Hielscher Ultraschalltechnik

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 zum Zwecke der Wasserstofferzeugung ist ein vielversprechendes Verfahren zur Erzeugung von sauberer Energie. Die Elektrolyse von Wasser ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem unter Anwendung von Elektrizität Wasser in zwei Gase aufgespalten wird, nämlich Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Zur Spaltung der H – O – H-Bindungen durch Elektrolyse wird ein elektrischer Strom durch das Wasser geleitet.
Für die elektrolytische Reaktion wird eine direkte elektrische Spannung (DC) verwendet, um eine anderweitig nicht spontane Reaktion einzuleiten. Durch die Elektrolyse kann Wasserstoff von hoher Reinheit in einem einfachen, umweltfreundlichen, grünen Prozess mit einem Null-CO2 Ausstoß erzeugt werden, da allein Sauerstoff (O2 ) als Nebenprodukt anfällt.

Ultrasonic electrolysis intensifies hydrogen production.

2 Ultraschall-Prozessoren UIP2000hdT mit Sonotroden, die als Elektroden fungieren, d.h. Kathode und Anode. Das Ultraschallfeld intensiviert die elektrolytische Synthese von Wasserstoff aus Wasser oder wässrigen Lösungen.

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 Wasserstoffgas entsteht. An der positiv geladenen Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der Sauerstoffgas erzeugt wird, während Elektronen an die Anode abgegeben werden. Das heisst, an der Anode reagiert Wasser unter Bildung von Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen). Dadurch wird die folgende Energiebilanzgleichung erfüllt:

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 alkalisches Wasser für die Elektrolyse verwendet, um Wasserstoff zu erzeugen. Alkalisalze sind lösliche Hydroxide von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen. Gängige Beispiele sind beispielsweise: Natriumhydroxid (NaOH, auch bekannt als „Ätznatron") und Kaliumhydroxid (KOH, auch bekannt als „Ätzkali"). Für die Elektrolyse werden hauptsächlich Konzentrationen von 20% bis 40%-igen Laugen verwendet.

The ultrasonic probe of the high-performance ultrasonicator UIP2000hdT functions as anode. Due to the ultrasonic field applied, the electrolysis of hydrogen is promoted.

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

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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

Die ultraschall-gestützte Elektrolyse wird auch als Sono-Elektrolyse bezeichnet. Verschiedene Ultraschallfaktoren sonomechanischer und sonochemischer Natur beeinflussen und fördern elektrochemische Reaktionen. Diese elektrolysebeeinflussenden Faktoren sind Effekte der ultraschall-induzierten Kavitation und Vibration. Dazu zählen u.a. akustische Strömung, Mikroturbulenzen, Flüssigkeitsstrahlen, Schockwellen sowie sonochemische Effekte. Ultraschallkavitation bzw. akustische Kavitation tritt auf, wenn hochintensive Ultraschallwellen in Flüssigkeit eingekoppelt werden. Das Phänomen der Kavitation ist durch das Wachstum und die Implosion von sogenannten Kavitationsblasen gekennzeichnet. Die Blasenimplosion ist durch hochintensive, lokal auftretende Kräfte gekennzeichnet. Diese Kräfte umfassen eine intensive lokale Erhitzung von bis zu 5000K, hohe Drücke von bis zu 1000 atm und enorme Aufheiz- und Abkühlraten (>100k/sec) und rufen eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Materie und Energie hervor. Diese Kavitationskräfte wirken z.B. auf Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser und erleichtern die Aufspaltung von Wasserclustern, was in der Folge zu einem geringeren Energieverbrauch bei der Elektrolyse führt.

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 Oberflächen

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.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

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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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

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

Literatur / Literaturhinweise



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, welche 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 molekularer Wasserstoff genannt 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.

Wenn Wasserstoff im industriellen Maßstab hergestellt wird, 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 Ortesder Endverwendung erzeugt, z.B. in der Nähe von Verarbeitungsanlagen für fossile Brennstoffe (z.B. Hydrocracking) und von Düngemittelproduzenten, die Fertilizer auf Ammoniakbasis herstellen.