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Wasserelektrolyse

Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines elektrischen Stromes
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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, die allerdings bisher technisch nur genutzt wird, wenn günstige elektrische Energie zur Verfügung steht, da bisher die Wasserstoffgewinnung aus fossilen Energieträgern günstiger ist als die Herstellung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse.

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 sog. EE-Gas erreichen wird.[1] 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 GleichungenBearbeiten

 
Prinzip Wasserelektrolyse

Die Elektrolyse von Wasser besteht aus zwei Teilreaktionen, die an den beiden Elektroden (Kathoden- und Anodenräumen) ablaufen. Das Gesamt-Reaktionsschema dieser Redoxreaktion lautet:

  (bei T = 298 K, p = 1,013 × 10^5 Pa)
Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Die Elektroden tauchen in Wasser ein, welches durch die Zugabe von etwas Säure, bevorzugt Schwefelsäure, oder Lauge besser leitend gemacht wird. Großtechnische, wirtschaftliche Anwendungen fehlen noch. Bei bestehenden Anlagen wird bei der Wasserelektrolyse eine hochkonzentrierte wässrige KOH-Lösung verwendet.

Positiv geladene Oxonium-Ionen (H3O+) wandern im elektrischen Feld zu der negativ geladenen Elektrode (Kathode), wo sie jeweils ein Elektron aufnehmen. Dabei entstehen Wasserstoff-Atome, die sich mit einem weiteren, durch Reduktion entstandenen H-Atom zu einem Wasserstoffmolekül vereinigen. Übrig bleiben Wassermoleküle.

Kathodenraum: 4 H3O+ + 4 e → 2 H2 + 4 H2O oder auch: 4 H2O + 4 e → 2 H2 + 4 OH

Der abgeschiedene, gasförmige Wasserstoff steigt an der Kathode auf, wobei der Kathodenraum basischer wird.

Die negativ geladenen Hydroxid-Anionen wandern zur positiven Anode – soweit dies nicht durch die Teilung von Anoden- und Kathodenraum oder den Einsatz von Leitsalzen oder Ionenaustauschern verhindert wird – wobei sich negative Hydroxidionen mit Protonen zu Wasser neutralisieren oder sich an der Anode unter Elektronenabgabe zu Sauerstoff umwandeln.

Anodenraum: 4 OH → O2 + 2 H2O + 4 e oder auch: 6 H2O → O2 + 4 H3O+ + 4 e

Auch hier steigt der abgeschiedene Sauerstoff als Gas an der Anode auf, gleichzeitig wird der Anodenraum saurer. Die entstandenen Elektronen wandern in Richtung Kathode – analog zu den Vorgängen im Kathodenraum.

Die Gesamtreaktionsgleichung der Elektrolyse von Wasser lautet (Addition der Kathoden- und Anodenraum Gleichungen):

4 H3O+ + 4 OH → 2 H2 + O2 + 6 H2O

Die auf der linken Seite stehenden Hydronium- (neuer: „Oxonium-“) und Hydroxid-Ionen entstammen der Autoprotolyse des Wassers:

8 H2O → 4 H3O+ + 4 OH

Man kann die Elektrolysegleichung daher auch folgendermaßen schreiben:

8 H2O → 2 H2 + O2 + 6 H2O

bzw. als eigentliche Reaktion:

2 H2O → 2 H2 + O2

Technische WasserelektrolysenBearbeiten

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Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt bei über 70 %. Mehrere Anlagenhersteller bieten große Elektrolysegeräte mit einem noch höheren Wirkungsgrad – über 80 % – an. Unklarheiten solcher Angaben ergeben sich aus der Differenz zwischen Brennwert und Heizwert des Wasserstoffs, der etwa 18 % beträgt. 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 zum Beispiel eine elektrische Energie von 4,3–4,9 kWh benötigt. Durch Elektrokatalysatoren (bei Kathoden z. B. Ni-Co-Zn, Ni-Mo, bei Anoden: Nickel-Lanthan-Perowskit, Nickel-Kobalt-Spinell) kann die Überspannung um ca. 80 mV gesenkt werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, destilliertes 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.[2]

Es wird auch an der Hochtemperatur-Wasserdampf-Elektrolyse (bei 800 bis 1000 °C) an Festelektrolyten geforscht. 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.[3] Durch die erhöhte Betriebstemperatur lässt sich die benötigte Spannung im thermoneutralen Betriebspunkt auf 1,30 V senken, die Stromdichte lag bei 0,4 A/cm².[4]

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 jedoch so ausgelegt sein, dass ein möglichst geringer Langfristspeicherbedarf besteht, für den diese Technik benötigt wird.[5]

Nebenreaktionen[6]

  1. 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.
  2. Bildung von Wasserstoffperoxid
    Wasserstoffperoxid kann sich vorwiegend an der Kathode bilden.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

WeblinksBearbeiten

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

Hydrogeit: Fachverlag für Wasserstoff & Brennstoffzelle

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Vgl. Volker Quaschning, Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 9. aktualisierte Auflage. München 2015, S. 54f.
  2. Carl Jochen Winter, Joachim Nitsch: Wasserstoff als Energieträger: Technik und Systeme. Springer Verlag, 1986.
  3. Singhal, Subhash C.; Kendall, Kevin (Hrsg.): High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications. 2003.
  4. 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.
  5. Günther Brauner: Energiesysteme: regenerativ und dezentral. Strategien für die Energiewende. Wiesbaden 2016, S. 89.
  6. Fritz Foerster: Elektrochemie wässriger Lösungen. Verlag von Johann Ambosius Barth, 1915, S. 206ff.