Membran-Elektrolysezelle im Freizeitbad bei Wismar
Ein Freizeitbad bei Wismar desinfiziert sein Beckenwasser mit einer kleinen Membran-Elektrolysezelle, die aus angesäuerter Sole (c(NaCl) = 0,5 mol/L) Chlor erzeugt und direkt in den Umwälzkreislauf dosiert. Die Zelle wird mit 8,0 A bei 4,2 V betrieben; nach 2,0 h werden 5,8 L Chlorgas bei 20 °C und 101,3 kPa aufgefangen. Der Betreiber möchte den Strom auf 12 A erhöhen, weil er dann „50 % mehr Chlor“ erwartet, und so den Badebetrieb bei hoher Besucherzahl aufrechterhalten. Gleichzeitig klagt das Bad über Lochfraß an den Edelstahlleitungen im Dosierbereich und über steigende Chloratwerte im Beckenwasser. Der Zellenhersteller gibt 4,0 V als Mindestspannung an und empfiehlt ausdrücklich, die Sole zu enthärten.
1. Berechnen Sie nach Faraday die bei 8,0 A in 2,0 h theoretisch erreichbare Chlormenge, vergleichen Sie sie mit dem aufgefangenen Volumen und bestimmen Sie die Stromausbeute. Nennen Sie die wichtigsten Nebenreaktionen.
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Faraday-Bilanz
- Q = I · t = 8,0 A · 7200 s = 57 600 C
- n(e⁻) = 57 600 C / 96 485 C/mol = 0,597 mol
- Anodenreaktion: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻ ⇒ n(Cl₂) = 0,597/2 = 0,2985 mol
- Ideales Gas: V = nRT/p = 0,2985 mol · 8,314 J/(mol·K) · 293,15 K / 101 325 Pa = 0,2985 · 0,02406 m³/mol = 7,18 L
Messwert: 5,8 L ⇒ n = 5,8 L / 24,06 L/mol = 0,241 mol Stromausbeute η = 0,241/0,2985 = 0,81, also etwa 81 %.
Nebenreaktionen (die fehlenden rund 19 %)
- Sauerstoffentwicklung an der Anode: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ (konkurriert besonders bei hoher Stromdichte und niedriger Chloridkonzentration).
- Chloratbildung: 3 ClO⁻ → ClO₃⁻ + 2 Cl⁻; begünstigt durch Wärme, hohe Hypochloritkonzentration und lange Verweilzeit im Dosiersystem.
- Ein Teil des Chlors bleibt gelöst (Cl₂/HClO) oder entweicht, bevor er im Auffanggefäß ankommt. Die berechnete Ausbeute ist daher eine untere Grenze – der reale Elektrolysestrom steht etwas höher, die Abweichung ist aber geringer als die 19 %.
Wichtig für die Bewertung: Die Ausbeute ist eine Momentaufnahme; sie hängt von Stromdichte, Temperatur, Solekonzentration und Membranzustand ab und muss bei Änderung der Betriebsparameter neu bestimmt werden.
2. Erklären Sie, warum die Zellspannung von 4,2 V über der theoretischen Zersetzungsspannung liegt, und berechnen Sie den spezifischen Energieaufwand in kWh pro kg Chlor (M(Cl₂) = 70,9 g/mol).
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Theoretische Zersetzungsspannung
- Anode: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻, E° = +1,36 V
- Kathode: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻, E° = −0,83 V
- U_rev = 1,36 V − (−0,83 V) = 2,19 V
Warum 4,2 V? Die Zellspannung setzt sich zusammen aus U_rev plus Überspannungen und Ohm-Anteilen:
- Chlorüberspannung an der Anode (ca. 0,1–0,3 V)
- Wasserstoffüberspannung am Kathodenwerkstoff (ca. 0,2–0,4 V)
- Ohm-Anteile von Elektrolyt, Membran und Gasblasen (Blasenwiderstand)
- Mitverbrauch durch die Sauerstoff-Nebenreaktion
Der Spannungswirkungsgrad beträgt nur etwa 2,19 V / 4,2 V ≈ 52 %.
Energieaufwand
- Elektrische Arbeit: E = U · I · t = 4,2 V · 8,0 A · 7200 s = 241 920 J = 0,0672 kWh
- Erzeugte Chlormasse: 0,241 mol · 70,9 g/mol = 17,1 g = 0,0171 kg
- Spezifisch: 0,0672 kWh / 0,0171 kg = 3,9 kWh/kg Cl₂
Zum Vergleich: Die technische Chlor-Alkali-Elektrolyse liegt je nach Verfahren bei etwa 2,5–3 kWh/kg. Die kleine Zelle arbeitet also energetisch ungünstig – typisch für Anlagen ohne optimierte Elektroden und mit verschmutzter Membran. Ein Teil der Verluste lässt sich durch Enthärtung der Sole und saubere Elektroden zurückgewinnen.
3. Beurteilen Sie die geplante Erhöhung des Stroms auf 12 A umfassend. Gehen Sie auf die Chlorausbeute, die Spannung, den Chloratgehalt und den Lochfraß an den Edelstahlleitungen ein und schlagen Sie eine Alternative vor.
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Chlorausbeute: Nach Faraday gilt n(Cl₂) = I·t/(2F); eine Erhöhung von 8 auf 12 A verspricht zunächst genau den Faktor 1,5, sofern die Stromausbeute konstant bleibt. Genau das ist fraglich: Mit steigender Stromdichte wächst der Anteil der Sauerstoffentwicklung, weil Chlorid an der Anode schneller verbraucht wird als es nachdiffundiert. Die Ausbeute sinkt, die Erwartung „50 % mehr“ ist also eine Obergrenze.
Spannung und Energie: U = U_rev + η_a + η_c + I·R. Der Ohm-Anteil wächst proportional zum Strom, zusätzlich steigen Temperatur und Blasenbildung. Der Energieaufwand pro kg Chlor steigt überproportional – bei knapper werdenden Chloridkonzentrationen und gealterter Membran deutlich.
Chlorat: Höhere Stromdichte und höhere Temperatur verschieben das Gleichgewicht 3 ClO⁻ ⇌ ClO₃⁻ + 2 Cl⁻ zur Chloratseite. Chlorat ist ein unerwünschtes Nebenprodukt mit empfohlenem Höchstwert im Beckenwasser; die bereits steigenden Werte sind ein Warnsignal, die Anlage nicht weiter auszureizen, sondern Ursachen zu suchen (Verweilzeit, Vermischung von Chlor und Hypochlorit, Temperatur).
Lochfraß: Chloridhaltige Sole und freies Chlor sind für Edelstahl 1.4301 im Dosierbereich aggressiv. Chlorid bricht die Passivschicht örtlich auf; bei Spalten und Ablagerungen entsteht Loch- und Spaltkorrosion. Eine höhere Chlorproduktion verschärft das, zumal wenn die Sole nicht enthärtet ist und Kalk ausfällt.
Alternative: Statt den Strom zu erhöhen – (1) Sole enthärten und Zellenspannung wieder in die Nähe der Herstellerangabe bringen, (2) Membran und Elektroden reinigen bzw. turnusmäßig ersetzen, (3) die Desinfektion über eine Messung des freien Chlors regeln statt über die Stromstärke (Badeaufsicht, Stoßdesinfektion nach Besucherspitze), (4) im Dosierbereich chloridbeständige Werkstoffe einsetzen (1.4404/1.4539 oder Kunststoff) und Spalten vermeiden. Erst wenn Ausbeute und Spannung wieder im Sollbereich liegen, ist eine maßvolle Leistungserhöhung überhaupt sinnvoll zu bewerten.