Fortschritt der Wasserstoffproduktionstechnologie und wirtschaftliche Analyse – Wasserstoffproduktion in alkalischen Elektrolysezellen

Die Wasserstoffproduktion mit alkalischen Zellen ist eine relativ ausgereifte elektrolytische Wasserstoffproduktionstechnologie. Alkalische Zellen sind sicher und zuverlässig, haben eine Lebensdauer von 15 Jahren und sind weit verbreitet in der Industrie. Der Wirkungsgrad alkalischer Zellen liegt in der Regel bei 42 % bis 78 %. In den letzten Jahren wurden bei alkalischen Elektrolysezellen in zwei Hauptaspekten Fortschritte erzielt. Zum einen wurde der Zellwirkungsgrad verbessert und die mit dem Stromverbrauch verbundenen Betriebskosten gesenkt. Zum anderen stieg die Betriebsstromdichte und 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 Elektrolytflüssigkeit (KOH) (20 % bis 30 %) getaucht, um die Ionenleitfähigkeit zu maximieren. NaOH- und NaCl-Lösungen können ebenfalls als Elektrolyte verwendet werden, sind aber selten im Einsatz. Der Hauptnachteil von Elektrolyten ist ihre Korrosion. Die Zelle arbeitet bei einer Temperatur von 65 °C bis 100 °C. Die Kathode der Zelle produziert Wasserstoff, und das entstehende OH₂ fließt durch die Membran zur Anode, wo es zu Sauerstoff rekombiniert.

Moderne alkalische Elektrolysezellen eignen sich für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab. Alkalische Elektrolysezellen einiger Hersteller haben eine sehr hohe Wasserstoffproduktionskapazität von 500 bis 760 Nm³/h bei einem entsprechenden Stromverbrauch von 2150 bis 3534 kW. Um die Bildung entzündbarer Gasgemische zu verhindern, 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 liegt zwischen 5 und 100 °C und der maximale Elektrolytdruck beträgt etwa 2,5 bis 3,0 MPa. Ein zu hoher Elektrolytdruck erhöht die Investitionskosten und das Risiko der Bildung schädlicher Gasgemische steigt erheblich. Ohne zusätzliche Reinigungsvorrichtungen kann die Reinheit des durch alkalische Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs 99 % erreichen. Das Elektrolytwasser alkalischer Elektrolysezellen muss rein sein. Zum Schutz der Elektroden und für einen sicheren Betrieb muss die Wasserleitfähigkeit unter 5 S/cm liegen.