Die Elektrolyseure bestehen aus zwei Elektroden, die durch eine sogenannte Protonen-Austausch-Membran (PEM) getrennt und von hochreinem Wasser umspült sind. Legt man eine Spannung an die mit Edelmetallen beschichteten Elektroden an, fungiert die Anode als Katalysator und trennt die Wasser-Moleküle in Sauerstoff-Atome, Elektronen und elektrisch positiv geladene Wasserstoff-Ionen, also Protonen. Einzig die Protonen können die Membran durchdringen. Sie vereinen sich an der Kathode mit den Elektronen, die über einen äußeren Stromkreis dorthin gelangen, zum gewünschten Energieträger: Wasserstoff.
Im Vergleich zur bisher gebräuchlichen und ausgereiften Technik der Alkalischen Elektrolyse bietet das PEM-Verfahren einige Vorteile: Der Elektrolyt besteht aus einer festen Polymermembran statt aus heißer und ätzender Kalilauge, die bei der Alkali-Elektrolyse ständig umgewälzt werden muss. Das macht die neuen Anlagen umweltfreundlicher, wartungsärmer und vor allem kleiner und leichter. Der Wasserstoff, der darin entsteht, ist zudem sehr rein und muss nicht von Laugeresten gesäubert werden. Außerdem springen PEM-Elektrolyseure im Gegensatz zu Alkali-Elektrolyseuren sehr schnell an und arbeiten auch dann effizient, wenn sich nicht voll ausgelastet sind – Eigenschaften, die sie für eine Kombination mit Windkraftwerken empfiehlt.
Energie-Drehscheibe Hamburg
Während die Technologie in kleinen Anlagen mit einer Leistung um die 100 Kilowatt seit Längerem genutzt wird, ist der Einsatz in Großanlagen neu: Im Energiepark Mainz erproben die Stadtwerke Mainz AG mit drei Partnern aus Industrie und Forschung seit Juli dieses Jahres drei PEM-Elektrolyseure mit jeweils bis zu zwei Megawatt Leistung – es ist die größte derartige Anlage weltweit. Der gewonnene Wasserstoff kann direkt ins Gasnetz eingespeist oder in Tanklastern zu Industriebetrieben befördert werden, wo er sich als Energieträger oder chemischer Grundstoff verwenden lässt.
In Hamburg-Reitbrook betreibt ein Industrie- und Forschungsverband unter der Leitung von Eon Gas Storage seit Oktober eine Anlage mit 1,5 Megawatt Spitzenleistung, die ebenfalls einen Superlativ für sich beanspruchen kann: Mit einem Volumen von rund einem Drittel Kubikmeter ist sie die weltweit kleinste Anlage mit einer so hohen Leistung – Alkali-Elektrolyseure mit derselben Leistung sind bis zu 30 Mal so groß.
Der Standort Hamburg ist zudem interessant: Künftig könnte die Hansestadt eine Schlüsselrolle für die Windgas-Technologie zukommen. Schon heute drängen nördlich der Elbe über 7000 Megawatt Windstrom in die Netze – Tendenz steigend. Auch deshalb ist Hamburg das norddeutsche Energiedrehkreuz und bietet sich dafür an, künftig große Mengen Windgas zu produzieren und in die Gasnetze zu leiten. Denn bei einem prognostizierten Bedarf von bis zu 134 Gigawatt Elektrolyseleistung werden in jedem Fall noch etliche Anlagen hinzukommen müssen.
