Grundlagen der Elektrolyse

Reiner Wasserstoff kann aus unterschiedlichsten Quellen produziert werden. Eine der bekanntesten Arten ist die Elektrolyse von Wasser. Hierbei wird durch die Spaltung von Wasser in seine Bestandteile, gasförmiger Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen. Das Edukt Wasser kann je nach Art der Elektrolyse in seiner gasförmigen oder flüssigen Phase vorliegen. Da Wasser als chemisches Molekül betrachtet recht stabil ist, muss zusätzlich Energie aufgebracht werden, um dieses zu spalten. Durch das Einführen zweier Elektroden in ein Wassergefäß, kann durch die Anlegung einer Spannung das Wasser gespalten werden. Hierbei wird der Wasserstoff der Molekülverbindung an der Kathode zu reinem Wasserstoff reduziert und der Sauerstoff an der Anode zu reinem Sauerstoff oxidiert. Die dazu benötigten Elektronen werden durch den angelegten elektrischen Strom geliefert. Diese Reaktion wird als Redox-Reaktion bezeichnet, da sie aus den beiden Teilreaktionen Reduktion (des Wasserstoffes) und Oxidation (des Sauerstoffes) besteht. Im folgenden Schaubild ist dies übersichtlich dargestellt.

 

© Universität Augsburg

 

 

Diese Reaktion lässt sich bereits mit einfachsten Mitteln rekonstruieren. Mit normalen Leitungswasser und zwei Metall-Elektroden, die über einen Stromkreis mit einer Batterie verbunden sind, lässt sich Wasserstoff herstellen. Aus diesem Grund hat ein Großteil der Schüler den Versuch bereits einmal im Chemie Unterricht durchgeführt. Aber um von diesem einfachen Versuch auf eine industriereife Umsetzung zu kommen, ist ein weiter Weg zu gehen. Der Wirkungsgrad des beschriebenen Versuchsaufbaus ist viel zu gering, als dass er über eine Vorführung hinausgehen kann. Um den Wirkungsgrad zu steigern, müssen einige zusätzlichen Schritte unternommen werden. Die erste Hürde ist die „Verunreinigung“ des Leitungswassers durch allmöglichen Salzen und Metallen, allem voran Kalk, die im Wasser vorhanden sind. Diese führen dazu, dass während der Reaktion nicht nur das Wasser oxidiert und reduziert wird, sondern auch diese Verunreinigungen. Dabei lagern sich die Metalle und Salze an den Elektroden an. Die Elektroden werden an diesen Stellen blockiert und die eigentliche Reaktion kann nicht mehr stattfinden. Aus diesem Grund wird für die Verwendung in der Industrie deionisiertes Wasser verwendet. Deionisiertes Wasser besitzt eine sehr schlechte elektrische und ionische Leitfähigkeit. Um die Reaktion aufrecht zu erhalten, wird ein Elektrolyt benötigt, der elektrisch nichtleitend sein, also ein Isolator sein, und eine gute Ionenleitfähigkeit zeigen, sodass der Transport der Wasserstoff- und Sauerstoffionen gewährleistet ist. Beschaffenheit des Elektrolyten ist abhängig von der Art der Elektrolyse, er kann zum Beispiel ein Festkörper sein aber auch eine Flüssigkeit.

Zur Steigerung des Wirkungsgrad werden des weiteren Katalysatoren verwendet. Die Katalysatoren sind Materialien, die die leicht zu lösenden Elektronen ihrer äußersten Schale der Reaktion kurzfristig zur Verfügung stellen können. Das eigentlich für die Reaktion bedachte Elektron wird vom Katalysator erst verspätet aufgenommen. Die Gesamtreaktion wird dadurch beschleunigt durchlaufen. Diese sind in vielen Fällen seltene Erden, wie Platin, Lanthan und Iridium. Diese sind in niedrigen Konzentrationen vorzufinden, so dass sie mit einem aufwendigen Verfahren isoliert werden müssen, was diese Metalle so wertvoll macht. Zusätzlich ist mit der Nachhaltigkeit von Ressourcen auch ein ökologischer Faktor hier zu berücksichtigen.

 

Von Bedeutung sind heutzutage folgende drei Elektrolysetechnologien:

  • Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM)     
  • Alkalische Elektrolyse (AEL)
  • Hochtemperaturelektrolyse (SOEC)

 

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