Warum Wasserstoffgeräte destilliertes oder reines Wasser benötigen (TDS-Grenzwerte erklärt)

Wenn auf dem Datenblatt deines Hydrion Zenith „Reines Wasser / destilliertes Wasser (TDS < 3 ppm)“ steht, ist diese Zahl entscheidend. Sie markiert die Grenze zwischen Wasser, mit dem die Elektrolysezelle des Geräts jahrelang betrieben werden kann, und Wasser, das sie langsam von innen verschmutzt. Der Grund liegt darin, was die Protonenaustauschmembran (PEM) im Gerät tatsächlich tut, um Wasserstoffgas zu erzeugen, und was die in gewöhnlichem Leitungswasser gelösten Mineralien tun, sobald sie in diesen Prozess gelangen.

• Die Vorgabe ist eine Zahl, keine Wassermarke. Destilliertes, deionisiertes und Umkehrosmosewasser können die Vorgabe erfüllen, solange der Messwert für die gesamten gelösten Feststoffe unter dem vom Hersteller angegebenen Grenzwert liegt.
• Die Membran braucht ionenarmes Wasser, um effizient zu arbeiten. Die gelösten Mineralien im Leitungswasser durchdringen die Membran nicht so wie die Wasserstoffionen; stattdessen lagern sie sich in der Zelle ab.
• Die Ablagerungen sammeln sich mit der Zeit an. Ein Glas Leitungswasser ruiniert kein Gerät, aber durch wiederholtes Nachfüllen summieren sich die Ablagerungen, so wie sich Kalk in einem Wasserkocher bildet.
• Ein einfaches TDS-Messgerät schafft Klarheit bei jeder Wasserquelle, bei der du unsicher bist, statt dass du anhand von Geschmack oder Klarheit raten musst.

Was das Datenblatt mit „reinem Wasser / destilliertem Wasser (TDS < 3 ppm)“ meint

In der eigenen Spezifikation des Zenith ist die Vorgabe klar aufgeführt: „Water Requirement: Pure water / distilled water (TDS < 3 ppm)“. An anderer Stelle auf der Produktseite wird sie wiederholt als „Distilled or purified water (TDS under 3 ppm). That keeps the membrane clean and the hydrogen at 99.99% purity“ (Quelle: Produktseite des Hydrion Zenith). TDS steht für „total dissolved solids“, also die gesamten gelösten Feststoffe. Der Wert wird in ppm (parts per million) gemessen und gibt an, wie viele Mineralionen sich ungefähr in einer Wasserprobe befinden. Destilliertes Wasser aus einer Flasche aus dem Supermarkt, Wasser aus einer Umkehrosmoseanlage für den Hausgebrauch oder Wasser aus einer Entionisierungskartusche können alle unter den Grenzwert von 3 ppm fallen. Deshalb nennt die Spezifikation „reines Wasser / destilliertes Wasser“, statt eine einzelne Methode vorzugeben. In der Praxis schließt die Vorgabe Leitungswasser, die meisten abgefüllten Quell- oder Mineralwässer und lediglich kohlefiltergefiltertes Wasser aus, da keines dieser Verfahren darauf ausgelegt ist, gelöste Ionen zu entfernen. Wenn du wissen möchtest, wie ein TDS-Messwert funktioniert und welcher Wert für Haushaltswasser allgemein als gut gilt, findest du die Antwort in einem separaten Ratgeber zu TDS im Wasser; in diesem Artikel geht es darum, warum der Zenith die Grenze genau dort zieht.

