Die wichtigsten Unterschiede zwischen alkalischen und PEM-Wasserstoffproduktionssystemen

Mit der weltweiten Umstellung auf saubere Energie hat sich Wasserstoff – insbesondere grüner Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse erzeugt wird – als wichtiger Energieträger etabliert. Zwei führende Elektrolysetechnologien dominieren den Markt: alkalische und Protonenaustauschmembran-Systeme (PEM). Beide erzeugen Wasserstoff durch Wasserspaltung, unterscheiden sich jedoch erheblich in Design, Effizienz, Kosten und Betriebsflexibilität.

Lassen Sie uns die wichtigsten Unterschiede aufschlüsseln, ohne uns im Fachjargon zu verlieren.

1. Elektrolyt- und Kernreaktionsmechanismus

Alkalische Systeme

Verwenden Sie einen flüssigen alkalischen Elektrolyten (normalerweise Kaliumhydroxid, KOH).

Hydroxidionen (OH⁻) transportieren die Ladung zwischen den Elektroden.

Erfordert eine poröse Membran zur Trennung von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen.

PEM-Systeme

Verlassen Sie sich auf eine feste Polymermembran (normalerweise Nafion) als Elektrolyt.

Protonen (H⁺) bewegen sich durch die Membran und machen die Reaktion effizienter.

Kein flüssiger Elektrolyt – nur ultrareines Wasser und die Membran.

Warum es wichtig ist:

PEM-Systeme vermeiden ätzende alkalische Lösungen und reduzieren so die Wartungsrisiken.

Alkalische Systeme sind toleranter gegenüber Wasserverunreinigungen, erfordern jedoch einen regelmäßigen Elektrolytwechsel.

2. Effizienz und Betriebsbedingungen

Alkalische Systeme

Geringerer Wirkungsgrad (60–70 %) aufgrund des höheren elektrischen Widerstands in flüssigen Elektrolyten.

Arbeitet bei niedrigeren Stromdichten (0,2–0,4 A/cm²).

Erfordert höhere Zellspannungen (1,8–2,4 V).

PEM-Systeme

Höhere Effizienz (70–80 %) durch schnellere Protonenleitung in der Membran.

Arbeitet mit höheren Stromdichten (1–2 A/cm²).

Läuft mit niedrigerer Spannung (1,6–2,0 V) und spart so Energie.

Warum es wichtig ist:

PEM-Systeme produzieren mehr Wasserstoff pro kWh und sind daher besser für Anwendungen im Bereich erneuerbare Energien geeignet.

Alkalische Systeme sind weniger effizient, aber günstiger in der Herstellung, wodurch die langfristigen Kosten ausgeglichen werden.

3. Reaktion auf die Variabilität erneuerbarer Energien

Alkalische Systeme

Die Leistungsaufnahme kann zwischen 40 und 110 % der Nennkapazität eingestellt werden.

Langsamere Reaktion auf schnelle Laständerungen (Minuten zur Stabilisierung).

PEM-Systeme

Kann sofort hoch-/heruntergefahren werden (Anpassung in Sekunden).

Aufgrund des dynamischen Betriebs besser geeignet für intermittierende erneuerbare Energien (Solar/Wind).

Warum es wichtig ist:

PEM ist ideal für Hybridprojekte mit erneuerbaren Energien und Wasserstoff, bei denen die Stromversorgung schwankt.

Alkalische Systeme eignen sich besser für stabile Netze oder industrielle Anwendungen.

4. Kosten und Skalierbarkeit

Alkalische Systeme

Geringere Vorlaufkosten (keine teuren Katalysatoren oder Membranen).

Verwendet Elektroden auf Nickelbasis, die günstig und langlebig sind.

Einfacher skalierbar für große Industrieanlagen (100+ MW).

PEM-Systeme

Höhere Kapitalkosten aufgrund von Edelmetallkatalysatoren (Platin, Iridium).

Eine Membranverschlechterung kann die Wartungskosten langfristig erhöhen.

Derzeit besser für kleine bis mittelgroße Projekte (1–50 MW).

Warum es wichtig ist:

Alkalisch ist die erste Wahl für die großvolumige und kostengünstige Wasserstoffproduktion.

PEM wird für kompakte, hocheffiziente Systeme bevorzugt, bei denen Platz und Reaktionsfähigkeit eine Rolle spielen.

5. Reinheit und Pflegebedarf

Alkalische Systeme

Regelmäßiger Elektrolytwechsel und Membranwartung.

PEM-Systeme

Produziert Wasserstoff mit höherer Reinheit (keine Verunreinigung durch flüssigen Elektrolyten).

Weniger bewegliche Teile, aber die Verschlechterung der Membran kann ein Problem darstellen.

Warum es wichtig ist:

PEM-Wasserstoff ist oft ohne aufwändige Reinigung einsatzbereit für Brennstoffzellen.

Alkalische Systeme erfordern zusätzliche Schritte, bleiben aber für die industrielle Gasversorgung zuverlässig.

Welches sollten Sie wählen?

Für die großtechnische und kostengünstige Wasserstoffproduktion: Alkalische Verfahren sind hinsichtlich Erschwinglichkeit und Skalierbarkeit die Gewinner.

Für die Integration erneuerbarer Energien und schnelle Reaktion ist PEM die klare Wahl.

Für hochreinen Wasserstoff in Mobilität/Brennstoffzellen: PEM macht zusätzliche Reinigungsschritte überflüssig.

Zukunftsaussichten

Alkalische Verbesserungen: Fortschrittliche Membranen und Elektrodenbeschichtungen können die Effizienz steigern.

PEM-Kostensenkung: Die Forschung konzentriert sich auf den Ersatz von Edelmetallen durch günstigere Alternativen.

Beide Technologien werden in der Wasserstoffwirtschaft eine entscheidende Rolle spielen – Alkalisch für die Massenproduktion, PEM für Flexibilität und Effizienz.