Wasser­Elektrolyse

3.3.3.1 Technologiebeschreibung

Die Wasser-Elektrolyse zerlegt mit elektrischer Energie Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff. Diese emissionsfreie Produktion von Wasserstoff bei Nutzung erneuerbarer Ener-gien gilt als eine der SchlüsseltechnoloEner-gien für die weitere Dekarbonisierung des Energiesystems.

Hohe Wasserstoffproduktionskosten im Vergleich zu Alternativtechnologien sorgten in der Vergan-genheit jedoch dafür, dass Wasser-Elektrolysen nur sehr vereinzelt zum Einsatz gekommen sind, z. B. in Cuzco in Peru bzw. dem Assuan Stau-damm in Ägypten. Veränderte Rahmenbedingun-gen sorgten nun jedoch zuletzt für ein zunehmen-des Interesse.

Das Grundprinzip der Wasser-Elektrolyse besteht darin, dass eine Spannungsquelle an zwei sich in Wasser befindenden Elektroden angeschlos-sen und durch Ionenwanderung ein Stromkreis-lauf aufgebaut wird. Als Folge dessen entsteht an einer Elektrode Wasserstoff und an der anderen Elektrode Sauerstoff. Das grundsätzliche Funk-tionsprinzip ist in Abb. 3.60 illustriert. Es handelt sich damit um das umgekehrte Prinzip der Brenn-stoffzelle, wenn man dieser Sauerstoff und Was-serstoff zuführt. Ähnlich wie bei den Brennstoffzel-len unterteilt man die Wasser-Elektrolysen auch nach ihren verwendeten Elektrolyten bzw. Mem-branen. Hierbei sind insbesondere die für den großindustriellen Einsatz verfügbaren Alkalischen Elektrolysen (AEL) und Polymerelektrolytmem-bran Elektrolysen (PEMEL) zu nennen. Etwas weniger technisch ausgereift gibt es die Fest-körperoxid-Elektrolyse (SOEL). Darüber hinaus spricht man häufiger von der Anionenaustausch-Membran Elektrolyse (AEMEL), welche versucht, die Vorteile der AEL und PEMEL ohne deren Nachteile zu kombinieren. Aufgrund des techno-logischen Reifegrades wird diese Technologie in diesem Kapitel jedoch nicht weiter betrachtet. Ein Überblick zum aktuellen Stand der Technologien kann (irenA 2020a) entnommen werden.

Die AEL setzt auf eine alkalische Elektrolyt-lösung, die häufig aus einer 20 – 40 % KOH-Lösung besteht. Die Anode und Kathode wer-den durch eine nichtleitende poröse Membran, dem sogenannten Diaphragma, verbunden. Das Diaphragma ist durchlässig für OH^–-Ionen, aber elektrisch nichtleitend und undurchlässig für Was-serstoff und Sauerstoff. Beim Anlegen von Strom an die Elektroden bilden sich unter Abspaltung von Wasserstoff an der Kathode die OH^–-Ionen aus. Diese wandern durch das Diaphragma zur positiv geladenen Anode und bilden dort Sauer-stoff durch die Abgabe der elektrischen Ladung aus. Es entstehen dabei doppelt so viele Wasser-stoff- wie Sauerstoffmoleküle. Die Stromdichten liegen dabei meist zwischen 0,2 – 0,8 A/cm². Die sich bei hohen Stromdichten ausbildenden Gas-blasen erhöhen den Elektrolytwiderstand und stel-len damit eine Begrenzung dar. Eine Reduzierung der Dicke des Diaphragmas ist dabei nur begrenzt möglich, da es ansonsten die Produktgase hin-durchdiffundieren lassen würde. Wirkungsgrade von 50 – 78 % können bei Temperaturen von 70 – 90 °C und Drücken von weniger als 30 bar erreicht werden. Durch den Einsatz der

alkali-schen Lösung besteht keine große Korrosion an der Zelle und es müssen keine Edelmetalle ver-wendet werden.

