Elektrolyseur für Gewerbe und Industrie: Funktion, Arten und Einsatzbereiche

Die Energiewelt befindet sich im Umbruch: Während steigende Rohstoffpreise die Wirtschaftlichkeit vieler Unternehmen in Schieflage bringen, bedrohen Versorgungsengpässe die Leistungsfähigkeit. Mit Solar- und Windkraftanlagen existieren zwar erneuerbare Alternativen, leider jedoch mit einem schwankenden Energieangebot. Eine mögliche Lösung: Der Elektrolyseur für Gewerbe und Industrie. Die Anlage nutzt regenerativ gewonnenen Strom zu Herstellung von Wasserstoff, der sich für längere Zeit bevorraten und bedarfsgerecht verbrauchen lässt.

Elektrolyseur und Wasserstoffspeicher neben Erneuerbare-Energien-Anlagen

Wie das funktioniert und wann ein solcher Elektrolyseur für Ihr Unternehmen infrage kommt, darüber berichtet gasido.de in den folgenden Abschnitten.

Die Themen im Überblick

Unabhängigkeit und Klimaschutz durch die Wasserstoff-Elektrolyse

Jeden Tag stellt uns die Sonne tausendfach mehr Energie zur Verfügung als zur weltweiten Energieversorgung nötig wäre. Geht es um die Energieversorgung unserer Zukunft, ist es wichtig, dieses Überangebot bestmöglich zu nutzen. Die Herausforderung: Solarenergie ist nicht in allen Regionen der Welt in gleichem Maße nutzbar. Hinzu kommt, dass das solare Angebot täglichen und saisonalen Schwankungen unterliegt, die den konstanten Betrieb von Gewerbe- und Industrieanlagen erschweren. Mit einem Elektrolyseur könnte sich das ändern. Denn dieser hat die Aufgabe, regenerativ erzeugten Strom aus volatilen Solar- und Windkraftwerken in Wasserstoff umzuwandeln. Das erzeugte Gas lässt sich anschließend in speziellen Tanks bevorraten und ähnlich flexibel wie Erdgas verbrauchen. Verfügen Unternehmen über entsprechend große Solarfelder oder Windkraftanlagen, erzeugen sie auf diese Weise einen großen Teil der benötigten Energie selbst. Sie machen sich unabhängig von fossilen Energieträgern, von schwankenden Energiepreisen und unsicheren Versorgungslagen importabhängiger Rohstoffe.

Wasserstoff zur Strom- und Wärmeerzeugung in vielen Bereichen

Elektrolyseure nutzen regenerativ erzeugten Strom, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Von großer Bedeutung ist dabei der Wasserstoff, da er sich auf vielfältige Art und Weise nutzen lässt. Er ist Kraftstoff für Fahrzeuge, Brennstoff für Wärmeerzeuger und ein wertvoller Energieträger für Stromerzeuger wie die Brennstoffzelle. Von Interesse ist dabei vor allem grüner Wasserstoff, der sich mit einem Elektrolyseur und Strom aus regenerativen Energieanlagen ohne CO2-Emissionen gewinnen lässt.

Bedarfsgerechte Energieversorgung durch Wasserstoffspeicher

Ein Elektrolyseur arbeitet immer dann, wenn Strom aus Erneuerbare-Energien-Anlagen verfügbar ist. Da sich das Angebot in der Regel nicht mit dem Bedarf deckt, kommt es auf die Speicherung des energiereichen Gases an. Möglich ist diese unter hohem Druck in Gasflaschenbündeln oder tiefkalt verflüssigt in superisolierten Tanks. Darüber hinaus lässt sich Wasserstoff an verschiedenen Feststoffen oder in Flüssigkeiten speichern. Die folgende Tabelle zeigt, was die verschiedenen Lösungen auszeichnet.

