Energiebilanz bei Elektrolyse

Liebe/-r Experte/-in,

ich habe in mehreren Foren gelesen, dass es mit Hilfe einer sogenannten hho trockengeneratorzelle, mittels Elecktrolyse möglich sein soll Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten (als Produkt erhält man dann Knallgas bzw. Braungas). Ich kann mich auch noch an ein Experiment im Physikunterricht erinnern, bei dem dies mittels zweier Metallplatten (Elektroden) so gemacht wurde.
Was mich nun allerdings stutzig macht, ist folgendes:
Je nach Plattenanzahl soll die dafür benötigte Spannung zwischen 12 und 14 V und der aufgenommene Strom zwischen 20 und 40 A/h liegen. Mit anderen Worten, die Leistung liegt in diesem Fall bei ca. 300-400 Watt/h. Damit soll sich eine Menge von ca. 2 Lietern Knallgas/min. erzeugen lassen. Die Wärmeleistung bei der Verbrennung von 120 L Knallgas liegt aber bei ca. 4 kW/h (142745 Joule pro Gramm verbranntem Wasserstoff). Würde man damit einen Motor + Generator antreiben, so würde man selbst bei einem Wirkungsgrad von nur 20% eine elektrische Leistung von 800 Watt/h erhalten. Verstößt das nicht irgendwie gegen den Energieerhaltungssatz. Mit 400 W/h Einsatz 800 W/h erzeugen hört sich für mich irgendwie nach Perpetuum Mobile an.
Vielleicht bin ich aber mit meinen Überlegungen auch völlig auf dem Holzweg. Wäre nett, wenn mich einer aufklären könnete.
Vielen Dank schon mal im Voraus,
Rudi

Hallo Rudi,

ich bin mir bei deinen Angaben nicht sicher. Zumindest die Einheiten A/h und Watt/Stunde, also Stromfluss je Zeiteinheit und Leistung je Zeiteinheit sind nicht existent.
Aus den Angaben geht nicht hervor, wie lange du den Stromfluss von 20A und 12 V hast.
Wir können aber die Rechnung machen. Man muss den Strom durch die Faradaykonstante 96485C/mol teilen, um die Elektronenanzahl in mol je Sekunde zu bekommen. Diese muss man durch zwei teilen um die Stoffmenge an Wasserstoff pro Sekunde zu haben, multipliziert aber gleich wieder mit 2 um die g/s an Wasserstoff zu bekommen. Bei 20A sind das 2*10^-4g/s. Mal den 143000J/g verbrannten Wasserstoff gibt das eine Leistung von rund 30J/s=Watt. Wir stecken aber deinen Angaben zufolge eine Leistung von 300Watt hinein. Sprich, wir haben einen Energieverlust von 90%. Ergo, kein Perpetuum Mobile. Wär aber schön^^

Hi Rudi,

ich bin zwar kein Experte für Brennstoffzellen, aber bei Deiner Rechnung geht einiges durcheinander. Zum einen ist die Einheit A/h nicht sinnvoll, da Ampere bereits Ladung pro Zeit ist.
Sagen wir also mal, die Zelle nimmt bei 14 V einen Strom von 40 A auf. Das ist eine Leistung von 560 W. Damit werden dann 2 ltr/min = 120 ltr/h Knallgas erzeugt. Die gesamt aufgenommene Energiemenge beträgt bei 560 W gerade 560 J/s * 3600 s = 2 MJ.
Wenn wir das Knallgas jetzt verbrennen und wie von Dir angegeben 4 kWh (statt kW/h) = 14.4 MJ bekommen, ergibt das in der Tat einen Widerspruch. Bist Du sicher, dass alle Zahlenwerte korrekt sind?

Gruß
Marco

Lieber rudi,

also mal nachgerechnet: Dichte von 2H,O Gemisch: 1,6088g/l. Daraus ergeben sich 193,056g für 120l. Die freiwerdende Menge an Energie pro erzeugtem Mol Wasser ist 571,6kJ. 1mol Wasser entspricht ca. 18g. 120l Knallgas produzieren 10,7mol Wasser. Es werden also 6,131MJ Energie frei.

