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.
Beschleunigung der Wasserstoffproduktion durch Ultraschall und Elektrochemie
Durch die Kombination der Effizienz der Ultraschallkavitation mit der Präzision elektrochemischer Reaktionen lassen sich höhere Wasserstoffausbeuten und ein geringerer Energieverbrauch erzielen. Die fortschrittlichen sono-elektrochemischen Systeme von Hielscher verbessern den Stoffaustausch, steigern die Katalysatoraktivität und optimieren die Elektrodenoberflächen für eine gleichbleibende, leistungsstarke H₂-Erzeugung.
Wichtigste Vorteile:
- Erhöhter Stoffaustausch: Ultraschallwellen verringern die Dicke der Diffusionsschicht und gewährleisten so eine effiziente Zufuhr der Reaktanten zu den Elektroden.
- Verbesserte Katalysatorstabilität: Durch die Ultraschallbehandlung wird die Agglomeration der Nanopartikel verhindert, wodurch die hohe katalytische Aktivität über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt.
- Energieeffizienz: Optimierung des Energieeinsatzes durch Nutzung der durch Kavitation hervorgerufenen Mikromischung und Oberflächenreinigung.
Sorgen Sie für eine gleichmäßige, hochintensive Kavitation mit zuverlässigen Ultraschallgeräten, die für die kontinuierliche H₂-Erzeugung rund um die Uhr ausgelegt sind. Informieren Sie sich ausführlich über unsere leistungsstarken Ultraschalllösungen und sprechen Sie mit unseren Ultraschall-Experten!
2x Ultraschallprozessoren des Modells UIP2000hdT mit Sonden, die als Elektroden, d.h. als Kathode und Anode, fungieren. Die Ultraschallschwingungen und die Kavitation fördern die elektrochemische Wasserstofferzeugung.
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.
Bei der Elektrolyse von Wasser wird die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff dadurch erreicht, dass 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)
Gesamtgleichung: 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.
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.
- Höhere Wasserstoffausbeuten
- Verbesserte Energieeffizienz
➡️ Setzen Sie die Ultraschallbehandlung ein für:
- 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 durch Ultraschall angeregte Elektrolyse wird auch als Sonoelektrolyse bezeichnet. Verschiedene ultraschallbedingte Faktoren sonomechanischer und sonochemischer Art beeinflussen und fördern elektrochemische Reaktionen.
- Ultraschallwellen erzeugen Bläschen
- Blasen platzen
- Extreme Hitze spaltet Wassermoleküle
Die die Elektrolyse beeinflussenden Faktoren sind das Ergebnis ultraschallinduzierter Kavitation und Schwingungen und umfassen akustische Strömungen, Mikroturbulenzen, Mikrostrahlen, Stoßwellen sowie sonochemische Effekte. Ultraschall-/akustische Kavitation tritt auf, wenn hochintensive Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit eingekoppelt werden. Das Phänomen der Kavitation ist durch das Entstehen und den Zusammenbruch sogenannter Kavitationsblasen gekennzeichnet. Die Implosion der Blasen ist durch extrem intensive, lokal auftretende Kräfte gekennzeichnet. Zu diesen Kräften gehören eine intensive lokale Erwärmung von bis zu 5000 K, hohe Drücke von bis zu 1000 atm sowie enorme Erwärmungs- und Abkühlungsraten (>100 k/s), die eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Materie und Energie hervorrufen. So beeinflussen diese Kavitationskräfte beispielsweise die Wasserstoffbrückenbindungen im 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 Elektrodenoberflächen mit Ultraschall
Der Stoffaustausch ist einer der entscheidenden Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit und die Ausbeute beeinflussen. Bei elektrolytischen Reaktionen sammeln sich die Reaktionsprodukte, z. B. Niederschläge, sowohl um die Elektrodenoberflächen herum als auch direkt auf diesen an und verlangsamen die elektrolytische Umwandlung der frischen Lösung an der Elektrode. Ultraschallunterstützte elektrolytische Prozesse weisen einen erhöhten Stoffaustausch sowohl in der Hauptlösung als auch in Oberflächennähe auf. Ultraschallschwingungen und Kavitation entfernen Passivierungsschichten von den Elektrodenoberflächen und sorgen so dafür, dass diese dauerhaft ihre volle Leistungsfähigkeit behalten. Darüber hinaus ist bekannt, dass die Beschallung durch sonochemische Effekte die Reaktionswege 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 Ultraschallsonotrode des UIP2000hdT fungiert als Anode. Die 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:
| Sonicator | Ultraschallleistung | Volumen |
|---|---|---|
| VialTweeter | 200W | Falcon-Rohr |
| UP100H | 100W | 10 bis 200ml/min |
| UP400St | 400W | 20 bis 400ml/min |
| UIP2000hdT | 2000W | 0,2 bis 4l/min |
Optimieren Sie Ihre Wasserstoffausbeute durch Ultraschallbehandlung!
