Solare Elektrolyse für Dummies

Elektrolyse: Wasserstoffgewinnung aus Wasser: Die Basis für eine Solar-Wasserstoff-Wirtschaft

Solare Elektrolyse für Dummies

Dieses Projekt beinhaltet ein faszinierendes Experiment in der Elektrochemie, das mehrere wichtige energiebezogene Prozesse veranschaulicht und einen idealen Kontext für die Diskussion verschiedener Probleme im Zusammenhang mit der Stromerzeugung bietet.

Einführung in die Elektrolyse: Wasserstoff aus Wasser

Wie im folgenden Abschnitt erörtert, ist es möglich, Wasserstoff als Brennstoff zu verwenden, dh als Energiespeicher für Tage, an denen die Sonne nicht scheint, oder nachts oder für angetriebene mobile Geräte wie Autos .

Der Prozess, durch den wir Wasserstoff (und Sauerstoff) aus Wasser erzeugen, wird genannt Elektrolyse. Das Wort "Lyse" bedeutet, sich aufzulösen oder auseinander zu brechen, daher bedeutet das Wort "Elektrolyse" wörtlich, etwas (Wasser) durch Elektrizität zu zerbrechen. Die Elektrolyse ist sehr einfach - Sie müssen nur dafür sorgen, dass etwas Wasser zwischen den Elektroden im Wasser fließt, wie in der Abbildung oben gezeigt. So einfach ist das! Das Prinzip der Elektrolyse wurde erstmals von Michael Faraday 1820 formuliert.

Wenn der für die Elektrolyse verwendete Strom aus fossilen Brennstoffen erzeugt wird, würde Kohlendioxid zur Unterstützung unseres Elektrolyseprozesses emittiert werden, und der Vorteil der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff würde verloren gehen. Aber wenn der Strom von produziert wird Solarzellen Wie wir im obigen Diagramm sehen, werden durch unseren Prozess keine Schadstoffe freigesetzt.

Materialien, die Sie brauchen

  • Eine Batterie oder ein Solarpanel mit einer Spannung von mehr als 1,5 Volt - 9 Volt Batterien funktionieren gut.
  • Zwei Stücke Elektrodraht etwa einen Fuß lang. Es ist bequem, aber nicht notwendig, wenn der Draht Krokodilklemmen an jedem Ende hat.
  • Zwei Nummer 2 Bleistifte
  • Ein Glas voll Leitungswasser
  • kleines Stück Pappe
  • Elektro- oder Klebeband.

Werkzeuge, die Sie brauchen

  • Anspitzer (ein Exacto-Messer reicht aus, wenn ein Anspitzer nicht verfügbar ist)
  • Abisolierzange oder Schere, wenn die Drähte isoliert sind.

Verfahren

  1. Entferne die Radiergummis und ihre Metallhülsen von beiden Stiften und schärfe beide Enden beider Stifte.
  2. Füllen Sie das Glas mit warmem Wasser.
  3. Befestigen Sie die Drähte an den Elektroden der Solarzelle oder Batterie, und die anderen Enden an den Spitzen der Stifte, wie in der Abbildung oben gezeigt. Es ist wichtig, guten Kontakt mit dem Graphit in den Stiften zu haben. Sichern Sie die Drähte mit Klebeband.
  4. Stanzen Sie kleine Löcher in den Karton und drücken Sie die Stifte durch die Löcher, wie im obigen Diagramm gezeigt.
  5. Legen Sie die freiliegenden Spitzen der Stifte in das Wasser, so dass die Spitzen vollständig untergetaucht sind, aber den Boden nicht berühren, und passen Sie die Pappe an, um die Stifte zu halten.
  6. Warten Sie eine Minute oder so: Kleine Bläschen sollten sich bald auf den Spitzen der Stifte bilden. Wasserstoffblasen bilden sich an einer Spitze (verbunden mit dem negativen Batterieanschluss - der Kathode) und Sauerstoff von der anderen.

