Die Wasser-Elektrolyse

 

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

Dabei werden Elektronen übertragen. Es sind daher immer Redoxreaktionen, wobei die Oxidation an der Anode, die Reduktion an der Kathode ablaufen; Oxidations- und Reduktions­prozesse sind durch ein Diaphragma (Membran) voneinander getrennt.

 

Für den Mechanismus der Elektrolyse bietet sich ein Vergleich mit einer Pumpe an:

 

Vergleich Pumpe - Elektrolyse-Zelle

 

Pumpe

Elektrolyse-Zelle

Druck (p = Meter Wassersäule)

Spannung (U = Volt)

Volumen (V = Liter)

Ladung (Q = Amperesekunden = A*s)

Volumenstrom (v’ = Liter/Sekunde)

Strom(-Stärke) (I = As/s = Ampere A)

Leistung (N = 9,81 * ρ * p * v’ = Watt)

Leistung (N = U * I = Watt)

Arbeit (W = N *t = 9,81 * ρ * p *V)

Arbeit (W = U * I*t = Ws =kWh/1000

Stromstärke  v’ ~ p = 1/R * p

I ~ U = 1/R * U (Ohmsches Gesetz)

 

Der Widerstand R hängt in beiden Fällen vom Querschnitt, Länge der Leitung (Abstand der Elektroden), Material der Leitung ab

Notwendig für die Elektrolyse: Hohe Leitfähigkeit (z.B. durch Temperatur, hohe Konzentration), großer Querschnitt, kurzer Elektroden-Abstand!

 

Bei der Elektrolyse gilt das Faraday-Gesetz:

Für die Entladung von 1 Mol Ionen (einfach geladen; z.B. H+) wird 1 Mol Elekt­ronen gebraucht. Dies entspricht einer Ladung von 96.500 As = 26,8 Ah (Fara­day-Konstante).

Werden mehrfach geladene Ionen „entladen“ (z.B. Cu ++), so wird demnach auch ein Mehrfaches dieser 26,8 Ah für 1 Mol benötigt. (1 Mol ist das Mol-Gewicht in Gramm ausgedrückt; z.B. Molgewicht von H2 = 2)

 

Bei der Elektrolyse wird zur „Entladung der Ionen“ die sog. Zersetzungs-Spannung benötigt. Dies entspricht z.B. bei der Pumpe die Höhe, auf die man das Wasser pumpen will (Förderhöhe). Zusätzlich geht ein Teil des Druckes in der Förderleitung als Reibungswiderstand verloren. Liegt der Druck der Pumpe (z.B. 8 m Wassersäule) unter der Förderhöhe (z.B. 10 m), so kommt „oben“ kein Wasser an.

Die Spannung, die zur Elektrolyse mindestens angelegt werden muss, wird als Zersetzungsspannung (Uz) bezeichnet. Diese oder eine höhere Spannung muss angelegt werden, damit die Elektrolyse überhaupt abläuft.

Nach Überschreiten der Zersetzungsspannung wächst mit Spannungszunahme proportional auch die Stromstärke.

Diese Zersetzungsspannung ist einfach ausgedrückt die Spannung des „Galvani­schen Elementes“ (d.h. das Umgekehrte der Elektrolyse). Unterhalb der Zerset­zungsspannung entsteht sozusagen eine „Gegenspannung“, die durch die unter­schiedlichen Elektroden-Potentiale hervorgerufen wird.

Das „Gegenteil der Wasser-Elektrolyse-Zelle“ ist demnach die „Brennstoff-Zelle“. Bei dieser läuft der umgekehrte Vorgang ab: Wasserstoff und Sauerstoff werden unter „Elektronen-Erzeugung“ (= Strom-Erzeugung) zu Wasser.

 

 

Bei der Elektrolyse von Wasser finden folgende Reaktionen statt:

Kathode: 2 H+ + 2 e- === H2

Anode: OH- ==== ½ O2 + H+ + 2 e-

H+ + OH- ==== H2 + ½ O2

 

da 1 Mol = 24 Liter, so folgt

18 g Wasser ==== 24 l H2  + 12 l O ==== 36 l HHO (Knallgas)

 

D.h. Theoretisch werden für die Darstellung von 1000 l Wasserstoff (plus 500 l Sauerstoff) 0,75 l Wasser zersetzt.

 

Zur Bildung eines Wasserstoffmoleküls werden zwei Elektronen benötigt

Deshalb braucht man für die Bildung von 1 Mol Wasserstoff (24 Liter) eine elektrische Ladung von 2 mal 96485 C (1 C = 1 A·s) = 53,6 AmpereStunden (Ah).

