Nel Plug Power Bloom Energy Siemens Energy Enapter- Kampf der Systeme – PEM, AEM, alkalische Elektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse

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Nel Plug Power Bloom Energy Siemens Energy Enapter- Kampf der Systeme - PEM, AEM, alkalische Elektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse

Nel Plug Power Bloom Energy Siemens Energy Enapter nucera ITM Power  – Hersteller und Anbieter von Elektrolyseuren. Aber es gibt kein „allein seligmachendes“ Verfahren, es gibt nicht einmal ein „bestes“ Verfahren. Die Anbieter setzen teilweise auf exakt ein Verfahren und versuchen dessen Effektivität fortlaufend zu steigern

Und für den Anleger ist es eine entscheidende Frage, welches System – ob PEM, AEM, alkalische Elektrolyse oder Hochtemepraturelektrolyse – sich letztendlich als wirtschaftlichste Lösung zur grossvolumigen Produktion grünen Wasserstoffs durchsetzen wird. Hier entstehen Milliardenmärkte, die vom Technologieführer oder den Technologieführern mit der „günstigsten“ /“wirtschaftlichsten“ Technologie wahrscheinlich dominiert werden können.

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Die Grossaufträge der letzten Zeit gaben einen Vorgeschmack auf die – noch? – Technologieoffenheit des Marktes: Nel gelang es endlich einen Auftrag zu gewinnen, der als „gross“ bezeichnet werden kann. 200 MW Elektrolyseurkapazität verkauft mit ALKALISCHER ELEKTROLYSE. Und Plug Power konnte 1 GW PEM-Elektrolyseure nach Dänemark verkaufen. Dazu gesellt sich Bloom Energy mit ihren Hochtemperatur-Elektrolyseuren von denen man 500 MW an die SK Group verkaufen konnte. Während eine Enapter auf ihre AEM-Elektrolyseure setzt. Dazu nucera mit alkalischer Elektrolyse, Seimens Energy mit PEM, ITM Power mit PEM. Und so fort  – jeder Hersteller hat eine – oder auch zwei Technologien, die er für zukunftsfähig hält und die er am Markt durchsetzen will.

Wie geht’s weiter mit den Wasserstoffaktien – Alle auf dem Sprung, alle noch nie Geld verdient, weshalb noch „Geld vom Kapitalmarkt“ in mehr oder weniger grossem Umfang benötigt werden sollte. Aktuell scheinen die Kassen ausreichend gefüllt, aber der Weg zum Break-Even ist von hohen Investitionen und Kompensation laufender Verluste geprägt. Und welche Technologie wird sich durchsetzen? Ein Leser des nwm, Herr Doktor Michael Bernicke befasst sich mit Elektrolysetechniken und hat uns für Sie einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Verfahren zur Verfügung gestellt  (Ausschnitt aus einemAntrags) – zum besseren Verständnis, zur eigenen Einschätzung:

Dr. Michael Bernicke, „Herstellung von Wasserstoff – Elektrolysetechnologien“

Wasserstoff kann über verschiedene Elektrolysetechnologien hergestellt werden i) Protonen-austausch-Membran-Elektolyse (PEM-EL), ii) Alkalische-Elektrolyse (ALK-EL), iii) Anionen-austausch-Membran-Elektrolyse (AEM-EL) und iv) Hochtemperatur-Elektrolyse (HT-EL)

Bei der i) PEM-Elektrolyse

wird eine Catalyst Coated Membrane (CCM) bzw. eine Membran-Elektroden-Einheit (Membrane Electrode Assembly) bestehend aus einer a) Anode, b) Membran und c) Kathode zwischen zwei Stromkollektoren (poröse Transportschicht, PTL) eingebaut und beidseitig von Bipolarplatten mit definierten Rillen (sog. „Flowfields“) unter kontrolliertem Anpressdruck zusammengedrückt. Bei der PEM-Elektrolyse wird Wasser an der Anode eingespeist und in seine Bestandteile zerlegt. Der entstandene Sauerstoff entweicht, Elektronen werden durch den Stromkollektor über die Bipolarplatten zur Kathode geführt und Protonen gelangen durch die Membran zur Kathode und rekombinieren mit Elektronen zu gasförmigem Wasserstoff, welcher schlussendlich aus der Zelle entweicht.

