Wasserstoff gilt als der Hoffnungsträger schlechthin auf dem Weg in eine grüne Energielandschaft. Er ermöglicht die Speicherung und den Transport von Energie aus erneuerbaren Quellen und öffnet somit das Tor für den Handel mit dieser Energie.

Um aus Wasser das begehrte Gas zu gewinnen, kommt die Elektrolyse zum Einsatz. Hierbei wird Wasser einer Spannung ausgesetzt, woraufhin es sich in seine Bestandteile (Wasserstoff und Sauerstoff) zerlegt. Doch Elektrolyse ist teuer: Sie arbeitet derzeit bestenfalls mit einem Wirkungsgrad von etwas über 80 Prozent.

Wie wird die Elektrolyse effizienter?

Bei den bisher vorhandenen Methoden gibt es dabei kaum weitere Stellschrauben, die man anziehen kann, um die Verfahren effizienter und damit billiger zu machen. Hauptsächlich die Senkung des Strom-Einsatzes bietet Luft nach oben.

Die Kollegen der International Renewable Energy Agency (IRENA) waren dennoch zuversichtlich und sagten einzelnen Systemen voraus, dass sie bis zum Jahr 2050 mit weniger als 42 Kilowattstunden (kWh) auskämen, um ein Kilogramm Wasserstoff zu erzeugen.

Das neue System der Kapillarelektrolyse schafft das jetzt bereits.

Australische Forscher der University of Wollongong und dem ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science präsentierten ihre Arbeit an einem Elektrolyseur mit einem Wirkungsgrad von 98 Prozent. Ihrem Verfahren reicht eine Strommenge von 40 kWh für die Gewinnung von einem Kilogramm H2.

Schematische Darstellung der Kapillarelektrolyse aus Studie Hodges et al. 2022.
Der neue Elektrolyseur
Die Elektroden (Kathode und Anode) befinden sich nicht direkt im Wasser wie bisher üblich. Bild: Aaron Hodges et al. 2022

Bei bisher eingesetzten Elektrolysemethoden befindet sich noch immer mindestens eine der beiden Elektroden im Wasser (Genauer: meist eine wässrige Lösung in bestimmter Zusammensetzung, wie Kaliumhydroxid und Wasser).

Stattdessen wird nun eine Kapillare verwendet, um das zu spaltende Wasser der Spannung auszusetzen. Keine der beiden Elektroden befindet sich mehr direkt in der Flüssigkeit.

Glaskapillaren zum Abnehmen von Blutstropfen.
Glaskapillaren aus der medizinischen Anwendung
Je geringer der Querschnitt einer Kapillare, desto stärker werden bestimmte Flüssigkeiten hineingezogen.

Kapillaren sind feinste Röhrchen, in denen Flüssigkeit von allein aufsteigt – auch entgegengesetzt der Schwerkraft. Sie werden in der Medizin unter anderem dazu verwendet, um Blut abzunehmen. Auch Pflanzen machen sich die Kapillarwirkung zunutze und leiten darüber das Wasser von der Wurzel bis in die Blätter.

Bei der neuen Elektrolysetechnik wird das Wasser durch diese Kapillaren nach oben transportiert. Die Elektroden liegen hierbei seitlich an der zentralen Kapillargruppe, ohne selbst direkten Kontakt zum Wasserreservoir zu haben. Außerdem nutzen die Forscher Material für die Elektroden, dessen Zuverlässigkeit bereits erprobt ist.

Kapillarstruktur, die für das neue und hocheffiziente Elektrolyseverfahren zur Anwendung kommt.
Feinste Röhrchen bringen den Durchbruch
Die Natur macht es vor: Die genutzte Kapillarstruktur ähnelt dem Wassertransportsystem der Pflanzen. Bild: Aaron Hodges et al. 2022

Bei einer Temperatur von 85 °C und einer Spannung von 1,5 V fährt das System nur 2 Prozent Verluste ein:

An alkaline capillary-fed electrolysis cell of this type demonstrates water electrolysis performance exceeding commercial electrolysis cells, with a cell voltage at 0.5 A cm−2 and 85 °C of only 1.51 V, equating to 98% energy efficiency, with an energy consumption of 40.4 kWh/kg hydrogen (vs. ~47.5 kWh/kg in commercial elec- trolysis cells)

Übersetzt: Eine […] Elektrolysezelle dieses Typs […] arbeitet bei 0,5 A cm−2, 85 °C und nur 1.51 V, resultierend in 98% Energieeffizienz. Sie benötigt dabei 40,4 kWh Strom pro Kilogramm Wasserstoff.

