Elektrolyseur

Ein Elektrolyseur zerlegt Wasser durch den Prozess der Elektrolyse in seine Grundbestandteile, Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂).

Elektrolyse  

Die Wasserelektrolyse, die elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung von Strom, macht derzeit nur etwa 0,1 % der weltweiten Wasserstoffproduktion aus. Mit angekündigten und geplanten Projekten könnte die globale Elektrolyseurkapazität bis 2030 jedoch zwischen 175 und 420 GW erreichen.

Das AIT Austrian Institute of Technology unterstützt die Weiterentwicklung der Elektrolysetechnologien durch hochspezialisierte Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen. Die Schwerpunkte umfassen:

1. Elektrolyse
   Das AIT arbeitet an der Verbesserung der Effizienz und Kosteneffizienz von Elektrolyseuren. Im Fokus stehen innovative Lösungen für die Wasserelektrolyse, die es ermöglichen, grünen Wasserstoff in großem Maßstab und unter Nutzung erneuerbarer Energiequellen zu erzeugen.
2. Entwicklung und Validierung von Materialien, Komponenten und Systemen
   Das AIT bietet umfassende Expertise bei der Entwicklung neuer Materialien für Elektrolyseure sowie bei der Validierung kompletter Systeme. Dies beinhaltet die Optimierung von Komponenten, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Elektrolyseuren zu verbessern.
3. Entwicklung von Elektrodenmaterialien
   Die Forschung am AIT konzentriert sich auf die Entwicklung hochleistungsfähiger Elektrodenmaterialien, die den Betrieb von Elektrolyseuren effizienter und nachhaltiger gestalten können. Ziel ist es, die elektrochemischen Prozesse zu optimieren und gleichzeitig die Materialkosten zu reduzieren.
4. Entwicklung neuer Technologie-Konzepte
   Neben der Weiterentwicklung bestehender Technologien arbeitet das AIT an der Erforschung völlig neuer Konzepte für Elektrolyseanlagen. Diese zielen darauf ab, die Effizienz zu steigern, den Ressourcenverbrauch zu minimieren und die Integration in erneuerbare Energiesysteme zu erleichtern.

Elektrolyseure spielen eine entscheidende Rolle bei der Produktion von grünem Wasserstoff, insbesondere wenn sie durch erneuerbare Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie betrieben werden. Es gibt verschiedene Typen von Elektrolyseuren, darunter:

1. Alkalischer Elektrolyseur – Verwendet eine alkalische Lösung als Elektrolyt.
2. Protonenaustausch-Membran (PEM) Elektrolyseur – Nutzt eine feste Protonenaustauschmembran zur Übertragung von Protonen (H⁺) von der Anode zur Kathode.
3. Festoxid-Elektrolyseur (SOEC) – Arbeitet bei hohen Temperaturen und verwendet eine feste Keramik als Elektrolyt.

Diese Technologien sind entscheidend für die Verbreitung von Wasserstoff als sauberer Energieträger.

Marktentwicklung Elektrolyseur

Ende 2022 bestand 60 % der installierten Elektrolyseurkapazität aus alkalischen Elektrolyseuren, gefolgt von Protonenaustausch-Membran (PEM)-Elektrolyseuren, die etwa 30 % ausmachten. Diese Verteilung wird sich in den kommenden Jahren voraussichtlich ändern, da der PEM-Elektrolyseur vermutlich Marktanteile gegenüber alkalischen Elektrolyseuren gewinnen werden. Diese Prognose basiert auf zahlreichen Projektankündigungen, obwohl viele zukünftige Projekte noch nicht entschieden oder bekannt gegeben haben, welche Elektrolyseurtechnologie sie verwenden werden. Festoxid-Elektrolyseure (SOECs) spielen derzeit eine geringe Rolle mit weniger als 1 % der installierten Kapazität. In Bezug auf die geografische Verteilung entfiel Ende 2022 ein Drittel der weltweit installierten Kapazität auf China, ein weiteres Drittel auf Europa, und die USA und Kanada machten zusammen etwa 10 % aus.

Die alkalische Elektrolyse (AEL) ist eine der am längsten etablierten Methoden zur Wasserstoffproduktion und spielt eine entscheidende Rolle bei der Energiewende. Als Schlüsseltechnologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff bietet sie zahlreiche Vorteile, insbesondere aufgrund ihrer bewährten Technologie und Haltbarkeit in großtechnischen Industrieanwendungen.

Was ist alkalische Elektrolyse?

