Wasserstoff elektrolysator

Arten von Wasserstoff-Elektrolyseuren

Ein Wasserstoff-Elektrolyseur ist eine Maschine, die Elektrolyse verwendet, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoffgas aufzuspalten. Wasserstoffgas, das durch den Elektrolyseur erzeugt wird, kann als saubere Alternative zu fossilen Brennstoffen verwendet werden. Heute werden verschiedene Arten von Wasserstoff-Elektrolyseuren eingesetzt.

• Alkalischer Elektrolyseur

  Der alkalische Elektrolyseur wird seit den 1920er Jahren eingesetzt und ist nach wie vor eine der beliebtesten Methoden zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Er enthält eine Anode und eine Kathode in einer alkalischen Lösung mit Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid. Alkalische Elektrolyseure haben einen hohen Wirkungsgrad, sind kostengünstig und haben eine lange Lebensdauer. Ihre Nachteile sind die geringe Stromdichte, die hohe Kapazität und die Abhängigkeit von Temperatur und Konzentration für optimale Leistung.

• PEM (Proton Exchange Membrane) Elektrolyseur

  PEM-Elektrolyseure verwenden feste Polymerelektrolyte, um Gas zu trennen. Die beiden Elektroden (Kathode und Anode) werden zwischen die beiden Elektrolyte platziert. Der PEM-Elektrolyseur ist eine neuere Technologie, die einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Stromdichte bietet als alkalische Elektrolyseure. Er arbeitet auch bei unterschiedlichen Lasten gut, ohne die Betriebstemperatur zu überschreiten. Er hat jedoch hohe Anschaffungskosten und eine komplexere Technologie, was zu hohen Wartungskosten führt.

• SOEC (Solid Oxide Electrolyzer Cell)

  SOEC hat zwei Schichten des Elektrolyten, einen Festkörperelektrolyten aus Zirkoniumoxid. Die Elektroden sind die Anode (wo Oxidation stattfindet) und die Kathode (wo Reduktion stattfindet). Die SOEC arbeitet aufgrund ihres Festkörperelektrolyten bei hohen Temperaturen (800 bis 900 °C). Diese Hochtemperaturanwendung verleiht ihr einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Stromdichte, birgt jedoch das Risiko des Materialabbaus und hoher Anschaffungskosten.

Spezifikationen und Wartung von Wasserstoff-Elektrolyseuren

Die Kapazität von Wasserstoff-Elektrolyseuren variiert je nach verwendeter Technologie stark. Geräte, die für den Laborbetrieb geeignet sind, können beispielsweise 1 bis 20 Nm3/h Wasserstoff erzeugen. Kleinere kommerzielle Einheiten bieten eine Reihe von Leistungen, die alle in den gleichen allgemeinen Bereich von 1,0 bis 10,0 Nm3/h fallen.

Bei größeren kommerziellen und industriellen Elektrolyseuren liegen die Leistungen tendenziell deutlich höher. Es ist üblich, Elektrolyseure zu sehen, die Wasserstoff im Bereich von 10,0 bis 50,0 Nm3/h produzieren. Noch größere Einheiten sind im Einsatz, die Leistungen von bis zu 100,0 oder sogar 150,0 Nm3/h liefern.

Exemplare, die Wasserstoff im industriellen Maßstab produzieren, tun dies in der Regel mit Kapazitäten von 300,0 bis 400,0 Nm3/h. Die derzeit größten Elektrolyseureinheiten können bis zu 850,0 Nm3/h Wasserstoff erzeugen. Der erste Elektrolyseur seiner Art, der bis zu 1.100 Nm3/h Wasserstoff produzieren kann, wird derzeit in einer Anlage in Kanada für den kommerziellen Einsatz installiert.

Diese größeren Einheiten verwenden in der Regel alkalische oder PEM-Technologie und bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Stacks, die es den Einheiten ermöglichen, spezifische Wasserstoffproduktionsbedürfnisse zu erfüllen. In der Regel korreliert die Wasserstoffproduktionskapazität direkt mit der Anzahl der verwendeten Stacks und der Menge an elektrischer Leistung, die dem System zugeführt wird. Diese größeren Elektrolyseureinheiten für den industriellen Einsatz werden in der Regel in Solar- oder Windparks, Ölraffinerien, chemischen Produktionsstätten oder Ammoniakproduktionsstätten installiert.

Mikrobielle und feste Polymerelektrolyseure befinden sich noch in der Forschung und Entwicklung, es gibt noch keine kommerziellen Großanlagen. Obwohl verschiedene innovative Typen ebenfalls erforscht werden, gibt es derzeit keine, die Wasserstoff in einem mit alkalischen und PEM-Elektrolyseuren vergleichbaren Maßstab liefern können.

Die Wasserstoffproduktion durch den Elektrolyseur wird in der Regel in Nm3/h (Normal-Kubikmeter pro Stunde) anstatt in MWh ausgedrückt, zum Beispiel. Nm3 bezieht sich auf ein Kubikvolumen Gas unter Normalbedingungen. 1 Nm3 Wasserstoff hat einen Energiegehalt von ca. 2,4 MWh, was etwa 39,4 Kilowattstunden (kWh) entspricht.

