Die Entwicklung von Elektrolyseanlagen für die grüne Wasserstoffproduktion hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Ingenieure und Forscher arbeiten kontinuierlich an der Verbesserung der Wirkungsgrade, um den effizienten Einsatz erneuerbarer Energien zu gewährleisten. Zentraler Bestandteil dieser Anlagen ist der Elektrolysestack, dessen Effizienz maßgeblich den Gesamterfolg der Wasserstoffproduktion bestimmt.
Der Gesamtwirkungsgrad einer Elektrolyseanlage ergibt sich als Produkt der Wirkungsgrade von Elektrolysestack, Stromversorgung und den Zusatzkomponenten (Balance of Plant, BOP). Während die Stromversorgung über moderne Umrichter mit Wirkungsgraden von ca. 97 % überzeugt und das BOP durch optimierte Kühl- und Managementsysteme ebenfalls Effizienzwerte von 90–95 % erreicht, liegt der größte Optimierungsspielraum im Elektrolysestack selbst.
Trends in der Material- und Katalysatorforschung
Im Bereich der PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane) liegt der Fokus stark auf der Weiterentwicklung von Polymermembranen. Die neuen Materialien sollen nicht nur stabiler und langlebiger sein, sondern auch eine geringere Degradationsrate aufweisen. Gleichzeitig wird intensiv an der Reduzierung des Einsatzes seltener Metalle gearbeitet. Innovative Katalysatoren auf Basis alternativer Materialien ermöglichen es, die Elektrodenreaktionen effizienter zu gestalten – eine Maßnahme, die direkt zu einer Steigerung des Stack-Wirkungsgrades beiträgt.
Auch bei der alkalischen Elektrolyse wird an der Optimierung von Elektrodenarchitekturen und Elektrolytzusammensetzungen geforscht. Hier stehen Anpassungen im flüssigen Elektrolyten im Vordergrund, die kinetische Hemmnisse abbauen und die Reaktionsraten verbessern. Durch diese Maßnahmen kann der Wirkungsgrad des Elektrolyseprozesses weiter angehoben werden, während gleichzeitig die Materialkosten kontrolliert bleiben.
Hohe Temperaturen als Chance: Solid-Oxide-Technologie
Die Solid-Oxide Elektrolyse (SOEC) nutzt den Vorteil des Hochtemperaturbetriebs (700–900 °C), um den Elektrolyseprozess thermodynamisch günstiger zu gestalten. Keramische Materialien, die diesen Temperaturen standhalten, sind hier der Schlüssel. Die thermische Integration – also die Wiederverwendung von Abwärme – ermöglicht es, den Energiebedarf des Systems zu reduzieren und den elektrischen Wirkungsgrad weiter zu steigern. Aktuelle Forschungsansätze konzentrieren sich dabei auf die Verbesserung der Stabilität keramischer Elektrolyte und Elektroden sowie auf die Optimierung der Wärmerückgewinnung.
Diagnose als Schlüssel zur Optimierung
Ein entscheidender Aspekt für die weitere Optimierung der Elektrolysestacks ist zudem die detaillierte Diagnose. Hier leistet SIVONIC einen wichtigen Beitrag. Das Unternehmen bietet ein hochentwickeltes Impedanzspektrometer an, mit dem die Effekte und Prozesse, die den Wirkungsgrad des Elektrolysestacks beeinflussen, sowohl im Labor, am Prüfstand als auch in der Elektrolyseanlage präzise untersucht werden können. Durch die Auswertung der Impedanz lassen sich Materialdegradation, Elektrodenprozesse und andere dynamische Effekte identifizieren und gezielt optimieren.
SIVONIC ist Partner im EU-Projekt DELYCIOUS – Diagnosewerkzeuge für Elektrolyseure. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Produktion von grünem Wasserstoff zu revolutionieren. Die Zusammenarbeit im Rahmen von DELYCIOUS fördert den Austausch von Erkenntnissen zwischen Forschung und Industrie und unterstützt die Implementierung standardisierter Diagnoseverfahren, die langfristig zu einer signifikanten Effizienzsteigerung der Anlagen beitragen.
Systemintegration, Diagnose und dynamischer Betrieb
Neben der reinen Materialoptimierung spielt auch die Systemintegration eine wesentliche Rolle. Moderne Regelungstechniken ermöglichen es, Elektrolyseanlagen flexibel an schwankende erneuerbare Energiequellen anzupassen. Durch die intelligente Kombination von Strom- und Wärmenutzung wird die Effizienz der Gesamtanlage deutlich erhöht. Erkenntnisse aus der dynamischen Betriebsführung und der systemübergreifenden Integration in industrielle Prozesse tragen maßgeblich dazu bei, die Anlagenleistung weiter zu steigern.
Optimistische Perspektiven für die Zukunft
Die aktuellen wissenschaftlichen Veröffentlichungen unterstreichen, dass durch gezielte Materialforschung, innovative Betriebsstrategien und fortschrittliche Diagnoseverfahren signifikante Effizienzsteigerungen im Elektrolysestack realisierbar sind. Ingenieure können durch den Einsatz moderner Katalysatoren, stabilerer Membranen, optimierter keramischer Materialien und präziser Diagnoseinstrumente wie des SIVONIC-Impedanzspektrometers den Wirkungsgrad entscheidend verbessern. Gleichzeitig trägt die verbesserte Integration von Wärmerückgewinnungssystemen dazu bei, dass zukünftige Elektrolyseanlagen nicht nur leistungsfähiger, sondern auch wirtschaftlicher arbeiten.
Mit einem klaren Fokus auf die Optimierung des Elektrolysestacks – unterstützt durch innovative Diagnose- und Überwachungstechnologien sowie eine ganzheitliche Systemintegration – steht die Zukunft der Elektrolyseanlagen unter dem Zeichen von Innovation und Energieeffizienz. Dies markiert einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft.
