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Wasserelektrolyse Unter versteht man die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines elektrischen

Wasserelektrolyse

Unter Wasserelektrolyse versteht man die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines elektrischen Stromes. Die wichtigste Anwendung dieser Elektrolyse ist die Gewinnung von Wasserstoff. Bisher ist die Wasserstoffgewinnung aus fossilen Energieträgern wirtschaftlicher als die Herstellung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse. Die Wasserelektrolyse wird daher noch selten angewandt.

Durch den starken Ausbau der Nutzung von erneuerbaren Energien wird davon ausgegangen, dass die Wasserelektrolyse als Bestandteil von Power-to-Gas-Anlagen mittel- bis langfristig eine große Bedeutung zur Herstellung von Synthesegas erreichen wird. Mit Wasserstoff als Energiespeicher wird die Verstetigung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien, insbesondere bei Windkraft und Photovoltaik, gefördert, indem Überschüsse von Wind- und Solarstrom chemisch zwischengespeichert werden können. Der erzeugte Wasserstoff kann für chemische Prozesse genutzt oder direkt oder nach anschließender Methanisierung als Methan dem Erdgasnetz zugeführt werden. Anschließend steht er für verschiedene Anwendungszwecke wie z. B. als Rohstoff für die chemische Industrie (Power-to-Chemicals), als Antriebsenergie von Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen (Power-to-Fuel) oder für die Rückverstromung in Gaskraftwerken oder Brennstoffzellen zur Verfügung.

Die Wasserelektrolyse ist auch als Demonstrationsversuch bedeutsam; dabei wird oft der Hofmannsche Wasserzersetzungsapparat genutzt. Eine weitere Anwendung der Wasserelektrolyse ist die Anreicherung von Deuterium. Ferner ist die Wasserelektrolyse die wichtigste Nebenreaktion vieler technischer Elektrolysen, z. B. der Chloralkali-Elektrolyse.

Reaktionen und ihre Gleichungen Bearbeiten

Hofmannscher Zersetzungsapparat: H2 und O2 verhalten sich weitgehend wie ideale Gase. Damit haben die gemessenen Gasvolumina H2 zu O2 das Verhältnis 2:1 und folgen der Stöchiometrie der Elektrolyse. Die Gasvolumina sind proportional zum elektrischen Strom, der über die Dauer der Messung geflossen ist. Die Volumina sind also proportional zur elektrischen Ladung.

Die Elektrolyse von Wasser besteht aus zwei Teilreaktionen, die jeweils an den Elektroden Kathode und Anode ablaufen. Das Gesamt-Reaktionsschema dieser Redoxreaktion lautet:

*(S° Werte: H2(g) = 131,0; O2(g) = 205,0; H2O(l) = 69,9; H2O(g) = 188,7 J/K mol)

Die Elektroden tauchen in einen Elektrolyten ein. Der Elektrolyt wird meist durch Zusatz einer Säure, wie Schwefelsäure, oder einer Lauge, wie Kalilauge, hergestellt. Die Elektrolyse gelingt auch, wenn neutrale Salze wie Natriumsulfat als Elektrolyt verwendet werden. Ungeeignet sind beispielsweise Salzsäure oder Natriumchlorid, da sich dann an der Anode Chlor abscheiden würde.

In saurer Lösung:

In alkalischer Lösung:

In neutraler Natriumsulfat-Lösung:

Zwischen den Halbzellen bilden sich Konzentrationsgradienten im Elektrolyten, da je nach den Bedingungen Oxonium-Ionen (H3O+) oder Hydroxid-Ionen (OH–) gebildet oder verbraucht werden. Dabei wandern die Oxonium-Ionen zu der negativ geladenen Kathode, die Hydroxid-Ionen zur positiven Anode. Die Ionenbeweglichkeit von H3O+ und OH– sind vergleichsweise hoch, da die Ionen nicht als Ganzes wandern, sondern nur Protonen (H+) verschoben werden, siehe Grotthuß-Mechanismus.

Technische Wasserelektrolyse Bearbeiten

Elektrolysezellen in einer Prototypanlage.
Konzeptionelle Darstellung der Evolution der konventionellen Elektrolyse über die Zeit.

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 %.

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 de Membran bei zu großem Druckunterschied zwischen Anode und Kathode zu vermeiden.

Durch spezielle Elektroden mit großer Oberfläche und speziellen Nickel-Legierungen, kann die Überspannung an der Kathode um 15 bis 200 mV gesenkt werden. 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.

