Clean Energy Trainer Experimentieranleitung

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1 Clean Energy Trainer Experimentieranleitung

2 Clean Energy Trainer, Experimentieranleitung April 2011 Version 1 Heliocentris Energiesysteme GmbH Rudower Chaussee Berlin Deutschland Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieser Experimentieranleitung darf vervielfältigt, in einem Datenabfragesystem gespeichert oder weitergeleitet werden, ohne die vorab schriftliche Genehmigung des Herausgebers. Ausnahme bildet der folgende Fall: Fotokopieren von Seiten der Anleitung für den Unterricht für oder durch Lehrpersonal ist erlaubt. Komponenten des Clean Energy Trainer sind durch Patente und /oder Gebrauchsmuster geschützt. Clean Energy Trainer ist eine Marke von Heliocentris Energiesysteme GmbH, Deutschland. Änderungen vorbehalten.

3 Inhalt 1 Unterrichtsplanung Solarenergie... 9 Alle Experimente im Überblick... 9 Eigenschaften einer Solarzelle kennenlernen Experiment Arbeitsblatt Lösungen Die Leistungskennlinie einer Solarzelle herausfinden Experiment Arbeitsblatt Lösungen Windenergie Alle Experimente im Überblick Eigenschaften eines Windgenerators kennenlernen Experiment Arbeitsblatt Lösungen Kennlinie eines Windgenerators ermitteln Experiment Arbeitsblatt Lösungen Elektrolyse Alle Experimente im Überblick Eigenschaften von Wasser bei einer Elektrolyse beobachten Experiment Arbeitsblatt Lösungen Kennlinie eines Elektrolyseurs ermitteln Experiment Arbeitsblatt Lösungen Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs berechnen Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 3

4 Experiment Arbeitsblatt Lösungen Brennstoffzellen Erste Erfahrungen mit Brennstoffzellen sammeln Experiment Arbeitsblatt Lösungen Kennlinie einer Brennstoffzelle ermitteln Experiment Arbeitsblatt Lösungen Energetischen Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle berechnen Experiment Arbeitsblatt Lösungen Erneuerbare Energiequellen Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen gewinnen Experiment Arbeitsblatt Lösungen Erneuerbare Energiequellen optimal ausrichten Experiment Arbeitsblatt Lösungen Mehrere Verbraucher mit Brennstoffzellen betreiben Experiment Arbeitsblatt Lösungen Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

5 Vorwort Lehrplan-Aspekte Erneuerbare Energien und ihre Bedeutung für die Sicherung unserer Lebensweise sind heute aus dem allgemeinen Bewusstsein nicht mehr wegzudenken. Ihr Nutzen ist unumstritten. Auch das Nutzen von Wasserstoff als Brennstoff ist in den letzten Jahren immer mehr in den Mittelpunkt gerückt. Diese Experimentieranleitung möchte Ihren Schülern auf spielerische Art und Weise erneuerbare Energien erklären und ihnen die Zusammenhänge von erneuerbaren Energiequellen und Wasserstoff näherbringen. Diese Anleitung möchte den Nutzen von der Energiewandlung begreifbar machen und ein Verständnis für die Anwendung in der Praxis fördern. Unter anderen können folgende Aspekte anhand dieser Anleitung vermittelt werden: Prinzip von Solarzellen Prinzip von Windgeneratoren Chemische Reaktionen Elektrolyse Faradaysche Gesetze Prinzip von Brennstoffzellen Wirkungsgrade Dimensionierung verschiedener Komponenten erneuerbarer Energien Einflüsse auf Systeme von erneuerbaren Energien Umwandlung unterschiedlicher Energieformen Wissenschaft und Technik im regionalen, nationalen und globalen Zusammenhang Wir bei Heliocentris hoffen, dass Ihre Schüler Erfahrungen mit unserem Produkt machen, die ihnen Kenntnisse über erneuerbare Energiequellen, Wasserstoff und Brennstoffzellen vermitteln und ihr Interesse für das gesamte Gebiet der nachhaltigen Solar-Wasserstoff- Technologie wecken. Wenn in Beiträgen dieser Anleitung ausschließlich die männliche oder weibliche Form verwendet wird, so dient dies lediglich der Lesbarkeit und Einfachheit. Es sind stets Personen des jeweils anderen Geschlechts mit einbezogen. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 5