Die alkalische Elektrolyse ist ein Verfahren, das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Dabei wird elektrischer Strom durch eine Elektrolyten bestehend aus Wasser und  einer basischen Chemikalie wie Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) geleitet. AEL hat sich in der Industrie als robust und effizient erwiesen und bietet ein relativ einfaches Design, eine lange Lebensdauer und kann in großem Maßstab betrieben werden. Diese Eigenschaften machen sie besonders für die industrielle Wasserstoffproduktion geeignet.

Wie funktioniert die alkalische Elektrolyse?

Der Elektrolyseprozess umfasst zwei Hauptreaktionen: Oxidation an der Anode und Reduktion an der Kathode.

1. Anodische Reaktion (Wasseroxidation): An der positiv geladenen Anode werden Hydroxidionen (OH−) aus dem Elektrolyt oxidiert, wobei Sauerstoffgas, Wasser und Elektronen freigesetzt werden. Die Reaktion lautet: 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻
2. Kathodische Reaktion (Wasserreduktion): An der negativ geladenen Kathode werden Wassermoleküle durch die ankommenden Elektronen reduziert, wobei Wasserstoffgas erzeugt und die Hydroxidionen regeneriert werden, die in den Elektrolyten zurückkehren: 4H₂O + 4e⁻ → 2H₂ + 4OH⁻

Vorteile der alkalischen Elektrolyse

Die alkalische Elektrolyse bietet mehrere Vorteile, die sie zu einer der am häufigsten verwendeten Technologien für die Wasserstoffproduktion machen:

• Hohe Zuverlässigkeit und Haltbarkeit: AEL-Technologie ist besonders langlebig und zuverlässig dank ihres robusten Designs und bewährter Materialien. AEL-Elektrolyseure können über lange Zeiträume kontinuierlich betrieben werden, ohne dass die Leistung merklich abnimmt.
• Kosteneffizienz: Die Kosten für AEL-Elektrolyseure sind im Vergleich zu anderen Elektrolysetechnologien wie der PEM-Elektrolyse relativ niedrig. Großproduktionsanlagen profitieren von der wirtschaftlichen Effizienz der AEL.
• Industrielle Anwendungen im großen Maßstab: AEL-Systeme können große Mengen Wasserstoff produzieren, was sie attraktiv für industrielle Anwendungen wie die Stahlproduktion, die chemische Industrie und andere energieintensive Sektoren macht.
• Bewährte Technologie: AEL ist eine gut erprobte Technologie mit langer Geschichte und erfolgreicher Nutzung im großtechnischen Maßstab, was sie zu einer zuverlässigen Wahl für die Wasserstofferzeugung macht.

Herausforderungen der alkalischen Elektrolyse

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile steht die alkalische Elektrolyse vor bestimmten Herausforderungen, die eine weitere Entwicklung und Optimierung erfordern:

• Geringere Effizienz im Vergleich zu PEM: Im Vergleich zur Protonenaustausch-Membran-Elektrolyse (PEM) hat AEL eine etwas niedrigere Energieeffizienz, da sie aufgrund des alkalischen Umfelds höhere elektrische Widerstände und langsamere elektrochemische Reaktionen aufweist.
• Höhere Systemkomplexität: AEL erfordert zusätzliche Komponenten zur Elektrolytverwaltung aufgrund der Verwendung flüssiger Elektrolyte, was die Systemkomplexität und die Wartungsanforderungen erhöht.
• Begrenzte Flexibilität mit erneuerbaren Energien: AEL reagiert langsamer auf schwankende Energiezufuhr, wie sie bei erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie vorkommt. Dies begrenzt ihre Integration in hybride Energiesysteme, die eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Energiequellen erfordern.

Forschung und Entwicklung: Optimierung der AEL-Technologie

In den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschung intensiv darauf, die Effizienz und Leistung der alkalischen Elektrolyse zu verbessern. Wichtige Forschungsbereiche am AIT umfassen innovative Materialien und neue Designansätze:

1. Verbesserte Elektrodenmaterialien: Neue Elektrodenmaterialien können die Reaktionsgeschwindigkeiten an den Elektroden erhöhen und die Gesamtleistung der AEL verbessern. Nanostrukturierte Materialien und fortschrittliche Katalysatoren bieten vielversprechende Ansätze zur Steigerung der Effizienz der AEL.
2. Membranentwicklung: Forscher arbeiten an der Optimierung von Membranen in AEL-Systemen, um die Ionenleitfähigkeit zu verbessern und den elektrischen Widerstand zu verringern, was die Systemleistung steigern könnte.
3. Systemintegration: Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Integration der AEL in hybride Energiesysteme, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Die Entwicklung intelligenter Steuerungssysteme und die Anpassung der AEL an variable Energiezufuhren könnten die Effizienz der Wasserstoffproduktion weiter erhöhen.

