Elektrolyse – Die Schlüsseltechnologie für Power-to-X

Die Analyse energie- und klimapolitischer Szenarien zeigt, dass zur Erreichung ambitionierter THG-Minderungszielen eine gewisse Menge von synthetischen Brennstoffen notwendig ist [1]. Der Wasserstoff spielt dabei als Zwischenprodukt für die Herstellung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe wie auch als Endenergieträger für den Einsatz in Brennstoffzellen eine Schlüsselrolle. Aktuell wird Wasserstoff vorwiegend mittels Erdgasreformierung hergestellt. Um jedoch in Zukunft auf Erneuerbaren Energien basierenden Wasserstoff herzustellen bedarf es der Elektrolyse. Dieser Beitrag soll die Grundlagen der Elektrolysen beleuchten. Dabei wird aufgezeigt, welche verschiedenen Arten der Technologie existieren und welche Entwicklungspotenziale bis 2050 in aktuellen Studien prognostiziert werden.

Das Verfahren zur Spaltung von Wasser mit Hilfe von Elektrizität ist bereits sehr lange bekannt. Erste industrielle Anwendungen mit serienreifen Anlagen gibt es bereits seit 80 Jahren [3]. Die damals verwendete Technologie – die alkalische Elektrolyse – ist auch heute noch Stand der Technik.


AEL- Alkalische Elektrolyse

Die alkalische Elektrolyse (AEL) besitzt Metallelektroden, die in eine alkalische wässrige Lösung eingetaucht werden. Die Halbzellen, in denen die Elektroden hängen, werden durch eine permeable Membran getrennt. Durch das Anlegen einer Spannung entsteht an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff [3].

Die Technologie zeichnet sich durch eine hohe Langzeitstabilität und geringe Investitionskosten aus. Außerdem werden für das Elektrodenmaterial keine seltenen Edelmetalle benötigt. Trotz der einfachen Bauweise erzielen diese Anlagentypen derzeit die höchsten Wirkungsgrade. Besonders im Hinblick auf die Nutzung volatiler Stromangebote besteht jedoch das Problem einer trägen Laständerung und eines relativ geringen Teillastbereichs. [2]

Abbildung 1: Schema einer Alkalie-Elektrolysezelle nach [4]


PEM – Proton-Exchange-Membran - Elektrolyse

Im Gegensatz zur alkalischen Elektrolyse arbeitet dieses Verfahren im sauren Milieu, was an der Wanderung der Wasserstoffionen zu erkennen ist (siehe Abb. 2). Dadurch wird für die Elektroden der Einsatz von Edelmetallen notwendig, um Korrosion zu vermeiden. Die Trennung der beiden Halbzellen erfolgt durch eine gasdichte Membran.

Der große Vorteil dieser Technologie ist das gute Lastwechselverhalten. Im Vergleich zu anderen Verfahren kann hier schneller auf schwankende Strommengen eingegangen werden. Darüber hinaus ist der Betrieb im Teillastbereich über die gesamte Bandbreite möglich. Da es sich hierbei jedoch noch um eine relativ neue Technologie handelt, die aktuell nur einen kleinen Marktanteil hat, sind die Investitionskosten höher als bei der alkalischen Elektrolyse. [4]

Abbildung 2: Schema einer PEM-Elektrolysezelle nach [4]


SOEC – Solid-Oxid – Elektrolyse

Diese Methode der Wasserspaltung befindet sich gerade im Übergang zwischen Forschung und industrieller Anwendung. Das Besondere ist, dass hier mit sehr hohen Temperaturen gearbeitet wird. Dabei kann ein Teil der benötigten Energie zur Spaltung des Wassers aus Wärme bereitgestellt werden. Das führt zu einem verringerten Strombedarf. Für die Trennung der Halbzellen wird dabei ein festes Oxid verwendet, durch welches Sauerstoff‑Ionen diffundieren können.

Da sich das Verfahren noch in der Erprobung befindet, kann noch kein fundierter Vergleich mit anderen Technologien angestellt werden. Das hohe Temperaturniveau und die Kopplung mit Wärmeanwendungen versprechen großes Potenzial. Die hohen Temperaturen sind jedoch auch dafür verantwortlich, dass die Anfahrzeiten wesentlich größer sind als bei der alkalischen Elektrolyse.

Abbildung 3: Schema einer SOEL-Elektrolysezelle nach [4]


Gegenüberstellung von Betriebsdaten und Investitionskosten

In Tabelle 1 können die wichtigsten Parameter der einzelnen Verfahren verglichen werden. Die aktuell verfügbaren Leistungsbereiche sind Indikatoren für den Entwicklungsstand der jeweiligen Technologie.

Tabelle 1: Vergleich verschiedener Parameter nach [3], [4] und [1]

 

 

Alkalielektrolyse

PEM-Elektrolyse

Solid-Oxid-Elektrolyse

Wirkungsgrad in % [6]

2020

65

63

81

2030

68

63

83

2050

69

68

83

Stromdichte [4]

in A/cm2

0,2-0,5

2

0,46-1,3

Verfügbarer Anlagenleistungsbereich

in MW

bis 130 [4]

bis 6 [4]

0,018 [5]

Temperaturbereich [4]

in °C

50-80

50-80

600-900

Teillastbereich

in %

20-100 [4]

5-100 [2]

-

Lastgradient [2]

In %/s

< 1

10

0,05

Produktionsraten pro Einheit [5]

in Nm3/h

1000

460

5,7

Lebensdauer [2]

in h

bis zu 90.000

bis zu 50.000

-

 

Für Erbringung von Flexibilität in einem zukünftigen Energiesystem ist der Leistungsgradient ein wichtiger Parameter. Die PEM-Elektrolyse, deren Leistung sich mit 10 % pro Sekunde verändern lässt, bietet hier einen wesentlichen Vorteil. Aufgrund der Kopplung von Strom und Wärme können allerdings bei der SOEC die höchsten Wirkungsgrade erzielt werden. Aktuell sind die Kosten von PEM und SOEC deutlich höher als jene der AEL. Abbildung 4 zeigt jedoch auch dass diese Kosten nach Experteneinschätzungen in Zukunft deutlich sinken werden.



Abbildung 4
: Investitionskosten der verschiedenen Elektrolyseur-Technologien nach [6]

 

Quellen

[1]

Hübner, Tobias et al.: Die Rolle synthetischer Brennstoffe zur Erreichung der klimapolitischen Ziele - Bedeutung im Jahr 2050. In: BWK (Brennstoff, Wärme, Kraft) - Das Energie-Fachmagazin 10/2018. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, 2018.

[2]

Hamacher, Thomas et al.: Wasserstoff und Brennnstoffzelle - Technologien und Marktperspektiven. Esslingen, Stralsund: Springer Vieweg, 2017.

[3]

Ghaib, Karim: Das Power-to-Methane-Konzept - Von den Grundlagen zum gesamten System. Wiesbaden: Springer Fachmedien, 2017.

[4]

Tremel, Alexander: Electricity-based Fuels. Erlangen: Springer Verlag, 2018.

[5]

Klell, Manfred et al.: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik - Erzeugung, Speicherung, Anwendung. Graz: TU Graz, 2018.

[6]

Smolinka, Tom et al.: IndWEDe - Industrialisierung der Wasserelektrolyse in Deutschland: Chancen und Herausforderungen für nachhaltigen Wasserstoff für Verkehr, Strom und Wärme. Berlin: Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW GmbH), 2018.

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