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. Durch die erhöhte Betriebstemperatur lässt sich die benötigte Spannung im thermoneutralen Betriebspunkt auf 1,30 V senken, die Stromdichte liegtbei 0,4 A/cm².

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.

Nebenreaktionen

Bildung von Ozon

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  • 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.

Forschungsarbeiten Bearbeiten

Konzeptionelle Darstellung eines kapillargespeisten Elektrolyseurs

Im August 2022 veröffentlichte eine australische Arbeitsgruppe von der University of Wollongong (UOW) und dem ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science ihre Forschungsergebnisse zur Kapillarelektrolyse von Wasser (Capillary-Fed Electrolysis, CFE, dt. kapillargespeister Elektrolyseur). Sie konnten mit diesem Verfahren mit 40,4 kWh 1 kg Wasserstoff erzeugen. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 98 %. Die Zellspannung liegt bei 1,51 Volt und die Stromdichte bei 0,5 A/cm². Die Betriebstemperatur der Zellen beträgt 85 °C. Der Wegfall von Kühlsystemen und Flüssigkeitsabscheidern sowie ein deutlich kleineres Wasserkreislaufsystem sollen sich zudem günstig auf den Kapitalbedarf einer Anlage auswirken. Ein UOW-Spin-off kommerzialisiert nun diese Technologie und verspricht einen Systemwirkungsgrad (system efficiency) von 95 %. Im Rahmen der Deutschland-Australischen-Kooperation im Bereich Grüner Wasserstoff soll diese Technologie weiterentwickelt werden. Beteiligte Unternehmen aus Deutschland beziehungsweise Forschungseinrichtungen sind die Alantum Europe GmbH, die Messkonzept GmbH und die VAF GmbH sowie das Forschungszentrum Jülich mit IEK-11 (Institut für Energie- und Klimaforschung), IEK-14 (Elektrochemische Verfahrenstechnik) und IEK-8 (Troposphäre) und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie.

Wirkungsgrade und deren Berechnung Bearbeiten

In der Praxis werden unterschiedliche Arten von Wirkungsgraden bei der Elektrolyse betrachtet und berechnet:

Beim Faraday-Wirkungsgrad εV, auch Stromwirkungsgrad genannt erfolgt die Berechnung nach den Faradayschen Gesetzen. Für die Elektrolyse von 1 Gramm Wasserstoff, was der Stoffmenge von 1 mol entspricht, werden theoretisch 96.485 A·s benötigt. Der Faraday-Wirkungsgrad erfasst den Umsatz der Ladung in einer Elektrolysezelle und ist das Verhältnis von der erzeugten H2-Stoffmenge zur theoretischen Stoffmenge.

Beim Spannungswirkungsgrad εI wird die theoretische Zellspannung, in diesem Fall die thermoneutrale Spannung (1,48 Volt bei Standardbedingungen) durch die reale Zellspannung geteilt und mit 100 multipliziert. Die thermoneutrale Spannung beinhaltet im Gegensatz zu Potentialdifferenz (1,23 Volt) die durch die Entropieänderung gebundene Wärme. Liegt die reale Zellspannung beispielsweise bei 1,9 Volt, so ergibt sich ein Spannungswirkungsgrad von 77,9 Prozent.

Beim Zellwirkungsgrad εcell wird der Gesamtwirkungsgrad der Elektrolysezelle betrachtet. Er errechnet sich als Produkt von Stromwirkungsgrad und Spannungswirkungsgrad: εcell=εV · εI. Durch die Multiplikation der für die Erzeugung von 1 mol Wasserstoff (= 1,008 g) notwendigen elektrischen Ladung von 96.485 A·s, mit der thermoneutralen Spannung in Höhe von 1,48 Volt, erhält man eine Energiemenge von 143.940 W·s pro Gramm Wasserstoff. Dies entspricht einem Energiebedarf von 39,98 kWh pro Kilogramm Wasserstoff. Für 1 m³ Wasserstoff unter Standardbedingungen werden theoretisch 3,52 kWh benötigt. Für die Berechnung des Wirkungsgrades in Prozent werden die für 1 kg Wasserstoff theoretisch benötigten 39,98 kWh durch die für diese Masse tatsächlich benötigten Kilowattstunden geteilt und mit der Zahl 100 multipliziert. Dabei ist zu beachten, dass die thermoneutrale Spannung temperatur- und druckabhängig ist.