Bei einem Strom von 1 A dauert die Bildung von 1 Mol = 24 Litern Wasserstoff also 53 Stunden und 36 Minuten

 

1 Ah ≡ 36/54 = 0,67 l HHO = 24/54 = 0,44 l H2 = 12/54 l O2= 0,22 l O2

 

 

1 A ≡ 0,67 l/h = 0,112 l/min = 11,2 ml/min HHO

 

daraus folgt (da HHO aus 2/3 Wasserstoff und 1/3 Sauerstoff besteht:

1 A ≡ 0,44 l/h = 7,3 ml/min H2 bzw. 0,22 l/h = 3,7 ml/min  O2

 

Die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser beträgt 1,23V. Unterhalb dieser Spannung findet keine Zersetzung statt. In der Praxis ist diese Spannung jedoch aufgrund von Verlusten im Elektrolyseur höher. Die Differenz zwischen theoretischem und praktischem Spannungswert ist von mehreren Parametern ab­hängig, z.B. von der Art und Beschaffenheit des Elektrodenmaterials, dem Elektrolyten und der Temperatur.

In der Praxis muss man bei der alkalischen Wasser-Elektrolyse mit ca. 1,8 V ar­beiten. Im Folgenden wird eine Zersetzungsspannung von 2 Volt angenommen.

 

Da N = U * I, so folgt:

1 A * 2 V  = 2 W = 0,44 l/h H2 + 0,22 l/h O2

d.h.

1 kW 220 l/h H2 + 110 l/h O2 = 3,7 l/min H2 + 1,85 l/min O2

= 5,6 l/min HHO

 

und weiter für 1 kWh:

1 kWh ≡ 220 l H2 + 110 l O2

 

Für 1000 l Wasserstoff werden theoretisch ca. 4,5 kWh benötigt. In der Praxis liegt der Wert bei knapp unterhalb von 5 kWh.

 

Eine sehr schöne Darstellung der Wasserelektrolyse findet man auf:

https://www.planet-schule.de/mm/funktion-elektrolyse/

 

 

Dr. Helmuth Herterich

 

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You don’t know what you got,
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Cinderella

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Das gelungene, vollendete, erfüllte Leben ist eines, in dem wir in Einklang mit unsrer Natur das Beste aus unseren Möglichkeiten gemacht haben – selbstverständlich ohne den Mitmenschen zu schaden, ohne andere unglücklich zu machen.

 

Der Philosoph Bernulf Kanitscheider, Spektrum der Wissenschaft, Juli 2008

 

Des Menschen Tage sind wie Gras,
er blüht wie die Blume des Feldes.

Fährt der Wind darüber, ist sie dahin;
der Ort, wo sie stand, weiß von ihr nichts mehr.

 

Psalm 103

Es wäre doch möglich, dass einmal unsere Chemiker auf ein Mittel gerieten, unsere Luft plötzlich zu zersetzen, durch eine Art Ferment. So könnte die Welt untergehen.


Georg Christoph Lichtenberg

Letzte Worte des Indianerhäuptlings Crowfoot

Nur noch eine kurze Weile, dann bin ich von euch gegangen. Wohin, das kann ich euch nicht sagen. Wir kommen aus dem Nirgendwo, und wir gehen ins Nirgendwo. Was ist das Leben? Es ist der Lichtblitz eines Leuchtkäfers in der Nacht. Es ist der Atem eines Büffels im Winter. Es ist der kleine Schatten, der über das Gras huscht und sich im Sonnenuntergang verliert.

 

Crowfoot (um 1830 – 1890) Häuptling der Blackfoot-Indianer, 25. April 1890

 

Gespräch von Anno 33:

A: Wissen Sie schon das Neueste?

B: Nein, was ist passiert?

A: Die Welt ist erlöst!

B. Was Sie sagen!

A: Ja, der liebe Gott hat Menschengestalt angenommen und sich in Jerusalem hinrichten lassen: dadurch ist nun die Welt erlöst und der Teufel geprellt.

B: Ei, das ist ja ganz scharmant.

 

Arthur Schopenhauer

 

 

Damit wir beginnen können, dem Tod seinen größten Vorteil uns gegenüber zu entreißen, sollten wir eine vollkommen andere Einstellung einnehmen als die übliche; lasst uns den Tod seiner Fremdheit berauben; lasst uns Umgang mit ihm pflegen, damit wir uns an ihn gewöhnen, lasst uns an nichts häufiger denken als an den Tod.

 

Michel de Montaigne