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7 1 Unterrichtsplanung In dieser Experimentieranleitung finden sich 13 Experimente zu verschiedenen Themenblöcken aus dem Bereich erneuerbare Energien. Jedes der Experimente wird von einem Arbeitsblatt mit Fragen zum Experiment herum sowie einem dazugehörigen Lösungsblatt begleitet. Eine grundsätzliche Beschreibung der Komponenten und Grundhandlungsschritte finden Sie in der Bedienungsanleitung. Übersicht Diese Experimentieranleitung beinhaltet Lehrmaterial rund um das Thema erneuerbare Energien. Diese Anleitung ist in folgende Themen aufgeteilt: Solarenergie Windenergie Wasserstoff und Elektrolyse Brennstoffzelle Empfohlene Verlaufsplanung Kombination mehrerer erneuerbaren Energiequellen Zu jedem Thema gibt es 2 bzw. 3 Experimente und 2 bzw. 3 Arbeitsblätter. Die Beispiellösungen zu den Experimenten und den Arbeitsblättern sind auf dem Lösungsblatt zu finden. Wir empfehlen folgenden Unterrichtsverlauf: Tätigkeit Dauer [min] Sozialform Erarbeitungsphase Theorieteil Festigungsphase 1 Experiment Ergebnissicherung 1 Abgleich mit Schülern Festigungsphase 2 Arbeitsblatt 15 Lehrervortrag 20 Gruppenarbeit (3-5 Schüler je Gruppe) 10 Lehrer -oder Schülervortrag, aktive Mitarbeit 25 Partnerarbeit oder Einzelarbeit Ergebnissicherung 2 Abgleich mit Schülern Tab.1-1 Verlaufsplanung 20 Lehrer oder Schülervortrag, aktive Mitarbeit Der Verlauf kann bei einer 45-minütigen Schulstunde nach Ergebnissicherung 1 aufgeteilt und in nachfolgender Stunde fortgeführt werden. Zu Beginn jedes Kapitels gibt es für alle Experimente didaktische Erläuterungen und jeweils eine Checkliste. Gehen Sie vor dem Experiment die Checkliste zusammen mit den Schülern durch. Planen Sie Zeit zum gemeinsamen Aufräumen der Materialen am Ende der Versuche ein. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 7

8 TIPP TIPP Machen Sie sich, bevor Sie die Experimente im Unterricht durchführen, mit dem Clean Energy Trainer vertraut. Lesen Sie dazu die Bedienungsanleitung. Führen Sie die Experimente, bevor Sie sie im Unterricht einsetzen selbst durch. Sie lernen das Experiment kennen und können eventuelle Schwierigkeiten, die Ihre Schüler haben könnten erkennen. Sorgen Sie dafür, dass jeder Schüler eine Kopie der Experimentierblätter besitzt. Überlegen Sie Zusatzaufgaben für die Gruppe, die mit einem Experiment früher fertig ist. Teilen Sie aber keinesfalls das zweite Arbeitsblatt früher an die Stärkeren aus. Die Fragen auf den Arbeitsblättern können teilweise selbst von den Schülern recherchiert werden. Für alle Versuche gilt: Wenn der USB-Data-Monitor als Energiequelle verwendet wird, kann stattdessen eine andere Energiequelle (max. 2 V) eingesetzt werden. Immer dann, wenn der USB-Data-Monitor als Verbraucher eingesetzt wird, können stattdessen vergleichbare Verbraucher eingesetzt werden. Auf den Lösungsblättern finden sich Beispielantworten, die keineswegs einen Anspruch an Vollständigkeit und einzige Richtigkeit haben, vielmehr zeigen sie Lösungsmöglichkeiten auf. Wenn Ihre Schülerinnen und Schüler zu abweichenden Lösungen kommen, so heißt dies keineswegs, dass die Antworten nicht richtig sind es sind lediglich Beispiellösungen. 8 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

