Effiziente Wasserstoffproduktion mit Ultraschall
Wasserstoff ist ein alternativer Kraftstoff, der aufgrund seiner Umweltfreundlichkeit und seiner fehlenden Kohlendioxidemissionen vorzuziehen ist. Die konventionelle Wasserstofferzeugung ist jedoch für eine wirtschaftliche Massenproduktion nicht effizient genug. Die ultraschallgestützte Elektrolyse von Wasser und alkalischen wässrigen Lösungen führt zu höheren Wasserstoffausbeuten, einer höheren Reaktionsrate und einer schnelleren Umsetzung. Die ultraschallunterstützte Elektrolyse macht die Wasserstoffproduktion wirtschaftlich und energieeffizient.
Ultraschallgestützte elektrochemische Reaktionen wie Elektrolyse und Elektrokoagulation weisen eine verbesserte Reaktionsgeschwindigkeit, Reaktionsrate und Ausbeute auf.
Beschleunigen Sie die Wasserstoffproduktion mit der Kraft von Ultraschall und Elektrochemie
Kombinieren Sie die Effizienz der Ultraschallkavitation mit der Präzision elektrochemischer Reaktionen, um höhere Wasserstoffausbeuten und einen geringeren Energieverbrauch zu erzielen. Die fortschrittlichen sonoelektrochemischen Systeme von Hielscher steigern den Stofftransport, verbessern die Katalysatoraktivität und optimieren die Elektrodenoberflächen für eine gleichbleibende, leistungsstarke H₂-Erzeugung.
Wesentliche Vorteile:
- Verbesserter Stofftransport: Ultraschallwellen verringern die Dicke der Diffusionsschicht und gewährleisten so eine effiziente Zufuhr der Reaktanten zu den Elektroden.
- Verbesserte Katalysatorstabilität: Die Beschallung verhindert die Agglomeration von Nanopartikeln und erhält dadurch langfristig eine hohe katalytische Aktivität.
- Energieeffizienz: Optimieren Sie den Energieeintrag durch kavitationsinduzierte Mikromischung und Oberflächenreinigung.
Gewährleisten Sie eine gleichmäßige, hochintensive Kavitation mit zuverlässigen Ultraschallprozessoren, die für die kontinuierliche H₂-Produktion im 24/7-Betrieb ausgelegt sind. Informieren Sie sich ausführlich über unsere Hochleistungs-Ultraschalllösungen und sprechen Sie mit unseren Experten für Ultraschallbehandlung!
2x Ultraschallprozessoren des Modells UIP2000hdT mit Sonotroden, die als Elektroden, also als Kathode und Anode, dienen. Die Ultraschallschwingungen und die Kavitation fördern die elektrochemische Wasserstoffproduktion.
Effiziente Wasserstofferzeugung durch Beschallung
Die Elektrolyse von Wasser und wässrigen Lösungen zur Wasserstofferzeugung ist ein vielversprechendes Verfahren zur Herstellung sauberer Energie. Die Wasserelektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem Wasser mithilfe von elektrischem Strom in zwei Gase gespalten wird, nämlich Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). Um die H–O–H-Bindungen durch Elektrolyse zu spalten, wird elektrischer Strom durch das Wasser geleitet.
Für die elektrolytische Reaktion wird Gleichstrom verwendet, um eine ansonsten nicht spontan ablaufende Reaktion einzuleiten. Durch Elektrolyse lässt sich hochreiner Wasserstoff in einem einfachen, umweltfreundlichen, grünen Verfahren ohne CO₂-Emissionen erzeugen, da O₂ das einzige Nebenprodukt ist.
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten, indem 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 auf Wasserstoffkationen übertragen werden, sodass Wasserstoffgas entsteht. An der positiv geladenen Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der Sauerstoffgas entsteht und Elektronen an die Anode abgegeben werden. Das bedeutet, dass Wasser an der Anode zu Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen) reagiert. Dabei ergibt sich die folgende Energiebilanzgleichung:
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 zur Wasserstoffherstellung verwendet. Alkalisalze sind lösliche Hydroxide der Alkalimetalle und Erdalkalimetalle. Gängige Beispiele sind Natriumhydroxid (NaOH, auch als Ätznatron bekannt) und Kaliumhydroxid (KOH, auch als Ätzkali bekannt). Für die Elektrolyse werden überwiegend Laugen mit Konzentrationen von 20% bis 40% verwendet.
