Der Umfang der Elektrolyseurwartung wird durch zwei Dimensionen bestimmt. Die erste Dimension ist die Wartungstiefe, die von minimal bis maximal reicht: Elektrolyseurüberholung, Elektrolyseur-Generalüberholung, Elektrolyseur-Zerlegung und schließlich Elektrolyseur-Neubau. Die zweite Dimension ist der Austauschgrad, der von der gesamten Anlage über den Stack bis hin zu den einzelnen Zellen reicht und in Elektrolyseur-Austausch, Stack-Austausch und Zellen-/MEA-Austausch unterteilt wird. Die Kombination dieser beiden Dimensionen bestimmt Ausfallzeiten, die Ersatzteilliste, technische Risiken und den endgültigen Zustand der Anlage. Häufig entstehen bereits in der Angebotsphase vieler Projekte Streitigkeiten, deren Ursache darin liegt, dass diese beiden Dimensionen im Vertrag nicht klar definiert wurden. Das Verständnis von „Überholung“ seitens des Lieferanten und des Auftraggebers unterscheidet sich hinsichtlich des Demontageumfangs, des Anteils der auszutauschenden Komponenten und der Leistungsabnahmekriterien erheblich. Ein Angebot für eine „Elektrolyseur-Generalüberholung“ kann beispielsweise nur den Austausch von Dichtungen beinhalten, während ein Angebot für eine „Elektrolyseur-Hauptüberholung“ den Austausch der meisten Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) umfassen kann, was zu erheblichen Unterschieden sowohl bei den Kosten als auch bei den Ausfallzeiten führt.
Eine Elektrolyseurüberholung ist eine umfassende Wartungsmaßnahme, die während einer geplanten Stillstandsphase durchgeführt wird, um die Anlage wieder in Betrieb zu nehmen. Typische Auslöser für eine Überholung bei alkalischen Elektrolyseuren sind: ein Anstieg des Gleichstromverbrauchs um mehr als 5 % über den Auslegungswert; eine Streuung der Zellspannungsverteilung von mehr als ±3 %; Ablösung der Nickelbeschichtung auf mehr als 20 % der Plattenoberfläche; oder eine kumulierte Betriebsdauer von 30.000 Stunden. Industriedaten zeigen, dass die typische Lebensdauer eines alkalischen Elektrolyseur-Stacks etwa 90.000 Stunden (ca. 10 Jahre) beträgt, während die Hilfseinrichtungen in der Regel für eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren ausgelegt sind. Dies bedeutet, dass der Stack im Laufe seiner Lebensdauer mindestens eine Generalüberholung benötigt. Das Standardverfahren für eine Elektrolyseurüberholung folgt dem Prinzip der Demontage und geordneten Montage. Es beginnt mit der Stromabschaltung und der Reinigung der Zellen, gefolgt von Stickstoffspülung, Demontage und Kennzeichnung, Reinigung und Inspektion, Reparatur und Austausch sowie schließlich der Montage und dem Festziehen der Schrauben. Jedes Mal, wenn ein Satz Elektroden oder Rahmen entnommen wird, muss dieser sofort nummeriert und fotografiert werden, um die Verteilung von Korrosion und Ablagerungen zu dokumentieren. Verdächtige Korrosionsprodukte müssen beprobt und zur Analyse mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) eingesandt werden, um die Herkunft der Verunreinigungen zu bestimmen.