9 Alle Experimente im Überblick 2 Solarenergie Experiment 1 - Eigenschaften einer Solarzelle kennenlernen Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste TIPP In diesem Experiment werden die Schüler typische Eigenschaften einer Solarzelle kennenlernen. Dabei untersuchen sie, welchen Einfluss die Beleuchtungsstärke und der Einfallswinkel des Lichts auf das Verhalten der Messwerte einer Solarzelle haben. Allgemeine Fragen zur Solarenergie Fragen zum Experiment Verständnisfragen und Berechnungen zur Leistung von Solarzellen leicht Elektrische Stromkreise Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie erkennen, dass der Abstand, der Winkel und die Helligkeit einer Lichtquelle die Leistung einer Solarzelle beeinflussen. Die Schüler lernen, wie wichtig genaues Beobachten in der Wissenschaft ist und wie wichtig es ist, die gemachten Beobachtungen kurz und präzise formulieren zu können. 1 Solarmodul USB-Data-Monitor - USB-Kabel - PC oder Laptop mit installierter Software Magnetunterlage 1 Lampe (min. 75 W) 2 Kabel, 1 schwarzes, 1 rotes 1 Maßband Gegenstände zum Abdunkeln (Folie, dünnes Papier etc.) Lassen Sie die Schüler die Beobachtungen auf einem zusätzlichen Blatt Papier zusammenfassen. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 9

10 Experiment 2 - Die Leistungskennlinie einer Solarzelle herausfinden Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste TIPP In diesem Experiment werden die Schüler untersuchen, wann das Solarmodul seine maximale Leistung abgeben kann. Mittels Messungen von Strom und Spannung erstellen sie bei unterschiedlicher Lichteinstrahlung Kennlinien und erkennen die maximale Leistung der Solarzelle. Allgemeine Fragen zur Solarzelle Fragen zum Experiment Verständnisfragen zu Kennlinien und der Leistung einer Solarzelle mittel Erstellen einer Strom-Spannungskennlinie Erstellen einer Leistungs-Spannungskennlinie Elektrische Leistung berechnen Elektrische Stromkreise Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie erkennen, dass es einen Wertebereich gibt, in dem die Solarzelle die maximale Leistung liefert. Die Schüler erweitern ihr Können, indem sie den MPP (Maximum Power Point) einer Solarzelle ermitteln. 1 Solarmodul USB-Data-Monitor - USB-Kabel - PC oder Laptop mit installierter Software Magnetunterlage 2 Kabel, 1 schwarzes,1 rotes 1 Lampe (min. 75 W) 1 Maßband 1 farbige transparente Folie In diesem Experiment können Sie unterschiedliche Aufgaben an die Gruppen verteilen. Zum Beispiel zeichnet Gruppe 1 die Kennlinien bei unterschiedlicher Lichtstärke, Gruppe 2 die Kennlinie bei parallelen oder in Reihe geschalteten Solarmodulen, Gruppe 3 die Kennlinie bei unterschiedlichen Winkeln und Gruppe 4 bei unterschiedlichem Abstand auf. 10 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

11 Eigenschaften einer Solarzelle kennenlernen Experiment 1 Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit des Aufstellwinkels? Abb.2-1 Versuchsaufbau Experiment 1 1. Versuchsaufbau wie in Abb.2-1abgebildet nachbauen. 2. Abstand der Lampe zum Solarmodul auf 50 cm einstellen. Der Einstrahlwinkel soll ca. 90 betragen. 3. Software starten und Reiter SOLARMODUL wählen. 4. Funktion auf HANDBETRIEB schalten. 5. Lampe einschalten. 6. Winkel des Solarmoduls mit der Hand verändern. Der Abstand zum Solarmodul muss immer gleich bleiben. Darauf achten, dass der Magnetfuß immer auf derselben Stelle bleibt. 7. Messwerte beobachten und Beobachtungen notieren. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit zur Beleuchtungsstärke? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.2-1 abgebildet nachbauen. 2. Abstand der Lampe zum Solarmodul auf 50 cm einstellen. Der Einstrahlwinkel soll ca. 90 betragen. 3. Verschiedene Gegenstände (Folien, Blätter) zwischen Lampe und Solarmodul halten und Messwerte beobachten und Beobachtungen notieren. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 11