Sonoelektrochemische Herstellung von Wasserstoff an einer Ultraschallkathode.
Ultraschallgestützte Synthese von Wasserstoff
Wenn Wasserstoffgas in einer elektrolytischen Reaktion erzeugt wird, erfolgt die Wasserstoffsynthese direkt beim Zersetzungspotenzial. Die Elektrodenoberfläche ist der Bereich, an dem während der elektrochemischen Reaktion die Wasserstoffbildung auf molekularer Ebene stattfindet. Die Wasserstoffmoleküle bilden Keime an der Elektrodenoberfläche, sodass anschließend Wasserstoffgasblasen um die Kathode vorhanden sind. Der Einsatz von Ultraschallelektroden verbessert die Aktivitätsimpedanzen und die Konzentrationsimpedanz und beschleunigt das Aufsteigen der Wasserstoffblasen während der Wasserelektrolyse. Mehrere Studien haben gezeigt, dass die ultraschallgestützte Wasserstoffproduktion die Wasserstoffausbeute effizient erhöht.
- Höhere Wasserstoffausbeuten
- Verbesserte Energieeffizienz
➡️ Nutzen Sie die Beschallung für:
- Verbesserten Stofftransport
- Beschleunigten Abbau der aufgebauten Impedanz
- Verringerten ohmschen Spannungsabfall
- Verringerte Reaktionsüberspannung
- Verringertes Zersetzungspotenzial
- Entgasung von Wasser / wässriger Lösung
- Reinigung der Elektrodenkatalysatoren
Auswirkungen von Ultraschall auf die Elektrolyse
Die durch Ultraschall angeregte Elektrolyse wird auch als Sonoelektrolyse bezeichnet. Verschiedene sonomechanische und sonochemische Ultraschallwirkungen beeinflussen und fördern elektrochemische Reaktionen.
- Ultraschallwellen erzeugen Blasen
- Die Blasen kollabieren
- Extreme Hitze spaltet Wassermoleküle
Die Faktoren, die die Elektrolyse beeinflussen, entstehen durch ultraschallinduzierte Kavitation und Schwingungen. Dazu gehören akustische Strömungen, Mikroturbulenzen, Mikrostrahlen, Stoßwellen sowie sonochemische Effekte. Ultraschallkavitation beziehungsweise akustische Kavitation tritt auf, wenn hochintensive Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit eingekoppelt werden. Das Phänomen der Kavitation ist durch das Wachstum und den Kollaps sogenannter Kavitationsblasen gekennzeichnet. Bei der Blasenimplosion treten lokal extrem starke Kräfte auf. Dazu zählen eine intensive lokale Erwärmung auf bis zu 5000K, hohe Drücke von bis zu 1000 atm und enorme Aufheiz- und Abkühlraten (über 100k/sec). Sie bewirken eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Materie und Energie. Beispielsweise wirken diese Kavitationskräfte auf die Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser ein und erleichtern die Aufspaltung von Wasserclustern, wodurch sich der Energieverbrauch für die Elektrolyse verringert.
Einfluss von Ultraschall auf die Elektroden
- Entfernung von Ablagerungen von der Elektrodenoberfläche
- Aktivierung der Elektrodenoberfläche
- Transport von Elektrolyten zu den Elektroden und von ihnen weg
Reinigung und Aktivierung von Elektrodenoberflächen mit Ultraschall
Der Stofftransport ist einer der entscheidenden Faktoren, die Reaktionsrate, Reaktionsgeschwindigkeit und Ausbeute beeinflussen. Während elektrolytischer Reaktionen sammeln sich Reaktionsprodukte, z. B. Niederschläge, sowohl in der Umgebung als auch direkt auf den Elektrodenoberflächen an und verlangsamen die elektrolytische Umsetzung frischer Lösung an der Elektrode. Ultraschallgestützte elektrolytische Prozesse zeigen einen erhöhten Stofftransport im Lösungsvolumen und in der Nähe der Oberflächen. Ultraschallschwingungen und Kavitation entfernen Passivierungsschichten von den Elektrodenoberflächen und erhalten dadurch dauerhaft deren volle Leistungsfähigkeit. Darüber hinaus ist bekannt, dass die Beschallung Reaktionswege durch sonochemische Effekte begünstigt.