Beim sogenannten DC-Wirkungsgrad εHHV (brennwertbezogen) oder εLHV (heizwertbezogen) wird dagegen die für die Elektrolyse benötigte Energie, ins Verhältnis zu dem Energieinhalt des produzierten Wasserstoffs setzt. Hier ist die Angabe des Brenn- oder Heizwert relevant.

Volks- und betriebswirtschaftlich entscheidend ist jedoch der System/Anlagen-Wirkungsgrad. Hierzu werden ggf. Verlustleistungen bzw. zusätzliche Energiebedarfe aus der AC/DC-Umwandlung und der Transformation aus der Mittelspannung, der Wasseraufbereitung, der Kühlsysteme, der Energie für Gebäude und Nebengewerke oder der Kompression und Wasserstoffaufbereitung mit eingerechnet. Um eine Vergleichbarkeit der Wirkungsgradangaben zu ermöglichen, müssen die jeweiligen Systemgrenzen sorgfältigt untersucht werden.

Weitere Bewertungskriterien Bearbeiten

Der Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs ist nur eines der für die Praxis relevanten Bewertungskriterien. Neben den wirtschaftlichen Faktoren Investitionen und Betriebskosten sind dies:

  • Teillastverhalten: Arbeitsbereich und Überlastfähigkeit
  • Dynamik: Wie schnell kann Transienten in der Leistungsaufnahme gefolgt werden? Totzeiten des Systems z. B. beim Anfahren. Aufwärmzeiten des Elektrolyseurs, Wechsel von Stand-by in den Betrieb.
  • ƒ Lebensdauer: kalendarische Lebensdauer, Betriebsstunden und Anzahl der Anfahr-/Abfahrzyklen
  • ƒ Verfügbarkeit: Betriebsausfälle durch Reparatur- oder Wartungsarbeiten
  • Autarkie: Wie autark ist das System im Betrieb? Weitere notwendige Betriebsmedien?

