Hallo!
Wikipedia sagt zum state of the art:
Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt über 70 %. Mehrere Anlagenhersteller (z. B. Electrolyser Corp., Brown Boveri, Lurgi, De Nora, Epoch Energy Technology Corp.) bieten große Elektrolysegeräte mit einem noch höheren Wirkungsgrad – über 80 % – an. Da die Elektrolytkonzentration und die Temperatur einer Elektrolytlösung großen Einfluss auf den Zellwiderstand und somit auf die Energiekosten haben, wird bei modernen Anlagen eine 25–30 %ige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet, die Temperatur liegt bei ca. 70–90 °C. Die Stromdichte liegt bei ca. 0,15–0,5 A/cm2, die Spannung bei ca. 1,90 V. Zur Herstellung von 1 m3 Wasserstoff wird bei modernen Anlagen eine Stromenergie von 4,3–4,9 kWh benötigt. Ein großer Druckelektrolyseur von Lurgi hat eine Leistung von 760 m3/h Wasserstoff bei ca. 3,5 MW (Stackleistung)[1] und ca. 4,5 MW Eingangsleistung AC. Durch Elektrokatalysatoren (bei Kathoden z. B.: Ni-Co-Zn, Ni-Mo, bei Anoden: Nickel-Lanthan-Perowskit, Nickel-Kobalt-Spinell) kann die Überspannung um ca. 80 mV gesenkt werden. aus http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserelektrolyse
Zur benötigten Energie ebenfalls ein Satz aus Wikipedia:
Die Überspannungen sind bei Gasbildungen (z. B. Wasserstoff- und Sauerstoffbildung) mitunter beträchtlich. Die aufgebrachte Überspannungsenergie geht als Wärme verloren, trägt also nicht zum Stoffumsatz bei. aus http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolyse#.C3.9Cbersp…
Das alles ganz genau zu berechnen ist ziemlich kompliziert.
Unter der Annahme, dass bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck gearbeitet wird und keine Energie irgendweo anders hin geht als in die Reaktion, wäre die einfachste Formel:
n * DeltaH = U*I*t
n = m / M (Masse des Wassers durch seine molare Masse (ca. 18 g/mol))
DeltaH = 285,9 kJ / mol.
Wenn man von einem energetischen Wirkungsgrad von 70% ausgeht, wie oben zitiert, dann muss man die benötigte Energie noch mit 1/0,7 also 1,43 multiplizieren.
Für die Umrechnung auf andere Temperaturen und Drücke müsste man die Reaktionsenthalpien für diese Drücke und Temperaturen kennen. Die kann man entweder nachsehen, oder selbst bestimmen- - falls nicht tabelliert. Wie man sowas macht, steht in der einschlägigen Literatur.
Eine einfache Methode ist die Kalorimetrie. Man gibt O2 und H2 im Verhältnis 1:2 in ein geschlossenens Gefäß, das im Wasserbad bekannter Temperatur steht, lässt die Reaktion ablaufen (evtl durch eine Brennstoffzelle - oder die harte Tour: man zündet das Kanllgas) und misst die Erhöhung der Temperatur des Wasserbades. Über die Wassermenge und die spez. Wärmekapazität des Wassers kann man dann exakt die Reaktionsenergie errechnen. Um von der inneren Energie U dann auf die Enthalpie H zu kommen, muss man noch die Volumenarbeit einberechnen. Diese ergibt sich in offenen Systemen aus p*DeltaV (da p im offenen System ja konstant bleibt). Delta V kann man wiederum aus der Stoffmenge mit der Gasgleichung errechnen.
Ich muss also die Reaktionsenthalpien bei bestimmten Drücken und Temperaturen kennen und dann kann ich sie oben in die Formel einsetzen.
P.S.: Ich bin mir nicht sicher, ob man da irgendwo noch die Entropie mit einbeziehen muss. Zumindest wenn man DeltaG haben will, dann muss man das.
Aber als ich das damals lernen musste, wurde noch in D-Mark bezahlt. Daher bitte ich um Nachsicht.
Gruß
