Wissenschaft

Wasserelektrolyse - Rohstoffe spielen entscheidende Rolle beim Markthochlauf von H2

03.08.2022

So funktioniert die Wasserelektrolyse

RWE AGEssen: Der französische Schriftsteller Jules Verne hat bereits 1875 erkannt, welches Potenzial Wasserstoff (H2) hat. In seinem Roman „Die geheimnisvolle Insel“ schrieb er: „Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist.“

Heute gilt Wasserstoff als einer der größten Hoffnungsträger der Energiewende. Doch um ihn als Energieträger und chemischen Rohstoff zu gewinnen und zu nutzen, werden komplexe technische Systeme benötigt. In einer Miniserie präsentiert der en:former unterschiedliche Technologien für Erzeugung, Speicherung, Transport und Nutzung und beleuchtet auch, welche Rohstoffe für Elektrolyseure und Co. benötigt werden.

Am Anfang steht dabei die Herstellung. Da Wasserstoff auf der Erde nicht allein vorkommt, muss er aus Verbindungen abgespalten werden. Im industriellen Maßstab kommen dazu aktuell vor allem Verfahren zum Einsatz, die fossile Rohstoffe nutzen. Damit H2 die Dekarbonisierung vorantreibt, muss sich das ändern. Ein besonders nachhaltiger Weg ist die Wasserelektrolyse. Dabei werden Wassermoleküle mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Stammt der Strom aus Erneuerbaren Energien, ist der Prozess klimaneutral, der Wasserstoff gilt als „grün“.

Die Wasserelektrolyse ist technisch schon relativ ausgereift, wird allerdings bisher selten eingesetzt. Außerdem werden für die Anlagen zum Teil schwer verfügbare Rohstoffe benötigt. „Im Jahr 2020 betrug der Anteil von durch Elektrolyse hergestelltem grünem Wasserstoff nur sieben Prozent der deutschlandweiten Wasserstoffproduktion. Wir sehen hier jedoch enormes Wachstumspotenzial“, sagt Dr. Robert Miehe. Er befasst sich als Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA unter anderem mit den Anforderungen für den Ausbau der Elektrolyse-Kapazität.

So funktioniert die Wasserelektrolyse

Das Prinzip war bereits zu Jules Vernes Lebzeiten bekannt. Es handelt sich um eine Redoxreaktion, bei der elektrische Energie in chemische umgewandelt wird und im Wasserstoff gespeichert wird. Sie läuft in einer Elektrolysezelle ab, die durch eine Membran geteilt ist. An die Zelle werden zwei Elektroden mit einer positiv und einer negativ geladenen Seite angeschlossen. Durch die elektrische Spannung spaltet sich zugeführtes Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Die positiv geladenen Wasserstoff-Moleküle wandern durch die Membran zu der negativ geladenen Elektrode, die negativ geladenen Sauerstoff-Moleküle zur positiv geladenen Elektrode. Katalysatoren auf beiden Seiten beschleunigen die Reaktion.
Die wichtigsten Elektrolyse-Verfahren

Im Wesentlichen sind heute drei verschiedene Elektrolyseverfahren von Bedeutung: Bereits am weitesten ausgereift ist die alkalische Elektrolyse (AEL). Dabei werden die Elektroden in eine in eine Kaliumhydroxid-Lösung getaucht. AEL-Anlagen sind bereits weltweit im Einsatz und gelten als langlebig bei geringen Investitionskosten. Ihr Wirkungsgrad liegt bei circa 65 Prozent.

Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEMEL) ist noch nicht so ausgereift wie die AEL. Wegen der höheren Stromdichte sind die Anlagen aber kompakter. Außerdem können PEMEL-Anlagen auch als Brennstoffzelle genutzt werden. Weil die Reaktion in einem sauren Medium abläuft, müssen die Materialien jedoch robuster sein.
Wenn Abwärme zur Verfügung steht, bietet sich die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTEL) an. Temperaturen über 800 Grad Celsius verstärken dabei die chemische Reaktion. Dadurch werden Wirkungsgrade bis 90 Prozent erreicht.


Ausbautempo wird schnell steigen

Sollte der Markthochlauf von grünem Wasserstoff in dem von Experten prognostizierten Tempo voranschreiten, wird sich das auch auf die Nachfrage nach Elektrolyseuren auswirken: Laut Europäischer Wasserstoffstrategie aus 2020 sollen bis 2030 EU-weit 40 Gigawatt (GW) an Elektrolysekapazität errichtet werden – heute ist ein GW installiert. Und mit der neuen Strategie REPowerEU sollen die Ziele noch einmal erhöht werden.

Die Forscher des Fraunhofer IPA kalkulieren in einer Studie, dass der Ausbau der Elektrolysekapazität in Deutschland bis 2050 bei auf 213 GW liegen wird – verteilt auf alle drei heute bekannten Technologien: „Die unterschiedlichen Verfahren zeichnen sich durch individuelle Vorteile aus, die je nach Anwendungsfall von großem Interesse sind. Daher wird allen Technologien in den jeweiligen Nischen ein entsprechendes Potenzial zugesprochen“, erläutert Miehe.
Elektroden, Membran und Elektrolyt sind die kritischsten Komponenten

Je nach Verfahren werden unterschiedliche Rohstoffe für den Bau der Elektrolyseure benötigt. Die Fraunhofer-Forscher haben analysiert, an welchen Stellen die Skalierung Risiken mit sich bringen könnte – sowohl in Bezug auf die Produktionskapazität als auch auf die Verfügbarkeit von Rohstoffen.