14*40VA*3600s=2MJ ist also ein wenig zu wenig.

Ohne zu wissen, ob das auch wirklich stimmt, gehe ich mal vom Austausch zweier Elektronen pro elektrolysiertem Wassermolekül aus. Für 10,7mol Wasser braucht man dann 2MC an Ladung. Das entspräche einer Stromstärke von 575A für eine Stunde. Das kommt mir ein wenig sehr hoch vor. Vielleicht muß hier mal ein Chemiker ran. :wink:

Viele Grüße
Andreas

Hallo Rudi,

zuallererst ist’s natürlich immer gut, wenn Du alle Deine Quellen auflistest, woher Du die Info hast.
So wie die Dinge hier beschrieben sind (die einzige Quelle, die ich fand):
http://www.drive60mpg.com/wieesfunktioniert.html
klingt es nicht so, als hätten das Profis geschrieben ud in’s Deutsche übersetzt. Weiterhin mistrauisch macht der Eintrag des Domain-Inhabers (z.B. mal einen whois Dienst im Netz konsultueren!).
Wenn Du Dir z. B. auch Mal das ansiehst, was dort über „Brown’s Gas“ erzählt wird und einmal googelst, Synonyme suchst (MagneGas) und dann zur Google Suche noch „scam“ beifügst, dann findest Du z. B. das:
http://answers.yahoo.com/question/index?qid=20060820…

Vermutlich beantwortet das Deine Frage.
Bitte das nächste Mal recherchieren und nicht nur weil es im www steht unhintterfragt glauben.

Weiter im Text auch bei wenig vertrauenswürdiger Quelle:
Vielleicht hat ja ein anderer Experte Lust Dir das im Detail durchzurechnen. ich nicht.

Da beim Verbrennen des Knallgases (Gemisch aus H_2 und O_2) genau der Prozess umgekehrt wird, der bei der Elekrolyse hineingesteckt wird kann das nur einen Wirkungsgrad

Lieber Rudi, das ist ja eine interessante Aufgabenstellung.

Bevor ich antworte, bitte beachte:

es heißt nicht „A/h“ sondern „A*h“ (Amperstunden) und nicht „Watt/h“ sondern „Watt*h“ (Wattstunde, in Analogie zu Kilowattstunde) … wenn ein Gerät in einer Sekunde ein Joule (die Einheit für Arbeit = Kraft mal Weg) braucht, dann entspricht - völlig gleichsinnig - ein Joule der Arbeit von einer Wattsekunde … Auf den kWh Begriff kommst Du dann, wenn 1 kW eine Stunde geleistet wird (Watt mal 1000 (=kW) mal 3600 (sek/h)) … So - wenn Du das jetzt beachtest, wird Deine überlegung zunächst nicht anders, aber sauberer formuliert…

Denke daran:

Leistung (N) = Arbeit (W) / Zeit (t);
N = W / t;
und
Arbeit (W) = Leistung (N) mal Zeit (t); /* mal = „*“ */
W = N * t;
aber auch:

Arbeit (W) = Kraft (F) * Weg (s) ; W = F * s; [Newton * meter]

Leistung (N) = Spannung (V) * Stromstärke (I) ; N = V * I;

Was jetzt die reinen Zahlenwerte, die Du verwendet hast, betrifft, muss ich nochmal recherchieren, und Du würdest mir die Arbeit erleichtern, wenn Du mir die entsprechenden Links mitteilst (in der Regel ist Wikipedia bestens geeignet) … dann kann ich vielleicht auch den Denkfehler (oder Rechenfehler) in Deiner Argumentation entdecken, denn der muss da sein, weil es die Energiesätze in der Physik gibt, und die sind ganz „eisern“! — alles andere ist bzw. wäre hochgradige Spekulation … ohne Aussicht auf Erfolg …

Solltest Du in der Zwischenzeit die Sache selbst gelóst haben, bitte ich trotzdem darum, mich zu informieren …

Und noch etwas: was ist eine hho-Zelle, habe den Begriff noch nicht gehört!