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Commons: Wasserelektrolyse – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Wasserelektrolyse – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Vgl. Volker Quaschning, Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 9. aktualisierte Auflage. München 2015, S. 54f.
  2. ↑ Peter Kurzweil, Paul Scheipers: Chemie: Grundlagen, Aufbauwissen, Anwendungen und Experimente, 8. Aufl., Vieweg+Teubner, Wiesbaden, 2010, S. 198. eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche
  3. Karl-Heinz Lautenschläger, Wolfgang Weber: Taschenbuch der Chemie, 22. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2018, S. 366.
  4. S. Milanzi, C. Spiller, B. Grosse, L. Hermann, J. Kochems, J. Müller-Kirchenbauer: Technischer Stand und Flexibilität des Power-to-Gas-Verfahrens. (PDF; 1,16 MB) Technische Universität Berlin, 29. August 2018, abgerufen am 6. November 2019 (Abb. 4-2 auf Seite 7/18).
  5. G. Milazzo: Elektrochemie. Springer-Verlag, 2013, ISBN 3-0348-5366-1, S. 152–153 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  6. Carl-Jochen Winter, Joachim Nitsch: Wasserstoff als Energieträger. Springer-Verlag, 2013, ISBN 3-642-97884-3, S. 183 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  7. Carl Jochen Winter, Joachim Nitsch: Wasserstoff als Energieträger: Technik und Systeme. Springer Verlag, 1986.
  8. Singhal, Subhash C.; Kendall, Kevin (Hrsg.): High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications. 2003 (englisch).
  9. Gerd Sandstede: Möglichkeiten zur Wasserstoff-Erzeugung mit verminderter Kohlendioxid-Emission für zukünftige Energiesysteme. In: Chem.-Ing.-Tech. Band 63, Nr. 6, 1993, S. 586–589, doi:10.1002/cite.330630608.
  10. Günther Brauner: Energiesysteme: regenerativ und dezentral. Strategien für die Energiewende. Wiesbaden 2016, S. 89.
  11. Fritz Foerster: Elektrochemie wässriger Lösungen. Verlag von Johann Ambosius Barth, 1915, S. 206ff.
  12. ↑ HyGATE–Informationen zur Wasserstoffkooperation von Deutschland und Australien. Mitteilung des Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz vom 27. Januar 2023.
  13. A. Hodges, A. L. Hoang, G. Tsekouras et al.: A high-performance capillary-fed electrolysis cell promises more cost-competitive renewable hydrogen. In: Nature Communications Band 13, Nummer 1304, 2022 doi:10.1038/s41467-022-28953-x (Open Access)
  14. Sam Findlay: 2022 – Breakthrough opens door to low-cost green hydrogen. In: uow.edu.au. 16. März 2022, abgerufen am 29. Juli 2023 (englisch).
  15. Tom Colditz: Effizienz-Durchbruch bei Wasserstoff-Elektrolyse. In: edison.media. 21. August 2022, abgerufen am 29. Juli 2023.
  16. Website der Hysata Pty Ltd. abgerufen am 29. Juli 2023.
  17. Philipp Lettenmeier: White Paper: Wirkungsgrad - Elektrolyse Siemens Corporate Technology (Hrsg.), Januar 2009, (PDF).
  18. ↑ Tom Smolinka, Martin Günther, Jürgen Garche: Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien. Fraunhofer ISE (Hrsg.), vom 5. Juli 2011, S. 7–9.
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Veröffentlichungsdatum:
Unter Wasserelektrolyse versteht man die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines elektrischen Stromes Die wichtigste Anwendung dieser Elektrolyse ist die Gewinnung von Wasserstoff Bisher ist die Wasserstoffgewinnung aus fossilen Energietragern wirtschaftlicher als die Herstellung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse Die Wasserelektrolyse wird daher noch selten angewandt Durch den starken Ausbau der Nutzung von erneuerbaren Energien wird davon ausgegangen dass die Wasserelektrolyse als Bestandteil von Power to Gas Anlagen mittel bis langfristig eine grosse Bedeutung zur Herstellung von Synthesegas erreichen wird 1 Mit Wasserstoff als Energiespeicher wird die Verstetigung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien insbesondere bei Windkraft und Photovoltaik gefordert indem Uberschusse von Wind und Solarstrom chemisch zwischengespeichert werden konnen Der erzeugte Wasserstoff kann fur chemische Prozesse genutzt oder direkt oder nach anschliessender Methanisierung als Methan dem Erdgasnetz zugefuhrt werden Anschliessend steht er fur verschiedene Anwendungszwecke wie z B als Rohstoff fur die chemische Industrie Power to Chemicals als Antriebsenergie von Fahrzeugen Schiffen und Flugzeugen Power to Fuel oder fur die Ruckverstromung in Gaskraftwerken oder Brennstoffzellen zur Verfugung Die Wasserelektrolyse ist auch als Demonstrationsversuch bedeutsam dabei wird oft der Hofmannsche Wasserzersetzungsapparat genutzt Eine weitere Anwendung der Wasserelektrolyse ist die Anreicherung von Deuterium Ferner ist die Wasserelektrolyse die wichtigste Nebenreaktion vieler technischer Elektrolysen z B der Chloralkali Elektrolyse Inhaltsverzeichnis 1 Reaktionen und ihre Gleichungen 2 Technische Wasserelektrolyse 3 Forschungsarbeiten 4 Wirkungsgrade und deren Berechnung 5 Weitere Bewertungskriterien 6 Siehe auch 7 Literatur 8 Weblinks 9 EinzelnachweiseReaktionen und ihre Gleichungen Bearbeiten nbsp Hofmannscher Zersetzungsapparat H2 und O2 verhalten sich weitgehend wie ideale Gase Damit haben die gemessenen Gasvolumina H2 zu O2 das Verhaltnis 2 1 und folgen der Stochiometrie der Elektrolyse Die Gasvolumina sind proportional zum elektrischen Strom der uber die Dauer der Messung geflossen ist Die Volumina sind also proportional zur elektrischen Ladung Die Elektrolyse von Wasser besteht aus zwei Teilreaktionen die jeweils an den Elektroden Kathode und Anode ablaufen Das Gesamt Reaktionsschema dieser Redoxreaktion lautet 2 H 2 O l E l e k t r o l y s e 2 H 2 g O 2 g displaystyle mathrm 2 H 2 O l overrightarrow rm Elektrolyse 2 H 2 g O 2 g nbsp D R G 474 48 k J 2 m o l 237 24 k J m o l displaystyle Delta text R G ominus mathrm 474 48 kJ 2 mol mathrm 237 24 kJ mol nbsp D R S 327 2 J K 2 m o l 163 6 J K m o l displaystyle Delta text R S ominus mathrm 327 2 J K 2 mol mathrm 163 6 J K mol nbsp D R H 571 66 k J 2 m o l 285 83 k J m o l displaystyle Delta text R H ominus mathrm 571 66 kJ 2 mol mathrm 285 83 kJ mol nbsp bei T 298 15 K p 1 013 105 Pa Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten S Werte H2 g 131 0 O2 g 205 0 H2O l 69 9 H2O g 188 7 J K mol Die Elektroden tauchen in einen Elektrolyten ein Der Elektrolyt wird meist durch Zusatz einer Saure wie Schwefelsaure oder einer Lauge wie Kalilauge hergestellt Die Elektrolyse gelingt auch wenn neutrale Salze wie Natriumsulfat als Elektrolyt verwendet werden Ungeeignet sind beispielsweise Salzsaure oder Natriumchlorid da sich dann an der Anode Chlor abscheiden wurde In saurer Losung 2 K a t h o d e displaystyle mathrm Kathode nbsp 4 H 3 O 4 e displaystyle mathrm 4 H 3 O 4 e nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp 2 H 2 4 H 2 O displaystyle mathrm 2 H 2 4 H 2 O nbsp A n o d e displaystyle mathrm Anode nbsp 6 H 2 O displaystyle mathrm 6 H 2 O nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp O 2 4 H 3 O 4 e displaystyle mathrm O 2 4 H 3 O 4 e nbsp G e s a m t r e a k t i o n displaystyle mathrm Gesamtreaktion nbsp 2 H 2 O displaystyle mathrm 2 H 2 O nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp 2 H 2 O 2 displaystyle mathrm 2 H 2 O 2 nbsp In alkalischer Losung 2 K a t h o d e displaystyle mathrm Kathode nbsp 4 H 2 O 4 e displaystyle mathrm 4 H 2 O 4 e nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp 2 H 2 4 O H displaystyle mathrm 2 H 2 4 OH nbsp A n o d e displaystyle mathrm Anode nbsp 4 O H displaystyle mathrm 4 OH nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp O 2 2 H 2 O 4 e displaystyle mathrm O 2 2 H 2 O 4 e nbsp G e s a m t r e a k t i o n displaystyle mathrm Gesamtreaktion nbsp 2 H 2 O displaystyle mathrm 2 H 2 O nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp 2 H 2 O 2 displaystyle mathrm 2 H 2 O 2 nbsp In neutraler Natriumsulfat Losung 3 K a t h o d e displaystyle mathrm Kathode nbsp 4 H 2 O 4 e displaystyle mathrm 4 H 2 O 4 e nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp 2 H 2 4 O H displaystyle mathrm 2 H 2 4 OH nbsp A n o d e displaystyle mathrm Anode nbsp 6 H 2 O displaystyle mathrm 6 H 2 O nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp O 2 4 H 3 O 4 e displaystyle mathrm O 2 4 H 3 O 4 e nbsp G e s a m t r e a k t i o n displaystyle mathrm Gesamtreaktion nbsp 10 H 2 O displaystyle mathrm 10 H 2 O nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp 2 H 2 O 2 4 H 