Warum die PEM-Elektrolyse speziell ionenarmes Wasser braucht

Im Zenith wird Wasserstoffgas durch Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse) erzeugt: Eine dünne Membran befindet sich zwischen zwei Elektroden, und elektrischer Strom spaltet Wassermoleküle, sodass Wasserstoffionen von einer Seite zur anderen durch die Membran gelangen und sich dort wieder zu Wasserstoffgas verbinden. Die Membran ist speziell dafür ausgelegt, Wasserstoffionen durchzulassen, nicht alles andere, was zufällig im Wasser gelöst ist. Enthält das Wasser Mineralionen und andere Verunreinigungen, wie es bei gewöhnlichem Leitungswasser der Fall ist, durchdringen diese Ionen die Membran nicht auf die vorgesehene Weise wie Wasserstoffionen. Stattdessen lagern sie sich an der Zelle selbst ab. In Leitlinien für Elektrolysegeräte werden diese Ablagerungen als Ursache irreversibler Schäden beschrieben: Sie verringern die nutzbare Oberfläche der Membran, sodass bei gleichem Stromeinsatz mit größerem Aufwand weniger Wasserstoff erzeugt wird (Quelle: Warum entionisiertes Wasser für Wasserstoffgeneratoren wichtig ist). Wenn die Zelle auf diese Weise an Effizienz verliert, verbraucht sie mehr Strom und wird heißer, um Schritt zu halten. Auch deshalb betrachten Hersteller von PEM-basierten Wasserstoffgeräten den Betrieb mit Wasser falscher Qualität im Allgemeinen als außerhalb des vom Hersteller gewährleisteten Betriebs und nicht als geringfügiges Versäumnis bei der Wartung. Einen umfassenderen Überblick über die Funktionsweise von SPE-/PEM-Membranen in den Wasserstoffwasserprodukten von Hydrion bietet diese Erklärung des Funktionsprinzips, die den Elektrolyseprozess ausführlicher behandelt, als es für diesen Artikel nötig ist.

Was Leitungswassermineralien tatsächlich im Gerät bewirken

Der Mechanismus wird anschaulich, wenn man sich konkret ansieht, was die Calcium- und Magnesiumionen im Leitungswasser bewirken, sobald die Elektrolyse beginnt. Während Strom durch die Zelle fließt, fallen diese Ionen an der Kathode als Hydroxide aus und bilden eine Ablagerungsschicht auf der Elektrodenoberfläche. Ein Patent zu Geräten für die Elektrolyse von Wasser beschreibt dies ausdrücklich: Das Calcium und Magnesium im Leitungswasser „precipitate on the surface of the cathode plate, become a scale, and cause deterioration of the electrolysis efficiency“ (Quelle: US-Patent 6.251.259 B1). An der gegenüberliegenden Elektrode können Chloridionen, die in den meisten Leitungswässern vorkommen, eine separate Korrosionsreaktion auslösen. Untersuchungen zur PEM-Elektrolyse mit ionenverunreinigtem Wasser ergaben, dass die von Natur aus sauren Betriebsbedingungen der Membran diesen chloridbedingten Angriff auf die Elektrode speziell bei PEM-Systemen zu einem größeren Risiko machen als bei anderen Elektrolyseverfahren (Quelle: Technik zur Entwicklung ionenselektiver Grenzflächen für eine langlebige Elektrolyse von unreinem Wasser). In dieser Studie wurde die Elektrolyse mit Wasserbedingungen getestet, bei denen die Ionenkonzentrationen viel höher waren und eher denen von Meerwasser entsprachen als denen von typischem Leitungswasser. Daher lässt sich der konkrete Zeitpunkt des Ausfalls nicht direkt auf eine Haushaltsfüllung Leitungswasser im Zenith übertragen. Übertragbar ist der zugrunde liegende Mechanismus: Calcium-, Magnesium- und Chloridionen in gewöhnlichem Wasser verschmutzen und korrodieren eine PEM-Zelle aktiv, statt sich darin inert zu verhalten. Je mehr davon eine Zelle im Laufe der Zeit verarbeitet, desto stärker summieren sich die Schäden.