Bei der PEMEL kommt eine protonendurchläs-sige Feststoff-Polymer-Membran meist aus der Gruppe der Sulfansäuren zum Einsatz. An der mit Wasser gefluteten Anode bildet sich am kata-lytisch wirkenden Edelmetall ein H⁺-Ion aus, wel-ches bei angelegter Spannung durch die Memb-ran zur Kathode wandert. Dort bildet sich durch das an der porösen Elektrode zufließende gela-dene Teilchen Wasserstoff aus. Um eine Kontami-nation und damit Verringerung der Lebensdauer von Elektroden und der Membran zu verhindern, wird meist auf vollentsalztes Wasser zurückge-griffen. Bei der PEMEL können durch das direkte Anliegen der Elektroden an der Membran höhere Stromdichten als bei der AEL mit 1 – 2 A/cm² erreicht werden. Die höheren Stromdichten erlau-ben dadurch auch ein kompakteres Design. Der Wirkungsgrad liegt bei 50 – 83 % bei ähnlichen Drücken wie der AEL. Die Betriebstemperatur fällt etwas geringer mit 50 – 80 °C aus. Verfahrens-bedingt können meist etwas höhere Reinheiten des Wasserstoffes erreicht werden. Zudem kön-nen die PEMEL besser auf Lastschwankungen reagieren und sind schneller einsatzfähig. Viele Zelltypen bauen aufgrund der historischen Ent-wicklung noch auf den PEM-Brennstoffzellen auf,

wodurch meist auch ähnliche Materialien zum Einsatz kommen.

Da die SOEL häufig auch im reversiblen Betrieb gefahren werden kann, was einer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, s. Kapitel 3.3.5) ent-spricht, sind sowohl die Funktionsprinzipien als auch die eingesetzten Materialien und Bauwei-sen häufig identisch. Die Zuführung von Wasser sowohl auf der Anode als auch auf der Kathode macht es jedoch interessant, dafür verstärkt auf die anodengestütze Zellbauweise zu setzen, da dadurch ohmsche Verluste im Elektrolyt verringert werden können. Wie auch bei der SOFC wird auf ein Festkörperoxid als Elektrolyt gesetzt. An der Kathode wird Wasser in Wasserstoff und ein O^2- -Ion zerlegt. Das -Ion wandert durch das Elektrolyt zur Anode und bildet durch die Abgabe der elek-trischen Ladung Sauerstoff aus. Damit die elekt-rochemische Reaktion ablaufen kann, sind hohe Betriebstemperaturen von 700 – 850 °C nötig. Die hohen Betriebstemperaturen lassen langfristig aber hohe Wirkungsgrade erwarten, auch wenn diese aktuell bei 45 – 55 % liegen. Für die SOEL wird mit Stromdichten von 0,3 – 1 A/cm² gerech-net. Durch die teilweise mögliche Nutzung von Abwärme kann der Strombedarf jedoch etwas reduziert werden. Aktuelle Stackgrößen fallen jedoch noch deutlich kleiner aus als bei AEL und PEMEL. Dies trifft auch auf die Lebensdauer zu, die mit weniger als 20.000 Stunden deutlich gerin-ger ausfällt.

Ein Vergleich dieser drei Wasser-Elektrolyse-Technologien zeigt, dass es viele überlagernde Einsatzfelder für diese drei Optionen gibt und häufig eine Substitution einer der Technologien durch eine andere möglich ist. Insbesondere gilt dies für die AEL und PEMEL. Zu einem gewissen Grad kann dies auch Materialnachfragen aus-gleichen. Als vorteilhaft bei der AEL kann jedoch angesehen werden, dass sie aktuell ökonomische Vorteile bei der Investition besitzt und langjährige Erfahrungen mit der Technologie vorhanden sind.

