WasserElektrolyse

Wasserelektrolyse ist der chemische Prozess, bei dem Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. An der Anode findet die Sauerstoffentwicklung (OER) statt, am Kathoden die Wasserstoffentwicklung (HER). Das Gesamtreaktionsschema lautet 2 H2O → 2 H2 + O2. In sauren Elektrolyten läuft dies über 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e− und 4 H+ + 4 e− → 2 H2; in alkalischen Medien erfolgen die Teilschritte über OH−-Ionen und H2O.

Typische Bauformen sind alkalische, PEM- und Hochtemperatur-SOEC-Elektrolyseure. Alkalische Systeme verwenden wässrige KOH- oder NaOH-Lösungen und Nickel-Elektroden; PEM-Elektrolyseure nutzen eine Polymermembran (Protonenaustauschmembran) mit Katalysatoren wie Pt bzw. IrO2. Hochtemperatur-SOEC arbeiten bei 700–1000 °C und verwenden Wasserdampf als Reaktant, was theoretisch eine höhere Gesamtenergieeffizienz ermöglichen kann, jedoch Material- und Betriebsherausforderungen mit sich bringt. Die erzeugten Gase werden getrennt abgeführt und können hohen Reinheitsanforderungen genügen.

Energetik und Effizienz: Die theoretische Mindestenergie für die Herstellung von Wasserstoff liegt bei etwa 237 kJ pro Mol (ca. 33 kWh pro Kilogramm Wasserstoff). In der Praxis erhöhen Überpotentiale, Widerstände und Gasdurchlässigkeiten den Energiebedarf oft auf rund 40–60 kWh/kg H2 oder mehr, je nach Technologie, Stromqualität und Betriebsweise. Die Faraday-Effizienz liegt nahe 100 %, die Gasreinheit typischerweise über 99,9 %.

Anwendungen und Umweltaspekte: Wasserelektrolyse dient der großtechnischen Wasserstoffproduktion, Energiespeicherung und der Kopplung mit erneuerbaren Energien. Die Umweltbilanz hängt stark vom Strommix ab; bei erneuerbarem Strom reduziert sich die CO2-Bilanz signifikant, während Betriebskosten maßgeblich von Material- und Wartungskosten beeinflusst werden.