FAQ

Welche kritischen Prozess-Parameter sind bekannt und welche Sicherheitsaspekte müssen beachtet werden?

Die Gasreinheit ist als einer der wichtigsten Prozessparameter für die Sicherheit zu nennen. Zudem muss die Gasdichtigkeit der Anlage, Rohrleitungen und Nebenanlagen gewährleistet sein. Die geforderte hohe Gasreinheit und die geringen Leckagen sind Stand der Technik.
Bei Druckelektrolyseanlagen sind, wie auch bei der Komprimierung des Wasserstoffs die örtlichen Explosions-Schutzrichtlinen zu beachten.

Unter Spannung stehende Teile der Elektrolyseanlage müssen beachtet werden, da je nach Anlagengröße und -/typ hohe Gleichspannungen im Betriebszustand auftreten. Es ist zudem zu beachten, dass selbst einige Stunden nach dem Abschalten der Elektrolyseanlage diverse Bauteile noch ein hohes Spannungspotential aufweisen können.

Bei der Elektrolyse wird als Elektrolyt Kaliumhydroxid eingesetzt. Ein sorgsamer Umgang mit der starken Lauge ist nötig, um Personenschäden zu vermeiden. Der Elektrolyt ist auch für das Korrosionsverhalten der Werkstoffe bei hohen Temperaturen und Konzentrationen nicht unbedenklich.

In der Vergangenheit wurde Asbest bei Elektrolyseuren als Diaphragma und oder als Dichtmaterialien eingesetzt. Dies ist inzwischen in Europa und Nord Amerika verboten. Alternative Diaphragmen und Dichtungen sind zwar deutlich teurer als die Asbestausführung, dafür weisen die neuen Materialien zum Teil deutlich bessere Betriebswerte als ihre Vorgänger auf.

Wie hoch sind die Investitionskosten für eine Elektrolyseanlage?

Bei einer Anlagenkapazität über 200 Nm³H2/h muss man mit Investitionskosten zwischen 2500 und 4000 € je Nm³/h Produktionsvolumen rechnen. Elektrolyseanlagen mit dauerhaft gutem Wirkungsgrad und niedrigeren Produktionsvolumen haben deutlich höhere auf die Kapazität bezogene Investitionskosten. Zusätzliche Anlagenkomponenten wie Kompressoren, Gasspeicher oder Reinigungs-Trocknungsanlagen lassen die Investitionskosten zudem steigen.

Welche Faktoren sollten bei der Bewertung der Investitionen berücksichtigt werden?

Die Wasserstofferzeugungskosten werden in Betriebskosten und Investitionskosten aufgespalten. Die Betriebskosten sind nahezu vollständig auf die Energiekosten zurückzuführen. In der Industrie werden Elektrolyseanlagen in der Regel über 10 Jahre ohne Generalüberholung mit mind. 8000 Vollaststunden pro Jahr betrieben.

Je nach Strompreis (2-15 Eurocent/kWh) entfallen bei solchen Anlagen zwischen 70 und 90% der Wasserstofferzeugungskosten auf die Energiekosten und nur 10-30% auf die Investitionskosten).

Daraus wird ersichtlich, wie bedeutend ein guter Anlagenwirkungsgrad und somit ein geringer spezifischer Energieverbrauch für eine wirtschaftliche Elektrolyseanlage ist.
Dass ein guter Anlagenwirkungsgrad auch bei günstigem Strom aus Überkapazitäten zur Energiespeicherung wichtig ist, dürfte durch die mit dem Anlagenwirkungsgrad steigende Wasserstoffproduktion (gespeicherte Energiemenge) nicht weiter erklärt werden müssen.

Es ist jedoch darauf zu achten, dass der von den Herstellern zumeist standardmäßig angegebene Wirkungsgrad bzw. spezifische Energiebedarf nicht als dauerhafter Wert angesehen werden kann!

(siehe dazu auch die Frage „Welchen Wirkungsgrad erreichen Elektrolyseanlagen…?“)

Welchen Wirkungsgrad erreichen Elektrolyseanlagen und mit welcher Degradation muss gerechnet werden?

