PEM-Elektrolyse

PEM-Elektrolyse bezeichnet ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser und elektrischem Strom, bei dem eine protonenleitende Polymermembran die beiden Reaktionsräume voneinander trennt. PEM steht je nach Sprachgebrauch für Proton Exchange Membrane oder Polymer Electrolyte Membrane. In beiden Fällen ist dieselbe technische Grundidee gemeint: Die Membran lässt Protonen passieren, hält aber Gase und Elektronen getrennt. An der Anode entsteht Sauerstoff, an der Kathode Wasserstoff.

Die PEM-Elektrolyse ist eine Form der Elektrolyse, aber nicht mit Elektrolyse insgesamt gleichzusetzen. Sie beschreibt eine bestimmte Bauart des Elektrolyseurs. Andere wichtige Verfahren sind die alkalische Elektrolyse und die Hochtemperatur-Elektrolyse. Die Unterschiede betreffen nicht nur Laborchemie, sondern Investitionskosten, Betriebsweise, Materialbedarf, Wirkungsgrad, Lebensdauer, Wartung und die Frage, wie gut ein Elektrolyseur mit schwankender Stromzufuhr betrieben werden kann.

Technische Funktion und Maßeinheiten

Ein PEM-Elektrolyseur besteht aus Zellen, die zu Stapeln zusammengefasst werden. In diesen Zellen laufen die elektrochemischen Reaktionen ab. Die elektrische Leistung eines Elektrolyseurs wird meist in Kilowatt, Megawatt oder künftig in größeren Anlagen auch in Gigawatt angegeben. Diese Leistungsangabe beschreibt, wie viel elektrische Leistung die Anlage aufnehmen kann. Die erzeugte Wasserstoffmenge wird dagegen häufig in Kilogramm Wasserstoff pro Stunde, Normkubikmeter pro Stunde oder Tonnen pro Jahr angegeben.

Für den Vergleich von Anlagen ist der Strombedarf pro erzeugter Wasserstoffmenge zentral. Oft wird er in Kilowattstunden pro Kilogramm Wasserstoff angegeben. Theoretisch enthält ein Kilogramm Wasserstoff rund 33,3 Kilowattstunden chemische Energie bezogen auf den unteren Heizwert. Praktische Elektrolyseure benötigen mehr elektrische Energie, weil Umwandlungsverluste auftreten. Je nach System, Betriebszustand und Bezugsgröße liegen reale Werte häufig grob im Bereich von 50 bis 60 Kilowattstunden Strom pro Kilogramm Wasserstoff, können aber je nach Anlage und Definition abweichen.

Bei PEM-Systemen kommt hinzu, dass sie hohe Stromdichten erreichen können. Das bedeutet, dass auf vergleichsweise kleiner Zellfläche viel elektrische Leistung umgesetzt wird. Dadurch können PEM-Elektrolyseure kompakt gebaut werden. Außerdem können sie Wasserstoff mit erhöhtem Druck erzeugen, was spätere Verdichtungsschritte verringern kann. Das ist technisch und wirtschaftlich relevant, wenn der Wasserstoff gespeichert, transportiert oder in industrielle Prozesse eingespeist werden soll.

Abgrenzung zu alkalischer und Hochtemperatur-Elektrolyse

Die alkalische Elektrolyse nutzt eine alkalische Lösung als Elektrolyt und ist technisch lange erprobt. Sie kommt häufig mit günstigeren Materialien aus und kann bei großen, gleichmäßigen Betriebsweisen wirtschaftlich attraktiv sein. Ihre Dynamik und Kompaktheit unterscheiden sich jedoch von PEM-Systemen. Moderne alkalische Systeme sind flexibler geworden, aber die PEM-Elektrolyse gilt weiterhin als besonders geeignet für schnelle Lastwechsel und hohe Leistungsdichten.

Die Hochtemperatur-Elektrolyse, oft als SOEC bezeichnet, arbeitet bei deutlich höheren Temperaturen. Sie kann sehr hohe elektrische Wirkungsgrade erreichen, wenn geeignete Prozesswärme verfügbar ist. Dafür stellt sie andere Anforderungen an Materialien, Temperaturführung und Betriebsweise. Sie passt eher zu industriellen Standorten mit kontinuierlicher Wärmeintegration als zu jedem beliebigen Standort mit schwankendem Stromangebot.