Spezifische Dinge, auf die Sie hinweisen können:

  • Es ist sehr wichtig anzumerken, dass die Elektrolyse nicht intrinsisch von der Erzeugung von Wärme abhängt (obwohl einige zum Beispiel aus der Turbulenz erzeugt werden können, die durch die Gasbläschen in der Flüssigkeit erzeugt wird). Daher unterliegt es nicht einem grundlegend thermodynamische Effizienzbegrenzung, die dann gegeben wäre, wenn ein fester Anteil der eingesetzten Energie in Wärme umgewandelt würde (da Wärmeerzeugung Entropie erzeugt). Daher kann (und wird) die Elektrolyse bei sehr hohen Wirkungsgraden nahe 100% durchgeführt werden.
  • Wenn Sie eine Batterie verwenden, besteht die Möglichkeit, dass die Batterie mit Strom aus fossilen Brennstoffen geladen wurde, so dass der Wasserstoff, den Sie produzieren, nicht sauber produziert wird. Wenn Sie jedoch eine Solarzelle verwenden, wird der Wasserstoff sauber produziert, mit Ausnahme der Schadstoffe, die beim Bau der Zelle emittiert wurden (wir sagen, dass die Solarzelle keine "Point-of-Use" -Emissionen hat).
  • Wenn Sie eine Batterie oder ein Solarpanel verwenden, das weniger als 1,5 Volt erzeugt, müssen Sie einen hinzufügen Elektrolyt, B. ein Salz, eine Säure oder eine Base, die sich in geladene Ionen dissoziieren und den Stromfluss erhöhen.
  • Wir verwenden Bleistifte als Elektroden, weil der Kohlenstoff (in Form von Graphit), aus dem sie bestehen, sich unter dem Einfluss des Elektronenstroms nicht im Wasser löst - der Kohlenstoff ist elektrisch neutral.
  • Wenn die Elektroden aus Metall bestehen und wenn ein anderes Metall in dem Wasser gelöst ist, wird die Metallelektrode mit dem gelösten Metall plattiert. Dieser Prozess wird aufgerufen Galvanisieren und wird in der Industrie zur Herstellung von Aluminium und auch zum Beschichten von Gegenständen mit Gold oder Silber verwendet.

Fortgeschrittene Experimente

Fortgeschrittene Studenten möchten vielleicht die Effizienz des Elektrolyseprojekts studieren. Dies kann unter sorgfältiger Überwachung (da Sie Wasserstoff sammeln) folgendermaßen geschehen:

  1. Machen Sie zuerst die folgenden Messungen sorgfältig und gleichzeitig :
    • Sammle den produzierten Wasserstoff mit einem Reagenzglas: Das Teströhrchen sollte anfänglich mit Wasser gefüllt (durch Eintauchen) und über der negativen Elektrode positioniert werden, wobei das offene Ende untergetaucht und das geschlossene Ende nach oben zeigen sollte (so dass das Röhrchen zu Beginn des Experiments vollständig mit Wasser gefüllt ist). Führen Sie das Experiment durch, bis der Wasserstand im Reagenzglas mit dem Wasserspiegel übereinstimmt. An diesem Punkt wird der Druck des Wasserstoffs dem Umgebungsdruck entsprechen. Stoppen Sie das Experiment, wenn dieses Level erreicht ist.
    • Messen Sie den Strom ich in Amps: Führen Sie dazu ein Amperemeter in den Elektrolyse-Kreislauf ein - lassen Sie jemanden das Messgerät während des Experiments lesen, um eine gute Vorstellung von der durchschnittlichen Stromstärke zu erhalten. Stellen Sie sicher, dass Sie das Ergebnis in Ampere ausdrücken, was eine Umwandlung von Milliampere erfordern kann.
    • Zeit das gesamte Experiment mit einer Stoppuhr in Sekunden. (Dies kann eine große Zahl sein).
    • Messen Sie die Umgebungstemperatur (Raum) in Grad Celsius.
  2. Berechnen Sie die Menge an Wasserstoff, die bei Umgebungsdruck in Kubikmetern erzeugt wird: Messen Sie die Abmessungen des Reagenzglases und die Länge des Röhrchens über Wasser. Stellen Sie sicher, dass Ihre Antwort in Kubikmetern ausgedrückt wird. Wenn Sie beispielsweise das Volumen in Kubikzentimetern berechnen, teilen Sie Ihre Antwort mit 1 Million.
  3. Berechnen Sie nun das theoretische (maximale) Volumen des produzierten Wasserstoffs, auch in Kubikmetern, aus den anderen Daten für die Strömung und die Zeit, indem Sie das "Erste Gesetz von Faraday" verwenden: V theoretisch = (R ich T t) / (F p z), mit R = 8,314 Joule / (Mol Kelvin), ich = Strom in Ampere, T ist die Temperatur in Kelvin (273 + Celsius Temperatur), t = Zeit in Sekunden, F = Faradaysche Konstante = 96485 Coulomb pro Mol, p = Umgebungsdruck = etwa 1 x 10 5 Pascal (ein Pascal = 1 Joule / Meter 3 ), z = Anzahl der "überschüssigen" Elektronen = 2 (für Wasserstoff, H 2 ), 4 (wenn Sie stattdessen die Sauerstoffproduktion messen).
  4. Berechnen Sie schließlich die Effizienz, indem Sie das produzierte Volumen mit dem theoretischen Maximalvolumen vergleichen: Wirkungsgrad (in%) = 100 x V produziert / V theoretisch .
  5. Diskutieren Sie mögliche Ursachen für Ineffizienzen / Fehler, wie z
    • Versäumnis, den gesamten Wasserstoff aufzunehmen
    • Energieverlust durch Hitze
    • Verschiedene Messfehler