Typischer Weise werden von Herstellern der Elektrolyseanlagen nicht die Wirkungsgrade angegeben, sondern der spezifische Energiebedarf je erzeugtem Normkubikmeter (Nm³) Wasserstoff .

Der von den Herstellern angegebene spezifische Energiebedarf beschreibt den Energiebedarf des Elektrolyseurs bei der Inbetriebnahme (bzw. in den ersten Wochen = “begin of life“) und nomineller Last, um einen Nm³H2 zu erzeugen.

Bei dem spezifischen Energiebedarf wird zumeist der Energiebedarf der Nebenanlagen nicht berücksichtigt. Die für die Nebenanlagen zusätzlich benötigte Energie ist bei größeren Anlagen nahezu vollständig auf die Verluste im Trafo-Gleichrichter zurückzuführen (zusätzliche Energie für Verdichter nicht berücksichtigt).

Der Wirkungsgrad bzw. der spezifische Energiebedarf des Elektrolysers ist in erster Linie von den Zellspannungen des Elektrolyseurs abhängig . Die Zellspannung hängt wiederum stark von der gefahrenen Stromdichte ab, welche, damit die Investitonskosten des Elektrolyseurs gering gehalten werden, möglichst hoch sein sollte.
Um die Zellspannungen auch bei hohen Stromdichten zu senken, können neben konstruktiven Maßnahmen beim Zellenaufbau und entsprechender Auswahl der Betriebsparameter, vor allem unterschiedliche Aktivierungsverfahren für die Elektroden starke Einsparungen bewirken.
Durch eine gute Aktivierung der Elektroden können im Vergleich zu nicht aktivierten Elektroden die Zellspannungen, bei den üblichen Stromdichten, um mehrere hundert Millivolt gesenkt werden, was einer Verringerung des spezifischen Energiebedarf zwischen 0,3 – 0,8 kWh/Nm³H2 entspricht . Die meisten eingesetzten Aktivierungen weisen allerdings eine sehr schlechte Haftfestigkeit auf, sodass durch Degradation , die erzielten Energieeinsparungen nach kurzer Zeit wieder verloren werden.

Werden Edelmetalle wie Platin, Iridium, Ruthenium, Paladium, Cobalt, Molybden, o.ä. als Kathalysatoren eingesetzt, weisen die Anlagen anfangs einen hohen Wirkungsgrad bzw. einen geringen spezifischen Energiebedarf auf. Jedoch werden die Edelmetalle innerhalb von 1-2 Jahren (spätestens jedoch nach 3 Jahren) vollständig von den Elektroden abgelöst, sodass schon in den ersten beiden Jahren der spezifische Energiebedarf um die eingesparten 0,3-0,8 kWh/Nm³H2 wieder steigt .

Mit Nickelsulfid-Aktivierungen ist es bislang ebenfalls nicht gelungen, eine angemessene Haltbarkeit der aktiven Oberfläche zu gewährleisten. Somit steigt auch bei dieser Aktivierung der spezifische Energiebedarf in den ersten ein bis zwei Jahren wieder auf einen Wert von unaktivierten Elektroden.
Beide Aktivierungsverfahren werden trotz ihrer kurzen Beständigkeit eingesetzt und sind weit verbreitet.

ELB hat ein alternatives Aktivierungsverfahren weiterentwickelt.
Der Vorgänger der ELB Aktivierung hatte bereits vor über 15 Jahren einen ebenso niedrigen Energiebedarf, wie er bei Edelmetallaktivierten oder Nickelsulfid aktivierten Elektroden am „begin of life“ erreicht wird. Die Degradation der ELB-Vorgängeraktivierung lag jedoch in der Vergangenheit unter 10 mV pro Jahr, was einem jährlichen Anstieges des spezifischen Energiebedarfs um 0,03 kWh/(Nm³H2*a) entspricht und durch verschiedene Referenzanlagen belegt werden kann.

