PEM-Elektrolyse: Die wichtigsten Fragen und Antworten
Grüner Wasserstoff ist ein zentraler Baustein für die Energiewende und die Dekarbonisierung vieler Industrien. Für seine Herstellung spielt die PEM-Elektrolyse eine Schlüsselrolle. Doch welche Vorteile bietet diese Technologie, und welche Herausforderungen müssen überwunden werden? Wie wird sie eingesetzt und weiterentwickelt? Wir geben Antworten auf die wichtigsten Fragen.
Was ist die PEM-Elektrolyse?
Die PEM-Elektrolyse ist ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff. Hierbei wird in einem Elektrolyseur Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Ihren Namen erhält die Technologie von einer Membran, die eine zentrale Rolle bei der Spaltung des Wassers spielt: die sogenannte Protonenaustauschmembran (englisch: Proton Exchange Membrane, PEM). Diese besteht meist aus dem Polymer Nafion und hat eine besondere Eigenschaft: Sie ist durchlässig für positiv geladene Teilchen, aber nicht für negativ oder neutral geladene.
In einem PEM-Elektrolyseur befindet sich diese Membran in einer mit Wasser gefüllten Kammer. An den gegenüberliegenden Seiten dieser Kammer sind zwei Elektroden angebracht: die positive Anode und die negativ geladene Kathode. Um das Wasser zu spalten, wird nun eine Stromspannung angelegt. Die Anode zieht die negativ geladenen Elektronen der Wassermoleküle an und spaltet diese so in Wasserstoffatomkerne (Protonen) und Sauerstoffatome. Da den Wasserstoffatomkernen ihre Elektronen fehlen, handelt es sich bei ihnen um positiv geladene Ionen.
Jetzt kommt die besondere Eigenschaft der Membran zum Einsatz: Sie lässt die positiv geladenen Wasserstoffatomkerne auf die Kathodenseite wandern und trennt sie so von den elektrisch neutralen Sauerstoffatomen. Auf der anderen Seite der Membran gibt die negativ geladene Kathode wieder Elektronen an die Wasserstoffatomkerne ab und macht sie so zu vollständigen, elektrisch neutralen Wasserstoffatomen.
Diese werden abgeführt und gesammelt und können für vielfältige Anwendungen genutzt werden: zum Beispiel als Grundstoff für die Chemieindustrie, zur Zwischenspeicherung von Strom oder als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge.
Welche Rolle spielt die PEM-Elektrolyse bei der Energiewende?
Als „grün“ bezeichnet man Wasserstoff, der ohne Ausstoß von Kohlendioxid durch regenerative Stromquellen wie Wind- oder Sonnenenergie erzeugt wurde. Grüner Wasserstoff gilt als entscheidender Baustein der Energiewende. Bis heute haben 43 Staaten nationale Wasserstoffstrategien entwickelt, um seine Nutzung voranzutreiben. Die US-Regierung beispielsweise will laut ihrer U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap bis zum Jahr 2050 50 Millionen Tonnen grünen Wasserstoffs pro Jahr produzieren. Und nach der Wasserstoffstrategie der EU soll der Staatenbund bis 2030 10 Millionen Tonnen aus erneuerbaren Energien erzeugen und noch mal die gleiche Menge aus Partnerländern importieren.
Eine Herausforderung bei der Nutzung von Wind- und Sonnenenergie für die Produktion von Wasserstoff ist allerdings, dass diese Energiequellen wetterabhängig und somit nicht konstant sind. In Zeiten mit viel Wind oder Sonnenschein wird oft mehr Strom produziert, als verbraucht wird. Auf der anderen Seite kann es aber auch zu Dunkelflauten kommen. Das sind Phasen, in denen wenig Sonne scheint und gleichzeitig kein Wind weht.
PEM-Elektrolyseure sind vergleichsweise flexible Anlagen, die schnell hochgefahren werden können, auch bei niedriger Last zuverlässig Wasserstoff produzieren und schnell auf Änderungen bei der Stromversorgung reagieren. Daher eignen sie sich optimal, um überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie zur Produktion von Wasserstoff zu nutzen. Bei Dunkelflauten kann der produzierte Wasserstoff wieder in Strom umgewandelt werden, um die Netze zu stabilisieren. Obwohl PEM-Elektrolyseure bisher nur 22 Prozent der weltweit installierten Elektrolysekapazität ausmachen, spielen sie aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eine wichtige Rolle bei der Energiewende.
