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Elektrolyse

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Definition: ein elektrochemischer Prozess, bei dem chemische Reaktionen mit Hilfe elektrischer Energie angetrieben werden

Englisch: electrolysis

Kategorien: elektrische Energie, Grundbegriffe

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 19.11.2010; letzte Änderung: 26.07.2016

Die Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess. Hier werden chemische Reaktionen mit Hilfe elektrischer Energie angetrieben. Im Rahmen der Energietechnik dient die Elektrolyse zur Herstellung chemischer Energieträger, und zwar oft von Wasserstoff. Es wird also elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. (Der umgekehrte Prozess läuft ab in aufladbaren Batterien und Brennstoffzellen.) In anderen Fällen geht es um die Herstellung von Substanzen für nicht-energetische Nutzungen, beispielsweise Aluminium, Chlor oder Natronlauge. Ebenfalls wird die Elektrolyse für die Reinigung (Raffinierung) gewisser Metalle eingesetzt.

Elektrolyseur

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau für die Wasser-Elektrolyse. An den Elektroden entsteht Wasserstoff bzw. Sauerstoff, der darüber aufgefangen wird.

Typischerweise enthält ein Elektrolyseur (Elektrolyseapparat) zwei Elektroden, die mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (einem Elektrolyten) in Kontakt gebracht werden. Zwischen den Elektroden wird eine elektrische Spannung angelegt, so dass ein elektrischer Strom fließt. Die elektrische Stromstärke bestimmt direkt die pro Sekunde umgesetzten Stoffmengen. Die negative Elektrode wird als Kathode bezeichnet, die positive als Anode. An den Elektroden können neue chemische Substanzen entstehen, und es ist ebenfalls möglich, dass Elektrodenmaterial in die Lösung übergeht. Um dies zu vermeiden, können Elektroden aus bestimmten Edelmetallen gefertigt werden (z. B. aus Gold oder Platin) oder aus Graphit.

Häufig werden der Anoden- und Kathodenraum durch eine poröse Wand (ein Diaphragma, z. B. aus einem Harz bestehend, oder eine spezielle Membran) voneinander getrennt. Damit lässt sich beispielsweise verhindern, dass sich die entstehenden Gase miteinander vermischen. Allerdings behindert eine solche Membran auch mehr oder weniger den Stromfluss und kann auf diese Weise die umgesetzte Leistung reduzieren und/oder eine etwas erhöhte elektrische Spannung notwendig machen, was den Wirkungsgrad herabsetzt.

Bei der Wasser-Elektrolyse für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff wird die Leitfähigkeit des Wassers erhöht, indem bestimmte Säuren oder Basen (Laugen) beigegeben werden. (Verbreitet ist die alkalische Wasserelektrolyse nach dem Claude-Prozess.) An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff, der vom Wasserstoff getrennt bleiben muss und ebenfalls genutzt werden kann. Um die Oxidation der Anode zu vermeiden, muss diese beispielsweise aus einem Edelmetall oder aus Nickel gefertigt sein.

Die Technik von Elektrolyseuren wird seit Jahrzehnten genutzt, vor allem auch großtechnisch, und ist bereits sehr ausgereift. Bei kleinen Anlagen im unteren Kilowatt-Bereich sind die spezifischen Anlagenkosten relativ hoch (mehrere tausend Euro pro Kilowatt), während große Anlagen im Megawattbereich für einige hundert €/kW errichtet werden können. Wesentliche Kostensenkungen durch weitere Entwicklungen sind angesichts der Reife der Technologie nicht zu erwarten.

Energieeffizienz der Elektrolyse

In der Praxis muss man einen Kompromiss zwischen maximaler Energieeffizienz und einer möglichst hohen umgesetzten Leistung wählen.