Anwendungen der alkalischen Elektrolyse

Die Flexibilität und Robustheit der alkalischen Elektrolyse macht sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet:

• Großindustrielle Wasserstoffproduktion: Aufgrund ihrer hohen Wasserstoffproduktionskapazität wird AEL häufig in der Stahlproduktion, der chemischen Industrie und anderen energieintensiven Branchen eingesetzt.
• Grüner Wasserstoff: In Kombination mit erneuerbaren Energien kann AEL grünen Wasserstoff erzeugen, der in Sektoren wie Mobilität, Energiespeicherung und industriellen Prozessen genutzt wird.
• Energiespeicherung: Der durch AEL erzeugte Wasserstoff kann als Energiespeicher in hybriden Energiesystemen dienen, um überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen für eine spätere Nutzung zu speichern.

Zukunftsaussichten der alkalischen Elektrolyse

Die alkalische Elektrolyse hat sich als eine der wichtigsten Technologien zur Wasserstoffproduktion etabliert, insbesondere für großtechnische industrielle Anwendungen. Mit laufender Forschung und Entwicklung wird erwartet, dass sich die Effizienz der AEL verbessert und die Kosten sinken.

Die Kombination der AEL mit erneuerbaren Energien bietet insbesondere großes Potenzial zur Produktion von grünem Wasserstoff im großen Maßstab und kann erheblich zur Dekarbonisierung der Industrie- und Energiesektoren beitragen. Fortschritte in der Materialwissenschaft und Systemintegration werden in den kommenden Jahren entscheidend für die weitere Verbreitung der AEL-Technologie sein.

Was ist PEM-Elektrolyse?

Die PEM-Elektrolyse ist ein Wasserstoffproduktionsprozess, bei dem Wasser (H₂O) mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgespalten wird. Eine Protonenaustausch-Membran (PEM) dient dabei als Elektrolyt. Diese Membran ist für Protonen durchlässig, jedoch undurchlässig für Elektronen, wodurch eine effiziente Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht wird.

Wie funktioniert die PEM-Elektrolyse?

Die PEM-Elektrolyse basiert auf einem elektrochemischen Prozess, der in zwei Hauptreaktionen unterteilt ist:

1. Anodische Reaktion (Wasseroxidation): An der positiv geladenen Anode wird Wasser oxidiert und in Sauerstoff, Protonen und Elektronen gespalten. Die Reaktionsgleichung lautet:
   2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
2. Kathodische Reaktion (Wasserreduktion): An der negativ geladenen Kathode werden Protonen (H⁺), die durch die PEM-Membran geleitet wurden, mit Elektronen aus dem externen Stromkreis zu Wasserstoff reduziert:
   4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂

Der in diesem Prozess erzeugte Wasserstoff wird dann gesammelt und kann in verschiedenen Anwendungen genutzt werden, etwa in den Bereichen Mobilität, Industrie oder Energiespeicherung.

Vorteile der PEM-Elektrolyse

Im Vergleich zu anderen Elektrolysetechnologien wie der alkalischen Elektrolyse bietet die PEM-Elektrolyse mehrere Vorteile:

• Hohe Effizienz: Die Protonenaustausch-Membran ermöglicht eine hohe Effizienz bei der Wasserstoffproduktion.
• Schnelle Reaktionszeiten: PEM-Technologie reagiert sehr schnell auf Schwankungen in der Stromversorgung und eignet sich daher ideal für den Einsatz mit erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Solar.
• Kompaktes Design: PEM-Elektrolyseure sind kompakter und benötigen weniger Platz als andere Technologien, was die Integration in bestehende Systeme erleichtert.
• Hohe Wasserstoffreinheit: Der erzeugte Wasserstoff ist von sehr hoher Reinheit, was insbesondere für bestimmte industrielle Anwendungen wichtig ist.