Art des WasserstoffspeichersTechnische Eigenschaften
DruckgasspeicherHier verdichten Anlagen Wasserstoff auf einen hohen Druck, um es mit höherer Energiedichte in Gasflaschenbündeln, Gastanks oder unterirdischen Lagerstätten zu bevorraten. Weit verbreitet sind Druckgasspeicher vor allem im kleineren Leistungsbereich, etwa bei Fahrzeugen, Wohnhäusern oder Gewerbeanlagen.
FlüssiggasspeicherIn großen Mengen lässt sich Wasserstoff aus einem Elektrolyseur in tiefkalt verflüssigter Form speichern. Während das besonders platzsparend funktioniert, gibt es auch einige Nachteile. So ist der Energiebedarf zum Herunterkühlen sehr hoch. Die Speicher benötigen eine effiziente Isolierung und beim ungewollten Erwärmen kann ein Teil des Rohstoffs abdampfen und verloren gehen. Interessant ist die Lagerung in tiefkalt verflüssigter Form für große Mengen und Transporte über weite Distanzen.
AdsorptionsspeicherHier kommen Feststoffe zum Einsatz, die Wasserstoff aufnehmen und an sich binden. Die Entladung solcher Speicher ist mit Wärme möglich. Während das zusätzliche Energie verbraucht, ist das Gewicht der Adsorptionsspeicher für Wasserstoff in der Regel sehr hoch. Zum Einsatz kommt die Lösung daher vor allem bei Spezialanwendungen wie der Wasserstoffspeicherung in U-Booten.
Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC)Die LOHC-Technik ist vergleichsweise jung und mit großen Potenzialen verbunden. Denn sie ermöglicht es, Wasserstoff einfach, zuverlässig und sicher gebunden an einem Trägeröl zu speichern. Und das ohne energieintensive Abkühlung und teure Kryotanks mit Superisolierung. Infrage kommt das Verfahren dabei vor allem für den Transport des Energieträgers.

Wann welche Speicherlösung zum Einsatz kommt, hängt dabei von den individuellen Anforderungen ab. So eignen sich Druckspeicher für kleine und mittlere Bedarfe, während Kryotanks oder LOHC-Speicher den Transport des Energieträgers ermöglichen.

Komplettanlagen bündeln alle Bauteile in kompakten Einheiten

Wer sich für die Wasserstoff-Technik interessiert, erhält häufig perfekt aufeinander abgestimmte Gesamtsysteme. Diese bestehen neben dem Elektrolyseur auch aus der nötigen Technik, um Wasserstoff für die Speicherung vorzubereiten bzw. vor Ort einzulagern. Auch Regelungs- und Sicherheitstechnik enthalten die einzelnen Module, die sich in der Praxis häufig flexibel miteinander kombinieren lassen.

100 Prozent autarke Versorgung mit einem Elektrolyseur möglich

Optimal ausgelegt ist es möglich, Anlagen zu 100 Prozent autark mit grünem Wasserstoff zu betreiben. Voraussetzung dafür sind allerdings große Solar- und Windkraftanlagen. Der Elektrolyseur muss leistungsfähig arbeiten und Speicher sollten überschüssige Energie aus dem Sommer bis in den Winter hinein bevorraten können. In der Praxis ist das allerdings mit hohen Kosten und einer Reihe technischer Herausforderungen verbunden.

Grundlegende Funktion eines Elektrolyseurs verständlich erklärt

Wasserstoff ist ein vielfältig einsetzbarer und reichlich verfügbarer Energieträger. Möchten wir den Rohstoff zur Nutzung aufbereiten, ist das allerdings nicht ohne Weiteres möglich. Denn er kommt zumindest auf der Erde nur in gebundener Form vor. Ein Beispiel dafür ist Wasser, das aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (H2O) besteht. Die Elektrolyse (genauer Wasserelektrolyse) ist ein Verfahren, mit dem die Trennung ohne schädliche Abgase funktioniert. Nötig ist dazu ein sogenannter Elektrolyseur mit zwei Elektroden, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind.

Elektrische Energie trennt Sauerstoff und Wasser voneinander

Die Elektroden befinden sich in einer leitfähigen Flüssigkeit (Elektrolyt), bei der es sich um Wasser oder alkalische Verbindungen handeln kann. Fließt Strom durch die Elektroden, bildet sich an der positiv geladenen Kathode Wasserstoff, während an der negativ geladenen Anode Sauerstoff frei wird. Damit die elektrochemische Reaktion ablaufen kann und sich beide Stoffe nicht erneut vermischen, kommen spezielle Trennschichten zwischen den Elektronen zum Einsatz. Beide Gase lassen sich anschließend abführen und zur weiteren Nutzung aufbereiten.

Variable Leistung von großer Bedeutung für den Dauerbetrieb

Um den Anforderungen der Elektrolyse mit Solar- oder Windstrom gerecht zu werden, müssen Elektrolyseure für Gewerbe und Industrie flexibel arbeiten können. Denn Strom aus erneuerbaren Quellen ist volatil und tritt nie längere Zeit konstant auf. Moderne Elektrolyseure werden dem gerecht, indem sie über einen großen Modulationsbereich verfügen. Sie arbeiten bedarfsgerecht mit einer Leistung von etwa 20 bis 100 Prozent und liefern auf diese Weise auch bei geringem Stromangebot zuverlässig Wasserstoff, der sich anschließend weiter nutzen lässt.