Geringerer ohmscher Spannungsabfall, geringere Reaktionsüberspannung und geringeres Zersetzungspotenzial
Die Spannung, die für das Einsetzen der Elektrolyse erforderlich ist, wird als Zersetzungspotenzial bezeichnet. Ultraschall kann das erforderliche Zersetzungspotenzial bei Elektrolyseprozessen senken.
Ultraschall-Elektrolysezelle
Bei der Wasserelektrolyse sind der Ultraschallenergieeintrag, der Elektrodenabstand und die Elektrolytkonzentration entscheidende Faktoren, die die Wasserelektrolyse und ihre Effizienz beeinflussen.
Für die alkalische Elektrolyse wird eine Elektrolysezelle mit einer wässrigen Lauge verwendet, die üblicherweise 20%–40% KOH oder NaOH enthält. Elektrische Energie wird an zwei Elektroden angelegt.
Elektrodenkatalysatoren können eingesetzt werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Beispielsweise sind Pt-Elektroden vorteilhaft, da die Reaktion leichter abläuft.
Wissenschaftliche Forschungsartikel berichten von Energieeinsparungen von 10%–25% durch die ultraschallgestützte Wasserelektrolyse.
Ultraschall-Elektrolyseure für die Wasserstoffproduktion im Pilot- und Industriemaßstab
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics sind für den 24/7/365-Betrieb unter Volllast und für Prozesse unter hoher Beanspruchung ausgelegt.
Mit robusten Ultraschallsystemen, speziell entwickelten Sonotroden, die gleichzeitig als Elektrode und als Überträger von Ultraschallwellen dienen, sowie Elektrolysereaktoren erfüllt Hielscher Ultrasonics die spezifischen Anforderungen der elektrolytischen Wasserstoffproduktion. Alle digitalen industriellen Ultraschallgeräte der UIP-Serie (UIP500hdT (500 Watt), UIP1000hdT (1kW), UIP1500hdT (1,5kW), UIP2000hdT (2kW) und UIP4000hdT (4kW)) sind Hochleistungs-Ultraschallgeräte für Elektrolyseanwendungen.
Die Sonotrode des UIP2000hdT dient als Anode. Die eingekoppelten Ultraschallwellen intensivieren die elektrolytische Synthese von Wasserstoff.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über unsere Ultraschallgeräte und Sonoelektroden für die elektrochemische H₂-Erzeugung – vom Forschungslabor bis zur Produktion:
| Ultraschallgerät | Ultraschallleistung | Volumen |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Falcon-Röhrchen |
| UP100H | 100W | 10 bis 200mL/min |
| UP400St | 400W | 20 bis 400mL/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 bis 4L/min |
Optimieren Sie Ihre Wasserstoffausbeute durch Beschallung!
Sonoelektrochemische Zelle zur verbesserten H2-Synthese
FAQ – Sonoelektrochemische Wasserstoffproduktion
Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist das chemische Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Mit einem Standardatomgewicht von 1,008 ist Wasserstoff das leichteste Element im Periodensystem. Wasserstoff ist die häufigste chemische Substanz im Universum und macht etwa 75% der gesamten baryonischen Masse aus. H₂ ist ein Gas, das entsteht, wenn sich zwei Wasserstoffatome miteinander verbinden und ein Wasserstoffmolekül bilden. H₂ wird auch als molekularer Wasserstoff bezeichnet und ist ein zweiatomiges, homonukleares Molekül. Es besteht aus zwei Protonen und zwei Elektronen. Molekularer Wasserstoff ist elektrisch neutral und daher stabil; somit ist er die häufigste Form von Wasserstoff.
Bei der Wasserstoffproduktion im Industriemaßstab ist die Dampfreformierung von Erdgas das am häufigsten eingesetzte Herstellungsverfahren. Eine alternative Methode ist die Wasserelektrolyse. Der größte Teil des Wasserstoffs wird in der Nähe seines späteren Einsatzortes hergestellt, z. B. in der Nähe von Anlagen zur Verarbeitung fossiler Brennstoffe (z. B. Hydrocracking) und von Herstellern ammoniakbasierter Düngemittel.
Was ist die sonoelektrochemische Synthese von Wasserstoff?
Die sonoelektrochemische Synthese ist ein Hybridverfahren, das Ultraschallkavitation mit elektrochemischer Wasserspaltung kombiniert. Durch die Einwirkung hochfrequenter Schallwellen – also Ultraschall – auf einen elektrochemischen Reaktor verbessert das Verfahren den Stofftransport, reinigt die Elektrodenoberflächen und erhöht die Gesamteffizienz der Wasserstofferzeugung gegenüber der herkömmlichen Elektrolyse.