Bis bald

Jörg

PS: ich bin gerade in Spanien und daher etwas eingeschránkt, was den Internetverkehr betrifft … :smile:

ich habe in mehreren Foren gelesen, dass es mit Hilfe einer
sogenannten hho trockengeneratorzelle, mittels Elecktrolyse
möglich sein soll Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff
aufzuspalten (als Produkt erhält man dann Knallgas bzw.
Braungas). Ich kann mich auch noch an ein Experiment im
Physikunterricht erinnern, bei dem dies mittels zweier
Metallplatten (Elektroden) so gemacht wurde.

Was mich nun allerdings stutzig macht, ist folgendes:

Je nach Plattenanzahl soll die dafür benötigte Spannung
zwischen 12 und 14 V und der aufgenommene Strom zwischen 20
und 40 A/h liegen. Mit anderen Worten, die Leistung liegt in
diesem Fall bei ca. 300-400 Watt/h. Damit soll sich eine Menge
von ca. 2 Lietern Knallgas/min. erzeugen lassen. Die
Wärmeleistung bei der Verbrennung von 120 L Knallgas liegt
aber bei ca. 4 kW/h (142745 Joule pro Gramm verbranntem
Wasserstoff). Würde man damit einen Motor + Generator
antreiben, so würde man selbst bei einem Wirkungsgrad von nur
20% eine elektrische Leistung von 800 Watt/h erhalten.
Verstößt das nicht irgendwie gegen den Energieerhaltungssatz.
Mit 400 W/h Einsatz 800 W/h erzeugen hört sich für mich
irgendwie nach Perpetuum Mobile an.

Vielleicht bin ich aber mit meinen Überlegungen auch völlig
auf dem Holzweg. Wäre nett, wenn mich einer aufklären könnete.

Vielen Dank schon mal im Voraus,

Rudi

Ich weiß leider nicht, worum es im Grunde geht, ABER:

Zunächst ein Hinweis auf grundsätzliche Fehler.

Die Einheit für den Strom ist Ampere, kurz A, und nicht, wie Sie angegeben haben, Ampere pro Stunde (A/h).

Die Einheit der Leistung kann u.a. mit Watt oder Kilowatt angegeben werden, aber keinesfalls mit W/h, was Watt pro Stunde bedeuten würde.

Nun zum eigentlichen Problem:

Mit den Angaben von z.B. 14 Volt und 40 Ampere erhält man 14 mal 40 = 560 Watt elektrische Leistung.

Jetzt Achtung:
560 Watt bedeuten 560 Joule pro Sekunde, und demnach in einer Stunde eine Energie von 560 Watt mal 3600 Sekunden = 2016000 Joule = 2 Megajoule.

Wir gehen im Weiteren davon aus, daß das Produkt aus 14 Volt und 40 Ampere das absulute Maximum darstellen, und unter dieser Bedingung die maximale Menge Wasserstoff produziert wird.

Wenn jetzt pro Stunde maximal 120 Liter Wasserstoff entstehen, bedeutet das ca. 10 Gramm Wasserstoff (unter der Bedingung normaler Dichte).

10 Gramm mal 142745 Joule pro Gramm = 1427450 Joule = 1,42745 Megajoule Energiegehalt in 120 L Wasserstoff.

Zwischenbilanz:

Energie-Einsatz: 2 Megajoule
Energie-Gewinn: 1,4 Megajoule

Maximale Leistung (Energie pro Zeit):
1,4 Megajoule pro Stunde = 389 Watt.

Bei einem Wirkungsgrad von 20% einer Wärmekraftmaschine wäre die Leistungsbilanz: 389 Watt mal 0,2 = 78 Watt.

Endbetrachtung:
Anfangs zugeführte Leistung: 560 Watt
Endlich nutzbare Leistung: 78 Watt.

