Blog: ViridisH2 Südniedersachsen

#11 Elektrolyse – Das Standardverfahren zur Wasserstoffherstellung

veröffentlicht am 28.01.2021

Farbenkasten

Vereinfachter Aufbau des Elektrolyseverfahrens. Foto: Pixapay

Zwar verfügt unser blauer Planet über nahezu unbegrenzte Mengen Wasserstoff, doch vorwiegend in Form von chemischen Verbindungen mit anderen Elementen. Um diesen Energieträger der Zukunft herzustellen, muss zunächst einmal Energie (sogenannte Primärenergie) aufgewendet werden. In den kommenden Beiträgen wollen wir einzelne Herstellungsverfahren vorstellen und erklären. Los geht es mit dem Standardverfahren, der Elektrolyse.

Aufteilung von Wasser durch Strom

In der Schulzeit dürfte den meisten von uns das Experiment der Elektrolyse begegnet sein, bei dem das Prinzip zur Trennung von chemischen Elementen durch Strom gezeigt wird. Dieser Vorgang eignet sich nicht nur um Schülerinnen und Schüler für Chemie zu begeistern. In der praktischen Anwendung wird die Elektrolyse ferner konkret genutzt, um Wasser in Sauerstoff und den für die Energiewende begehrten Wasserstoff aufzuteilen. Durch Lesen unseres vorangegangenen Beitrags zur Farbenlehre und vor dem Hintergrund des aktuellen Hypes um Wasserstoff wird schnell ersichtlich, dass die Elektrolyse zunehmend an Bekanntheit und Wichtigkeit gewinnt. Doch wie genau schafft es Strom eine Flüssigkeit in seine Elemente aufzuteilen?

Zurück in den Klassenraum

Im Grundaufbau besteht ein Elektrolyseur, der physischen Einrichtung zum Elektroylseverfahren, aus drei Bestandteilen: einer Zelle, dem Stack sowie einer Systemebene.

In der Zelle findet der elektrochemische Prozess statt. Sie besteht aus einem Pluspol (Anode) und einem Minuspol (Kathode), die in einer Flüssigkeit, dem sogenannten Elektrolyt, eingetaucht sind. Dieses Elektrolyt dient als Medium für den Transport der elektrisch geladenen Teilchen: den negativ geladenen Anionen und den positiv geladen Kationen. Wird elektrischer Strom an Anode und Kathode gelegt, so bewegen sich im Allgemeinen die Anionen zur positiven Anode; es entsteht Sauerstoff. An der Kathode entsteht wiederum durch die Bewegung der Kationen Wasserstoff. Vereinfacht gesagt ziehen Anode und Kathode wie zwei Magnete die Bestandteile des Wassers aufgrund der unterschiedlichen Ladungen auseinander.

Das Stack besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen, Abstandshalter zwischen gegenüberliegenden Anoden bzw. Kathoden zur Isolierung sowie Dichtungen. Über das Stack hinaus umfasst die Systemebene weitere Geräte für die Kühlung, die Aufbereitung des Wasserstoffs (z.B. Verdichtung), die Umwandlung des Stroms sowie die Wasseraufbereitung und die Ausgabe des entstehenden Sauerstoffs.

Elektrolyse ist nicht gleich Elektrolyse

Aufgrund des verwendeten Elektrolyts sowie verschiedener Betriebstemperaturen werden Elektrolyseure in mehrere Haupttechnologien unterteilt. Im PEM-Elektrolyseur (polymer electrolyte membrane) wird reines Wasser an der Anode eingeleitet, wo es in Wasserstoff-Ionen gespalten wird, die dann durch eine Polymerelektrolytmembran zur Kathode transportiert werden. Im Wasser verbleibt dann der übrig gebliebene Sauerstoff. Der Wirkungsgrad liegt bei diesem Verfahren zwischen 60-70 Prozent bei einer Lebensdauer der Anlage von bis zu 50.000 Stunden.

Anders verlaufen jedoch die alkalische Elektrolyse und die Hochtemperaturelektrolyse (SOEC). Die Wassereinleitung findet hier an der Kathode statt, wo es in Wasserstoff und Hydroxid-Ionen gespalten wird. Während der Wasserstoff vom Wasser durch externe Einrichtungen getrennt wird, sammelt sich Sauerstoff an der Anode. Im Vergleich zur PEM-Elektrolyse besitzt die Alkalielektrolyse eine fast doppelt so lange Lebenszeit bei gleichem Wirkungsgrad von 60-70 Prozent. Dieser ist bei der Hochtemperaturelektrolyse mit über 80 Prozent deutlich größer, allerdings ist die Lebensdauer deutlich geringer.

Grüner Strom für grünen Wasserstoff

Unser WIR!-Bündnis konzentriert sich auf die Herstellung und Verwendung vom klimaneutralen grünen Wasserstoff. Deshalb muss die verwendete Primärenergie aus erneuerbaren Quellen stammen. Denn erst durch die Verwendung von grünem Strom ist der aus der Elektrolyse gewonnene Wasserstoff auch grün. Dieser besitzt, da stimmen wir mit der Bundesregierung über ein, als einziger das Potenzial nachhaltig unser Energiesystem klimaneutral mitzugestalten. Der Ökostrom sollte jedoch nicht aus laufenden Stromsystem abgezogen werden, das würde lediglich eine klimaunfreundliche Verlagerung verursachen. Stattdessen plädiert unser WIR!-Bündnis für die Nutzung entweder von Über- oder eigens eingerichten, neuen Kapazitäten.

Ansprechpartner:

Dr. Benjamin Schulze
Projektleiter ViridisH2 Südniedersachsen

T. 0551/39-21755
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