Wie ist ein PEM-Elektrolyseur aufgebaut?
Dezentrale PEM-Elektrolyseure sind typischerweise in Containern installiert. So können sie als Komplettanlage schnell in Betrieb genommen und zu größeren Anlagen skaliert werden.
Die Kernkomponente eines PEM-Elektrolyseurs ist der sogenannte „Stack“, in dem die Spaltung von Wasser stattfindet. Je nach Größe und Anwendung sind in einem Stack zwischen 30 und 220 Elektrolysezellen gestapelt und in Serie geschaltet. Jede Zelle enthält eine Membran sowie die Elektroden.
Der Stack wird über einen Kreislauf mit Wasser versorgt. Für die PEM-Elektrolyse wird Reinstwasser verwendet, da Verunreinigungen wie gelöste Metalle, Ionen oder organische Substanzen die feinen Poren der Membran blockieren oder die Elektroden beeinträchtigen können.
Das Wasser wird auf der Anodenseite in die Elektrolysezellen des Stacks eingeleitet. Nach der Elektrolyse tritt es als sauerstoffhaltiges Gemisch aus dem Stack wieder aus. Ein Gasabscheider befreit es weitgehend vom Sauerstoff. Danach reduziert ein Wärmetauscher, der über einen Kühlkreislauf mit Verdunstungskühlern verbunden ist, seine Temperatur. Eine Pumpe fördert das Wasser wieder zurück in den Stack. Während dieses Kreislaufes wird ständig Wasser verbraucht, das in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Dieses wird stetig von Anlagen zur Wasseraufbereitung und Druckerzeugung ersetzt, sodass ein konstanter Druck im Kreislauf herrscht.
Der produzierte Wasserstoff dagegen wird auf der Kathodenseite der Zelle gesammelt, von Restwasser befreit, gekühlt und schließlich gespeichert.
Zwischen der Sauerstoff produzierenden Anodenseite und der Wasserstoff produzierenden Kathodenseite in der Elektrolysezelle herrscht ein Druckunterschied. Während der Kreislauf auf der Anodenseite bei atmosphärischem oder leicht erhöhtem Druck arbeitet, herrscht auf der Kathodenseite ein Druck von 15 bis 30 bar. Der Grund dafür ist vor allem, dass Wasserstoff für die Nutzung unter Druck gespeichert werden muss. Durch den erhöhten Systemdruck müssen daher keine weiteren Anlagen zur Kompression des Wasserstoffs nachgeschaltet werden. So wird die Komplexität der Anlage reduziert.
Die Elektrolyse findet typischerweise in einem Bereich von 50 °C bis 80 °C statt. Diese Temperatur ermöglicht eine effiziente Protonenleitung. Zugleich ist sie nicht heiß genug, um die empfindliche Membran zu beschädigen, denn diese könnte sich bei höheren Temperaturen verformen.
Im Stack herrschen während der Elektrolyse extreme Bedingungen, welche die verwendeten Komponenten stark strapazieren. Durch Wasserstoffionen entsteht eine saure, aggressive Umgebung, die einen ph-Wert von unter 2 hat. Das entspricht etwa dem Wert von Magensaft oder Batteriesäure. Daher wird dieses Verfahren auch als „saure“ Elektrolyse bezeichnet. Die Elektroden müssen aus Edelmetallen wie Platin und Iridium gefertigt werden, die beständig gegen Korrosion sind und zudem als Katalysatoren wirken.
Auch das ultrareine, entionisierte Wasser wirkt korrodierend auf Metalle. Da es eine extrem niedrige Konzentration an gelösten Ionen enthält, neigt es dazu, Ionen aus Metalloberflächen herauszulösen und diese so zu zersetzen.