Sonoelektrochemische Zelle zur verbesserten H₂-Synthese
Häufig gestellte Fragen – Sono-Elektrochemische Wasserstofferzeugung
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.
Was versteht man unter der sonoelektrochemischen Wasserstofferzeugung?
Die sonoelektrochemische Synthese ist ein hybrides Verfahren, bei dem Ultraschallkavitation mit der elektrochemischen Wasserspaltung kombiniert wird. Durch die Einwirkung hochfrequenter Schallwellen – d. h. Ultraschall – In einem elektrochemischen Reaktor verbessert das Verfahren den Stoffaustausch, reinigt die Elektrodenoberflächen und steigert den Gesamtwirkungsgrad der Wasserstofferzeugung im Vergleich zur herkömmlichen Elektrolyse.
Wie verbessert Ultraschall die Wasserstoffausbeute bei der Elektrolyse?
Ultraschall verbessert die Wasserstofferzeugung in erster Linie durch akustische Kavitation. Durch die Bildung und den Zusammenbruch mikroskopisch kleiner Bläschen entstehen starke 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, wodurch verhindert wird, dass „Gasschutz“ und ermöglicht höhere Stromdichten.
Welche Vorteile bietet der Einsatz eines industriellen Ultraschallgeräts bei der Wasserstoffsynthese?
Der Einsatz von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren wie dem UIP2000hdT aus der industrietauglichen UIP-Serie von Hielscher bietet mehrere Vorteile:
- Verbesserte Katalysatoraktivität: Durch die Ultraschallbehandlung wird die Agglomeration von Nanopartikeln verhindert, wodurch Katalysatoren (wie Pt, TiO₂ oder Ni) hochaktiv bleiben.
- Reinigung der Elektroden: Ultraschall reinigt die Elektrodenoberflächen kontinuierlich, wodurch die Polarisation verringert und die Lebensdauer der Reaktorkomponenten verlängert wird.
- Skalierbarkeit: Diese Systeme sind für den kontinuierlichen Betrieb rund um die Uhr ausgelegt und eignen sich daher sowohl für die Laborforschung als auch für die Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab.
Welche Rolle spielt die Kavitation bei sonoelektrochemischen Reaktionen?
Die akustische Kavitation ist der zentrale Mechanismus in der Sonoelektrochemie. Wenn Ultraschallwellen eine Flüssigkeit durchdringen, erzeugen sie abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während des Niederdruckzyklus bilden sich winzige Vakuumblasen, die an Größe zunehmen; während des Hochdruckzyklus kollabieren sie implosiv. Dieser Kollaps erzeugt lokal extreme Temperaturen und Drücke, die chemische Reaktionen begünstigen und den Kontakt zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten erheblich verbessern können.
Kann die Sonoelektrochemie mit erneuerbaren Energiequellen genutzt werden?
Ja. Sono-elektrochemische Systeme lassen sich mit erneuerbaren Energiequellen wie Solar- oder Windenergie kombinieren. Da Ultraschallprozessoren in der Lage sind, bei unterschiedlichen Leistungsstufen effizient zu arbeiten, eignen sie sich hervorragend für eine intermittierende Energieversorgung und können so den CO₂-Fußabdruck der Erzeugung von grünem Wasserstoff verringern.
Wie schneidet die sono-elektrochemische Wasserstoffproduktion im Vergleich zum herkömmlichen Dampfreformieren von Methan ab?
Im Gegensatz zur Dampf-Methan-Reformierung (SMR), die auf fossile Brennstoffe angewiesen ist und erhebliche Mengen an CO₂ freisetzt, wird bei der sonoelektrochemischen Synthese in der Regel Wasser als Ausgangsmaterial verwendet. Während die SMR derzeit noch etablierter ist, bietet die Sonoelektrochemie eine sauberere, „grüne“ Eine Alternative, die mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden kann, was sie zu einer Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft macht.
Literatur / Literaturhinweise
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- 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.