und die Solid-Oxid-Elektrolyse (SOEC). Bei allen Verfahren wird dabei mithilfe von Elektroden aus Wasser H2 abgespalten. Die genannten Elektrolyseverfahren unterscheiden sich dabei in der Wahl der Membran und des Elektrolyts (Flüssigkeit, in welche die Elektroden eingetaucht werden). Die Abbildung unten veranschaulicht die Funktionsweise am Beispiel einer PEM-Elektrolysezelle.
Jede dieser Technologie zeichnet sich dabei durch unterschiedliche Eigenschaften in der Anwendung aus.
Die AEL ist dabei die in der Praxis erprobteste Technologie. Ihre größten Vorteile sind die hohe Langzeitstabilität und die geringen Investitionskosten. Problematisch für eine Nutzung im Stromsektor ist die vergleichsweise träge Laständerung, sowie der geringe Teillastbereich der AEL.
Eine PEM-Elektrolyse hingegen ermöglicht einen schnellen Lastwechsel. Außerdem ist bei dieser Technologie der Betrieb im gesamten Teillastbereich möglich. Allerdings handelt es sich hier um eine relativ junge Technologie, weshalb die Investitionskosten noch deutlich höher als bei der alkalischen Elektrolyse sind.
Die SOEC ist ebenfalls eine relativ junge Technologie mit hohen Investitionskosten. Bei beiden Verfahren geht man jedoch davon aus, dass sich die Investitionskosten im Laufe der Zeit stark reduzieren werden. Bei der SOEC erfolgt die Wasserstoffproduktion unter hohen Temperaturen. Dies führt dazu, dass diese Wärme als Energiequelle für die Wasserspaltung genutzt werden kann und so weniger Strom benötigt wird. Die SOEC ermöglicht daher den höchsten Wirkungsgrad. Jedoch führt die hohe Betriebstemperatur zu hohen Anfahrtszeiten der Technologie.
Abbildung: Funktionsweise einer PEM-Elektrolysezelle: Zwischen zwei Elektroden wird eine elektrische Spannung angelegt. An der Anode wird Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Protonen (H+) gespalten. Die positiv geladenen Protonen wandern durch die Membran auf die gegenüberliegende Kathodenseite. Wasserstoff (H2) entsteht.