Herausforderungen der PEM-Elektrolyse

Die PEM-Elektrolyse steht vor verschiedenen Herausforderungen, insbesondere bei der Skalierung zur Deckung des Bedarfs an grünem Wasserstoff:

• Katalysatoren: PEM-Elektrolyseure verwenden Katalysatoren, die typischerweise aus Platin-Gruppenmetallen (PGM) wie Platin und Iridium bestehen. Diese Materialien sind nicht nur teuer, sondern auch selten, was sowohl die Investitionskosten erhöht als auch die großtechnische Nutzung einschränkt.
• Elektrolyseur-Stack: Der Stack, der aus mehreren Zellen besteht, erfordert kostspielige Komponenten, die säurehaltigen Umgebungen und hohen Strömen standhalten können.
• Katalysator- und Membranabbau: PEM-Elektrolyseure arbeiten in hochkorrosiven sauren Umgebungen, was insbesondere an der Anode die Katalysatoren im Laufe der Zeit abnutzen kann. Auch die Protonenaustausch-Membran kann unter hohen Spannungen und schwankenden Lastbedingungen degradieren, was die Effizienz und Lebensdauer des Systems beeinträchtigt.
• Anforderungen an die Wasserreinheit: PEM-Elektrolyseure benötigen hochreines Wasser, da Verunreinigungen wie Ionen oder Partikel die Membran belasten oder die Katalysatoren vergiften und so die Effizienz und Lebensdauer verringern können. Zusätzliche Reinigungsschritte oder -systeme erhöhen die Betriebskomplexität und -kosten.

Forschung und Entwicklung: Fortschritte in der PEM-Elektrolyse

Die Forschung und Entwicklung des AIT im Bereich der PEM-Elektrolyse konzentriert sich darauf, bestehende technische und wirtschaftliche Herausforderungen zu überwinden und die Effizienz, Haltbarkeit und Skalierbarkeit der Wasserstoffproduktion zu verbessern. Hier sind zentrale F&E-Fragen, die Wissenschaftler und Ingenieure erforschen:

• Reduktion des PGM-Einsatzes in Katalysatoren: Die Forschung zielt darauf ab, alternative Katalysatoren zu entwickeln, die weniger kostenintensiv und in größeren Mengen verfügbar sind, wie PGM-freie Katalysatoren oder Katalysatoren mit reduzierter PGM-Beladung, die gleichzeitig die Effizienz und Stabilität aufrechterhalten oder sogar verbessern.
• Membranen mit verbesserter Protonenleitfähigkeit und Haltbarkeit: Neue Membranmaterialien oder Verbundwerkstoffe, die eine hohe Protonenleitfähigkeit bieten und widerstandsfähig gegenüber Degradation sind.
• Einsatz kostengünstiger Materialien in PEM-Elektrolyseuren: Neben Katalysatoren wird daran gearbeitet, die Kosten für andere Komponenten wie Bipolarplatten und Endplatten zu senken, um die PEM-Elektrolyse wirtschaftlicher zu machen.
• Systemdesign und -integration: Anpassung von PEM-Elektrolyseuren an dynamische Lastbetriebe mit erneuerbaren Energiequellen sowie Integration in Speicher- und Brennstoffzellentechnologien.

Anwendungen der PEM-Elektrolyse

Die Flexibilität und Effizienz der PEM-Elektrolyse machen sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen:

• Grüner Wasserstoff: In Kombination mit erneuerbaren Energien kann die PEM-Elektrolyse grünen Wasserstoff produzieren, einen emissionsfreien Energieträger.
• Wasserstoffspeicherung: Die durch PEM-Elektrolyse erzeugte Energie kann als Wasserstoff gespeichert und später wieder in Strom umgewandelt werden, um Schwankungen im Angebot erneuerbarer Energien auszugleichen.
• Industrielle Anwendungen: Wasserstoff wird in zahlreichen industriellen Prozessen benötigt, beispielsweise in der chemischen Industrie und der Stahlproduktion. Die PEM-Elektrolyse bietet eine nachhaltige Methode, um diesen Bedarf zu decken.

Die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL) ist eine vielversprechende Technologie zur Wasserstoffproduktion. Im Gegensatz zu anderen Elektrolyseverfahren nutzt die Hochtemperaturelektrolyse erhöhte Temperaturen, um den Energieaufwand für die Wasserspaltung zu verringern und die Prozesseffizienz zu steigern. Besonders in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen oder industrieller Abwärme hat die Hochtemperaturelektrolyse das Potenzial, die Wasserstoffproduktion nachhaltiger und kosteneffizienter zu gestalten.

Was ist Hochtemperaturelektrolyse?

Die Hochtemperaturelektrolyse ist ein Prozess zur Wasserstoffproduktion, bei dem Wasser (H₂O) bei Temperaturen zwischen 700 und 1000 °C in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) gespalten wird. Durch die Zufuhr von Wärmeenergie wird der Energiebedarf für den elektrochemischen Prozess verringert, was eine höhere Effizienz im Vergleich zu anderen Elektrolyseverfahren wie der alkalischen oder der PEM-Elektrolyse ermöglicht.