Wie funktioniert es?

Solare Elektrolyse für Dummies 1

Die chemische Gleichung für die Elektrolyse ist:

Energie (Elektrizität) + 2 H 2 O -> O 2 + 2 H 2 .

An der Kathode (der negativen Elektrode) entsteht eine negative Ladung, die von der Batterie erzeugt wird. Dies bedeutet, dass an diesem Ende ein elektrischer Druck vorhanden ist, um Elektronen in das Wasser zu drücken. An der Anode (der positiven Elektrode) liegt eine positive Ladung, so dass die Elektrode gerne Elektronen absorbieren würde. Aber das Wasser ist kein sehr guter Leiter. Statt dessen werden Wassermoleküle in der Nähe der Kathode in ein positiv geladenes Wasserstoffion aufgespalten, das als H symbolisiert wird + im obigen Diagramm (das ist nur das Wasserstoffatom ohne sein Elektron, d. h. der Kern des Wasserstoffatoms, der nur ein einzelnes Proton ist) und ein negativ geladenes "Hydroxid" -Ion, symbolisiert OH - :

H 2 O -> H + + OH - .

Sie hätten erwartet, dass H 2 O würde stattdessen in ein H und ein OH aufbrechen (die gleichen Atome, aber mit neutralen Ladungen), aber dies geschieht nicht, weil das Sauerstoffatom das Elektron aus dem H - it stärker anzieht stiehlt es (wir sagen, das Sauerstoffatom ist "elektronegativer" als Wasserstoff). Dieser Diebstahl ermöglicht, dass das resultierende Hydroxidion eine vollständig gefüllte äußere Hülle hat, die es stabiler macht.

Aber der H + , das nur ein nacktes Proton ist, kann jetzt ein Elektron aufnehmen (symbolisiert e - ) von der Kathode, die sich bemüht, Elektronen abzugeben, und ein reguläres, neutrales Wasserstoffatom wird:

H + + e - -> H

Dieses Wasserstoffatom trifft auf ein anderes Wasserstoffatom und bildet ein Wasserstoffgasmolekül:

H + H -> H 2 ,

und dieses Molekül sprudelt an die Oberfläche, und wa-la! Wir haben Wasserstoffgas!

Unterdessen hat die positive Anode das negativ geladene Hydroxidion (OH verursacht - ) über den Behälter zur Anode zu gelangen. Wenn es zur Anode kommt, entfernt die Anode das zusätzliche Elektron, das das Hydroxid zuvor vom Wasserstoffatom gestohlen hat, und das Hydroxidion rekombiniert dann mit drei anderen Hydroxidmolekülen zu 1 Molekül Sauerstoff und 2 Molekülen Wasser:

4 OH - _ > O 2 + 2 H 2 O + 4e -

Das Sauerstoffmolekül ist sehr stabil und sprudelt an die Oberfläche.

