Elektrolyse – Aus Wasser wird Wasserstoff

Allen Anlagenkonzepten für die Wasser-Elektrolyse ist gemein, dass sie aus zwei metallischen Elektroden bestehen, deren Oberflächen mit Katalysatoren ausgerüstet sind. Die Elektroden sind mit Wasser in Berührung. Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, bildet sich an der negativen Elektrode, der Kathode, Wasserstoff, und an der positiven Elektrode, der Anode, Sauerstoff. Zwischen Kathode und Anode ist eine gasdichte Membran als Trennschicht eingezogen. Sie hat unter anderem die Aufgabe zu verhindern, dass die entstehenden Gase miteinander in Kontakt kommen. 

Bereits seit Jahrzehnten etabliert ist die Alkalische Elektrolyse (AEL). Sie trägt ihren Namen, weil die Anlagen den Wasserstoff aus einer Lauge gewinnen, die aus Wasser und Kaliumhydroxid besteht – das Milieu ist alkalisch. Das verbessert die Leitfähigkeit des Wassers. Als Katalysatoren dienen relativ günstige Materialien wie Nickel. Die Investitionskosten sind vergleichsweise gering, die Lebensdauer ist lang. Allerdings benötigen die Anlagen einen weitgehend gleichmäßigen Stromfluss, um effizient arbeiten zu können. Mit häufigen Lastwechseln kommen sie in der Regel schlecht zurecht. Das ist ein Nachteil, wenn das Stromangebot mit dem Ausbau der fluktuierenden Wind- und Solarenergie zunehmend volatiler wird. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 65 Prozent. 

Die deutlich jüngeren Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM) dagegen arbeiten nicht mit einem alkalischen, sondern einem sauren Milieu. Lastwechsel machen ihnen nicht viel aus: Sie können sich binnen Sekunden auf ein verändertes Stromangebot einstellen. Daher lassen sie sich gut direkt mit Erneuerbare-Energien-Anlagen koppeln. Allerdings müssen die Hersteller wegen der sauren, aggressiven Umgebung kostspielige Edelmetalle wie Platin oder Iridium als Katalysatoren verwenden. Zudem sind die Protonenaustauschmembrane nicht so langlebig wie die Trennschichten der AEL-Elektrolyseure. Erste PEM-Anlagen sind bereits auf dem Markt. Sie sind jedoch deutlich teuer als AEL-Elektrolyseure, auch wegen der weit geringen gefertigten Stückzahlen. Ihr Wirkungsgrad ist ähnlich hoch.

Hochtemperatur-Elektrolyse mit viel Potenzial

An der Schwelle zur Marktreife stehen Solid-Oxid-Elektrolyseure (SOEC), bei denen neben Strom auch Wärme auf einem Temperaturniveau von etwa 700 bis 1.000 Grad eingesetzt wird, um die Wassermoleküle, die hier in Form von Wasserdampf auftreten, zu spalten. Das hat den Vorteil, dass die Anlagen für die gleiche Menge Wasserstoff weniger Strom benötigen als AEL- oder PEM-Elektrolyseure – sie sind also bezogen auf den Stromeinsatz effizienter. So erreichen die Anlagen einen Wirkungsgrad von über 80 Prozent. Wie die AEL-Elektrolyseure benötigen diese Anlagen keine teuren Materialien. Das SOEC-Konzept eignet sich vor allem für Standorte, an denen ohnehin hohe Temperaturen zur Verfügung stehen, etwa Abwärme aus der Stahlindustrie oder Raffinerien. So erprobt ein niedersächsisches Stahlwerk die Technologie derzeit in der Praxis. Das Unternehmen konnte damit einen Wirkungsgrad von 84 Prozent erreichen. Wegen der langen Aufwärmzeiten eigenen sich diese Anlagen allerdings nicht für eine dynamische Fahrweise.

Auf ähnlichem Entwicklungsstand wie die SOEC-Technologie sind Elektrolyseure mit anionenleitender Membran (AEM): Erste Prototypen sind bereits auf dem Markt, die Serienfertigung ist in Vorbereitung. Sie arbeiten mit einer leicht alkalischen Umgebung. Ihr Charme liegt unter anderem darin, dass sie mit relativ günstigen Materialien auskommen und eine flexible Fahrweise erlauben. Damit verbinden sie die Vorteile alkalischer Elektrolyseure mit denen der PEM-Anlagen