Aaron Hodges et al. 2022, Nature

Warum ist die Kapillarelektrolyse so effizient? 

Für die enorm hohe Effizienz greifen mehrere Mechanismen ineinander. Neben dem zuverlässigen Elektrodenmaterial bietet der Kern der Neuheit – die Kapillaren – dem Wasser einen besonders geringen Widerstand, sodass es leicht zu den Elektroden gelangen kann. Dass außerdem die Spannung (1,5 V) so niedrig sein darf, liegt an der stark verringerten Bläschenbildung.

Bläschen im Wasser

Da wo in einer Flüssigkeit Gase entstehen (so wie es die Elektrolyse zum Ziel hat), bilden sie blasen und steigen als solche auf. Das ist für alte sowie die neue Methode gleich. Denkt man sich nun aber tiefer in das Material einer konventionellen Anlage hinein wird klar, dass an einer Elektrode dort viel Gas entsteht, wo sie besonders gut wirkt. Für den Moment der Bläschenbildung ist dieser kleine Bereich der Elektrode jedoch durch ebendieses Gas blockiert und kann in dieser Zeit keine weitere Flüssigkeit auftrennen. Anders ausgedrückt: Eine besonders gute Elektrode steht sich selbst im Weg.

Paul Barrett und Gerry Swiegers von der Universität Wollongong in Australien mit ihrem innovativen Wasserstoff-Elektrolyseur
Stolze Entwickler
Paul Barrett und Gerry Swiegers von der Universität Wollongong in Australien mit ihrem innovativen Wasserstoff-Elektrolyseur, der nun vom Spin-off Hysata industrialisiert werden soll. Foto: Hysata

Durch den Aufbau der neuen Anlage der Australier wird das entstehende Gas besonders schnell abtransportiert, sodass es die Elektroden nicht blockiert. Außerdem benötigt sie weniger Pumpleistung, da die Kapillaren selbst für den Wassertransport sorgen.

Geringere Investitionskosten

Auch ist der Aufbau des neuen Elektrolyseurs an sich weniger komplex und daher in seiner Anschaffung billiger: Es fallen Kühlsysteme und die sonst üblichen Flüssigkeitsabscheider weg. Das Wasserkreislaufsystem kann ebenfalls deutlich kleiner ausfallen (nur etwa 500 Liter gegenüber 10.000 Liter herkömmlicher Anlagen). Kurz gesagt: Sowohl Anschaffung als auch Betrieb dieser neuen Anlage ist allen bisherigen Modellen überlegen.

Um die Erzeugung, Speicherung, Transport und Nutzung von erneuerbarer Energie konkurrenzfähig zu machen, braucht es Errungenschaften wie diese. Nur so können fossile Energieträger abgelöst werden – je schneller desto besser.

Inzwischen werden die konkreten Errungenschaften der Australier auch direkt industriell umgesetzt: Eine eigens gegründete Firma (Hysata) wirbt nun mit einem Wirkungsgrad von 95 Prozent über das gesamte System hinweg.

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26 Kommentare

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    Der Artikel suggeriert, dass der vorliegende Effizienzgewinn bei der Elektrolyse irgendwelche fundamentalen Verbesserung bei der Gesamt-Effizienzbetrachtung ergibt.
    Das ist mitnichten der Fall.

    Die anderen Bereiche wie Kompression/Transport …. sind das echte Problem und da stößt man auf physikalische Gesetzmäßigkeiten, die sich nicht so einfach wegoptimiern lassen.

