Ein Elektrolyseur ist ein Gerät oder System, das den Prozess der Elektrolyse nutzt, um Wasser (H₂O) mithilfe von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu spalten. Diese Technologie spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbarem Strom. Wasserstoff ist ein sauberer und vielseitiger Energieträger. Elektrolyseure sind vermutlich Schlüsselkomponenten für zukünftige Energieversorgung, Versorgung von industriellen Prozessen und Energiespeicherung bei der Integration erneuerbarer Energien.

Elektrolyse und die Grundlagen der Elektrolyseure

Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, der einen Elektrolyten benötigt, d. h. eine Substanz, die Elektrizität über Ionenfluss leiten kann. Durch Anlegen von elektrischem Strom werden an einer der beiden Elektroden, eingetaucht im Elektrolyten, Ionen erzeugt. Diese wandern dann durch den Elektrolyten zur anderen Elektrode. Durch chemische Reaktion an den jeweiligen Elektroden kommt es zur Zerlegung eines Stoffes in seine Bestandteile. Meist werden für die chemische Reaktion an den Elektroden Katalysatoren benötigt, die elektrisch leitfähig an den Elektroden angebracht sind. Die bekannteste Elektrolyse ist die des Wassers in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff.

Ein Elektrolyseur ist ein Gerät zur Durchführung des Elektrolyseprozesses. Er besteht in der Regel aus mehreren Komponenten:

Elektrolyt: Eine leitfähige Substanz, die den Fluss von Ionen ermöglicht. Bei der Wasserelektrolyse ist der Elektrolyt das Wasser selbst, es wird H+ als Ion transportiert. In der alkalischen Elektrolyse wird  Kaliumhydroxid zugesetzt um die Leitfähigkeit von Wasser für OH- zu ermöglichen.

Elektroden: Leitende Materialien, oft aus Metallen oder Metalloxiden, die als Orte für die elektrochemischen Prozess des Elektronentransfers dienen.

Elektroden-Katalysatoren: Ein Material was durch Adsorption der beteiligten chemischen Stoffe die Bildung der Elemente begünstigt und dabei selbst leitfähig ist, um den Elektronentransfer zu ermöglichen.

Anode: Die positive Elektrode, an der die Oxidation stattfindet, die zur Freisetzung von Sauerstoffgas führt.

Kathode: Die negative Elektrode, an der eine Reduktion stattfindet, die zur Bildung von Wasserstoffgas führt.

Elektrolysekammer: Der Raum, in dem sich der Elektrolyt und die Elektroden befinden, so dass die Reaktionen kontrolliert ablaufen können

Diaphragma: Eine Membran oder membranartige Trennschicht zwischen dem umgebenden Raum der Anode und der Kathode, durch die sich die positiv oder negativ geladenen Ionen von einer Elektrode zur anderen bewegen können. Dieses Diaphragma ist idealerweise undurchlässig für die gebildeten Elemente, damit es nicht zur Vermischung der Elemente und damit der Rückreaktion kommt. Die Rückreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ist ja bekanntermaßen die Knallgasreaktion und hätte für die unmittelbare Umgebung schlimme Folgen.

Arten von Elektrolyseuren

Es gibt verschiedene Arten von Elektrolyseuren, die jeweils unterschiedliche Materialien und Technologien für die Wasserspaltung verwenden:

Alkalische Elektrolyseure (AEL): Alkalische Elektrolyseure verwenden eine alkalische Elektrolytlösung, häufig wässriges Kaliumhydroxid (KOH), und arbeiten bei 60-90°C. In der alkalischen Elektrolyse werden Hydroxidionen durch das Diaphragma transportiert. AEL sind für ihre Langlebigkeit und ausgereifte Technologie bekannt, sind aber im Vergleich zu einigen neueren Technologien weniger effizient. Druckbetrieb bis zu 10 bar ist möglich, um Wasserstoff bereits verdichtet zu erhalten.

Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEMEL): PEM-Elektrolyseure verwenden eine feste Polymerelektrolytmembran, die selektiv Protonen durchlässt. Sie arbeiten bei niedrigeren Temperaturen und können schnell auf Stromänderungen reagieren, wodurch sie sich für variable erneuerbare Energiequellen eignen. Auch kann die PEMEL unter Druck bis zu 50 bar betrieben werden, was eine Nachverdichtung von Wasserstoff deutlich einfacher macht.

Festoxidelektrolyseure (SOEL): SO-Elektrolyseure verwenden einen festen keramischen Elektrolyten und arbeiten bei hohen Temperaturen von 600-800°C. Sie sind effizient bei der Erzeugung von Wasserstoff und können auch im umgekehrten Modus als Brennstoffzellen arbeiten, also Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Durch die hohe Temperatur ist der theoretische Wirkungsgrad höher, es wird jedoch eine gute Wärmerückgewinnung und Isolation benötigt. Wegen des keramischen Aufbaus arbeiten SOEL-Systeme meist drucklos, sind empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Wegen der Möglichkeit des Zellenbruchs sind schnelle Lastwechsel nicht möglich.  

Hochtemperatur-Elektrolyseure (HTEL): Diese Bezeichnung fasst alle Elektrolysetechnologien zusammen, die bei hohen Temperaturen von 600-1000°C arbeiten. Die häufigsten Vertreter basieren auf festen Oxid- oder geschmolzenen Karbonatelektrolyten. 

Betrieb und Verfahren von Elektrolyseuren

Der Betrieb eines Elektrolyseurs beinhaltet zwei elektrochemische Hauptreaktionen an den Elektroden:

An der Anode: An der Anode wird durch Elektronenentzug oxidiert, wodurch Sauerstoffgas freigesetzt wird.
In der PEMEL läuft folgende Reaktion ab:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-

An der Kathode: An der Kathode werden Elektronen auf eine chemische Spezies übertragen und es wird reduziert, wobei Wasserstoffgas entsteht.
In der PEMEL läuft folgende Reaktion ab:
4H⁺ + 4e^- → 2H₂

Diese Reaktionen werden durch die angelegte elektrische Potentialdifferenz (Spannung) an den Elektroden angetrieben. Der gesamte Prozess erfordert eine Energiezufuhr in Form von Elektrizität.

Elektrolyseure spielen eine zentrale Rolle beim Übergang zu einem kohlenstoffarmen und nachhaltigen Energiesystem. Sie ermöglichen die Produktion von sauberem Wasserstoff, der fossile Brennstoffe in verschiedenen Anwendungen ersetzen oder zur Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffen aus CO₂ genutzt werden kann. Obwohl Effizienz, Kosten und Langlebigkeit nach wie vor Herausforderungen darstellen, sind Elektrolyseure eine Schlüsseltechnologie für den Übergang zu einer nachhaltigeren Energiezukunft.