Effiziente Wasserstofferzeugung mit Ultraschall

Wasserstoff ist ein alternativer Treibstoff, der wegen seiner Umweltfreundlichkeit und Null-Kohlendioxid-Emission große Aufmerksamkeit auf sich zieht. Allerdings ist die konventionelle Wasserstofferzeugung für eine wirtschaftliche Massenproduktion nicht ausreichend effizient. Die ultraschall-gestützte Elektrolyse von Wasser und Alkalilösungen führt zu einer höheren Wasserstoffausbeute, Reaktionsgeschwindigkeit und Konversionsrate. Die ultraschall-gestützte Elektrolyse macht die Wasserstofferzeugung wirtschaftlich und energieeffizient.
Mittels Ultraschall angeregte elektrochemische Reaktionen wie Elektrolyse und Elektrokoagulation zeigen eine verbesserte Reaktionsgeschwindigkeit, -rate und -ausbeute.

Effiziente Wasserstofferzeugung durch Beschallung

Die Elektrolyse von Wasser und wässrigen Lösungen zur Wasserstofferzeugung ist ein vielversprechender Prozess für die Erzeugung sauberer Energie. Die Elektrolyse von Wasser ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem Strom eingesetzt wird, um Wasser in zwei Gase, nämlich Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), zu spalten. Zur Spaltung des H – O – H-Bindungen durch Elektrolyse wird ein elektrischer Strom durch das Wasser geleitet.
Bei der elektrolytischen Reaktion wird eine direkte elektrische Spannung angelegt, um eine ansonsten nicht spontane Reaktion in Gang zu setzen. Durch Elektrolyse kann Wasserstoff mit hohem Reinheitsgrad in einem einfachen, umweltfreundlichen, grünen Prozess ohne CO2-Emissionen erzeugt werden, da nur Sauerstoff als Nebenprodukt anfällt.

Dieses Video veranschaulicht den positiven Einfluss der direkten Elektroden-Ultraschallbeschallung auf den elektrischen Strom. Es verwendet einen Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) Ultraschallhomogenisator mit Elektrochemie-Upgrade und einer Titanelektrode/Sonotrode. Bei der Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure entstehen Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stoffaustausch während der Elektrolyse.

Sono-Elektrochemie - Veranschaulichung des Einflusses von Ultraschall auf die Batch-Elektrolyse

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Die elektrochemische Ultraschallsynthese ist eine hocheffiziente Methode zur Herstellung von Wasserstoff. Die sono-elektrochemische Behandlung fördert die Spaltung der H - O - H-Bindungen durch Elektrolyse, wobei ein elektrischer Strom durch das Wasser fließt.

2x Ultraschallprozessoren des Modells UIP200hdT mit Sonotroden, die als Elektroden, d.h. als Kathode und Anode, fungieren. Die Ultraschallschwingungen und die Kavitation fördern die elektrochemische Wasserstofferzeugung.

 
Bei Elektrolyse von Wasser wird die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff erreicht, indem ein elektrischer Strom durch das Wasser geleitet wird.
In reinem Wasser findet an der negativ geladenen Kathode eine Reduktionsreaktion statt, bei der Elektronen (e-) von der Kathode an Wasserstoffkationen abgegeben werden, so dass sich Wasserstoffgas bildet. An der positiv geladenen Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der Sauerstoffgas entsteht und Elektronen an die Anode abgegeben werden. Das heißt, Wasser reagiert an der Anode zu Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (Protonen). Dadurch wird die folgende Gleichung der Energiebilanz vervollständigt:
 
2H+ (aq) + 2e → H2 (g) (Reduktion an der Kathode)
2H2O (l) → O2 (g) + 4H+ (aq) + 4e (Oxidation an der Anode)
Gesamtreaktion: 2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
 
Häufig wird für die Elektrolyse alkalisches Wasser verwendet, um Wasserstoff zu erzeugen. Alkalisalze sind lösliche Hydroxide von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen, zu denen gängige Beispiele gehören: Natriumhydroxid (NaOH, auch bekannt als Ätznatron) und Kaliumhydroxid (KOH, auch bekannt als Kalilauge). Für die Elektrolyse werden hauptsächlich Konzentrationen von 20% bis 40%-ige Laugen verwendet.