Neben der Produktionsmethode ist eine sachgemäße Wartung des Wasserstoff-Elektrolyseurs für den weiteren Betrieb unerlässlich. Nachfolgend finden Sie einige allgemeine Tipps, wie Sie die Maschine in gutem Zustand halten.

• Regelmäßige Inspektionen: Es ist wichtig, den Wasserstoff-Elektrolyseur regelmäßig auf Abnutzungserscheinungen, Schäden oder Lecks zu überprüfen. So können potenzielle Probleme frühzeitig erkannt werden, bevor sie zu größeren Problemen führen.
• Betrieb innerhalb der empfohlenen Grenzen: Jeder Wasserstoff-Elektrolyseur hat seine spezifischen Betriebsbedingungen (Temperatur, Druck und Elektrolytkonzentration), die eingehalten werden müssen, um eine Überlastung des Geräts zu vermeiden.
• Schnelle Austausch von Teilen: Elektrolyseure haben austauschbare Komponenten wie Membranen und Elektroden, die nach einiger Zeit verschleißen. Diese Teile müssen nach Bedarf ersetzt werden, damit die Einheit optimal weiterarbeiten kann.
• Regelmäßige Reinigung: Die Oberflächen eines Wasserstoff-Elektrolyseurs sollten regelmäßig gereinigt werden, um Verunreinigungen oder Verunreinigungen zu verhindern, die sonst seine Poren verstopfen oder seine Metallteile korrodieren könnten. Bei der Reinigung sollte nur Wasser mit niedrigem Mineralgehalt, wie z. B. destilliertes, deionisiertes oder durch Umkehrosmose behandeltes Wasser, verwendet werden.
• Präventive Wartungsplan: Unternehmen sollten einen geplanten Wartungsplan für ihre wasserstoffproduzierenden Geräte erstellen, um sicherzustellen, dass sie bei Bedarf eine rechtzeitige Wartung erhalten. Dazu gehören regelmäßige Inspektionen, Tests, Anpassungen, Reparaturen und der Austausch wichtiger Teile und Komponenten der Maschine sowie gegebenenfalls die Schmierung.

Szenarien von Wasserstoff-Elektrolyseuren

• Speicherung erneuerbarer Energien:

  Ein Wasserstoffspeicher-System ermöglicht es, überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind in Wasserstoff umzuwandeln. Dies geschieht durch die Elektrolyse von Wasser, bei der Wasserstoff und Sauerstoff durch Wassermoleküle getrennt werden, wobei überschüssige Elektrizität verwendet wird. Der erzeugte Wasserstoff kann dann gespeichert oder für die spätere Verwendung transportiert werden, was eine Lösung für die Speicherung und Freisetzung von Elektrizität bei Bedarf bietet. Dieser Mechanismus verbessert die Stabilität und Zuverlässigkeit der Energieversorgung und maximiert gleichzeitig die Ressourcennutzung.

• Produktion von grünem Wasserstoff:

  Die Wasserstoffproduktion erfolgt durch Wasserelektrolyse. Der Elektrolyseur spaltet Wasser unter Verwendung von Elektrizität aus erneuerbaren Energiequellen in Wasserstoff und Sauerstoff. Die Methode dient als wertvolle Alternative zu traditionellen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Wasserstoffproduktionstechniken, die in der Regel zu hohen CO2-Emissionen und Umweltbelastungen führen.

• Dezentrale Wasserstoffproduktion:

  Die dezentrale Wasserstoffproduktion bezieht sich auf den Prozess der Produktion von Wasserstoff in kleinem Maßstab in der Nähe des Verwendungsortes, anstatt durch zentralisierte Produktionsstätten. Die Wasserstoffproduktion kann durch Wasserelektrolyse in kleinen Elektrolyseureinheiten erfolgen. In diesem Szenario kann Wasserstoff in Brennstoffzellen für den Transport oder als Energiequelle für die dezentrale Stromerzeugung verwendet werden.

• Entwicklung der Wasserstoff-Infrastruktur:

  Die Entwicklung der Wasserstoff-Infrastruktur bezieht sich auf den Aufbau und die Erweiterung von Systemen für die Produktion, Speicherung, den Transport und die Nutzung von Wasserstoff. Der Wasserstoff-Elektrolyseur ist eine Schlüsseltechnologie für die Wasserstoffproduktion, die die primäre Quelle für Wasserstoff für die gesamte Infrastruktur darstellt.

• Industrielle Gasversorgung:

  Wasserstoff ist ein wichtiger Rohstoff in vielen Industriezweigen. So wird Wasserstoff in der chemischen Industrie für die Synthese, Raffination und andere Prozesse eingesetzt. Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse erzeugt wird, kann diese Industrien mit einer sauberen Energiequelle versorgen.