Der Umfang einer Generalüberholung eines Elektrolyseurs ist größer als der einer Standardüberholung. Wenn eine Inspektion ergibt, dass mehr als etwa ein Drittel der Elektrolyseurzellen gleichmäßige Korrosion aufweisen oder der Verlust der Elektrodenbeschichtung 20 % der ursprünglichen Dicke übersteigt, ist ein umfassenderer Eingriff wirtschaftlich sinnvoll. Eine Generalüberholung eines Elektrolyseurs umfasst typischerweise die vollständige Demontage des Stacks, den Austausch der meisten Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs), die Inspektion und Reparatur der Bipolarplatten sowie gegebenenfalls den Austausch von Endplatten und Kompressionskomponenten. Ein Forschungsteam des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) führte eine Analyse des zellenweisen Komponentenaustauschs an einem kommerziellen PEM-Elektrolyseur- Stack durch und stellte fest, dass die katalysatorbeschichteten Membranen am stärksten zur Leistungsverschlechterung durch Kontamination und Polymerumlagerung beitrugen. Es wurden auch Spuren von Kalzium nachgewiesen, die wahrscheinlich auf eine unzureichende Wasseraufbereitung während des Betriebs zurückzuführen sind. Diese Erkenntnis hat direkte Auswirkungen auf die Ersatzteilstrategie für eine Generalüberholung eines Elektrolyseurs: Wird das Wasseraufbereitungssystem nicht gleichzeitig modernisiert, können die ausgetauschten Membran-Elektroden-Einheiten denselben Kontaminationspfaden ausgesetzt sein.
Eine „Elektrolyseur-Zerlegung“ ist eine diagnostische Demontage, keine Reparatur im eigentlichen Sinne. Der Batteriestapel wird geöffnet, jede Zelle inspiziert, die Dichtungskompression gemessen, der Zustand der Membran dokumentiert, die Dicke der Elektrodenbeschichtung geprüft und die Planheit der Bipolarplatten verifiziert. Die in *Frontiers in Energy Research* veröffentlichte Standardarbeitsanweisung betont die Durchführung einer ersten Sichtprüfung der Batteriekomponenten vor jeglicher Reinigung oder Behandlung. Darauf folgen komponentenbezogene, weiterführende Prüfungen, wenn die ersten Ergebnisse Anlass zur Sorge geben – einschließlich der Identifizierung von Anzeichen von Degradation wie Farbveränderungen, Texturunterschieden, Elektrodenablösung, Löchern oder Rissen. Das Ergebnis einer „Elektrolyseur-Zerlegung“ ist kein reparierter Batteriestapel, sondern ein detaillierter Bericht über den Zustand der einzelnen Komponenten, der wiederverwendbare Teile von solchen unterscheidet, die ersetzt oder repariert werden müssen. Ohne diesen Bericht arbeiten Überholungsunternehmen im Dunkeln, und die Betreiber bezahlen für Teile, die möglicherweise nicht ersetzt werden müssen, und riskieren zudem einen Komponentenausfall aufgrund fehlerhafter Beurteilung. Bei kommerziellen Verträgen ist die Demontage des Elektrolyseurs typischerweise die erste Phase jeder größeren Wartungsmaßnahme und dient als diagnostische Grundlage für alle nachfolgenden Investitionsentscheidungen.
Eine Elektrolyseur-Überholung geht über eine Generalüberholung hinaus und hat zum Ziel, die Leistung nahezu auf die ursprünglichen Spezifikationen zurückzuversetzen. Dabei wird der Elektrolyseurstapel vollständig demontiert, alle Membranen und Elektroden werden ausgetauscht, Bipolarplatten entweder ersetzt oder neu beschichtet, die poröse Transportschicht erneuert und der Stapel mit neuen Kompressionskomponenten und Dichtungen wieder zusammengebaut. INEOS Electrochemical Solutions verfügt über mehr als 35 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Elektrodenbeschichtungen. Die Überholungsdienstleistungen umfassen Modulreparaturen und Neubeschichtungen für eine Vielzahl von Elektrolyseur-Designs. Dies beweist, dass Electrolyzer Rebuild bereits eine ausgereifte Servicekette in der Branche etabliert hat. Auch Denora bietet Wartungs- und Überholungsdienstleistungen für verschiedene Elektrolyseur-Technologien an, einschließlich der Elektrodenreaktivierung. Das Kernprinzip von Electrolyzer Rebuild besteht darin, die Ursache der Degradation präzise zu identifizieren und nur die betroffenen Komponenten auszutauschen, anstatt das gesamte Gerät zu ersetzen. Wenn die Degradation ausschließlich auf die Anodenkatalysatorschicht beschränkt ist, während die Kathode und die Bipolarplatten in einem akzeptablen Zustand bleiben, würde eine vollständige Austauschstrategie zu unnötigem Materialverlust und erhöhten Kosten führen.
