Wasserelektrolyse

Wasserstoff kann durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Strom erzeugt werden. Dabei wird Wasser (H₂O) in einem Elektrolyseur in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgespalten, indem eine elektrische Spannung angelegt wird. Man nennt diesen Prozess auch Reduktions-Oxidations-Reaktion (Redoxreaktion).

Dies ist eine chemische Reaktion, bei der ein Reaktionspartner Elektronen auf einen anderen Reaktionspartner überträgt. Der als Reduktionsmittel bezeichnete Partner (z. B. Sauerstoff) gibt Elektronen ab und wird dabei oxidiert. Der als Oxidationsmittel bezeichnete Partner (z. B. Wasserstoff) nimmt die Elektronen auf und wird dabei reduziert. Redoxreaktionen sind von grundlegender Bedeutung in der Chemie: Viele Stoffwechsel- und Verbrennungsvorgänge, technische Produktionsprozesse und Nachweisreaktionen basieren auf solchen Elektronenübertragungsreaktionen.

Zur Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse werden im Wesentlichen zwei Technologien angewendet: die alkalische Elektrolyse und die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse).

Die alkalische Elektrolyse ist eine bewährte Technologie und wird schon seit vielen Jahrzehnten in der Industrie eingesetzt. Der Umwandlungswirkungsgrad von elektrischer in chemische Energie liegt bei diesem Verfahren bei 65 bis 75 %. Die PEM-Elektrolyse ist eine etwas jüngere Technologie mit niedrigeren Wirkungsgraden im Bereich zwischen 60 und 70 %. Im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse besitzt die PEM-Elektrolyse allerdings den Vorteil, dass sie innerhalb von Sekunden gestartet und abgeschaltet werden kann. Das ermöglicht eine schnellere Leistungsanpassung und gewährleistet somit ein stabiles Stromnetz.

Neben diesen beiden bereits praktizierten Verfahren wird aktuell noch die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse erforscht. Im Zuge der Forschungsbemühungen, sind in Zukunft weitere Wirkungsgradsteigerungen bei den Elektrolysetechnologien zu erwarten.

Wird bei dem Elektrolysevorgang Strom aus erneuerbaren Quellen eingesetzt, fallen bei der Herstellung des Wasserstoffs kaum CO₂-Emissionen an. Auch bei der späteren Verwendung sind die klimawirksamen Emissionen gering. Der Energiegehalt von Wasserstoff liegt allerdings, bezogen auf das Volumen, nur bei einem Drittel des Energiegehalts von Erdgas.

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In Deutschland waren im Juli 2024 rund 70 Elektrolyseure zur Herstellung von grünem Wasserstoff in Betrieb. 25 waren im Bau, 49 weitere in Planung. In den Power-to-Gas-Anlagen wird überschüssiger erneuerbarer Strom in Gas umgewandelt. Eingespeist in bestehende Gasnetze oder -speicher kann die überschüssige Energie zu einem späteren Zeitpunkt klimaneutral in Industrieanlagen oder Haushalte transportiert werden.