Auch fallen die maximalen Stackgrößen bisher noch etwas größer aus. Die PEMEL kann deut-lich kompakter gebaut werden und kann besser auf Lastwechsel reagieren, was insbesondere für die Integration fluktuierender erneuerbarer Energien als hilfreich angesehen wird. Die Ver-wendung von Edelmetallen erschwert jedoch die kostengünstige Skalierung. SOEL besitzen auf-grund ihrer hohen Betriebstemperatur ein großes

Anode

Membrane

Cathode

Abb. 3.60: Aufbau und Funktion einer PEMEL (Quelle: Davidlfritz, PEM Elektro-lyse 5, Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

Potenzial hohe Wirkungsgrade zu erreichen, was jedoch wirtschaftlich die Verfügbarkeit von güns-tigen Abwärmequellen voraussetzt. Lastwechsel sorgen zudem für hohe thermische Belastungen, weshalb eher ein Dauerbetrieb bei der SOEL anzustreben ist. Basierend auf den aktuellen For-schungsaktivitäten, ist jedoch langfristig mit einer weiteren Annäherung insbesondere der AEL und PEMEL zu rechnen.

In den letzten Jahren haben sich zunehmend Her-steller neu positioniert. BrennstoffzellenherHer-steller versuchen ihre Produktpalette zu erweitern. Start-ups bzw. kleinere als auch erfahrene Hersteller hoffen durch die anziehende Nachfrage stark wachsen zu können. Etablierte Produzenten im Gasmarkt wie Linde oder Air Liquide suchen sich strategische Partnerschaften bzw. gründen Joint Ventures. Einige Unternehmen wie Thyssenkrupp oder Siemens fokussieren sich auf eine Techno-logie wie AEL bzw. PEMEL. Andere Hersteller wie NEL versuchen beide Technologien anzubieten.

Über den weltweiten Markt lässt sich sagen, dass die PEMEL stark von den Europäern forciert wird, während in anderen Ländern wie China sich mehr auf die AEL konzentriert wird. Trotz zunehmender Nachfrage scheint es kurzfristig zu keinen Prob-lemen bzw. nur leichten Einschränkungen bei der SOEL bei den Fertigungskapazitäten der Herstel-ler zu geben, wie eine Befragung ergeben hat (noW gMbh 2018). Neu errichtete Elektrolyseure können durch den modularen Aufbau mittlerweile deutlich größer als 100 MW sein.

3.3.3.2 Foresight Industrielle Nutzung

Die bisher installierten Wasser-Elektrolyse-Kapa-zitäten waren aufgrund der wirtschaftlichen Her-ausforderungen gegenüber Alternativtechnologien gering. So gab es den Zahlen von IEA (2020b) folgend in den letzten Jahren nur Zubauten im Bereich um die 10 MW pro Jahr. Beginnend mit 2019 nimmt die Anzahl an Ankündigungen zu installierenden Leistungen jedoch sehr stark zu, was bis 2023 zu einer ungefähren jährlichen Ver-doppelung der zugebauten Kapazitäten führen würde, vergleiche Abb. 3.61. Dabei ist zudem noch unberücksichtigt, dass weitere Installationen für diese Jahre angekündigt werden können.

In der Vergangenheit wurde hauptsächlich auf die AEL zurückgegriffen. Die PEMEL konnte jedoch seit 2000 kontinuierlich Marktanteile gewinnen und hat aktuell ungefähr einen Anteil von 45 %.

Neuankündigungen setzen zu einem überwiegen-den Anteil auf die PEMEL. SOEL-Anlagen sind bisher nur vereinzelt und zudem meist nur als Demonstrationsanlage existent (stAFFell et al.

2019; IEA 2020c).

Wie an den Ankündigungen für den Zubau neuer Elektrolyseurskapazitäten zu erkennen ist, ist nicht zuletzt aufgrund der verstärkten Förderung in den nächsten Jahren mit einem deutlichen Marktwachstum zu rechnen. Ein Fortschreiben dieses sich ankündigenden Marktwachstums über die nächsten Jahre ist jedoch eher unwahr-scheinlich, weshalb in dieser Studie etwas kon-servativere Werte angenommen werden. Große Unsicherheiten existieren dabei zudem beim lang-fristigen Bedarf und damit der zukünftigen Bedeu-tung von Wasserelektrolyseuren.

