Wasserstoff Elektrolyseur

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Vereinfacht ausgedrückt ist ein Wasserstoff Elektrolyseur (der auch als Elektrolyseur bezeichnet werden kann) ein Gerät zur Erzeugung von Wasserstoff. Ein Wasserstoff-Elektrolyseur ist ein Gerät, das mit Hilfe von elektrischer Energie in einem als Elektrolyse bekannten Prozess Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Die Konstruktion des Elektrolyseurs besteht hauptsächlich aus Anode, Kathode, Membran/Separator, Rahmen, Dichtung und Bipolarplatten. In einem Elektrolyseur-Stack werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, wodurch mehr Wasserstoff erzeugt werden kann. Der Wirkungsgrad von Elektrolyseuren ist je nach Art des Elektrolyseurs und seiner Betriebsbedingungen unterschiedlich.

Auf dem Markt gibt es verschiedene Elektrolyseur-Technologien. Um in Zukunft mit Elektrolyseur-Herstellern und Elektrolyseur-Unternehmen in Kontakt zu treten, besuchen Sie bitte hyfindr.com – den Marktplatz für die Wasserstoffwirtschaft.

Die Verwendung von Wasserstoff ist eine Chance, den Markt in der Energiewirtschaft zu verändern. Da unser Planet klimatischen Veränderungen unterworfen ist, ermöglicht Wasserstoff als Kraftstoff geringe Emissionen und weniger schädliche Auswirkungen auf den Planeten. Die Erzeugung von Wasserstoff mit Hilfe der Elektrolyseurtechnologie ermöglicht einen vollständig nachhaltigen Energiekreislauf.

Was ist die Hauptfunktion eines Wasserstoff Elektrolyseurs?

Wasserelektrolyseure werden zur Erzeugung von Wasserstoff durch Spaltung von Wasser mit Hilfe von Elektrizität eingesetzt. Ein solcher Wasserstoff-Elektrolyseur verwendet Strom, der durch in Wasser getauchte Elektroden fließt. Je nach Art des Elektrolyseurs kann das Wasser mit anderen gelösten Stoffen vermischt werden. Der Wasserstoff und der Sauerstoff können in Tanks gespeichert und später verwendet werden.

Der Wasserstoffgenerator, auch Elektrolyseur genannt, ist eine Schlüsselkomponente für das Funktionieren der Wasserstoffwirtschaft.

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Welche chemische Reaktion läuft in einem Wasserstoff-Elektrolyseur ab?

Der Wasserstoff-Elektrolyseur wandelt elektrische Energie (Strom) in chemische Energie um (Wasser wird in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten). Auf der Grundlage dieses Prinzips lautet die Gleichung für den Elektrolyseur wie folgt. Die Gleichung kann sich je nach Art des verwendeten Elektrolyseurs ändern.

An der Anode: 2H2O→ 4 H+ +O2 + 4e-

An der Kathode: 2 H+ + 2 e-H2

Insgesamt: 2H2O2H2 +O2

Was sind die wichtigsten Arten von Elektrolyseuren?

Elektrolyseure sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, je nach verwendeter Elektrolyseurtechnologie.

1. Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyseur

Beim PEM-Elektrolyseur sind die Elektroden durch einen Festelektrolyten, d. h. eine PFSA-Membran (Perfluorsulfonsäure), getrennt, die nur den Durchgang von Protonen erlaubt. Diese PFSA-Membran ist chemisch und mechanisch robust. Er kann einem Druck von 70 bar und Temperaturen von 50 – 80°C standhalten. Als Substrat wird ein Material auf Titanbasis verwendet, das von einer metallischen Katalysatorschicht und einer Schutzschicht bedeckt ist, die den Zellkomponenten langfristige Stabilität, optimale Elektronenleitfähigkeit und Zelleffizienz bietet. Ein Wasserstoff-PEM-Elektrolyseur verwendet eine 0,02 mm dünne PFSA-Membran und Elektroden für höhere Wirkungsgrade. Da für die Herstellung seltene Erden und Edelmetalle benötigt werden, ist diese Art von Elektrolyseur relativ teurer als ein alkalischer Elektrolyseur.