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13 Arbeitsblatt 1 Fragen zum Experiment 1. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit des Aufstellwinkels? 2. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit zur Beleuchtungsstärke? 3. Was lässt sich generell über die Messwerte bei ständig steigender Beleuchtungsstärke sagen? 4. Von welchen Faktoren hängt der ideale Einstrahlwinkel ab? 5. Was kann alles zur Abschattung beitragen? Allgemeine Fragen 6. Was ist Solarenergie? 7. Was ist Solarstrom und was bedeutet Photovoltaik? 8. Was wird benötigt, um Solarstrom ins Stromnetz einzuspeisen? 9. Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? Verständnisfragen 10. In den Experimenten betrachten wir nur die Spannungswerte. Warum bleibt der Stromwert immer gleich? 11. Wird die Erzeugungsrate von elektrischer Energie an jedem Tag des Jahres gleich sein? Warum oder warum nicht? Welche Lösung könnte es dafür geben? 12. Von welchen Faktoren hängt die ideale Stromausbeute ab? 13. Welche physikalische Größe lässt sich durch die Strom- und Spannungswerte des Solarmoduls errechnen? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 13

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15 Lösungen 1 Fragen zum Experiment 1. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit des Aufstellwinkels? Die Beobachtung zeigt, dass das Solarmodul bei einem Einstrahlwinkel von 90 den größten Spannungswert aufweist. 2. Wie verhalten sich die Messwerte in Abhängigkeit zur Beleuchtungsstärke? Die Beobachtung zeigt, dass die Solarzelle bei zunehmender Beleuchtung steigende Spannungswerte aufweist. 3. Was lässt sich generell über die Messwerte bei ständig steigender Beleuchtungsstärke sagen? Je größer die Beleuchtungsstärke, desto höher die Spannung. 4. Von welchen Faktoren hängt der ideale Einstrahlwinkel ab? Entscheidend ist, dass die Zahl der auf die Oberfläche des Solarmoduls treffenden Photonen der Lichtquelle möglichst hoch ist. Das ist dann der Fall, wenn die Fläche, auf die das Licht trifft besonders groß und die Intensität der Strahlung besonders hoch ist. 5. Was kann alles zur Abschattung beitragen? Abschattung kann folgende Ursachen haben: Wolken Bäume Gebäude Andere Solarmodule Falsch gewählter Aufstellort Allgemeine Fragen 6. Was ist Solarenergie? Solarenergie ist durch Strahlung übertragene Sonnenenergie. In der Sonne wird bei der Umwandlung von Wasserstoff in Helium Strahlungsenergie frei (Kernfusion), die als Licht und Wärme zur Verfügung steht. Die Sonne strahlt stündlich mehr Energie auf die Erde, als die gesamte Weltbevölkerung in einem Jahr verbraucht. Ohne diese Energie könnte kein Leben auf der Erde existieren. 7. Was ist Solarstrom und was bedeutet Photovoltaik? Solarstrom nennt man den Strom, der durch den photovoltaischen Effekt in Solarzellen erzeugt wird. Photovoltaik (Abk.: PV) ist die Technik, mit deren Hilfe Sonnenenergie in elektrischen Gleichstrom umgewandelt wird. 8. Was wird benötigt, um Solarstrom ins Stromnetz einzuspeisen? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 15

