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Definition: ein elektrochemischer Prozess, bei dem chemische Reaktionen mit Hilfe elektrischer Energie angetrieben werden
Die Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess. Hier werden chemische Reaktionen mit Hilfe elektrischer Energie angetrieben. Im Rahmen der Energietechnik dient die Elektrolyse zur Herstellung chemischer Energieträger, und zwar meist von Wasserstoff. Es wird also elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. (Der umgekehrte Prozess läuft ab in aufladbaren Batterien und Brennstoffzellen.) In anderen Fällen geht es um die Herstellung von Substanzen für nicht-energetische Nutzungen, beispielsweise Aluminium, Chlor oder Natronlauge. Ebenfalls wird die Elektrolyse für die Reinigung (Raffinierung) gewisser Metalle eingesetzt.
Typischerweise enthält ein Elektrolyseur (Elektrolyseapparat) zwei Elektroden, die mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (einem Elektrolyten) in Kontakt gebracht werden. Zwischen den Elektroden wird eine elektrische Spannung angelegt, so dass ein elektrischer Strom fließt. Die elektrische Stromstärke bestimmt direkt die pro Sekunde umgesetzten Stoffmengen. Die negative Elektrode wird als Kathode bezeichnet, die positive als Anode. An den Elektroden können neue chemische Substanzen entstehen, und es ebenfalls möglich, dass Elektrodenmaterial in die Lösung übergeht. Um dies zu vermeiden, können Elektroden aus bestimmten Edelmetallen gefertigt werden (z. B. aus Gold oder Platin) oder aus Graphit. Manchmal werden der Anoden- und Kathodenraum durch ein Diaphragma (z. B. ein Harz) voneinander getrennt.
Bei der Wasser-Elektrolyse für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff wird die Leitfähigkeit des Wassers erhöht, indem bestimmte Säuren oder Basen (Laugen) beigegeben werden. (Verbreitet ist die alkalische Wasserelektrolyse nach dem Claude-Prozess.) An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff, der vom Wasserstoff getrennt bleiben muss und ebenfalls genutzt werden kann. Um die Oxidation der Anode zu vermeiden, muss diese beispielsweise aus einem Edelmetall oder aus Nickel gefertigt sein.
Die Energieumwandlung bei der Elektrolyse kann recht energieeffizient erfolgen, d. h. mit einem hohen Wirkungsgrad. Hierfür ist es besonders wichtig, dass die elektrische Spannung kaum höher gewählt wird als physikalisch notwendig. Hohe Stromdichten, wie sie eine hohe Produktionsrate verlangt, und die Bildung von Gasen an den Elektroden erzwingen allerdings häufig eine etwas höhere Spannung. Bei der Wasser-Elektrolyse wird typischerweise ein Wirkungsgrad von etwas über 70 % erreicht, teilweise auch mehr als 80 %.
Bisher spielt die Elektrolyse keine wichtige Rolle in der Energietechnik. Sie könnte in Zukunft im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft an Bedeutung gewinnen. Hier würde Wasserstoff aus elektrischer Energie mittels Elektrolyse gewonnen, und umgekehrt könnte aus Wasserstoff mit Hilfe von Brennstoffzellen auch wieder elektrische Energie erzeugt werden. Große Energiemengen ließen sich z. B. mit Hilfe von Wasserstoff-Pipelines sehr verlustarm über weite Strecken transportieren. Ebenfalls würde Wasserstoff eine verlustarme Energiespeicherung auch über längere Zeiten ermöglichen, was beispielsweise im Zusammenhang mit der Nutzung von stochastisch anfallender erneuerbaren Energien wie Windenergie und Solarenergie interessant wäre. Jedoch treten beträchtliche Energieverluste bei den Umwandlungen auf – bisher mindestens ca. 50 % bei der Umwandlung von Strom zu Wasserstoff und zurück.
Nicht-energetische Anwendungen von Elektrolyse sind heute schon bedeutsam. Hierfür werden in den USA rund 5 % der gesamten Stromerzeugung benötigt – in Europa deutlich weniger.
Siehe auch: elektrische Energie, chemische Energie, Wasserstoff, Wasserstoffwirtschaft