3 O 4 O H displaystyle mathrm 2 H 2 O 2 4 H 3 O 4 OH nbsp d u r c h N e u t r a l i s a t i o n displaystyle mathrm durch Neutralisation nbsp 10 H 2 O displaystyle mathrm 10 H 2 O nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp 2 H 2 O 2 8 H 2 O displaystyle mathrm 2 H 2 O 2 8 H 2 O nbsp n a c h K u r z u n g displaystyle mathrm nach K ddot u rzung nbsp 2 H 2 O displaystyle mathrm 2 H 2 O nbsp displaystyle mathrm longrightarrow nbsp 2 H 2 O 2 displaystyle mathrm 2 H 2 O 2 nbsp Zwischen den Halbzellen bilden sich Konzentrationsgradienten im Elektrolyten da je nach den Bedingungen Oxonium Ionen H3O oder Hydroxid Ionen OH gebildet oder verbraucht werden Dabei wandern die Oxonium Ionen zu der negativ geladenen Kathode die Hydroxid Ionen zur positiven Anode Die Ionenbeweglichkeit von H3O und OH sind vergleichsweise hoch da die Ionen nicht als Ganzes wandern sondern nur Protonen H verschoben werden siehe Grotthuss Mechanismus nbsp Scheinbare Diffusion eines Oxonium Ions durch Verschiebung von Protonen nbsp Scheinbare Diffusion eines Hydroxid Ions durch Verschiebung von Protonen Technische Wasserelektrolyse Bearbeiten nbsp Elektrolysezellen in einer Prototypanlage nbsp Konzeptionelle Darstellung der Evolution der konventionellen Elektrolyse uber die Zeit Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser betragt je nach angewandtem Detailverfahren und abhangig vom Typ und der Berechnung des Wirkungsgrades zwischen 60 und 85 4 Da die Elektrolytkonzentration und die Temperatur einer Elektrolytlosung grossen Einfluss auf den Zellwiderstand und somit auf die Energiekosten haben wird dafur zum Beispiel eine 25 bis 30 prozentige Kaliumhydroxid Losung verwendet die Temperatur liegt bei ca 70 90 C Die Stromdichte liegt bei ca 0 15 0 5 A cm die Spannung bei ca 1 90 V Zur Herstellung von 1 m Wasserstoff bei Normaldruck wird in der Praxis eine elektrische Energie von 4 5 6 3 kWh benotigt Anlagen mit einem hoheren Zelldruck beispielsweise 30 Bar benotigen in der Regel weniger elektrische Energie beispielsweise 4 3 kWh Dies erscheint zunachst als paradox da gemass des Prinzips vom kleinsten Zwang eine Druckerhohung um den Faktor 10 eine Erhohung der notwendigen Zellspannung um etwa 15 mV bedingt Die Druckerhohung bewirkt jedoch eine Verringerung des Volumens der entstehenden Gase Auch die Gasblaschen an den Elektroden verkleinern sich proportional zum Druck Dadurch erhoht sich die Leitfahigkeit des Elektrolyten was eine Absenkung der Stromdichte und einen geringeren ohmschen Spannungsabfall bewirkt Der Gewinn an Wirkungsgrad kompensiert den zusatzlichen Aufwand fur die Kompression bei weitem Allerdings erhoht sich die Loslichkeit der entstehenden Gase im Elektrolyten und der Druck muss prazise geregelt werden um eine Zerstorung de Membran bei zu grossem Druckunterschied zwischen Anode und Kathode zu vermeiden 5 Durch spezielle Elektroden mit grosser Oberflache und speziellen Nickel Legierungen kann die Uberspannung an der Kathode um 15 bis 200 mV gesenkt werden 6 Dieses Gebiet ist Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten Es besteht auch die Moglichkeit demineralisiertes Wasser durch Elektrolyse zu zerlegen Bei der SPE Wasserstoffelektrolyse wird eine protonengeladene Nafionmembran benutzt Die dunnen durchbrochenen Elektroden befinden sich auf der Oberflachenschicht englisch zero gap abstandsfreie Zellengeometrie der Membran Als Elektrodenmaterial konnen z B Rutheniumoxidhydrate Anode oder Platin Kathode verwendet werden Die SPE Elektrolyse scheint sich im Markt bei Kleinelektrolyseuren durchzusetzen 7 Es wird auch an der Hochtemperatur Wasserdampf Elektrolyse bei 800 bis 1000 C an Festelektrolyten geforscht Festoxid Elektrolyseurzelle Als Festelektrolyt wird ublicherweise Yttrium stabilisiertes Zirkoniumdioxid YSZ verwendet Alternativ konnen 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 8 Durch die erhohte Betriebstemperatur lasst sich die benotigte Spannung im thermoneutralen Betriebspunkt auf 1 30 V senken die Stromdichte liegtbei 0 4 A cm 9 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 Ruckverstromung kann auf unterschiedliche Art und Weise stattfinden u a konnen Gaskraftwerke Blockheizkraftwerke oder