Wasseraufbereitung für die Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse

Benötigte Wassermengen  

Abhängig von der verwendeten Elektrolysetechnologie verbraucht ein Elektrolyseur etwa 10 bis 11 kg Wasser pro kg Wasserstoff. Das liegt unter anderem daran, dass neben dem Anteil, der in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt wird, ein Teil des verwendeten Wassers durch Verdampfung „verloren“ geht und ein Teil als Abwasser anfällt. 

Da Elektrolyseure mit Reinstwasser gespeist werden müssen, muss das dafür eingesetzte Rohwasser entsprechend aufbereitet werden. Je nach der erzielbaren Ausbeute der Wasseraufbereitung erhöht sich der Verbrauch entsprechend. 

Darüber hinaus müssen Elektrolyseure gekühlt werden. Wenn die Kühlung ausschließlich mit Wasser erfolgt, ist mit einem Kühlwasserbedarf von etwa dem Fünf- bis Sechsfachen des Wasserbedarfs für die Elektrolyse zu rechnen. 

Für einen 1-MW-Elektrolyseur benötigt man laut Eurowater rund 200 l/h Reinstwasser und etwa 400 l/h Kühlwasser bei der Kühlung mit Verdunstungskühlern.

Qualitätsanforderungen und Aufbereitung 

Das für die Elektrolyse eingesetzte Reinstwasser, sogenanntes Ultra Pure Water (UWP), muss bestimmten Anforderungen entsprechen: 

• Elektrische Leitfähigkeit: < 0,5 µS/cm 

• TOC (Total Organic Carbon): < 0,1 mg/L 

• Silikate: < 0,1 mg/L 

• Gesamthärte: < 0,1 °dH 

Die Qualitätsanforderungen von PEM-Elektrolyseuren sind dabei noch höher als die für alkalische Elektrolyseure. 

Doch nicht nur das verwendete UWP muss bestimmte Qualitätsmerkmale erfüllen, sondern auch das Kühlwasser. So sollen die eingesetzten Materialien vor Korrosion geschützt und die Bildung von Belägen und Biofilmen minimiert werden. Die Richtwerte für das Kühlwasser sind beispielsweise in der VDI-Richtlinie 3803 zu finden. 

Für die Produktion des UPW sind immer drei Schritte notwendig: 

1. Vorbehandlung 

1. Entsalzung (auch „make-up“ genannt) 

1. Nachbehandlung (auch „polishing“ genannt) 

Jeder dieser drei Schritte kann aus mehreren Verfahren bestehen. Zur Aufbereitung kommen Techniken wie Umkehrosmose, Ionenaustausch und Destillation zum Einsatz. 

Die erste Stufe der Wasseraufbereitung umfasst mechanische und chemische Verfahren. Dazu gehören die Filtration zur Entfernung von Schwebstoffen, eine Aktivkohlefiltration zur Beseitigung organischer Verbindungen, eine pH-Wert-Einstellung und die Wasserenthärtung. Diese Vorbehandlung sorgt dafür, dass das Wasser keimarm und partikelfrei ist. Dazu kann unter anderem eine Desinfektion mit Chlor und eine Fällung oder Flockung nötig sein. Der entscheidende Schritt der Wasserbehandlung ist die Entsalzung. Je nach Salzgehalt des Wassers unterscheidet sich der Aufwand der Entsalzung. Die Nachbehandlung ist immer ähnlich, unabhängig von der Rohwasserressource. Im Rahmen des Polishing findet noch eine weitergehende Entsalzung statt und gelöste Gase müssen aus dem Wasser entfernt werden. 

Viele dieser Wasseraufbereitungsmethoden sind energieintensiv, was die Klimabilanz der Wasserstoffproduktion beeinträchtigen kann. Hinzu kommt, dass der Aufbau und Betrieb moderner Wasseraufbereitungssysteme sehr teuer ist.

Wasserknappheit und Verwendung von Meerwasser 

Für die Elektrolyse bieten sich vor allem sonnenreiche Gebiete an, da dort das Potential für Solarenergie sehr hoch und somit die Stromkosten sehr gering sind. Gleichzeitig sind diese Regionen oft von Wasserknappheit betroffen. 

Nicht außer Acht lassen darf man, dass bei dem Wasserstoff-Export auch immer ein Teil des Wassers mit exportiert wird. Das gilt auch unabhängig davon, ob Wasserstoff oder andere Energieträger wie Ammoniak oder Methanol transportiert werden. 

In diesen wasserarmen Regionen Trinkwasser für die Wasserstoff-Produktion zu verwenden, ist also ethisch fragwürdig. Eine mögliche Lösung wäre die Verwendung von Meerwasser für die Elektrolyse. Technologien zur Nutzung von Salzwasser stellen aber wiederum technische Herausforderungen dar. 

Wenn Meerwasser als Rohwasser eingesetzt wird, ist die Reinstwasserausbeute geringer als beim Einsatz von Süßwasser. Meerwasserentsalzungsanlagen haben eine Ausbeute von etwa 50 Prozent und darunter. Im Vergleich dazu: Die Herstellung von Reinstwasser aus Grund- oder Oberflächenwasser lässt sich mit einer Ausbeute von 70–80 Prozent realisieren. In absoluten Zahlen bedeutet das, dass für 1 m³ UWP laut Eurowater etwa 1,4 m³ Grundwasser, 1,5 m³ Oberflächenwasser oder ca. 3,3 m³ Meerwasser benötigt werden.

Kritikpunkte 

Für die Verwendung von Meerwasser ist eine aufwändigere Vorbehandlung nötig und der Energiebedarf für die Umkehrosmose ist deutlich höher. Hinzu kommt, dass Entsalzungsanlagen, die zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden, stark Abwasserkonzentrate erzeugen. Diese Konzentrate haben eine erhöhte Salzkonzentration und enthalten teilweise auch Chemikalien. 

Die Herstellung von Rein- und Reinstwasser wird auch heutzutage schon zahlreich durchgeführt, da auch viele Industriezweige und Forschungseinrichtungen Reinstwasser benötigen.  Aktuell werden die Abwasserströme überall auf der Welt in die Meere eingeleitet. 

Doch wenn zukünftig deutlich mehr Reinstwasser zur Wasserstoffproduktion hergestellt wird, steigt die Menge der Abwasserkonzentrate mit an und könnte Ökosysteme schädigen. 

Wasserstoffhochlauf könnte Wasseraufbereitung verbessern 

Doch der Wasserstoff-Hochlauf bietet auch Chancen in Bezug auf die Wasseraufbereitung, da er für die Elektrolyse einen anderen wirtschaftlichen Stellenwert hat. Die Elektrolyse ist der teure Prozess, die Wasseraufbereitung fällt im Vergleich dazu nicht so ins Gewicht. Dadurch werden auch Verfahren der Konzentratnachbehandlung wirtschaftlicher.