Auf diese Weise entsteht ein geschlossener Kreislauf mit negativ geladenen Teilchen - Elektronen im Draht, Hydroxidionen im Wasser. Die von der Batterie abgegebene Energie wird durch die Produktion von Wasserstoff gespeichert.

Diskussion: Wasserstoff als Brennstoff für Wärme oder Strom

Wasser ist vielleicht die wichtigste Substanz für das Leben auf der Erde. Es ist eine einfache Verbindung, die aus den zwei Elementen Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) besteht, und jedes Molekül Wasser besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. So schreiben wir die chemische Formel für Wasser als "H 2 O".

Wasserstoff selbst ist auch ein sehr wichtiges Element im Universum. Zum Beispiel ist es der Brennstoff für die Sonne, die Energie durch Fusion (Kombination) von Wasserstoffatomen zu einem Helium in einer Prozessaufruf-Kernfusion erzeugt. Weil es aus Wasser gewonnen werden kann, wie dieses Projekt zeigt, nennt der Deutsche Wasserstoff "wasserstoff", was wörtlich "Wasserkram" bedeutet.

Angenommen, Sie haben gerade etwas reines Wasserstoffgas in einem Behälter. Das Wasserstoffgas besteht aus H 2 Moleküle, die in einem Behälter herumfliegen (Wasserstoffatome verbinden sich gerne zu H 2 Moleküle). Wenn dort auch Sauerstoffgas ist (O 2 ), und es gibt immer viel Sauerstoff in der Luft (Luft besteht aus ungefähr 20% Sauerstoff), dann kann der Sauerstoff heftig mit dem Wasserstoffgas reagieren, so dass der Wasserstoff brennt, oder verbrennt, mit dem Sauerstoff, um Wasser und Wärme entsprechend der chemischen Reaktion zu bilden

2H 2 + O 2 -> 2 h 2 O + Energie (Wärme).

Wenn Sie also etwas Wasserstoff haben, können Sie ihn verbrennen, um Wärme zu erzeugen!

Die Erzeugung von Wärme ist jedoch nicht immer das Beste, weil Entropie, das kann als molekular gedacht werden Störung , wird erzeugt, wenn Wärme erzeugt wird, und das kann die Effizienz von Geräten begrenzen, die diese Wärmeenergie nutzen, um nützliche Arbeit zu verrichten (Weitere Informationen zur Entropie finden Sie im Abschnitt über Entropie in unserem Energiephysik-Primer). Glücklicherweise gibt es ein Gerät namens a Brennstoffzelle , die chemisch Wasserstoff mit Sauerstoff kombinieren können, um Elektrizität zu machen. Nachdem Sie dieses Projekt abgeschlossen haben, möchten Sie vielleicht auch unser Projekt auf Brennstoffzellen erforschen .

Brennstoffzellen können auch erreichen, was dieses Projekt zeigt - die Elektrolyse - die aus Wasser Wasserstoff erzeugt.

Kohlenstoffbasierte Brennstoffe

Beachten Sie aus der obigen Gleichung, dass brennender Wasserstoff im Gegensatz zum Verbrennen fossiler (kohlenstoffbasierter) Brennstoffe wie Kohle keine Nebenprodukte außer Wasser produziert, was umweltfreundlich ist. Wasserstoff brennt sauber!

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe führt dagegen immer zu Kohlenmonoxid (CO) und / oder Kohlendioxid (CO 2 ), die entsteht, wenn sich die Kohlenstoffatome mit Sauerstoff verbinden. Diese Verbindungen werden nun als Schadstoffe angesehen, da sie Treibhausgase sind - das heißt, sie helfen dabei, Wärme in der Nähe der Erdoberfläche einzufangen, wodurch die Oberflächentemperatur der Erde ansteigt, d.h. Erderwärmung .