PEM-Elektrolyseure sind einfach, effektiv und kompakt, aber empfindlich gegenüber Wasserverunreinigungen. Die Elektrodenoberfläche beträgt bis zu 2000 cm². Der Wirkungsgrad von PEM-Elektrolyseuren liegt je nach Betriebsbedingungen bei 60-70 %.

2. Alkalischer Elektrolyseur

Diese Art von Elektrolyseur hat einen einfachen Stack und ein Design, das seine Herstellung vergleichsweise einfach macht. Es arbeitet mit einer konzentrierten (25-30%) Kaliumhydroxidlösung (KOH) als Elektrolyt, robusten Diaphragmen auf der Basis von ZrO2 und nickelbeschichtetem Edelstahl als Elektroden.

Typische Betriebstemperaturen und -drücke sind 70 – 90° C bzw. 1 – 30 bar. Einige Varianten von alkalischen Elektrolyseuren haben eine Lebensdauer von über 30 Jahren. Der Wirkungsgrad eines alkalischen Elektrolyseurs liegt je nach den vorherrschenden Betriebsbedingungen bei etwa 60-70 %.

3. Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur (AEM)

Der AEM-Wasserstoffelektrolyseur bietet eine Kombination aus den Vorteilen eines weniger aggressiven alkalischen Elektrolyseurs und der besseren Effizienz von PEM-Elektrolyseuren. Im Vergleich zu den anderen in diesem Artikel beschriebenen Typen gehört sie zu den neueren Technologien und hat daher einen wachsenden Anwendungsbereich. Bei der Konstruktion von Anionenaustauschmembran-Elektrolyseuren werden Nickel- oder NiFeCo-Legierungen mit großer Oberfläche als Katalysator verwendet. Anode und Kathode bestehen in der Regel aus Nickelschaum oder Kohlenstoffgewebe. Der AEM-Wasserstoffelektrolyseur benötigt keine Edelmetalle wie Titan und ermöglicht daher kostengünstigere Lösungen. Er arbeitet unter verschiedenen Drücken von bis zu 35 bar und Temperaturen zwischen 40 und 60°C. Es gibt bereits vielversprechende kommerzielle Lösungen, bei einigen Merkmalen wie dem Wirkungsgrad des Elektrolyseurs werden aber noch Verbesserungen erwartet.

4. Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC)

In einem Festoxidelektrolyseur (SOEC) werden kostengünstige Nickelelektroden in Kombination mit dem Elektrolyten verwendet, z. B. Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ). Der Katalysator auf der Sauerstoffseite ist vom Perowskit-Typ (LSCF, LSM usw.), während auf der Wasserstoffseite Ni/YSZ verwendet wird. Die typische Arbeitstemperatur von SOEC liegt im Bereich von 700 – 850°C bei einem Druck von 1 bar. Der Wirkungsgrad von SOEC kann bis zu 90 % betragen, wobei mehr Wärmeenergie als elektrische Energie zur Wasserspaltung verwendet wird. Seine Verwendung ist vor allem für Anwendungen interessant, bei denen ein Wärmeüberschuss vorhanden ist.

SOEC sind in den Bereichen Kraftstoffherstellung, Kohlendioxid-Recycling, chemische Synthese und Synthesegas zu finden. Die Anwendungen sind in der Regel im kW-Bereich angesiedelt, einige Projekte erreichen 1 MW.

Die Elektrolyseurtechnologie hat sich zu einer Vielzahl unterschiedlicher und ausgereifter Systeme entwickelt, von denen jedes eine Reihe konkreter Vorteile bietet.

Wie effizient sind Wasserstoff-Elektrolyseure?

Die Berechnung des Wirkungsgrads des Elektrolyseurs basiert auf den verbrauchten Kilowattstunden pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff, d. h. kWh/kg(H2). Vergleicht man dies mit der Energiemenge, die in 1 kg Wasserstoff enthalten ist, so lässt sich der Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs berechnen.