    Im Verkehrsbereich hat h2 keine Chance.
    keine.

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      Es werden Verbesserungen suggeriert, die keine sind. Ein weltweiter Erfolg ist dem Wasserstoff, dann beschieden, wenn dieser dezentral erzeugt und vor Ort verbraucht wird. In jedem Haushalt könnte ein Elektrolyseur mit Kleinspeicher stehen. Serienfertigung in den überflüssigen Autofabriken wäre eine vernünftige Nachnutung. Das Match findet zwischen Zentralisten, die keine Macht abgeben wollen, und dezentralen partizipierenden Strukturen statt.

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    Die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser beträgt 1,23V. Wenn das System mit 1,5V arbeitet, dann ist der Wirkungsgrad des Schrittes der Elektrolyse 82%, und nicht 95%. Die 82% sind aber bereits sehr gut.

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      1 kg Wasserstoff enthält 33 kWh. Wenn dafür 40 kWh verbraucht werden, komme ich auch mit dieser Rechnung auf 82 % Wirkungsgrad.

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        Danke für Ihren Kommentar!
        Ich habe die Formulierung geändert. Die Energiedichte von Wasserstoff lässt sich selbstverständlich nicht weiter erhöhen und es stecken auch nicht 98% der eingesetzten 40 kWh in einem Kilogramm Wasserstoff. Die Effizienz der einzelnen Elektrolysezelle liegt laut Aussage der Forscher dennoch bei 98%.

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        Interessant ist allerdings auch, dass eine Arbeitsgruppe in Melbourne (AU) eine ähnliche Apparatur aufgebaut hat, die einen sog. Faradaic efficiency (FE) von 95% hat (Ich vermute, diese FE ist gleich zu setzen mit dem Wirkungsgrad). Der Pfiff an diesem Verfahren ist: das Wasser wird durch hygroskopische Elemente aus der Luft entnommen. Das System funktioniert bis zu einer relativen Feuchte von 4 %. In ariden Gebieten der Erde (wo in der Regel viel Sonne, = PV-Strom, ist) herrscht eine relative Feuchte von ca. 20 – 21 %). Das Projekt wird vorgestellt bei Nature (https://www.nature.com/articles/s41467-022-32652-y#Fig3). Leider ist das noch im Stadium des „4 cm²“ – Elektrolyseurs …

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    Wichtig ist zu verstehen, daß vor Allem die Grossverbraucher = Industrie wirklich sinnvoll auf Wasserstoff umrüstbar sind.

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    Wieso nicht eine Technologie weiterentwickeln, mit der man das Potenzial des grünen Stroms voll ausnutzen kann?

    Was ist die größere Verschwendung?
    -Anlagen, die grünen Stromerzeugen bei viel Sonne oder Wind abzuregeln, weil der Strom das Netz überlasten würde
    -oder den Stromüberschuss, wenn auch mit schlechterem Wirkungsgrad als bei direkter Verwendung, als Wasserstoff zu speichern?
    Ich weiß, das geht auch mit Batterien, aber die werden erst mal für die ganzen E-Autos benötigt.

    Die Kostenrechnung ist auch erst mal korrekt.
    Setzt man bei der Wasserstofferzeugung aber den überschüssigen Strom an, für den die letzten Jahre sogar etwas gezahlt wurde, wenn er abgenommen wird, sieht die Rechnung auch anders aus.

    „GLAUBE KEINER STATISTIK, DIE DU NICHT SELBST GEFÄLSCHT HAST!“

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      Batterien ist nur kurzfristig (Tagen) sinnvoll. Wasserstoff ist langfristige chemische Bindungsenergie und jederzeit abrufbar verwendbar wie Erdgas.

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      Es werden Verbesserungen suggeriert, die keine sind. Ein weltweiter Erfolg ist dem Wasserstoff, dann beschieden, wenn dieser dezentral erzeugt und vor Ort verbraucht wird. In jedem Haushalt könnte ein Elektrolyseur mit Kleinspeicher stehen. Serienfertigung in den überflüssigen Autofabriken wäre eine vernünftige Nachnutung. Das Match findet zwischen Zentralisten, die keine Macht abgeben wollen, und dezentralen partizipierenden Strukturen statt.

