Wasserstoff · Herstellung
Elektrolyse: Wasserstoff aus Wasser
Strom spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff — das ist der einzige Weg zu wirklich klimaneutralem Wasserstoff. Wie viel Energie das kostet und welche Verfahren sich durchsetzen.
- Strombedarf
- 50–55 kWh/kg
- Wirkungsgrad PEM
- 70–80 %
- Wasserbedarf
- ~9 l/kg
- Brennwert H₂
- 39,4 kWh/kg
Bei der Elektrolyse von Wasser spaltet elektrischer Strom H₂O in Wasserstoff und Sauerstoff. Moderne Anlagen brauchen dafür 50 bis 55 Kilowattstunden je Kilogramm Wasserstoff. Weil ein Kilogramm einen Brennwert von 39,4 kWh hat, liegt der Wirkungsgrad bei rund 70 bis 80 Prozent — bei Hochtemperatur-Verfahren bis 90 Prozent.
- Reaktion: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ — es entsteht kein CO₂.
- Strombedarf: 50–55 kWh je kg H₂ (Hochtemperatur: 38–45 kWh).
- Klimabilanz: nur so grün wie der eingesetzte Strom.
- Nebenprodukt: rund 8 kg reiner Sauerstoff je kg Wasserstoff.
Wie die Elektrolyse funktioniert
In einer Elektrolysezelle stehen zwei Elektroden in Wasser, das durch einen Zusatz leitfähig gemacht oder durch eine Membran getrennt wird. Legt man eine Gleichspannung an, wandern die Ionen zu den Polen: An der Kathode (Minuspol) nehmen Wasserstoffionen Elektronen auf und werden zu gasförmigem H₂, an der Anode (Pluspol) entsteht O₂. Eine Membran oder ein Diaphragma hält beide Gase getrennt — eine Vermischung wäre hochexplosiv.
Die Reaktionsgleichung
2 H₂O → 2 H₂ + O₂ · theoretischer Mindestbedarf 39,4 kWh je kg H₂ (= Brennwert)
Real: 50–55 kWh/kg, weil Zellspannung, Widerstände und Nebenaggregate Verluste erzeugen.
Die vier Verfahren im Vergleich
| Verfahren | Wirkungsgrad | kWh je kg H₂ | Temperatur | Reifegrad |
|---|---|---|---|---|
| Alkalische Elektrolyse (AEL) | 65–75 % | 50–55 | 60–90 °C | ausgereift, seit Jahrzehnten im Einsatz |
| PEM-Elektrolyse | 70–80 % | 50–55 | 50–80 °C | kommerziell verfügbar |
| Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC) | 80–90 % | 38–45 | 700–900 °C | Pilotanlagen |
| AEM-Elektrolyse | 65–75 % | 52–57 | 40–60 °C | früher Markt |
Alkalische Elektrolyse
Das älteste und günstigste Verfahren: Zwei Nickelelektroden in Kalilauge, getrennt durch ein Diaphragma. Die Technik ist seit Jahrzehnten industriell erprobt und kommt ohne Edelmetalle aus. Ihr Nachteil ist die Trägheit — schnelle Lastwechsel, wie sie Wind- und Solarstrom mit sich bringen, verkraftet sie schlecht.
PEM-Elektrolyse
Statt flüssiger Lauge arbeitet die PEM-Elektrolyse mit einer festen Protonenaustauschmembran. Sie ist kompakt, liefert sehr reinen Wasserstoff und kann innerhalb von Sekunden hoch- und runtergefahren werden. Genau das macht sie zum bevorzugten Partner erneuerbarer Energien. Der Haken: Als Katalysatoren braucht sie Iridium und Platin, beides knapp und teuer.
Hochtemperatur-Elektrolyse
Bei 700 bis 900 °C liegt ein Teil der nötigen Energie bereits als Wärme vor, sodass weniger Strom gebraucht wird — daher die Spitzenwirkungsgrade von bis zu 90 Prozent. Sinnvoll ist das überall dort, wo ohnehin Abwärme anfällt, etwa in der Stahl- oder Chemieindustrie. Die hohen Temperaturen belasten allerdings die Materialien und begrenzen bislang die Lebensdauer.
