Batterietagung Münster | 09.-11. April 2024 | Wir stellen aus, kommen Sie vorbei!
Lösungen
Elektrolyse & Power-to-X
Die Entdeckung der Elektrolyse wurde im Grunde durch die „Erfindung“ der Batterie möglich, die überwiegend auf Alessandro Volta zurückgeht. Während die Vorgänge in der Batterie noch lange unverstanden blieben, lieferte die Elektrolyse die Möglichkeit, elektrochemische Prozesse immer besser zu verstehen.
Was ist Elektrolyse und wie funktioniert sie?
Unter Elektrolyse versteht man die Umwandlung von elektrischer in chemische Energie, indem der Strom eine Redoxreaktion erzwingt und dadurch einen chemischen Prozess auslöst.
An der Kathode werden Elektronen aus der Elektrode in die Lösung „transportiert“. Sind positiv geladene Ionen (Kationen) in der Lösung, können sie zur Kathode wandern und dort Elektronen aufnehmen, also reduziert werden. An der Anode fließen Elektronen „zurück“ in den äußeren Stromkreis. Hier werden negativ geladene Anionen oder neutrale Teilchen oxidiert.
Bei der Elektrolyse werden n Elektronen mit einer externen Stromquelle in die Lösung „hineingepumpt“. Die gleiche Menge an Elektronen muss an der Anode oxidierbaren Teilchen in der Lösung „entzogen“ werden. Dies alles funktioniert nur, wenn auch in der Lösung der Stromkreis durch die Wanderung von Ionen zwischen den beiden Elektroden geschlossen wird. Die Lösung muss also ein ionenleitendes Medium, ein „Elektrolyt“, sein. Damit sich die Produkte nicht vermischen, werden die Reaktionsräume häufig durch ein Diaphragma voneinander getrennt.
Die Elektrolyse ist also ein Mittel, um träge Reaktionen durch Anlegen einer ausreichend hohen Überspannung deutlich zu beschleunigen, ohne dafür hohe Temperaturen zu benötigen.
Aktuelle Herausforderungen
Die Forschung & Entwicklung konzentriert sich aktuell vor allem auf High-Tech-Lösungen, die möglichst nachhaltig den Energieeinsatz und die CO2-Freisetzung verringern. Dies versucht sie durch folgende Ansätze zu erreichen.
- Katalytisch aktive und korrosionsfreie Elektrodenmaterialien
- Galvanostatische Durchführung der Elektrolyse, um die Reaktionen selektiver ablaufen zu lassen und weniger Abfallstoffe zu generieren
- Effizientere Energienutzung, indem die Elektrodenprozesse gepaart werden
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Eine vergrößerte Oberfläche durch eine dreidimensionale Elektrodenstruktur (Schäume oder Gitternetze)
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Erzielung möglichst hoher Stromstärken
Für die Optimierung von Elektrolyseparametern und das Materialscreening finden Sie bei uns hochpräzise Potentiostaten/Galvanostaten von PalmSens, Ivium und Origalys. Für simultane Hochdurchsatzmessungen eignen sich Multikanalsysteme wie der MultiPalmSens4, MultiEmStat4 (PalmSens), OctoStat und IviCycle (Ivium). Mit optionalen Boostern werden auch höhere Strombereiche bis 128 A abgedeckt.
Um Einblick in die Beschaffenheit von Oberflächenbeschichtungen oder Membranen zu erhalten, sind die meisten der von uns angebotenen Instrumente bereits mit einem Impedanzmodul ausgestattet oder können bei Bedarf nachgerüstet werden.
Für die Reproduzierbarkeit ist außerdem die Verwendung von elektrochemischen Zellen mit genau definierten Spezifikationen, wie Elektrodenabstände, Zellgeometrie und Temperierbarkeit sehr wichtig. Die Zellen von ItalSens, Origalys, PalmSens (BASi) erfüllen diese hohen Anforderungen, z.B. den ASTM-Standard (American Society for Testing and Materials).
Welche Verfahren werden für die Wasserelektrolyse eingesetzt?