Warum sich die Wasserempfehlung von der für eine Wasserstoffwasserflasche unterscheidet

Eine Wasserstoffwasserflasche nutzt ein ähnliches Elektrolyseprinzip in viel kleinerem Maßstab und jeweils nur für wenige Minuten. Daher gelten die Empfehlungen zur Wasserqualität für eine Flasche nicht automatisch auch für ein kontinuierlich betriebenes Inhalationsgerät wie den Zenith. Ein separater Ratgeber dazu, welches Wasser für eine Wasserstoffwasserflasche geeignet ist, erklärt diesen Unterschied und zeigt, inwiefern die Toleranz gegenüber Leitungswasser bei den beiden Gerätetypen tatsächlich voneinander abweicht. Kurz gesagt: Beim Zenith ist die Vorgabe im Datenblatt ausdrücklich angegeben. Du musst also nicht anhand dessen raten, was anderswo akzeptabel ist.

Wie die Rückstände aussehen, wenn es bereits dazu gekommen ist

Wurde ein Gerät eine Weile mit Leitungswasser betrieben, zeigen sich die oben beschriebenen Mineralablagerungen in der Regel als kreidiger, weißlicher Belag auf den benetzten Metalloberflächen im Behälter oder Zellgehäuse – ähnlich dem Kalk, der sich in einem mit hartem Wasser verwendeten Wasserkocher bildet. Der Belag lässt sich nicht mit einem kurzen Wisch abspülen, wie es bei losem Staub der Fall wäre, denn es handelt sich um eine mit der Oberfläche verbundene Mineralablagerung und nicht um Schmutz, der nur darauf liegt. Solche Rückstände sind ein Zeichen dafür, künftig auf Wasser umzusteigen, das den angegebenen TDS-Wert erfüllt. Im Handbuch solltest du nachsehen, ob der Hersteller für solche Ablagerungen einen bestimmten Reinigungs- oder Entkalkungsschritt beschreibt, denn das fällt nicht unter die Wasserqualitätsvorgabe selbst.

Wasser beschaffen und prüfen, das die Vorgabe erfüllt

In der Praxis können drei Wasserkategorien einen Zielwert von unter 3 ppm erfüllen: im Handel erhältliches destilliertes Wasser, Wasser aus einer Umkehrosmoseanlage für den Hausgebrauch und Wasser aus einer speziellen Entionisierungsanlage. Gewöhnliches Leitungswasser, gefiltertes Leitungswasser und die meisten abgefüllten Quell- oder Mineralwässer erfüllen die Vorgabe nicht, da keines dieser Verfahren darauf ausgelegt ist, gelöste Ionen bis auf diesen Wert zu entfernen. Wenn du bereits eine Umkehrosmose- oder Entionisierungsanlage besitzt, reicht in der Regel der Messwert des aufbereiteten Wassers aus, um zu bestätigen, dass er unter dem Grenzwert liegt. Wenn du dich auf gekauftes destilliertes Wasser verlässt oder dir bei einer Filteranlage unsicher bist, liefert dir ein einfaches tragbares TDS-Messgerät in wenigen Sekunden einen direkten Messwert. Das ist zuverlässiger, als die Wasserqualität nach Geschmack oder Klarheit zu beurteilen. Denk auch daran, dass das gelegentliche Nachfüllen mit Leitungswasser „nur dieses eine Mal“ genau die Ionen wieder einführt, die laut Vorgabe draußen bleiben sollen. Ein einzelner Vorfall allein verschmutzt die Zelle nicht, aber die Ablagerungen und Korrosion entstehen, wie oben beschrieben, durch die Ansammlung bei wiederholtem Befüllen und nicht durch ein einzelnes Glas.

Vor dem nächsten Nachfüllen solltest du das Datenblatt oder Handbuch deines Geräts auf den genauen TDS-Wert prüfen, denn auch für die anderen Wasserstoff-Inhalationsgeräte und Generatoren von Hydrion gelten eigene Wasserqualitätsvorgaben in den jeweiligen Spezifikationen, selbst wenn der konkrete Zahlenwert hier nicht erneut genannt wird. Wenn du zusätzlich zum Gerät eine Wasserstoffwasserflasche verwendest, findest du die Reinigungs- und tägliche Pflegeroutine für dieses separate Gerät in diesem Ratgeber zur Einrichtung und Wartung. Darin wird erklärt, welche Vorgaben das eigene Handbuch der Flasche macht.