PEM-Elektrolyseur & Power-to-Gas

Tech­nische Daten

  • Her­steller : Diamond lite GmbH
  • Leistung : ca. 10 kW(elektrisch)
  • Was­ser­stoff­pro­duktion : 1m3/h
  • Spei­cherung : Strom -> Was­ser­stoff

 

 

Bei der PEM-Elek­trolyse (Polymer-Elec­trolyte-Membran, oder auch Protone-Exchange-Membran) ist ein che­mi­scher Speicher. Dabei wird Wasser durch eine Elek­trolyse-Reaktion in Was­ser­stoff und Sauer­stoff auf­ge­spalten. Diese Reaktion stellt den Umkehr­prozess der PEM-Brenn­stoff­zelle dar (hierbei wird aus der Reaktion von Was­ser­stoff und Sauer­stoff elek­trische Energie erzeugt). Dabei werden Sys­tem­wir­kungs­grade von ca. 43–67% erreicht, bei Betriebs­tem­pe­ra­turen von 50–80°C. Der „Wir­kungsgrad“ ist aller­dings nicht so leicht zu defi­nieren, wie bei bei­spiels­weise einer Bat­terie. Der Nutzen einer Elek­trolyse — im Sinne eines tech­ni­schen Wir­kungs­grades (Wir­kungsgrad = Nutzen/Aufwand) — ist der Ener­gie­gehalt des bei der Elek­trolyse ent­ste­henden Gases. Bei der obigen Angabe ist der Wir­kungsgrad einer ein­zelnen Elek­tro­ly­se­zelle im Bezug auf den Heizwert (Heizwert = Gesamt­ener­gie­gehalt – Ver­damp­fungs­en­ergie des ent­hal­tenden Wassers) des ent­ste­henden Gases ange­geben.

Die Elek­trolyse-Reaktion basiert auf der Ver­wendung einer Pro­to­nen­lei­tenden Membran (meist NAFION), was die Ver­wendung von reinem Wasser ermög­licht. Das Wasser wird Anoden­seitig zuge­führt, die Pro­tonen wandern durch die Membran und bilden an der Kathode Was­ser­stoff-Moleküle. Mehrere Mem­branen mit Anode und Kathode sind meist in einem soge­nannten Stack (Stack = Reihen-/Par­al­lel­schaltung von ein­zelnen Elek­tro­ly­se­zellen zu einem Bauteil) zusam­men­ge­fasst.

Der Elek­tro­lyseur funk­tio­niert also nicht wie eine elek­trische Bat­terie, sondern wandelt die über­schüssige Energie in ein ener­gie­hal­tiges Gas, hier Was­ser­stoff, um. Dieses Gas kann in einem Fol­ge­schritt (Metha­ni­sierung) weiter auf­be­reitet werden, sodass es ins Gasnetz ein­ge­speist werden kann. Die Umwandlung von elek­tri­scher Energie in ein ener­gie­hal­tiges Gas nennt man auch Power-to-Gas. Das ent­ste­hende Gas kann teil­weise ins vor­handene Gasnetz ein­ge­speist werden und darüber hinaus in der che­mi­schen Industrie oder auch im Mobi­li­täts­sektor (Was­ser­stoff­mo­bi­lität) ein­ge­setzt werden. Diese Tech­no­logie bietet also ein sehr hohes theo­re­ti­sches Spei­cher­po­tential, da sich Gas auch über einen langen Zeitraum und in großen Mengen bei­spiels­weise in Kaver­nen­spei­chern zwi­schen­lagern lässt. Es könnte damit sowohl ein zeit­licher als auch ein räum­licher Aus­gleich erneu­er­barer Ein­speisung durch Power-to-Gas ermög­licht werden. Bei einem Anteil erneu­er­barer Energien von über 90% in Europas Strom-Mix sind, spe­zielle durch Wind- und Solar-Energie, so hohe Schwan­kungen zu erwarten, dass Power-to-Gas aus heu­tiger Sicht die einzige Alter­native zur Lang­zeit­spei­cherung dar­stellt. Dabei wird ein wirt­schaft­licher Betrieb durch den schlechten Wir­kungsgrad einer Rück­ver­stromung höchst­wahr­scheinlich nicht möglich sein. Dieser liegt bei nur ca. 40% da sowohl bei der Gas-Her­stellung, als auch bei der Umkehr­re­aktion in einer Brenn­stoff­zelle relativ große Umwand­lungs-Ver­luste auf­treten.

Die PEM-Elek­trolyse ist eine ver­gleichs­weise neue Tech­no­logie. Her­vor­zu­heben ist die gute Teil­last­fä­higkeit, also ein gleich­bleibend hoher Wir­kungsgrad bei unter­schied­licher Aus­lastung der Anlage. Dank der mitt­ler­weile sehr gas­dichten Membran in der Elek­trolyse-Zelle ist theo­re­tisch ein Teillast-Betrieb von 0 bis 100% Was­ser­stoff­pro­duktion ohne wesent­liche Wir­kungsgrad-Ein­bußen möglich, wobei der Eigen­ver­brauch der Peri­phe­rie­kom­po­nenten noch zu berück­sich­tigen ist. Außerdem kann ein PEM-Elek­tro­lyseur für kurze Zeit auch über dem Aus­le­gungs­punkt betrieben werden, wodurch Ein­spei­se­spitzen auf­ge­nommen werden könne, die oberhalb der für das System aus­ge­legten Leistung liegen. Ein wei­terer Nachteil des PEM-Elek­tro­ly­seurs ist, dass das Produkt, Was­ser­stoff nur begrenzt ins Gasnetz ein­ge­speist werden kann. Ein bestimmter Anteil an Methan darf zur Auf­recht­erhaltung des soge­nannten Wobbe-Index (Maß für den Ener­gie­gehalt des Erd­gases) nicht unter- oder über­schritten werden darf.

Neben der PEM-Elek­trolyse gibt es auch andere Umset­zungs­mög­lich­keiten von Power-to-Gas, wie die alka­lische-Elek­trolyse und die Hoch­tem­pe­ratur-Elek­trolyse.