Durch die bei jeder Anlage auftretende Degradation darf der vom Hersteller standardmäßig gegebenen, sich auf den „begin of life“ beziehende spezifische Energiebedarf, keinesfalls als Berechnungsgrundlage für energetische und wirtschaftliche Betrachtungen gesehen werden.

Da der Anstieg des spezifischen Energiebedarfs maßgeblich von dem Aktivierungsverfahren und Qualität der Aktivierung abhängt, ist es unbedingt notwendig, die Hersteller nach ihrer Aktivierung zu fragen und Degradationsverläufe von Referenzanlagen einzufordern, um den zu erwartenden mittleren spezifischen Energieverbrauch bestimmen zu können.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem stündlichen Wasserstoffproduktionsvolumen, der Stromstärke/-dichte, der Zellspannung, dem spezifischen Energiebedarf und Leistung?

Bei der Elektrolyse ist das Wasserstoffproduktionsvolumen über das Faradaysche Gesetzt direkt proportional zur Stromstärke I . Um einen Normkubikmeter Wasserstoff zu produzieren, benötigt man einen Ladungstransfer durch den Elektrolyseur von 2,4 kAh. Diesen Ladungstransfer (auch spezifischer Strombedarf genannt) erhält man, wenn eine Elektrolysezelle, eine Stunde lang, mit einem Strom von 2,4 kA beaufschlagt wird.

Aus der Stromstärke und der für die Elektrolyse zur Verfügung stehenden Fläche ergibt sich die Stromdichte. Übliche Stromdichten für alkalische Elektrolyseanlagen liegen heutzutage bei 2000-4000 A/m².

Der spezifische Energiebedarf je produzierten Normkubikmeter Wasserstoff (in kWh/Nm³) ergibt sich für eine Elektrolyseanlage aus dem spezifischen Strombedarf und der Zellspannung . Bei Industrieanlagen übliche Zellspannungen liegen bei den oben angegebenen Stromdichten bei der Inbetriebnahme („begin of life“) zwischen 1,8 und 2,0 V.
Der spezifische Energiebedarf ergibt sich somit zu 1,8 V * 2,4 kAh/Nm³ = 4,3 kWh/Nm³ bzw. 2,0 V *2,4 = 4,8 kWh/Nm³.

ACHTUNG!!! Dieser von den Herstellern standardmäßig angegebene spezifische Energiebedarf ist zumeist auf „begin of life“ bezogen und darf nicht als dauerhafter Wert angesehen werden!!!
(siehe dazu auch die Frage „Welchen Wirkungsgrad erreichen Elektrolyseanlagen…?“)

Über den spezifischen Energiebedarf multipliziert mit dem stündlichen Wasserstoffproduktionsvolumen ergibt sich die vom Elektrolyseur benötigte Leistung.

Welche Lebensdauer können Elektrolyseanlagen aufweisen?

Elektrolyseanlagen erreichen bei guter Auslegung und Betriebsführung problemlos eine Lebensdauer von 30-50 Jahren mit 2-3 Generalüberholungen. In Einzelfällen sind von ELB betreute Elektrolyseanlagen des Lurgi und Bamag Typ 20 Jahre ohne Generalüberholung und mit akzeptablen Zellspannungen (=spezifischer Energiebedarf) in Betrieb.

In welchem Bereich kann ein Elektrolyseur betrieben werden und wie schnell kann ein Lastwechsel erfolgen? (Dynamisches Verhalten)

Die Elektrolyseanlagen von ELB können standardmäßig im Bereich von 25% bis 100% betrieben werden. Durch entsprechendes Verschalten mehrerer Gleichrichter unterschiedlicher Leistungen und ein erweitertes thermisches Management können jedoch auch niedrigere oder höhere Lasten gefahren werden.

Ist der Elektrolyseur auf Betriebstemperatur, kann sehr schnell die Last über den gesamten Bereich verändert werden. Begrenzt wird das dynamische Verhalten der Elektrolyseanlagen vom Gleichrichter. Es ist zu erwarten, dass ein Start von 0 auf 100% bei einer Elektrolyseanlage im Betriebszustand (Betriebstemperatur) innerhalb von sehr kurzer Zeit erfolgen kann. Ebenso ist bei schlagartigem Abschalten der Anlage mit keiner Beschädigung der Anlage zu rechnen.

Ist der Elektrolyseur nicht auf Betriebstemperatur, wird durch die größeren Widerstände bei der Elektrolyse, die maximale zulässige Spannung des Gleichrichters, die Aufnahme der gesamten nominellen Last verhindern.

Das Aufheizen des Elektrolyseurs dauert in der Regel einige Stunden. Durch zusätzliches Erwärmen des Elektrolyten kann das Aufheizen allerdings beschleunigt werden.

Für das Speichern regenerativer Energien (Wind/PV) sollte das thermische Management daher so ausgelegt sein, dass die Betriebstemperatur ständig (auch bei geringer oder keiner Leistungsaufnahme) gehalten werden kann.

Wie oft muss der Elektrolyt aufkonzentriert oder gewechselt werden?

Der Elektrolyt sollte bei der alten Anlagengeneration alle 2-3 Monate aufkonzentriert werden. Durch eine Änderung der Prozessführung wird dieses Intervall bei den neuen Generationen jedoch deutlich hochgesetzt.

Der Laugewechsel sollte auf jeden Fall erfolgen, wenn der Anteil der Chloride im Elektrolyt über 100mg/l steigt. Bei gutem Speisewasser kann dies bedeuten, dass man bis zu 4 Jahre ohne Laugenwechsel den Elektrolyseur betreiben kann.

Welche Betriebsmittel werden in welcher Qualität benötigt?

Für den Elektrolysebetrieb wird Gleichstrom, Wasser und Kaliumhydroxid benötigt.

Das Speisewasser muss aufbereitet werden und sollte nach der Behandlung eine Leitfähigkeit unter 1µS/cm besitzen.

Das Kühlwasser muss keine besondere Reinheit aufweisen. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass durch das Kühlwasser keine Ablagerungen (Kalk) entstehen können.

Das Kaliumhydroxid wird meist in Form von Flocken dem Elektrolyt zugeführt und sollte eine besonders hohe Qualität besitzen.

Zum Spülen der Anlage vor dem Anfahren wird, wie gegebenenfalls auch zur Steuerung verschiedener Regelungsventile, eine Stickstoffversorgung benötigt.

Wird ein Kompressor eingesetzt, benötigt man zudem Schmieröl.

Kann der erzeugte Sauerstoff ebenfalls verwertet werden?

Bei der Elektrolyse wird auch der Sauerstoff in guter Reinheit erzeugt, so dass er für viele Anwendungen eingesetzt werden kann.

Welche Speichermöglichkeiten bietet ELB für die Elektrolyseanlagen an?

Derzeit werden zur Speicherung der Produktgase hauptsächlich Druckspeicher mit 30 oder 200 bar angeboten. Die Art der Speicher kann jedoch frei nach Wunsch des Kunden gewählt werden.

Mit welchem Druck werden die Produktgase bereitgestellt?

Die Niederdruck-Elektrolyseure von ELB arbeiten bei ca. 30mbar Überdruck, die Mitteldruck-Elektrolyseure arbeiten bei 30 bar. Benötigt der Kunde einen höheren Druck für die Produktgase, werden die Gase durch einen Kompressor auf den jeweils benötigten Druck komprimiert.

Welche Gasreinheit der Produktgase kann erreicht werden?

Die Elektrolyseure von ELB produzieren Wasserstoff mit einer Gasreinheit zwischen 99,9 +-0,1% (ND) und 99,8+-0,1% (MD) und Sauerstoff mit einer Gasreinheit von 99,3 bis 99,6%.

Diese Reinheit erhält man bei der Elektrolyse ohne zusätzliche Reinigung der Gase. Mit einer zusätzlichen Reinigungs- und Trocknungssanlage kann man eine Gasreinheit von unter 1 ppm O2 in H2 erreichen.

