Was ist Elektrolyse und wie funktioniert sie?

Elektrolyse ist ein chemischer Prozess, bei dem durch den Einsatz von elektrischem Strom eine Redoxreaktion erzeugt wird. Bei der Elektrolyse von Wasser werden die Wasserteilchen durch die Verwendung von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Bei dieser Reaktion findet an der Kathode, also dem negativ geladenen Pol, eine Reduktion statt, bei der Wasser zu Wasserstoff umgewandelt wird. An der Anode, dem positiv geladenen Pol, erfolgt eine Oxidation, bei der Wasser zu Sauerstoff umgewandelt wird.

Die Elektrolyse ermöglicht also die Trennung von chemischen Verbindungen durch die Anwendung von elektrischer Energie. Dabei wird die chemische Energie des elektrischen Stroms in chemische Energie umgewandelt. Es gibt verschiedene Anwendungen für die Elektrolyse, zum Beispiel die Gewinnung von Metallen aus ihren Salzlösungen oder die Herstellung von chemischen Verbindungen.

Die Spannung, die für die Elektrolyse benötigt wird, kann durch die Differenz der Standardpotenziale berechnet werden. Dabei wird das größere Standardpotenzial vom kleineren Standardpotenzial abgezogen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass es auch eine Überspannung oder Überpotenzial geben kann. Dieses hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Art und Oberflächenbeschaffenheit der Elektroden, der Art und Konzentration der Ionen, der Temperatur und der Stromdichte.

Arten von Elektrolyse:

Elektrolyse, auch als Elektrolysezell-Technologie bekannt, ist ein Prozess zur Aufspaltung von Verbindungen mit Hilfe von elektrischem Strom. Es gibt verschiedene Arten von Elektrolyse, die jeweils unterschiedliche Elektrolyte und Elektrodenmaterialien verwenden. Hier sind einige der gängigsten Arten:

  • 1. Alkalischer Elektrolyseur: Bei der alkalischen Elektrolyse wird Kalilauge (Kaliumhydroxid-Lösung, KOH) mit einer Konzentration von 20-40% als Elektrolyt verwendet. Die Elektroden bestehen aus “DSA-Elektroden” (Dimensionsstabile Anoden) mit einer Rutheniumoxid-Beschichtung. Dieser Elektrolyseur wird weltweit in großem Maßstab eingesetzt.
  • 2. Saurer oder PEM-Elektrolyseur: Beim sauren oder PEM-Elektrolyseur wird eine protonendurchlässige Polymermembran (PEM) verwendet. Auf der Kathodenseite befindet sich eine poröse Elektrode aus auf Kohlenstoff geträgertem Platin, während die Anodenseite mit metallischen oder als Oxid vorliegenden Edelmetallen (meist Iridium und Ruthenium) beschichtet ist. Wasserstoff-Ionen diffundieren durch die Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen zu Wasserstoff kombinieren.
  • 3. Hochtemperatur-Elektrolyseur: Der Hochtemperatur-Elektrolyseur arbeitet bei Temperaturen von etwa 900 °C. Ein Teil der notwendigen Reaktionsenthalpie wird als Wärme eingekoppelt, was zu einem höheren Wirkungsgrad im Vergleich zur wässrigen, alkalischen Elektrolyse führt (bis ca. 90% bezogen auf den Brennwert).
  • 4. Hochtemperatur-Co-Elektrolyse: Bei der Hochtemperatur-Co-Elektrolyse wird Wasser und Kohlendioxid gemeinsam zu Synthesegas reduziert. Hierbei wird die Festoxid-Elektrolyseurzelle (SOEC) verwendet.

Außerdem gibt es noch weitere interessante Arten von Elektrolysezellen:

  • 5. Molybdänsulfid als Katalysator: Molybdänsulfid kann als effizienter Katalysator anstelle von Platin eingesetzt werden. Dadurch eröffnet sich eine kostengünstigere Alternative.
  • 6. Nickel-Eisen-Elektrolyseur: Der Nickel-Eisen-Elektrolyseur ist eine Kombination aus einem herkömmlichen Akkumulator und einem Elektrolyseur. Er kann als Energiespeicher im Rahmen der Energiewende eingesetzt werden.

Elektrolyseure werden typischerweise bei Power-to-X-Technologien zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet. Sie können auch als regelbare Last zur Netzstabilisierung eingesetzt werden.

