Elektrolyseur

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Als Elektrolyseur wird eine Vorrichtung bezeichnet, in der mit Hilfe elektrischen Stromes eine chemische Reaktion, also eine Stoffumwandlung, herbeigeführt wird: Es findet eine Elektrolyse statt.

Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren: Bei der Chloralkali-Elektrolyse beispielsweise solche mit Membranen, Diaphragmen oder Quecksilberzellen.

Elektrolyseure für die Wasserelektrolyse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Wasserelektrolyse, die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, geschieht nach folgender Reaktionsgleichung:

Der elektrische Energiebedarf zur Herstellung von 1 Normalkubikmeter Wasserstoff definiert den Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs: In einem modernen Hochdruck-Elektrolyseur liegt dieser Energiebedarf unter einem Druck von 12 bar bei etwa 4,8 kWh pro Nm3; damit liegt der Wirkungsgrad bei 62,5 % (bezogen auf den unteren Heizwert von Wasserstoff).

Mehrere Anlagenhersteller (z. B. H-Tec, Electrolyser Corp., Brown Boveri, Lurgi, De Nora, Epoch Energy Technology Corp.) bieten große Elektrolysegeräte mit einem Wirkungsgrad von über 80 % an.

Man unterscheidet folgende Arten von Elektrolyseuren für die Wasserelektrolyse:

Alkalischer Elektrolyseur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim alkalischen Elektrolyseur wird bei einer Gleichspannung von mindestens 1,5 Volt an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff gebildet. Als Elektrolyt dient Kalilauge (Kaliumhydroxid-Lösung, KOH) mit einer Konzentration von 20–40 %. Eine gasdichte Membran, das sogenannte Diaphragma, lässt zwar den Transport von OH-Ionen zu, verhindert aber gleichzeitig die Vermischung der entstehenden Produktgase.

Als Elektroden werden sogenannte „DSA-Elektroden“ (Dimensionsstabile Anoden, meist Titanelektroden mit einer Rutheniumoxid-Beschichtung[1]) eingesetzt. Dies sind Streckmetalle, die mit einem Edelmetall-Katalysatoroxid – z.B. Ruthenium- oder Iridiumoxid – beschichtet werden. Es gibt aber auch Systeme mit Raney-Nickel-Katalysatoren in einer Gasdiffusionselektrode. Alkalische Elektrolyseure sind in großem Maßstab weltweit im Einsatz.

Saurer oder PEM-Elektrolyseur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

PEM-Elektrolyseur

Im Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur wird destilliertes Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Er besteht aus einer protonendurchlässigen Polymermembran (en. „proton exchange membrane“ oder „polymer electrolyte membrane“, kurz „PEM“). Diese ist kathodenseitig mit einer porösen Elektrode aus auf Kohlenstoff geträgertem Platin und anodenseitig mit metallischen oder als Oxid vorliegenden Edelmetallen (meist Iridium und Ruthenium) beschichtet. An diese Elektroden wird eine äußere Spannung angelegt. Auf der Anodenseite des Elektrolyseurs wird Wasser zugeführt (Es können auch beide Halbzellen mit Wasser geflutet werden, oder auch nur die Kathodenseite, dies ist abhängig vom Verwendungszweck).

Die katalytische Wirkung der Edelmetall-Elektrode führt zur Zersetzung des Wassers an der Anodenseite: Es entstehen Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene H+-Ionen. Die Wasserstoff-Ionen diffundieren durch die protonenleitende Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen zu Wasserstoff kombinieren.

Reversible Brennstoffzellen auf PEM-Basis können sowohl als Brennstoffzelle als auch als Elektrolyseur arbeiten und können damit in Kombination mit einem Gasspeicher als Energiespeicher dienen.[2]

Hochtemperatur-Elektrolyseur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hochtemperaturelektrolyseure arbeiten bei Arbeitstemperaturen von etwa 900 °C. Dabei wird ein Teil der notwendigen Reaktionsenthalpie als Wärme eingekoppelt. Dies führt dazu, dass der Strombedarf für die Elektrolyse sinkt und damit der Wirkungsgrad gegenüber der wässrigen, alkalischen Elektrolyse steigt. Mit Hochtemperatur-Elektrolyseuren können Wirkungsgrade bis ca. 90 % bezogen auf den Brennwert erreicht werden.[3]

Molybdänsulfid als Katalysator[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Forscher der ETH Lausanne entdeckten 2011 durch Zufall bei einem Experiment, dass Molybdänsulfid als effizienter Katalysator anstelle von Platin eingesetzt werden kann. Molybdänsulfid ist wesentlich kostengünstiger als Platin, sodass sich die Investitionen für einen Elektrolyseur verringern.[4]

Nickel-Eisen-Elektrolyseur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

2017 wurde ein Elektrolyseur auf Basis eines Nickel-Eisen-Akkumulators vorgestellt, der die Eigenschaften eines herkömmlichen Akkumulators und eines Elektrolyseurs verbindet. Die von den Forschern Battolyseur getaufte Anlage kann zunächst wie ein herkömmlicher Akkumulator geladen und entladen werden kann. Erreicht der Akkumulator seine Kapazitätsgrenze und wird weiter Strom zugeführt, wird stattdessen Wasserstoff produziert. Aufgrund seiner technischen Eigenschaften gilt diese Bauform als sehr gut geeignet für die Speicherung von Energie im Rahmen der Energiewende.[5]

Beispiele für Elektrolyseure[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anwendungsgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Elektrolyseure können als Basis der sog. Power-to-Gas-Technologie zur Speicherung elektrischer Energie eingesetzt werden. Dabei würde bei Vorhandensein von überschüssiger Energie in Zeiten hoher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung sogenanntes EE-Gas erzeugt. Elektrolyseure liefern hierbei zunächst Wasserstoff, welcher anschließend in einem Sabatier-Prozess zusammen mit Kohlenstoffdioxid zur Herstellung von Methan verwenden kann. Die dazu erforderlichen Elektrolyseure können als regelbare Last unter anderem zur Netzstabilisierung eingesetzt werden.[6]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. R. Holze: Leitfaden der Elektrochemie. S. 206, Vieweg+Teubner Verlag, 1998, ISBN 978-3-519-03547-3
  2. Fraunhofer ISE: Reversible Brennstoffzellen - Langzeitspeicher für elektrische Energie.
  3. Büchi et al, Towards re-electrification of hydrogen obtained from the power-to-gas process by highly efficient H2/O2 polymer electrolyte fuel cells. In: RSC Advances 4, (2014), 56139–56146, doi:10.1039/c4ra11868e.
  4. Durch Zufall vereinfachte Wasserstoff Herstellung entwickelt (Quelle: Der Standard Stand: 14. April 2011)
  5. F. M. Mulder et al: Efficient electricity storage with the battolyser, an integrated Ni-Fe-battery and electrolyser. In: Energy and Environmental Science. Band 10, Nr. 3, 2017, S. 756–764, doi:10.1039/C6EE02923J.
  6. Ulrich Eberle, Rittmar von Helmholt: Sustainable transportation based on electric vehicle concepts: a brief overview. In: Energy and Environmental Science. Band 3, Nr. 6, 2010, S. 689–699, doi:10.1039/C001674H.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Wiktionary: Elektrolyseur – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen