Grundlagen der Wasserspaltung

Inhalt

 

1. Grundlagen

1.1 Kalilauge

1.2 Elektrolysevorgang

1.3 Effektivere Elektrolyse

1.3.1 Mehr Ortho- als Parawasserstoff

1.3.2 Mehr Monoatomarer - als Molekularer Wasserstoff

1.3.3 Wechseln der Spannung an den Polen

1.3.4 Schmalere Abstand zwischen den Platten

1.3.5 Verhindern von Ionenbrücken

1.3.6 Stanley Meyer-Spaltung

2. Gefahrenhinweis

2.1 Knallgasreaktion

2.2 Elektrolyte

3. Knallgas/Brownsgas/HHO wo liegt der Unterschied?

4. Wieviel Energie brauche ich für die Herstellung?

4.1 Die angelegte Spannung im Idealfall

4.2 Die angelegte Spannung gemessen

4.3 Die Strommenge im Idealfall

4.4 Die Strommenge gemessen

4.5 Energiemenge je Liter HHO

5. Zellen Leckstrom messen

 

 

1. Grundlagen

 

Für die Wasserspaltung wird eine Elektrolysezelle benötigt. Ein einfacher Aufbau ist der Hoffmannsche Wasserzersetzungsapparat, der noch meist in Schulen Verwendung findet um die Zerlegung von Wasser durch Strom zu zeigen. Bei diesem wird an der Anode (Pluspol) Sauerstoff, und an der Kathode (Minuspol) Wasserstoff gespalten. Beide Gase sammeln sich im oberen Bereich des Rohres und können dort über einen Hahn entnommen, oder abgebrannt werden. Nachfolgend ein einfache Darstellung der Wasserelektrolyse.

Wasserelektrolyseaufbau
Wasserelektrolyseaufbau

Ein Beschreibung der Wasserspaltung wird im Kapitel 1.2 beschrieben. Da hierbei Kalilauge angenommen wird, finden Sie eine kurze Erklärung dazu im Kap. 1.1. Weitere tiefergehende Details finden Sie in den folgenden Kapiteln 2. bis 6.

 

 

1.1 Kalilauge

 

Wie kommt es dazu, dass sich KOH im Wasser löst und sich dort Ionen bilden?

 

KOH vor dem einfüllen
KOH vor dem einfüllen

Wir betrachten im folgenden Beispiel nur das KOH, und nicht bereits vorhandene OH- oder H-Ionen im Wasser.

 

KOH kommt in Reinform als weißes trockenes Pulver vor. Die Kalium-Ionen sind im rechten Bild noch mit dem OH-Ionen als KOH verbunden und nicht gelöst. Das Wasser wird als blaues Feld mit "H2O" dargestellt.

 

Hier im Beispiel sehen wir 3 KOH-Moleküle, die in das Wasser geschüttet werden.

Fertige Kalilauge
Fertige Kalilauge

Nachdem das KOH in der wässrigen Lösung verteilt ist, wird durch Dissoziation im Wasser das KOH aufgetrennt in einen gleichen Anteil an Kalium- und OH-Ionen.

 

In unserem Fall haben wir nach dem Auflösen des KOH genau 3 Kalium-Ionen (positiv geladen), sowie 3 OH-Ionen (negativ geladen) die in der Lösung vorhanden sind.

 

 

 

1.2 Elektrolysevorgang

 

Der Elektrolysevorgang soll hier an Hand einer Elektrolyse mit einer Kalilauge (KOH gelöst in destilliertem Wasser) beschrieben werden. Die Beschreibung basiert auf Informationen aus dem Buch "Grundlagen der Chemie" von Cuny. Im Buch wird der Vorgang an Hand einer NaOH-Lösung beschrieben, während hier der Vorgang an einer KOH-Lösung erklärt wird. Beide Alkalimetalle haben jeweils nur ein OH-Molekül gebunden.

Grundlagen KOH-Elektrolyse
Grundlagen KOH-Elektrolyse (Angepasste Quelle => Buch: Grundlagen der Chemie von Cuny)

Bei der Elektrolyse einer Kalilauge bewirken somit die vielen zusätzlichen OH-Ionen einen erhöhten Elektronentransport, und damit einer effizienteren Elektrolyse. Je höher der Anteil der Lauge in der Lösung, umso mehr Strom kann fliessen.

 

 

1.3 Effektivere Elektrolyse

 

Bisher haben wir uns den Vorgang der bisher bekannten Elektrolyse angesehen und erklärt. Bei dieser wandern Ionen von einem zum anderen Pol hin und her, und erzeugen an den Polen Gas, Wasser oder Sauerstoff. Wie könnten wir es schaffen, dass mehr Energie in Form von Gas entsteht, als an elektrischer Energie reingesteckt wird? 