16 Der von den Solarzellen produzierte Gleichstrom wird zum Wechselrichter geleitet. Dieses Gerät wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom um. 9. Wie ist eine Solarzelle aufgebaut? Solarzellen bestehen üblicherweise aus dünnen Siliziumscheiben. Durch gezielte Verunreinigung des reinen Siliziums mit Fremdatomen erhält man eine negativ leitende Schicht und eine positiv leitende Schicht. In der Übergangszone zwischen den beiden Schichten entsteht ein elektrisches Feld. Verständnisfragen 10. In den Experimenten betrachten wir nur die Spannungswerte. Warum bleibt der Stromwert immer gleich? Es ist kein Verbraucher angeschlossen. Darum fließt kein Strom. 11. Wird die Erzeugungsrate von elektrischer Energie an jedem Tag des Jahres gleich sein? Warum oder warum nicht? Welche Lösung könnte es dafür geben? Die Erzeugungsrate von elektrischer Energie ist nicht jeden Tag gleich, da die Sonneneinstrahlung je nach Wetterlage und Jahreszeit unterschiedlich ist. Man könnte eine motorisierte Halterung für das Solarmodul bauen, die automatisch den optimalen Einstrahlwinkel zur Sonne verfolgt. 12. Von welchen Faktoren hängt die ideale Stromausbeute ab? Die ideale Stromausbeute hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Material der Solarzellen (Silizium monokristallin, Silizium polykristallin, Halbleiter etc.) Größe des Solarmoduls Standort Gegebenheiten am Standort (Abschattung, Temperatur, etc.) 13. Welche physikalische Größe lässt sich durch die Strom- und Spannungswerte des Solarmoduls errechnen?. Die Leistung. 16 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

17 Die Leistungskennlinie einer Solarzelle herausfinden Experiment 2 Abb.2-2 Versuchsaufbau Experiment 2 Wann hat das Solarmodul die maximale Leistung? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.2-2 Versuchsaufbau Experiment 2 abgebildet nachbauen. 2. Abstand der Lampe zum Solarmodul auf 50 cm einstellen. Der Einstrahlwinkel soll ca. 90 betragen. 3. Software starten und Reiter SOLARMODUL wählen. 4. Lampe einschalten. 5. Funktion auf AUTOMATIKBETRIEB schalten und Messung starten. 6. Strom- und Spannungswerte in einer Tabelle aufnehmen und die Leistung berechnen. Die Leistung P wird mit der Formel berechnet. 7. Leistungs-Spannungskennlinie zeichnen. In der Software auf LEISTUNGSGRAPH klicken und mit der gezeichneten Leistungskennlinie vergleichen. Wann hat das Solarmodul die maximale Leistung bei schwacher Beleuchtungsstärke? 1. Folie zwischen Lampe und Solarmodul halten und automatische Messung erneut starten. 2. Strom- und Spannungswerte in einer Tabelle aufnehmen und die Leistung berechnen. 3. In das Leistungs-Spannungskennlinie aus dem vorherigen Versuch die Leistungs-Spannungskennlinie einzeichnen (nur wenn vorheriger Versuch gemacht wurde). In der Software auf LEISTUNGSGRAPH klicken und mit der gezeichneten Leistungskennlinie vergleichen. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 17

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19 Arbeitsblatt 2 Fragen zum Experiment 1. Wann hat das Solarmodul die maximale Leistung? 2. Wann hat das Solarmodul die maximale Leistung bei schwacher Beleuchtungsstärke? 3. Was ist eine Kennlinie? 4. Wie lässt sich der maximale Leistungspunkt des Solarmoduls errechnen? 5. Hat sich der MPP (Maximum Power Point) der Solarzelle bei geringerer Beleuchtungsstärke verändert? Gibt es eine generelle Aussage? 6. Welche grafische Darstellung eignet sich am besten, um den MPP abzulesen? 7. Ist der MPP konstant? Wovon hängt der MPP ab? Allgemeine Fragen 8. Was spricht für Solarstrom? 9. In welchen Gebieten ist Solarstrom besonders sinnvoll? 10. Was sind Nachteile der Solarzelle? 11. Wer gilt als der Erfinder der Solarzelle? 12. Wann gab es die erste Solarzelle? 13. Erzeugt eine Solarzelle Gleich- oder Wechselstrom? 14. Wie nennt man das Bauteil, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt? 15. Was ist in einem Wechselrichter für PV-Anlagen eingebaut, dass möglichst die maximale Leistung von Solarzellen erreicht wird. 16. Welche Arten von Solarzellen gibt es? Welche haben den höchsten Wirkungsgrad? Welche sind am preiswertesten? Verständnisfragen 17. Verhält sich eine Solarzelle in einer Parallel- und Reihenschaltung ähnlich wie andere Spannungsquellen, z. B. eine Batterie? 18. Wenn in einer Reihenschaltung von Solarzellen, eine Solarzelle zerstört wird, ist der Stromfluss dann unterbrochen? 19. Wie könnte man das Problem aus der vorherigen Frage lösen? 20. Ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit dem eines Dieselmotors vergleichbar? 21. Wie verhält sich eine Leistungskennlinie in der Strom- Spannungskennlinie, wenn der Widerstand verdoppelt wird? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 19

