Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung: Energiebedarf um 80 % gesenkt!

Die elektrolytische Herstellung von Wasserstoff benötigt Strom. So viel Strom, dass die Stromkosten beim Betrieb von Elektrolyseuren für die betriebliche Bilanz entscheiden sind. Die GWF Gas & Energie meldete am 03. März 2023, dass die Plasmalyse grünen Wasserstoff mit nur einem Fünftel der Energiemenge, wie sie in heutigen Elektrolyseuren benötigt wird, auskommt. Mit der gleichen Menge Strom kann die Plasmalyse dem zu Folge fünf Mal mehr Wasserstoff erzeugen – ein Quantensprung?

Plasmaelektrolyse vs. PEM- und Alkalische Elektrolyseure

Der in der Elektrolyse eingesetzte Strom muss aus erneuerbaren Quellen stammen, damit auch der erzeugte Wasserstoff als grün gelabelt werden darf. Weil Wind und Sonneneinstrahlung schwanken, schwankt auch die Verfügbarkeit von grünem Strom. Deswegen ist grüner Strom ein phasenweise knappes gut und sollte dann nur so effizient wie möglich eingesetzt werden.

Mit dem Ziel der Wasserstofferzeugung fällt der Blick damit auf den Wirkungsgrad der Elektrolyse. Marktgängige Wasser-Elektrolyseure warten mit Werten jenseits von 60 %. Dies bedeutet, dass mehr als 60 % der eingesetzten elektrischen Energie in Form von Wasserstoff-Molekülen chemisch gespeichert wird. Im Labor haben Wasser-Elektrolyseure bereits mehr als 80 % Wirkungsgrad bei der Spaltung von Wasser erreicht. Energetisch bedeuten diese Werte, dass pro kg Wasserstoff rund 50 kWh_el grünen Stroms eingesetzt werden müssen.

Wie die Überschrift ankündigt, scheint es aber nun möglich zu sein, mit den erwähnten 50 kWh_el insgesamt 5 statt 1 kg Wasserstoff herzustellen. Möglich macht dies ein doppelter Kniff: Erstens ist das Verfahren der Plasmalyse zu nennen. Hierbei erfolgt die Spaltung nicht in einem gleichförmigen elektrischen Feld zwischen Anode und Kathode innerhalb der Stacks, sondern ist wird ein hochfrequent oszillierendes elektrisches Feld geschafften, welches je nach Einstellung in der Lage ist, verschiedenartige Moleküle in seine atomaren und niedermolekularen Bestandteile zu zerlegen.

Zweitens spielt die Plasmalyse ihre Stärken nicht bei der Spaltung von Wasser, sondern z. B. bei Ammonium oder Ammoniak (NH₄ oder NH₃) und vor allem Methan (CH₄) aus. Der Clou: Beim Spalten von Methan fällt das C-Atom in Reinform und fest an, so dass es zu keiner Zeit klimaschädlich emittiert wird. Und für 1 kg des freiwerdenden Wasserstoffs benötigt die Plasma-Elektrolyse ganze 10 kWh_el! Bei Ammonium und Ammoniak ist der Energiebedarf etwas höher, aber auch hier gibt es neben der Wasserstoffproduktion einen angenehmen Nebeneffekt: Der Stickstoff, der vielerorts für Algenblüten und Grundwasserprobleme verantwortlich gemacht wird, gast in seiner Reinform (N₂) in die Erdatmosphäre, welche sowieso zu ca. 70 % aus ihm besteht, schadfrei aus.

Innovationspreis: Richtig gelegen!

Der Berliner Anlagenbauer Graforce ist beim Innovationspreis 2020 in der Kategorie Effiziente Energiekonzepte für seine schon damals großen Fortschritte bei der Systementwicklung ausgezeichnet worden. Zu Recht, wie sich heute zeigt: Die Weiterentwicklungen und Integrationen peripherer Technologien ermöglichen heute auch den Einsatz von LNG oder LPG, also einem Gemisch, im Wesentlichen bestehend aus Propan und Butan, für die CO₂-freie Wasserstofferzeugung.