Die Protonen erzeugen eine saure und korrosive Umgebung im Zellraum des Elektrolyseurs, wodurch teure Katalysatoren der Platin-Metallgruppe (bspw. Iridium und Platin) und Komponenten aus korrosionsbeständigem Titan eingesetzt werden müssen. Die Membran verfügt über eine hohe Protonenleitfähigkeit und ist nicht porös, wodurch Betriebszustände mit hohen Drücken und hohen Stromdichten (bis zu 2000 mA/cm²) erreicht werden können.[14] Bei der Verwendung dünner Membranen können hohe Spannungsausbeuten erreicht werden.[15]PEM-Elektrolyseure lassen sich unter höheren Lastschwankungen als ALK-EL betreiben, wodurch volatile Stromquellen (Wind, Solar) als Energielieferant eingekoppelt werden können. Die Investitionskosten betragen aktuell pro Kilowatt-Leistung 1000 EUR (2018) und können langfristig auf 350 EUR (2050) gesenkt werden.[14, 16]

Die ii) alkalische Elektrolyse (ALK-EL)

ist das älteste der hier vorgestellten Verfahren und basiert auf dem Einsatz hochkonzentrierter alkalischer Elektrolytlösung (20 bis 40 wt.% KOH). Der Anoden- und Kathodenraum ist durch ein Diaphragma getrennt, da zuvor keine Membranen zur Verfügung standen die über eine ausreichende OH Leitfähigkeit verfügten. Das Diaphragma ist porös, weshalb ALK-EL nur eingeschränkt unter Druck betreibbar ist. Der gewonnene Wasserstoff muss mit hohem Energieaufwand komprimiert werden um eine Speicherung und einen Weitertransport zu ermöglichen. Des Weiteren lässt sich die Zelle -auf Grund der schlechten OHLeitfhäigkeit des Diaphragmas- nur unter geringen Stromdichten (bis max. 600 mA/cm²) betreiben.[14] Typische Katalysatoren sind eher preiswerte Materialien basierend auf Ni, Co, Fe. Allerdings führt die Agressivität der hochkonzentrierten Elektrolyten dazu, dass vorallem korrosionsresistente, teure periphere Komponenten eingesetzt werden müssen. Die Investitionskosten pro Kilowatt-Leistung liegen bei ~800 EUR (2020) und sollen auf ~600 EUR (2025), bzw. ~500 EUR (2050) sinken.[14, 16]

Die iii) Anionenaustausch-Membran-Elektrolyse (AEM-EL)

ist eine Kombination aus PEM-EL und ALK-EL wodurch die jeweiligen Vorteile beider Technologien, unter Eliminierung der entsprechenden Nachteile, erhalten werden.[17] Kern der neuartigen Technologie ist eine Membran mit ausreichender OH-Leitfähigkeit, sodass im Vergleich zu ALK-EL eine deutlich weniger agressive Umgebung vorhanden ist (milliQ, schwache KOH oder K2CO3). Durch die weniger korrosiven Betriebszustände sind Katalysatoren aus der Platin-Metall-Gruppe nicht notwendig. Typischerweise wird preiswertes Ni, Co oder Fe als Katalysator eingesetzt. Für Bipolarplatten kann rostfreier Stahl statt Titan verwendet werden.[14, 18] Das Design der AEM-EL orientiert sich stark am Vorbild der PEM: Anode und Kathode liegen direkt auf einer nicht-porösen OH-leitenden Membran auf und es werden Current-Collector sowie Bipolarplatte verwendet, wodurch Arbeiten unter hohem Druck und hohe Stromdichten möglich sind.

Der erzeugte Wasserstoff verfügt über eine höhere Reinheit als in der ALK-EL wodurch Reinigungs- und Kompressionsschritte entfallen und Kosten gesenkt werden. Die Responsivität und Flexibilität der AEM-EL ist höher als bei der ALK-EL wodurch eine bessere Anpassung an die volatile Stromproduktion (Sonne, Wind) möglich ist. Die AEM-EL befindet sich aktuell im Frühstadium ihrer Entwicklung und kann nur mit einer ausoptimierten Membran den Sprung zu einer relevanten Technologie schaffen. Die Firma Evonik hat sich diesem ambitionierten Projekt verschrieben.[19] Das verwendete Wasser kann ebenfalls über einen geringeren Reinheitsgrad verfügen, als das in der PEM-EL eingesetzt Wasser. Die Investitionskosten pro Kilowatt-Leistung liegen bei 1000 EUR (2018) und können auf 500 – 600 EUR (~2030) gesenkt werden.[14]

Die Wasserstoffherstellung über iv) Hochtemperatur-Elektrolyse (HT-EL)

wird üblicherweise bei Betriebstemperaturen zwischen 100 bis 850 °C realisiert. Ein Teil der für die Spaltung des Wassers notwendigen elektrischen Energie wird der Wärme entnommen, welche deutlich preiswerter ist als elektrische Energie und dazu führt, dass die HT-EL besonders wirtschaftlich abläuft und im Dauerbetrieb deutlich preiswerter ist als PEM-EL. Auf Grund der hohen Temperaturen müssen vollständig andere Materialien als bei PEM, ALK, und AEM-EL verwendet werden. Der Elektrolyt besteht aus einem Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSE), Kathode aus z. B. LaSrMnO3, Anode aus Mischoxiden des Lanthan, Strontium und Cobalt, z. B. Ni/YSZ.[20] Ein wesentlicher Nachteil der HT-EL ist, dass die hohen Betriebstemperaturen zunächst erreicht werden müssen, wodurch eine sehr lange Anfahrtzeit entsteht.

