Quelltext der Seite Elektrolyseur

[[Datei:PEM Elektrolyse 5.gif|mini|Funktionsweise der [[Wasserelektrolyse]] am Beispiel eines Elektrolyseurs mit [[Protonen-Austausch-Membran|Protonen-Austausch-Membran (PEM)]]]]
Als '''Elektrolyseur''' wird eine Vorrichtung bezeichnet, in der mit Hilfe [[Elektrischer Strom|elektrischen Stromes]] eine [[chemische Reaktion]], also eine Stoffumwandlung herbeigeführt wird: Es findet eine [[Elektrolyse]] statt. Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren: Bei der [[Chloralkali-Elektrolyse]] beispielsweise solche mit [[Membrantechnik|Membranen]], [[Diaphragma (Elektrochemie)|Diaphragmen]] oder [[Quecksilberrelais|Quecksilberzellen]].

== Elektrolyseure für die Wasserelektrolyse ==
Die [[Wasserelektrolyse]], die Zerlegung von [[Wasser]] in Wasserstoff und [[Sauerstoff]], geschieht nach folgender [[Reaktionsgleichung]]:

:<math>\mathrm{2 \ H_2O \to 4 \ H^+ + 4 \ e^- + O_2}</math>

:<math>\mathrm{4 \ H^+ + 4 \ e^- \to 2 \ H_2}</math>

Der elektrische Energiebedarf zur Herstellung von 1 Kubikmeter Wasserstoff im [[Normzustand]] definiert den [[Wirkungsgrad]] eines Elektrolyseurs: In einem modernen Hochdruck-Elektrolyseur liegt dieser Energiebedarf unter einem Druck von 12&nbsp;[[Bar (Einheit)|bar]] bei etwa 4,8&nbsp;kWh pro m<sup>3</sup> im Normzustand; damit liegt der Wirkungsgrad bei 62,5 % (bezogen auf den unteren [[Heizwert]] von Wasserstoff).

Australische Forscher wollen im Jahr 2022 mittels Kapillarelektrolyse einen Wirkungsgrad von über 95 %<ref>{{Internetquelle |url=https://www.ikts.fraunhofer.de/content/dam/ikts/abteilungen/umwelt_und_verfahrenstechnik/technologieoekonomik_nachhaltigkeitsanalyse/oekonomische_analyse_nachhaltigkeit/Fraunhofer_IKTS_Faktencheck_Wasserstoff.pdf |titel=Faktencheck Wasserstoff: Zukunft gestalten |autor=Christian Klöppelt, Patrick Wagner |hrsg=[[Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme]] |datum=2025-01 |abruf=2025-02-19 |format=PDF}}</ref> bzw. 98 %<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nature.com/articles/s41467-022-28953-x |titel=A high-performance capillary-fed electrolysis cell promises more cost-competitive renewable hydrogen |autor=Aaron Hodges et al. |werk=[[Nature]] |sprache=en |datum=2022-03-15 |abruf=2025-02-19}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.nature.com/articles/s41467-024-52303-8 |titel=Author Correction: A high-performance capillary-fed electrolysis cell promises more cost-competitive renewable hydrogen |autor=Aaron Hodges et al. |werk=[[Nature]] |sprache=en |datum=2024-09-11 |abruf=2025-02-19}}</ref> erzielt haben.

{{Belege fehlen}}
Mehrere Anlagenhersteller (z. B. H-Tec, Electrolyser Corp., [[ABB (Unternehmen)|ABB]] (Unternehmensteil aus [[Brown, Boveri & Cie.|Brown Boveri]]), [[Siemens Energy]]<ref>https://www.vdi-nachrichten.com/technik/energie/siemens-energy-startet-mit-serienproduktion-von-elektrolyseuren/</ref>, [[Air Liquide]] (Unternehmenssparte aus [[Lurgi]]), De Nora, Epoch Energy Technology Corp.) bieten große Elektrolysegeräte mit einem Wirkungsgrad von über 80 % an.

{{Belege fehlen}}
Man unterscheidet folgende Arten von Elektrolyseuren für die Wasserelektrolyse:

=== Alkalischer Elektrolyseur ===
Beim alkalischen Elektrolyseur wird bei einer Gleichspannung von mindestens 1,5 Volt an der [[Kathode]] Wasserstoff und an der [[Anode]] Sauerstoff gebildet. Die alkalische Reaktionsgleichung lautet:

:<math>\mathrm{4 \ OH^- \to 2 \ H_2O + 4 \ e^- + O_2}</math>

:<math>\mathrm{4\ H_2O + 4 \ e^- \to 2 \ H_2 + 4 \ OH^-}</math>

Als Elektrolyt dient [[Kalilauge]] ([[Kaliumhydroxid]]-Lösung, KOH) mit einer Konzentration von 20–40 %. Eine gasdichte Membran, das sogenannte [[Diaphragma (Elektrochemie)|Diaphragma]], lässt zwar den Transport von OH<sup>−</sup>-Ionen zu, verhindert aber gleichzeitig die Vermischung der entstehenden Produktgase.