 

 

1.3.1 Mehr Ortho- als Parawasserstoff

 

Wie im Kap. 4 in Wasserstoff-Grundlagen beschrieben, entsteht bei der Elektrolyse, je nach Temperatur in der Zelle und den verwendeten Materialien, ein erhöhter Ortho-Wasserstoffanteil. Wenn wir es schaffen diesen energiereicheren Wasserstoff zu verbrennen, sollte mehr Energie freigesetzt werden als beim verbrennen von Para-Wasserstoff.

 

Um das zu prüfen, könnte ein Heizaufbau wie im Kapitel 2. in Heizen mit Knallgas beschrieben helfen. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass das erzeugte HHO mit möglichst wenig Metall in Berührung kommt bevor es verbrannt wird, um den Orthoanteil hoch zu halten.

 

Zuerst wird das entstandene HHO über einen Brenner verbrannt und die Energie bestimmt. Danach wir vor dem Brenner eine lange Edelstahlspirale verbaut, damit das HHO möglichst viel mit Metall in Berührung kommt um so einen hohen Parawasserstoffanteil zu erhalten. Wenn das Gas dann verbrannt wird, müsste die Energiemenge geringer  als vorher mit hohen Orthoanteil.

 

 

1.3.2 Mehr Monoatomarer - als Molekularer Wasserstoff

 

Wie im Kap. 2 in Wasserstoff-Grundlagen beschrieben, entsteht bei der Elektrolyse zuerst Monoatomarer Wasserstoff. Da dieser sehr schnell einen Bindungspartner sucht, bildet sich sehr schnell Molekularer Wasserstoff H2.  Wenn wir es schaffen kurz vor einem Brenner wieder mehr Monoatomaren energiereicheren Wasserstoff zu erzeugen, sollte mehr Energie beim verbrennen freigesetzt werden als beim verbrennen von Molekularen Wasserstoff.

 

Um das zu prüfen, könnte ein Heizaufbau wie im Kapitel 2. in Heizen mit Knallgas beschrieben helfen. Zuerst wird das entstandene HHO über einen Brenner verbrannt und die Energie bestimmt. Danach wird in einem 2. Schritt vor dem Brenner eine UV-Lampe oder eine HV-Kammer angebracht, durch die der Anteil an Monoatomaren Wasserstoff wieder erhöht wird.

 

 

1.3.3 Wechseln der Spannung an den Polen

 

Bei der Normalen Elektrolyse müssen die Ionen immer von einem Pol zum anderen wandern, um für einen Elektronenaustausch zu sorgen. Beim Transport von einer zur anderen Seite geht Energie verloren.

 

Wenn wir keine Gleichspannung an den Platten anlegen, sondern eine Wechselspannung, müssten die Ionen nicht mehr von einer zur anderen Platte wandern, sondern würden sich direkt nach dem Molekularen ersten Prozess kurz von der Platte lösen, um danach OHNE den langen Weg durch die Lösung, wieder an der gleichen Platte zu reagieren. Das würde bedeuten, dass an jeder Platte abwechselnd Sauer- und Wasserstoff entsteht.

 

Das ganze könnte noch effektiver sein, wenn die Frequenz der angelegten Wechselspannung angepasst wird. So wäre es möglich, genau die Frequenz zu ermitteln, bei der der chemische Prozess der Ionen- und Gasentstehung am effektivsten abläuft.

 

Möglich wäre so ein Versuch, indem ein Frequenzgenerator mit Wechselspannung verwendet wird, an dem ein passender Verstärker angeschlossen ist. Das Verstärkersignal muss so Spannungsstabil sein, das es nicht beim anschließen einer einfachen 2-Plattenanordnung zusammenbricht. Weiterhin sollte der Verstärker über ein breites Frequenzspektrum weg, eine hohe Frequenzstabilität haben.

 

Alternativ könnte auch eine erster Versuch mit einem Wechselspannungsnetzteil durchgeführt werden, das lediglich mit der Netzfrequenz arbeitet.

 

 

1.3.4 Schmalere Abstand zwischen den Platten

 

Ein andere Methode, den entstandenen Ionen ihren Weg zu erleichtern, wäre eine Verringerung des Abstandes zwischen den Platten. Je schmaler der Abstand, umso einfacher können die Ionen von einer zur anderen Seite wandern.

