Wasserstoff Elektrolyse
Nutzen und Ziele

Die Elektrolyse von Wasserstoff dient der Energiespeicherung und -umwandlung und genießt zunehmenden energiewirtschaftlichen Stellenwert. Beispielsweise wird der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen zurzeit in Branchen wie der Automobil- und Schiffsindustrie getestet.[7], [8]

Für die Erzeugung reinen, ungebundenen Wasserstoffs muss der natürlich, in Form von Verbindungen, vorkommende Wasserstoff durch Wasserstoff Elektrolyse aus seinen verschiedenen Ausgangsstoffen abgespalten werden. Als Ausgangsstoffe kommen unter anderem Wasser, Biomasse, Erdgas (Methan) und andere Kohlenwasserstoffe wie Erdöl in Frage.[1], [2]

Für die Wasserstoff Elektrolyse ist Energie nötig. Während man für die Abtrennung bisher vor allem chemische, elektrische oder thermische Energie nutzte, gewinnt die Wasserstoffgewinnung mit erneuerbaren Energien zunehmend an Beliebtheit. Nach wie vor stammen etwa 96 Prozent des weltweit erzeugten Wasserstoffs aus fossilen Energieträgern, insbesondere aus Erdgas. Nur vier Prozent wird mit Wasserstoff Elektrolyse-Geräten hergestellt.[10]

Mit der Verwendung von Sonnen- oder Wasserenergie ist eine klimaneutrale Herstellung von "grünem Wasserstoff" möglich. Weitere CO2-neutrale Verfahren bietet die Vergasung und Vergärung von Biomasse sowie die Reformierung von Biogas. Viele alternative Verfahren zur Wasserstoffgewinnung - beispielsweise die Erzeugung von Wasserstoff aus Grünalgen - stecken aber noch in den Kinderschuhen.[2]

Ablauf: Wasserstoff Elektrolyse

Wie erfolgt die Wasserstoffgewinnung durch Elektrolyse? Bei der Wasserstoff Elektrolyse handelt es sich um ein Verfahren zur Spaltung von Wasserstoff und Sauerstoff. Neben der Wasserstoff Elektrolyse mit Hilfe von Wasser existieren weitere erprobte Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff. Dazu gehören die alkalische Elektrolyse, die PEM-Elektrolyse (Proton-Exchange-Membran) und die Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC, Solid-Oxid). Während man bei der alkalischen Elektrolyse mit einer alkalischen Lösung arbeitet und die Trennung von Wasser- und Sauerstoff durch eine permeable Membran erreicht, bedient sich die PEM-Analyse eines sauren Milieus und einer gasdichten Membran. Bei der Hochtemperatur-Elektrolyse nutzt man für die Trennung der Halbzellen ein festes Oxid, durch das die Sauerstoffionen diffundieren können. Bei einem weiteren Verfahren, der Direktmethanol-Brennstoffzelle, reagiert Methanol mit Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff.[1], [5]

Bei der Wasserstoff Elektrolyse mit Wasser wird letzteres mit einer Flüssigkeit angereichert, die einen Ionentransport möglich macht. Über zwei Elektroden wird der Mischung dann elektrische Energie zugeführt. Daraufhin spaltet sich das Wasser an einer Elektrode in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Während der Sauerstoff nach oben steigt, wandern die Wasserstoffionen zur anderen Elektrode. Dort werden sie in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt. Die elektrische Energie wandelt sich in chemische um und wird im Wasserstoff gespeichert. Bei der Brennstoffzellen-Technologie macht man sich das umgekehrte Prinzip zunutze: Hier wird die chemisch im Wasserstoff gespeicherte Energie in elektrische zurück verwandelt.[3]

Wasserstoff Elektrolyse in der Zukunft

Wasserstoff hat das Potenzial, fossile Energieträger zu ersetzen, weshalb die Wasserstoff Elektrolyse als Zukunftsmethode für die Herstellung von Energieträgern gilt. Expert:innen sehen Wasser als die einzige wirklich nachhaltige Quelle für Wasserstoff. Doch wie ist es um die Effizienz der Wasserstoff Elektrolyse mit Wasser bestellt? Noch mangelt es an effizienten, sicheren und bezahlbaren Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff.[4], [9]

Die Wasserstoff Elektrolyse mit Wasser birgt mehrere Probleme: Als Katalysatoren werden immer noch meist Edelmetalle verwendet, die vergleichsweise selten und daher teuer sind. Außerdem versucht man, die Energieverluste an den Elektroden zu reduzieren. Forscher:innen suchen also nach kostengünstigeren Materialien und Wegen der Effizienzsteigerung, um den etablierten Prozess der Wasserstoff Elektrolyse zu verbessern.[4]

Eine Lösung könnten spezielle Katalysatoren im Elektrodenmaterial darstellen. Sogenannte Perowskit-Oxide bieten aufgrund ihrer atomaren Anordnung den Vorteil, dass sie sich sehr einfach austauschen lassen. Durch intensives Testen im Rahmen der Wasserstoff Elektrolyse finden Forscher:innen derzeit noch heraus, welche chemischen Elemente für die Elektrolyse am besten geeignet sind. Als erwiesen gilt inzwischen beispielsweise, dass eine Perowskitstruktur aus Kobalt, Barium und Eisen sehr gutes Elektrodenmaterial liefert.[4]