Um die Prozesse in einem PEM-Elektrolyseur anzutreiben, sind zahlreiche Pumpen und Armaturen notwendig. Sie versorgen den Elektrolyseur mit aufbereitetem Wasser, stellen den notwendigen Druck her, sorgen für eine gleichmäßige Zirkulation durch den Stack und sorgen für die optimale Temperatur für den Betrieb. Aufgrund der aggressiven Umgebung ist bei ihrer Fertigung ein großes Know-how zu Werkstoffen und zur Behandlung von Oberflächen nötig, um Korrosion so weit wie möglich zu minimieren.
Wie unterscheidet sich die PEM-Elektrolyse von der alkalischen Elektrolyse (AEL)?
Die alkalische Elektrolyse ist das älteste Elektrolyseverfahren und wird schon seit dem frühen 20. Jahrhundert industriell genutzt. Etwa 60 Prozent der weltweit installierten Elektrolyseure basieren nach Angaben der International Energy Agency (IEA) auf der alkalischen Elektrolyse. Zum Vergleich: Etwa 22 Prozent der Elektrolyseure weltweit nutzen die PEM-Elektrolyse.
Während bei der PEM-Elektrolyse eine sehr saure Umgebung entsteht, findet die alkalische Elektrolyse unter basischen Bedingungen statt. Dem Wasser wird Kaliumhydroxid in einer Konzentration von 20 bis 40 Prozent zugesetzt. Dadurch entstehen negativ geladene Hydroxidionen, die aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom bestehen.
Wird eine Spannung angelegt, wandern die negativen Hydroxidionen zur positiven Anode. Dort geben sie Elektronen ab und bilden Wasser und Sauerstoff. An der negativen Kathode dagegen nehmen Wassermoleküle Elektronen auf und zerfallen in Wasserstoff und neue Hydroxidionen.
Eine poröse Wand trennt die Anoden- von der Kathodenseite und stellt sicher, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff nicht vermischen. Da die alkalische Umgebung weniger korrosiv ist als die saure Umgebung der PEM-Elektrolyse, werden keine Edelmetalle für die Elektroden benötigt. Bei der alkalischen Elektrolyse werden daher Elektroden aus vergleichsweise kostengünstigen Metallen wie Nickel verwendet.
Alkalische Elektrolyseure haben einen ähnlichen elektrischen Wirkungsgrad wie PEM-Elektrolyseure von 60 bis 80 Prozent. Bei gleicher Leistung sind sie aber deutlich größer. Der Grund dafür ist, dass sie mit einer deutlich geringeren Stromdichte betrieben werden müssen, also dem Verhältnis von Stromstärke zur Fläche der Elektroden. Das liegt daran, dass die Lauge bei der alkalischen Elektrolyse nicht so leitfähig ist wie die Membran bei der PEM-Elektrolyse. Durch höhere Stromstärken würden auch die Energieverluste steigen und die Effizienz des Systems sinken. Zudem würde Wärme entstehen, die Auswirkungen auf die Langlebigkeit des Elektrolyseurs haben könnte.
Was sind die Vorteile der PEM-Elektrolyse?
Die PEM-Elektrolyse bietet eine Reihe von Vorzügen gegenüber der alkalischen Elektrolyse, die sie zu einer Schlüsseltechnologie für die grüne Wasserstoffproduktion und die Energiewende machen.
Was sind die Nachteile der PEM-Elektrolyse?
Die PEM-Elektrolyse hat neben ihren Vorteilen auch einige Nachteile, die bei ihrer Anwendung berücksichtigt werden müssen.
Welche Rolle spielen Pumpen und Armaturen bei der PEM-Elektrolyse?
Pumpen und Armaturen steuern und regeln zahlreiche Prozesse in PEM-Elektrolyseuren. Ihre Qualität spielt eine wichtige Rolle für die Effizienz und Lebensdauer der Anlagen. Zum einen müssen sie selbst beständig gegen Korrosion sein, um zu einer langen Betriebszeit des Elektrolyseurs beizutragen. Zudem können nicht für die Elektrolyse ausgelegte Pumpen und Armaturen das Wasser mit Ionen und anderen Verunreinigungen versetzen. Diese können die Membran schädigen und so die Effizienz und Langlebigkeit der Anlage beeinträchtigen.