Der Austausch eines Stacks liegt zwischen einer Generalüberholung und einem kompletten Austausch. Der Stack wird demontiert und ein neuer oder überholter Stack installiert, die Systeminfrastruktur bleibt jedoch in Betrieb. Dieses Verfahren ist vorzuziehen, wenn der Stack das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat, die Hilfseinrichtungen aber noch innerhalb ihrer Auslegungslebensdauer liegen. Das Projekt zum Austausch des Stacks eines alkalischen Elektrolyseurs bei der BTU Cottbus liefert ein praktisches Beispiel: Die alten Stacks wurden schrittweise demontiert, wobei jede Verbindung dokumentiert wurde. Technische Zeichnungen wurden dem Lieferanten des Ersatz-Stacks zur Verfügung gestellt, um sicherzustellen, dass die neuen Stacks ohne Modifikationen an den bestehenden Druckbehältern installiert werden konnten. Die häufigste Fehlerursache bei Stack-Austauschprojekten sind nicht Mängel an den neuen Stacks, sondern eine unvollständige Schnittstellendokumentation der alten Stacks. Bevor die alten Stacks vom Gelände entfernt werden, müssen Fotos von jeder Verbindung angefertigt, jede Flanschfläche vermessen und die Abmessungen jeder Dichtung erfasst werden. Wird das ursprüngliche Stack-Modell nicht mehr produziert und ist kein gleichwertiger Ersatz verfügbar, kann die neue Konstruktion Modifikationen und Integrationsarbeiten erfordern, was die Projektkomplexität und -dauer erheblich erhöht. Die Fehleranalyse des Eurowind-Projekts durch Force Technology zeigt auch, dass die Komplexität der Ersatzentscheidungen stark ansteigt, wenn gleichwertige Ersatzprodukte nicht verfügbar sind.
Der Austausch eines Elektrolyseurs bezeichnet die Entscheidung, bestehende Anlagen außer Betrieb zu nehmen und neue zu installieren. Es handelt sich dabei nicht um eine Generalüberholung, einen Umbau oder einen Austausch des Reaktors. Auslösende Faktoren sind unter anderem ein Reparatur-zu-Ersatz-Verhältnis von über 50 % des Ersatzwertes, die Nichtverfügbarkeit von Ersatzteilen für veraltete Reaktorarchitekturen oder technologische Fortschritte, die eine fortlaufende Wartung unwirtschaftlich machen. Bei einem Austausch wird die ausgebaute Anlage recycelt. Der Stilllegungsprozess unterliegt strengen Verfahrensvorschriften. Vor der physischen Demontage müssen alle elektrischen, Gas- und Kühlanschlüsse gemäß den Lockout-Tagout-Verfahren gesichert werden. Die Anlage muss gespült und mit Blindflanschen isoliert werden. H2Tools empfiehlt, dass das Wartungspersonal die Entladung des Reaktors durch Messung der Reaktorspannung überprüft, bevor die Schutzvorrichtungen und elektrischen Anschlüsse entfernt werden. Die Dokumentation zur Stilllegung eines Elektrolyseurs muss Aktualisierungen im Anlagenverzeichnis, den Abschluss der Wartungsaufzeichnungen und einen Abgleich des Ersatzteilbestands umfassen. Das Versäumnis, diese Datensätze ordnungsgemäß zu schließen, ist der Grund, warum sogenannte „Geisteranlagen“ noch Jahre nach ihrer physischen Demontage in Wartungsplänen auftauchen.