Des Weiteren verfügt HT-EL über einen deutlich schmaleren Betriebsbereich als PEM oder ALK-EL weshalb volatile Energiequellen (erneuerbare Energien) nicht in direkter Einspeisung verwendet werden können. Außerdem muss stets eine Wärmequelle (z.B. Kernreaktoren, solarthermische Kollektoren, geothermische Quellen) vorhanden sein. Die Investitionskosten je Kilowatt Leistung liegen aktuell bei 2500 EUR (2018) und könnten bis auf 150 EUR (2050) gesenkt werden.[16, 21]

Quellen:
  1. Dahm, G. Schlüsselfaktor Membran. Elements 2020 31.08.2021]; Available from: https://elements.evonik.de/forschung-und-innovation/schluesselfaktor-membran/.
  2. Carmo, M., et al., A comprehensive review on PEM water electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy, 2013. 38(12): p. 4901-4934.
  3. Milanzi, S., et al., Technischer Stand und Flexibilität des Power-to-Gas-Verfahrens. 2018.
  4. Blumenthal, D.K.v., Enapter AG – PREISWERTER GRÜNER WASSERSTOFF FÜR JEDERMANN, F.B.E. Research, Editor. 2020.
  5. Vincent, I., A. Kruger, and D. Bessarabov, Hydrogen Production by water Electrolysis with an Ultrathin Anion-exchange membrane (AEM). International Journal of Electrochemical Science, 2018. 13: p. 11347 – 11358.
  6. Schulze, E., Evonik will grünen Wasserstoff günstiger machen. 2020.
  7. Friedrich, K.A. and G. Schiller, Wasserstoffherstellung mittels Hochtemperaturelektrolyse. 2013.
  8. Wikipedia-Autoren, Hochtemperaturelektrolyse. 2021: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie.

BEI RÜCKFRAGEN, ANMERKUNGEN ODER ERGÄNZUNGEN FREUEN WIR UNS AUF IHRE MAILS. WÄRE SCHÖN WENN SICH HIERAUS EINE DISKUSSION  UND EIN AUSTAUSCH ENTWICKELN WÜRDE. AUCH HERR DR BERNICKE STEHT FÜR RÜCKFRAGEN ZUR VERFÜGUNG.

Nel Plug Power Bloom Energy Siemens Energy Enapter nucera Siemens Energy ITM Power MAN – Kampf der Systeme

Hier ein aktueller Überblick übe rKapazitäten der Eelktrolyseurproduktion und der angewandten technik. Fehlend in der Auflistung sind noch einge Player, wie Cummins, McPhy u.a. aber zumindest bieten die Zahlen einen Eindruck, dass auf jeden Fall die Elektrolyseurkapazitäten Engpassfaktor werden könnten, wobei überschaubare Investitionskosten und relativ kurze Kapazitätsausbauzeiten…

NEL-  IST 550 MW – KONKRET in Standortsuche 500 MW – Mittelfristziel  2025 SOLL 10 GW  bis 2025 – Technologie PEM / alkalische Elektrolyse
Plug Power- IST 500 MW – KONKRET in Bau 2 GW JV Fortescue, 2023 fertig – Mittelfristziel  2025 SOLL 3 GW plus 2 GW JV Fortescue plus x GW JV SK Group – Technologie PEM
NuceraIST 1 GW –  KONKRET in Planung/Bau ? MW in Saudi Arabien – Mittelfristziel  SOLL 5 GW – Technologie AWE (alkalische Wasser Elektrolyse)
Siemens Energy IST ? vielleicht 100  MW, manuelle Produktion – KONKRET im Bau „mehrere GW“ , 2023 fertig –  Mittelfristziel  SOLL ? GW – Technologie PEM
ITM Power – IST 1 GW-  KONKRET in Bau 1,5 GW, Fertigstellung 2023 –  Mittelfristziel  SOLL 5 GW – Technologie PEM
Bloom Energy – IST 500 MW – KONKRET in  Bau 500 MW, Fertigstellung 2022 –  Mittelfristziel  SOLL 2 GW, zzgl. Expansionspläne Asien, unbeziffert – Technologie SOEX, Hochtemperatur-Elektrolyse
Enapter IST ca. 30 MW KONKRET in Bau 300 MW Mittelfristziel  SOLL 1 GW – Technologie AEM, neuer Ansatz durch kleinteilige Elemente in Reihe geschaltet
MAN Energy Solutions – Volkswagen investiert in den Aufbau eines, nach eigenen Worten, weltweit führenden PEM-Elektrolyseure-Produzenten Allein die Investitionshöhe von 500 Mio EUR zeigt die angedachten Dimensionen – im GW-Bereich.
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