PEM-Elektrolyse liegt damit nicht einfach auf einer Skala von „besser“ oder „schlechter“. Sie ist eine Technologie mit bestimmten Stärken und Schwächen. Wer PEM-Elektrolyse nur über den Wirkungsgrad bewertet, übersieht Dynamik, Platzbedarf, Druckniveau und Systemintegration. Wer sie nur über ihre Flexibilität bewertet, unterschätzt Materialkosten, Rohstofffragen und Alterung.

Warum PEM-Elektrolyse im Stromsystem relevant ist

PEM-Elektrolyseure können ihre Leistungsaufnahme schnell verändern. Diese Eigenschaft ist im Stromsystem bedeutsam, weil Strom aus Windenergie und Photovoltaik wetterabhängig erzeugt wird. Ein Elektrolyseur, der flexibel betrieben werden kann, kann Strom aufnehmen, wenn viel erneuerbare Erzeugung verfügbar ist, und seine Nachfrage reduzieren, wenn Strom knapp oder teuer ist. Damit kann PEM-Elektrolyse zur Flexibilität auf der Verbrauchsseite beitragen.

Diese Flexibilität ist aber nicht automatisch systemdienlich. Ein PEM-Elektrolyseur reagiert nur dann im Sinne des Stromsystems, wenn Marktpreise, Netzentgelte, Förderregeln, Lieferverträge und technische Anschlussbedingungen entsprechende Signale setzen. Ein Elektrolyseur kann bei niedrigen Börsenpreisen laufen und damit Stromüberschüsse nutzen. Er kann aber auch Netzengpässe verschärfen, wenn er an einem ungünstigen Standort angeschlossen ist oder wenn die Preiszone den lokalen Netzengpass nicht abbildet. Die technische Fähigkeit zur schnellen Leistungsänderung ersetzt keine geeignete Einbindung in Netzbetrieb und Marktregeln.

Für die Versorgung mit grünem Wasserstoff ist zudem die Auslastung der Anlage wirtschaftlich wichtig. Elektrolyseure mit wenigen Volllaststunden produzieren Wasserstoff aus günstigem Strom, verteilen ihre Investitionskosten aber auf eine kleinere Produktionsmenge. Elektrolyseure mit hoher Auslastung erzeugen mehr Wasserstoff pro Jahr, benötigen dafür aber häufiger Strom auch in Stunden mit höheren Preisen oder geringerer erneuerbarer Verfügbarkeit. Daraus entsteht ein Zielkonflikt zwischen niedrigen Strombezugskosten, hoher Anlagenauslastung, Herkunftsnachweisen, Netzdienlichkeit und Wasserstofflieferpflichten.

Materialbedarf, Kosten und Skalierung

PEM-Elektrolyseure verwenden häufig Edelmetalle wie Iridium und Platin als Katalysatoren oder in beschichteten Komponenten. Besonders Iridium gilt als kritischer Faktor, weil die weltweite Produktion gering ist und der Rohstoff in wenigen Lieferketten konzentriert vorkommt. Der Materialbedarf pro Kilowatt kann durch technische Entwicklung sinken, dennoch bleibt die Frage relevant, ob PEM-Systeme in sehr großen Mengen schnell genug und zu vertretbaren Kosten skaliert werden können.

Die Kosten eines PEM-Elektrolyseurs bestehen nicht nur aus dem Zellstapel. Leistungselektronik, Wasseraufbereitung, Kühlung, Gasreinigung, Verdichtung, Steuerung, Sicherheitsausrüstung, Gebäude, Netzanschluss und Planung gehören zum Gesamtsystem. In vielen Debatten wird der Elektrolyseur wie ein einzelnes Gerät behandelt, dessen Preis pro Kilowatt die Wasserstoffkosten bestimmt. In der Praxis hängen die Kosten des erzeugten Wasserstoffs von Investitionskosten, Strompreis, Volllaststunden, Finanzierung, Wartung, Lebensdauer, Wirkungsgrad und regulatorischen Anforderungen ab.

Auch die Alterung ist nicht unabhängig von der Betriebsweise. Häufige Lastwechsel, Teillastbetrieb, Druckdifferenzen, Wasserqualität und Start-Stopp-Zyklen können die Lebensdauer beeinflussen. PEM-Elektrolyseure sind für dynamischen Betrieb geeignet, aber dynamischer Betrieb ist nicht kostenlos. Er muss in technischen Garantien, Wartungsstrategien und Geschäftsmodellen berücksichtigt werden.

