Good Mood

Wie funktioniert es?

Wie Brennstoffzellen bestehen Elektrolyseure aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Verschiedene Elektrolyseure funktionieren auf leicht unterschiedliche Weise, hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen Art des beteiligten Elektrolytmaterials.

Polymerelektrolytmembranelektrolysierer

In einem Polymerelektrolytmembranelektrolysator (PEM) ist der Elektrolyt ein fester Spezialkunststoff.

• Wasser reagiert an der Anode zu Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen).,
• Die Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis und die Wasserstoffionen bewegen sich selektiv über das PEM zur Kathode.
• An der Kathode verbinden sich Wasserstoffionen mit Elektronen aus dem externen Kreislauf zu Wasserstoffgas. Anodenreaktion: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-Kathodenreaktion: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalische Elektrolyseure

Alkalische Elektrolyseure arbeiten über den Transport von Hydroxidionen (OH-) durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, wobei auf der Kathodenseite Wasserstoff erzeugt wird., Elektrolyseure, die eine flüssige alkalische Lösung von Natrium-oder Kaliumhydroxid als Elektrolyt verwenden, sind seit vielen Jahren im Handel erhältlich. Neuere Ansätze mit festen alkalischen Austauschmembranen als Elektrolyt sind auf der Laborskala vielversprechend.

Festoxid-Elektrolyseure

Festoxid-Elektrolyseure, die ein festes keramisches Material als Elektrolyt verwenden, der selektiv negativ geladene Sauerstoffionen (O2-) bei erhöhten Temperaturen leitet, erzeugen Wasserstoff auf etwas andere Weise.,

• Wasser an der Kathode verbindet sich mit Elektronen aus dem externen Kreislauf zu Wasserstoffgas und negativ geladenen Sauerstoffionen.
• Die Sauerstoffionen passieren die feste Keramikmembran und reagieren an der Anode zu Sauerstoffgas und erzeugen Elektronen für den externen Kreislauf.

Festoxid-Elektrolyseure müssen bei Temperaturen arbeiten, die hoch genug sind, damit die Festoxidmembranen richtig funktionieren (etwa 700°-800°C im Vergleich zu PEM-Elektrolyseuren, die bei 70°-90°C arbeiten, und kommerziellen alkalischen Elektrolyseuren, die bei 100°-150°C arbeiten)., Die Festoxid-Elektrolyseure können die bei diesen erhöhten Temperaturen verfügbare Wärme (aus verschiedenen Quellen, einschließlich Kernenergie) effektiv nutzen, um die Menge an elektrischer Energie zu verringern, die zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser benötigt wird.

Warum wird dieser Weg in Betracht gezogen?

Wasserstoff, der durch Elektrolyse erzeugt wird, kann je nach Quelle des verwendeten Stroms zu null Treibhausgasemissionen führen., Die Quelle des benötigten Stroms-einschließlich seiner Kosten und Effizienz sowie der Emissionen aus der Stromerzeugung—muss bei der Bewertung des Nutzens und der wirtschaftlichen Lebensfähigkeit der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse berücksichtigt werden. In vielen Regionen des Landes ist das heutige Stromnetz aufgrund der freigesetzten Treibhausgase und der aufgrund der geringen Effizienz des Stromerzeugungsprozesses erforderlichen Kraftstoffmenge nicht ideal für die Bereitstellung des für die Elektrolyse erforderlichen Stroms., Die Wasserstoffproduktion über Elektrolyse wird für erneuerbare (Wind) und nukleare Energieoptionen verfolgt. Diese Wege führen zu praktisch Null Treibhausgas – und anderen Schadstoffemissionen.

Potenzial für Synergien mit der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
Die Wasserstoffproduktion über Elektrolyse kann Möglichkeiten für Synergien mit der variablen Stromerzeugung bieten, was für einige erneuerbare Energietechnologien charakteristisch ist. Zum Beispiel, obwohl die Kosten für Windkraft weiter gesunken sind, ist die inhärente Variabilität von Wind ein Hindernis für die effektive Nutzung von Windkraft., Wasserstoffbrennstoff-und Stromerzeugung könnten in einem Windpark integriert werden, so dass die Produktion flexibel verlagert werden kann, um die Ressourcenverfügbarkeit am besten an die betrieblichen Anforderungen und Marktfaktoren des Systems anzupassen. Auch in Zeiten überschüssiger Stromerzeugung aus Windparks ist es möglich, diesen überschüssigen Strom zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse zu verwenden, anstatt den Strom wie üblich einzuschränken.

Es ist wichtig zu beachten…,

• Der heutige Netzstrom ist nicht die ideale Stromquelle für die Elektrolyse, da der größte Teil des Stroms mit Technologien erzeugt wird, die zu Treibhausgasemissionen führen und energieintensiv sind. Die Stromerzeugung mit erneuerbaren oder nuklearen Energietechnologien, entweder getrennt vom Netz oder als wachsender Teil des Netzmix, ist eine mögliche Option, um diese Einschränkungen für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse zu überwinden.
• Die USA, Department of Energy und andere setzen ihre Bemühungen fort, die Kosten für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu senken und eine effizientere Stromerzeugung auf Kohlebasis mit Kohlenstoffabscheidung,-nutzung und-speicherung zu entwickeln. Die windbasierte Stromerzeugung beispielsweise wächst in den USA und weltweit rasant.

Die Forschung konzentriert sich auf die Überwindung von Herausforderungen

• Reduzierung der Kapitalkosten der Elektrolyseeinheit und des Gleichgewichts des Systems sowie Verbesserung der Energieeffizienz bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff.,
• Integration der Kompression in den Elektrolyseur, um die Kosten eines separaten Wasserstoffkompressors zu vermeiden, der zur Erhöhung des Drucks für die Wasserstoffspeicherung erforderlich ist.