Proton exchange membrane (PEM) Wasserelektrolyse für die Produktion von grünem Wasserstoff
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PEM-Elektrolyse – ein Weg zur emissionsarmen Wasserstoffproduktion
Wasserstoff, produziert im Verfahren der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (englisch: Proton Exchange Membrane Electrolysis, kurz PEMEL oder PEM), ist einer der zentralen Bausteine einer emissionsarmen Energiewirtschaft. Denn sie ermöglicht die Produktion von grünem Wasserstoff, indem erneuerbarer Strom Wasser spaltet. Grüner Wasserstoff ist ein vielseitiger und speicherbarer CO₂-neutraler Energieträger.
Grüner Wasserstoff – ein Allrounder im Energiesystem
Grüner Wasserstoff wird in Elektrolysesystemen aus Wasser und Strom aus erneuerbaren Quellen wie Solar- oder Windenergie hergestellt.
Durch Elektrolyse erzeugter Wasserstoff ist ein echter Allrounder für Industrie, Verkehr und den Energiesektor, da er Energiequelle, Rohstoff und Energiespeicher zugleich ist. In molekularer Form dient er als Energieträger, dessen Potenzial durch die Rückverstromung – also die Umwandlung in Elektrizität – genutzt werden kann. Gleichzeitig ist er gasförmig und brennbar, wodurch er sich hervorragend als Alternative zu fossilen Brennstoffen eignet.
Grüner Wasserstoff kann zur Dekarbonisierung von Industriezweigen beitragen, die nicht allein durch eine Umstellung auf Strom auf fossile Brennstoffe verzichten können. Zudem lässt er sich in der chemischen Industrie zur Herstellung von Ammoniak, Methanol und Raffinerieprodukten einsetzen, um auch diese Prozesse nachhaltig zu dekarbonisieren.¹
Darüber hinaus kann Wasserstoff eine wichtige Rolle dabei spielen, den Verkehrssektor unabhängiger von fossilen Kraftstoffen zu machen. Insbesondere als Kraftstoff für Nutz- und Schienenfahrzeuge sowie als Basis für synthetische Kraftstoffe (E-Fuels).
Da grüner Wasserstoff gespeichert werden kann, eröffnen sich vielseitige Möglichkeiten für eine langfristige Energiespeicherung. Eine besonders vielversprechende Anwendung ist hierbei Power-to-Gas: Dabei wird elektrischer Strom in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert, um ihn später flexibel für verschiedene Zwecke bereitzustellen. Grüner Wasserstoff hat daher das Potenzial, einen entscheidenden Beitrag zum Ersatz von Erdgas, Kohle und Erdöl zu leisten.
Der entscheidende Unterschied zu diesen konventionellen Energieträgern liegt darin, dass eine Wasserstoffwirtschaft komplett ohne schädliche Emissionen wie Treibhausgase möglich ist.
1Nationaler Wasserstoffrat (2023). Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie – Teil 4: Wasserstoffanwendung in der Industrie. Empfehlung der AG 5 – Sektorale Strategien.
Häufig gestellte Fragen zur PEM-Elektrolyse und unseren Hybrion PEM-Elektrolyse-Stacks
Die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse) ist ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser. Es nutzt einen Elektrolyseur, der eine Anode und eine Kathode beinhaltet. Anode und Kathode werden von einer Protonen-Austausch-Membran, auch als Polymerelektrolytmembran bezeichnet, elektrisch getrennt. Wird für die Elektrolyse Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen-, Wasser- und Windenergie verwendet, bezeichnet man den erzeugten Wasserstoff als grünen Wasserstoff.
Bei der PEM-Elektrolyse umspült hochreines Wasser eine Protonen-Austausch-Membran (PEM). Die Membran liegt als ionenleitendes Medium zwischen Anode und Kathode. Wird an die beiden Elektroden eine elektrische Spannung angelegt, oxidiert das Wasser an der Anodenseite zu Sauerstoff, freien Elektronen und Wasserstoff-Ionen. Die Ionen diffundieren durch die Membran und kombinieren sich an der Kathode mit den Elektronen zu Wasserstoff-Atomen. Die Reaktionsprodukte der PEM-Elektrolyse sind Wasserstoff und Sauerstoff.
Ein PEM-Elektrolyseur ist eine Anlage, die in einer elektrochemischen Reaktion Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff trennt. Der erzeugte Wasserstoff kann als effizienter Energieträger genutzt werden.
Wir stellen die wichtigste Komponente von PEM-Elektrolyseuren her: den Stack, sozusagen das Herzstück der Wasserelektrolyse.