Die Bipolarplatten und porösen Transportschichten in PEM-Elektrolyseur-Stacks enthalten strategisch wichtige Rohstoffe, vorwiegend Titan und Platingruppenmetalle. Das ReCycle-Projekt der Leoben-Universität hat eine schrittweise Rückgewinnungsstrategie entwickelt. Diese beginnt mit der manuellen Demontage, um die Integrität der Komponenten zu erhalten und Verunreinigungen zu minimieren. Anschließend wird ein hydrometallurgisches Laugungsverfahren angewendet, um Titan und Platingruppenmetalle selektiv zu extrahieren. Die manuelle Demontage wurde erfolgreich abgeschlossen und ermöglichte eine saubere Trennung der Bipolarplatten und porösen Transportschichten. In der Praxis ist die manuelle Demontage jedoch arbeitsintensiv und daher nur bedingt skalierbar. Zudem ist das chemische Laugungsverfahren noch nicht für den industriellen Durchsatz optimiert. Für Betreiber, die eine Elektrolyseurüberholung oder einen Neubau planen, empfiehlt es sich, die Titankomponenten nach Typ zu sortieren und spezialisierten Titanrecyclern mit Erfahrung im Umgang mit beschichteten Materialien anzuvertrauen. Die durchschnittliche Rückgewinnungsrate für Titan liegt bei etwa 40 %, was CO₂-Emissionen von rund 12.500 kg CO₂-Äquivalent pro Elektrolyseur-Stack entspricht. Titan, das mit Iridium- oder Rutheniumoxid-Beschichtungen in Kontakt gekommen ist, muss vor dem Recyclingprozess von dieser Beschichtung befreit werden. Die Schwefelsäureelektrolyse hat sich als effektive Methode zur Entfernung rutheniumhaltiger Beschichtungen von Titananoden erwiesen. Dies führt zu geringerer Korrosion des Titansubstrats und höheren Edelmetall-Rückgewinnungsraten. Das Projekt CircuPEM am Fraunhofer UMSICHT erforscht einen vollständig geschlossenen Kreislauf zur Rückgewinnung von Titan, Iridium und Platin aus Membran-Elektroden-Einheiten mit dem Ziel, Rückgewinnungsraten von nahezu 100 Prozent zu erreichen.
Iridium stellt einen Engpass dar, der die Wirtschaftlichkeit von PEM-Elektrolyseuren einschränkt. Es wird nicht als Primärrohstoff abgebaut, sondern fällt ausschließlich als Nebenprodukt der Platingewinnung an. Für Betreiber, die eine Generalüberholung oder einen Austausch ihrer Elektrolyseure planen, stellt der Iridiumgehalt in den katalysatorbeschichteten Membranen ein verwertbares Gut dar, dessen Wert vor der Verschrottung des alten Elektrolyseurs ermittelt werden sollte. Das EU-geförderte Projekt IRION entwickelt Verfahren zur Rückgewinnung von Iridium und depolymerisierten Materialien aus ausgedienten katalysatorbeschichteten Membranen. Diese Verfahren nutzen ionische Flüssigkeiten, eutektische Lösungsmittel und andere umweltfreundliche Lösungsmittel sowie elektrochemische Abscheidungsverfahren, um die schädlichen Emissionen herkömmlicher Kalzinierungsverfahren zu vermeiden. Das gewonnene Iridium und die depolymerisierten Materialien werden gereinigt und zur Herstellung neuer katalysatorbeschichteter Membranen verwendet. Das patentierte Verfahren von Johnson & Marsie beschreibt einen Prozess, der die oxidative Säureauslaugung zur Gewinnung von Platin, Palladium und/oder Ruthenium und die anschließende reduktive Säureauslaugung zur Iridiumgewinnung umfasst. Die Ausbeuten der Platingruppenmetalle erreichen dabei 90 bis 95 %. Die hydrometallurgische Iridiumgewinnung aus Elektrolyseurabfällen ist aufgrund extrem niedriger Konzentrationen, stabiler Oxidformen und der Forderung nach hochreinem Iridium mit Herausforderungen verbunden. Optimierte, auf Iridium ausgerichtete Hydrometallurgieverfahren können jedoch Ausbeuten von über 90 % erzielen. Membranen machen 20 bis 30 % der Kosten des Katalysatorstapels aus; daher ist die Beibehaltung der Membranen während des Katalysatorrückgewinnungsprozesses von direktem wirtschaftlichem Nutzen.