Für diese Studie werden die installierten zukünf-tigen Leistungen auf Basis der grünen Wasser-stofferzeugungen der SSP-Szenarien abgeleitet, s. Kapitel 1.1. Die SSP-Szenarien werden so aus-gelegt, dass ein möglichst breiter Entwicklungs-korridor dargestellt wird, welcher die Entwick-lungsannahmen anderer Studien berücksichtigt, z. B. WeltenergierAt – deutschlAnde. V. & Fron

-tier econoMics (2018), irenA (2020a). Dabei wird angenommen, dass die Elektrolyseure langfristig mit 3.500 Volllaststunden betrieben werden. Da

0

2014 2015 2016 2017 2018 2019*2020*2021*2022*2023*

Elektrolyseur-Zubau

* angekündigte Zubauten

in MW pro Jahr

Abb. 3.61: Elektrolyseur-Zubau (Quelle: IEA 2020b)

die SOEL aktuell noch nicht in industriellen Maß-stäben betrieben wird und ein Marktwachstum erst mittelfristig zu erwarten ist, die Rohstoffe (Iri-dium und Platin) für die PEMEL, trotz der derzeitig geplanten Projekte, nicht in hinreichend großer Menge zur Verfügung stehen und die AEL aktuell ökonomische Vorteile bei den Investitionskosten besitzt, wird vereinfachend ein konstanter Tech-nologiemix mit 85 % AEL, 10 % PEMEL und 5 % SOEL angenommen.

Die Annahmen zu den installierten Leistungen und den jährlichen Elektrolyseur Zubauten kann für die SSP Szenarien der Abb. 3.62 entnommen werden. Der Bedarf in 2040 ist mit einem Bestand von rund 100 GW im SSP5 deutlich geringer als im SSP1-19 mit rund 1.700 GW. Das SSP2-26 bewegt sich mit 430 GW dazwischen, wobei dies in etwa zeitgleich auch dem jährlichen erforder-lichen Zubau im SSP1-19 entspricht. Die Band-breite zwischen den Szenarien fällt dadurch sehr groß aus.

Die möglichen unterschiedlichen Marktentwick-lungen haben entsprechend auch einen größeren Einfluss auf die Weiterentwicklung der Techno-logien. Bei großen Stückzahlen an Elektrolyseu-ren sind damit deutlichere Fortschritte bei der

Einsparung von Materialien und der Bauform zu erwarten bzw. auch erforderlich. Zudem nimmt das regulatorische Umfeld direkten Einfluss auf die Marktentwicklung. Unterschiedliche politische Zielsetzungen können dadurch lokal zu unter-schiedlichen Entwicklungen führen. Alternative Technologien wie die Direktelektrischen Verfah-ren können langfristig dazu beitragen, dass der Bedarf nach Elektrolyseuren wieder sinken kann.

3.3.3.3 Rohstoffinhalt

Die drei Elektrolyseurtypen stellen unterschiedli-che Anforderungen an die Rohstoffe und im Spe-ziellen an die Katalysatoren (KhAn et al. 2018).

Für die AEL kann auf unedle Metalle zurückge-griffen werden (dAVid et al. 2019). Als Elektrolyt wird meist eine wässrige Kalilauge eingesetzt, es kann aber auch eine Natronlauge verwendet werden. Beim Diaphragma wird in der Regel auf Zirfon (beschichtetes Polysulfongewebe mit ZrO2) zurückgegriffen. Alternativmaterialien bzw. poly-mere Membrane konnten sich hier bisher nicht durchsetzen. Aufgrund der Anforderungen an die Gasdurchlässigkeit sind hier jedoch keine großen Einsparungen in der Materialdicke (250 μm) zu erwarten. Sowohl für die Anode als auch Kathode

0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800

2020 2025 2030 2035 2040

Bestand und jährliche Produktion in GW

SSP5 - Bestand SSP2-26 - Bestand SSP1-19 - Bestand

SSP5 - Jährliche Produktion SSP2-26 - Jährliche Produktion SSP1-19 - Jährliche Produktion

Abb. 3.62: Produktion und Aufbau des Bestandes an Elektrolyseuren für die Szenarien SSP5, SSP2-26 und SSP1-19 (Quelle: Eigene Darstellung)

werden hauptsächlich Nickel-Materialien z. B.