Als [[Elektrode]]n werden sogenannte „DSA-Elektroden“ ('''D'''imensions'''s'''tabile '''A'''noden, meist Titanelektroden mit einer Rutheniumoxid-Beschichtung<ref>R. Holze: ''Leitfaden der Elektrochemie.'' Vieweg+Teubner Verlag, 1998, ISBN 978-3-519-03547-3, S. 206.</ref>) eingesetzt. Dies sind [[Streckmetall]]e, die mit einem [[Edelmetalle|Edelmetall]]-[[Katalysator]]<nowiki />oxid – z.&nbsp;B. [[Rutheniumoxid|Ruthenium-]] oder [[Iridium(IV)-oxid|Iridiumoxid]] – beschichtet werden. Es gibt aber auch Systeme mit [[Raney-Nickel]]-Katalysatoren in einer [[Gasdiffusionselektrode]]. Alkalische Elektrolyseure sind in großem Maßstab weltweit im Einsatz.

=== Saurer oder PEM-Elektrolyseur ===
[[Datei:PEM-Elektrolyseur.gif|mini|PEM-Elektrolyseur]]
Im [[Protonen-Austausch-Membran]]-Elektrolyseur wird destilliertes Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Er besteht aus einer protonendurchlässigen Polymermembran (engl. „proton exchange membrane“ oder „polymer electrolyte membrane“, kurz „PEM“). Diese ist kathodenseitig mit einer porösen Elektrode aus auf Kohlenstoff geträgertem [[Platin]] und anodenseitig mit metallischen oder als Oxid vorliegenden Edelmetallen (meist [[Iridium]] und [[Ruthenium]]) beschichtet. An diese Elektroden wird eine äußere Spannung angelegt. Auf der Anodenseite des Elektrolyseurs wird Wasser zugeführt (Es können auch beide [[Halbzelle]]n mit Wasser geflutet werden, oder auch nur die Kathodenseite, dies ist abhängig vom Verwendungszweck).

Die katalytische Wirkung der Edelmetall-Elektrode führt zur Zersetzung des Wassers an der Anodenseite: Es entstehen Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene H<sup>+</sup>-Ionen. Die Wasserstoff-Ionen diffundieren durch die protonenleitende Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen zu Wasserstoff kombinieren.

[[Reversible Brennstoffzelle]]n auf PEM-Basis können sowohl als [[Brennstoffzelle]] als auch als Elektrolyseur arbeiten und können damit in Kombination mit einem Gasspeicher als Energiespeicher dienen.<ref name="fraunhofer">[[Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme|Fraunhofer ISE]]: {{Webarchiv |url=http://www.ise.fraunhofer.de/de/geschaeftsfelder-und-marktbereiche/wasserstofftechnologie/wasserstofferzeugung-und-speicherung/projekte-elektrolyse/reversible-brennstoffzellen-langzeitspeicher-fuer-elektrische-energie |text=''Reversible Brennstoffzellen – Langzeitspeicher für elektrische Energie.'' |wayback=20120308043218}}</ref>

=== Hochtemperatur-Elektrolyseur ===
{{Hauptartikel|Hochtemperaturelektrolyse}}
Hochtemperaturelektrolyseure arbeiten bei Arbeitstemperaturen von etwa 900&nbsp;°C. Dabei wird ein Teil der notwendigen [[Enthalpie|Reaktionsenthalpie]] als Wärme eingekoppelt. Dies führt dazu, dass der Strombedarf für die Elektrolyse sinkt und damit der Wirkungsgrad gegenüber der wässrigen, alkalischen Elektrolyse steigt.<!-- Grund ausführen --> Mit Hochtemperatur-Elektrolyseuren können Wirkungsgrade bis ca. 90 % – bezogen auf den [[Brennwert]] – erreicht werden.<ref>Büchi et al.: ''Towards re-electrification of hydrogen obtained from the power-to-gas process by highly efficient H2/O2 polymer electrolyte fuel cells.'' In: ''[[RSC Advances]]'' 4, 2014, S. 56139–56146, [[doi:10.1039/c4ra11868e]].</ref>