Die Energieumwandlung bei der Elektrolyse kann recht energieeffizient erfolgen, d. h. mit einem hohen Wirkungsgrad. Hierfür ist es besonders wichtig, dass die elektrische Spannung kaum höher gewählt wird als physikalisch notwendig. Hohe Stromdichten, wie sie eine hohe Produktionsrate verlangt, und die Bildung von Gasen an den Elektroden erzwingen allerdings häufig eine etwas höhere Spannung. Bei der Wasser-Elektrolyse wird typischerweise ein Wirkungsgrad von etwas über 70 % erreicht, teilweise auch mehr als 80 %. Im Teillastbetrieb kann der Wirkungsgrad deutlich höher liegen.

Ein Elektrolyseur, der nur Stromüberschüsse verwerten soll, wird in der Praxis kaum die maximale Energieeffizienz erreichen können.

Wenn ein Elektrolyseur nur für die Verwendung von Stromüberschüssen verwendet würde, also mit wenigen Volllaststunden pro Jahr, dann würde die Abwägung von Effizienz und Kosten zu einer niedrigeren Energieeffizienz führen. Dieses Problem ließe sich nur durch eine erhebliche Senkung der spezifischen Anlagekosten lösen. Nachdem Elektrolyseure aber bereits jahrzehntelang optimiert wurden, scheint hierfür kein großes Potenzial mehr zu bestehen.

Weitere Forschung und Entwicklung könnte zu verbesserten Elektrolyse-Technologien führen, die vor allem auch einen höheren Wirkungsgrad ermöglichen würden. Interessant sind beispielsweise Ansätze für die Hochtemperaturelektrolyse (z. B. in Festoxid-Elektrolysezellen bei 800 bis 1000 °C), bei der ein Teil der benötigten Energie in Form von Hochtemperaturwärme anstatt von Strom zugeführt werden kann. Dies lässt sich so verstehen, dass zunächst die Verdampfung des Wassers allein mit Wärmezufuhr geschehen kann und somit entsprechend weniger elektrische Energie benötigt wird. Solche Verfahren befinden sich aber noch in einem frühen Entwicklungsstadium.

Rolle der Elektrolyse in der Energietechnik

Bisher spielt die Elektrolyse keine wichtige Rolle in der Energietechnik. Sie könnte in Zukunft im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft an Bedeutung gewinnen. Hier würde Wasserstoff aus elektrischer Energie mittels Elektrolyse gewonnen, und umgekehrt könnte aus Wasserstoff mit Hilfe von Brennstoffzellen auch wieder elektrische Energie erzeugt werden. Große Energiemengen ließen sich z. B. mit Hilfe von Wasserstoff-Pipelines relativ verlustarm über weite Strecken transportieren. Ebenfalls würde Wasserstoff eine Energiespeicherung auch über längere Zeiten ermöglichen, was beispielsweise im Zusammenhang mit der Nutzung von stochastisch anfallender erneuerbaren Energien wie Windenergie und Solarenergie interessant wäre. Jedoch treten beträchtliche Energieverluste bei den Umwandlungen auf – bisher mindestens ca. 50 % bei der Umwandlung von Strom zu Wasserstoff und zurück.

Eine andere Variante ist Power to Gas mit einer zusätzlichen Methanisierung: Wenn aus dem Wasserstoff Methan gewonnen wird, kann dieses in das Erdgasnetz eingespeist werden. Somit werden bereits existierende Erdgasnetze und Erdgasspeicher nutzbar als eine sehr leistungsfähige Transport- und Speicherinfrastruktur.

Nicht-energetische Anwendungen von Elektrolyse (hauptsächlich in der Metallurgie und der chemischen Industrie) sind heute schon bedeutsam. Hierfür werden in den USA rund 5 % der gesamten Stromerzeugung benötigt – in Europa deutlich weniger, weil Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas gewonnen wird.

Siehe auch: elektrische Energie, chemische Energie, chemische Energiespeicherung, Wasserstoff, Wasserstoffwirtschaft, EE-Gas, Power to Gas
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Grundbegriffe

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