Wasserstoffanlagen verschleißen unbemerkt, neue Technik macht Schäden sichtbar

Der Wind frischt auf, die Stromproduktion steigt. In einer Wasserstoffanlage, die flexibel auf das Angebot erneuerbarer Energien reagiert, wird die Leistung des Elektrolyseurs hochgefahren. Wenig später flaut der Wind ab, die Anlage reduziert ihre Leistung wieder. Solche Wechsel können zum Betriebsalltag gehören, wenn Wasserstoff mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. Was dabei im Inneren der Elektrolysezellen passiert, bleibt zunächst verborgen. Elektroden verändern sich, Membranen können altern, elektrische Widerstände steigen. Die Anlage produziert weiter Wasserstoff. Allerdings passiert das unter Umständen längst nicht mehr so effizient wie zu Beginn.

Betreiber stellt dieser schleichende Verschleiß vor Herausforderungen. Ein steigender Energiebedarf kann auf Materialschäden hindeuten, aber ebenso auf veränderte Betriebsbedingungen zurückgehen. Forschende arbeiten deshalb an Diagnoseverfahren, die den Zustand von Elektrolyseuren während der laufenden Wasserstoffproduktion erfassen. Langfristig sollen solche Daten helfen, den Wartungsbedarf vorherzusagen und ungeplante Stillstände zu vermeiden.

Was im Inneren eines Elektrolyseurs altert

Welche Bauteile besonders beansprucht werden, hängt von der Elektrolysetechnologie ab. Bei PEM-Elektrolyseuren, die eine protonenleitende Polymermembran verwenden, können unter anderem Veränderungen der Katalysatorschichten, chemische und mechanische Schädigungen der Membran sowie Korrosionen an metallischen Komponenten auftreten. Auch nachlassende elektrische Kontakte und Ablösungen zwischen einzelnen Materialschichten beeinträchtigen die Leistungsfähigkeit.

Wie vielfältig diese Prozesse sind, zeigt eine im März 2026 veröffentlichte Übersichtsarbeit in Advanced Materials Technologies. Ein Forschungsteam unter Beteiligung des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS untersuchte die Alterungsmechanismen von PEM-Elektrolyseuren auf Bauteilebene. Neben Membranen und Katalysatoren berücksichtigt die Arbeit poröse Transportschichten, Bipolarplatten und Dichtungen.

Die Schwierigkeiten beginnen oft bereits bei der Zuordnung eines Leistungsverlusts. Ein erhöhter Zellwiderstand kann verschiedene Ursachen haben. Auch können sich einzelne Schädigungsprozesse gegenseitig verstärken. So begünstigen mechanische Belastungen unter bestimmten Bedingungen Risse in der Membran, während Veränderungen an Katalysatorschichten die elektrochemischen Reaktionen beeinträchtigen.

Bei alkalischen Elektrolyseuren mit flüssigem Elektrolyten gelten andere Material- und Betriebsbedingungen. Hier spielen unter anderem Veränderungen der Elektrodenoberflächen, der Elektrolytzusammensetzung und des Stofftransports eine Rolle. Diagnoseverfahren müssen diese Unterschiede berücksichtigen.

Wie Lastwechsel die Alterung beeinflussen

Zusätzliche Anforderungen entstehen, wenn Elektrolyseure nicht kontinuierlich mit gleichbleibender Leistung arbeiten. Häufige Anfahrvorgänge, Lastwechsel und Stillstandsphasen verändern die Temperatur, die Stromdichte und die elektrochemische Reaktionsbedingungen. Wie stark sich das auf die Lebensdauer auswirkt, hängt von der jeweiligen Technologie, den verwendeten Materialien und dem konkreten Lastprofil ab.

Eine 2025 im International Journal of Hydrogen Energy veröffentlichte Studie untersuchte die Alterung von Elektroden in der alkalischen Wasserelektrolyse unter dynamischen Betriebsbedingungen. Die Forschenden verglichen verschiedene Stromprofile bei Stromdichten zwischen 0,1 und 1,5 A/cm². Mit kontinuierlichen Impedanzmessungen verfolgten sie, wie sich die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden während der Versuche veränderten.

Für zwei untersuchte Anodentypen ermittelten sie unter unterschiedlichen Rechtecklastprofilen Beschleunigungsfaktoren der Impedanzveränderung von 1,5 beziehungsweise 2,1. Eine entsprechend verkürzte Lebensdauer lässt sich daraus nicht unmittelbar ableiten. Die Ergebnisse beziehen sich auf die untersuchten Materialien und Versuchsbedingungen.

Beschleunigte Alterungstests müssen die Belastungen im späteren Anlagenbetrieb möglichst realistisch nachbilden. Hohe Stromdichten allein reichen dafür nicht aus. Auch die zeitliche Abfolge der Lastwechsel spielt eine Rolle. Wenn die Prüfbedingungen zu stark vom tatsächlichen Betrieb abweichen, lassen sich aus den gemessenen Veränderungen nur eingeschränkt Rückschlüsse auf die Lebensdauer der Elektrolyseure ziehen.