Funktionsweise von Anlagen zur Wasserstoff Elektrolyse

Wie funktioniert eine Anlage zur Wasserstoff Elektrolyse? Eine moderne Anlage zur Wasserstoff Elektrolyse, auch Power-to-Gas-Anlage genannt, bedient sich verschiedener Varianten von Ökostrom, beispielsweise aus dem Wasserkraftwerk. Weiterhin sind im Rahmen der Wasserstoff Elektrolyse die Energiespeicherung durch einen Wasserstoffspeicher, ein Elektrolyseur, sowie eine Anlage für die Verdichtung notwendig.[6]

Zunächst muss also der Strom für die Wasserstoff Elektrolyse aus dem Stromnetz in die Anlage eingespeist werden. Im sogenannten Elektrolyseur, einer Vorrichtung für die Zerlegung, wird dann das Wasser durch Elektrolyse in seine Grundbestandteile Wasser- und Sauerstoff geteilt. Anschließend wird der gewonnene Wasserstoff in einen Verdichter geleitet. Dieser setzt den Wasserstoff einem höheren Druck (bis zu 300 bar) aus. Derart komprimiert lässt sich das Gas einfacher transportieren. In einem Zwischenspeicher wird der Wasserstoff bis zu seinem Weitertransport aufbewahrt. In der Regel erfolgt die Speicherung gasförmig in Druckbehältern, teilweise wird der Wasserstoff aber auch flüssig gespeichert oder auf molekularer Ebene in Metallen eingelagert.[6]

Weitere Informationen zur Wasserstoff Elektrolyse

Was sollte man noch über die Wasserstoff Elektrolyse wissen? Wasserstoff birgt zahlreiche Vorteile - beispielsweise lässt er sich hervorragend speichern und transportieren. Für eine reibungslos funktionierende Wasserstoffwirtschaft gilt es aber, noch einige Probleme anzugehen. Zum einen entsteht bei der Gewinnung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern das Treibhausgas Kohlendioxid. Zum anderen stellen die vergleichsweise hohen Herstellungskosten der Wasserstoff Elektrolyse mit Wasser, das hohe Gewicht einiger Speicher, sowie fehlende Wasserstofftankstellen Probleme dar. Ohne eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff wird sich die Technologie für Automobile nur schwer durchsetzen lassen. Gleichzeitig wird das Wasserstoff-Tankstellennetz voraussichtlich nur dann ausgebaut, wenn eine Reihe an serienreifen Brennstoffzellenautos auf den Markt kommt.[2]

Fazit

Für die Produktion von Wasserstoff existieren verschiedene Verfahren. Grünen Wasserstoff erhält man durch die Wasserstoff Elektrolyse mit Wasser, also die Spaltung von Wasser in Sauer- und Wasserstoff, unter Nutzung von Energie aus erneuerbaren Ressourcen. Derzeit entfallen aufgrund der hohen Kosten allerdings nur etwa vier Prozent der Wasserstoffgewinnung auf die Wasserstoff Elektrolyse mit Wasser. Für die Brennstoffzellen-Technologie birgt Wasserstoff als Energieträger also großes Potenzial, aber auch noch einige Hürden.

Was ist der Nutzen von Wasserstoff Elektrolyse?

Die Wasserstoff Elektrolyse hat einen wichtigen Nutzen in der Energiespeicherung und -umwandlung. Sie ermöglicht die Herstellung von "grünem Wasserstoff" aus erneuerbaren Energien und wird in Branchen wie der Automobil- und Schiffsindustrie getestet.

Wie funktioniert die Elektrolyse von Wasserstoff?

Wasser wird mit einer Flüssigkeit vermengt und mit elektrischer Energie gespalten. Wasserstoffionen werden in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt. Die gespeicherte Energie kann dann in Brennstoffzellen zu elektrischer Energie zurückverwandelt werden.

Welches Potenzial hat Wasserstoff Elektrolyse?

Die Wasserstoff Elektrolyse hat das Potenzial, fossile Energieträger zu ersetzen. Man sucht nach kostengünstigeren Alternativen und Wegen der Effizienzsteigerung. Eine Lösung könnten spezielle Katalysatoren im Elektrodenmaterial darstellen.

Wie funktioniert eine Power-To-Gas-Anlage?

Eine Power-to-Gas-Anlage zerlegt Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff. Die Anlage ermöglicht somit eine Energiespeicherung und eine nachhaltige Nutzung von Wasserstoff als Energieträger.

Quellen

[1] https://www.tuvsud.com/de-de/indust-re/wasserstoff-brennstoffzellen-info/wasserstoff/herstellung-von-wasserstoff

[2] http://www.iwr.de/wasserstoff/wasserstoff-infos.html

[3] https://www.ffe.de/publikationen/pressemeldungen/892-elektrolyse-die-schluesseltechnologie-fuer-power-to-x

[4] https://www.helmholtz.de/energie/wasserstoff-gewinnen-effizient-und-kostenguenstig/

[5] Ebenda.

[6] https://www.energiedienst.de/kraftwerke/wasserstoff/power-to-gas/

[7] https://www.process.vogel.de/grossindustrielle-wasserstoffelektrolyse-technologie-fuer-gruenen-wasserstoff-a-726624/

[8] https://www.bdew.de/energie/wasserstoff/flexible-herstellung-was-ist-wasserstoff-und-wie-wird-er-erzeugt/

[9] https://www.futura-sciences.com/de/wie-wird-wasserstoff-hergestellt_282/

[10] https://www.euwid-energie.de/wie-wird-wasserstoff-hergestellt/