Wasserelektrolyseur für Wasserstoff

Die Elektrolyse ist eine vielversprechende Option für die kohlenstofffreie Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren und nuklearen Ressourcen. Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Diese Reaktion findet in einer Einheit namens Elektrolyseur statt. Die Größe von Elektrolyseuren kann von kleinen, gerätegroßen Geräten reichen, die sich gut für die verteilte Wasserstoffproduktion in kleinem Maßstab eignen, bis hin zu großen, zentralen Produktionsanlagen, die direkt an erneuerbare oder andere Formen angeschlossen werden könnten, die keine Treibhausgase ausstoßen Stromerzeugung.

Wie funktioniert es
Elektrolyseure bestehen wie Brennstoffzellen aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Verschiedene Elektrolyseure funktionieren auf unterschiedliche Weise, hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen Art des beteiligten Elektrolytmaterials und der von ihm geleiteten Ionenspezies.

Polymerelektrolyt-Membran-Elektrolyseure
In einem Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseur (PEM) ist der Elektrolyt ein festes Spezialkunststoffmaterial.

An der Anode reagiert Wasser zu Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen).
Die Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis und die Wasserstoffionen bewegen sich selektiv durch die PEM zur Kathode.
An der Kathode verbinden sich Wasserstoffionen mit Elektronen aus dem externen Kreislauf und bilden Wasserstoffgas. Anodenreaktion: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Kathodenreaktion: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalische Elektrolyseure
Alkalische Elektrolyseure funktionieren durch den Transport von Hydroxidionen (OH-) durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, wobei auf der Kathodenseite Wasserstoff erzeugt wird. Elektrolyseure, die eine flüssige alkalische Lösung von Natrium- oder Kaliumhydroxid als Elektrolyt verwenden, sind seit vielen Jahren im Handel erhältlich. Neuere Ansätze mit festen alkalischen Austauschmembranen (AEM) als Elektrolyt sind im Labormaßstab vielversprechend.

Festoxid-Elektrolyseure
Festoxidelektrolyseure, die ein festes Keramikmaterial als Elektrolyt verwenden, das bei erhöhten Temperaturen selektiv negativ geladene Sauerstoffionen (O2-) leitet, erzeugen Wasserstoff auf etwas andere Weise.
Dampf an der Kathode verbindet sich mit Elektronen aus dem externen Kreislauf und bildet Wasserstoffgas und negativ geladene Sauerstoffionen.
Die Sauerstoffionen passieren die feste Keramikmembran und reagieren an der Anode, um Sauerstoffgas zu bilden und Elektronen für den externen Stromkreis zu erzeugen.
Festoxid-Elektrolyseure müssen bei Temperaturen betrieben werden, die hoch genug sind, damit die Festoxidmembranen ordnungsgemäß funktionieren (etwa 700 bis 800 Grad im Vergleich zu PEM-Elektrolyseuren, die bei 70 bis 90 Grad arbeiten, und kommerziellen alkalischen Elektrolyseuren, die typischerweise bei weniger als 100 Grad arbeiten 100 Grad). Fortschrittliche Festoxidelektrolyseure im Labormaßstab auf Basis protonenleitender Keramikelektrolyte versprechen eine Senkung der Betriebstemperatur auf 500 bis 600 Grad. Die Festoxid-Elektrolyseure können die bei diesen erhöhten Temperaturen verfügbare Wärme (aus verschiedenen Quellen, einschließlich Kernenergie) effektiv nutzen, um die Menge an elektrischer Energie zu verringern, die zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser benötigt wird.

Warum wird dieser Weg in Betracht gezogen?
Die Elektrolyse ist ein führender Weg zur Wasserstoffproduktion, um das Ziel von Hydrogen Energy Earthshot zu erreichen, die Kosten für sauberen Wasserstoff in einem Jahrzehnt („1 1 1“) um 80 % auf 1 US-Dollar pro Kilogramm zu senken. Durch Elektrolyse hergestellter Wasserstoff kann je nach verwendeter Stromquelle zu null Treibhausgasemissionen führen. Bei der Bewertung des Nutzens und der Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse muss die Quelle des benötigten Stroms – einschließlich seiner Kosten und Effizienz – sowie der bei der Stromerzeugung entstehenden Emissionen berücksichtigt werden. In vielen Regionen des Landes ist das heutige Stromnetz aufgrund der freigesetzten Treibhausgase und der benötigten Brennstoffmenge aufgrund der geringen Effizienz des Stromerzeugungsprozesses nicht ideal für die Bereitstellung des für die Elektrolyse benötigten Stroms. Die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse wird für erneuerbare Energien (Wind, Sonne, Wasserkraft, Geothermie) und Kernenergie angestrebt. Diese Wasserstoffproduktionswege führen zu nahezu null Treibhausgas- und Schadstoffemissionen; Allerdings müssen die Produktionskosten erheblich gesenkt werden, um mit ausgereifteren kohlenstoffbasierten Wegen wie der Erdgasreformierung konkurrenzfähig zu sein.