Anwendungen der Elektrolyse

Elektrolyse ist ein wesentlicher Prozess zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Ein Elektrolyseur spaltet Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf. Es gibt verschiedene Arten von Elektrolyseuren, darunter die alkalische Elektrolyse (AEL), die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) und die Festoxid-Elektrolyse (SOE).

Die alkalische Elektrolyse (AEL) nutzt eine Kalilauge als Elektrolyt und eine durchlässige Membran, um die Elektroden voneinander zu trennen. Durch Anlegen einer Spannung entsteht an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff. Die AEL zeichnet sich durch hohe Langzeitstabilität und geringe Investitionskosten aus. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 65%. Ein Beispiel für die Anwendung der AEL ist die Herstellung von Wasserstoff für die industrielle Produktion, beispielsweise in der petrochemischen Industrie.

Die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) verwendet eine dünne Membran aus thermoplastischem Kunststoff als Elektrolyt. Anode und Kathode werden durch diese gasdichte Membran getrennt. Positive Wasserstoffionen können die Membran passieren. Die PEM-Elektrolyse kann schnell auf Schwankungen der zugeführten Energie reagieren und hat ein gutes Lastwechselverhalten. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 63%. Diese Art der Elektrolyse wird häufig in der mobilen Brennstoffzellentechnologie eingesetzt, zum Beispiel für die Stromversorgung von Elektrofahrzeugen.

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Die Festoxid-Elektrolyse (SOE) nutzt einen festen keramischen Werkstoff als Elektrolyt. Das Wasser wird in Form von Wasserdampf den Reaktionskammern zugeführt. Die SOE wird bei Temperaturen von 600-900 °C betrieben und kann einen Wirkungsgrad von über 80% erreichen. Die Investitionskosten sind vergleichbar mit der PEM-Elektrolyse. Die Festoxid-Elektrolyse findet Anwendung in der Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, um beispielsweise den Bedarf der chemischen Industrie oder die Versorgung von Industrieanlagen zu decken.

Materialien bei der Elektrolyse

Bei der Elektrolyse handelt es sich um die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung des elektrischen Stroms. Diese Prozesse finden Anwendung in verschiedenen Bereichen, wie beispielsweise der Reinigung oder Schichterzeugung von Metallen in einem wässrigen Medium. Die Elektrolyse ist die Umkehrung der Vorgänge in einer Batterie, dem Betrieb einer Brennstoffzelle oder der Entladung eines Akkumulators.

Es gibt verschiedene Materialien, die bei der Elektrolyse verwendet werden:

  • Elektrolyt
  • Anode
  • Kathode

Der Elektrolyt: Der Elektrolyt ist eine leitfähige Flüssigkeit, die die Ionen für die Elektrolyse bereitstellt. Ein Beispiel für einen Elektrolyten ist eine wässrige Lösung von Schwefelsäure (H2SO4). Der Elektrolyt ermöglicht den Ladungstransport während des Elektrolyseprozesses.

Die Anode: Die Anode ist die positive Elektrode und wird mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden. Sie zieht die negativ geladenen Ionen aus dem Elektrolyten an und oxidiert sie. Bei der Elektrolyse von Wasser wäre die Anode mit Sauerstoff (O2) assoziiert.

Die Kathode: Die Kathode ist die negative Elektrode und wird mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden. Sie zieht die positiv geladenen Ionen aus dem Elektrolyten an und reduziert sie. Bei der Elektrolyse von Wasser wäre die Kathode mit Wasserstoff (H2) assoziiert.

Hauptkomponenten einer Elektrolysezelle:

Eine Elektrolysezelle besteht aus verschiedenen Hauptkomponenten, die für den Ablauf der elektrochemischen Reaktionen benötigt werden. Hier sind die wichtigsten Komponenten im Detail:

1. Anode: Die Anode ist die positive Elektrode in der Elektrolysezelle. An dieser Stelle finden die Oxidationsreaktionen statt, bei denen Elektronen abgegeben werden. Durch diesen Prozess werden positive Metallionen oder nichtmetallische Ionen freigesetzt.

2. Kathode: Die Kathode dagegen ist die negative Elektrode in der Elektrolysezelle. Hier finden die Reduktionsreaktionen statt, bei denen Elektronen aufgenommen werden. An der Kathode werden die negativen Metallionen oder nichtmetallischen Ionen in ihre neutrale Form umgewandelt.

