Materialkompetenz für Wasserelektrolyse

Artur Mähne ist Global Segment Manager, Hydrogen Technologies bei Freudenberg Sealing Technologies. Er ist global verantwortlich für den Vertriebsbereich Hydrogen Technologies im Segment Energy mit Schwerpunkt auf Elektrolyseuren und Brennstoffzellen. Besonders wichtig ist ihm die Entwicklung kundenspezifischer Dichtungslösungen, die die industrielle Fertigung von Elektrolyseuren ermöglichen. „Damit stellen wir die Weichen für die Zukunft und erschließen eine neu entstehende Industrie sowie neue Märkte.“

Alkalische Elektrolyse (AEL)

Verfahren: Die AEL nutzt eine wässrige Lösung aus Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) als Elektrolyt, um die Leitfähigkeit des Wassers zu verbessern. Die Elektroden sind in diese Lösung getaucht, physisch voneinander getrennt und nur durch Strom verbunden, der das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff sammelt sich an der Kathode und der Sauerstoff an der Anode.

Vorteile: Bei der AEL handelt es sich um ein langjährig erprobtes Verfahren. Da keine Edelmetalle verwendet werden, sind die Investitionskosten geringer als bei anderen Verfahren.

Nachteile: Alkalische Elektrolyseure benötigen viel Platz und zudem eine konstante Stromzufuhr. Deshalb sind sie nicht besonders gut für den Betrieb mit Wind- oder Solarkraft geeignet. Da die im Inneren verwendete Lösung ätzend ist, unterliegen sie außerdem strengen Sicherheitsvorschriften.

Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM: Proton Exchange Membrane)

Verfahren: Die PEM-Elektrolyse verwendet eine feste Polymermembran als Elektrolyt. Diese Membran trennt die beiden Elektroden, die Edelmetalle als Katalysatoren enthalten. Wenn Strom durch den Elektrolyseur fließt, wird Wasser an der Anode in Protonen, Elektronen und Sauerstoff zerlegt. Die Protonen wandern entlang des elektrischen Felds durch die Membran zur Kathode, wo daraus Wasserstoff gebildet wird.

Vorteile: PEM-Elektrolyseure können schnell aus dem Standby-Betrieb hochgefahren werden. Das macht sie ideal für den Einsatz mit erneuerbaren Energien wie Wind- oder Solarenergie. Außerdem hat der entstehende Wasserstoff eine hohe Reinheit. Sie sind kompakt gebaut und können in kleineren Anlagen genutzt werden.

Nachteile: PEM-Elektrolyseure sind teuer in der Herstellung, denn hier kommen Edelmetalle wie Platin oder Iridium, aber auch Titan und fluorierte Membranpolymere zum Einsatz. Das System ist darüber hinaus empfindlicher gegen Verunreinigungen als alkalische Elektrolyseure.

Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM: Anion Exchange Membrane)

Verfahren: In der AEM-Elektrolyse wird an der Kathode Wasserstoff gebildet. Gleichzeitig wandern negativ geladene Hydroxidionen durch die Anionenaustauschmembran zur Anode, wo der Sauerstoff entsteht. Dieses Verfahren verwendet eine stark verdünnte alkalische Lösung als Flüssigelektrolyt, die einerseits die Elektroden vor Korrosion schützt und andererseits die Leitfähigkeit des Wassers verbessert.

Vorteile: Die AEM-Elektrolyse ist ähnlich flexibel wie die PEM-Elektrolyse und kann ebenfalls in Kombination mit Wind- und Wasserkraft verwendet werden. Hier werden jedoch keine Edelmetalle verbaut, weshalb AEM-Elektrolyseure günstiger in der Herstellung sind und theoretisch das optimale Trade-off zwischen AEL- und PEM-Elektrolyse darstellen.

Nachteile: Die AEM-Elektrolyse ist eine relativ neue Technologie, die technisch noch nicht ganz ausgereift ist, besonders was die Stabilität der Membranmaterialien angeht. Deshalb gibt es bislang nur wenige Erfahrungswerte bezüglich der Lebensdauer und der Langzeitstabilität.