Überblick über die Verfahren der Wasserelektrolyse und Forschungsergebnisse sowie Forschungsbedarf bei der alkalischen Elektrolyse

Kurzfassung

In der gegenwärtigen Diskussion der Umstellung der Energieversorgung in Deutschland in Richtung des verstärkten Ausbaus regenerativer Energien findet Wasserstoff als weitgehend schadstofffreier und in großem Maßstab speicher- und transportierbarer Energieträger sowie als Energiespeicher für den Ausgleich fluktuierend anfallender Energien verstärkte Aufmerksamkeit. Entscheidenden Einfluss auf die Einführung von Wasserstoff als Energieträger haben die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffherstellung, der Stand effizienter Nutzungstechnologien und die sicherheitstechnische Akzeptanz. Die Wasserelektrolyse stellt als Wasserstoffherstellungstechnologie einen Schlüssel zur effizienten Nutzung erneuerbarer Energie dar. Als Verfahren für die Herstellung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse stehen die alkalische Elektrolyse mit einem flüssigen basischen Elektrolyten, die saure Elektrolyse mit einem polymeren Festelektrolyten (PEM-Elektrolyse) und die Hochtemperaturelektrolyse mit einem keramischen Festoxid (SOEC) zur Verfügung. Die Charakteristika der sich auf unterschiedlichen Entwicklungsstufen befindenden Verfahren sowie der Stand der Technik und ihre Einsetzbarkeit werden dargestellt. Im Besonderen wird auf die alkalische Elektrolyse, die heute den Stand der Technik für industrielle Anwendungen der Wasserstoffherstellung darstellt, näher eingegangen. Alkalische Elektrolysezellen werden bei etwa 50-80 °C mit einer Stromdichte von 200-400 mA/cm2 betrieben. Die Zellstapel werden mit Elektroden aus einer möglichst porösen Oberfläche in Filterpressenbauweise realisiert. Kommerziell erhältliche alkalische Elektrolyseure werden heute auf Modulebene in einem Leistungsbereich von 1-760 Nm3/h gebaut, was einer Leistungsaufnahme von etwa 5 kW bis etwa 3,4 MW entspricht. Für größere Produktionskapazitäten werden mehrere Elektrolysemodule parallel geschaltet. Obwohl die Technik als sehr robust und langlebig gilt, ist sie bisher nicht für den Einsatz in energiewirtschaftlichen Anwendungen, z.B. zur Speicherung regenerativer Energie optimiert worden. Im Rahmen von Forschungsprogrammen wurde eine Weiterentwicklung mit dieser Zielsetzung, z.B. beim DLR Stuttgart und beim Forschungszentrum Jülich, begonnen. So konnte beim DLR mit der Elektrodenaktivierung unter Einsatz des Plasmaspritzverfahrens (VPS-Elektroden) eine signifikante Effizienzsteigerung auf technische Wirkungsgrade von über 80% sowie langzeitstabiler Betrieb unter intermittierenden Betriebsbedingungen erreicht werden. Ergebnisse dieser Elektrodenentwicklung sowie weiterer technologischer Forschungsbedarf werden dargestellt.