ELEKTROLYSEUR

Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, der auf dem Durchfluss von elektrischem Strom durch eine ionische Lösung beruht. Im Falle der Elektrolyse von Wasser konvertiert ein Elektrolyseur die elektrische Energie in chemische Energie, die im Wasserstoff enthalten ist. Bei der PEM-Elektrolyse nutzen wir einen Festpolymer-Elektrolyt, der auch Protonen-Austausch-Membran genannt wird. In der Membran liegt eine beständige Zirkulation von Protonen vor, während die Elektronen einem Außenkreislauf folgen. Wasserstoff entsteht an der Kathode.

SIEHE AUSSERDEM : Produktreihe PEM-Elektrolyseur

Eine Einführung in H2 Generatoren, die PEM-Elektrolyse von Wasser nutzen

Die Protonen-Austausch-Membran- (PEM-) Elektrolyse ist die Elektrolyse von Wasser in einer mit einem Festpolymer-Elektrolyt (SPE) ausgestatteten Zelle, welche für die Leitung von Protonen, Trennung von Produktgasen und die elektrische Isolierung der Elektroden zuständig ist.
Die PEM-Elektrolyseure wurden eingeführt, um Problemen, wie Teilladungen, niedrige Stromdichte und niedriger Arbeitsdruck zu begegnen, die bei alkalischen Elektrolyseuren erschwerend hinzukamen. Die PEM Elektrolyse ist eine wichtige Technologie für die Produktion von Wasserstoff, der als Energieträger genutzt werden soll. Mit schnellen und dynamischen Reaktionszeiten, großen Arbeitsbereichen und hoher Effizienz und sehr hohen Gasreinheiten (99.999%) werden nur einige der Vorteile dieser Technologie aufgefÜhrt. Die Nutzung von PEM-Elektrolyse wurde zuerst in den 1960er Jahren vom Apollo Gemini Projekt vorgestellt.  Sie wurde entwickelt, um den Nachteilen der alkalischen Elektrolysetechnologie zu begegnen.

Einer der größten Vorteile der PEM-Elektrolyse ist deren Fähigkeit bei hoher Stromdichte mit sehr guter Effizienz zu arbeiten. Das führt zu geringeren Betriebskosten. Der Polymerelektrolyt erlaubt es dem PEM-Elektrolyseur mit sehr dünnen Membranen (~100-200μm) zu arbeiten, während weiterhin hoher Druck und eine elektrochemische Kompression des Wasserstoffausstoßes möglich sind.
Die heute üblichen Elektrolytzellen werden in Einheiten von bis zu 15 und sogar 20 Nm3/h gestapelt. Die Oberfläche dieser Zellen kann bis zu 600 cm2 groß sein und die Stapel bis zu 100 Zellen enthalten.

Das ist der derzeitige Stand der wirtschaftlichen Technik.

Um die Kapazitäten zu erhöhen und eine Stromkonsummöglichkeit von mehr als 1 MW (für die Perspektiven zur Speicherung von erneuerbaren Energien benötigt) zu ermöglichen, arbeiten die Hersteller von PEM-Elektrolyseuren daran, die aktive Oberfläche pro Zelle und die derzeitige Stromdichte (A/cm2) zu vergrößern und dabei eine Leistungsrate und Effizienz von 83 % beizubehalten sowie die Anzahl der Zellmontagemöglichkeiten zu erhöhen.
Es ergibt sich, dass je höher die Elektrolysekapazitäten sind, desto geringer die Kosten pro installierten KW (oder Nm3/h) ausfallen. In dieser Hinsicht stehen wir heute erst noch am Anfang der Entwicklung. Dazu kommt, dass einer der anderen großen Vorteile von PEM-Elektrolyseuren die Einfachheit ihrer Balance of Plant (BOP) ist. Tatsächlich wird der Festpolymer-Membranelektrolyt nur durch Wasser und Strom betrieben.
Daraus resultiert, dass der BOP-Ausfluss der Stacks nur mit der Trocknungsphase der hergestellten Gase zu tun hat.
Bei einem Auslassdruck von 30 Bar führt die Trocknung von Wasserstoff bei 4°C bei atmosphärischem Druck zu einem Taupunkt von -33°C.

Das Geheimnis für eine lange Lebens- und Arbeitsdauer von PEM-Elektrolyseuren liegt in der Wasseraufbereitung und deren Qualitätskontrolle. Verbunden mit dem Trinkwassernetzwerk wird das Wasser durch einen Umkehrosmose-Prozess deionisiert, um eine Wasserwegigkeit von unter 0,1μS/cm zu gewährleisten. Solange die Membrankatalysatoren nicht vergiftet werden, kann für den Zellstapel eine Effizienz und Lebensdauer von mehr als 60.000 Stunden garantiert werden. Kritische Anwendungen in Raumfahrt oder Militär haben die hohe Zuverlässigkeit dieser Technologie verdeutlicht.
Indem man diese Technologie in die herkömmlichen industriellen Anwendungen von Elektrolyseuren einbringt, z. B. die Produktion von Wasserstoff vor Ort, die Generatorkühlung in Kraftwerken, den Einsatz als Schutzatmosphäre in Wärmebehandlung oder Floatglas-Prozessen, bietet den industriellen Anwendern heute eine neue Perspektive zum Verständnis von Wasserstoffproduktion vor Ort.

Die Handhabung dieser Ausrüstung ist viel einfacher geworden, und vor allem bietet sie gegenüber den traditionellen alkalischen Elektrolyseuren einen deutlich geringeren Wartungsaufwand. Ein Verzicht auf die Nutzung jeglichen KOHs macht es möglich, den BOP auf eine Lebensdauer von 20 Jahren auszurichten, ohne dass Ventile und Fittings ausgetauscht werden müssen. Außerdem wird das Arbeiten mit korrosiven chemischen Compounds vermieden. Die Wartungsarbeiten fallen auf das durch verbindliche Normen vorgeschriebene Maß zurück, wie beispielsweise die Wasserstoffmelderkalibrierung. Da die Wasseraufbereitung vor dem elektrochemischen Prozess entscheidend ist, müssen Primärfilter ausgetauscht werden. Als letzter Punkt: die Wasserzirkulation in den Stacks wird durch Pumpen sichergestellt, die jährlich geschmiert werden müssen, sowie Lagerungen, die basierend auf einer Verfügbarkeit von 98 % alle 5 Jahre ersetzt werden müssen.

Flexibilität und Kosteneffizienz haben es geschafft Anwender in der Industrie von der Bedeutung der Verwendung von PEM-Elektrolyseuren zu überzeugen.

Flexibilität und Sicherheit, die sie bieten, suchen Ihresgleichen und haben es der Vor-Ort-Gewinnung von Wasserstoff ermöglicht, die hochkritischen Ausrüstungsauffassungen zu überwinden sowie sie in eine produktive, zuverlässige und kosteneffiziente Technologie zu verwandeln.

PEM-Elektrolyse ist außerdem eine vielversprechende Alternative für Energiespeicherung in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen.
Heute gibt es endlich einen modernen Weg, Wasserstoff durch Elektrolyse zu gewinnen, und PEM ist diese Technologie.