Wie funktioniert die PEM-Elektrolyse?
Beim PEM-Elektrolyseverfahren wird eine Protonenaustauschmembran (PEM) von Reinstwasser (H₂O) umströmt. Diese Membran, die sich zwischen Anode und Kathode befindet, ist ionenleitend. Wird eine elektrische Spannung an die beiden Elektroden angelegt, oxidiert das Wasser an der Anode zu Sauerstoff (O₂), wobei Elektronen sowie Wasserstoff-Ionen (Protonen) freigesetzt werden. Die Protonen diffundieren durch die Membran zur Kathode. Dort verbinden sie sich mit den Elektronen und bilden Wasserstoff (H₂). Die Reaktionsprodukte der PEM-Elektrolyse sind somit Wasserstoff und Sauerstoff (H₂ und O₂).
Funktionsprinzip der PEM-Elektrolyse
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Dieses Video zeigt den Prozess der Wasserstoffherstellung mittels PEM-Elektrolyse. Hochreines Wasser wird dem Hybrion PEM-Elektrolyse-Stack zugeführt, in dem der elektrochemische Prozess in mehreren einzelnen Zellen abläuft. Eine Protonenaustauschmembran trennt Anode und Kathode voneinander, ermöglicht jedoch die Bewegung von Protonen durch das System. Durch das Anlegen elektrischer Energie wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. An der Anode bildet sich Sauerstoff, während an der Kathode reiner Wasserstoff entsteht – ein hocheffizientes Verfahren zur Wasserstoffproduktion.
Übersicht der wichtigsten Elektrolysetechnologien
Die PEM-Wasserelektrolyse nutzt eine feste Polymerelektrolytmembran (PEM), auch bekannt als Protonenaustauschmembran, als ionenleitendes Medium zwischen der Anode und der Kathode. Dies unterscheidet sie von anderen Wasserelektrolysetechnologien wie der alkalischen Wasserelektrolyse (AEL), der Anionenaustauschmembran-(AEM)-Elektrolyse, die eine anionenleitende Membran verwendet, und der Hochtemperaturelektrolyse (HTE) auf Basis von Festoxid-Elektrolyseurzellen (SOECs).
Alkalische Elektrolyse (AEL)
Elektrolyse mit flüssigem alkalischem Elektrolyten (KOH), eine bewährte und kosteneffiziente Technologie für industrielle Anwendungen.
- Geringe Investitionskosten und lange Lebensdauer
- Robuste und bewährte Technologie
- Hoher Platzbedarf aufgrund geringer Stromdichte
- Eingeschränkte Fähigkeit zum dynamischen Betrieb
- Empfindlich gegenüber CO₂-Verunreinigungen
Protonenaustauschmembran (PEM) (englisch: Proton Exchange Membrane)
Arbeitet bei niedriger Temperatur, ermöglicht schnelle Lastwechsel und eine hohe Wasserstoffreinheit.
- Kompaktes Design durch hohe Stromdichten
- Hohe dynamische Betriebsfähigkeit, die schnelle Start-/Stopp-Vorgänge und kurze Hochlaufzeiten ermöglicht
- Hohe Reinheit des erzeugten Wasserstoffs, die für bestimmte Anwendungen (z. B. Brennstoffzellen) erforderlich ist
- Stack-Kosten aufgrund hochwertigerer Materialien noch nicht auf dem Niveau der AEL
Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC) (englisch: Solid Oxide Electrolysis Cell)
Hochtemperatur-Elektrolyse mit einem festkeramischen Elektrolyten, die Wasserdampf zur Erzeugung von Wasserstoff bei 700–900 °C nutzt.
- Hoher Wirkungsgrad durch hohe Betriebstemperaturen und das Potenzial, industrielle Abwärme zur Dampferzeugung zu nutzen
- Potenzial für den reversiblen Einsatz als Brennstoffzelle
- Potenzial zur Erzeugung von Synthesegas (H₂ + CO) mittels Ko-Elektrolyse
- Hohe Materialkosten und -belastung
- Langsame Startzeiten und begrenzte technologische Reife
Anionenaustauschmembran (AEM) (englisch: Anion Exchange Membrane)
Kombiniert die Vorteile der alkalischen und der PEM-Technologie durch den Einsatz kostengünstiger Katalysatoren.
- Einsatz von preiswerten Katalysatoren ohne Edelmetalle möglich
- Mittlere Betriebstemperatur (50–80 °C)
- Guter Wirkungsgrad und relativ schnelle Reaktionszeiten
- Membranstabilität und Lebensdauer sind noch begrenzt
- Technologisch noch in der Entwicklungsphase mit eingeschränkter Kommerzialisierung
Welche Vorteile bietet die PEM-Elektrolyse für die Wasserstoffproduktion?
Im Vergleich zu anderen Elektrolyseverfahren bietet die PEM-Elektrolyse eine Reihe entscheidender Vorteile, wie zum Beispiel:
- Höhere Leistungsdichte: PEM-Elektrolyseure erzeugen eine große Menge Wasserstoff auf kleiner Grundfläche. Das ermöglicht kleinere Systeme und spart Platz.
- Energieeffizienz: Diese Systeme wandeln Strom sehr effizient in Wasserstoff um. Unser Stack produziert bis zu 22,9 Kilogramm Wasserstoff pro Stunde, was einem Wirkungsgrad von 4,7 kWh/Nm³ H₂ entspricht.
- Hoher Wasserstoff-Ausgangsdruck: Die PEM-Elektrolyse erzeugt Wasserstoff unter hohem Druck. Unser Stack erreicht bis zu 34 bar.
Darüber hinaus bieten PEM-Elektrolyseure eine Reihe weiterer Vorteile: Sie bieten maximale Flexibilität und benötigen sehr wenig Platz, da das kompakte Design eine platzsparende und flexible Integration in verschiedene Umgebungen ermöglicht. Zudem lassen sie sich mühelos skalieren, da das System durch die Kombination mehrerer Stacks auf Skalierbarkeit ausgelegt ist. Ferner sind PEM-Elektrolyseure durch ihre ausgereifte und zuverlässige Technologie sehr sicher und verlässlich. Das macht sie zur idealen Ergänzungstechnologie für erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff.
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.