Elektrische Signale verraten Veränderungen

Zur Untersuchung von elektrochemischen Vorgängen wird seit Langem die Impedanzspektroskopie eingesetzt. Bei dieser Methode wird dem Betriebsstrom beziehungsweise der Betriebsspannung ein kleines elektrisches Wechselsignal überlagert. Gemessen wird, wie das System auf die Anregung reagiert.

Aus dem frequenzabhängigen Verhältnis zwischen Spannung und Strom entsteht ein Impedanzspektrum. Es enthält Informationen über unterschiedliche Prozesse innerhalb einer elektrochemischen Zelle. Dazu gehören elektrische Kontaktwiderstände, der Ionentransport, Reaktionen an den Elektroden und Einschränkungen beim Stofftransport.

Weil diese Vorgänge unterschiedlich schnell ablaufen, beeinflussen sie verschiedene Frequenzbereiche des Messsignals. Das ermöglicht es, einzelne Beiträge zum Gesamtwiderstand unter geeigneten Bedingungen voneinander zu unterscheiden. Allerdings lassen sich aus den Messdaten nicht immer eindeutige Schlüsse ziehen. Ähnliche Veränderungen im Impedanzspektrum können unterschiedliche Ursachen haben. Welches Bauteil tatsächlich betroffen ist, lässt sich daher oft erst mithilfe physikalischer Modelle, Vergleichsdaten oder zusätzlicher Messungen feststellen.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich Rahmen der Messung. Die klassische Impedanzspektroskopie liefert vor allem dann zuverlässige Ergebnisse, wenn sich die Betriebsbedingungen während der Messung kaum verändern. Starke Lastwechsel können die Auswertung verfälschen. Die Wasserstoffproduktion muss dafür zwar nicht unterbrochen werden, die Anlage sollte während der Messung aber möglichst gleichmäßig laufen.

Fraunhofer-Forschende entwickeln dynamische Messung weiter

Hier setzt die dynamische Impedanzspektroskopie an. Sie soll auch dann verwertbare Daten liefern, wenn sich die Betriebsbedingungen während der Messung verändern.

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM hat vor Kurzem eine Weiterentwicklung des Verfahrens vorgestellt. Den Forschenden zufolge können inzwischen Betriebsströme bis zu 30 A mit einem Multifrequenzsignal überlagert werden. Die zeitliche Entwicklung der Impedanz wird online berechnet und ausgewertet.

„Mit unserer neuen dynamischen Messmethode erhalten wir erstmals aussagekräftige Daten direkt aus dem real laufenden Prozess mit deutlich höheren Stromstärken als im bisherigen Labor-Setup“,
so Projektleiter Dr. Hermann Pleteit am Frauhofer IFAM.

Aus den Messdaten sollen sich Hinweise auf Veränderungen an Elektroden, Membranen und elektrischen Kontakten gewinnen lassen. Steigen bestimmte Widerstandsanteile an oder verändert sich das Phasenverhalten, können die Ursachen beispielsweise in verschlechterten Elektrodenreaktionen, Korrosion oder Einschränkungen des Stofftransports liegen. Das Fraunhofer IFAM arbeitet zudem an der Einbindung der Diagnose in die Anlagensteuerung. KI-gestützte Modelle sollen dabei helfen, den Einfluss wechselnder Betriebsbedingungen wie Temperatur und Druck auf die Messergebnisse zu berücksichtigen.

Die Erweiterung auf höhere Betriebsströme ist ein Schritt in Richtung industrieller Anwendung. Sie belegt jedoch noch nicht, dass das Verfahren auch an großen kommerziellen Elektrolyseurstacks über lange Zeiträume zuverlässig funktioniert. Dafür sind weitere Untersuchungen unter realen Einsatzbedingungen erforderlich.

Grenzen der dynamischen Impedanzmessung

Auch die dynamische Impedanzspektroskopie kann nicht beliebig schnellen Veränderungen folgen. Eine im Juni 2026 in Current Opinion in Electrochemistry veröffentlichte Übersichtsarbeit beschreibt die Grenzen der derzeit verfügbaren Ansätze. Der Zustand des untersuchten Systems muss sich demnach im Verhältnis zur Periodendauer der Messsignale ausreichend langsam verändern. Vor allem bei niedrigen Frequenzen entstehen Schwierigkeiten.

Die Autoren weisen zudem darauf hin, dass bislang einheitliche Standards fehlen, mit denen sich die Qualität solcher Messungen unter nichtstationären Bedingungen überprüfen lässt.

Schnelle Diagnose ohne Frequenzmessung

Neben der dynamischen Impedanzspektroskopie werden weitere Verfahren untersucht, die sich in bestehende Elektrolyseanlagen integrieren lassen. Ein Beispiel ist die sogenannte Step-Response-Analyse. Dabei wird die Spannungsreaktion auf eine kleine Änderung des elektrischen Stroms ausgewertet. Das Verfahren kommt ohne eine vollständige frequenzabhängige Impedanzmessung aus und kann deshalb vergleichsweise schnell Ergebnisse liefern.