KSB stellt daher Komponenten für Elektrolyseure aus hochwertigen Stählen mit hohen Qualitätsstandards her. Um eine Verschmutzung des Stacks mit Ionen zu verhindern, reinigt das Unternehmen alle Oberflächen und behandelt sie nach einem selbst entwickelten Verfahren. Dabei bietet KSB ein breites Portfolio an Pumpen und Armaturen, welches den Bedarf von Anlagen jeder Größe abdeckt. Hier einige Anwendungsbeispiele:
Wie wird die Entwicklung der PEM-Elektrolyse weitergehen?
Für den Erfolg von grünem Wasserstoff am Markt wird entscheidend sein, dass er preisgünstiger wird. Er muss konkurrenzfähig mit dem sogenannten “grauen” Wasserstoff werden, der unter Ausscheidung von Kohlendioxid aus Erdgas gewonnen wird.
Nach Angaben von Bloomberg kostete grüner Wasserstoff 2023 im Schnitt 6,4 US-Dollar pro Kilogramm, während grauer Wasserstoff 2,13 US-Dollar pro Kilogramm kostet.
Daher konzentriert sich ein großer Teil der Forschung im Bereich der PEM-Elektrolyse darauf, die Investitions- und Betriebskosten zu senken. Im Fokus steht dabei insbesondere, die Menge der Edelmetalle in den Elektroden zu senken. Weitere Ziele sind, die Effizienzabnahme des Stacks zu verringern, die Leitfähigkeit der PEM-Schichten für Protonen zu optimieren und mithilfe robusterer Materialien die Stromdichte zu erhöhen, um die Effizienz zu steigern.
Die Prioritäten zeigen sich auch in Forschungsförderungen: So plant die Clean Hydrogen Partnership, eine Initiative der EU-Kommission, der EU und der Wasserstoffwirtschaft zur Unterstützung der Wasserstoff-Forschung, bei PEM-Elektrolyseuren bis 2030 die Menge der Edelmetalle von derzeit 2,5 Milligramm pro Watt Leistungsaufnahme auf 0,25 Milligramm pro Watt zu senken. Der Rückgang der Effizienz soll von 0,19 Prozent pro 1000 Betriebsstunden auf 0,12 Prozent gesenkt und die Strommenge pro Kilogramm Wasserstoff von 55 auf 48 Kilowattstunden reduziert werden. Ähnliche Ziele setzt das US-amerikanische Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office für seine Forschungsförderung in den USA.
Wie unterstützt KSB Kunden bei Elektrolyseprojekten?
Die Qualität von Pumpen und Armaturen ist entscheidend für einen effizienten und langen Betrieb von Elektrolyseuren. Optimal ausgewählte Komponenten verlängern die Lebenszeiten von Elektrolyseuren und stellen eine hohe Effizienz der Anlagen sicher. Als Marktführer kann KSB höchste Qualität durch die jahrzehntelange Erfahrung in der Zusammenarbeit mit der chemischen Industrie sicherstellen.
Diese gibt den KSB-Mitarbeitern Detailkenntnisse über Anlagentechnik, Fahrweisen, Werkstoffe und Energieeffizienz, mit denen das Unternehmen seine Kunden auch beratend unterstützen kann. Zahlreiche Referenzen, sowohl im Bereich der PEM-Elektrolyse als auch in dem der alkalischen Elektrolyse, bestätigen dies.
Um Bedürfnisse und Anforderungen besser zu verstehen und unsere Produkte weiterzuentwickeln, sind die KSB-Experten nicht nur in engem Austausch mit Kunden und den Arbeitsgruppen von Normierungsorganisationen. Sie betreiben auch eigene Forschung auf Testständen zum Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen in verschiedensten Gemischen und Temperaturen, die im Praxisbetrieb auftreten können.
Als Komplettanbieter stellt KSB ein Portfolio bereit, das alle Teilbereiche der Wasserstoffwertschöpfungskette abdeckt. So bietet das Unternehmen Pumpen und Armaturen nicht nur für die Herstellung im Elektrolyseur, sondern auch für die Speicherung und den Transport. Dabei deckt das KSB-Portfolio alle Anwendungen und Anlagengrößen ab, ganz gleich, ob PEM-Elektrolyse, alkalische Elektrolyse oder künftige Technologien wie die Anionen-Exchange-Membran-Elektrolyse zum Einsatz kommen.