Wenn der Wasserstoff-Elektrolyseur beispielsweise 50 kWh Strom verbraucht, um 1 kg Wasserstoff zu erzeugen, wird der Wirkungsgrad ermittelt, indem die verbrauchte Energie durch den höheren Heizwert des Wasserstoffs (39,4 kWh/kg) dividiert wird. Daraus ergibt sich ein Wirkungsgrad von 79 %.

Es gibt viele Faktoren, die den Gesamtwirkungsgrad und die Lebensdauer des Elektrolyseurs beeinflussen. Einige wichtige Faktoren, die die Effizienz von Elektrolyseuren beeinflussen, sind Gaspermeation, Elektroden, Nickellegierungen, Wasserverunreinigungen, Betriebsbedingungen, Anodenauflösung und variable Belastung. Bei der Betrachtung des Gesamtwirkungsgrads des Elektrolyseurs müssen mehrere andere Elemente berücksichtigt werden. Dies sind die Kühler, die Reinigungsanlagen, das Wasser- und Wärmemanagement und andere Stromverbraucher des gesamten Elektrolyseursystems.

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Was sind die Hauptanwendungsfälle für Wasserstoff-Elektrolyseure?

  • Notstromsystem – Elektrolyseur mit Brennstoffzelle, Wasserstoffspeicher, Batterie und anderen Komponenten kann als Notstromversorgung für abgelegene Gebiete, Stromnetze usw. verwendet werden.
  • Wasserstoff- und Sauerstoffproduktion – der Wasserstoff wird als Kraftstoff verwendet und der Sauerstoff kann in vielen Bereichen wie der Medizin, der Stahlproduktion, Flachglasanlagen oder der Halbleiterindustrie eingesetzt werden.
  • Strom für Mobilitätsanwendungen – der vor Ort erzeugte Wasserstoff kann an Tankstellen für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge verwendet werden.
  • Haushalts- und Industrieenergie – Der erzeugte Wasserstoff kann unter bestimmten Umständen in Erdgasleitungsnetze eingespeist werden, um den Kohlenstoff-Fußabdruck von Heizanwendungen zu verringern.
  • Kraftstoff – Es kann zur Entfernung von Schwefel aus fossilen Brennstoffen verwendet und mit anderen Brennstoffen gemischt werden, um deren Effizienz zu erhöhen.
  • Erzeugung von grünem Wasserstoff, der wiederum zur Herstellung von grünen Chemikalien, synthetischen Kraftstoffen, Treibstoff für Triebwerke, Methanol oder Industriegütern wie Düngemitteln usw. verwendet werden kann.

Welche Schnittstellen sind mit dem Elektrolyseursystem verbunden?

Die Hauptkomponenten, die in verschiedenen Anwendungen direkt/indirekt mit dem Elektrolyseursystem verbunden sind, werden im Folgenden aufgeführt.

  • Brennstoffzellen-Systeme
  • Batterien
  • PV-Netz
  • Thermisches Kontrollsystem
  • Wasserversorgungssystem
  • Systemsteuerung
  • Wasserstoffspeicherung
  • Lagerung von Sauerstoff
  • Druckkontrollsysteme
  • Pumpen
  • Filter
  • Elektrische Leistungsaufnahme
  • Energieverwaltung
  • Auspuffanlage

Liste bestimmter Lieferanten von Wasserstoff-Elektrolyseuren

Diese Hersteller bieten Wasserstoff-Elektrolyseure an:

  • AFC Energie
  • Areva H2Gen
  • Clean Power Hydrogen Group
  • Elogen
  • Enapter
  • ErreDue
  • Grüne Wasserstoffsysteme
  • H2 Kernsysteme
  • H2-NRG
  • H-Tec Systeme
  • Wasserstoff Pro
  • iGas Energie
  • IPS-Fest
  • ITM Leistung
  • John Cockerill
  • Hydrox-Beteiligungen
  • Linde
  • McPhy
  • Nel
  • PlugPower
  • Reines Energiezentrum
  • Siemens Energie
  • Sonnenfeuer
  • Thyssenkrupp Uhde Chloringenieure

Letzte Aktualisierung: 15.1.2023

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