Potenzial für Synergien mit der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
Die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse bietet möglicherweise Möglichkeiten für Synergien mit der dynamischen und intermittierenden Stromerzeugung, die für einige erneuerbare Energietechnologien charakteristisch ist. Obwohl beispielsweise die Kosten für Windkraft weiter gesunken sind, ist die inhärente Variabilität des Windes ein Hindernis für die effektive Nutzung der Windkraft. Wasserstoff-Brennstoff- und Stromerzeugung könnten in einem Windpark integriert werden, was die Flexibilität ermöglicht, die Produktion so zu verlagern, dass sie die Ressourcenverfügbarkeit optimal an die betrieblichen Anforderungen des Systems und Marktfaktoren anpasst. Außerdem ist es in Zeiten überschüssiger Stromproduktion aus Windparks möglich, statt wie üblich den Strom zu drosseln, diesen überschüssigen Strom zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse zu nutzen.

Es ist wichtig zu beachten...
Der heutige Netzstrom ist nicht die ideale Stromquelle für die Elektrolyse, da der Großteil des Stroms mit Technologien erzeugt wird, die Treibhausgasemissionen verursachen und energieintensiv sind. Die Stromerzeugung mithilfe erneuerbarer oder nuklearer Energietechnologien, entweder getrennt vom Netz oder als wachsender Teil des Netzmixes, ist eine mögliche Option, um diese Einschränkungen bei der Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse zu überwinden.

Bei einem Elektrolyseprozess laufen zwei unterschiedliche Ionisationsprozesse gleichzeitig ab. Dabei stehen Wasser und Elektrolyt im Wettbewerb.

Ein Elektrolyt durchläuft den gleichen Ionisierungsprozess wie Wasser. Die gleiche Oxidation und Reduktion würde in einem Elektrolyten stattfinden.
Da ein Anion aus dem Elektrolyten mit den Hydroxidionen um die Abgabe eines Elektrons konkurriert und ein Kation mit dem Wasserstoffion um die Reduktion durch Aufnahme des Elektrons konkurriert, muss ein Elektrolyt mit Bedacht ausgewählt werden.

Das Kation des Elektrolyten muss ein niedrigeres Elektrodenpotential als H+ haben. Denken Sie immer daran, dass bei jeder Elektrolyse das Elektrodenpotential des Kations des Elektrolyten kleiner sein sollte als das Elektrodenpotential des Kations der zu elektrolysierenden Substanz und das Elektrodenpotential des Anions des Elektrolyten größer sein sollte als das Elektrodenpotential des Anions von die Substanz, die elektrolysiert wird.

Die Produktion von grünem Wasserstoff mithilfe erneuerbarer Energiequellen hat genügend Interesse an der Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff geweckt. Als vielversprechende Methode zur Steigerung der Wasserstoffproduktion gilt die Wasserelektrolyse unter Nutzung erneuerbarer Energiequellen ohne CO2-Emissionen. Im Jahr 2020 wurden weltweit etwa 87 Millionen Tonnen Wasserstoff für verschiedene Zwecke produziert, darunter die Ölraffinierung, die Herstellung von Ammoniak (NH3) (über das Haber-Verfahren) und Methanol (CH3OH) (über Kohlenmonoxid [CO]-Reduktion) und so weiter ein Transportkraftstoff. Die Nachfrage nach Wasserstoff wird bis 2050 voraussichtlich 500-680 Millionen Tonnen erreichen. Der Markt für Wasserstoffproduktion wurde von 2020 bis 2021 auf 130 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2030 jährlich um 9,2 % wachsen. Aber es gibt einen Haken: Über 95 % der aktuellen Wasserstoffproduktion basieren auf fossilen Brennstoffen, von denen nur sehr wenig „grün“ ist. Heute verbraucht die Wasserstoffproduktion 6 % des weltweiten Erdgases und 2 % der weltweiten Kohle. Dennoch erfreuen sich Technologien zur Herstellung von grünem Wasserstoff zunehmender Beliebtheit.

Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem Elektrizität genutzt wird, um Wasser in H2 und O2 aufzuspalten. Der Fluss von Elektronen durch einen leitenden Pfad, beispielsweise einen Draht, ist Elektrizität. Dieser Weg wird als Rundkurs bezeichnet. Die Elektronen bewegen sich aufgrund der elektrischen Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode. Die Anode hat mehr Elektronen und ist aufgrund der Elektronendichte instabiler. Die Elektronen wollen sich neu anordnen, um den Unterschied aufzuheben. Elektronen stoßen sich gegenseitig ab und versuchen, sich an einen Ort mit weniger Elektronen zu bewegen. Das ist eine Kathode.
Da reines Wasser keinen Strom leitet, ist die Wasserspaltung eine langsame Redoxreaktion.

Chemie
Im Elektrolyseur gibt es eine Kathode und eine Anode, die an eine Stromquelle angeschlossen sind. Elektronen fließen immer von der Anode zur Kathode, egal was passiert. Die Kathode ist immer der Ort, an dem die Reduktion stattfindet, daher müssen dort Elektronen vorhanden sein. Oxidation ist der Verlust von Elektronen und Reduktion ist der Gewinn von Elektronen.
Kurz gesagt, an der negativ geladenen Kathode findet eine Reduktionsreaktion statt, bei der Elektronen (e−) von der Kathode an Wasserstoffkationen abgegeben werden, um Wasserstoffgas zu bilden
Kathode (Reduktion):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
An der positiv geladenen Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der Sauerstoffgas entsteht und Elektronen an die Anode abgegeben werden, um den Stromkreis zu schließen
Anode (Oxidation): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Eine Kombination dieser Reaktionen führt zu:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
An der Kathode entsteht H2 und an der Anode O2.
Die Elektrolyse von Wasser erfordert eine minimale Potentialdifferenz von 1,23 Volt, bei dieser Spannung ist jedoch externe Wärme aus der Umgebung erforderlich.

Bipolare Zellstapel für die Wasserelektrolyse bestehen aus vielen einzelnen elektrochemischen Zellen in elektrischer Reihe. In der Praxis können Wasserelektrolyse-Zellenstapel, die gerade angehalten wurden, aufgrund des in jeder Zelle verbleibenden Wasserstoff- und Sauerstoffrests eine erhebliche elektrische Ladung behalten. Wenn man es in Ruhe lässt, kann es viele Stunden dauern, bis sich diese elektrochemische Restladung auflöst. Das Service- und Wartungspersonal des Systems muss äußerste Vorsicht walten lassen, wenn es versucht, diese Zellenstapel kurz nach dem Betrieb zu warten oder auszutauschen. Beispielsweise könnte ein Metallwerkzeug wie ein Schraubenschlüssel unbeabsichtigt eine Lücke zwischen der positiven Stromanschlussplatte eines Zellstapels und einem geerdeten Metallstützrahmen überbrücken und einen großen Strom oder einen Lichtbogen erzeugen, was zu unerwünschten Schäden und Verletzungen führen könnte. Auch Personen, die keine geeignete isolierende Schutzausrüstung tragen, sind gefährdet.

Eine bewährte Vorgehensweise für Wartungs- und Servicepersonal besteht darin, vor dem Entfernen von Schutzvorrichtungen und elektrischen Anschlüssen vom Zellstapel zu überprüfen, dass keine nennenswerte elektrische Ladung im Zellstapel verbleibt. Dem Personal wird empfohlen, eine Spannungsmessung des Zellstapels durchzuführen, um sicherzustellen, dass der Zellstapel entladen ist. In einigen Fällen kann das Servicepersonal als zusätzlichen Schutz auch ein ordnungsgemäß konzipiertes Servicewerkzeug einsetzen, das aus einem Hochstrom-Kurzschlusswiderstand über dem entladenen Zellenstapel besteht.

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