=== Hochtemperatur-Co-Elektrolyse ===
Bei der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse werden Wasser und Kohlendioxid gemeinsam zu [[Synthesegas]] [[Reduktion (Chemie)|reduziert]].<ref>Danile Helmut König: [https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/9060/1/2016-Dissertation-DHKoenig.pdf ''Techno-ökonomische Prozessbewertung der Herstellung synthetischen Flugturbinentreibstoffes aus CO<sub>2</sub> und H<sub>2</sub>.''] Dissertation, Universität Stuttgart, 2016, S.&nbsp;9 f. (PDF).</ref> Zum Verfahren erschienen ab 2010 vermehrt wissenschaftliche Publikationen und Studien.<ref>Youkun Tao: [https://backend.orbit.dtu.dk/ws/files/103646063/Thesis_Youkun_Tao.pdf ''Durability of the Solid Oxide Cells for Co-Electrolysis of Steam and Carbon Dioxide under High Current Densities''.] PhD Thesis, Technical University of Denmark, 2013 (PDF).</ref><ref>[https://www.osti.gov/etdeweb/biblio/22090505 ''planSOEC. R and D and commercialization roadmap for SOEC electrolysis. R and D of SOEC stacks with improved durability.''] Projektbericht, 15. Mai 2011.</ref> Die [[Festoxid-Elektrolyseurzelle]] (''solid oxide electrolyser cell'', SOEC) wurde 1980 zum Patent angemeldet, ab 2008 wurden diverse Patente zur Beschaffenheit vom Elektroden dafür eingereicht und später erteilt.<ref>{{Patent | Land = US | V-Nr = 4395468A | Typ = Patent | Titel = Fuel cell generator| A-Datum = 1981-11-13 | V-Datum = 1983-07-26| Erfinder = Arnold O. Isenberg | Anmelder = Westinghouse Electric Corp.}}</ref>

=== Molybdänsulfid als Katalysator ===
Forscher der [[École polytechnique fédérale de Lausanne|ETH Lausanne]] entdeckten 2011 durch Zufall bei einem Experiment, dass [[Molybdän(IV)-sulfid|Molybdänsulfid]] als effizienter [[Katalysator]] anstelle von Platin eingesetzt werden kann. Molybdänsulfid ist wesentlich kostengünstiger als Platin, sodass sich die Investitionen für einen Elektrolyseur verringern.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.derstandard.at/story/1302745226154/erfindung-mit-zukunft-durch-zufall-vereinfachte-wasserstoff-herstellung-entwickelt |titel=Durch Zufall vereinfachte Wasserstoff-Herstellung entwickelt |werk=[[Der Standard|derstandard.at]] |datum=2011-04-14 |abruf=2023-07-28}}</ref>

=== Nickel-Eisen-Elektrolyseur ===
2017 wurde ein Elektrolyseur auf Basis eines [[Nickel-Eisen-Akkumulator]]s vorgestellt, der die Eigenschaften eines herkömmlichen Akkumulators und eines Elektrolyseurs verbindet. Die von den Forschern Battolyseur getaufte Anlage kann zunächst wie ein herkömmlicher [[Akkumulator]] geladen und entladen werden. Erreicht der Akkumulator seine Kapazitätsgrenze und wird weiter Strom zugeführt, wird stattdessen Wasserstoff produziert. Aufgrund seiner technischen Eigenschaften gilt diese Bauform als sehr gut geeignet für die [[Energiespeicher|Speicherung]] von Energie im Rahmen der [[Energiewende]].<ref>{{Literatur |Autor=F. M. Mulder et al. |Titel=Efficient electricity storage with the battolyser, an integrated Ni-Fe-battery and electrolyser |Sammelwerk=[[Energy and Environmental Science]] |Band=10 |Nummer=3 |Datum=2017 |Seiten=756-764 |DOI=10.1039/C6EE02923J}}</ref>

=== Traditionelle Elektrolyseure ===
Der [[Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat|Hofmannsche Wasserzersetzungsapparat]] wurde im 19. Jahrhundert entwickelt. Neben der traditionellen [[Wasserelektrolyse]] wurden weitere Verfahren wie die [[Schmelzflusselektrolyse]] entwickelt.

== Anwendungsgebiete ==
Elektrolyseure werden typischerweise bei fast allen [[Power-to-X]]-Technologien für die Erzeugung von Wasserstoff verwendet, idealerweise entsteht so rein [[grüner Wasserstoff]]. Daraus kann in weiteren möglichen Stufen, entweder mit [[Power-to-Gas]] oder [[Power-to-Liquid]] gasförmige oder flüssige Energieträger erzeugt werden. Diese Technologien sollen zukünftig als Ersatz für [[Fossile Energie|fossile Energieträger]] dienen. Damit könnte zumindest teilweise ein Ersatz von Erdöl und Kohle erreicht werden, um [[Treibhausgas]]e zu vermeiden. Vorzugsweise kann das bei Vorhandensein von überschüssiger Energie, in Zeiten hoher [[Solarstrom]]- oder [[Windenergie|Windkrafterzeugung]] geschehen. So können Elektrolyseure als regelbare Last zur [[Versorgungsqualität|Netzstabilisierung]] eingesetzt werden.<ref>{{Literatur |Autor=U. Eberle, Rittmar von Helmholt |Titel=Sustainable transportation based on electric vehicle concepts: a brief overview |Sammelwerk=[[Energy and Environmental Science]] |Band=3 |Nummer=6 |Datum=2010 |Seiten=689-699 |DOI=10.1039/C001674H}}</ref>

== Siehe auch ==
* [[Liste der Wasserstofftechnologien]]

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* {{YouTube |id=lIkzlq3XTcA |titel=Elektrolyse: Sauberer Wasserstoff für die Zukunft |uploader=Breaking Lab |upload=2021-07-22 |abruf=2021-07-23}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrolyse]]