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Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser beträgt je nach angewandtem Detailverfahren, und abhängig vom Typ und der Berechnung des Wirkungsgrades, zwischen 60 und 85 %.^[1]

Da die Elektrolytkonzentration und die Temperatur einer Elektrolytlösung großen Einfluss auf den Zellwiderstand und somit auf die Energiekosten haben, wird dafür zum Beispiel eine 25- bis 30-prozentige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet, die Temperatur liegt bei ca. 70–90 °C. Die Stromdichte liegt bei ca. 0,15–0,5 A/cm², die Spannung bei ca. 1,90 V.

Zur Herstellung von 1 m³ Wasserstoff (bei Normaldruck) wird in der Praxis eine elektrische Energie von 4,5–6,3 kWh benötigt. Anlagen mit einem höheren Zelldruck, beispielsweise 30 bar, benötigen in der Regel weniger elektrische Energie; beispielsweise 4,3 kWh. Dies erscheint zunächst als paradox, da gemäß des Prinzips vom kleinsten Zwang eine Druckerhöhung um den Faktor 10 eine Erhöhung der notwendigen Zellspannung um etwa 15 mV bedingt. Die Druckerhöhung bewirkt jedoch eine Verringerung des Volumens der entstehenden Gase. Auch die Gasbläschen an den Elektroden verkleinern sich proportional zum Druck. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit des Elektrolyten, was eine Absenkung der Stromdichte und einen geringeren ohmschen Spannungsabfall bewirkt. Der Gewinn an Wirkungsgrad kompensiert den zusätzlichen Aufwand für die Kompression bei weitem. Allerdings erhöht sich die Löslichkeit der entstehenden Gase im Elektrolyten und der Druck muss präzise geregelt werden, um eine Zerstörung der Membran bei zu großem Druckunterschied zwischen Anode und Kathode zu vermeiden.^[2]

Durch spezielle Elektroden mit großer Oberfläche und speziellen Nickel-Legierungen kann die Überspannung an der Kathode um 15 bis 200 mV gesenkt werden.^[3] Dieses Gebiet ist Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten.

Es besteht auch die Möglichkeit, demineralisiertes Wasser durch Elektrolyse zu zerlegen. Bei der SPE-Wasserstoffelektrolyse wird eine protonengeladene Nafionmembran benutzt. Die dünnen durchbrochenen Elektroden befinden sich auf der Oberflächenschicht (englisch zero gap „abstandsfreie Zellengeometrie“) der Membran. Als Elektrodenmaterial können z. B. Rutheniumoxidhydrate (Anode) oder Platin (Kathode) verwendet werden. Die SPE-Elektrolyse scheint sich im Markt bei Kleinelektrolyseuren durchzusetzen.^[4]

Es wird auch an der Hochtemperatur-Wasserdampf-Elektrolyse (bei 800 bis 1000 °C) an Festelektrolyten geforscht (Festoxid-Elektrolyseurzelle). Als Festelektrolyt wird üblicherweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) verwendet. Alternativ können auch Sc oder Ca-dotiertes ZrO₂, Gd oder Sm-dotiertes CeO₂ oder auch Elektrolyte mit Perowskit-Struktur (z. B. auf Basis von LaGaO₃; dotiert mit Sr und/oder Mg) verwendet werden.^[5] Durch die erhöhte Betriebstemperatur lässt sich die benötigte Spannung im thermoneutralen Betriebspunkt auf 1,30 V senken, die Stromdichte liegt bei 0,4 A/cm².^[6]

Der elektrische Wirkungsgrad ist insbesondere bei der Nutzung von Wasserstoff als saisonaler Energiespeicher wichtig, dem sogenannten Power-to-Gas-Verfahren. Dabei wird Elektrolysewasserstoff (bzw. nach einer ggf. nachgeschalteten Methanisierung Methan) genutzt, um als Speicher die schwankende Erzeugung mancher regenerativer Energiequellen auszugleichen und damit eine stabile Stromversorgung zu erreichen. Die Rückverstromung kann auf unterschiedliche Art und Weise stattfinden; u. a. können Gaskraftwerke, Blockheizkraftwerke oder Brennstoffzellen genutzt werden. Da Power-to-Gas durch den recht geringen Wirkungsgrad der Energiekette Strom --> Wasserstoff/Methan --> Strom hohe Energieverluste mit sich bringt, sollte ein zukünftiges Energiesystem so ausgelegt sein, dass ein möglichst geringer Langfristspeicherbedarf besteht, für den diese Technik benötigt wird.^[7]

Nebenreaktionen^[8]

Bildung von Ozon

• An glatten Platinanoden kommt es in gekühlten (die Ozonzersetzung ist dann geringer), stark sauren Lösungen bei hohen Stromdichten zur Ozonbildung. Im basischen Milieu ist die Ozonbildung geringer, an Nickelanoden bleibt sie sogar völlig aus.
• Ist dem Gleichstrom Wechselstrom überlagert, so erfolgt die Ozonbildung bereits bei geringeren Stromdichten.