Möchten Sie mehr zum Thema Elektrolyseure erfahren?

CRAIG GIFFORD:
Willkommen bei Ask Swagelok. Mein Name ist Craig Gifford und das ist Hassan El Ghoul, Fluidsystemingenieur bei Swagelok Ontario in Kanada. Wir beschäftigen uns heute mit dem Thema Wasserstoffproduktion und insbesondere mit Elektrolyseuren. Kannst du uns zunächst etwas erläutern, was genau ein Elektrolyseur eigentlich ist?

HASSAN EL GHOUL:
Ja, gerne. Ein Elektrolyseur spaltet mithilfe von elektrischem Strom Wasser in zwei Moleküle auf – Sauerstoff und H₂. Und H₂ wollen wir ja gewinnen. Die H₂-Moleküle liegen bei diesen Betriebsbedingungen im gasförmigen Zustand vor. Elektrolyseure setzen sich aus zwei Kammern zusammen, die jeweils mit einer Elektrode versehen sind – in der einen Kammer die negativ geladene Kathode und in der anderen die positiv geladene Anode. Diese beiden Kammern sind durch eine Membran voneinander getrennt. Je nach Art des Elektrolyseurs kommen unterschiedliche Membranen zum Einsatz, z. B. poröse Membranen oder Polymermembranen. Es gibt viele verschiedene Arten von Elektrolyseuren. Zu den bekanntesten zählen PEM-Elektrolyseure (Protonenaustauschmembran) und alkalische Elektrolyseure.

CRAIG GIFFORD:
Was ist der Unterschied zwischen diesen beiden Elektrolyseurtypen?

HASSAN EL GHOUL:
Der PEM-Elektrolyseur nutzt eine Polymermembran, durch die die Wasserstoffionen, also Protonen, von einer Kammer in die andere Kammer diffundieren. Der H₂ wird auf der Kathodenseite gewonnen. PEM-Elektrolyseure erfordern eine hohe elektrische Stromdichte. Sie zeichnen sich außerdem durch einen hohen Ausgangsdruck aus. Das ist insofern gut, als dass im Anschluss keine übermäßige Verdichtung mehr erforderlich ist. Die Elektroden bestehen aus Edelmetallen wie Platin, Iridium oder Gold. Vorteilhaft ist auch die hohe elektrochemische Effizienz sowie die Flexibilität bei Laständerungen. Somit sind auch schwankende Energiequellen wie Wind- und Solarkraft nutzbar.

CRAIG GIFFORD:
Ok, vielen Dank für diesen Überblick. Bei der alkalischen Elektrolyse wird eine flüssige Elektrolytlösung verwendet, wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid. Diese werden auch als Lauge bezeichnet.

HASSAN EL GHOUL:
Die Hydroxidionen wandern dann durch eine poröse Membran. Alkalische Elektrolyseure haben im Vergleich zu PEM-Elektrolyseuren eine geringere Stromdichte, was die Effizienz verringert. Außerdem ist der Ausgangsdruck geringer. Somit muss der gewonnene H₂ im Anschluss stärker verdichtet werden. Die Elektroden sind aus einfachem Stahl und mit Nickellegierungen beschichtet. Das bietet natürlich einen Kostenvorteil. Zudem reagieren alkalische Elektrolyseure weniger flexibel auf Laständerungen.

CRAIG GIFFORD:
OK, danke. Bei der Inbetriebnahme einer neuen H₂-Produktionsanlage werden alle Fluidsysteme einer Werksabnahmeprüfung unterzogen. Bereits kleine Leckagen beeinträchtigen die Leistung und die Sicherheit. Welche Probleme können beim Betrieb von Elektrolyseuren auftreten?

HASSAN EL GHOUL:
Bei Elektrolysesystemen sind wie bei vielen anderen H₂-Anwendungen zwei Hauptaspekte zu berücksichtigen: An erster Stelle die Sicherheit und an zweiter die Effizienz. Fangen wir mit der Sicherheit an. Bei Elektrolyseuren sind zwei kritische Gase im Spiel. Erstens H₂, ein entzündliches Gas, dessen untere Zündgrenze in der Luft bei 4 % liegt. Das andere Gas ist Sauerstoff, der an vielen Verbrennungsprozessen beteiligt ist. So viel zum Thema Sicherheit. Der zweite Aspekt ist die Effizienz: Im Leckagefall entweichen die genannten Gase in die Atmosphäre. Sowohl bei der Elektrolyse selbst als auch bei der anschließenden Verdichtung ist der Energieaufwand sehr hoch. Eine Leckage bedeutet somit vor allem einen Energieverlust. Letztlich geht es also darum, für eine geeignete Abdichtung zu sorgen. Und zwar eine Abdichtung, die auch kleinmolekulare Gase zuverlässig eindämmt. Die zu 100 % dicht ist.

CRAIG GIFFORD:
Genau. Die Größe der Anlage wirkt sich direkt auf die Kapazität, Effizienz, Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Elektrolyseurs aus. Wie begegnet man diesen Herausforderungen?

HASSAN EL GHOUL:
Sehen wir uns zunächst die Faktoren an, die die Effizienz eines Elektrolyseurs beeinträchtigen können. Danach sprechen wir über die Skalierbarkeit. Ein wichtiger Faktor für die Effizienz ist die Temperatur. Höhere Temperaturen sorgen in der Regel für eine höhere Effizienz. Außerdem kommt es auf die Elektrodenmaterialien an. Sie haben einen wesentlichen Einfluss auf die Prozesseffizienz. Auch die Stromdichte spielt eine Rolle, wie bereits in Zusammenhang mit den unterschiedlichen Elektrolyseurtypen erwähnt. Eine höhere Stromdichte steigert die H₂-Produktion und damit auch die Effizienz. Und letztlich sorgt auch eine höhere Elektrolytkonzentration für eine höhere Leitfähigkeit und Effizienz des Elektrolyseurs.

CRAIG GIFFORD:
Kommen wir nun zu den Herausforderungen rund um die Skalierbarkeit von Elektrolysesystemen.

HASSAN EL GHOUL:
Die Investitionskosten sind in der Regel hoch, insbesondere bei manchen PEM-Elektrolyseuren, in denen Edelmetalle zum Einsatz kommen. Hohe Investitionskosten sind also der erste Faktor. Der zweite Faktor ist, dass es mit dem Elektrolyseur allein nicht getan ist. Wir brauchen auch die zugehörige Infrastruktur, inklusive Verdichtungsanlagen, Betankungsanlagen, Speichersystemen und virtuellen Pipelines. Es ist ein vollständiges System. Die Effizienz ist definitiv eine große Herausforderung. Im Vergleich zu anderen Verfahren wie der Methandampfreformierung ist die Elektrolyse weniger effizient. Und damit kommen wir zum Thema Wettbewerbsfähigkeit. Es ist eine sehr wettbewerbsintensive Branche, besonders im Vergleich zu anderen Verfahren zur H₂-Produktion wie der Methandampfreformierung. Und gerade in größerem Maßstab sind Elektrolyseure weniger wettbewerbsfähig.

CRAIG GIFFORD:
Welche Faktoren sollten bei Auslegung und Konstruktion von Elektrolyseuren berücksichtigt werden?

HASSAN EL GHOUL:
Bei der Auslegung sollten die einzelnen Teilsysteme von Elektrolyseuren sowie die gesamte Strömungsdynamik beachtet werden. Da gibt es allerhand zu berücksichtigen, beispielsweise die Dimensionierung der Rohrleitungen. Muss es wirklich größer sein? Stellt die Erosionsgeschwindigkeit tatsächlich ein Problem dar? Denn dann braucht es größere Systeme, was wiederum die Effizienz beeinträchtigt. Volumen, Kosten, Unhandlichkeit und Platzbedarf steigen ebenfalls, wenn größere Leitungen zum Einsatz kommen. Weitere Aspekte sind Wärmerückgewinnungssysteme, die Ventilgröße, Untersysteme zur Aufbereitung von H₂ vor der Verdichtung. Im Hinblick auf die Sicherheit sind Überstromventile zu nennen, aber auch Abluftsysteme- und Konfigurationen. Es gibt zahlreiche Normen wie z. B. CGA 5.5. Auch Spülvorgänge wollen bedacht sein und natürlich der Qualitätsaspekt. Die Qualität des gewonnenen H₂ spielt eine wichtige Rolle, da diese für einen Einsatz in Brennstoffzellen sehr hoch sein muss. Lässt sich das über Probenahmen realisieren? Genau. Probenahmen sind eine Möglichkeit, aber auch Online-Analysegeräte beispielsweise.

CRAIG GIFFORD:
Hassan, vielen Dank für deine Zeit und für dieses informative Gespräch. Und vielen Dank, dass Sie sich dieses Ask Swagelok-Video angeschaut haben!