20 22. Gewusst oder geschätzt? Wie hoch ist die jährlich abgegebene Energie [kwh] einer durchschnittlichen Einfamilienhaus- Photovoltaikanlage? 23. Wie viele der im Experiment verwendeten Solarmodule werden benötigt, um folgende Geräte zu betreiben? Gerät P [W] Anzahl der Solarmodule Computer Autoradio Handy Haartrockner Glühlampe 400 W 40 W 2 W 2000 W 2,4 W 24. Ist es für eine Glühlampe schädlich, wenn zu der oben ausgerechneten Anzahl an Modulen noch 20 Module parallel dazu geschaltet werden? 20 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

21 Lösungen 2 Fragen zum Experiment 1. Wann hat das Solarmodul die maximale Leistung? Das Solarmodul hat bei etwa 1,7 V und 145 ma die maximale Leistung (mit 1 Lampe à 75 W). Dies ist durch die Strom-Spannungskennlinie sichtbar. Die Kurve stellt die Leistung dar. Strom- Spannungskennlinie I / ma ,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 U / V Leistungs- Spannungskennlinie 1 P / mw ,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 U / V 2. Wann hat das Solarmodul die maximale Leistung bei schwacher Beleuchtungsstärke? Das Solarmodul hat bei etwa 1,7 V und 70 ma die maximale Leistung (mit 1 Lampe à 75 W und Folienabdeckung). Der MPP hat sich verschoben. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 21

22 Leistungs- Spannungskennlinie 2 P / mw ,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 U / V 3. Was ist eine Kennlinie? Eine Kennlinie ist eine grafische Darstellung von zwei voneinander abhängigen physikalischen Größen. Diese Darstellung ist für ein bestimmtes Bauteil kennzeichnend. Die Kennlinie wird als Diagramm in einem zweidimensionalen Koordinatensystem dargestellt. 4. Wie lässt sich MPP (Maximum Power Point) des Solarmoduls errechnen? Aus der Leistungs-Spannungskennlinie. Oder: Aus dem Produkt der gemessenen Spannungs- und Stromstärkenwerte lässt sich der MPP bestimmen. Oder: Das flächenmäßig größte Rechteck unter der Strom- Spannungskennlinie entspricht der maximalen Leistung. Die dazugehörigen Strom- und Spannungswerte geben den MPP des Solarmoduls an. 5. Hat sich der MPP der Solarzelle bei geringerer Beleuchtungsstärke verändert? Gibt es eine generelle Aussage? Ja, der MPP wird bei geringerer Spannung und geringerem Strom gemessen und ist somit geringer. Je geringer die Einstrahlung desto kleiner sind die Strom- und Spannungswerte des MPP. 6. Welche grafische Darstellung eignet sich am besten um den MPP abzulesen? Die Leistungskennlinie. 7. Ist der MPP konstant? Wovon hängt der MPP ab? Der MPP ist nicht konstant. Hauptsächlich von der Beleuchtungsstärke. 22 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