• Einmischen von Wasserstoff in Erdgas:

  Das Einmischen von Wasserstoff in Erdstrom bezieht sich auf den Prozess der Zugabe von Wasserstoff zu Erdstrom, der in der Regel aus 80% Methan besteht. Dieses Szenario wird durch die Wasserelektrolyse realisiert, die Wasserstoff erzeugt, der dann in Erdgas eingemischt werden kann. Diese Methode kann dazu beitragen, die CO2-Emissionen zu reduzieren und gleichzeitig die Integrität der Erdgasversorgungsinfrastruktur zu erhalten.

• Transport:

  Wasserstoff-Fahrzeuge verwenden Wasserstoff als Brennstoff für die Stromerzeugung und den Antrieb. Wasserstoff-Elektrolyseure sind eine Schlüsseltechnologie für die Wasserstoffproduktion. Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse erzeugt wird, kann als Brennstoff für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge (FCVs) verwendet werden. Darüber hinaus stellt die Beimischung von Wasserstoff ein weiteres wichtiges Anwendungsszenario für die Elektrolyse dar. Die Beimischung von Wasserstoff bezieht sich auf den Prozess, bei dem Wasserstoff zu konventionellen Stromerzeugungssystemen hinzugefügt wird, wie z. B. Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren, die in der Regel mit Erdgas betrieben werden. Dies trägt nicht nur dazu bei, die CO2-Bilanz der Stromerzeugung zu verbessern, sondern auch zur Nachhaltigkeit der Energiegewinnung.

Wie man einen Wasserstoff-Elektrolyseur auswählt

Wer einen Wasserstoff-Elektrolyseur zum Kauf sucht, sollte Folgendes berücksichtigen:

• Gewünschter Anwendungsschwerpunkt

  Zuerst müssen Käufer über die spezifische Anwendung nachdenken, für die sie den Wasserstoff verwenden werden. Aus diesem Grund müssen sie sich die spezifischen Anforderungen an die Wasserstoffproduktion sowie die Projektspezifikationen ansehen.

• Kapazität

  Die Kapazität ist ein weiterer wichtiger Faktor, den Käufer bei der Auswahl eines Wasserstoff-Elektrolyseurs berücksichtigen sollten. Sie müssen sicherstellen, dass der Elektrolyseur, den sie kaufen, die entsprechende Kapazität für ihr benötigtes Wasserstoffproduktionsvolumen hat.

• Technologie

  Die Technologie, die der Wasserstoff-Elektrolyseur verwendet, ist ebenfalls ein entscheidender Faktor für Käufer. Sie sollten die verschiedenen Arten von Elektrolyseuren untersuchen und diejenige auswählen, die am besten zu ihren spezifischen Bedürfnissen passt.

• Effizienz

  Es ist auch wichtig für Käufer, die Energieumwandlungseffizienz des Wasserstoff-Elektrolyseurs zu berücksichtigen. Sie sollten nach Modellen mit hoher Effizienz suchen, um ihre Energienutzung zu optimieren und die Betriebskosten zu senken.

• Integrationsfähigkeit

  Noch wichtiger ist, dass Käufer die Integrationsfähigkeit des Elektrolyseurs berücksichtigen müssen. Sie müssen sicherstellen, dass der ausgewählte Elektrolyseur gut in andere Systeme und Geräte integriert werden kann, um die Gesamtoptimierung des Produktionsprozesses zu erreichen.

• Qualität und Ruf des Lieferanten

  Schließlich sollten Käufer einen Wasserstofflieferanten mit hoher Qualität und gutem Ruf wählen, um sicherzustellen, dass die von ihnen gekauften Geräte von hoher Qualität und zuverlässiger Leistung sind. Außerdem sollten Käufer vom Lieferanten rechtzeitig technischen Support und After-Sales-Service erhalten.

Q & A

F1: Was ist der Unterschied zwischen alkalischen und PEM-Wasserstoff-Elektrolyseuren?

A1: Die beiden Elektrolyseure unterscheiden sich in verschiedenen Eigenschaften. So sind PEM-Elektrolyseure kompakt und reagieren schnell auf Lastwechsel. Alkalische Elektrolyseure hingegen sind eine bewährte Technologie und haben niedrige Materialkosten.

F2: Wie groß ist der Markt für Wasserstoff-Elektrolyseure?

A2: Laut einer aktuellen Marktanalyse hatte der Markt für Wasserstoff-Elektrolyseure im Jahr 2022 eine Größe von 1,6 Milliarden US-Dollar und soll bis 2024 auf 2,7 Milliarden US-Dollar wachsen.

F3: Wächst der Wasserstoffmarkt?

A3: Der Markt soll im Prognosezeitraum mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 3,33% wachsen.

F4: Was sind die wichtigsten Treiber für die Nachfrage nach Wasserstoff-Elektrolyseuren?

A4: Zu den wichtigsten Treibern für die Nachfrage nach Wasserstoff-Elektrolyseuren gehören die zunehmende globale Konzentration auf den Übergang zu sauberer Energie, die steigende Nachfrage nach synthetischen Brennstoffen aus industriellen Anwendungen und die wachsenden Investitionen in die Produktion von grünem Wasserstoff.