 

 

1.3.5 Verhindern von Ionenbrücken

 

Bei einer herkömmlichen Elektrolysezelle kann es an bestimmten Plattenstellen, wie Löchern in den Platten, zu der Bildung einer Ionenstrecke kommen, wenn Gleichspannung angelegt ist.

 

Bei einer Ionenstrecke entsteht eine Art Kanal in der Lösung, über den ein erhöhter Stromfluss stattfindet. Dadurch steigen die Verluste der ganzen Zelle.

 

Um das zu verhindern hat sich bautechnisch ein Gummiring bewährt, der in diese Löcher eingeführt wird und den Lochrand isoliert.

 

Eine Ionenstrecke kann auch anders verhindert werden. Durch wechseln der Plattenpolung oder zeitweise abschalten der Spannung, bricht diese Ionenstrecke immer wieder zusammen. Diejenigen unter Ihnen die sich auch mit der Herstellung von kolloidalem Silber bschäftigen, kennen dies Problem. Hier wird auch versucht diese Ionenstrecke zu verhindern, indem ein Polwechsel in der Elektronik mit eingebaut wird.

 

 

1.3.6 Stanley Meyer-Spaltung

 

Das es auch ohne Elektrolyse im herkömmlichen Sinn mit Ionenaustausch geht zeigt die Wasserspaltung nach Stanley Meyer. Hier kommt es darauf an, das die Wassermoleküle durch Spannungspulse in Richtung Platten ausgerichtet, und danach auseinandergerissen werden. Bei dieser Art der Spaltung nutzt man  die Tatsache dass Wassermoleküle Dipole sind, und durch hohe elektrische Feldstärke ausgerichtet werden können.

 

Die Metallrohre die im Wasser sind, sollen im Gegensatz zur normalen Elektrolyse, möglichst keinen Strom leiten und eine Sperrschicht aufweisen. Ravi beschreibt diese Beschichtung der Rohre als  "Konditionieren"

 

Mehr zur Stanley Meyer-Spaltung unter: Stanley Meyer

 

 

2. Gefahrenhinweis

 

Was gibt es bei der Elektrolyse, und dem Umgang mit Laugen und Knallgas zu beachten? Mehr in diesem Kapitel.

 

 

2.1 Knallgasreaktion

 

Die Knallgasreaktion ist eine detonationsartig und exotherm ablaufende Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff. Sie verläuft mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2820m/s, das entspricht der 8,2-fachen Schallgeschwindigkeit.

 

Ein kleiner Vergleich hierzu:

  • Benzin verbrennt mit etwa 30 m/s.
  • Eine Gewehrkugel erreicht etwa 700 m/s - 1m nach Verlassen des
    Gewehrlaufes. Somit ist Knallgas 4x schneller als eine Gewehrkugel.

 

Deswegen ist Vorsicht geboten beim Bau von Elektrolyt-Zellen, Tanks und
Bubblern. Zur Sicherheit sollten im Aufbau ein Überdruckventil vorhanden sein, das bei Überdruck (>2 Bar) öffnet.

 

Der Umgang mit Knallgas erfordert ein hohes Maß an Sicherheit! Ein Gehörschutz, Schutzbrille, Schutzabschirmung (Makrolonplatte o.ä.) vor der Kammer und gute Lüftung des Raumes indem experimentiert wird, gehört dazu.

 

 

2.2 Elektrolyte

 

Als Elektrolyt wird meist KOH (Kaliumhydroxid) oder auch NaOH (Natriumhydroxid) verwendet. Sobald das Hydroxid in eine wässrige Läsung kommt, wird es im Wasser gelöst und bildet eine Lauge. Bei der Verwendung von KOH entsteht eine Kalilauge, und bei NaOH eine Natronlauge.

 

Die Konzentration der Lösung liegt bei ca 3%-28% Hydroxid-Anteil.

 

Bei einer Zelle, die mit Edelstahlplatten aufgebaut wurde, können durch das Elektrolyt aus dem Plattenmaterial sogenannte Chromate ausgelöst werden.

 

Beim Umgang mit der Elektrolytlösung ist zum einen wegen möglicher Chromate, und zum anderen wegen der Ätzwirkung vorsichtig geboten!

 

 

3. Knallgas / Brownsgas / HHO, wo liegt der Unterschied?

 

Es wird in der Literatur und im Internet erwähnt, dass Brownsgas / HHO ein anderes Gemisch ist, als das normale Knallgas. Bei meinen eigenen Versuchen konnte ich "bisher"  keinen Unterschied feststellen oder messen, da mir genauere Meßgeräte und Analysegeräte fehlen.