Raney-Nickel oder auch beschichteter Edelstahl eingesetzt. Zur Erhöhung der Stromdichten und Verbesserungen des dynamischen Verhaltens ZHUGHQMHGRFKDXFK(GHOPHWDOOHLQGLH8QWHUVX -chungen und Weiterentwicklungen mit einbezo-gen. So kann es auch zur Platinverwendung in den Elektroden kommen.

Die PEMEL verwendet als Elektrolyt meist eine 9DULDQWHGHV1D¿RQV3HUÀXRUVXOIRQVlXUH3)6$

Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Kopolymer). Alter-nativen hierzu können hydrocarbonbasierte Mate-rialien sein. Im Gegensatz zur AEL ist die PEMEL MHGRFKDXI(GHOPHWDOOHDXIJUXQGGHUVDXUHQ8PJH -bung in der Nähe der Membran angewiesen. So benötigt die Anode meist Iridiumoxid (IrO₂). Iridium gilt zurzeit auch als unersetzbar, da kein Alterna-tivmaterial bisher die erforderlichen Eigenschaften mitbringt, z. B. Rutheniumoxid (RuO2) mit einer deutlich höheren Korrosionsrate. Aufgrund der raren Materialverfügbarkeit wird jedoch versucht, die Elektrodenbeladung zu verringern und Mate-rial einzusparen. Sowohl für Ir als auch Ru sind Materialbedarfe von 0,5 – 1,5 g/kW erforderlich, wobei aktuell ungefähr 1 g/kW benötigt wird. Bei der Kathode wird vorwiegend auf Metalle der Pla-WLQJUXSSHJHVHW]WZREHL3ODWLQEHVRQGHUVKlX¿J mit Kohlenstoffträgermaterial mit 0,05 – 0,2 g/kW ]XP(LQVDW]NRPPW$XFKKLHU¿QGHWHLQHNRQWL-nuierliche Reduzierung statt. Dieses besitzt einen guten Korrosionsschutz und hat eine gute Leitfä-higkeit. Alternativ kommen aber auch Palladium oder entsprechende Legierungen zum Einsatz (S^HIVA K^UMAR & H^IMABINDU 2019). Darüber hinaus besteht meist noch ein Platin und Titanbedarf bei den Transportschichten und Bipolarplatten der Elektroden.

'D VLFK GLH 62(/ XQG 62)& KlX¿J QXU LQ GHU Betriebsweise unterscheiden, entsprechen die benötigten Materialien denen der SOFC (CHEN

& J^IANG 2016; H^USSAIN & Y^ANGPING 2020; B^EIDER

-BECK et al. 2020). Dies heißt, dass als Elektrolyt in der Regel ein yttriumdotiertes Zirkoniumdi-oxid (YSZ) zum Einsatz kommen kann. Für die Anode wird auf Nickel-YSZ Materialien und für die Kathode auf perowskitische Materialien wie Lanthan-Strontium-Manganat (LSM) zurückgegrif-fen. Sofern die Weiterentwicklungen für anoden-gestütze Zellen gut voranschreitet, so könnte es zu einer leichten Materialverschiebung hin zu anodengestützen SOEL kommen, da hierdurch

ohmsche Verluste eingespart werden können. Die aktuell meist angestrebte mittlere Betriebstempe-ratur der SOEL lässt jedoch auch Optionen wie scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ)/Scan-dium-Cer-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (ScCeSZ) für das Elektrolyt als möglich erscheinen.

Für die in Tab. 3.55 angegebenen Werte wurden GLHVSH]L¿VFKHQ%HODGXQJHQGHU(OHNWURGHQGHU 3(0(/ XQG GLH /&$ 8QWHUVXFKXQJHQ LQKOJ et al. (2015), H^ÄFELE et al. (2016), K^OJ et al. (2017), BAREISS et al. (2019), CARMO et al. (2019), SHIVA

K^UMAR & H^IMABINDU (2019), /^275,ý et al. (2021) verwendet. Für die SOEL wurden zudem die Erkenntnisse der SOFC mit einbezogen und anschließend Mittelwerte gebildet. Extremwerte blieben dabei unberücksichtigt und zur Abbildung der zukünftigen Entwicklung Annahmen zu einem verringerten Materialverbrauch der elektrochemi-schen Zelle angenommen.

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