Aufgabe 3 · Abitur NRW Chemie LK · „Grüner Wasserstoff“ als Energieträ 2026

2 Material

Material 1: Die Herstellung von „Grünem Wasserstoff“ durch die Elektrolyse [1] – [3]

„Grüner Wasserstoff“ entsteht durch die elektrolytische Spaltung von Wasser mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energien.

Um Wasserstoff herzustellen, werden sogenannte Elektrolyseure eingesetzt, in denen in mehreren Elektrolysezellen Wasserstoff und Sauerstoff an Platinelektroden gebildet werden. Alkalische Elektrolyseure enthalten eine flüssige Elektrolytlösung, wie z. B. eine Kaliumhydroxid-Lösung (KOH).

Da die elektrolytische Herstellung von Wasserstoff in kleinen Mengen wegen der teuren Anlagen unwirtschaftlich ist, wird er nur in großem Maßstab hergestellt. Die anschließende Speicherung ist aber energieaufwändig und daher kostenintensiv.

Material 2: Die „Zn2H2“-Zelle [4], [5]

Forschende des „Zinc-to-Hydrogen“-Projekts haben ein neuartiges galvanisches Element („Zn2H2“-Zelle) entwickelt, das auf dem häufig vorkommenden, günstig zu gewinnenden Metall Zink aufbaut.

Das galvanische Element besteht vereinfacht aus einer Zink-Elektrode und einer Nickelelektrode in einer Kaliumhydroxid-Lösung der Konzentration $c = 1\,\mathrm{\frac{mol}{L}}$ als Elektrolyt.

Die Erzeugung des Wasserstoffs erfolgt hier nicht durch eine Elektrolyse von Wasser, sondern durch die Oxidation des Zinks der Zinkelektrode („Entladevorgang“). In der Kaliumhydroxid-Lösung entstehen dabei Tetrahydroxidozinkat(II)-Ionen ($[\mathrm{Zn(OH)}_4]^{2-}$). An der Nickel-Elektrode werden gleichzeitig Wasserstoff-Moleküle freigesetzt.

Das Zink kann durch Elektrolyse aus der basischen Lösung zurückgewonnen werden („Ladevorgang“). Dabei werden an der einen Elektrode Hydroxid-Ionen zu Sauerstoff-Molekülen umgesetzt, während an der anderen Elektrode aus Zink(II)-Ionen der Tetrahydroxidozinkat(II)-Ionen wieder Zink-Atome an der Elektrode abgeschieden werden. Die Ladespannung beträgt hierbei $2{,}2\ \mathrm{V}$.

Tab. 1: Reaktionen beim Lade- und Entladevorgang

Reaktionen beim Ladevorgang · Reaktionen beim Entladevorgang

Mögliche Reaktionen:

(1) $[\mathrm{Zn(OH)}_4]^{2-} + 2\,\mathrm{e}^- \rightleftharpoons \mathrm{Zn} + 4\,\mathrm{OH}^-$

(2) $2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} + 2\,\mathrm{e}^- \rightleftharpoons \mathrm{H}_2 + 2\,\mathrm{OH}^-$

· $\mathrm{Zn} + 4\,\mathrm{OH}^- \rightleftharpoons [\mathrm{Zn(OH)}_4]^{2-} + 2\,\mathrm{e}^-$

$4\,\mathrm{OH}^- \rightleftharpoons \mathrm{O}_2 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} + 4\,\mathrm{e}^-$ · $2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} + 2\,\mathrm{e}^- \rightleftharpoons \mathrm{H}_2 + 2\,\mathrm{OH}^-$

Der beim Entladevorgang entstehende Wasserstoff kann direkt, d. h. ohne Speicherung, als Energieträger genutzt werden, da die Wasserstoff-Produktion in der „Zn2H2“-Zelle ohne großen Aufwand sehr gut steuerbar ist.

Material 3: Ausgewählte elektrochemische Daten [3], [6]

Tab. 2: Überspannung $\eta$ von Wasserstoff und Sauerstoff (bei $T = 298{,}15\ \mathrm{K}$ und $p = 101{,}325\ \mathrm{kPa}$)

Tab. 3: Standardpotenzial bei $T = 298{,}15\ \mathrm{K}$, $p = 101{,}325\ \mathrm{kPa}$ und $c = 1\,\mathrm{\frac{mol}{L}}$

· Standardpotenzial $E^\circ$ in V

$\mathrm{Zn} + 4\,\mathrm{OH}^- \rightleftharpoons [\mathrm{Zn(OH)}_4]^{2-} + 2\,\mathrm{e}^-$ · $-1{,}199\ (\mathrm{pH} = 14)$

3 Erläutern Sie mit Hilfe von Berechnungen, dass erst durch das Phänomen der Überspannung das Laden der „Zn2H2“-Zelle möglich ist (M 2, M 3). [11 BE]

a)

Berechnen Sie die Zersetzungsspannungen $U_Z$ ohne Berücksichtigung der Überspannung für die beiden möglichen kathodischen Reaktionen (1) Zinkabscheidung und (2) Wasserstoffentwicklung.

b)

Berechnen Sie die Zersetzungsspannungen $U_Z$ unter Berücksichtigung der Überspannungen für beide Reaktionen.

c)