Welche Anlagengrößen bietet ELB an und welchen Platzbedarf hat eine Elektrolyseanlage

ELB verfügt über Niederdruck-Elektrolyseure mit einer Kapazität von 2 Nm³/h bis zu 480 Nm³/h. Es werden vier Anlagentypen (ND1, ND2, ND3, ND4) mit unterschiedlichen Zellengrößen unterschieden. Durch Variation der Elektrodenfläche und Zellenzahl (Anzahl der Zellen) kann die Anlagenkapazität problemlos exakt auf die Bedürfnisse der Kunden abgestimmt werden.

Darüber hinaus hat ELB auf Basis der bewährten Lurgi-Druckelektrolyseure eine neue Generation von Mitteldruck-Elektrolyseuren entwickelt, die bei 30 bar arbeiten und mit einer Kapazität von 200 Nm³/h bis 1400Nm³/h angeboten werden.Bei den Druck-Elektrolyseuren besteht, wie bei den Niederdruck-Elektrolyseuren die Möglichkeit, durch Anpassung der Zellenzahl, die Anlagenkapazität den Wünschen der Kunden anzupassen.

Um im Mitteldruckbereich auch Elektrolyseure mit geringeren Kapazitäten anbieten zu können, entwickeln wir derzeit einen „kleinen Bruder“ des Mitteldruck-Elektrolyseurs.

Die Anzahl der Anlagen in einem Anlagenpark sind nur durch die baulichen Begebenheiten und die zur Verfügung stehende Energie begrenzt.

Der Platzbedarf für eine einzelne Elektrolyseanlage kann den Broschüren entnommen werden.

Aus welchen Hauptkomponenten besteht eine Elektrolyseanlage?

Eine Elektrolyseanlage besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

  • Elektrolyseur
    • Zellenblock
    • Gasabscheider/Elektrolytkühlung
    • Gaskühlung
    • Gasvorlage (bei Niederdruckelektrolyse)
    • Gasometer (bei Niederdruckelektrolyse)
    • Elektrolytfilter
    • Elektrolytpumpe (bei Druckelektrolyseuren)
    • Elektrolytaufbereitungsstation
  • Transformator/Gleichrichter
  • Mess-Steuer-Regelungseinrichtung

Je nach Anwendungsfall werden folgende weitere Komponenten benötigt, die auch zur Elektrolyseanlage gezählt werden können:

  • Speisewasseranlage
  • Kompressor
  • Reinigungs- /Trocknungsanlage
  • Gasspeicher
    • Stationäre: Druckbehälter, Stahlzylinder
    • Mobile: Stahlflaschen/-zylinder, Composite-Tanks (in Fahrzeugen bis 700 bar)/Elektrolytkühlung

Welche unterschiedlichen Typen von alkalischen Wasserelektrolyseanlagen gibt es?

Die alkalische Elektrolyse ist seit Jahrzehnten technisch erprobt und daher die am weitesten entwickelte und verbreitete Wasserelektrolysetechnik. Bei der Wasserelektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Niederdruck-Elektrolyseure (umgangssprachlich atmosphärische Elektrolyseure genannt) arbeiten bei wenigen mbar über dem Umgebungsdruck. Die Niederdruck-Elektrolyseure von ELB haben einen einfachen Aufbau und sind äußerst robust und langlebig.

Für die Erzeugung von Wasserstoff in großen Mengen oder wenn Wasserstoff als Energieträger eingesetzt werden soll, eignen sich besonders die Druckelektrolyseure. Zum einen weisen Druckelektrolyseure deutlich größere Kapazitäten auf als Niederdruck-Elektrolyseure, zum anderen gibt es durch die isotherme Komprimierung der Produktgase bei der Druckelektrolyse Energieeinsparungen im Vergleich zur Niederdruck-Elektrolyse mit anschließender Kompression.

Diese Vorteile werden jedoch durch ein technisch anspruchsvolleres Anlagendesign generiert.