PEM-Elektrolyse: Neues Verfahren für umweltfreundlichen Wasserstoff

PEM-Elektrolyse: Neues Verfahren für umweltfreundlichen Wasserstoff

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Noch ist der Kasten keine Augenweide, aber er rückt umweltfreundliche Wasserstoff-Herstellungsverfahren in greifbare Nähe. (Foto: Westfälische Hochschule)

von Angela Schmid

Ein neues Verfahren macht große, umweltfreundliche Elektrolyseanlagen möglich. Noch ist es allerdings ziemlich teuer.

Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger: etwa für moderne Autos oder zur Weiterverarbeitung zu Methan. Und Wasserstoff steckt im Wasser und kann mittels Elektrolyse relativ einfach gewonnen werden - für viele Experten ein Energiespeicher der Zukunft.

Sogenannte reversible Brennstoffzellen könnten sogar wie ein Akku arbeiten, der bei seiner Ladung Wasserstoff erzeugt und bei Bedarf wieder in Energie umwandelt. Diese arbeiten mit einer Protonen-Austausch-Membran (kurz PEM) und haben den großen Nachteil, dass diese mit zunehmender Größe an Leistung verlieren. Das macht sie für große Anwendungen, die für die Energiewende relevant werden könnten, bislang ungeeignet.

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Die Devise "Je größer, desto mehr Probleme" sind nun Forscher des Energieinstituts der Westfälischen Hochschule angegangen. Sie haben eine Technik entwickelt, bei der sie die einzelnen Brennstoffzellen unter Wasserdruck zusammenpressen. Dadurch ist der Anlagendruck überall gleich und es entstehen keine Leistungsverluste.

Zur Einordnung: Eine kleine, ältere Zelle erzeugt ihre Leistung auf etwa 20 Quadratzentimetern, nun wären 600 Quadratzentimeter drin.

Völlig neuer Ansatz

Bisher werden die Elektrodenplatten nicht verpresst, sondern geschweißt. "Das funktioniert aber nie 100 Prozent gleichmäßig", erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter Florian Josef Wirkert. "Eine homogene Fläche ist aber der entscheidende Punkt - dadurch kann eine Langzeitstabilität der Membran gewährt und ein homogener Stromfluss erreicht werden, was für die Leistungsausbeute ein großer Vorteil ist."

Bei einer gleichmäßigen Verpressung über eine beliebig große Zellfläche ist der Megawattbereich kein Problem mehr. Größere Anlagen würden sich leicht realisieren lassen, um durch Elektrolyseure Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten und sie - wie oben beschrieben - als Batterie nutzen zu können.

Dass das Prinzip funktioniert, wurde jetzt zum ersten Mal gezeigt. Bisher aber erst im kleinen Maßstab. Für einen industriellen Einsatz liegt doch noch viel Detailarbeit vor den Wissenschaftlern. "Wir sind aber guter Dinge", zeigt sich Wirkert optimistisch. 

Glücksfall Protonen-Austausch

Die PEM ist ein relativ neues Verfahren, das einige Vorteile gegenüber dem industriell ausgereiften alkalischen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff bietet. Denn sie kann innerhalb von Millisekunden auf die großen Sprünge bei der Stromproduktion von Wind- und Solaranlagen reagieren.

Dabei trennt im Elektrolyseur eine protonenleitende Membran die Bereiche, in denen Sauerstoff und Wasserstoff entstehen. Zudem werden im Gegensatz zu anderen Elektrolysearten die PEM-Elektrolyse keine bedenklichen Chemikalien benötigt. Gerade bei Speichertechnologien ein Vorteil.

Sie ist außerdem leistungsfähiger und es wird mehr Wasserstoff produziert. Ihr Nachteil ist der hohe Preis. Der Wirkungsgrad beträgt derzeit rund 70 Prozent: knapp ein Drittel der Energie geht verloren. Der hergestellte Wasserstoff ist noch zu teuer, insbesondere die als Katalysatormaterial und Separatoren verwendeten Edelmetalle treiben den Preis in die Höhe.

Wenn es funktioniert, entsteht allerdings sogenanntes Windgas mit einem sehr hohen Reinheitsgehalt. Der Prozess kann aus dem Standby heraus innerhalb von Sekunden  gestartet werden und die PEM-Stacks sind bis zu 30-mal kleiner als Stacks der alkalischen Elektrolyse und haben somit einen geringen Platzbedarf.

Als nächstes gehen die Forscher allerdings die Membran an - eine hauchdünne Folie, die Wasserstoff und Sauerstoff voneinander trennt und dabei einen hohen Druck aushalten muss. Um möglichst effizient zu arbeiten, muss sie möglichst dünn sein – worunter die Stabilität leidet.  Wirkert: "Das ist noch eine große Herausforderung." 

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