PEM versus AEL
Klimafreundlich hergestellter Wasserstoff wird künftig fossile Treib- und Brennstoffe im Mobilitätssektor, in der Industrie und in kommunalen Energieprojekten auf der ganzen Welt ersetzen. Allein in Deutschland soll die Produktionskapazität von grünem Wasserstoff bis zum Jahr 2030 auf zehn Gigawatt erhöht werden. Um den internationalen Wasserstoffhochlauf zu beschleunigen und rasch ausreichend Produktionskapazitäten für grünen Wasserstoff aufzubauen, kommt es auf den Einsatz der richtigen Technologie an. Wir betrachten Vor- und Nachteile von alkalischer Elektrolyse und PEM-Elektrolyse.
Grüner Wasserstoff ist der „Treibstoff der Energiewende“. Bei seiner Erzeugung und auch später bei seiner Verwendung werden, anders als bei fossilen Brennstoffen, keine CO2-Emissionen verursacht. Wichtig dabei ist, dass die Energie zur Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen kommt. Erneuerbare Energien, grüner Wasserstoff und seine Derivate wie Ammoniak und Methanol sind vor allem essenziell für die Energiewende in der Industrie und für den Schwerlasttransport wie LKWs, Schiff- und Luftfahrt.
Als das am besten geeignete Verfahren für die Erzeugung von grünem Wasserstoff hat sich die Elektrolyse bewährt, also die Aufspaltung von Wasser durch Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Es gibt verschiedene Elektrolyseverfahren: die PEM-Elektrolyse, die auf der Protonenaustausch-Membran (PEM)-Technologie beruht, sowie die alkalische Elektrolyse (AEL). Beide stellen die reifsten Verfahren dar. Andere Elektrolyseverfahren sind etwa die Hochtemperaturelektrolyse und die AEM-Wasserelektrolyse (AEM steht für Anion Exchange Membrane).
Während die AEM- und die Hochtemperaturelektrolyse bisher technisch noch nicht voll ausgereift sind und nur in Pilotprojekten bzw. in kleinem Maßstab betrieben wird, sind für den raschen Wasserstoffhochlauf vor allem die alkalische Elektrolyse und die PEM-Elektrolyse von Bedeutung. Vor allem die PEM-Elektrolyse ist eines der wichtigsten Verfahren für die industriell skalierte Wasserstoffgewinnung aus erneuerbaren Energien.
Was passiert im Elektrolyseur?
Die Wasserstoffherstellung mittels Elektrolyse wurde schon um das Jahr 1800 beschrieben und zählt zu den ältesten elektrochemischen Verfahren. Elektrolyse ist die Aufspaltung einer chemischen Verbindung durch den Einsatz von elektrischem Strom, durchgeführt in einem Elektrolyseur. Bei der Elektrolyse von Wasserstoff wird Wasser mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten: Aus je zwei Wassermolekülen (2H2O) werden je zwei Wasserstoffmoleküle (2 H2) und ein Sauerstoffmolekül (O2).
Für die Elektrolyse werden zwei Elektroden (Anode und Kathode), Gleichstrom sowie ein flüssiger Elektrolyt für die alkalische Elektrolyse bzw. eine saure Festelektrolytmembran für die PEM-Elektrolyse benötigt. Der eingesetzte Gleichstrom trennt das Wasser in seine Bestandteile. An der negativ geladenen Kathode sammelt sich der Wasserstoff, an der positiv geladenen Anode der Sauerstoff.
Alkalische Elektrolyse
Die alkalische Elektrolyse ist fast 100 Jahre alt und steht als älteste Technologie bereits im großen Maßstab zur Verfügung. Bei der alkalischen Elektrolyse wird Kalilauge (KOH) als Elektrolyt verwendet. Zwischen Kathode und Anode befindet sich ein für die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff undurchlässiges Diaphragma, das deren Vermischung verhindert. Auch verhindert es die Bildung explosiver Gase. Die negativ geladenen Hydroxid-Ionen können das Diaphragma passieren und sich zur Anode bewegen. Die Kalilauge wird ständig zirkuliert, wodurch eine kontinuierliche Entgasung gewährleistet wird.
Alkalische Elektrolyseure können allerdings weniger dynamisch auf Laständerungen reagieren. Deshalb weist die alkalische Elektrolyse bei der Kopplung mit erneuerbaren Stromquellen einige Nachteile auf: So sinkt im Teillastbetrieb die erreichbare Gasreinheit und es treten Degradationsprobleme auf. Ein Grund dafür ist der relativ träge Elektrolytkreislauf. Zudem benötigt die alkalische Elektrolyse eine längere Kaltstartzeit.
PEM-Elektrolyse
Die PEM-Elektrolyse wurde vor rund 50 Jahren entwickelt. Damit ist sie zwar die jüngere Technologie, ist aber – wie die alkalische Elektrolyse – bereits im industriellen Maßstab kommerziell verfügbar. Statt eines flüssigen Elektrolyts kommt bei der PEM-Elektrolyse ein Festpolymer-Elektrolyt zum Einsatz, die protonenleitende „Proton-Exchange-Membrane“ oder „Polymer-Electrolyt-Membrane“ (PEM).
