Wasser-Elektrolyse: Verbesserte Wirkungsgrade steigern die Wasserstoffproduktion

Der Strombedarf der Elektrolyse ist ein zentrales Detail beim Hochlauf des grünen Wasserstoffs. Denn mögliche Verluste bei der Spaltung von Wasser pflanzen sich in der gesamten Nutzungs- und Wertschöpfungskette fort. Dies schmälert die Ausnutzung wertvoller erneuerbare Energie und verteuert die Nutzung von Wasserstoff in den Zeiten und in den Anwendungen, in denen er alternativlos ist.

Technische Weiterentwicklung der Wasser-Elektrolyse

Elektrolyseure spalten Wasser (H₂O) in seine Bestandteile: Wasserstoff und Sauerstoff. Nun ist das Wassermolekül relativ stabil aufgebaut, was bei der Spaltung einen gewissen Aufwand nach sich zieht. Im Ergebnis der Elektrolyse wird ein gewisser Anteil der im Strom enthaltenen elektrischen Energie durch die Spaltung von Wasser in chemische, gut speicherbare Energie überführt.

Die Höhe des Aufwands zur Spaltung von Wasser kann durch technische Tricks, wie Katalysatoren, reduziert werden. Deren Ausführung entscheidet dann über die Höhe der Energieausnutzung, die bei heute marktverfügbaren Elektrolyseuren bei bis zu 80 % liegt. Die restlichen mehr als 20 % der Energie werden größtenteils als Wärme abgegeben, welche für eine optimale Wirkungsgradkette z. B. zur Wärmeversorgung von Gebäuden genutzt werden sollte.

Die Weiterentwicklung der Elektrolyseure schreitet voran. Das deutsche Unternehmen Sunfire, das auf dem deutschen Markt wohl die technologische Führerschaft trägt, startet im Frühjahr 2023 beispielsweise seine Serienproduktion von Elektrolyseanlagen. Das vollautomatische Werk soll eine Fertigungskapazität von 500 MB an Alkali-Elektrolyseuren erreichen, der Ausbau in den Gigawattmaßstab sei bereits in Planung.

Elektrolyse-Wirkungsgrad bis zu 95 %!

Und auch aus dem Ausland erreichen uns spannende Nachrichten. Auf der Hannover Messe 2023 stellte das norwegische Unternehmen HYSTAR mit der Schlagzeile „The world‘s most efficient PEM electrolyzer“ sein Konzept für die grüne Energiezukunft vor. Die lieferfähigen Anlagen warten mit Zellenwirkungsgraden von 85 % auf, an den Übergabestutzen können noch 79 % der eingesetzten, elektrischen Energie an einen möglichen Kunden in Form von Wasserstoff abgegeben werden.

Hannover Messe 2023: HyStar wirbt mit seiner Neuentwicklung. Bild: ASUE/Thomas Wencker

Darüber hinaus entwickelt das israelische Start-up H2PRO ein komplett neues, zweistufiges Elektrolyseverfahren („E-TAC“), welches durch den Verzicht auf eine Membran auf bis zu 95 % elektrischen Wirkungsgrad kommen möchte.

Mit diesen Effizienzgewinnen steigen die Umsetzungsraten bei der Wasserstofferzeugung. Somit scheint es, dass die Gerätehersteller ihre Hausaufgaben gemacht haben. Leider hängt die Erzeugungsleistung erneuerbaren Stroms dieser Entwicklung nach dem heutigen Stand immer noch hinterher. Zwar sind die Ausbauziele von Wind- und Solarstromanlagen formuliert, sie werden aber vielfach als zu niedrig kritisiert. Und auch die Umsetzung der nötigen Stromnetzausbauten hinkt hinterher.

Aber auch in diesen Herausforderungen der Energiewende sind technische Entwicklungen auf dem Weg. Insbesondere bei aus mehreren Erzeugungsanlagen bestehenden Windparks werden für Umrichtung und Einspeisung des grünen Windstroms meistens mehrere Frequenzumrichter in Kaskadenschaltung installiert. Dies bedeutet, dass die Umrichter je nach momentaner Erzeugungsleistung nacheinander eingesetzt oder wieder abgeschaltet werden. Dabei treten jeweils Verluste auf. An der Universität Rostock wurde nun ein Verfahren erfolgreich getestet, welches die Umrichter in Parallelschaltung einsetzt. Durch die intelligent gesteuerte Betriebsweise der Umrichter konnte eine deutliche Reduktion von Umwandlungsverlusten festgestellt werden, da zu den Verlusten führende Betriebszustände vermieden werden konnten.

Durch diese Weiterentwicklungen wird der bis auf Weiteres knappe, grüne Strom immer effizienter genutzt und eingesetzt. Auch die Speicherung der in ihm enthaltenen Energie wird so mit jedem kleinen technischen Fortschritt immer wirtschaftlicher.