Warum alkalische Elektrolyseure bei Wasser mit geringer Reinheit überlegen sind

Die Wissenschaft hinter der Alkalitoleranz: Die Rolle der Hydroxidionen (OH–)

Alkalische Elektrolyseure funktionieren, indem sie Hydroxidionen OH minus in ihren flüssigen Elektrolyten verwenden, üblicherweise eine 20 bis 30-prozentige Kaliumhydroxid- oder Natriumhydroxidlösung. Diese erzeugen ein Umfeld mit hohem pH-Wert, das dabei hilft, störende saure Verunreinigungen wie Chloride und Sulfate, die in vielen Wasserquellen vorkommen, zu neutralisieren. Die chemische Zusammensetzung verleiht diesen Systemen eine natürliche Beständigkeit gegenüber Verunreinigungen, sodass sie kein extrem reines Wasser benötigen, wie es bei PEM-Systemen erforderlich ist. Und wir alle wissen, dass PEM-Systeme Probleme mit Katalysatorvergiftung durch verschiedene Verunreinigungen haben. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht des Hydrogen Council aus dem Jahr 2024 zeigte außerdem etwas Interessantes: OH minus-Ionen verbessern die ionische Leitfähigkeit etwa um das 1,7-Fache im Vergleich zu normalen Bedingungen. Das bedeutet, dass das System auch dann reibungslos laufen kann, wenn gelöste Feststoffe in Konzentrationen von bis zu 500 Teilen pro Million vorhanden sind, was sie für unterschiedliche Betriebsumgebungen sehr vielseitig macht.

Wie flüssige Elektrolyte gegen häufige Verunreinigungen puffern

Das zirkulierende alkalische Elektrolyt fungiert als dynamischer Verunreinigungspuffer:

• Schwermetallionen fallen als unlösliche Hydroxide aus und minimieren so die Verschmutzung der Elektroden
• Schwebeteilchen werden in der Elektrolyt-Matrix zurückgehalten, anstatt kritische Komponenten zu verstopfen
• Bicarbonat-Ionen zerfallen unter alkalischen Bedingungen in CO₂ und Wasser, wodurch Probleme durch Gasdurchtritt vermieden werden

Tests zeigen, dass alkalische Systeme bei Speisewasser mit einem Gehalt von 100 ppm Kieselsäure eine Effizienz von 92 % beibehalten, während die Leistung von PEM-Systemen unter denselben Bedingungen um 18 % abnimmt. Aufgrund dieser Robustheit empfiehlt das Global Electrolyzer Consortium die alkalische Technologie für brackige oder minderwertige Wasserquellen.

Praxisbeispiel: Wasserstoffproduktion mit Flusswasser in Pilotprojekten

Ein Pilotprojekt in Südostasien aus dem Jahr 2023 betrieb erfolgreich alkalische Elektrolyseure mit unbehandeltem Flusswasser (pH-Wert 6,8, Trübung 25 NTU) und benötigte lediglich eine einfache Sedimentation. Nach 8.000 Betriebsstunden wurde kein Spannungsabfall beobachtet, was folgendes zeigt:

• Eine 3,3 %ige Senkung der spezifischen Wasserstoffkosten im Vergleich zu PEM-Systemen, die auf Entionisierung angewiesen sind
• 45 % geringerer Energiebedarf für die Vorbehandlung
• Eignung für skalierbare Anwendungen in Regionen ohne Infrastruktur für ultrareines Wasser

Diese Ergebnisse unterstreichen den praktischen Vorteil von alkalischen Systemen in dezentralen oder ressourcenbegrenzten Umgebungen.

Alkalische gegenüber PEM-Elektrolyseuren: Vergleich der Anforderungen an die Wasserreinheit

Strenge Anforderungen an die Wasserreinheit bei PEM- und AEM-Elektrolyseuren

Für PEM (Proton Exchange Membrane) und AEM (Anion Exchange Membrane) Elektrolyseure ist die Verwendung von deionisiertem Wasser mit einem Widerstandswert über 1 MΩ·cm unbedingt erforderlich, um Probleme wie Membranverschmutzung und Katalysatorabbau auf lange Sicht zu vermeiden. Wenn diese Systeme mit Wasser in Kontakt kommen, das mehr als 50 Teile pro Milliarde Metallionen enthält, sinkt die Leistung erheblich – ein Effizienzverlust zwischen 15 % und 20 %, wie Hyfindr kürzlich berichtete. Bei alkalischen Systemen sieht die Situation anders aus. Sie vertragen Verunreinigungen in Konzentrationen, die 10 bis sogar 100-mal höher liegen können als bei PEM-Systemen, da ihr flüssiger KOH-Elektrolyt wie eine Abschirmung gegen Verunreinigungen wirkt. Dadurch sind sie weitaus toleranter gegenüber den Anforderungen an die Wasserqualität.

Effizienznachteil: Rechtfertigt die Leistung von PEM deren hohe Reinheitsanforderungen?

PEM-Elektrolyseure arbeiten zwar mit besseren Wirkungsgraden von etwa 75 bis 80 Prozent im Vergleich zu den rund 60 bis 70 Prozent bei alkalischen Anlagen. Doch hier gibt es einen Haken: Der Betrieb verursacht deutlich höhere Kosten, um das Wasser ausreichend rein für den Betrieb zu halten. Laut einer Studie des Unternehmens ACS Industries aus dem Jahr 2025 benötigen PEM-Systeme zur Herstellung eines Kilogramms Wasserstoff zwischen neun und zwölf Litern deionisiertem Wasser. Das ist deutlich mehr als die fünf bis acht Liter, die bei herkömmlichen alkalischen Verfahren erforderlich sind. Hinzu kommt, dass die PEM-Technologie stark von teuren Katalysatoren der Platingruppe abhängt, wodurch die Gesamtkosten langfristig um 25 % bis sogar 40 % über denen alkalischer Systeme liegen. Obwohl sie technisch gesehen effizienter sind, schmälern die zusätzlichen Ausgaben somit erheblich die finanziellen Vorteile, die sie andernfalls bieten würden.