Brennstoffzellen genutzt werden Da Power to Gas durch den recht geringen Wirkungsgrad der Energiekette Strom gt Wasserstoff Methan gt Strom hohe Energieverluste mit sich bringt sollte ein zukunftiges Energiesystem so ausgelegt sein dass ein moglichst geringer Langfristspeicherbedarf besteht fur den diese Technik benotigt wird 10 Nebenreaktionen 11 Bildung von Ozon Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen beispielsweise Einzelnachweisen ausgestattet Angaben ohne ausreichenden Beleg konnten demnachst entfernt werden Bitte hilf Wikipedia indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfugst An glatten Platinanoden kommt es in gekuhlten die Ozonzersetzung ist dann geringer stark sauren Losungen bei hohen Stromdichten zur Ozonbildung Im basischen Milieu ist die Ozonbildung geringer an Nickelanoden bleibt sie sogar vollig aus Ist dem Gleichstrom Wechselstrom uberlagert so erfolgt die Ozonbildung bereits bei geringeren Stromdichten Forschungsarbeiten Bearbeiten nbsp Konzeptionelle Darstellung eines kapillargespeisten ElektrolyseursIm August 2022 veroffentlichte eine australische Arbeitsgruppe von der University of Wollongong UOW und dem ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science ihre Forschungsergebnisse zur Kapillarelektrolyse von Wasser Capillary Fed Electrolysis CFE dt kapillargespeister Elektrolyseur 12 13 Sie konnten mit diesem Verfahren mit 40 4 kWh 1 kg Wasserstoff erzeugen Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 98 Die Zellspannung liegt bei 1 51 Volt und die Stromdichte bei 0 5 A cm Die Betriebstemperatur der Zellen betragt 85 C Der Wegfall von Kuhlsystemen und Flussigkeitsabscheidern sowie ein deutlich kleineres Wasserkreislaufsystem sollen sich zudem gunstig auf den Kapitalbedarf einer Anlage auswirken 14 15 Ein UOW Spin off kommerzialisiert nun diese Technologie und verspricht einen Systemwirkungsgrad system efficiency von 95 16 Im Rahmen der Deutschland Australischen Kooperation im Bereich Gruner Wasserstoff soll diese Technologie weiterentwickelt werden Beteiligte Unternehmen aus Deutschland beziehungsweise Forschungseinrichtungen sind die Alantum Europe GmbH die Messkonzept GmbH und die VAF GmbH sowie das Forschungszentrum Julich mit IEK 11 Institut fur Energie und Klimaforschung IEK 14 Elektrochemische Verfahrenstechnik und IEK 8 Troposphare und das Fraunhofer Institut fur Produktionstechnologie 12 Wirkungsgrade und deren Berechnung BearbeitenIn der Praxis werden unterschiedliche Arten von Wirkungsgraden bei der Elektrolyse betrachtet und berechnet 17 18 Beim Faraday Wirkungsgrad eV auch Stromwirkungsgrad genannt erfolgt die Berechnung nach den Faradayschen Gesetzen Fur die Elektrolyse von 1 Gramm Wasserstoff was der Stoffmenge von 1 mol entspricht werden theoretisch 96 485 A s benotigt Der Faraday Wirkungsgrad erfasst den Umsatz der Ladung in einer Elektrolysezelle und ist das Verhaltnis von der erzeugten H2 Stoffmenge zur theoretischen Stoffmenge Beim Spannungswirkungsgrad eI wird die theoretische Zellspannung in diesem Fall die thermoneutrale Spannung 1 48 Volt bei Standardbedingungen durch die reale Zellspannung geteilt und mit 100 multipliziert Die thermoneutrale Spannung beinhaltet im Gegensatz zu Potentialdifferenz 1 23 Volt die durch die Entropieanderung gebundene Warme Liegt die reale Zellspannung beispielsweise bei 1 9 Volt so ergibt sich ein Spannungswirkungsgrad von 77 9 Prozent Beim Zellwirkungsgrad ecell wird der Gesamtwirkungsgrad der Elektrolysezelle betrachtet Er errechnet sich als Produkt von Stromwirkungsgrad und Spannungswirkungsgrad ecell eV eI Durch die Multiplikation der fur die Erzeugung von 1 mol Wasserstoff 1 008 g notwendigen elektrischen Ladung von 96 485 A s mit der thermoneutralen Spannung in Hohe von 1 48 Volt erhalt man eine Energiemenge von 143 940 W s pro Gramm Wasserstoff Dies entspricht einem Energiebedarf von 39 98 kWh pro Kilogramm Wasserstoff Fur 1 m Wasserstoff unter Standardbedingungen werden theoretisch 3 52 kWh benotigt Fur die Berechnung des Wirkungsgrades in Prozent werden die fur 1 kg Wasserstoff theoretisch benotigten 39 98 kWh durch die fur diese Masse tatsachlich benotigten Kilowattstunden geteilt und mit der Zahl 100 multipliziert