Die Chloralkali-Elektrolyse ist ein industrielles Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von Chlor, Natronlauge und Wasserstoff aus Kochsalz und Wasser.
Die Chloralkali-Elektrolyse ist ein industrielles Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von Chlor, Natronlauge und Wasserstoff aus Kochsalz und Wasser. Mit einer europäischen Chlorproduktion von 7.289 Kilotonnen im Jahr 2023 ist sie ein Eckpfeiler der chemischen Industrie. Deutschland dominiert die EU-Produktion, allein der Standort Stade/Schkopau von Dow Chemical deckt 20% der europäischen Produktion ab.
Die Entwicklung begann Ende des 19. Jahrhunderts mit dem Diaphragmaverfahren (1885) und dem Amalgamverfahren (1890er). In den 1970er Jahren folgte als Antwort auf Umweltprobleme das Membranverfahren. Die neueste Innovation ist die Sauerstoffverzehrkathode (SVK) aus der Jahrtausendwende.
Bedeutung für die Wasserstoffwirtschaft
Als Nebenprodukt fallen pro Tonne Chlor etwa 28 kg Wasserstoff in hoher Reinheit an. Bei der aktuellen Weltproduktion ergibt das eine erhebliche Wasserstoffmenge. Allerdings entwickelt sich die Technologie mit der Einführung der Sauerstoffverzehrkathode (SVK) inzwischen in eine Richtung, bei der kein Wasserstoff mehr als Nebenprodukt anfällt.
Wichtige Verfahrensvarianten
- Das Membranverfahren ist heute Standard und nutzt spezielle Ionentauschermembranen aus Polytetrafluorethylen (PTFE, auch bekannt als Teflon). Es ist die umweltfreundlichste Option und liefert hochreine 35%ige Natronlauge.
- Das Amalgamverfahren, das Quecksilber als Kathode nutzt, liefert ebenfalls sehr reine Produkte. Allerdings wird es wegen Umweltrisiken bis 2025 weltweit eingestellt.
- Das ältere Diaphragmaverfahren läuft ebenfalls bis 2025 aus und verwendet eine poröse Trennwand, die jedoch oft aus gesundheitsgefährdendem Asbest besteht.
- Die Sauerstoffverzehrkathode könnte den Stromverbrauch durch einen speziellen RhxSy-Katalysator von 3V auf 2V pro Zelle senken, produziert aber keinen Wasserstoff mehr als Nebenprodukt
Energiebedarf und Umweltaspekte
Die Chloralkali-Elektrolyse benötigt 454 kJ pro Mol in Form von elektrischem Strom – das entspricht etwa der Energie, die benötigt wird, um 5 Liter Wasser von Raumtemperatur zum Kochen zu bringen. Damit ist die Chloralkali-Elektrolyse sehr energieintensiv. Zum Vergleich: Die Wasserelektrolyse benötigt 286 kJ/mol.
Die 2013 eingeführte SVK-Technologie von Bayer MaterialScience (heute Covestro) und ThyssenKrupp Uhde reduziert den Energiebedarf um 30 %. Bei flächendeckender Einführung in Deutschland könnte dies 1% des nationalen Stromverbrauchs einsparen – vergleichbar mit dem Jahresverbrauch der Stadt Köln. Zudem wird der CO2-Ausstoß aus der Stromerzeugung um ein Drittel reduziert.
Zukunftsperspektiven
Mit einer europäischen Chlorproduktion von 7.289 Kilotonnen im Jahr 2023 stellt die Chloralkali-Elektrolyse einen der wichtigsten Grundprozesse der chemischen Industrie dar, auch wenn die Produktion im Vergleich zum Vorjahr um 11% zurückging. Die Branche sieht sich aktuell mit einer niedrigen Kapazitätsauslastung von 62,2% (gegenüber 69,8% in 2022) konfrontiert – eine Folge hoher Energiepreise und schwacher Nachfrage.
Zugleich bewegt sich die Branche in Richtung energieeffizienter und umweltfreundlicher Technologien. Dabei steht die Energieeffizienz zunehmend im Fokus, auch wenn dies teilweise zu Lasten der Wasserstoffproduktion geht. Einige Elektrolyseurhersteller nutzen ihr Know-how aus der Chloralkali-Elektrolyse heute für die Entwicklung alkalischer Wasserelektrolyseure. Beispiele für diesen Technologietransfer finden sich bei Thyssenkrupp Nucera und Asahi Kasei.
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