Die Vorgehensweise zur Minimierung der Gesamtbetriebskosten folgt einer klaren Abfolge. Sie beginnt mit einer Zustandsbewertung. Bei lokalem Verschleiß wird eine geplante Elektrolyseurüberholung durchgeführt, die den gezielten Austausch von Komponenten beinhaltet. Ist der Verschleiß flächendeckend, die Stack-Architektur jedoch intakt, erfolgt eine Elektrolyseur-Instandsetzung mit vollständigem Austausch von Membran und Elektroden. Hat der Stack selbst das Ende seiner Lebensdauer erreicht, die Systeminfrastruktur ist aber noch funktionsfähig, wird der Stack ausgetauscht. Ist eine wirtschaftliche Reparatur der gesamten Anlage nicht mehr möglich, wird der Elektrolyseur ausgetauscht, wobei der Wert von Titan und Edelmetallen aus der stillgelegten Anlage zurückgewonnen wird. Jeder Schritt oberhalb der oben genannten Überholungsstufe wird vorab einer Elektrolyseur-Zerlegung unterzogen und dient als diagnostische Grundlage für jede weitere Investitionsentscheidung. Eine umfassende Elektrolyseurüberholung ist erst dann gerechtfertigt, wenn der durch die Elektrolyseur-Zerlegung erstellte Zustandsbericht den Umfang des Austauschs bestätigt.
Vor der Angebotsanfrage müssen folgende Punkte klar angegeben werden: ob es sich um den Elektrolyseur, den Stack, die Zelle oder die Membran-Elektroden-Einheit handelt; ob es sich um eine Elektrolyseur-Generalüberholung, eine Elektrolyseur-Hauptüberholung, eine Elektrolyseur-Zerlegung, einen Elektrolyseur-Überholungsbau oder einen Elektrolyseur-Austausch handelt; und welche Komponenten ausgetauscht werden sollen, einschließlich Membranen, Elektroden, Bipolarplatten, Dichtungen, Endplatten und Befestigungselemente; zu den Abnahmekriterien gehören Leckrate, Wasserstoffproduktion, Energieverbrauch, Reinheit und Stromdichte; für die Rückgewinnung gebrauchter Teile sind die Prüfmethoden, Abrechnungsformeln und Eigentumsverhältnisse für die Rückgewinnung von Titan und Edelmetallen klar anzugeben ; die Geschäftsbedingungen sollten Anlagennummern, Garantie, Eigentumsverhältnisse an gebrauchten Teilen und Ausfallzeiten umfassen.
Eine Generalüberholung des Elektrolyseurs stellt die Funktionsfähigkeit wieder her. Bei einer umfassenden Generalüberholung werden die meisten aktiven Komponenten ausgetauscht. Die Demontage des Elektrolyseurs liefert präzise Zustandsdaten für den gesamten Anlagenbereich. Der Wiederaufbau des Elektrolyseurs versetzt den Anlagenstapel in einen nahezu neuwertigen Zustand. Der Austausch des Anlagenstapels erhält das System und modernisiert gleichzeitig seine Kernkomponenten. Der Austausch des Elektrolyseurs führt zur Stilllegung der Anlage und leitet die Rückgewinnung von Titan und Edelmetallen ein. Gebrauchte Teile sind kein Abfall; Titankomponenten müssen zum Recycling sortiert, Edelmetalle geprüft und raffiniert werden, und die Erlöse aus dem Edelmetallrecycling müssen im Vertrag festgelegt werden.
Sprache