Gesamtwirkungsgrad am Ende sogar nur 14 % (78 geteilt durch 560).

Ich hoffe, das war halbwegs verständlich.
Gruß

Hallo,

schau einmal hier,

http://www.esowatch.com/ge/index.php?title=HHO

Gruß

Hallo Rudi,

ohne die Zahlen im einzelnen zu überprüfen, muss einfach gesagt werden, dass es kein perpetuum mobile gibt, d.h. eine Maschine, die ohne Energiezufuhr ständig läuft. Die unvermeidliche Reibung bremst sie ab. Noch viel weniger gibt es einen Mechanismus, der mehr Energie abgibt, als in ihn hineingesteckt wird (eine Verbrennung von Holz z.B. gibt zwar Energie ab, die jedoch vorher in die Erzeugung des Holzes hineingesteckt wurde).

Bei der elektrolytischen Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff muss mindestens dieselbe Reaktionsenthalpie von 285.8 kJ/mol aufgebracht werden, wie sie bei der anschließenden Verbrennung (d.h. erneute Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser) wieder frei wird. In Wirklichkeit ist der Energieaufwand sogar noch etwas größer, da selbst die z.Z. besten Reaktoren eine Effizienz von nur 85% haben. Siehe dazu z.B. den Artikel „A REVIEW ON WATER ELECTROLYSIS“ (2002) http://www.cres.gr/kape/publications/papers/dimosiey…

Ein großer Vorteil der Wasserelektrolyse liegt in der leichteren Transportierbarkeit der Energie, man denke etwa an Solarstrom, der in der Sahara erzeugt wird.

Gruß Wolfgang

Moin, Moin Rudi

Vielleicht bin ich aber mit meinen Überlegungen auch völlig auf dem Holzweg.

Deine Überlegungen sind generell richtig, aber es liegt ein Problem mit den Einheiten vor, da weder die Stromstärke als auch die Leistung pro Zeit selten sinnvoll sind. Nur wenn sich z.B. die Stromstärke pro Zeit ändert (40 A/h würde heißen, dass die Stromstärke in einer Stunde um 40 A steigt).
Das ist der Grund warum bei dir ein Fehler mit dem Faktor 3600 entstanden ist. Das sind die Sekunden in einer Stunden.
Trenne bei solchen Überlegungen sauber zwischen Leistung und Energie, das vermeidet Fehler.

Ich hoffe ich konnte die helfen
Guido

Habe bitte die große Güte, deine einheiten zu korrigieren; Strom misst man in A und nicht A / h.
Ebenso

[W] = [V] [A]

W / h gibt es nicht.

Wie stehst du mit Chemie? Auf Kriegsfuß? Wie um alles in der Welt kommst du auf dieses Zeugs? Wir haben

H2O = H2 + O

Das ist 1 Mol H2 = 22.4 l + 1/2 mol O2 = 11.2 l macht zusammen 33.6 l Knallgas. Da O zweiwertig ist, musst du ( F = faradaykonstante ) ein Äquivalent von 2 F in die Elektrolyse stecken ( F = 96 500 A s ; das Produkt aus Elementarladung und Loschmidt )

Dreisprung; mit einem Strom der Größe 2 * 96.5 k A würdest du pro sec besagte 33.6 l ab scheiden; bei 30 A und 60 sec sind es dagegen nur

33.6 * 9 / 965 = 313 cm ³ / min

Ich weiß jetzt auch nicht, worauf du es redzierst; wer den Heizwert von Gas in m ³ misst statt kg, lügt bekanntlich.
Was ist ein Kubikmetr? Wenn sich eine Kuh einen Meter bikt …

Lieber Rudi,

Du siehst das ganz richtig, dass man nicht mehr Energie herausbekommen kann als man hineinsteckt!
Vermutlich ist eine der Informationen falsch, die Deiner Berechnung zugrunde liegen.

Je nach Plattenanzahl soll die dafür benötigte Spannung
zwischen 12 und 14 V und der aufgenommene Strom zwischen 20
und 40 A/h liegen. Mit anderen Worten, die Leistung liegt in
diesem Fall bei ca. 300-400 Watt/h.

