Fragt man drei Wasserstoff-Ingenieure, welche Elektrolysetechnologie sich durchsetzt, bekommt man drei Antworten – jede gut begründet mit Wirkungsgrad, Platzbedarf oder Kosten pro Kilowatt. Im Gigawattmaßstab könnte aber eine andere Frage den Ausschlag geben: Bekommen wir die Materialien, und dürfen wir sie dauerhaft einsetzen? So schneiden die drei Niedertemperatur-Technologien ab, wenn man bei den Materialien anfängt.
Alkalisch: bewährt und rohstoffschonend, aber groß und träge
Die alkalische Wasserelektrolyse ist seit rund hundert Jahren industriell im Einsatz. Sie arbeitet mit günstigen, reichlich verfügbaren Elektrodenmaterialien in konzentrierter Kalilauge; ein poröses Diaphragma trennt die Gase. Ihre Stärken sind Reife, lange Stack-Lebensdauer und niedrige Materialkosten – Edelmetalle braucht sie nicht.
Die Nachteile sind physikalischer Natur. Die Stromdichten liegen meist deutlich unter 1 A/cm², eine alkalische Anlage braucht also pro Megawatt viel aktive Fläche, Ausrüstung und Stellfläche. Durch das poröse Diaphragma vermischen sich die Gase bei Teillast leichter. Das begrenzt den Regelbereich und erschwert es, schnellen Schwankungen von Wind- und Solarstrom zu folgen. Die konzentrierte Lauge (rund 30 Gew.-%) stellt zudem hohe Anforderungen an Handhabung und Korrosionsschutz der Peripherie.
PEM: kompakt und dynamisch, aber abhängig von Iridium und PFAS
Die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse hat die Größen- und Dynamikprobleme der alkalischen Technik gelöst. Eine dünne Festmembran erlaubt 2 A/cm² und mehr, schnelles Ansprechverhalten und Differenzdruckbetrieb in einem kompakten Stack. Damit ist PEM ein naheliegender Partner für fluktuierende erneuerbare Energien.
Der Preis steckt in den Materialien. Das saure Milieu verlangt an der Sauerstoffelektrode Iridium, konventionell rund 2 mg/cm². Iridium gehört zu den seltensten geförderten Elementen, fällt nur als Nebenprodukt anderer Edelmetalle an, und die Weltproduktion liegt im einstelligen Tonnenbereich pro Jahr. Bei konventioneller Beladung braucht jedes Gigawatt PEM-Kapazität größenordnungsmäßig eine halbe Tonne davon.
Das zweite Risiko heißt PFAS. Übliche PEM-Membranen und -Ionomere sind fluorierte Polymere, und die EU prüft eine weitreichende PFAS-Beschränkung. Selbst mit Ausnahmen entsteht so über die Lebensdauer eines Stacks regulatorische Unsicherheit und Unsicherheit in der Lieferkette.
Der direkteste Hebel beim Iridium: viel weniger davon einsetzen. Unsere Ultra-Low-Iridium-Anoden OXYGN-M arbeiten mit 0,2 mg Ir/cm², einem Zehntel der üblichen Beladung, und haben 1,86 V bei 2 A/cm² über mehr als 1.000 Stunden ohne Degradation gezeigt (Details hier).
AEM: der Versuch, beides zu verbinden
Die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse nutzt wie PEM eine feste Polymermembran. Diese leitet jedoch Hydroxidionen, die Chemie ist also alkalisch. Genau diese Kombination macht den Reiz aus:
- Kein Iridium und keine anderen Platinmetalle nötig. Im alkalischen Milieu funktionieren reichlich verfügbare Katalysatoren. Unsere OXYGN™ und H2GN™ Elektroden sind PGM-frei und frei von kritischen Rohstoffen.
- PFAS-frei von Grund auf. AEM-Membranen und -Ionomere lassen sich aus fluorfreien Polymeren herstellen – so wie unsere AionFLX™ Materialien.
- Kompakt und dynamisch wie PEM. Eine dichte Membran bedeutet weniger Gasübertritt als ein Diaphragma und höhere Stromdichten. Öffentliche HYScale Daten zeigen 2 A/cm² bei etwa 2 V in 0,1 M KOH, in Zellen ganz ohne Platinmetalle.
- Verdünnter Elektrolyt. AEM-Systeme laufen mit reinem Wasser bis verdünnter KOH – weit schonender als alkalische Lauge.
Die Fortschritte sind schnell: Die Standardmembran AionFLX™ hat rund 5.000 Stunden bei etwa 20 µV/h in 0,1 M KOH absolviert, die Kompositmembran AionFLX™ Plus über 8.000 Stunden in 1 M KOH (zu den Ergebnissen). Auf Systemebene ist das 100-kW-AEM-System von HYScale gefertigt und in der Inbetriebnahme (der bisherige Weg).
Im direkten Vergleich
| Alkalisch | PEM | AEM | |
|---|---|---|---|
| Reife | Sehr hoch | Hoch | Aufstrebend (100-kW-Systeme) |
| Typische Stromdichte | < 1 A/cm² | 2+ A/cm² | 1–2 A/cm² nachgewiesen |
| Edelmetalle | Keine | Iridium (Anode), PGM (Kathode) | Nicht erforderlich |
| Fluorierte Polymere | Meist keine | Ja (Membran, Ionomer) | Nicht erforderlich |
| Elektrolyt | ~30 % KOH | Reines Wasser | Reines Wasser bis verdünnte KOH |
| Dynamischer Betrieb | Eingeschränkt | Sehr gut | Gut |
Wer liegt 2030 vorn?
Vermutlich alle drei – in unterschiedlichen Nischen. Alkalische Anlagen werden weiter große, gleichmäßig betriebene und kostengetriebene Projekte gewinnen. PEM bleibt stark, wo Dynamik und Platzbedarf zählen – vorausgesetzt, die Iridiumbeladung sinkt schnell genug. Genau dafür gibt es Ultra-Low-Iridium-Katalysatoren. Die Stärke von AEM liegt darin, die Materialgrenzen der beiden anderen aufzuheben. Verbessert sich die Lebensdauer im bisherigen Tempo, könnte AEM die Technologie sein, die am freiesten skaliert.
Bei CENmat arbeiten wir an beiden Membranwegen, AEM und PEM – vom Material bis zum Stack und System. Mit unserem Iridium-Rechner schätzen Sie den Metallbedarf Ihres Projekts, und unsere FAQ beantworten die häufigsten Fragen zu AEM- und PEM-Materialien.