Einsatzbereiche der Wasserstofftechnik in Gewerbe und Industrie

Geht es um den Einsatz der Elektrolyseure in Gewerbe und Industrie, sind viele Bereiche denkbar. So lässt sich die Lösung grundsätzlich dafür nutzen, um technischen Wasserstoff für verschiedene Prozesse selbst herzustellen. Die Anlagen ermöglichen eine weitestgehend unabhängige Strom- sowie Wärmeversorgung und stellen Kraftstoffe für Autos oder Lastkraftwagen mit Wasserstoffantrieb bereit.

Die folgende Übersicht fasst die wichtigsten Einsatzgebiete für Wasserstoff aus einem Elektrolyseur zusammen:

  • Rohstoff für gewerbliche und industrielle Prozesse (Ersatz für Erd- oder Flüssiggas)
  • Kraftstoff für Stapler, Baumaschinen, Autos, Lastkraftwagen, Bahnen und Schiffe
  • Brennstoff für Wärme-, Heißwasser- und Dampferzeuger in jedem Leistungsbereich
  • Energieträger zur weitestgehend unabhängigen Stromerzeugung in vielen Bereichen
  • Energieträger zur flexiblen Stromspeicherung und Stromerzeugung für Stromnetze

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wasserstoff aus Elektrolyseuren überall im gewerblichen und industriellen Gebiet zur Anwendung kommt. Während das mit Brennstoffzellen in Gebäuden und Fahrzeugen bereits uneingeschränkt möglich ist, passen Hersteller andere Geräte an die speziellen Gaseigenschaften an. Dazu gehören unter anderem Wärme-, Heißwasser- und Dampferzeuger.

Leistung der Elektrolyseure ist in großen Bereichen skalierbar

Ob Einfamilienhaus, Mehrfamilienhaus, Wohnanlage, Gewerbebetrieb oder Industrieanlage: Für jeden Bereich lässt sich die Leistung der Elektrolyseure passgenau auswählen. Möglich ist das durch vorkonfigurierte Einheiten, die Hersteller mit einer übergeordneten Regelung verbinden. Im kleineren Leistungssegment kommen dabei Module mit einer Wasserstofferzeugungsleistung von wenigen Kilowatt zum Einsatz. Wer mehr benötigt, kann diese untereinander koppeln oder gleich auf große Anlagen mit einer Leistung von mehr als einem Megawatt setzen.

Vor- und Nachteile der Wasserstoffwirtschaft mit Elektrolyseur

Zu den größten Vorteilen eines Elektrolyseurs im Gewerbe- und Industriebereich zählt zweifelsohne die Möglichkeit, Energieträger klimaneutral und sauber selbst herstellen zu können. Hinzu kommen der große Einsatzbereich und die zunehmende Unabhängigkeit von der öffentlichen Energieversorgung. Nachteilig sind hingegen die hohen Kosten. Wasserstoffsysteme haben eine hohe Komplexität und benötigen darüber hinaus viel Platz. Zu beachten sind außerdem die hohen Sicherheitsanforderungen für den Betrieb der Technik. Die folgende Übersicht zeigt Vor- und Nachteile im direkten Vergleich.

Elektrolyseur Vorteile

Eigenproduktion eines vielseitig einsetzbaren Energieträgers

steigende Unabhängigkeit von der öffentlichen Energieversorgung in Bezug auf Kosten und Verfügbarkeit auch in abgelegenen Regionen

langfristig gut kalkulierbare Energiekosten

geringerer CO2-Ausstoß schützt das Klima

Schonung fossiler Energieträger

nahezu keine schädlichen Emissionen

Elektrolyseur Nachteile

hohe Anschaffungskosten der jungen Technik

vergleichsweise geringe Zahl an Anbietern für Elektrolyseure zum Einsatz in Gewerbe- und Industrieanlagen

hohe Sicherheitsanforderungen für den Umgang mit Wasserstoff aus dem Elektrolyseur

geringe Anzahl an erfahrenen Handwerkern verfügbar (technischer Dienst der Hersteller ausgenommen)

hoher Leistungsverlust von der Energiegewinnung über Umwandlung bis hin zur zeitversetzten Nutzung