Bei der AEL sind die Membran und die Elektroden demnach die kritischsten Komponenten. Die Membran wird meist im Foliengieß-Verfahren aus Polysulfon, einem sehr stabilen und hitzebeständigen, aber teurem Kunststoff, und dem besonders korrosionsbeständigen Metall Zirkonium hergestellt. Die Analyse zeigt, dass der Bedarf zwar zeitweise die Produktionskapazität übersteigen könnte. Die Experten gehen aber davon aus, dass unkompliziert Überkapazitäten geschaffen werden können. Gleiches gilt für die Elektrodenproduktion. Bei der AEL werden dafür vor allem Nickel, Stahl und Edelstähle benötigt – also zum Zeitpunkt der Studie keine knappen Rohstoffe. Da Russland einer der wichtigsten Lieferanten ist, könnte sich das durch den Krieg in der Ukraine jedoch ändern.Bei PEMEL-Anlagen sind Ressourcen bereits ein Thema. Hier bestehen die Membran-Elektroden-Einheit und die Bipolarplatte aus Titanmaterialien. Als Katalysatoren werden Edelmetalle wie Platin oder Iridium aufgetragen. Die Vorkommen dieser Materialien sind jedoch begrenzt, der Abbau ist aufwendig. Da die PEMEL noch am Anfang steht, müssen außerdem noch große Produktionsanlagen für die Komponenten gebaut werden. Dazu sind Investitionen notwendig. Die Forscher sind jedoch zuversichtlich, dass sich die nötigen Kapazitäten realisieren lassen.

Da die HTEL bisher nur in einzelnen kleinen Pilotanlagen betrieben wird, ist die Technologie noch am weitesten von der Serienproduktion entfernt. Viele Komponenten sind aber ähnlich aufgebaut wie bei AEL- und PEMEL-Anlagen. So könnten zum Beispiel die Interkonnektoren, die die Zellen voneinander trennen und die Elektroden verbinden, in demselben Verfahren produziert werden wie Bipolarplatten. Das Festelektrolyt wird mit dem Seltenerdmetall Yttrium beschichtet.
Lösungsansätze: Recycling und Automatisierung

Dr. Robert Miehe hat sich zusammen mit weiteren Wissenschaftlern genauer mit der Verfügbarkeit der kritischen Rohstoffe befasst. In einem in der Fachzeitschrift „International Journal of Energy Research“ erschienenen Artikel kommen sie zu dem Ergebnis, dass mit Ausnahme von Titan für alle Materialen ein mäßig bis hohes (Platin) oder überwiegend hohes (Iridium, Scancium, Yttrium) Versorgungsrisiko besteht. Bei Ausbau der PEMEL- und HTEL-Kapazitäten könnten Rohstoffe somit zum limitierenden Faktor werden. Ein Großteil der Vorkommen befindet sich in China, was zusätzlich zu Schwierigkeiten bei der Diversifikation der Quellen führen könnte.

Langfristig könne dem laut den Autoren mit Recyclingverfahren begegnet werden. Diese zu untersuchen und Alternativen für die knappen Ressourcen zu finden ist deshalb für die Forschung einer der wichtigsten Schwerpunkte.

Weit weniger kritisch stuft Miehe mögliche Engpässe in der Produktionskapazität ein: „Der Großteil der betrachteten Komponenten kann mit herkömmlichen Herstellverfahren produziert werden, die bei Bedarf schnell skaliert werden können. Flaschenhals wird voraussichtlich die Endmontage sein, die derzeit zumeist im Manufakturbetrieb erfolgt.“  Aktuelle Forschungsprojekte befassen sich daher auch mit Automatisierungskonzepten. Spannende Lösungsansätze dazu und zum sparsameren Ressourceneinsatz stellt der en:former in den nächsten Folgen der Mini-Serie vor. 

RWE ist eines der führenden Unternehmen im Bereich der Erneuerbaren Energien und weltweit die Nummer 2 bei Offshore-Wind. Im Rahmen seiner Investitions- und Wachstumsstrategie „Growing Green“ will das Unternehmen bis 2030 seine Kapazität im Bereich Offshore-Wind von derzeit 3 Gigawatt (GW) auf 8 GW erhöhen (RWE-Anteil). Und auch in Deutschland zieht RWE das Tempo an: In der deutschen Nordsee treibt RWE die Entwicklung von vier Offshore-Windprojekten mit einer Gesamtleistung von 1,5 GW voran – teilweise gemeinsam mit einem kanadischen Partner. Bis zu 15 Milliarden Euro brutto will RWE bis 2030 in Deutschland in die grüne Energiewelt investieren.

RWE ist eines der führenden Unternehmen im Bereich der Erneuerbaren Energien und weltweit die Nummer 2 bei Offshore-Wind. Im Rahmen seiner Investitions- und Wachstumsstrategie „Growing Green“ will das Unternehmen bis 2030 seine Kapazität im Bereich Offshore-Wind von derzeit rund 3 Gigawatt (GW) auf 8 GW verdreifachen. Und auch in Deutschland zieht RWE das Tempo an: Bis zu 15 Milliarden Euro brutto sollen bis 2030 im Heimatmarkt in die grüne Energiewelt investiert werden. So will RWE auch bei der Offshore-Windkraft weiter wachsen: RWE treibt gemeinsam mit ihrem kanadischen Partner Northland Power die Entwicklung eines großen Offshore-Windclusters in der deutschen Nordsee voran. Insgesamt drei Windparks mit einer installierten Gesamtleistung von über 1,3 GW wollen die Partner nördlich der Insel Juist errichten und vorrausichtlich 2026 beziehungsweise 2028 in Betrieb nehmen. Diese geplanten Windparks können pro Jahr so viel Ökostrom produzieren, dass sie den Bedarf von bis zu 1,6 Millionen Haushalten decken. In direkter Nähe entwickelt RWE einen weiteren Windpark mit einer Leistung von 225 MW.

Quelle: RWE AG | Foto: RWE AG
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