3. Elektrolyt: Der Elektrolyt ist eine leitfähige Lösung oder ein Schmelzsalz, das die Ionen für die elektrochemischen Reaktionen bereitstellt. In wässrigen Elektrolysezellen wird oft eine verdünnte Schwefelsäure oder Kalilauge verwendet. Der Elektrolyt ermöglicht den Ionenfluss zwischen den Elektroden und trägt zur Leitung des elektrischen Stroms bei.

4. Äußere Spannung: Die elektrolytische Reaktion wird durch Anlegen einer äußeren Spannung in Gang gesetzt. Diese Spannung ist notwendig, um die erforderliche Energie für die Umwandlung der Ionen bereitzustellen. Die Mindestspannung, die aufgebracht werden muss, um die Reaktion zu starten, wird als theoretische Zersetzungsspannung bezeichnet.

5. Überspannung: Die Überspannung ist die Differenz zwischen dem Elektrodenpotenzial bei Stromfluss und dem Gleichgewichtselektrodenpotenzial der Nernst-Gleichung. Sie hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. dem Elektrodenmaterial. Die Überspannung kann den Ablauf der elektrochemischen Reaktionen beeinflussen und muss daher berücksichtigt werden.

Zusätzlich zu den Hauptkomponenten können in speziellen Elektrolysezellen auch weitere Komponenten vorhanden sein, je nach dem spezifischen Verfahren und den gewünschten Produkten.

Faktoren, die die Effizienz der Elektrolyse beeinflussen

Die Effizienz der Elektrolyse wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Hier sind die wichtigsten Faktoren:

  • Zersetzungsspannung (Uz oder Ez): Die Elektrolyse erfordert eine Mindestspannung, um ablaufen zu können. Die Zersetzungsspannung variiert je nach Stoff und kann durch das Redoxpotential bestimmt werden.
  • Redoxpotential: Das Redoxpotential gibt Aufschluss darüber, welche Ionen oxidiert oder reduziert werden können. Es beeinflusst die Auswahl der Reaktionsprodukte an den Elektroden.
  • Überspannung (Überpotential): Aufgrund kinetischer Hemmungen an den Elektroden kann eine höhere Spannung als das Redoxpotential erforderlich sein. Die Überspannungseffekte können die Redoxreihe ändern und somit die Reaktionsprodukte beeinflussen.
  • Materialbeschaffenheit der Elektroden: Die Eigenschaften der Elektroden können die Effizienz der Elektrolyse beeinflussen. Je nach Material können unterschiedliche Ionen oxidiert oder reduziert werden.
  • Trennung von Anoden- und Kathodenraum: In einigen Fällen ist es ratsam, den Anoden- und Kathodenraum voneinander zu trennen, um den Ladungsaustausch aufrechtzuerhalten. Dies kann durch ein poröses Diaphragma oder eine Salzbrücke erreicht werden.
  • Stromstärke: Die Stromstärke beeinflusst die Geschwindigkeit der Elektrolyse. Nach den Faradayschen Gesetzen ist die Gewichtsmenge des gebildeten Stoffs proportional zur Strommenge.
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Zersetzungsspannung: Die Zersetzungsspannung ist die Mindestspannung, die erforderlich ist, um eine Elektrolyse durchzuführen. Sie variiert je nach dem zu elektrolysierenden Stoff. Das Redoxpotential gibt Auskunft darüber, welche Ionen oxidiert oder reduziert werden können und bestimmt somit die Auswahl der Reaktionsprodukte an den Elektroden. Eine niedrigere Zersetzungsspannung führt zu einer höheren Effizienz der Elektrolyse.

Überspannung: Die Überspannung, auch als Überpotential bezeichnet, tritt an den Elektroden aufgrund kinetischer Hemmungen auf. Manchmal ist eine höhere Spannung als das Redoxpotential erforderlich, um die Elektrolyse in Gang zu setzen. Die Überspannungseffekte können die Reihenfolge der Redoxreaktion ändern und somit die Art der gebildeten Reaktionsprodukte beeinflussen.