Halten sich Vor- und Nachteile die Waage, kommt es immer auf den Einzelfall an. Ob Betreiber von Gewerbe- und Industriegebäuden einen Elektrolyseur mit Zubehör kaufen sollten, hängt dabei nicht allein von der Wirtschaftlichkeit ab. Denn während Letztere nicht in jedem Fall gegeben ist, sprechen oft auch ideologische oder betriebsspezifische Gründe für die Anschaffung. Neben dem klimaschonenden und zukunftsweisenden Betrieb eigener Anlagen gehört dazu auch der Wunsch nach einer zuverlässigen Energieversorgung, unabhängig von den Gasspeicherständen im eigenen Land.

Wichtige Bauarten und Eigenschaften der Wasserstofferzeuger

In der Praxis arbeiten Forscher parallel an verschiedenen Elektrolyseur-Bauarten. Zu den wichtigsten zählen AEL-, PEM- und SOEC-Elektrolyseure, die wir im Folgenden näher vorstellen. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Fakten zusammen.

Technische DetailsAELPEMSOEC
Wirkungsgrad (maximal möglich)65 bis 69 %63 bis 68 %81 bis 83 %
Leistungsbereichbis 130 MWbis 6 MWbis 0,018 MW
Temperaturbereich50 bis 80 °C50 bis 80 °C600 bis 900 °C
Teillastbereich20 bis 100 Prozent5 bis 100 Prozentk. A.
Produktionsrate pro Einheitbis 1.000 Nm³/hbis 460 Nm³/hbis 6 Nm³/h
Lebensdauerbis 90.000 hbis 50.000 hk. A.
Kosten pro kWel600 bis 700 Euro1.000 bis 1.500 Euro1.000 bis 1.400 Euro
Quelle: ffe.de

Geht es im Folgenden um die Elektrolyseur-Bauart, ist die Rede immer von einer Zelle. Komplette Anlagen bestehen in der Praxis aus mehreren Zellen, die in Form von Stapeln oder sogenannten Stacks gemeinsam arbeiten.

Zuverlässig und vergleichsweise günstig: AEL-Elektrolyseur

Bei der alkalischen Elektrolyse (AEL) sitzen Elektroden aus Metall in einer wässrigen Lösung. Sie sind von einer permeablen Membran voneinander getrennt und erzeugen Sauerstoff an der Anode sowie Wasserstoff an der Kathode. Voraussetzung ist das Anlegen einer Gleichspannung. Die Technik ist vergleichsweise günstig und lange zuverlässig einsetzbar. Sie kommt ohne seltene Erden aus und erzielt einen der höchsten Wirkungsgrade. Da AEL-Elektrolyseure eine konstante Last benötigen und über einen geringen Teillastbereich verfügen, eignen sie sich weniger für schwankend auftretenden Solar- oder Windstrom.

Hohe Flexibilität bei schwankender Last: PEM-Elektrolyseur

Die PEM-Elektrolyse arbeitet mit Wasser als Elektrolyt und einer gasdichten Membran (Protonen-Austausch-Membran oder PEM), die beide Elektroden voneinander trennt. Im laufenden Betrieb wandern Wasserstoffionen durch die Membran und es entsteht ein saures Milieu. Um die Elektroden dabei vor der Korrosion zu schützen, kommen hochwertige Edelmetalle zum Einsatz. Die Technik ist dadurch kostenintensiver in der Herstellung. Sie zeichnet sich allerdings durch ein sehr gutes Lastwechselverhalten und einen großen Teillastbereich aus. Beides begünstigt den Einsatz mit schwankendem Sonnen- und Windstrom. Günstig ist außerdem der hohe Betriebsdruck, durch den der Energieaufwand beim Speichern von Wasserstoff sinkt.

Geringerer Strombedarf durch Hitze: SOEC-Elektrolyseur

Der Festoxid-Elektrolyseur (SOEC für solid oxide electrolyzer cell) unterscheidet sich deutlich von den zuvor genannten. Denn er arbeitet bei sehr hohen Temperaturen, bei denen sich Wasser mit weniger Strom spalten lässt. Nötig ist dazu ein festes Oxid, das Sauerstoff-Ionen von der Kathode zur Anode diffundieren lässt. Nachteilig ist, dass durch die hohen Temperaturen längere Anfahrzeiten nötig sind. Kommen die Anlagen in Bereichen mit nutzbarer Abwärme und konstanten Betriebsbedingungen zum Einsatz, könnten sie in Zukunft sehr effizient arbeiten.

FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zum Elektrolyseur

Was ist ein Elektrolyseur und wann kommt er zum Einsatz?

Ein Elektrolyseur hat die Aufgabe, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dazu besteht er aus zahlreichen, miteinander verbundenen Elektrolysezellen. Jede einzelne besitzt zwei Elektroden, die sich getrennt durch eine Membran in einem Elektrolyten befinden. Liegt eine Gleichspannung an, entsteht Sauerstoff an der Anode, während sich an der Kathode Wasserstoff sammelt. Die Gase lassen sich abführen und für die weitere Nutzung aufbereiten. Zum Einsatz kommt der Elektrolyseur, um Wasserstoff für verschiedene Einsatzzwecke herzustellen, regenerativ erzeugten Strom zu speichern oder Kraft- bzw. Brennstoffe für die eigene Anlage aus Sonnen- und Windstrom zu gewinnen.

Welche Arten gibt es und für welche Bereiche sind sie geeignet?

Weit verbreitet sind alkalische Elektrolyseure, bei denen die Elektroden getrennt von einer permeablen Membran in einer alkalischen Lösung liegen. Die Technik kommt dadurch ohne seltene Erden aus, ist günstig und langlebig. Nachteilig ist das schlechte Lastwechselverhalten. Letzteres ist bei einem PEM-Elektrolyseur besonders gut. Dieser benötigt Wasser als Elektrolyt, ist in der Anschaffung aber teurer. Eine dritte Bauart stellen Festoxid-Elektrolyseure dar, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten. Die heiße Umgebung spaltet bei gleichem Stromeinsatz mehr Wasserstoff vom Wasser ab und senkt dadurch den Stromverbrauch.

Wie lässt sich Wasserstoff aus einem Elektrolyseur speichern?

Für die Speicherung von Wasserstoff aus einem Elektrolyseur kommen verschiedene Systeme zum Einsatz. Häufig nachgefragt sind Druckgasspeicher, bei denen das Gas stark komprimiert und platzsparend in Gasflaschen, Gasflaschenbündeln oder besonders stabilen Gastanks lagert. Diese Speicherart eignet sich vor allem für kleine und mittlere Anlagengrößen. Darüber hinaus gibt es die Möglichkeit, Wasserstoff in tiefkalt verflüssigter Form zu lagern, was jedoch mit hohen Kosten bei Anschaffung und Betrieb verbunden ist. Zukünftig können vor allem Lieferanten vermehrt auf die LOHC-Technik setzen. Hier binden Hersteller das Gas an flüssige Stoffe, von denen es sich später mithilfe von thermische Energie wieder abspalten lässt. Interessant ist das vor allem für große Lagermengen und den Transport von Wasserstoff über weite Distanzen.

Welche Vorteile und Nachteile hat die Wasserstoff-Technik?

Der Einsatz von Elektrolyseuren erlaubt es Gewerbe- und Industriebetrieben, technischen Wasserstoff selbst herzustellen. Das Gas lässt sich vielseitig einsetzen und schafft eine höhere Unabhängigkeit von der öffentlichen Energieversorgung. Ein weiterer Vorteil liegt in der klimafreundlichen Bereitstellung von Energie für verschiedenste Bereiche. Nachteilig sind die hohen Anschaffungskosten der noch jungen Technologie. Es gibt wenig Konkurrenz am Markt und viele Handwerker verfügen über wenig Erfahrung.

Wann lohnt sich ein Elektrolyseur für Gewerbe oder Industrie?

Wer Strom aus Erneuerbare-Energien-Anlagen speichern und flexibel nutzen möchte, kann sich einen Elektrolyseur für Gewerbe und Industrie kaufen. Gleiches gilt für Anlagenbetreiber, die technischen Wasserstoff selbst herstellen wollen und auf eine zunehmende Unabhängigkeit von der öffentlichen Energieversorgung abzielen.

Author: Marc Bode

Marc Bode

Marc ist Geschäftsführer bei Gasido. Er arbeitet seit 2009 in der Energiebranche und hat seine Ausbildung bei einem Flüssiggasanbieter gemacht. Seitdem war der Gas-Experte in vielen verschiedenen Funktionen tätig. Gasido.de wurde im Jahr 2017 gegründet und ist seit Anfang 2020 Teil seiner Unternehmungen.