Im Vergleich zu anderen Elektrolyseverfahren, wie der alkalischen Elektrolyse (AEL), bietet die PEM-Wasserelektrolyse eine Reihe entscheidender Vorteile:
- hohe Leistungsdichte
- hohe Energieeffizienz
- hoher Wasserstoff-Ausgangsdruck
Darüber hinaus zeichnen sich PEM-Elektrolyseure durch eine Vielzahl weiterer Vorteile aus:
- Maximale Flexibilität bei minimalem Platzbedarf: Das kompakte Design des PEM-Elektrolyse-Stacks ermöglicht eine platzsparende und flexible Integration in unterschiedlichste Umgebungen – von der dezentralen Erzeugung bis hin zu industriellen Großanlagen. Dank seines breiten Arbeitsbereichs (Betriebsfensters) passt er sich flexibel an wechselnde Produktionsanforderungen an.
- Mühelose Skalierbarkeit: Das System ist konsequent auf Skalierbarkeit ausgelegt. Durch den Zusammenschluss mehrerer Stacks lässt sich die Wasserstoffproduktion bedarfsgerecht steigern, um auch die Anforderungen energieintensiver Großindustrien zu erfüllen.
- Hohe Prozesssicherheit und Zuverlässigkeit: Die PEM-Elektrolyse ist eine ausgereifte und zuverlässige Technologie, die für den langfristigen und sicheren Dauerbetrieb ausgelegt ist.
Die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) hat sich als Schlüsseltechnologie für die elektrolytische Wasserstoffherstellung etabliert. Ihre hohe Effizienz und ihr schnelles dynamisches Ansprechverhalten ermöglichen eine rasche Anpassung an schwankende erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie.1,2 Dies macht PEM-Systeme im Gegensatz zur herkömmlichen alkalischen Elektrolyse besonders geeignet für Power-to-X-Anwendungen und dezentrale Energiesysteme.2
Darüber hinaus erzeugen PEM-Elektrolyseure hochreinen Wasserstoff 1 und können bei hohen Stromdichten sowie erhöhten Drücken betrieben werden, was den Aufwand für die nachgelagerte Kompression verringert.1,2 Diese Eigenschaften machen die PEM-Elektrolyse äußerst attraktiv für Mobilitätsanwendungen wie Wasserstofftankstellen und Brennstoffzellenfahrzeuge, bei denen ein kompaktes Systemdesign und eine hohe Wasserstoffqualität unerlässlich sind.
Zudem wird die Technologie in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, darunter in der chemischen Produktion, der Energiespeicherung und der Netzstabilisierung. Hier ist eine flexible und zuverlässige Wasserstofferzeugung erforderlich, um den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Energieinfrastruktur zu unterstützen.2
1 Koponen, J., Kosonen, A., Ruuskanen, V., Huoman, K., Niemelä, M., & Ahola, J. (2017). Control and energy efficiency of PEM water electrolyzers in renewable energy systems. International Journal of Hydrogen Energy, 42(45), 29648-29660.
2 Hancke, R., Holm, T., & Ulleberg, Ø. (2022). The case for high-pressure PEM water electrolysis. Energy Conversion and Management, 261, 115642.
Ein PEM-Elektrolyseur-Stack ist die Kernbaugruppe innerhalb eines Protonenaustauschmembran-(PEM)-Wasserelektrolyseurs - also die Komponente, die Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) spaltet. Er besteht aus einer Vielzahl einzelner Zellen, die elektrisch in Reihe und hydraulisch parallel geschaltet sind. Jede einzelne Zelle führt die Wasserelektrolyse durch; das Stapeln (Stacking) dieser Zellen erhöht die gesamte Wasserstoffproduktion.
Das Herzstück jeder Zelle ist die katalysatorbeschichtete Membran (Catalyst Coated Membrane, CCM) - ein elektrisch isolierendes Polymer, das für Protonen durchlässig ist. Wasser wird der Anodenseite dieser Membran über eine metallische, poröse Transportschicht (Porous Transport Layer, PTL) zugeführt. An der Anode spaltet ein Katalysator das Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen. Während die Elektronen abgeleitet werden, wandern die Protonen direkt durch die Membran zur Kathode. Dort reagieren sie zu gasförmigem Wasserstoff, der anschließend über eine poröse Gasdiffusionsschicht aus Kohlenstoff (Gas Diffusion Layer, GDL) abgeführt wird.
Wir fertigen PEM-Stacks in industrialisierter Serienproduktion.
Bei der PEM-Elektrolyse umspült hochreines Wasser eine Protonen-Austausch-Membran (PEM). Die Membran liegt als ionenleitendes Medium zwischen Anode und Kathode. Wird an die beiden Elektroden eine elektrische Spannung angelegt, oxidiert das Wasser an der Anodenseite zu Sauerstoff, freien Elektronen und Wasserstoff-Ionen. Die Ionen diffundieren durch die Membran und kombinieren sich an der Kathode mit den Elektronen zu Wasserstoff-Atomen. Die Reaktionsprodukte der PEM-Elektrolyse sind Wasserstoff und Sauerstoff.
Die Inbetriebnahme der Bosch Hybrion PEM-Elektrolyse-Stacks bei Kunden startet im Jahr 2025. Alle hier genannten fachlichen Angaben sind technologische Entwicklungsziele und beziehen sich auf den Beginning of Life.