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        Die Dezentraliśierung ist eine interessante Idee, bei der PV-Dach“begrünung“ wird das ja ähnlich gehandhabt. Warum nicht bei den Elektrolyseuren. Allerdings, H2 vor Ort zu speiechern kann gefährlich werden (Explosion, Knallgas etc.) – Da wird es hohe Sicherheitsanforderungen geben müssen. Allerdings denke ich, die Ingenieure werden sich etwas dabei einfallen lassen, was bezahlbar ist).

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    Um auf die vorherigen Kommentare einzugehen: Nicht nur E-Autos benötigen Energie. Wäre es wirtschaftlich, um überschüssige Stromkapatzitäten in Form von Wasserstoff in das Gasnetz einzuspeisen, um hier Haushalte mit Energie zu versorgen, bei denen Holz und Wärmepumpen nicht in Frage kommen? Darüber hinaus gibt es ja auch die Industrie… Eine wirklich tolle Innovation 🙂

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    Die Preisstruktur wäre noch interessant. Aktuell bezahle ich im EK 111.000 USD für einen PEM H2-Elektrolyseur mit 12 kW (max. 34 LPM)

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      Eine der Kernaussagen der Studie ist, dass sich solche Anlagen umso mehr lohnen, je größer die Skalierung ist.

      Ich kann den Reiz verstehen, auch zuhause einen Elektrolyseur zu betreiben. Flächendeckend wird es wohl aber eher auf Akkus als Energiespeicher hinaus laufen. Zumindest im privaten Bereich.

      Auch wird sich die neue Firma Hysata (vermutlich) zunächst auf Industriekunden konzentrieren (müssen).

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    Die Frage ist halt wie wiel Energie noch dahinter verbraucht wir was die H2 Lobbyisten gerne vergessen aber wenn man mit ein BEV vergleicht wird gerne von Ladeverluste geredet.
    100 kWh würdem dann ja, nur 2,5 kg H2 ergeben wo wiederum nur 82,5 kWh Energie gespeichert ist. Da die im Bericht ja vom 40 kWh Energie pro Kg schreiben, das H2 muss noch Transportiert werden und auf weit über 750 Bar gepumpt werden damit es ins Auto gepumpt werden kan.

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      Jetzt habe ich mal kurz nachgerechnet. 1 Kg H2 hat eine gespeicherte Energie vo 33 KWh.
      So wenn die jetzt 40 KWh für 1 Kg H2 aufwenden, dann wäre das Ei Wirkungsgrad von ca. 83 Prozent.

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        Müsste man zur korrekten Berechnung der „Energie“ – Freisetzung bei der (Rück-) Oxidation von Wasserstoff nicht den Wert für die freie Enthalpie Delta G herannehmen (es sei denn man will damit schlicht „heizen“, dann wäre Delta H in Ordnung)?
        Wenn ich das mache, sind das knapp 229 kJ/Mol Wasserstoff. Bei einem Kilogramm Wasserstoff (=500 Mol) komme ich damit auf ca. 31,8 kWh. Werden 40 kWh eingesetzt um den Wasserstoff zu produzieren, kommt man dann auf einen Wirkungsgrad von 79,5%
        Meine Vermutung ist, dass der Schlüssel zu den unterschiedlichen Werten darin begründet liegt, dass das Verfahren laut Angabe eine Temperatur von 85°C benötigt. In den 40 kWh, die angegeben sind, wird die Energie, die man benötigt, um diese Temperatur zu erreichen wahrscheinlich mit eingerechnet sein. Im Wirkungsgrad von 98% evtl. nicht. Das könnte den Unterschied erklären.

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          Alleine die dezentrale Produktion hat erhebliche bessere Wirkungsgrade als fossile Brennstoffe.darum muss es gehen.

