Wasserreinheit für die Elektrolyse: Anforderungen und Aufbereitung

Die Reinheit des Wassers spielt eine entscheidende Rolle bei der Produktion von grünen Wasserstoff mittels Elektrolyse. Doch oft findet man unterschiedliche Begriffe wie Reinstwasser, deionisiertes Wasser, ultrareines Wasser oder demineralisiertes Wasser. Doch sind diese Begriffe gleichbedeutend? Und welche Anforderungen stellen verschiedene Elektrolysetechnologien an die Wasserqualität?

Warum ist Wasserreinheit wichtig?

Während der Elektrolyse wird Wasser (H₂O) durch elektrischen Strom in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt. Verunreinigungen im Wasser können verschiedene Probleme verursachen:

• Membranschäden: Besonders bei der PEM-Elektrolyse sind die Membranen empfindlich gegenüber Ionenverunreinigungen, die deren Lebensdauer verkürzen.
• Elektrodenverschleiß: Mineralische Ablagerungen können die Elektroden beschädigen und ihre Effizienz reduzieren.
• Korrosion: Bestimmte Ionen, insbesondere Chloride, können korrosive Effekte auf die Komponenten der Elektrolysezelle haben.
• Effizienzverlust: Verunreinigungen können die Leitfähigkeit des Wassers beeinflussen und dadurch den Energieverbrauch der Elektrolyse erhöhen.

Welche Begriffe zur Wasserreinheit gibt es?

Es gibt verschiedene Begriffe zur Beschreibung der Reinheit von Wasser, die jedoch nicht immer deckungsgleich sind:

• Demineralisiertes Wasser: Wasser, dem durch Ionenaustauscher oder Umkehrosmose gelöste Salze entzogen wurden. Es enthält kaum noch Ionen, jedoch können organische Verunreinigungen noch vorhanden sein.
• Deionisiertes Wasser: Eine spezielle Form des demineralisierten Wassers, das durch Ionenaustauscher weiter gereinigt wurde, um nahezu alle Ionen zu entfernen.
• Ultrareines Wasser: Wasser, das durch zusätzliche Schritte wie Elektrodeionisation (EDI) oder Aktivkohlefiltration nahezu frei von Partikeln, Mikroorganismen und organischen Stoffen ist.
• Reinstwasser: Der höchste Reinheitsgrad, wie er z.B. in der Halbleiter- oder Pharmaindustrie verwendet wird. Es ist praktisch frei von jeglichen Ionen, Partikeln und organischen Stoffen.

Wie wird Wasserreinheit gemessen?

Die Reinheit von Wasser lässt sich anhand verschiedener Parameter bewerten:

• Elektrische Leitfähigkeit (µS/cm): Gibt an, wie viele gelöste Ionen im Wasser vorhanden sind. Je niedriger der Wert, desto reiner das Wasser.
• Widerstandsfähigkeit (MΩ·cm): Der Kehrwert der Leitfähigkeit. Höhere Werte deuten auf reineres Wasser hin. Hochreines Wasser hat Widerstände von 10 bis 18 MΩ·cm.
• TOC (Total Organic Carbon, mg/L): Misst die organische Verunreinigung im Wasser. Ein niedriger TOC-Wert ist entscheidend für empfindliche Elektrolysetechnologien.
• Partikelanzahl: Besonders bei der PEM-Elektrolyse ist eine minimale Partikelkonzentration wichtig, da sonst die Membranen verstopfen können.

Anforderungen je nach Elektrolysetechnologie

Je nach eingesetzter Elektrolysetechnologie unterscheiden sich die Anforderungen an die Wasserreinheit:

Alkalische Elektrolyse (AEL)

• Toleriert höhere Leitfähigkeit (~5-10 µS/cm)
• Hauptsache, keine korrosiven Ionen wie Chloride
• Demineralisiertes oder deionisiertes Wasser oft ausreichend

PEM-Elektrolyse

• Sehr hohe Reinheitsanforderungen (Leitfähigkeit <0,1 µS/cm)
• Ionen, organische Stoffe und Partikel müssen nahezu vollständig entfernt werden
• Benötigt ultrareines oder Reinstwasser

Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC/HTE)

• Arbeitet mit Wasserdampf, daher primär Fokus auf geringe Mineralien-/Partikelkonzentration
• Mittlere Wasserreinheit erforderlich

Anionenaustausch-Membran-Elektrolyse (AEM)

• Benötigt eine moderate Wasserreinheit (typischerweise <1 µS/cm)
• Verträgt etwas höhere Ionenkonzentrationen als PEM, aber niedriger als AEL
• Demineralisiertes oder deionisiertes Wasser erforderlich, jedoch mit geringeren Anforderungen an TOC und Partikel als bei PEM

Wie erreicht man die erforderliche Wasserreinheit?

Zur Aufbereitung von Wasser für die Elektrolyse können folgende Verfahren genutzt werden:

• Filtration: Entfernung von groben Partikeln.
• Umkehrosmose (RO): Entfernt gelöste Salze und organische Stoffe.
• Elektrodeionisation (EDI): Reduziert restliche Ionen auf ein Minimum.
• Aktivkohlefilter: Eliminierung von organischen Verunreinigungen.
• UV-Behandlung: Tötet Bakterien und reduziert organische Rückstände.

Die Auswahl der richtigen Technologie hängt also auch von der vorhandenen Rohwasserqualität und den Möglichkeiten zur Wasseraufbereitung ab. Die Wasserreinheit ist ein kritischer Faktor für die Effizienz und Langlebigkeit von Elektrolyseuren. Während die alkalische Elektrolyse mit demineralisiertem oder deionisiertem Wasser arbeiten kann, benötigt die PEM-Technologie ultrareines oder Reinstwasser. AEM stellt Anforderungen, die zwischen AEL und PEM liegen. Eine sorgfältige Aufbereitung des Wassers ist essenziell, um eine optimale Leistung und geringe Wartungskosten sicherzustellen.