Die klassische alkalische Elektrolyse erfolgt in verdünnte Kalilauge als Elektrolyt, die Reaktionsräume sind durch ein anorganisches Diaphragma getrennt. Das Verfahren ist technisch sehr ausgereift, zuverlässig und kostengünstig. Leider können sie nicht in Teillast betrieben werden, wie dies bei der Einspeisung regenerativer Energien erforderlich ist.
In Festoxid-Elektrolyseurzellen (Solid Electrolyzer Cell, SOEC) ist der Elektrolyt ein Feststoff, der bei 500-850 °C ionenleitend ist. Durch die Fähigkeit, Abwärme und somit weniger Strom pro kg H2 zu nutzen, ist das Verfahren sehr passfähig für chemische und industrielle Anwendungen. Theoretisch können mit den SOEC die höchsten Wirkungsgrade erzielt werden.
Als Elektrolyte werden hier anstelle von Salzlösungen dünne, (fast) gasdichte Membranen aus thermoplastischem Kunststoff (Ionomer) verwendet. Diese Polymerelektrolyt-Membranen (PEM) sind entweder protonenleitend oder auch anionenleitend (AEM). Abb. 2 zeigt das Funktionsprinzip einer Wasserelektrolyse-Zelle für die Gewinnung von Wasserstoff.
Abb. 2.
Prinzip der PEM-Elektrolyse:
Die katalytischen Elektrodenschichten sind auf der Polymermembran aufgebracht. Für den elektrischen Kontakt und den Transport von Wasser und Produktgasen dienen die Bipolarplatten und Gasdiffusionsschichten. An der Anode wird das Wasser zu Sauerstoff und Protonen oxidiert. Die Polymermembran ist durchlässig für Protonen, ermöglicht also den Ladungstransport, aber nicht für Gase. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode und werden dort zu Wasserstoff reduziert. Beide Gase oder nur H2 werden separat aufgefangen und gereinigt.
Abb. 3.
Elektrolyse-Stack aus einer Vielzahl einzelner Zellen
Für die Produktion im industriellen Maßstab müssen mehrere solcher Zellen in sogenannten „Stacks“ gestapelt werden.
Der Wirkungsgrad von PEM-Elektrolyseuren liegt im Bereich von 70 % und ist auch im Teillastbetrieb sehr hoch, weshalb sie aktuell intensiv beforscht werden. Zudem können sie schnell auf den schwankenden Leistungseintrag regenerativer Energiequellen reagieren.
Herausforderungen bei der Wasserelektrolyse
Bei allen Komponenten wird weiterhin an der Steigerung der Effizienz geforscht:
- Katalysatorbeladung und Materialaufwand
- Wasser-, Gastransport und Wärmeableitung
- Elektrischer Kontakt
- Korrosionsresistenz, Lebensdauer und Leitfähigkeit der Polymermembranen
Mit Testständen von Scribner und MaterialsMates liefert EKTechnologies hier optimale Instrumente im Leistungsbereich zwischen 100 W und 100 kW. Mit seinem ausgereiften Konzept und umfangreichen Zubehör ist der 600 ETS von Scribner ein Standard in der Grundlagenforschung sowie dem Upscaling gworden. Mit der extrem bedienerfreundlichen Software FlowCell-ETS® zur Planung und Darstellung der Experimente sowie der EIS-Analysesoftware ZView® hat Scribner ebenfalls Maßstäbe gesetzt.
Die Ingenieure von MaterialsMates sind in der Lage, Elektrolyseteststände für das Upscaling bis 100 kW für spezielle Kundenbedürfnisse maßzuschneidern. Diese können u.a. mit dem einzigartigen Hochleistungs-Multikanalsystem MM580-S für die simultane Impedanzmessung bis 100 kW und > 120 Kanälen ausgerüstet werden können.
Die Anlagen sind mit umfangreichen Sicherheitsmechanismen ausgestattet. Neben den Systemen für das Gasmanagement, für Temperaturkontrolle und Befeuchtung der Gase gehören auch elektronische Lasten, Potentiostaten/Galvanostaten und Impedanz-Messysteme zu unserem Portfolio. Ein umfangreiches Sicherheitskonzept, sorgfältige Einweisung sowie kontinuierlicher Support sind für uns selbstverständlich.