Materialbeschaffenheit der Elektroden: Die Eigenschaften der Elektroden spielen ebenfalls eine Rolle für die Effizienz der Elektrolyse. Je nach Material können unterschiedliche Ionen oxidiert oder reduziert werden. Eine optimale Materialwahl der Elektroden kann zu einer verbesserten Effizienz führen.

Elektrolyse zur Wasserstoffgewinnung

Die Elektrolyse zur Wasserstoffgewinnung ist ein Verfahren, bei dem eine chemische Verbindung durch den Einsatz von elektrischem Strom aufgespalten wird. Dabei werden die in der Verbindung enthaltenen Stoffe voneinander getrennt. Dieser Prozess findet in einem Elektrolyseur statt, der aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), einer Gleichstromquelle und einem Elektrolyt besteht. Der Elektrolyt kann beispielsweise reines Wasser oder alkalische Verbindungen sein. Durch die Wasserelektrolyse werden aus zwei Wassermolekülen zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül gewonnen.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Elektrolyse von Wasser. Eines davon ist die alkalische Elektrolyse (AEL-Elektrolyse), bei der eine Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt verwendet wird. Dieses Verfahren hat eine maximale Effizienz von 600 Milliampere pro Quadratzentimeter Membranfläche. Der erzeugte Wasserstoff muss anschließend komprimiert werden, um ihn weiter zu nutzen.

Ein weiteres Verfahren ist die Hochtemperatur- oder Dampfelektrolyse (HTE-Elektrolyse), bei der die Elektrolyse bei Temperaturen zwischen 100 °C und ca. 900 °C durchgeführt wird. Dieses Verfahren hat Wirkungsgrade von bis zu 90 %. Es findet vor allem in energieintensiven Sektoren wie der Stahlindustrie Anwendung.

Ein drittes Verfahren ist die saure Elektrolyse (PEM-Elektrolyse), bei der ein saurer Elektrolyt verwendet wird. Dieses Verfahren ist ein weiteres Verfahren zur Wasserelektrolyse. Es bietet ebenfalls verschiedene Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten.

Elektrolyse in der Metallgewinnung

In der Metallgewinnung wird die Elektrolyse als Methode zur Gewinnung verschiedener Metalle angewandt. Bei diesem Verfahren wird elektrischer Strom verwendet, um chemische Reaktionen in einer Elektrolytlösung zu induzieren. Dabei werden Metallionen reduziert und bilden an der Kathode das reine Metall. An der Anode hingegen erfolgen Oxidationsreaktionen.

Ein Beispiel für die elektrolytische Gewinnung von Metallen ist das Verfahren von Siemens & Halske. Hier werden Zersetzungszellen eingesetzt, die Kathoden aus Kupferplatten und Anoden aus Kohlenstäben haben. Eine Schwefelsäurelösung fließt von der Kathode zur Anode, wobei sich Kupfer an der Kathode absetzt und Ferrosulfat in Ferrisulfat umgewandelt wird.

Ein weiteres Verfahren ist das von Höpfner, bei dem Kupferchlorid verwendet wird. Hier werden Erze in rotierenden Trommeln warm ausgelaugt, wobei Schwefelkupfer in Kupferchlorid umgewandelt wird. Es wird eine Kochsalz- oder Chlorcalciumlösung verwendet, die Kupferchlorid enthält.

Bei der elektrolytischen Metallgewinnung aus dem Schmelzflusse, wie bei der Gewinnung von Aluminium, Magnesium, Kalium und Natrium, erfolgt die Gewinnung entweder durch Schmelzung und Zersetzung der Elektrolyten oder ausschließlich durch den elektrischen Strom.

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Elektrolyse in der Chemieindustrie: Erklärung und Anwendungen der Elektrolyse in der chemischen Industrie

Die Elektrolyse ist ein wichtiger Prozess in der Chemieindustrie, bei dem eine chemische Verbindung mithilfe elektrischen Stroms aufgespalten wird. Dieser Vorgang wird auch als elektrolytische Auflösung von Metallen in einem wässrigen Medium zur Reinigung oder Schichterzeugung bezeichnet. Durch die Anwendung der Elektrolyse kann chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei wird eine Spannung zwischen zwei Elektroden in einer leitfähigen Flüssigkeit angelegt. An der Kathode werden positiv geladene Kationen reduziert, während an der Anode negativ geladene Anionen oxidiert werden.

