Wie sich Elektrolyseure für die Massenproduktion eignen

Ohne Wasserstoff keine Energiewende. Doch nur mittels Elektrolyseuren erzeugter Wasserstoff ist klimaneutral. Deswegen wird diese Technologie massenhaft benötigt. Wie kann sie gefertigt werden?

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Die Energiewende braucht klimaneutralen, sogenannten grünen Wasserstoff. "Das einzige emissionsfreie Herstellungsverfahren von Wasserstoff ist die elektrochemische Wasserspaltung in der Elektrolyse, wenn der benötigte Strom aus Wind-, Wasser- oder Sonnenenergie stammt. Dieses Verfahren ergibt hohe Reinheitsgrade und erreicht üblicherweise Wirkungsgrade bis 80 % (bezogen auf den Brennwert) […]",  benennen die Springer-Vieweg-Autoren Manfred Klell, Helmut Eichlseder und Alexander Trattner in ihrem Buchkapitel Erzeugung auf Seite 72 dessen Voraussetzungen.

Deswegen werden in Zukunft große Mengen Elektrolyseure in vielen Leistungsklassen gebraucht. Das wiederum stellt hohe Anforderungen an Maschinenbauer, denn bisher wird die Technologie eher manufakturell hergestellt, nicht industriell.
 

46 GW Kapazität bis 2030

Mehrere Projekte befassen sich mit der Überführung der verschiedenen Herstellungsverfahren in die Massenfertigung. Denn bis 2024 sollen mindestens 6 GW grüne Elektrolysekapazität aufgebaut werden, die dann eine Million Tonnen Wasserstoff produzieren werden. Bis 2030 sollen weitere 40 GW Erzeugungsanlagen hinzukommen, die bis zu 10 Millionen t Wasserstoff erzeugen können. Erste konkrete Maßnahmen gibt es bereits. In Oberhausen baut Air Liquide einen 20-MW-Elektrolyseur. Allein dafür fließen seit September 2021 10,9 Millionen Euro.

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird deswegen im Projekt H₂Giga an der Serienfertigung von Elektrolyseuren zur Wasserstofferzeugung geforscht. Im dazugehörigen Verbundprojekt HTEL-Stacks – Ready for Gigawatt wollen die Beteiligten Stacks, also Zellstapel, für die Hochtemperaturelektrolyse und dazugehörige Produktionsprozesse sowie -anlagen entwickeln. "Die Elektrolyse bei hohen Temperaturen benötigt weniger kostenintensive elektrische Energie und der Mehrbedarf an thermischer Energie kann durch die in der Zelle entstehende Verlustwärme abgedeckt werden. Mit der Hochtemperaturelektrolyse können dann Wirkungsgrade von bis zu 100 Prozent erreicht werden, aktuelle Systeme erreichen bereits über 80 Prozent", sagt André Weber vom Institut für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien (IAM-ET) des KIT.

Das zweite Verbundprojekt, Stack Scale-up – Industrialisierung PEM Elektrolyse, entwickelt neue Stack-Technologien und großserientaugliche Produktionsverfahren für die Niedertemperatur-Elektrolyse.

Welche Elektrolyseure leisten was?

Derzeit gibt es drei Verfahren der Elektrolyse, die sich als geeignet für die industrielle Fertigung erweisen.

Alkalischer Elektrolyseur

Ein alkalischer Elektrolyseur bildet an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff. Als Elektrolyt dient eine 20- bis 40-%ige Kaliumhydroxid-Lösung (KOH, auch Kalilauge genannt). Für die Elektroden wird meist Titan mit einer Rutheniumoxid-Beschichtung eingesetzt. Der Wirkungsgrad kann bis zu 85 % betragen. Diese Art der Elektrolyse wird bereits seit 80 Jahren genutzt und ist die technisch ausgereifteste. Sie im Prinzip auf allen bisher bekannten Leistungsebenen verfügbar.

Aus Maschinenbausicht problematisch ist die hohe Korrosionsfähigkeit der verwendeten Lauge. Die Korrosion muss mittels geeigneter Materialien vermieden werden. Da die Betriebstemperaturen bei 50 bis 80 °C liegen, bedarf es deswegen auch im Hinblick auf nur leicht erhöhte Drücke keiner besonderen Vorrichtungen. Dennoch sind alkalische Elektrolyseure sehr komplex aufgebaut und benötigen insbesondere eine aufwendige Reinigung des erzeugten Wasserstoffs.

Saurer oder PEM-Elektrolyseur

Der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur (PEM) besteht aus einer protonendurchlässigen Polymermembran. Auf der Kathodenseite befindet sich eine poröse Elektrode aus Kohlenstoff und Platin, auf der Anodenseite eine metallische oder aus einem Edelmetalloxid und mit Iridium und Ruthenium beschichtete. Die Wirkungsgrade liegen je nach Leistungsgröße zwischen 50 und 80 %. Die Leistungsgrößen liegen im unteren Bereich.

Die Technologie ist seit gut 70 Jahren bekannt. Es kommen keinerlei korrosive Stoffe zum Einsatz. In den letzten Jahren werden jedoch auch größere Anlagen gebaut, da der erzeugte Wasserstoff im Gegensatz zur alkalischen Elektrolyse über einen hohen Reinheitsgrad verfügt. Allerdings muss bei der PEM-Elektrolyse auch Wasser mit hohem Reinheitsgrad verwendet werden. Selbst kleinste Mengen an Schadstoffen könnten die Katalysatoren unbrauchbar machen. Die Betriebstemperatur liegt bei bis zu 80 °C, ein aus Maschinenbausicht ebenfalls eher einfach zu handhabendes Temperaturniveau.

Hochtemperatur-Elektrolyseur

Im Gegensatz zu diesen beiden Systemen arbeiten Hochtemperatur-Elektrolyseure bei etwa 900 °C. Sie können Wirkungsgrade von 90 % erreichen. Die Technologie ist seit 50 Jahren bekannt. Genutzt wird hier ebenfalls ein elektrochemisches Prinzip. Das Wasser wird in einer Festoxidzelle, die etwa mit Yttrium-stabilisiertem Zirkonium-Oxid bestückt sein kann, aufgespalten. Derzeit wird weltweit an der Technologie geforscht. Denn aufgrund der maschinenbaulichen Komplexität, bedingt durch die hohen Temperaturen und Drücke, die wiederum bei Abkühlung zu Materialspannungen und zu -verschleiß führen, gibt es bisher noch keine kommerziellen Anlagen. Allerdings haben die hohen Betriebstemperaturen sowohl einen Effizienz- als auch materialtechnischen Vorteil. Denn für die Katalysatoren können eher unedle Metalle, etwa Nickel, verwendet werden.

Welche Lösung nun das Rennen macht, ist noch offen. Die Massenproduktion wird aber in jedem Falle nötig. "Neben Investitionen in erneuerbare und konventionelle Kraftwerke können entsprechend auch Investitionen in Elektrolyseure, die zur Deckung von Nachfrage nach synthetischen Gasen aus den Endverbrauchssektoren oder um Elektrizität in Form eines synthetischen Energieträgers im Gasnetz […] zwischenzuspeichern verwendet werden können, […] genannt werden", benennen dies die Springer-Gabler-Autoren Dominik Möst und Hendrik Scharf in ihrem Buchkapitel Optimierungsmodelle und Forschungsfragen in der Elektrizitätswirtschaft ab Seite 491.