Damit soll sich eine Menge
von ca. 2 Litern Knallgas/min. erzeugen lassen. Die
Wärmeleistung bei der Verbrennung von 120 L Knallgas liegt
aber bei ca. 4 kW/h (142745 Joule pro Gramm verbranntem
Wasserstoff).

Hast Du Quellen für die Daten, die Du mit dem Wort „soll“ zitierst?

Viele Grüße
Freddy

Hallo Rudi,
danke für Dein Vertrauen, dass Du Dich mit Deiner Frage an mich wendest. Ja, sie ist etwas für Physiker und Chemiker, aber auch Physiker alleine sollten es bewältigen. :smile:
#1
Deine Aussage wegen des „Perpetuum mobile“ ist super! Also steht das Problem, wo steckt der Fehler???
#2
Du hast recherchiert und Zahlenwerte zusammengetragen. Nun, ich habe die im wesentlichen übernommen, nicht überprüft, nur noch Werte eingeholt, die ich für meine Nachrechnung brauchte. Allerdings, oft sind es nur „ungefähr“ oder „von-bis-Werte“, will heißen, zwischendurch sind doch Annahmen nötig und Rundungsfehler unausbleiblich. Aber, die Größenordnung muss getroffen werden.
#3
Das, was ich jetzt schreibe, wird Dir nicht gefallen! :frowning: Offenbar stehst Du mit den physikalischen Maßeinheiten auf Kriegsfuß, na ja, und genau das ist wohl die Ursache für Dein Ergebnis. Beispiel:
Zwei physikalische Größen sind:

  • die Energie, Atbeit: Maßeinheit Joule und Ws bzw. deren Vielfaches
  • die Leistung: W, = Spannung X Strom = UxI,
  • die von Dir verwendeten Einheiten A/h und Watt/h oder kW/h sind also ind diesem Zusammenhang physikalischer Nonsens. Tut mir leid, ist aber so. Energie pro Zeit ist Leistung, Leistung pro Zeit, was soll das sein?? Eben bestenfalls Leistung mal Zeit, was dann eben Energie ist
    #4
    hier nun meine Rechnung:
  • "2 Liter Knallgas pro Minute erhält man aus einer gewissen Menge Energie. Ich nehme jetzt an, das ich da bei Deinem Intervall die Höchstwerte nehmen muss, sonst wird es weniger. Also
    40A, 14V, 2 min.
  • welche Energie wird dafür gebraucht??
    E = Spannung x Stromstärke x Zeit
    Ich rechne das mal hoch, in 1 Minute 2 Liter Knallgas, gibt in einer Stunde 2 x 60 = 120 Liter. Für die 120 Liter benötige ich
    14V x 40A x 60 min = 560 Wh - das ist eine Energie!!
    #5
    Und nun müssen wir ausrechnen, wieviel Energie wir mit diesem Knallgas gewinnen können. Das Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff im Knallgas beträgt 2 zu 1, will heißen, wir haben 80 Liter Wasserstoff und 40 Liter sauerstoff erzeugt. Ein Problem ist, dass ich nicht weiß, wie das Gas gerechnet wird, ob sich da beide Gase im „stadium nascendi = atomar“ oder eben schon, wie sie sich normalerweise begeben, molekular befinden. das habe ich Deinen Zahlen nicht entnehmen können und zum Recherchieren war ich zu faul. :frowning: Ich nehme also den Fall "molekular = jeweils H2 und O2 an.
    Überprüft habe ich die Dichte von Wasserstoff, die soll sein rund 0,09 kg/m³ - und das gilt wohl auch für H2 - weitere Unsicherheit, leider.
    Dann schreibst Du, pro Gramm verbranntem Wasserstoff wird eine Energie von 142745 Joule freigesetzt.
    Also: wir haben 80l, 0,09kg/m³, 142,7 kJ.
    jetzt brauchen wir noch die Umrechnung Joule in Watt.
    Die ist: 1J = 1Ws
    So, nun sollten wir alles zusammen haben! :smile:
    #6
    ich schätze also immer in Richtung „größte Unsicherheit“ ab!
  • 80l H2
  • 2*0,09 kg/m³
    das ergibt 14,4 g Wasserstoff
  • mit Deinem „Energiegewinn pro Gramm Wasserstoff“
    ergeben sich dann beim „Verbrennen“ der 80 Liter Wasserstoff gerade 571 Wh. !!!
    #7
    Ergebnis: 560 Wh wurden gebraucht, um 571 Wh zu gewinnen - ja, auch das verstößt gegen den „Energieerhaltungssatz“, aber, wie eingangs erwähnt, hier mache ich die ungefähren / gerundeten Angaben verantwortlich. Nämlich, ohne Verluste eingerechnet zu haben, stimmen beide Zahlen hinreichend überein.
    #8
    Lieber Rudi, ich hoffe, Dir geholfen zu haben. Eine kurze Eingangsbestätigung mit oder ohne Kommentar wäre nett.
    Mein Wunsch: Bleibe bitte weiter so kritisch, nur das hilft!
    Alles Gute weiterhin wünscht Dir
    Rainer