 

Eigene Versuche haben gezeigt, dass das Gas aus einer Elektrolysezelle wie z.B. einer Trockenzelle (Drycell) die gleichen Reaktionen beim verbrennen zeigt, wie das Gas eines geliehenen Brownsgasgenerators. Bei beiden Gassorten konnte Stein mit Metall miteinander verschmolzen werden. Ebenso läßt sich Titan und andere Materialien mit beiden Gassorten genauso gut durchschmelzen.

 

Brownsgas und Brownsgasanlage

 

Wichtige Faktoren einer Brownsgasanlage und vom Brownsgas soll der höhere Energiegehalt des Gases sein, weil es aus einem größeren Anteil monoatomaren Wasser- und Sauerstoff bestehen soll. In den sehr guten Büchern Brownsgas-1 und -2 von Eagle-Research (auf Deutsch zu kaufen bei Brown's-Gas.de) werden folgende Faktoren genannt die eine "normale" von einer Brownsgaszelle und BG-Produktion unterscheiden:

 

  • Die Zelle bleibt wesentlich kälter (ca 20°C) als eine Trockenzelle die sich bis auf 60-80°C erhitzt.
  • Die erzeugte Gasmenge ist doppelt so hoch, da die monoatomaren Gase mehr Raum benötigen, als molekulare Gase (Stichwort Molberechnung Gase)
  • Die Strommenge die zur Herstellung des Gases benötigt wird ist wesentlich geringer, da keine Energie in Form von Wärme durch Endotherme Ionenreaktionen in der Lauge/Säure entstehen.
  • Die Spannung/Zelle soll sehr gering sein (ca 0,9V-1V)
  • Der Strom sollte möglichst hoch sein, bei geringer Spannung.
  • Ideale Plattenabstand soll bei >3mm liegen.
  • Es sollte deionisiertes Wasser verwendet werden.

 

Was ist dann normales Knallgas?

 

Im Gegensatz zu HHO oder Brownsgas wird Knallgas aus Wasserstoff- und Sauerstoffflaschen gemischt, oder es wird ein Wasserstoff-/Luftgemisch als Knallgas bezeichnet.

 

Wie geht es weiter?

 

Interessant wäre es zu erforschen, ob sich im Behälter aus atomarem Knallgas, molares Knallgas H2 und O2 bildet. Dies dürfte weniger Detonationskraft haben. Das wäre dann auch der entscheidende Unterschied - atomares einatomiges Knallgas versus molarem Knallgas - welches sich untereinander wieder verbunden und Moleküle gebildet hat.

 

Weiterhin sollte beim Zellenbau und Betrieb auf die oben genannten Faktoren einer Brownsgaszelle geachtet werden. Wenn einige Faktoren davon, wie weniger Wärmeentwicklung, weniger Energieverbrauch oder höhere Gasproduktion eintreten, haben wir die benötigte effektive Zelle für weitere Experimente.

 

Welche unterschiedlichen Wasserspaltungskammern es gibt, wird hier im Unterbereich Zellentypen näher beschrieben.

 

 

4. Wieviel Energie brauche ich für die Herstellung?

 

Wieviel HHO bei welchem Strom hergestellt wird, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, unter anderem sind Dies:

 

  • Leitfähigkeit der Lösung
  • Anschliff der Platten
  • Material der Platten
  • Plattenfläche
  • Plattenabstand
  • Druck in der Zelle
  • Temperatur der Zelle und der Lösung

 

Als grober Richtwert aus Versuchen kann ein Wert von ca. 220W - 110W/LPM angenommen werden.

 

Dabei ist darauf zu achten das bei direktem W/LPM-Vergleich von Zellen, der Druck und die Temperatur der verglichenen Zellen gleich sein sollten.

 

Bevor auf die Energiemenge (V/A) im Kapitel 4.5 je Zelle eingehen, ein paar paar dieser wichtigen Faktoren und Grundlagen hierzu.

 

Hinweis: Auf der folgenden Unterseite, wird auf die meist verwendeten Einheiten eingegangen: Maßeinheiten Elektrolyse

 

 

4.1 Die angelegte Spannung im Idealfall

 

Um Wasser in seine Bestandteile zu zersetzen, wird eine bestimmte Spannung je Zelle benötigt. Diese liegt theoretisch zwischen 0,4V und 1,23V.