Dabei ist zu beachten dass die thermoneutrale Spannung temperatur und druckabhangig ist Beim sogenannten DC Wirkungsgrad eHHV brennwertbezogen oder eLHV heizwertbezogen wird dagegen die fur die Elektrolyse benotigte Energie ins Verhaltnis zu dem Energieinhalt des produzierten Wasserstoffs setzt Hier ist die Angabe des Brenn oder Heizwert relevant Volks und betriebswirtschaftlich entscheidend ist jedoch der System Anlagen Wirkungsgrad Hierzu werden ggf Verlustleistungen bzw zusatzliche Energiebedarfe aus der AC DC Umwandlung und der Transformation aus der Mittelspannung der Wasseraufbereitung der Kuhlsysteme der Energie fur Gebaude und Nebengewerke oder der Kompression und Wasserstoffaufbereitung mit eingerechnet Um eine Vergleichbarkeit der Wirkungsgradangaben zu ermoglichen mussen die jeweiligen Systemgrenzen sorgfaltigt untersucht werden Weitere Bewertungskriterien BearbeitenDer Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs ist nur eines der fur die Praxis relevanten Bewertungskriterien Neben den wirtschaftlichen Faktoren Investitionen und Betriebskosten sind dies 18 Teillastverhalten Arbeitsbereich und Uberlastfahigkeit Dynamik Wie schnell kann Transienten in der Leistungsaufnahme gefolgt werden Totzeiten des Systems z B beim Anfahren Aufwarmzeiten des Elektrolyseurs Wechsel von Stand by in den Betrieb Lebensdauer kalendarische Lebensdauer Betriebsstunden und Anzahl der Anfahr Abfahrzyklen Verfugbarkeit Betriebsausfalle durch Reparatur oder Wartungsarbeiten Autarkie Wie autark ist das System im Betrieb Weitere notwendige Betriebsmedien Siehe auch BearbeitenElektrolyseur Liste der WasserstofftechnologienLiteratur BearbeitenTom Smolinka Martin Gunther Jurgen Garche Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien Fraunhofer ISE Hrsg vom 5 Juli 2011 PDF Tom Smolinka Nikolai Wiebe Philip Sterchele Andreas Palzer Industrialisierung der Wasserelektrolyse in Deutschland Chancen und Herausforderungen fur nachhaltigen Wasserstoff fur Verkehr Strom und Warme Auftraggeber Bundesministerium fur Verkehr und digitale Infrastruktur 2018 PDF Michael Sterner Ingo Stadler Hrsg Energiespeicher Bedarf Technologien Integration 2 Auflage Berlin Heidelberg 2017 ISBN 978 3 662 48893 5 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Wasserelektrolyse Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien nbsp Wiktionary Wasserelektrolyse Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme UbersetzungenEinzelnachweise Bearbeiten Vgl Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme Technologie Berechnung Simulation 9 aktualisierte Auflage Munchen 2015 S 54f a b Peter Kurzweil Paul Scheipers Chemie Grundlagen Aufbauwissen Anwendungen und Experimente 8 Aufl Vieweg Teubner Wiesbaden 2010 S 198 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Karl Heinz Lautenschlager Wolfgang Weber Taschenbuch der Chemie 22 Auflage 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Gunther Brauner Energiesysteme regenerativ und dezentral Strategien fur die Energiewende Wiesbaden 2016 S 89 Fritz Foerster Elektrochemie wassriger Losungen Verlag von Johann Ambosius Barth 1915 S 206ff a b HyGATE Informationen zur Wasserstoffkooperation von Deutschland und Australien Mitteilung des Bundesministerium fur Wirtschaft und Klimaschutz vom 27 Januar 2023 A Hodges A L Hoang G Tsekouras et al A high performance capillary fed electrolysis cell promises more cost competitive renewable hydrogen In Nature Communications Band 13 Nummer 1304 2022 doi 10 1038 s41467 022 28953 x Open Access Sam Findlay 2022 Breakthrough opens door to low cost green hydrogen In uow edu au 16 Marz 2022 abgerufen am 29 Juli 2023 englisch Tom Colditz Effizienz Durchbruch bei Wasserstoff Elektrolyse In edison media 21 August 2022 abgerufen am 29 Juli 2023 Website der Hysata Pty Ltd abgerufen am 29 Juli 2023 Philipp Lettenmeier White Paper Wirkungsgrad Elektrolyse Siemens Corporate Technology Hrsg Januar 2009 PDF a b Tom Smolinka Martin Gunther Jurgen Garche Stand und Entwicklungspotenzial der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien Fraunhofer ISE Hrsg vom 5 Juli 2011 S 7 9 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Wasserelektrolyse amp oldid 237671836