Technische Daten
- Hersteller : Diamond lite GmbH
- Leistung : ca. 10 kW(elektrisch)
- Wasserstoffproduktion : 1 m3/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.