Elektrolyseur - Elektrolyse
Technologie-Check
Definition und Wirk-/Funktionsprinzip
Der Elektrolyseur nutzt das elektrolytische Verfahren zur Wasserstofferzeugung, indem in der Elektrolysezelle durch Anlegen einer elektrischen Spannung Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Kernkomponente des Elektrolyseurs sind die zu einer Einheit zusammengefügten Einzelzellen (Elektrolyse-Stack), in denen die chemische Reaktion stattfindet. Aufgrund der Stapelung der Einzelzellen wird die Zellfläche erhöht und damit die maximale Leistungsaufnahme. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen den verschiedenen Elektrolyseverfahren stellt der ionenleitende Elektrolyt dar, welcher indirekt die Betriebstemperatur der Zelle bestimmt.
Die beiden Technologien mit gegenwärtig hoher Marktreife sind zum einen die alkalische Elektrolyse mit einem flüssigen basischen Elektrolyten (AEL-Anlagen). Diese sind im industriellen Maßstab im Einsatz, technologisch ausgereift und arbeiten mit einem relativ simplen Design. Dadurch weisen sie eine hohe Langzeitstabilität auf. Zum anderen existieren die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseure (PEM), die mit großen Lastschwankungen zurechtkommen und sich durch eine kurze Kaltstartzeit auszeichnen. Außerdem technisch relevant ist die Hochtemperaturelektrolyse mit einem Festoxid als Elektrolyt, die Heißdampf verwendet und in einem Temperaturbereich von 100–1.000 °C arbeitet. Dieses Verfahren weist aufgrund der effizienten Nutzung der Wärmeenergie einen sehr hohen Wirkungsgrad auf und bietet sich vor allem im Kontext einer industriellen Anlage an, wo Heißdampf in der Produktion anfällt.
SWOT-Analyse
Stärken
- Der durch Elektrolyseure produzierte Wasserstoff bietet vielfältige Möglichkeiten der Substitution fossiler Energieträger, wie beispielsweise Erdgas für Prozesswärme oder Direktreduktion von Stahl und somit die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen
- Elektrolyseure sind skalierbare Systeme und können somit an die spezifischen Anforderungen eines Unternehmens hinsichtlich Größe und Kapazitäten angepasst werden
- Erhöhte Flexibilität im Energiesystem von Unternehmen und Optimierungspotenziale in der Energieversorgung
- Elektrolyseure bieten die Möglichkeit der Sektorkopplung, indem sie verschiedene Sektoren wie Strom, Wärme und Mobilität miteinander verbinden
- Synergien mit erneuerbaren Energien
Schwächen
- Aufgrund der hohen Investitions- und Betriebskosten sind Elektrolyseure aktuell noch nicht wirtschaftlich
- Die Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff ist ein relativ ineffizienter Prozess, somit kommt es zu hohen Umwandlungsverlusten
- Hohe Strompreise und Unsicherheit bezüglich der zukünftigen Preisentwicklung für erneuerbaren Strom sind strategische Hindernisse
- Der hohe Wasserverbrauch der Elektrolyse kann in manchen wasserarmen Regionen eine Belastung für den Wasserhaushalt darstellen
- Wasserqualität muss überwacht bzw. hergestellt werden
- Unklarheiten bezüglich der rechtlichen Anforderungen an den Betrieb stellen den potenziellen Betreiber vor zusätzliche Herausforderungen
- Integration in Bestandssysteme kann komplex und teuer werden
Chancen
- Große Kostenreduktionspotenziale durch Skalierungseffekte, technologische Weiterentwicklungen und den Hochlauf des Elektrolyseurmarktes
- Aufgrund des steigenden Wasserstoffbedarfs als Rohstoff wachsender Weltmarkt für grünen Wasserstoff (Dekarbonisierung energieintensiver Sektoren)
- Nutzungspotenziale des Nebenprodukts Sauerstoff der Wasserelektrolyse
- Energieeffizienzpotenzial der Abwärmenutzung als Wärmequelle
- Starke politische Unterstützung auf EU- und nationaler Ebene im Hinblick auf technologische Souveränität im Wasserstoffmarkt
- Aufbau einer spezifischen Recyclinginfrastruktur kann Risiken der Abhängigkeit von Rohstofflieferketten minimieren
- Aufbau neuer Wertschöpfungsketten in Deutschland und Europa und Aufbau von Exportmöglichkeiten
- Potenzial für Klimaneutralität in Unternehmen (insbesondere Scope-1- und -2-Emissionen)
Risiken
- Bisher kaum vorhandene Wasserstoff-Infrastruktur
- Große Unsicherheiten bezüglich der technologischen und kostenseitigen Entwicklung der einzelnen Elektrolysetechnologien
- Keine einzelne im Markt vorherrschende Elektrolyseurtechnologie absehbar, sondern eher diversifizierter Technologieeinsatz
- Teure Edelmetalle oder seltene Erden werden für die meisten Elektrolysetechnologien benötigt. Abhängigkeiten von Lieferanten wichtiger Rohstoffe und kritischer Komponenten werden verstärkt
- Lebensdauer- und Degradationsrisiken können noch nicht vollständig abgeschätzt werden
- Bislang kaum verbindliche Investitionsentscheidungen von Abnehmern und somit fehlende Produktionskapazitäten erschweren den Markthochlauf
- Regulatorische Unsicherheiten
Erfolgsbeispiele
- In Baden-Württemberg umgesetzt: Wasserstoffreallabor in Wyhlen, Verbundprojekt zum Aufbau einer der größten Produktionskapazitäten für grünen Wasserstoff in Süddeutschland.
Zum Erfolgsbeispiel - Umstellung der Stahlherstellung auf ein nachhaltiges Konzept durch den Einsatz erneuerbarer Energien, deren Einsatz zur Gewinnung von grünem Wasserstoff und dessen Einsatz in Direktreduktionsanlagen. Auf diese Weise ist eine CO2-Einsparung bis zu 95 % möglich.
Zum Erfolgsbeispiel
Technologieanbieter
Mögliche Technologieanbieter aus Baden-Württemberg:
- Komponentenhersteller: Robert Bosch GmbH, MAHLE GmbH, Freudenberg FST GmbH, cellcentric GmbH & Co. KG
- Systemintegratoren: EnBW AG, terranets bw GmbH