Typische Missverständnisse

Ein verbreitetes Missverständnis besteht darin, PEM-Elektrolyse mit grünem Wasserstoff gleichzusetzen. Die Farbe oder Klimawirkung des Wasserstoffs ergibt sich nicht aus der Elektrolysetechnologie, sondern aus der Herkunft des Stroms und den dafür geltenden Bilanzierungsregeln. Ein PEM-Elektrolyseur kann mit erneuerbarem Strom betrieben werden. Er kann aber auch Strom aus einem Netz beziehen, dessen Erzeugungsmix nicht vollständig erneuerbar ist. Für die Bewertung zählen Strombezug, zeitliche Zuordnung, zusätzliche Erzeugungskapazitäten und Nachweisregeln.

Ein zweites Missverständnis betrifft die Rolle als Speicher. Ein PEM-Elektrolyseur ist selbst kein Stromspeicher. Er wandelt elektrische Energie in chemisch gebundene Energie um. Erst zusammen mit Wasserstoffspeicher, Rückverstromung oder industrieller Nutzung entsteht eine Speicherkette oder ein Power-to-X-System. Diese Kette hat andere Wirkungsgrade und Kosten als Batteriespeicher oder Lastverschiebung. Wird Wasserstoff später wieder zu Strom gemacht, gehen bei Elektrolyse, Speicherung und Rückverstromung erhebliche Energiemengen verloren. Wird Wasserstoff dagegen als Rohstoff in der Industrie genutzt, ersetzt er unter Umständen fossilen Wasserstoff oder fossile Prozessenergie. Dann ist die relevante Vergleichsgröße eine andere.

Ein drittes Missverständnis liegt in der Annahme, dass flexible Elektrolyse immer überschüssigen Strom nutzt. Überschuss ist kein naturgegebener Zustand, sondern hängt von Netzkapazitäten, Marktpreisen, Förderregeln und der Abgrenzung des betrachteten Gebiets ab. Strom kann an der Börse billig sein, während lokal ein Netzengpass besteht. Umgekehrt kann erneuerbare Erzeugung abgeregelt werden, obwohl die durchschnittliche Stromnachfrage hoch ist. Für PEM-Elektrolyse zählt deshalb nicht nur der Jahresstrommix, sondern auch der Ort und Zeitpunkt des Strombezugs.

Einordnung in Power-to-X und industrielle Nutzung

PEM-Elektrolyse ist eine Schlüsseltechnologie für Power-to-X, wenn Strom in Wasserstoff oder daraus abgeleitete Produkte wie Ammoniak, Methanol oder synthetische Kraftstoffe umgewandelt wird. Ihre Stärken passen besonders zu Anwendungen, in denen schnelle Regelbarkeit, kompakte Bauweise oder hohe Reinheit des Wasserstoffs wichtig sind. Dazu können industrielle Standorte, Wasserstofftankstellen, Inselnetze, netzdienliche Anlagen oder gekoppelte Systeme mit Wind- und Solarparks gehören.

Für große Grundlastanwendungen kann eine andere Elektrolysetechnologie wirtschaftlicher sein. Für Standorte mit verfügbarer Hochtemperaturwärme kann Hochtemperaturelektrolyse Vorteile bieten. Für Anwendungen mit stark schwankender Stromzufuhr und begrenztem Platz kann PEM-Elektrolyse geeigneter sein. Die passende Technologie ergibt sich aus dem Anwendungsfall, nicht aus einem allgemeinen Rang der Verfahren.

PEM-Elektrolyse macht sichtbar, dass die Herstellung von Wasserstoff eine Schnittstelle zwischen Strommarkt, Netzanschluss, Industriepolitik, Rohstoffversorgung und Klimabilanz ist. Der Begriff beschreibt nicht nur eine Membran im Zellstapel. Er steht für eine technische Wahl, die festlegt, wie schnell eine Anlage reagieren kann, welche Materialien sie benötigt, welche Kostenstruktur entsteht und wie sie in ein erneuerbares Stromsystem eingebunden werden muss. Genau darin liegt der analytische Nutzen des Begriffs: PEM-Elektrolyse erklärt nicht den Wasserstoffhochlauf insgesamt, aber sie zeigt, welche technischen und ökonomischen Bedingungen eine bestimmte Form dieses Hochlaufs prägen.