Die Elektrolyse wird in der chemischen Industrie für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Ein Beispiel ist die Gewinnung von reinen Metallen durch die elektrochemische Reduktion ihrer Verbindungen. Dieser Prozess ermöglicht es, Metalle in hochreiner Form für industrielle Zwecke herzustellen. Ein weiterer Anwendungsbereich der Elektrolyse ist die Herstellung von Chemikalien wie Chlor und Natriumhydroxid. Hierbei wird eine Salzlösung elektrolysiert, wodurch Chlor an der Anode und Natriumhydroxid an der Kathode entsteht. Diese Produkte haben eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie.

Die Elektrolyse wird auch zur Behandlung von Abwässern in der chemischen Industrie eingesetzt. Durch die elektrolytische Reinigung können schädliche Substanzen entfernt werden, um eine umweltfreundliche Entsorgung zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die Elektrolyse zur Erzeugung von Schichten auf metallischen Oberflächen verwendet werden. Dieser Prozess, der als elektrolytische Abscheidung bezeichnet wird, ermöglicht es, Metalle wie Kupfer oder Gold auf bestimmte Substrate aufzutragen, um sie zu schützen oder ihre Eigenschaften zu verbessern.

Die Elektrolyse ist ein vielseitiger Prozess in der chemischen Industrie, der zur Herstellung von Metallen, Chemikalien und zur Behandlung von Abwässern eingesetzt wird. Durch die Anwendung der Elektrolyse kann effizient und präzise gearbeitet werden und eine breite Palette von Produkten hergestellt werden. Die Verwendung der Elektrolyse in der chemischen Industrie trägt zur Nachhaltigkeit und Effizienz der Produktionsprozesse bei.

Vor- und Nachteile der Elektrolyse

Die Elektrolyse ist ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Hier sind die wichtigsten Vorteile der Elektrolyse:

  • Erneuerbar und leicht verfügbar: Wasserstoff ist eine reichlich vorhandene und erneuerbare Energiequelle. Es ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum und wird nicht zur Neige gehen.
  • Saubere Energiequelle: Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Als Nebenprodukte entstehen lediglich Wärme und Wasser. Im Vergleich zu anderen Energiequellen benötigt Wasserstoff keine großen Landflächen zur Produktion.
  • Leistungsfähiger und energieeffizienter: Wasserstoff-Brennstoffzellen sind dreimal leistungsfähiger als fossile Brennstoffe. Dadurch werden weniger Zellen für den Antrieb von Maschinen und Fahrzeugen benötigt, was Gewichtseinsparungen und andere Vorteile mit sich bringt.
  • Hoher Wirkungsgrad: Wasserstoff-Brennstoffzellen sind effizienter als viele andere Energiequellen, einschließlich vieler grüner Energielösungen. Sie erzeugen mehr Energie pro Pfund Brennstoff im Vergleich zu konventionellen Verbrennungskraftwerken.
  • Fast keine Emissionen: Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen keine Kohlendioxidemissionen wie viele andere Energiequellen. Sie tragen zur Reduzierung der Umweltverschmutzung bei.
  • Reduziert den CO2-Fußabdruck: Da Wasserstoff-Brennstoffzellen keine Treibhausgase freisetzen, hinterlassen sie während ihres Einsatzes keinen Kohlenstoff-Fußabdruck.
  • Schnelle Ladezeiten: Wasserstoff-Brennstoffzellen können in weniger als fünf Minuten wieder aufgeladen werden, was schnelle Ladezeiten ermöglicht.
  • Keine Lärmbelästigung: Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen keine Lärmbelästigung wie andere erneuerbare Energiequellen.
  • Keine visuelle Beeinträchtigung: Im Gegensatz zu einigen anderen Energiequellen verursachen Wasserstoff-Brennstoffzellen keine optische Beeinträchtigung.
  • Lange Nutzungszeiten: Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten eine hohe Reichweite und sind nicht von der Außentemperatur beeinflusst. Sie eignen sich daher gut für den Einsatz in abgelegenen Gebieten.

Diese Informationen zeigen die Vorteile der Elektrolyse und Wasserstoff-Brennstoffzellen als umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen. Die Elektrolyse ermöglicht eine nachhaltige und saubere Energiegewinnung, die zur Reduzierung von Umweltbelastungen und der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen beiträgt.

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