Die PEM-Elektrolyse stellt im Wesentlichen die Umkehrung des Brennstoffzellenprinzips dar. Mithilfe eines PEM-Elektrolyseurs wird Wasser in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Prozess findet im Elektrolyse-Stack, dem Herzstück des Elektrolyseurs, statt. Bei der Elektrolyse bewegen sich die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (Protonen), durch die gasdichte Membran zur Kathode. Dort vereinen sie sich mit einem Elektron, um Wasserstoffmoleküle zu bilden. Gleichzeitig wird auf der Anodenseite Sauerstoff abgeschieden, der je nach Anlagentechnologie weiterverwendet werden kann. Die für Gase undurchlässige Membran stellt sicher, dass sich die Elektrolyseprodukte Wasserstoff und Sauerstoff nicht vermischen. Im Gegensatz zur alkalischen Elektrolyse erfordert der PEM-Elektrolyseur für seinen inneren Wasserkreislauf nur hochreines, deionisiertes Wasser. Der Einsatz dieses Wassers trägt außerdem dazu bei, die Katalysatoren vor Verunreinigungen zu schützen und so der Degradation, dem allmählichen Verlust der Leistungsfähigkeit und Effizienz, vorzubeugen.
Der entstehende Wasserstoff weist eine höhere Reinheit auf als bei den anderen Elektrolysetechnologien.
Zahlreiche Vorteile der PEM-Elektrolyse
Die PEM-Elektrolyse ist speziell auf die Produktion von besonders reinem grünem Wasserstoff ausgelegt und bietet viele Vorteile gegenüber anderen Elektrolyseverfahren. Im Gegensatz zur alkalischen Elektrolyse kommen bei der PEM-Elektrolyse keine chemischen Zusatzstoffe (wie aggressive Chemikalien in Form flüssiger Elektrolyte) zum Einsatz und es ist keine aufwändige Nachreinigung des Wasserstoffs notwendig. Außerdem können PEM-Elektrolyseure unter höherem Betriebsdruck betrieben werden. Dies erhöht die Effizienz der Wasserstoffproduktion und spart Geld und Energie, da eine weitere nachträgliche Kompression des Wasserstoffs zum Teil entfallen kann.
Im Überblick: Die Vorteile der PEM-Elektrolyse gegenüber der alkalischen Elektrolyse
- Hohe Flexibilität und Energieeffizienz: PEM-Elektrolyseure zeigen vor allem in Hinblick auf Laständerung, minimale Lastpunkte sowie der Kaltstartfähigkeit eine höhere Flexibilität als die alkalische Elektrolyse. PEM-Elektrolyseure können schneller auf Veränderungen in der Stromzufuhr reagieren und arbeiten auch bei niedrigen Lasten, also geringerer Stromzufuhr, effizienter und vor allem auch zuverlässiger als andere Technologien. Durch ihre hohe Flexibilität eignen sich PEM-Elektrolyseure vor allem für Off-Grid Projekte, bei denen erneuerbare Energiequellen wie Wind oder Solar genutzt werden und oftmals Schwankungen in der Stromversorgung unterliegen. Zudem bieten PEM-Elektrolyseure eine schnellere Reaktionszeit, da die Startzeit kürzer ist und sie schneller in Betrieb genommen werden können.
- Kompaktere Bauweise: PEM-Elektrolysegeräte sind in der Regel kompakter und benötigen weniger Platz als alkalische Elektrolysegeräte. Dies liegt zum einen daran, dass die PEM-Elektrolyse unter höherem Betriebsdruck läuft und daher weniger Kompressoren benötigt als die alkalische Elektrolyse. Zum anderen benötigen PEM-Elektrolyseure keine Tanks für Kaliumhydroxid (KOH), welches in der alkalischen Elektrolyse als Elektrolyt verwendet wird. Die kompakte Bauweise ist besonders bei den Anwendungen von Vorteil, bei denen der für Elektrolyseure verfügbare Raum begrenzt ist. Ein 1 MW PEM-Elektrolyseur von Quest One wird zum Beispiel in einem Standardcontainerausgeliefert. Steigt der Bedarf an täglich benötigter Wasserstoffmenge, kann die Anlage ganz einfach und flexibel (durch weitere Elektrolyse-Container) erweitert werden. Noch stärker auf Erweiterbarkeit ausgelegt, ist die Modular Hydrogen Platform (MHP). Die standardisierten Blöcke mit einer Elektrolyseleistung von 10 Megawatt können problemlos zu Anlagen mit einer Elektrolyse-Kapazität von 100 MW und mehr kombiniert werden.
- Hochreiner Wasserstoff: Bei der PEM-Elektrolyse entsteht besonders reiner grüner Wasserstoff, der sich optimal für Anwendungen im Bereich der Mobilität eignet und zum Beispiel für die Betankung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen verwendet werden kann. Demgegenüber kann bei der alkalischen Elektrolyse die Reinigung des erzeugten Gases aufwendiger sein.
- Einfacher Service und Wartung: PEM-Elektrolyseure haben aus verschiedenen Gründen einen geringeren Wartungsbedarf als alkalische Elektrolyseure. Beispielsweise weisen sie keine großen Tanks für Kaliumhydroxid auf, die auch nicht regelmäßig entleert und neu befüllt werden müssen. Aufgrund des höheren Betriebsdrucks der PEM-Elektrolyse werden auch weniger, oft wartungsanfällige Kompressoren benötigen. Auch sind PEM-Stacks heute oft deutlich kompakter und leichter als Stacks von alkalischen Elektrolyseanlagen. Dadurch benötigen Wartungsarbeiten an einzelnen Stacks deutlich weniger Aufwand und haben aufgrund ihrer Größe einen deutlich geringen Einfluss auf den allgemeinen Betrieb der Gesamtanlage, etwa durch umfassendere Betriebsunterbrechungen.