Wie verbessert Ultraschall die Wasserstoffausbeute bei der Elektrolyse?
Ultraschall verbessert die Wasserstofferzeugung hauptsächlich durch akustische Kavitation. Die Bildung und der Kollaps mikroskopisch kleiner Blasen erzeugen intensive Mikroturbulenzen, die die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche verringern. Dies gewährleistet eine schnellere Zufuhr der Reaktanten zum Katalysator und trägt dazu bei, Wasserstoffgasblasen effizienter zu entfernen. Dadurch wird eine „Gasabschirmung“ verhindert und es werden höhere Stromdichten ermöglicht.
Welche Vorteile bietet der Einsatz eines industriellen Ultraschallgeräts bei der Wasserstoffsynthese?
Der Einsatz hochintensiver Ultraschallprozessoren wie des UIP2000hdT aus der industriellen UIP-Serie von Hielscher bietet mehrere Vorteile:
- Erhöhte Katalysatoraktivität: Die Beschallung verhindert die Agglomeration von Nanopartikeln und hält dadurch Katalysatoren wie Pt, TiO₂ oder Ni hochaktiv.
- Elektrodenreinigung: Ultraschall reinigt die Elektrodenoberflächen kontinuierlich, verringert die Polarisation und verlängert die Lebensdauer der Reaktorkomponenten.
- Skalierbarkeit: Diese Systeme sind für den kontinuierlichen 24/7-Betrieb ausgelegt und eignen sich daher sowohl für die Forschung im Labor als auch für die Wasserstoffproduktion im Industriemaßstab.
Welche Rolle spielt Kavitation bei sonoelektrochemischen Reaktionen?
Akustische Kavitation ist der zentrale Mechanismus der Sonoelektrochemie. Wenn Ultraschallwellen eine Flüssigkeit durchlaufen, erzeugen sie abwechselnd Hochdruck- und Niederdruckphasen. Während der Niederdruckphase bilden sich winzige Vakuumblasen und wachsen; während der Hochdruckphase kollabieren sie implosionsartig. Dieser Kollaps erzeugt lokal extreme Temperaturen und Drücke, die chemische Reaktionen erleichtern und den Kontakt zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten deutlich verbessern können.
Kann Sonoelektrochemie mit erneuerbaren Energiequellen genutzt werden?
Ja. Sonoelektrochemische Systeme können mit erneuerbaren Energiequellen wie Solar- oder Windenergie kombiniert werden. Da Ultraschallprozessoren bei unterschiedlichen Leistungsstufen effizient arbeiten können, eignen sie sich hervorragend für eine schwankende Energieversorgung. Dadurch lässt sich der CO₂-Fußabdruck der Produktion von grünem Wasserstoff potenziell verringern.
Wie schneidet die sonoelektrochemische Wasserstoffproduktion im Vergleich zur herkömmlichen Methan-Dampfreformierung ab?
Im Gegensatz zur Methan-Dampfreformierung (SMR), die auf fossilen Brennstoffen beruht und erhebliche Mengen CO₂ freisetzt, verwendet die sonoelektrochemische Synthese üblicherweise Wasser als Ausgangsstoff. Während SMR derzeit stärker etabliert ist, bietet die Sonoelektrochemie eine sauberere, „grüne“ Alternative, die mit erneuerbarem Strom betrieben werden kann. Damit ist sie eine Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft.
Literatur / Quellen
- Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
- Islam Md H., Burheim Odne S., Pollet Bruno G. (2019): Sonochemical and sonoelectrochemical production of hydrogen. Ultrasonics Sonochemistry 51, 2019. 533–555.
- Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- Cherepanov, Pavel; Melnyk, Inga; Skorb, Ekaterina V.; Fratzl, P.; Zolotoyabko, E.; Dubrovinskaia, Natalia; Dubrovinsky, Leonid Avadhut, Yamini S.; Senker, Jürgen; Leppert, Linn; Kümmel, Stephan; Andreeva, Daria V. (2015): The use of ultrasonic cavitation for near-surface structuring of robust and low-cost AlNi catalysts for hydrogen production. Green Chemistry Issue 5, 2015. 745-2749.