Fortschritte in der Wasserstoffproduktionstechnologie und wirtschaftliche Analyse – Wasserstoffproduktion in alkalischen Elektrolysezellen

Die Wasserstoffproduktion mittels alkalischer Zellen ist eine relativ ausgereifte Technologie zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung. Alkalische Zellen sind sicher und zuverlässig, haben eine Lebensdauer von 15 Jahren und werden kommerziell häufig eingesetzt. Ihr Wirkungsgrad liegt üblicherweise zwischen 42 % und 78 %. In den letzten Jahren wurden bei alkalischen Elektrolysezellen in zwei wesentlichen Bereichen Fortschritte erzielt: Zum einen konnte der Zellwirkungsgrad verbessert und die mit dem Stromverbrauch verbundenen Betriebskosten gesenkt werden. Zum anderen stieg die Betriebsstromdichte, wodurch die Investitionskosten sanken.

Das Funktionsprinzip eines alkalischen Elektrolyseurs ist in der Abbildung dargestellt. Die Batterie besteht aus zwei Elektroden, die durch eine luftdichte Membran getrennt sind. Die Batterieeinheit wird in eine hochkonzentrierte alkalische Elektrolytlösung (KOH, 20–30 %) eingetaucht, um die Ionenleitfähigkeit zu maximieren. NaOH- und NaCl-Lösungen können ebenfalls als Elektrolyte verwendet werden, sind aber unüblich. Der Hauptnachteil von Elektrolyten ist ihre Korrosivität. Die Zelle arbeitet bei einer Temperatur von 65 °C bis 100 °C. An der Kathode wird Wasserstoff produziert, und die entstehenden OH⁻-Ionen fließen durch die Membran zur Anode, wo sie zu Sauerstoff rekombinieren.

Moderne alkalische Elektrolysezellen eignen sich für die großtechnische Wasserstoffproduktion. Einige Hersteller bieten mit ihren alkalischen Elektrolysezellen sehr hohe Wasserstoffproduktionskapazitäten von 500 bis 760 Nm³/h bei einem entsprechenden Stromverbrauch von 2150 bis 3534 kW. Um die Bildung brennbarer Gasgemische zu vermeiden, wird die Wasserstoffausbeute in der Praxis auf 25 % bis 100 % des Nennbereichs begrenzt. Die maximal zulässige Stromdichte beträgt etwa 0,4 A/cm², die Betriebstemperatur 5 bis 100 °C und der maximale Elektrolysedruck 2,5 bis 3,0 MPa. Ein zu hoher Elektrolysedruck erhöht die Investitionskosten und das Risiko der Bildung schädlicher Gasgemische erheblich. Ohne zusätzliche Reinigungseinrichtungen kann die Reinheit des in alkalischen Zellen erzeugten Wasserstoffs 99 % erreichen. Das Elektrolysewasser muss rein sein, um die Elektroden zu schützen und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die Leitfähigkeit des Wassers sollte unter 5 S/cm liegen.