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 O2 ==== 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 = 0,0112 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.
So beruht das Prinzip des Blei-Akkus darauf, dass durch die hohe Überspannung an der Blei-Elektrode die Wasserzersetzung (das „Gasen“) erst ab 2,4 V
stattfindet.
Für den Idealfall (U = 1,23 V) gilt:
Da N = U * I, so folgt:
1 A * 1,23 V = 1,23 W = 0,44 l/h H2 + 0,22 l/h O2
1 kW ≡ 358 l/h H2 + 179 l/h O2 = 6,0 l/min H2 + 3,0 l/min O2
= 9,0 l/min
HHO
und für 1 kWh:
1 kWh ≡ 358 l H2 + 179 l O2 = 537 l HHO
Für 1000 l Wasserstoff würden theoretisch 2,8 kWh benötigt.
In der Praxis muss man bei der alkalischen Wasser-Elektrolyse mit mindestens 1,8 V arbeiten. Im Folgenden wird eine Zersetzungsspannung von 2 Volt angenommen.
Für die Praxis (U = 2,0 V) gilt:
Da N = U * I, so folgt:
1 A * 2,0 V = 2,0 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 kW h≡ 220 l H2 + 110 l O2 = 330 l HHO
Für 1000 l Wasserstoff werden ca. 4,5 kWh benötigt (= 62 % Wirkungsgrad). Durch weitere Verluste liegt der Wert meist bei knapp 5 kWh.
Eine sehr schöne Darstellung der Wasserelektrolyse findet man auf:
https://www.planet-schule.de/mm/funktion-elektrolyse/
Dr. Helmuth Herterich