Wesentliche Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen und der Systemlebensdauer

Alkalische Elektrolyseure können alle Arten von Verunreinigungen verkraften, ohne auszufallen, einschließlich Substanzen wie Chloride, Sulfate und sogar Kieselsäure, die dazu neigen, PEM-Membranen im Laufe der Zeit zu zerstören. Das Ergebnis? Diese Systeme halten unter realen Bedingungen erheblich länger. Wir sprechen hier von einer Betriebsdauer zwischen etwa 60.000 und fast 90.000 Stunden bei alkalischen Modellen, was ungefähr dem Doppelten dessen entspricht, was die meisten PEM-Anlagen bestenfalls erreichen (typischerweise zwischen 30.000 und 45.000 Stunden). Ein weiterer großer Vorteil der alkalischen Technologie ergibt sich aus ihrem einfachen Stack-Aufbau. Diese Einfachheit bedeutet weniger Aufwand bei Wartungsarbeiten und senkt auch die Reparaturkosten erheblich – oft um 35 % bis zur Hälfte im Vergleich zu anderen am heutigen Markt verfügbaren Optionen.

Zunehmende Einsatzgebiete in wasserarmen und abgelegenen Regionen

Trendanalyse: Einführung in Gebieten mit begrenzter Süßwasseraufbereitung

In Gebieten, in denen Einrichtungen zur Aufbereitung von sauberem Wasser entweder nicht existieren oder sich als unpraktisch erweisen, greifen die Menschen zunehmend auf alkalische Elektrolyseure zurück. Diese Systeme können mit nahezu jeder lokal verfügbaren Wasserquelle arbeiten, sei es aus Flüssen oder sogar leicht salzhaltigem Wasser, ohne aufwendige Vorbehandlungsschritte zu benötigen. Dadurch eignen sie sich besonders gut für den Aufbau von Wasserstoff-Erzeugungsanlagen abseits zentraler Ballungsräume. Ein aktueller Testfall aus dem Jahr 2023 dient als Beispiel: Hier konnten sie eine Effizienz von rund 92 % beibehalten, selbst bei Einsatz von rohem Flusswasser, das deutlich verschmutzt war und über 15 Teile pro Million gelöster Stoffe enthielt. In der Region Asien-Pazifik hat sich dieser Trend zuletzt beschleunigt. Alkalische Systeme bieten normalen Verbrauchern eine Alternative zu den extrem teuren, militärähnlichen Wasserfiltern. Und nicht zuletzt reduzieren diese Anlagen den Energiebedarf für die Wasseraufbereitung um etwa ein Drittel im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.

Nachhaltigkeitsvorteile: Verringerung der Abhängigkeit von Entionisierungs-Wasser-Infrastruktur

Durch die Toleranz gegenüber Calcium (bis zu 50 mg/L) und Kieselsäure (bis zu 20 mg/L) entfällt bei alkalischen Elektrolyseuren die Notwendigkeit von Umkehrosmose- oder Ionenaustauschanlagen, die 2–4 kWh/m³ aufbereitetes Wasser verbrauchen. Dies senkt signifikant:

• CO₂-Emissionen um 18–22 % pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff
• Kapitalausgaben für die Wasseraufbereitungsinfrastruktur um 400.000–740.000 USD (Ponemon 2023)
• Wartungsstillstände durch Membranverschmutzung in Reinigungseinheiten

Diese Effizienz steht im Einklang mit dem UN-Nachhaltigkeitsentwicklungsziel 6, insbesondere in trockenen Regionen, wo weniger als 5 % des verfügbaren Wassers natürlicherweise industrielle Reinheitsstandards erfüllen, wodurch die alkalische Elektrolyse einen nachhaltigen Weg für die Ausweitung von grünem Wasserstoff darstellt.

FAQ

• Was macht alkalische Elektrolyseure besser geeignet für Wasser mit geringer Reinheit? Alkalische Elektrolyseure verwenden Hydroxidionen, die ein stark basisches Milieu erzeugen und saure Verunreinigungen neutralisieren. Diese Struktur widersteht von Natur aus Verunreinigungen, im Gegensatz zu PEM-Elektrolyseuren, die ultrareines Wasser benötigen, um eine Katalysatorvergiftung und andere Probleme zu vermeiden.
• Wie behandeln alkalische Elektrolyseure Verunreinigungen? Ihr flüssiger Elektrolyt wirkt als Puffer, fällt Schwermetalle als unlösliche Hydroxide aus und bindet suspendierte Partikel, um Verstopfungen und Elektrodenverschmutzung zu verhindern.
• Warum werden alkalische Systeme in abgelegenen und wasserarmen Gebieten bevorzugt? Sie können effizient mit einer Vielzahl von Wasserquellen betrieben werden, ohne die aufwändige Vorbehandlung, die von anderen Systemen erforderlich ist, wodurch sie ideal für dezentrale Wasserstoffproduktion in Gebieten mit begrenztem Zugang zu gereinigtem Wasser sind.
• Welche Auswirkungen haben alkalische Elektrolyseure hinsichtlich Effizienz und Kosten im Vergleich zu PEM? Obwohl PEM-Systeme etwas effizienter sind, sind alkalische Systeme kostengünstiger, da sie weniger reines Wasser benötigen, preiswertere Katalysatoren verwenden und eine längere Lebensdauer aufweisen, wodurch die Gesamtbetriebskosten gesenkt werden.