Eine im August 2026 in Applied Energy veröffentlichte Studie untersuchte diesen Ansatz für PEM-Elektrolyseure. Die Forschenden testeten die Methode an Einzelzellen und an einem Stack aus drei Zellen. Unter optimierten Versuchsbedingungen ließ sich der elektrische Widerstand innerhalb von ungefähr einer Sekunde bestimmen. Die Abweichung gegenüber galvanostatischen Impedanzmessungen lag bei etwa 2 bis 3 %. Damit könnte sich die Step-Response-Analyse für eine schnelle Zustandsüberwachung eignen. Allerdings erfasst eine solche Widerstandsmessung nicht sämtliche elektrochemischen Vorgänge.

Wann wird aus Messdaten eine Wartungsprognose?

Für die Betreiber von Wasserstoffanlagen stellt sich vor allem die Frage, welche Entscheidungen sich aus den Diagnoseergebnissen ableiten lassen. Ein steigender Widerstand kann auf Materialalterung hinweisen. Ob deshalb eine Wartung notwendig ist, hängt jedoch vom betroffenen Bauteil, der Stärke der Veränderung und der weiteren Entwicklung ab. Ein kurzzeitiger Effekt durch veränderte Temperatur oder Gasblasenbildung ist anders zu bewerten als eine dauerhaft fortschreitende Schädigung. Die Prognose der verbleibenden Nutzungsdauer, Remaining Useful Life (RUL) erfordert deshalb Modelle, die den Zusammenhang zwischen Betriebsbelastung, messbaren Veränderungen und tatsächlicher Degradation beschreiben.

Eine im April 2026 in Applied Energy veröffentlichte Übersichtsarbeit beschäftigt sich mit solchen Prognosemodellen für Wasserelektrolyseure. Sie untersucht, welche Zustandsindikatoren sich eignen und wie sich daraus Aussagen über die weitere Entwicklung einer Anlage ableiten lassen.
Problematisch wird es bei größeren Zellstapeln. Wenn nur der Gesamtzustand eines Stacks erfasst wird, können lokale Schäden einzelner Zellen unentdeckt bleiben oder sich nur schwer zuordnen lassen. Hinzu kommen Störeinflüsse durch Leistungselektronik, wechselnde Lasten sowie unterschiedliche Temperatur- und Druckbedingungen.

Selbst wenn ein Diagnoseverfahren zuverlässig misst, ist damit noch nicht geklärt, welche Wartungsmaßnahme im Einzelfall wirtschaftlich sinnvoll ist. Die Kosten für zusätzliche Messtechnik, Datenverarbeitung und Modellpflege müssen ebenfalls berücksichtigt werden Ob sich die Verfahren im industriellen Alltag bewähren, müssen Langzeitversuche zeigen. Dabei geht es vor allem darum, beginnende Schäden rechtzeitig zu erkennen, Fehlalarme möglichst zu vermeiden und ungeplante Stillstände zu reduzieren.

Wenn der Elektrolyseur seinen Zustand selbst meldet

Draußen lässt der Wind nach, die verfügbare Strommenge sinkt. Der Elektrolyseur fährt seine Leistung zurück. Für die Anlagensteuerung ist das ein gewöhnlicher Vorgang. Doch was haben die vielen Lastwechsel in den vergangenen Monaten im Inneren der Zellen bewirkt? Sind die Elektroden noch in gutem Zustand, haben sich Widerstände verändert, kündigt sich ein Schaden an?

Künftig könnten Betreiber auf solche Fragen schneller Antworten erhalten – nicht erst nach einer aufwendigen Untersuchung oder einem ungeplanten Stillstand, sondern während die Anlage weiter Wasserstoff produziert. Bis aus den Messdaten verlässliche Aussagen über den Wartungsbedarf werden, ist allerdings noch Entwicklungsarbeit erforderlich. Im Idealfall könnte der Elektrolyseur dann künftig selbst die Daten liefern, die auf einen beginnenden Verschleiß hinweisen: lange bevor daraus ein kostspieliger Ausfall wird.

Quellen

• Advanced Materials Technologies (2026) – Degradation Mechanisms in PEM Water Electrolysis: Diagnosis and Impact.
• International Journal of Hydrogen Energy (2025) – Alterungsuntersuchungen unter dynamischen Betriebsbedingungen.
• Current Opinion in Electrochemistry (2026) – Critical review on dynamic electrochemical impedance spectroscopy.
• Applied Energy (August 2026) – Online-Widerstandsdiagnose mittels Step-Response-Analyse.
• Applied Energy (April 2026) – Übersichtsarbeit zur Vorhersage der verbleibenden Nutzungsdauer von Elektrolyseuren.