Sono-elektrochemische Herstellung von Wasserstoff an einer Ultraschallkathode.

Sono-elektrochemische Herstellung von Wasserstoff an einer Ultraschallkathode.

 

Dieses Video veranschaulicht den positiven Einfluss der direkten Elektroden-Ultraschallbeschallung auf den elektrischen Strom in einem H-Cell-Elektrolyseaufbau. Es verwendet einen Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) Ultraschallhomogenisator mit Elektrochemie-Upgrade und einer Titanelektrode/Sonotrode. Bei der Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure entstehen Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stoffaustausch während der Elektrolyse.

Sono-Elektrochemie - Veranschaulichung des Einflusses der Ultraschallbehandlung auf die Wasserstoff-Elektrolyse

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Ultraschall-Synthese von Wasserstoff

Wenn Wasserstoffgas in einer elektrolytischen Reaktion erzeugt wird, wird der Wasserstoff direkt am Zersetzungspotential synthetisiert. Die Oberfläche der Elektroden ist der Bereich, an dem die Wasserstoffbildung auf molekularer Ebene während der elektrochemischen Reaktion stattfindet. Die Wasserstoffmoleküle nukleieren an der Elektrodenoberfläche, so dass anschließend Wasserstoffgasblasen um die Kathode herum vorhanden sind. Die Verwendung von Ultraschallelektroden verbessert die Aktivitätsimpedanzen und die Konzentrationsimpedanz und beschleunigt das Aufsteigen der Wasserstoffblasen während der Wasserelektrolyse. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die Ultraschall-Wasserstoffproduktion die Wasserstoffausbeute steigert und damit effizienter macht.

 
Vorteile durch Ultraschall bei der Wasserstoff-Elektrolyse

  • Höhere Wasserstoffausbeuten
  • Verbesserte Energieeffizienz

denn durch Ultraschall ergibt sich:

  • Erhöhter Stoffaustausch
  • Beschleunigte Reduzierung der akkumulierten Impedanz
  • Reduzierter ohmscher Spannungsabfall
  • Reduziertes Reaktions-Überpotential
  • Reduziertes Zersetzungspotenzial
  • Entgasung des Wassers / der wässrigen Lösung
  • Reinigung von Elektrodenkatalysatoren

 

Ultraschall-Effekte auf die Elektrolyse

Ultrasonically excited electrolysis is also known as sono-electrolysis. Various ultrasonic factors of sonomechanical and sonochemical nature influence and promote electrochemical reactions. These electrolysis-influencing factors are results of ultrasound-induced cavitation and vibration and include acoustic streaming, micro-turbulences, microjets, shock waves as well as sonochemical effects. Ultrasonic / acoustic cavitation occurs, when high-intensity ultrasound waves are coupled into liquid. The phenomenon of cavitation is characterized by the growth and collapse of so-called cavitation bubbles. The bubble implosion is marked by super-intense, locally occuring forces. These forces include intense local heating of up to 5000K, high pressures of up to 1000 atm, and enormous heating and cooling rates (>100k/sec) and they provoke a unique interaction between matter and energy. For instance, those cavitational forces impact hydrogen bondings in water and facilitate splitting of water clusters which subsequently results in a reduced energy consumption for the electrolysis.
 
Ultraschall-Effekte an den Elektroden

  • Entfernen von Passivierungsschichten von der Elektrodenoberfläche
  • Aktivierung der Elektrodenoberfläche
  • Zu- und Ab-Transport von Elektrolyten an den Elektroden

 

Reinigung und Aktivierung von Elektrodenoberflächen mit Ultraschall

Massetransfer ist einer der entscheidenden Faktoren, welche Reaktionsrate, Geschwindigkeit und Ausbeute beeinflussen. Bei elektrolytischen Reaktionen sammelt sich das Reaktionsprodukt, z.B. in Form von Niederschlägen, sowohl im Umfelde der Elektrode als auch direkt auf den Elektrodenoberflächen an und verlangsamt dadurch die elektrolytische Umsetzung von frischer Lösung an den Elektroden. Mittels Ultraschall angeregte elektrolytische Prozesse zeigen einen erhöhten Stoffübergang in der Feststofflösung und in der Nähe der Oberflächen. Durch Ultraschallschwingungen und Kavitation werden Passivierungsschichten von den Elektrodenoberflächen entfernt und halten diese dadurch dauerhaft voll leistungsfähig. Darüber hinaus ist bekannt, dass die Beschallung die Reaktionswege durch sonochemische Effekte verbessert.

