Zur Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse gibt es unterschiedliche Verfahren. Waren in den vergangenen Jahren nur hochspezialisierte Unternehmen damit beschäftigt, arbeiten in jüngster Zeit viele Firmen – auch Newcomer – mit Hochdruck daran, Elektrolyseure zu verbessern, die Technik effizienter zu machen und vor allem: den Produktionsprozess zu automatisieren, um den Durchsatz zu steigern und Kosten zu senken.

Die Zahl der Hersteller von Elektrolyseuren steigt. Unsere Redaktion hat das weltweite Angebot untersucht und die Rechercheergebnisse in einer Marktübersicht zusammengestellt. Wir fanden 92 Systeme von 17 Herstellern.

Erfasst wurden alle Systeme anhand von im Internet verfügbaren Datenblättern. Gibt es keine öffentlich zugänglichen Daten, haben wir das Produkt nicht in unsere Liste aufgenommen.

Produkte nicht direkt vergleichbar

Wir fanden erwartungsgemäß unterschiedliche Standards etwa bei den Angaben zu Leistung oder Erzeugungskapazitäten. Dies macht die direkte Vergleichbarkeit der Produkte miteinander nicht unmittelbar möglich. Auch auf andere detaillierte Informationen haben wir verzichtet. So sind Angaben zum spezifischen Ertrag (in Kubikmetern) beispielsweise vom Druckniveau abhängig. Kriterien zur Qualität der Systeme lassen sich daraus in beiden Fällen nicht ableiten.

Als kleinsten gemeinsamen Nenner der Vergleichbarkeit listen wir die verfügbaren Systeme daher nach Nennleistung auf, ergänzt um Hersteller, Typ des Elektrolyseurs und Erzeugungsart. Wurde in den Datenblättern keine Nennleistung angegeben, haben wir diese anhand anderer verfügbarer Parameter berechnet. Die Marktübersicht erfasst Nennleistungen von 1 Kilowatt bis 100 Megawatt.

Marktübersicht Elektrolyseure 2022: 100 kW – 1 MW
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Marktübersicht Elektrolyseure 2022: ab 10 MW
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Auf die Erhebung von Preisen haben wir verzichtet. Zum einen ist der noch junge Markt im steten Wandel, weil sich viele Hersteller an der Massenproduktion versuchen und somit schnell Scaleneffekte erreichen können. Zum anderen arbeiten Forscher fortlaufend daran, teure Komponenten durch massentaugliche und somit preiswertere zu ersetzen. Überdies sind Elektrolyseure noch keine Produkte für den Hausgebrauch. Ausschreibungen der interessierten industriellen Nutzer, gefolgt von individualisierten Angeboten der Hersteller sind nicht unüblich, Listenpreise somit obsolet.

Vier Verfahren in Anwendung und Forschung

Zur elektrochemischen Wasserspaltung werden aktuell vor allem vier Verfahren genutzt und erprobt:

• Am weitesten verbreitet ist die alkalische Elektrolyse (AEL). Die Technologie mit industriellen Anwendungen in serienreifen Anlagen gibt es seit der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts: Elektroden aus Metall werden in eine wässrige Lösung getaucht, getrennt durch eine Membran. Durch Anlegen einer Spannung wird das Wasser in Wasserstoff (entsteht an der Kathode, Minuspol) und Sauerstoff (entsteht an der Anode, Pluspol) gespalten. Stammt der Strom aus regenerativen Quellen, ist das Ergebnis „grüner“ Wasserstoff.
• Die Proton-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM; Proton Exchange Membrane) oder auch Polymerelektrolyt-Membran (Polymer Electrolyte Membrane) ist jünger. Dabei wird Wasser mithilfe einer protonendurchlässigen Membran in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt. Die eingesetzten Elektroden bestehen aus Edelmetall, um Korrosion in dem sauren Milieu zu reduzieren. Geforscht wird hierbei vor allem an der Verlängerung der Lebensdauer des eingesetzten Membranmaterials.
• Die Hochtemperatur-Festelektrolyt-Elektrolyse (SOEC; Solid Oxide Electrolysis) befindet sich noch im Forschungsstadium, industrielle Anwendungen dienen allenfalls der praktischen Erprobung wissenschaftlicher neuer Erkenntnisse. Erste Systeme sind nach Herstellerangaben bald verfügbar. Erforderlich sind hohe Temperaturen von 600 bis 1.000 Grad Celsius. Die Zufuhr von Wärmeenergie zur Spaltung des Wassers kann den Strombedarf verringern. Die Elektroden werden in einer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) durch ein keramisches Material getrennt.
• Die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM) nutzt eigenen Angaben zufolge derzeit weltweit nur die Enapter AG, welche das Verfahren entwickelt hat. Dabei werde einer Erklärung zufolge die Einzelzelle der Anlage durch die Anionenaustauschmembran in zwei Halbzellen unterteilt. Jede Halbzelle bestehe aus einer Elektrode, einer Gasdiffusionsschicht und einer Bipolarplatte. Mehrere Einzelzellen würden durch die Bipolarplatte miteinander verbunden und bilden so den AEM-Stack („Stapel“). Diese Anordnung ermögliche die Erzeugung von Wasserstoff bei einem Druck von 35 bar beziehungsweise Sauerstoff bei einem bar. Durch den Druckunterschied zwischen den Halbzellen werde verhindert, dass der erzeugte Sauerstoff in die Hochdruck-Halbzelle übergeht, wodurch eine sehr hohe Reinheit des Wasserstoffs von 99,9 Prozent gewährleistet sei, heißt es bei Enapter.

Die beiden derzeit genutzten Hauptverfahren sind AEL- sowie die PEM-Elektrolyse. AEL ist im großen Maßstab kostengünstiger, die Wasserstoffproduktion erfolgt auf geringem Druckniveau, hat allerdings keine hohe Dynamik. Das PEM-Verfahren ist in kleinen Einheiten kostengünstig, allerdings technologisch aufwändig. Die Membranen unterliegen einer hohen Korrosion und sind daher nur mäßig haltbar. Das Druckniveau ist hoch, ebenso die Dynamik. Vorteile der PEM-Technologie liegen in einem gut steuerbaren Verhalten im Teillastbereich, womit sie in Brennstoffzellen für den mobilen Einsatz geeignet ist.

Normkubikmeter als Maß

Durch die technologische Weiterentwicklung sinkt der spezifische Energiebedarf für den mit Elektrolyse hergestellten Wasserstoff-Volumenstrom unter 4,5 Kilowattstunden pro Normkubikmeter (kWh/Nm³). Als Faustformel gilt der Energiebedarf von etwa 5 kWh/Nm³ Wasserstoff.

Ein Normkubikmeter ist die Menge eines Gases, die in einem Volumen von einem Kubikmeter bei einem Druck von einem bar enthalten ist. Ein Kilogramm Wasserstoff entspricht 11,1 Normkubikmetern. Der untere Heizwert von Wasserstoff liegt bei rund 3 kWh/Nm³ oder bei 33,3 Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg).

Skalierung

Die Systeme lassen sich beliebig hochskalieren und die Anbieter übertreffen sich beim Multiplizieren und der Angabe der Gesamtleistung. In die Aufstellung wurden hauptsächlich Einzelsysteme übernommen und nur größer skalierte Systeme dargestellt, wenn für dieses ein spezielles Datenblatt vorlag.

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Auch Bosch steigt in die Entwicklung von Komponenten für Elektrolyseure ein und will schon 2023 PEM-Pilotanlagen mit massentauglichen „Smart Modules“ in Betrieb nehmen. © Bosch