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Hohe Unabhängigkeit mit Elektrolyse und Brennstoffzelle
Energetisch unabhängig leben? Kein Geld für Heizung oder Strom ausgeben? Mit der Elektrolyse ist das möglich. Denn der Prozess wandelt Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff um. Während der Strom dazu von einer Photovoltaikanlage kommt, kann eine Brennstoffzelle den Wasserstoff später in Haushaltstrom und Wärme umwandeln. Wir erklären, wie die Elektrolyse abläuft und wie sie sich mit einem Elektrolyseur nutzen lässt.
Die Themen im Überblick:
Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff
Die Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem sich verschiedene Stoffe mithilfe von Elektrizität trennen lassen. So ist es zum Beispiel möglich, energiereichen Wasserstoff aus reinem Wasser zu gewinnen. Nötig sind dazu zwei Elektroden (Anode und Kathode), eine Gleichstromquelle und eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit (Elektrolyt).
Praktische Umsetzung: Der Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat
Demonstrieren lässt sich das Prinzip der Elektrolyse am Hofmannschen Wasserzersetzungsapparat. Der einfach aufgebaute Elektrolyseur wurde bereits Mitte der 1860er Jahre erfunden und ist heute vielen aus dem Chemieunterricht bekannt. Einfach beschrieben, besteht er aus drei Röhren, die am Boden miteinander verbunden sind. Während sich in der Ersten die Anode (Pluspol) befindet, sitzt die Kathode (Minuspol) in der Letzten. Alle Röhren sind außerdem mit einem Gemisch aus Wasser und verdünnter Schwefelsäure gefüllt. Letztere ist nötig, um die Leitfähigkeit der Flüssigkeit zu erhöhen. Fließt nun Gleichstrom durch die Elektroden, wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Gase sammeln sich dabei am oberen Ende der Röhren und lassen sich hier mit einem Hahn entnehmen.
Verschiedene Arten des Elektrolyseurs zur Herstellung von Wasserstoff
Neben dem klassischen Wasserzersetzungsapparat gibt es heute eine Reihe weiterer Apparaturen zur Elektrolyse von Wasser. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Arten und Funktionsweisen der Elektrolyseure.
| ELEKTROLYSEUR | FUNKTIONSWEISE |
|---|---|
| Alkalischer Elektrolyseur | Elektrolyse mit Kalilauge als Elektrolyt, in dem ein Diaphragma (gasdichte, aber ionendurchlässige Trennwand) sitzt, um das Vermischen der Reaktionsgase zu verhindern. |
| PEM-Elektrolyseur (Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur) | Der PEM-Elektrolyseur besteht aus einer protonendurchlässigen Membran, auf der sich beidseitig Elektroden befinden. Die Anode besteht dabei aus einem Edelmetall, das destilliertes Wasser katalytisch in seine Bestandteile auftrennt. Es entstehen Sauerstoff, freie Elektronen und positiv geladene H+-Ionen. Letztere wandern durch die Membran zur Kathode, an der zusammen mit den Elektronen Wasserstoff entsteht. Das Besondere: Reversible PEM-Brennstoffzellen fungieren je nach Bedarf als Brennstoffzelle oder als Elektrolyseur zur Elektrolyse von Wasser. |
| Hochtemperatur-Elektrolyseur | Die Elektrolyse von Wasser findet bei Temperaturen von etwa 900 Grad Celsius statt. Die zusätzliche Wärmeenergie senkt den Strombedarf der Reaktion und ermöglicht sehr hohe Wirkungsgrade. |
| Anionen-austauschmembran-Elektrolyseur (AEM-Elektrolyseur) | Der Elektrolyseur besteht aus zwei Teilen, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. An dieser befinden sich zwei Elektroden - die Anode auf der feuchten und die Kathode auf der trockenen Seite. Strömt Wasser durch den Elektrolyseur, durchnässt es die Membran. Dabei entsteht Wasserstoff (H2) an der Kathode, der über eine trockene Gasdiffusionsschicht entweicht und gespeichert werden kann. Das gleichzeitig entstehende OH- wandert durch die Membran zur Anode, wo sich Sauerstoff (O2) daraus bildet. Im Vergleich zur PEM-Elektrolyse ist der Prozess einfacher zu handhaben. Es sind keine teuren Katalysatoren nötig und die Produktionskosten sinken. |
Wie effizient sich elektrische Energie mithilfe der Elektrolyse in chemische Energie umwandeln lässt, hängt grundsätzlich von der Bauart des Elektrolyseurs ab. Während alkalische Systeme einen Wirkungsgrad von 70 bis 80 Prozent erreichen, arbeiten Hochtemperatur-Elektrolyseure mit einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent. PEM-System liegen mit einem Wert von 80 bis 90 Prozent dazwischen.
Energiespeicherung mit Elektrolyse: Wie funktioniert das?
Stellt ein Elektrolyseur Wasserstoff her, lässt sich dieser in Druckflaschen lagern und zeitversetzt verwenden. So können Brennstoffzellen den energiereichen Stoff in Strom und Wärme umwandeln. Anders als mit konventionellen Energiespeichern lässt sich überschüssiger Strom aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen auf diese Weise lange Zeit bevorraten. Verbraucher können die Energieüberschüsse aus dem Sommer dabei bis in den Winter hinein anzapfen, um sich selbst mit Strom und Wärme zu versorgen.
Photovoltaik + Elektrolyse + Brennstoffzelle: Ein autarkes Energiekonzept
Optimal ausgelegt, lassen sich Gebäude mithilfe einer Elektrolysezelle autark mit Strom und Wärme versorgen. Sie schonen dabei das Klima und machen Energie auf lange Sicht verfügbar. Gründe, aus denen das heute schon verfügbare Konzept im Kontext der Energiewende bis 2030 immer weiter an Bedeutung gewinnen könnte. Die folgende Tabelle zeigt, welche Komponenten dazu nötig sind.
| BAUTEILE | FUNKTION IM ENERGIEKONZEPT |
|---|---|
| Photovoltaik | Die Photovoltaikanlage wandelt kostenfreie Solarenergie in Strom um. |
| Solarstromspeicher | Ein konventioneller Stromspeicher bevorratet einen Tagesbedarf an Strom. |
| Elektrolyseur | Der Elektrolyseur wandelt überschüssigen Solarstrom in Wasserstoff um. |
| Wasserstoffspeicher | Der Wasserstoffspeicher nimmt den Rohstoff auf und hält ihn langfristig vor. |
| Brennstoffzelle | Die Brennstoffzellenheizung nutzt den Wasserstoff aus dem Speicher, um Wärme und Strom für das eigene Haus bereitzustellen. |
Um die einzelnen Komponenten der Anlage so klein wie möglich auslegen zu können und Kosten zu sparen, muss der Energiebedarf im Haus minimal sein. Das autarke Konzept kommt daher vor allem für Niedrigstenergie- und Passivhäuser infrage. Dass die Theorie auch in der Praxis funktioniert, beweisen bereits gebaute Wasserstoffhäuser mit einer komplett autarken Energieversorgung.
Fazit von Alexander Rosenkranz
Mit der Elektrolyse ist es möglich, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln. Nötig ist dazu lediglich Strom, der zum Beispiel aus einer Photovoltaikanlage kommen kann. Kombinieren Verbraucher die PV-Anlage auf dem Dach mit einem Elektrolyseur, einem Wasserstoffspeicher und einer Brennstoffzelle, können sie sich im besten Falle komplett autark mit Strom und Wärme versorgen.
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