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            Das würde ich so allgemein nicht stehen lassen. Betrachtet man die ganze Kette: Wasserstoffproduktion – Wasserstofflagerung bzw. dessen Transport – Rückverstromung (falls elektrische Energie daraus gewonnen werden soll), ist der gesamte Prozess in großem Stil wirkungsgradtechnisch ziemlich schlecht. Fossile Brennstoffe stehen dann nicht schlechter, teilweise gar besser da. Es geht nur um CO2 – Vermeidung, die man unbedingt will.

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    Also als Durchbruch würde ich das nicht bezeichnen. Schon gar nicht für den Verkehrssektor!
    Mal abgesehen das ein Batterie Elektrisches Fahrzeug mit 40 kWh gute 300 km weit kommt finde ich das fernab jeder Realität oder Umsetzbarkeit!

    Hinzukommt ja noch Kompression, Verflüssigung und Transport. was sicher auch nochmals mit mit guten 20 kWh zu Buche schlägt.

    Somit würde man für gute 60 kWh ca 100km weit kommen.
    Ähm sorry aber das ist absolut unmöglich da alleine schon der Strom nicht vorhanden ist und das auch nicht sein wird die nächsten 20 Jahre.

    Gut gerechnet
    60 kWh -> 1kg Wasserstoff -> 100km -> (20cent) 12Euro/100km
    60 kwh -> Batteriespeicher -> 400km -> (43cent) 6,45€ / 100km
    Solarstrom selbsterzeugt liegt aktuell bei (5cent) 0,75€ / 100km

    Also selbst ein Kleinkind rechnet sich da nichts schön!

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      Guten Tag und danke für Ihren Kommentar.
      Wasserstoffbetriebene EVs stehen tatsächlich vor etlichen Herausforderungen. Unter anderem der Kompression, aber auch der dauerhaften Abdichtung der Behälter.

      Dieser Artikel beschäftigt sich jedoch mit der Wasserstoffgewinnung. Eine energie- und somit kosteneffiziente Erzeugung von Wasserstoff ist Teil einer langen Ketten auf dem Weg in die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Und das nicht nur bezogen auf den Verkehrssektor, sondern vielmehr gesamtwirtschaftlich. Vor diesem Hintergrund lässt sich eine solch hohe Effizienz sehr wohl als Durchbruch bezeichnen, finden Sie nicht auch? Und ja: An vielen Gliedern der Kette gibt es Forschungsbedarf – am Punkt hocheffizienter Wasserstoffautos sind wir noch nicht.

      Ich empfehle einen weiteren Artikel zum Energietransport, vielleicht rückt dieser das Bild weiter zurecht: https://edison.media/energiespeicher/wie-kann-man-energie-speichern-und-weltweit-handeln/25228773/

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      Thema verfehlt. Das neue Verfahren erzeugt Wasserstoff mit Hilfe von Elektrizität. Und das mit unschlagbar gutem Wirkungsgrad, mehr wurde nicht berichtet. Wie effektiv man anschließend mit dem Wasserstoff umgeht, bleibt den Nutzern überlassen.

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      Auch Kleinkinder kommen gerne vom Kuchenbacken auf Aschbacken. Wie kommen Sie darauf dass es hier um E-Mobilität geht? Für H2 gibt es noch 1000 andere Möglichkeiten ohne die besagte Nachteile wie bei den Autos.
      Eine Wirkungsgradsteigerung von 80 auf 95% ist jedenfalls genial und verdient höchste Anerkennung.

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        @Charly
        …willkommen im Club!
        Schließe mich dem zu 110% an.
        Die Nachfrage nach H2 als Produkt und auch Anlagen zur Erzeugung und zur Wandlung sind bei mir gigantisch.
        Die Frage ist nicht wo das letzte % an Wirkungsgrad herkommt und ob ich noch 0,05% Faktor Verbesserung erforschen kann zu Milliardenkosten, es geht um T U N.
        Lasst uns um die reale Umsetzung und wer kann es machen diskutieren.
        Die Zeit der Sabbelei ist vorbei!
        Nicht 100.000 Volt im Kopf haben, diese auch anwenden und Projekte umsetzen…

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