HINTERGRUND Zukunftsweisend: Edelstahl zur industriellen Wasserelektrolyse
Kohlenstoffarmer – grüner – Wasserstoff gilt als entscheidender Wegbereiter in eine klimafreundliche Zukunft. Produziert wird er in Elektrolyseuren aus Wasser und zugeführtem Strom aus Erneuerbaren-Energien-Anlagen oder durch Nutzung der Abwärme aus Industrieanlagen. Für den notwendigen Markthochlauf ist jedoch noch ein deutlicher Ausbau der Elektrolysekapazität erforderlich. Maßgeblich dafür sind die Gestehungskosten des Wasserstoffs, die auch von der Auswahl des geeigneten Elektrolyseurtyps abhängen. Alle in den Elektrolyseuren eingesetzten Systeme und Komponenten mit Medienkontakt erfordern wasserstoffresistente Eigenschaften. Anwendungsspezifisch ausgelegter Edelstahl Rostfrei gilt hier weltweit als bewährte Wahl.
Ein Gastbeitrag von Ursula Herrling-Tusch, Warenzeichenverband Edelstahl Rostfrei e. V.
Ob als Energieträger für alternative Antriebe, als Ersatz für fossile Brennstoffe, als Speichermöglichkeit für erneuerbare Energien oder als emissionsfreier Brennstoff für Gebäudeheizungen: Grüner Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Preisen wäre die Lösung für viele aktuell drängende Fragen. In der industriellen Wasserstoffproduktion entscheiden Einsatzgebiet, Wirkungsgrad, Betriebsbedingungen und Kostenstruktur über das individuell geeignete Elektrolyseverfahren.
Die Unterschiede Drei Technologien prägen derzeit die Praxis – künftig sind auch Hybridlösungen aus zwei Verfahren denkbar. Am weitesten verbreitet, da robust und ausgereift, ist die Alkalische Elektrolyse( AEL). Dabei wird Wasser in einer alkalischen Lösung, meist Kaliumhydroxid( KOH), mit Gleichstrom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Sauerstoff entsteht an der Anode, Wasserstoff an der Kathode. Mit Betriebstemperaturen bis 60 Grad und
Drücken bis 30 bar überzeugt die AEL durch geringe Investitionskosten und lange Lebensdauer. Aufgrund ihrer geringen Reaktionsflexibilität ist sie jedoch weniger geeignet für volatile erneuerbare Energien. In der Chemie-, Stahl- und Zementindustrie sowie in Raffinerien wird sie in Großanlagen zur kontinuierlichen Wasserstoffproduktion eingesetzt. Die Proton-Exchange-Membrane-( PEM)-Elektrolyse benötigt aufgrund der sauren Umgebung Edelmetalle wie Platin oder Iridium sowie eine Polymer-Elektrolytmembran. Stromzufuhr spaltet das Wasser an der Anode in Sauerstoff, Elektronen und positiv geladene Wasserstoffionen, die zur Kathode wandern und dort zu Wasserstoff reduziert werden. Mit Temperaturen bis 80 Grad und Drücken bis 80 bar bietet die PEM einen ähnlich hohen Wirkungsgrad wie die AEL, lässt sich jedoch flexibel ein- und ausschalten – ideal für die Nutzung erneuerbarer Energien. Dem stehen hohe Investitionskosten und der Einsatz seltener Edelmetalle gegenüber.
Edelstahl Rostfrei bietet die notwendige Wasserstoff- und Korrosionsbeständigkeit für Komponenten in der industriellen Wasserelektrolyse. Foto: SANHA ® GmbH & Co. KG
Die noch im Pilotstadium befindliche Hochtemperatur-Elektrolyse( HTEL) arbeitet bei Temperaturen bis 900 Grad mit Wasserdampf und nutzt Festoxid( SOEC – Solid Oxide Electrolysis Cell) als Elektrolyt. Sie gilt aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und der Möglichkeit, industrielle Abwärme als Wärmequelle zu nutzen, als Schlüsseltechnologie der Zukunft.
Unverzichtbarer Werkstoff Hochwertiger Edelstahl ist für die drei genannten Elektrolyseverfahren unverzichtbarer Werkstoff. Ob für medienführende Verteilerleitungen, für Anoden- und Kathoden, für Bipolarplatten, Gehäuse, Strukturteile oder Wärmetauscher: Wo wasserstoffresistente, korrosionsbeständige oder sogar hochtemperaturbeständige Materialien im Elektrolyseur erforderlich sind, kommt oftmals Edelstahl Rostfrei in unterschiedlichen Güten zum Einsatz. Bipolarplatten sind Schlüsselelemente der Stacks bei jedem Elektrolyseur, da sie die Anode einer Zelle mit der Kathode in der nächsten Zelle elektrisch verbinden. Ihre sehr komplexe
Geometrie aus zahlreichen Kanälen für den Flüssigkeitsund Gastransport erfordert nichtrostende Stähle, die höchste Reinheitsbedingungen erfüllen. In der industriellen Fertigung wird dafür das Design der Bipolarplatte beidseitig auf Präzisionsbandstähle geprägt. Jeweils zwei so entstandene Elemente werden anschließend zu einer Bipolarplatte gefügt. Auch Pumpen, Hähne, Ventile, Verschraubungen oder Sensoren zum Explosionsschutz für elektrische Betriebssysteme erfordern anwendungsspezifisch ausgewählte nichtrostende Stähle. Ausschlaggebend für die im Einzelfall geeignete Sorte sind Betriebstemperatur, Druck und Umgebungsbedingungen. Bei Anlagen für die alkalische Elektrolyse kommt besonders viel Edelstahl zum Einsatz. Für Zellengehäuse, Druckbehälter, Wärmetauscher, Rohrleitungen und Ventile, die aggressiver Kalilauge widerstehen müssen, ist die korrosionsbeständige Güte 1.4404 Standard. Hochdruckleitungen und Strukturteile werden häufig aus dem nichtrostenden, austenitisch-ferritischen
18 EDELSTAHL AKTUELL | AUSGABE 8 | NOVEMBER 2025