Hallo Jörg,
ersteinmal vielen Dank für Deine Antwort. Wie Du warscheinlich bemerkt hast, bin ich in Physik/Chemie nicht so die Koryphäe. Einer Deiner Expertenkollegen hat mir den folgenden Link geschickt, der meine Befürchtungen hinsichtlich des Wahrheitsgehalts meiner Internetquellen bestärkt hat. Dort wird auch erläutert was hho-zellen sind (Elektrolysezelle zur Knallgasgewinnung). Nochmals danke, Rudi.

wie wäre es, wenn man die Berechnungen auf einheitliche, exakt definierte Einheiten reduziert:

Bei der Elektrolyse einer wässrigen KOH-Lösung , bei der man an Stahlelektroden Wasserstoff und Sauerstoff erhält, benötigt man eine Strommenge von 53,6 Ah (2xFaraday-Konstante für 2mol 1z) für die Entladung von 2 mol H+ Ionen zu 2 mol atomarem Wasserstoff. Dieser reagiert sofort und bildet Moleküle H2. Dabei wird eine Menge Energie frei, die allerdings (hier) nicht nutzbar ist, und wohl nur die Zelle aufheizt. Wie dem kritischen Leser aufgefallen sein dürfte, wird mit dem oben Angegebenen (53,6Ah) keine Energie definiert, sondern eine Ladungsgröße. Um diese Ladung denn auch in Bewegung (auf die zu entladenen Ionen) zu bringen, ist eine Spannung erforderlich. Diese kann PRO ZELLE (und das vergessen einige Vorredner!) zwischen der Polarisationsspannung (ca 1/2V) und 1V liegen. Schlechtester Fall: 1 V * 53,6Ah -> 53,6Wh
Jetzt ‚schau mer mal‘ was bei der Verbrennung des oben erhaltenen mol H2 zu erwarten wäre: ca. 285kJ ^ ca. 80Wh
Ok, das sind alles Werte, die in anerkannten Tabellen zu finden sind, und der Bezug auf 1mol schränkt auch diverse Umrechnungsfehler deutlich ein…wie kann das sein: ca54Wh ->80Wh?
Und die Rekombinationsenergie (aus atomarem zu molekularem Gas (h2 und o2)) ist in dieser Bilanz noch gar nicht enthalten, weil sie ja hier nicht nutzbar ist. Aber sie ist erheblich, und offenbar der Hauptgrund, warum sich einige der HHO-Bastler über heiße Elektrolyseflüssigkeiten wundern - aus den Widerstandsverlusten allein dürfte das kaum erklärbar sein.
Das Ganze ist mir von wegen Energierhaltung etwas ungeheuerlich. Vlt. findet sich ja jemand, der herausfindet wie die Energiedifferenz zu erklären ist.