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Alkalischer Elektrolyseur (Alkalischer Elektrolyseur) Mit KOH-Lösung als Elektrolyt und nickelbasiertem Katalysator arbeitet er bei einer Temperatur von 70–90 °C und einem Druck von ≤ 30 bar und erreicht eine Single-Stack-Leistung von bis zu 20 MW (z. B. thyssenkrupp nucera). Vorteile sind niedrige Kosten (keine Edelmetalle erforderlich), lange Lebensdauer (> 60.000 Stunden), einfache Wartung und ein breiter dynamischer Ansprechbereich (10–100 %), wie er beispielsweise beim EcoLyzer A600 (600 Nm³/h) zum Einsatz kommt.
PEM-Elektrolyseur (Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur) Der PEM-Elektrolyseur verwendet perfluorierte Sulfonsäuremembranen (PFSA) und Platin-/Iridium-Katalysatoren und ist für die Elektrolyse mit reinem Wasser, Betriebsdrücken von bis zu 10–30 bar, einer Reaktionszeit von Sekunden und einer Wasserstoffreinheit von >99,999 % ausgelegt. Dank seiner kompakten Bauweise und seines hohen Wirkungsgrads (HHV-Wirkungsgrad 89–99 %) eignet er sich besonders gut für fluktuierende Energiequellen wie Windkraft, wie sie beispielsweise durch den HyLYZER™ (2,2 Nm³/h) und die LightBridge LBE-P50LC (50 kW) repräsentiert werden.
Festoxidelektrolysezelle (SOEC) elektrolysiert Wasserdampf bei 700–800 °C mithilfe von Keramikelektrolyt. Der Stromverbrauch beträgt nur 37,7 kWh/kg H₂, die Effizienz ist um 25 % höher als bei Niedertemperaturelektrolyseuren. Sie kann Synthesegas erzeugen und industrielle Abwärme nutzen. Die Hochtemperaturzersetzung ist jedoch noch ungelöst. Repräsentative Projekte sind beispielsweise das 4-MW-System von Bloom Energy für die NASA (2,4 Tonnen Wasserstoff pro Tag).
AEM-Elektrolyseure (Anionenaustauschmembran-Elektrolyseure) kombinieren die Vorteile von alkalischen Tanks mit denen von PEM. Sie verwenden anionische Membranen und Katalysatoren aus Nichtedelmetallen (z. B. Nickel) und arbeiten bei 60–80 °C. Sie sind 80 % günstiger als PEM, enthalten keine perfluorierten Verbindungen und erreichen mit neuesten Technologien wie Ecolectro Stromdichten von >4 A/cm² und Wirkungsgrade von >74 %, die Membranhaltbarkeit muss jedoch noch verbessert werden.
Unterstützungsausrüstung für die Wasseraufbereitung und Wasserstoffproduktion Es wird ultrareines Wasser (Leitfähigkeit <1 μS/cm) benötigt, das auf Umkehrosmose- oder Deionisierungssystemen basiert; für die Wasserstoffaufbereitung sind Kompressoren (z. B. SOEC mit Vordruck auf 15 psig), Trockner und Wasserstoffspeichertanks erforderlich.
Die industriellen Szenarien für verschiedene Elektrolyseure werden durch Effizienz, Kosten und Betriebsbedingungen bestimmt:
Alkalische Elektrolyseure eignen sich für große Chemieanlagen (z. B. Ammoniaksyntheseanlagen, Ölraffinerien), die eine kontinuierliche und stabile Wasserstoffversorgung benötigen. Typische Beispiele sind der Sinopec Hydrocarbon Steam Reformer.
PEM-Elektrolyseure werden aufgrund ihrer schnellen Reaktion und geringen Größe hauptsächlich für die Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energien (z. B. Wind-/Photovoltaik-Kopplungsprojekte) und Wasserstofftankstellen verwendet. Ein typisches Beispiel ist das 100-MW-Projekt „Rheinland“ von ITM Power.
Der SOEC-Elektrolyseur eignet sich für industrielle Hochtemperaturszenarien (z. B. Stahlwerke, Kernkraftwerke). Typische Beispiele sind das Dekarbonisierungsprojekt der Shell-Raffinerie.
AEM-Elektrolyseur. Aufgrund seines geringen Kostenvorteils wird er für Szenarien zur dezentralen Wasserstoffproduktion (kommunale Energieversorgung, kleine Anlagen) bevorzugt, z. B. im Pilotprojekt von Ecolectro.
Beim Recycling von Elektrolyseuren stehen hochwertige Materialien und eine umweltgerechte Entsorgung im Vordergrund:
PEM-Elektrolyseure: Titan-Bipolarplatten (Gewinnung 3–10 USD/kg) und Platin-/Iridium-Katalysatoren (> 6.000 USD/kg) haben den höchsten Wert, Perfluorsulfonsäure-(PFAS)-Membranen erfordern jedoch eine Hochtemperatur-Pyrolysebehandlung.
Alkalischer/AEM-Elektrolyseur: Rückgewinnung von Nickelelektroden (2,5–6,8 USD/kg) und Strukturkomponenten aus Edelstahl, wobei AEM aufgrund des Fehlens von Edelmetallen und perfluorierten Verbindungen das einfachste Verfahren ist.
Die keramischen Elektrolyte (z. B. mit Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid) und die nickelbasierten Brennstoffelektroden des SOEC-Elektrolyseurs müssen fachgerecht recycelt werden, aber die Kosten für das Recycling der Keramik nach dem Zerkleinern sind hoch.
Die zurückgewonnenen Metalle können zur Verwendung in neuen Geräten wieder eingeschmolzen werden, der Katalysator wird durch chemische Extraktion regeneriert und die Kunststoffteile werden verbrannt, um Strom zur Energienutzung zu erzeugen.
Aufgrund der niedrigen Kosten und Stabilität werden alkalische Elektrolyseure für große Industrieanlagen bevorzugt.
PEM eignet sich für die Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Energien, wenn eine schnelle Reaktion und hochreiner Wasserstoff erforderlich sind.
Stahlwerke oder Kernkraftwerke mit Abwärmeressourcen können SOEC nutzen, um die Effizienz um 25 % zu steigern.
AEM eignet sich für kleine und mittelgroße verteilte Szenarien (z. B. kommunale Stromversorgung), um die Kosten- und Umweltschutzvorteile zu realisieren.
Zukünftige technologische Durchbrüche werden von Materialinnovationen (z. B. AEM-Katalysatoren aus Nichtedelmetallen) und der Reife der Recyclingtechnologie abhängen, während die Optimierung des Energieverbrauchs im unterstützenden System (z. B. Nutzung der Abwärme von SOEC) der Schlüssel zur Kostensenkung sein wird.
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