Wie funktioniert die Hochtemperaturelektrolyse?

Dieser Prozess beinhaltet zwei Reaktionen:

1. Kathodische Reaktion (Wasserreduktion): An der Kathode (negativ geladenes Elektrodenmaterial) wird Wasserdampf reduziert, um Wasserstoffgas und Sauerstoffionen zu erzeugen. Die Reaktion lautet:
   H₂O(g) + 2e⁻ → H₂ + O²⁻
2. Anodische Reaktion (Wasseroxidation): An der Anode (positiv geladene Elektrode) verbinden sich die durch das Elektrolyt gewanderten Sauerstoffionen und geben Elektronen ab, um Sauerstoffgas zu produzieren:
   2O²⁻ → O₂ + 4e⁻

Vorteile der Hochtemperaturelektrolyse

Im Vergleich zu anderen Elektrolyseverfahren bietet die Hochtemperaturelektrolyse zahlreiche Vorteile, die sie besonders für industrielle Anwendungen und die großtechnische Wasserstoffproduktion attraktiv machen:

• Höhere Effizienz: Durch die Nutzung von Wärmeenergie erreicht HTEL eine deutlich höhere Effizienz als andere Verfahren. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung der Energiequellen, insbesondere bei Einsatz von Abwärme aus industriellen Prozessen.
• Reduzierter Stromverbrauch: Da ein erheblicher Teil der Energie für die Wasserspaltung als Wärme bereitgestellt wird, ist der elektrische Energieverbrauch bei der Hochtemperaturelektrolyse niedriger als bei konventionellen Verfahren, was die Betriebskosten senkt.
• Potenzial zur industriellen Integration: HTEL kann effektiv in industrielle Prozesse integriert werden, die große Mengen an Abwärme erzeugen, wie etwa in Stahlwerken, Chemieanlagen oder Kraftwerken. Die Nutzung dieser Abwärme für die Wasserstoffproduktion steigert die Gesamtenergieeffizienz dieser Industrien.
• Einsatz erneuerbarer Energien: In Kombination mit erneuerbaren Energiequellen wie Solarthermie oder Geothermie ist HTEL eine emissionsfreie Technologie zur Wasserstoffproduktion.

Herausforderungen der Hochtemperaturelektrolyse

Trotz der zahlreichen Vorteile steht die Hochtemperaturelektrolyse vor einigen technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen:

• Hohe Materialanforderungen: Die erforderlichen hohen Temperaturen stellen hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien. Insbesondere die Elektroden und keramischen Membranen, die als Elektrolyt fungieren, müssen thermisch stabil und korrosionsbeständig sein, um einen langfristigen Betrieb zu gewährleisten.
• Komplexes Systemdesign: Die Integration von thermischen und elektrochemischen Prozessen erfordert ein komplexes Systemdesign. Der effiziente Einsatz von Wärmeenergie und die Kühlung der Elektrolysezellen stellen technologische Herausforderungen dar, die die Entwicklung und Implementierung von HTEL-Systemen erschweren.
• Skalierbarkeit und Kosten: Obwohl die Hochtemperaturelektrolyse großes Potenzial für die großtechnische Wasserstoffproduktion bietet, sind die Produktions- und Betriebskosten aufgrund der komplexen Technologie relativ hoch. Weitere technologische Fortschritte und Kostensenkungen sind notwendig, um eine breite Akzeptanz zu ermöglichen.

Forschung und Entwicklung: Fortschritte in der Hochtemperaturelektrolyse

Die Forschung im Bereich der HTEL konzentriert sich hauptsächlich auf die Verbesserung der verwendeten Materialien und die Optimierung der Systemintegration. Die vielversprechendsten Forschungsansätze umfassen:

1. Materialentwicklung: Die Entwicklung neuer, thermisch stabiler und korrosionsbeständiger Materialien für Elektroden und Elektrolyte ist ein zentrales Forschungsgebiet.
2. Systemintegration: Die effiziente Nutzung von Wärmequellen, wie die Kopplung der Hochtemperaturelektrolyse mit industrieller Abwärme oder erneuerbaren Energiequellen, ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt. Ziel ist es, die Systemkomplexität zu reduzieren und die Effizienz zu maximieren.
3. Optimierung der Betriebsbedingungen: Durch Simulation und Optimierung der Betriebsbedingungen, wie Temperatur, Druck und Stromdichte, kann die Effizienz der Hochtemperaturelektrolyse weiter gesteigert werden. Dies hilft, die Betriebskosten zu senken und die Technologie wirtschaftlich attraktiver zu machen.