Beim Verbrennen von fossilen Brennstoffen wie Kohle werden in der Regel auch andere Schadstoffe wie Schwefeldioxid, Quecksilber und Uran an die Atmosphäre abgegeben, da diese Stoffe in fossilen Brennstoffen in unterschiedlichem Maße vorhanden sind. Aber wenn wir Wasserstoff ohne Treibhausgase oder diese anderen Schadstoffe gewinnen können, dann ist Wasserstoff ein besserer Brennstoff als fossile Brennstoffe. Viele Leute sind jetzt hoffnungsvoll, dass ein " Wasserstoff-Wirtschaft "Wird bald unsere fossile Wirtschaft ersetzen.

Hindernisse für eine Wasserstoffwirtschaft

Einer Wasserstoffwirtschaft stehen zwei Hindernisse entgegen.

  • Es braucht viel Volumen (oder Energie), um Wasserstoff zu speichern - in der Regel fünf Mal oder so das Volumen, bei vernünftigen Drücken benötigt, um eine äquivalente Menge an Energie mit Benzin zu speichern. Ein Unternehmen, das dieses Problem jedoch gelöst hat, ist Dynetek (www.dyneteck.com).
  • Es gibt keine Wasserstoffinfrastruktur: Der Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft könnte bedeuten, dass wir die bereits von uns entwickelte Infrastruktur für fossile Brennstoffe verschrotten müssen. Ein Unternehmen, das Fortschritte bei der Betankung gemacht hat, ist Stuart Energy (www.stuartenergy.com).

Diese beiden Probleme können durch Verwendung überwunden werden synthetische Kraftstoffe . Zum Beispiel ist es möglich, unter Verwendung eines Katalysators Wasser, Kohlendioxid (extrahiert aus der Luft) und erneuerbare Elektrizität zu kombinieren, um Kraftstoffe wie Methanol, einen kohlenstoffbasierten Kraftstoff, herzustellen. Wenn dieser Brennstoff verbrannt wird, werden Wasser und Kohlendioxid erzeugt. Da jedoch das Kohlendioxid, das anfänglich zur Herstellung des Brennstoffs verwendet wurde, aus der Luft extrahiert wurde, ist der Kreislauf sowohl in Bezug auf Wasser als auch in Bezug auf Kohlendioxid geschlossen und wird somit kein überschüssiges Kohlendioxid in die Atmosphäre beitragen. Brennstoffzellen können solche Brennstoffe bereits verwenden (entweder durch Extrahieren des Wasserstoffs aus dem Brennstoff vor der Brennstoffzelle oder sogar direkt in bestimmten Arten von Brennstoffzellen).

Ist Wasserstoff gefährlich?

Manche Menschen befürchten, dass Wasserstoff zu gefährlich sein könnte. Es ist richtig, dass Wasserstoff ein sehr explosiver Brennstoff ist, aber auch Erdgas und Benzin. Zum Beispiel zeigen Filme gewöhnlich Autos, die nach einem Unfall abbrennen, und Explosionen, die Erdgas mit sich bringen, werden von Zeit zu Zeit in der Presse berichtet. Zwei berühmte Katastrophen mit Wasserstoff sind die Explosion eines Zeppelins (eines Luftschiffes) namens Hindenburg (1937) und die Explosion des Space Shuttle Challenger (1986). Vielleicht möchten Sie diese Katastrophen als ein Klassenprojekt studieren. Die Hindenburg-Explosion, die oft als Beispiel für die Gefahr von Wasserstoff angeführt wird, wird von vielen als entflammbare Farbe angesehen, die von einem elektrischen Funken entzündet wurde und so Feuer fangen könnte, selbst wenn der Zeppelin mit Helium gefüllt war (ein inertes, nicht brennbares Gas). Darüber hinaus haben die meisten der Verstorbenen möglicherweise mit brennendem Diesel (der die Flugzeugtriebwerke der Hindenburg antrieb) oder mit dem Sprung des Zeppelins vor der Landung in Berührung gekommen.

(c) http://www.nmsea.org/Curriculum/7_12/Elektrolyse/Elektrolyse.htm

Loading ..

Recent Posts

Loading ..