Einfluss der Wasserqualität auf den Energieverbrauch bei der elektrolytischen Wasserstoffproduktion mittels PEM

Die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) hat sich aufgrund ihrer hohen Effizienz, hohen Stromdichte, breiten Temperaturanpassungsfähigkeit und schnellen Reaktionsgeschwindigkeit zu einer der gängigsten Methoden entwickelt. Obwohl sich die Forschung hauptsächlich auf die Demonstration von PEM-Elektrolyseuren, die Entwicklung neuer Katalysatoren oder die Verbesserung von Protonenaustauschmembranen konzentriert, bleibt die System- und Speisewasseroptimierung eine entscheidende Herausforderung. Daher betont diese Studie den Einfluss von Wasserqualitätsparametern – einschließlich pH-Wert, Gesamtgehalt gelöster Feststoffe (TDS) und Leitfähigkeit – auf den Energieverbrauch von PEM-Elektrolyseuren zur Optimierung der Wasserstoffproduktion. Diese Parameter stehen oft in Wechselwirkung und beeinflussen die Elektrolyseleistung.

Das Funktionsprinzip einer PEM-Elektrolyseur beinhaltet die elektrochemische Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden. Da Wasser das primäre Reaktionsmedium ist, wirkt sich seine Qualität direkt auf die Elektrolyseeffizienz und den Energieverbrauch aus. Wichtige Faktoren für die Wasserqualität sind pH-Wert, TDS und Leitfähigkeit. Beispielsweise kann der pH-Wert das Reaktionspotential der Sauerstoffreduktion verändern und dadurch den Energieverbrauch beeinflussen, extreme pH-Werte können jedoch zu Membrandegradation führen. Eine niedrige Leitfähigkeit kann zur Reduzierung des Energieverbrauchs beitragen, eine zu hohe Leitfähigkeit kann jedoch die Membran beschädigen. TDS hängt mit der Wasserleitfähigkeit zusammen und kann zu Ablagerungen führen. Die American Society for Testing and Materials (ASTM) empfiehlt die Verwendung von deionisiertem Wasser Typ I (total organic carbon <50 ppb, spezifischer Widerstand >1 MΩ·cm, Natrium und Chlor <5 µg/L). Tatsächliche Wasserquellen enthalten jedoch oft Verunreinigungen, was die Reinigungskosten erhöht. Studien zeigen, dass bei einem TDS von Null kein Wasserstoff produziert wird, während hohe TDS-Werte (0–2000 ppm) die Produktion steigern.

​​1. Einfluss des pH-Werts auf die Gasproduktion und den Energieverbrauch​​

Die Effizienz der PEM-Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung (einschließlich Gasproduktion und Energieverbrauch) hängt eng mit dem pH-Wert des Elektrolyten zusammen. Die wichtigste Anforderung besteht darin, dass der pH-Wert im optimalen Bereich des Elektrolysesystems bleibt. Abweichungen von diesem Bereich (zu sauer oder zu alkalisch) reduzieren die Systemleistung erheblich. Zu saure oder alkalische Umgebungen können Katalysatoren von ihren optimalen Arbeitsbedingungen entfernen, ihre chemische Aktivität verringern oder sogar strukturelle Schäden verursachen, was zu langsameren Wasserstoffentwicklungsreaktionen (HER) und Sauerstoffentwicklungsreaktionen (OER) führt. Darüber hinaus können extreme pH-Bedingungen den Hydratationszustand und die chemische Stabilität der Protonenaustauschmembran (PEM) beeinträchtigen, einen effizienten H⁺-Transport behindern und Versorgungsunterbrechungen mit Reaktanten verursachen. Eine zu saure Umgebung kann Elektroden korrodieren und zu Ablagerungen an aktiven Stellen führen, während eine zu alkalische Umgebung zur Ausfällung von Verunreinigungen führen kann. Dies erhöht nicht nur den Energieverbrauch, sondern hemmt auch die Gasentwicklung und führt zu einer verringerten Gasproduktion.

​​2. Einfluss des Gesamtgehalts an gelösten Feststoffen (TDS) auf die Gasproduktion und den Energieverbrauch​​

TDS bezeichnet die Gesamtkonzentration der im Wasser gelösten anorganischen und organischen Substanzen und ist ein wichtiger Indikator zur Beurteilung der Wasserqualität. Die Gasproduktion steigt mit höheren TDS-Konzentrationen, da ein hoher TDS-Wert die Wasserstoffbildung katalysieren kann. Umgekehrt führen niedrige TDS-Werte zu einer eingeschränkten Gasproduktion, und bei einem TDS-Wert von null wird kein Wasserstoff produziert.

TDS beeinflusst den Energieverbrauch erheblich. Ein hoher TDS-Wert erhöht die Leitfähigkeit des Wassers, erhöht aber gleichzeitig die Spannung des Elektrolyseurs, was zu einem höheren Energieverbrauch führt. Gleichzeitig kann TDS zu Ablagerungen an Elektroden oder Membranen führen und so die Effizienz verringern. Um diese Effekte zu mildern, werden Wasseraufbereitungstechnologien (wie Umkehrosmose oder Deionisierung) empfohlen, um den TDS-Wert zu senken und den Energieverbrauch zu optimieren.

​​3. Einfluss der Leitfähigkeit auf die Gasproduktion​​

Die Leitfähigkeit ist ein weiterer wichtiger Parameter, der die Ionenkonzentration im Wasser widerspiegelt. Eine hohe Leitfähigkeit kann das Überpotential der Anoden-Sauerstoffreduktionsreaktion (OER) reduzieren und so den Energiebedarf senken. Eine zu hohe Leitfähigkeit erhöht jedoch das Risiko einer Membranschädigung und den Energieverbrauch beim Pumpen.

​​4. Einfluss unterschiedlicher Wasserqualitäten auf den Energieverbrauch​​

Ein Vergleich der Auswirkungen von Meerwasser, Brunnenwasser und deionisiertem Wasser auf PEM-Elektrolyseure:

• Meerwasser: Ein hoher Gehalt an gelösten Salzen und Mineralien erhöht die Leitfähigkeit, aber auch den Widerstand, was eine höhere Spannung erfordert und zu einem erhöhten Energieverbrauch führt.

• Brunnenwasser: Weniger gelöste Stoffe führen im Allgemeinen zu einem geringeren Energieverbrauch als Meerwasser, aber die Unsicherheit in der Mineralzusammensetzung stellt eine Herausforderung dar.

• Deionisiertes Wasser: Eine geringe Leitfähigkeit verringert den Widerstand und verbessert die Energieeffizienz, aber der Mangel an notwendigen Ionen erfordert einen vorsichtigen Einsatz auf Grundlage der Systemkonstruktion.

​​5. Bedeutung des Wasserqualitätsmanagements​​

Bei der PEM-Wasserelektrolyse steht oft der Elektrolyseur selbst im Mittelpunkt, doch Zusatzsysteme (BOP), insbesondere das Speisewassermanagement, sind ebenso wichtig. Die Optimierung der Wasserqualitätsparameter (pH-Wert, TDS, Leitfähigkeit) steigert nicht nur die Effizienz und Gasproduktion, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Geräte. Obwohl der BOP für PEM-Systeme einfacher ist als der von alkalischen Systemen, bleibt die Kontrolle der Reinwasserqualität ein Schlüsselfaktor für einen effizienten und stabilen Betrieb.