Niedrigerer ohmscher Spannungsabfall, Reaktionsüberpotential und Zersetzungspotential

Die für die Elektrolyse erforderliche Spannung wird als Zersetzungspotential bezeichnet. Mittels Ultraschall kann das notwendige Zersetzungspotential bei Elektrolyseprozessen gesenkt werden.

Ultraschall-Elektrolysezelle

Bei der Wasserelektrolyse sind der Ultraschall-Energieeintrag, der Elektrodenabstand und die Elektrolytkonzentration Schlüsselfaktoren, welche die Wasserelektrolyse und ihre Effizienz beeinflussen.
Für eine alkalische Elektrolyse wird üblicherweise eine Elektrolysezelle mit einer wässrigen Lauge von 20%-40% KOH oder NaOH verwendet. Elektrische Energie wird an zwei Elektroden angelegt.
Zur Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit können Elektrodenkatalysatoren eingesetzt werden. Beispielsweise sind Pt-Elektroden günstig, da die Reaktion leichter abläuft.
Wissenschaftliche Forschungsartikel berichten von 10%-25% Energieeinsparung durch die ultraschallgestützte Elektrolyse von Wasser.

Ultraschall-Elektrolyse-Systeme für die Wasserstoffproduktion im Pilot- und Industriemaßstab

Hielscher Ultrasonics‘ industriellen Ultraschallprozessoren sind für den 24/7/365-Betrieb unter Volllast und in Hochleistungsprozessen konzipiert.
Mit robusten Ultraschallsystemen, speziell konstruierten Sonotroden (Ultraschallstäben), die gleichzeitig als Elektrode und Ultraschallgeber fungieren, sowie Elektrolysereaktoren erfüllt Hielscher Ultrasonics alle spezifischen Anforderungen, welche für die elektrolytische Wasserstofferzeugung von Bedeutung sind. Alle digitalen Industrie-Ultraschallgeräte der UIP-Serie (UIP500hdT (500 Watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW), und UIP4000hdT (4kW)) sind Hochleistungs-Ultraschallgeräte, die für Elektrolyseanwendungen geeignet sind.

Die Ultraschallsonde des Hochleistungs-Ultraschallgerätes UIP2000hdT fungiert als Anode. Durch das angelegte Ultraschallfeld wird die Elektrolyse von Wasserstoff gefördert.

Die Ultraschallsonotrode des UIP2000hdT fungiert als Anode. Die Ultraschallwellen intensivieren die elektrolytische Synthese von Wasserstoff.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0.02 bis 5L 0.05 bis 1L/min UIP500hdT
0.05 bis 10L 0.1 bis 2L/min UIP1000hdT
0.07 bis 15L 0.15 bis 3L/min UIP1500hdT
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT

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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Wissenswertes

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist das chemische Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Mit einem Standard-Atomgewicht von 1,008 ist Wasserstoff das leichteste Element des Periodensystems. Wasserstoff ist die im Universum am häufigsten vorkommende chemische Substanz, die etwa 75% der gesamten baryonischen Masse ausmacht. H2 ist ein Gas, das entsteht, wenn sich zwei Wasserstoffatome miteinander verbinden und zu einem Wasserstoffmolekül werden. H2 wird auch als molekularer Wasserstoff bezeichnet und ist ein zweiatomiges, homonukleares Molekül. Es besteht aus zwei Protonen und zwei Elektronen. Molekularer Wasserstoff ist aufgrund seiner neutralen Ladung stabil und damit die häufigste Form von Wasserstoff.

Bei der Herstellung von Wasserstoff im industriellen Maßstab ist die Dampfreformierung von Erdgas die am weitesten verbreitete Produktionsform. Eine alternative Methode ist die Elektrolyse von Wasser. Der meiste Wasserstoff wird in der Nähe des späteren Einsatzortes erzeugt, z. B. in der Nähe von Anlagen zur Verarbeitung fossiler Brennstoffe (z. B. Hydrocracking) und von Düngemittelherstellern auf Ammoniakbasis.

Literatur / Literaturhinweise

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