Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser – Technologie und Ausrüstung

Die Elektrolyse von Wasser ist ein physikalisch-chemischer Prozess, bei dem Wasser unter dem Einfluss von elektrischem Gleichstrom in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird. Die Gleichspannung für die Zelle wird in der Regel durch Gleichrichtung von dreiphasigem Wechselstrom gewonnen. In einer Elektrolysezelle wird destilliertes Wasser einer Elektrolyse unterzogen, wobei die chemische Reaktion nach dem folgenden bekannten Schema abläuft: 2H2O + Energie -> 2H2 + O2.

Durch die Aufteilung von Wassermolekülen in Teile entsteht Wasserstoff, der volumenmäßig doppelt so groß ist wie Sauerstoff. Die Gase in der Anlage werden vor der Verwendung entwässert und gekühlt. Die Auslassleitungen des Gerätes sind stets mit Rückschlagventilen geschützt, um Bränden vorzubeugen.

Die Struktur selbst besteht aus Stahlrohren und dicken Stahlblechen, was der gesamten Struktur eine hohe Steifigkeit und mechanische Festigkeit verleiht. Gastanks müssen einer Druckprüfung unterzogen werden.

Die elektronische Einheit des Geräts steuert alle Phasen des Produktionsprozesses und ermöglicht dem Bediener die Überwachung der Parameter des Panels und der Manometer, was die Sicherheit gewährleistet. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse ist so hoch, dass aus 500 ml Wasser etwa 500 Kubikmeter beider Gase gewonnen werden, was etwa 4 kW/h elektrischer Energie kostet.

Im Vergleich zu anderen Methoden der Wasserstofferzeugung bietet die Wasserelektrolyse eine Reihe von Vorteilen. Zunächst werden die verfügbaren Rohstoffe genutzt – demineralisiertes Wasser und Strom. Zweitens entstehen bei der Produktion keine umweltschädlichen Emissionen. Drittens ist der Prozess vollständig automatisiert. Schließlich handelt es sich bei der Ausgabe um ein ziemlich reines (99,99 %) Produkt.

Daher werden Elektrolyseanlagen und der daraus erzeugte Wasserstoff heute in vielen Industrien eingesetzt: in der chemischen Synthese, bei der Wärmebehandlung von Metallen, bei der Herstellung von Pflanzenölen, in der Glasindustrie, in der Elektronik, in Kühlsystemen in der Elektrizitätswirtschaft usw.

Die Elektrolyseanlage ist wie folgt aufgebaut. Draußen befindet sich das Bedienfeld des Wasserstoffgenerators. Darüber hinaus wurden ein Gleichrichter, ein Transformator, ein Verteilungssystem, ein System für demineralisiertes Wasser und ein Block für dessen Nachspeisung installiert.

In einer Elektrolysezelle wird auf der Kathodenplattenseite Wasserstoff und auf der Anodenseite Sauerstoff erzeugt. Hier verlassen Gase die Zelle. Sie werden getrennt und einem Abscheider zugeführt, dann mit entmineralisiertem Wasser gekühlt und dann durch Schwerkraft von der flüssigen Phase getrennt. Der Wasserstoff wird zu einem Gaswäscher geleitet, wo Flüssigkeitströpfchen aus dem Gas entfernt und in einer Spule gekühlt werden.

Abschließend wird der Wasserstoff gefiltert (Filter oben im Abscheider), wobei die Wassertröpfchen vollständig entfernt werden, und gelangt in die Trockenkammer. Sauerstoff wird normalerweise in die Atmosphäre geleitet. Das demineralisierte Wasser wird in den Wäscher gepumpt.

Dabei wird Lauge eingesetzt, um die elektrische Leitfähigkeit des Wassers zu erhöhen. Wenn der Betrieb des Elektrolyseurs wie gewohnt weiterläuft, wird die Flüssigkeit einmal im Jahr in einer kleinen Menge nachgefüllt. Festes Kaliumhydroxid wird in einen Flüssigkeitstank gegeben, der zu zwei Dritteln mit entmineralisiertem Wasser gefüllt ist, und dann in Lösung gepumpt.

Das Wasserkühlsystem des Elektrolyseurs dient zwei Zwecken: Es kühlt die Flüssigkeit auf 80–90 °C und die entstehenden Gase auf 40 °C.

Das Gasanalysesystem entnimmt Wasserstoffproben. Die Laugentropfen im Abscheider werden abgetrennt, das Gas dem Analysator zugeführt, der Druck reduziert und der Sauerstoffgehalt des Wasserstoffs überprüft. Bevor der Wasserstoff in den Tank geleitet wird, wird der Taupunkt im Hygrometer gemessen. Es wird ein Signal an den Bediener oder an den Computer gesendet, um zu entscheiden, ob der produzierte Wasserstoff für die Lieferung in den Speichertank geeignet ist und ob das Gas die Akzeptanzbedingungen erfüllt.

Der Arbeitsdruck des Geräts wird durch ein automatisches Steuersystem reguliert. Der Sensor erhält Informationen über den Druck im Elektrolyseur, anschließend werden die Daten an einen Computer gesendet, wo sie mit den eingestellten Parametern verglichen werden. Das Ergebnis wird dann in ein Signal in der Größenordnung von 10 mA umgewandelt und der Betriebsdruck auf einem vorgegebenen Niveau gehalten.

Die Betriebstemperatur des Gerätes wird über ein pneumatisches Membranventil reguliert.Der Computer vergleicht ebenfalls die Temperatur mit dem Sollwert und wandelt die Differenz in ein entsprechendes Signal um SPS.

Die Sicherheit des Elektrolyseurs wird durch das Sperr- und Alarmsystem gewährleistet. Im Falle einer Wasserstoffleckage erfolgt die Erkennung automatisch durch Detektoren. In diesem Fall schaltet das Programm die Erzeugung sofort ab und startet den Ventilator zur Belüftung des Raumes. Der Bediener sollte über einen tragbaren Leckdetektor verfügen. Durch all diese Maßnahmen lässt sich ein hohes Maß an Sicherheit beim Betrieb von Elektrolyseuren erreichen.