Was der Wasserstoff am Ende kostet
Die Stromkosten dominieren die Rechnung vollständig. Bei 52 kWh je Kilogramm kostet der Strom allein bei 10 ct/kWh schon 5,20 € je Kilogramm — das entspricht rund 13 ct je Kilowattstunde Wasserstoff, bevor Anlage, Verdichtung und Transport überhaupt eingerechnet sind. Zum Vergleich: Erdgas liegt bei etwa 10 ct je Kilowattstunde inklusive allem. Deshalb ist grüner Wasserstoff als Heizbrennstoff derzeit keine wirtschaftliche Option — wohl aber dort, wo sich Prozesse nicht direkt elektrifizieren lassen.
Grüner, blauer, grauer Wasserstoff
Nur Wasserstoff aus Elektrolyse mit erneuerbarem Strom gilt als grün. Wird der Strom aus dem allgemeinen Netz bezogen, entspricht die CO₂-Bilanz dem Strommix — bei fossil geprägtem Mix kann sie schlechter ausfallen als bei der Erdgas-Dampfreformierung. Die Einordnung der Farben und die vollständigen Kennwerte stehen unter Heizwert Wasserstoff.
Häufige Fragen zur Elektrolyse
Was passiert bei der Elektrolyse von Wasser?
Elektrischer Strom spaltet Wasser in seine Bestandteile: An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff. Die Reaktionsgleichung lautet 2 H₂O → 2 H₂ + O₂. Pro Kilogramm Wasserstoff werden dabei rund neun Liter Wasser verbraucht und je nach Verfahren 38 bis 57 Kilowattstunden Strom benötigt.
Wie viel Strom braucht 1 kg Wasserstoff?
Moderne Elektrolyseure benötigen 50 bis 55 Kilowattstunden Strom je Kilogramm Wasserstoff, Hochtemperatur-Verfahren kommen mit 38 bis 45 kWh aus. Da ein Kilogramm Wasserstoff einen Brennwert von 39,4 kWh hat, liegt der Wirkungsgrad damit zwischen etwa 70 und 90 Prozent.
Was ist der Unterschied zwischen PEM- und alkalischer Elektrolyse?
Die alkalische Elektrolyse arbeitet mit flüssiger Kalilauge und günstigen Nickelelektroden — robust und preiswert, aber träge bei schwankender Stromzufuhr. Die PEM-Elektrolyse nutzt eine feste Protonenaustauschmembran, reagiert innerhalb von Sekunden auf Lastwechsel und eignet sich damit besser für Wind- und Solarstrom, benötigt aber Iridium und Platin als Katalysatoren.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad der Elektrolyse?
Bezogen auf den Brennwert des erzeugten Wasserstoffs erreichen alkalische Anlagen 65 bis 75 Prozent, PEM-Elektrolyseure 70 bis 80 Prozent und Hochtemperatur-Zellen bis zu 90 Prozent. Rechnet man Verdichtung oder Verflüssigung für Transport und Speicherung hinzu, sinkt der Gesamtwirkungsgrad deutlich.
Warum ist grüner Wasserstoff so teuer?
Weil der Strom die Kosten dominiert: Bei 50 kWh je Kilogramm schlägt schon eine Strompreisdifferenz von einem Cent mit 50 Cent je Kilogramm zu Buche. Dazu kommen die Investitionskosten des Elektrolyseurs, der sich nur bei hoher Auslastung rechnet — was mit reinem Wind- und Solarstrom im Widerspruch steht. Deshalb ist grüner Wasserstoff derzeit ein Vielfaches teurer als Erdgas.
Wozu dient der Sauerstoff aus der Elektrolyse?
Pro Kilogramm Wasserstoff entstehen etwa acht Kilogramm reiner Sauerstoff. In vielen Anlagen wird er bislang einfach abgelassen. Wirtschaftlich sinnvoller ist die Nutzung in Kläranlagen, in der Medizintechnik oder in industriellen Verbrennungsprozessen — das verbessert die Gesamtbilanz der Anlage spürbar.