 

Die Werte sind:

Alkalischen Lösung (z.B. Wasser mit KOH)  => 0,4V

Neutrale Lösung (pH-Neutrales Wasser) => 0,8V

Saure Lösung (z.B. Wasser mit Säure) => 1,23V

 

Diese Werte sind Werte, die für zwei Elektroden gelten die in einem Versuchsaufbau wie einem Reagenzglas stehen. Da neben der reinen Zersetzungspannung noch andere Verluste auftreten können, die die Spannung je Zelle erhöhen, sind die oberen Spannungsangaben Idealwerte. In der Praxis hat sich die Annahme mit 2V/Kammer bestätigt.

 

 

4.2 Die angelegte Spannung gemessen

 

Ich betreibe meine Zellen meist mit einer KOH-Lösung mit ca. 3-8% KOH in destilliertem Wasser. Die anlegte Spannung liegt hier bei ca. 2V/Kammer (Zelle), auch wenn diese theoretisch bei 0,4-1,2V liegen sollte.

 

 

4.3 Die Strommenge im Idealfall

 

Im Idealfall werden für die Herstellung von 1g Wasserstoff 96485 As benötigt. Bei einem Ampere Stromfluss dauert die Bildung von 11,2 Litern Wasserstoff 26 Stunden und 48 Minuten.

 

Da die meisten Trockenzellen mit mehr als 1 Ampere, und mit mehreren Kammern arbeiten, kann die Zeit auch verkürzt werden.

 

 

4.4 Die Strommenge gemessen

 

Neben der Spannung hängt auch die benötigte Strommenge von vielen Faktoren einer Zelle ab:

 

  • Verwendete Dichtungsmaterial
  • Anschliff der Platten
  • Material der Platten
  • Elektrolysefläche je Platte

Daher kann der benötigte Strom hier stark abweichen. Bei meiner Zelle liegt er bei einer reaktiven Fläche von 300x150mm bei ca. 24A, je nach KOH-Gehalt.

 

 

4.5 Energiemenge je Liter HHO.

 

In einer idealen Zelle brauchen wir theoretisch für die Herstellung von 11,2 Litern Wasserstoff (ca. 16,8 Liter HHO):

 

Annahme 1,2V/Zelle:

1,2V x 96485 As = 115782 Ws =  32,16 Wh

 

Bei 1 Liter HHO wären es umgerechnet 32,16 Wh/16,8Liter = 1,91 Wh

 

Meine MiTHO-Zelle V01 hatte eine Leistung von 222W/LPM und lieferte 3,5 LPM. Um einen Vergleich zu den oberen Werten zu erhalten müssen wir die Sekunden zur Herstellung eines Liters HHO ausrechnen, und danach die Ws:

 

Sekunden für 1 Liter HHO = 60 Sekunden / 3,5 LPM = 17,14 Sekunden

 

Bei einem Liter HHO wären es somit 222 W * 17,14 Sek. = 3805 Ws = 1,05 Wh

 

Ab wann wäre eine Elektrolyse theoretisch so effektiv, das sie mehr Energie in Form von HHO herstellt, als an eingehenden Strom für die Elektrolyse benötigt wird? Lesen Sie dazu einen Ansatz unter

 

Heizen mit Knallgas Kapitel 2. Versuch - Strom versus Knallgas

 

 

5. Zellen Leckstrom messen

 

Um sicherzugehen dass kein Leckstrom fliesst, sollte an die Zelle vor dem ersten Befüllen mit einer Lösung die gleiche Spannung angelegt werden, wie später im befüllten Zustand (also ca 2V/Zelle)

 

Messen sie nun mit dem Amperemeter (z.B. Digitalmessgerät) den Strom. Es sollte kein Strom fliessen. Falls dies doch der Fall ist, kann es sein dass der Stromfluss zustande kommt durch:

 

  • Stromfluss zwischen Platten (Kurzschluss)
  • Dichtungsmaterial leitet Strom
  • Stromfluss über Gewindestangen (Kurzschluss)

 

Sie können danach mit einem Spannungsmesser prüfen, ob und wo Spannungen an den Platten anliegen. Im Idealfall sollten Sie nur eine Spannung an den am Stromkreislauf angeschlossenen Platten messen können. Wenn Sie an den anderen nicht angeschlossenen Platten eine Spannung messen können, leitet ihr Dichtungsmaterial, und Sie werden hier später im Betrieb Verluste haben.

 

Wenn der Wert zwischen zwei Platten wesentlich niedriger ist (Spannungsabfall) als bei den anderen Platten, berühren sich die Platten wahrscheinlich und sie sollten die Zelle zerlegen und dies nachprüfen. Möglich sind auch Metallreste zwischen den Platten die hier für einen Stromfluss sorgen können.