23 Allgemeine Fragen 8. Was spricht für Solarstrom? Die Sonne ist die größte und sicherste Energiequelle. Solarenergie ist eine saubere und kostenlose Energie. Solarenergie kann direkt vor Ort genutzt werden. Es entstehen keine Transportkosten und dadurch keine großen Leitungsverluste. Solaranlagen sind technisch ausgereift, haben eine lange Lebensdauer und sind eine Wertsteigerung eines Hauses. 9. In welchen Gebieten ist Solarstrom besonders sinnvoll? Gebiete mit hoher Sonneneinstrahlung (langer Sonnenscheindauer und möglichst großem Einstrahlwinkel wie z. B. in der Wüste Sahara). 10. Was sind Nachteile der Solarzelle? Solarenergie ist abhängig vom Wetter. Solarenergie ist nur tagsüber nutzbar. Für Solarmodule benötigt man große Flächen (Ausnahme auf dem Dach eines Hauses, da diese Fläche sonst nicht benutzt wird) Die Herstellung von Solarmodulen ist teuer. 11. Wer gilt als der Erfinder der Solarzelle? Alexandre Edmund Becquerel beobachtete, dass eine Batterie, die in der Sonne steht, eine höhere Leistung hat, als eine im Dunkeln stehende Batterie. Der photovoltaische Effekt konnte 1905 von Albert Einstein mittels der Quantentheorie erklärt werden. Diese besagt, dass Licht sowohl Teilchen als auch Welle ist. Diese Teilchen können, wenn sie genügend Geschwindigkeit besitzen und auf ein Metall treffen, freie Elektronen aus der Metallmatrix lösen und zu einem Elektronenfluss führen. 12. Wann gab es die erste Solarzelle? Die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität wurde 1893 gebaut. Die erste Solarzelle mit Silizium wurde 1954 für die Raumfahrt entwickelt. 13. Erzeugt eine Solarzelle Gleich- oder Wechselstrom? Solarzellen erzeugen Gleichstrom. 14. Wie nennt man das Bauteil, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt? Dieses Bauteil wird als Wechselrichter bezeichnet. 15. Was ist in einem Wechselrichter für PV-Anlagen eingebaut, dass möglichst die maximale Leistung von Solarzellen erreicht wird. In einen Wechselrichter wird ein MPP-Tracker eingebaut, der dann die maximal mögliche Leistung ansteuert. Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 23

24 16. Welche Arten von Solarzellen gibt es? Welche haben den höchsten Wirkungsgrad? Welche sind am preiswertesten? Monokristalline, polykristalline und Dünnschichtsolarzellen Die monokristallinen Solarzellen haben den höchsten Wirkungsgrad (16-18 %) sind aber in der Herstellung am teuersten. Das verbreiteteste Material für Dünnschichtsolarzellen ist amorphes Silizium. Die amorphen Solarzellen sind am preiswertesten, diese haben allerdings nur ein Wirkungsgrad von 6-8 % Verständnisfragen 17. Verhält sich eine Solarzelle in einer Parallel- und Reihenschaltung ähnlich wie andere Spannungsquellen, z. B. eine Batterie? Ja, bei Parallelschaltung bleibt die Spannung und bei Reihenschaltung die Stromstärke gleich. 18. Wenn in einer Reihenschaltung von Solarzellen, eine Solarzelle zerstört wird, ist der Stromfluss dann unterbrochen? Ja, wenn die zerstörte Solarzelle kein Strom mehr leiten kann, ist die gesamte Schaltung lahm gelegt. 19. Wie könnte man das Problem aus der vorherigen Frage lösen? Mit einer Bypass-Diode. 20. Ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit dem eines Dieselmotors vergleichbar? Nein, moderne Dieselmotoren erreichen einen Wirkungsgrad von 45 %. Die zugeführte Energie beim Dieselmotor wird jedoch mittels Brennstoff realisiert, der nur begrenzt verfügbar ist. Der Wirkungsgrad lässt sich somit nicht vergleichen, weil die Sonne eine ganz andere Energiequelle als Dieselbrennstoff ist. 21. Wie verhält sich eine Leistungskennlinie in der Strom- Spannungskennlinie, wenn der Widerstand verdoppelt wird? Die Leistungskennlinie bleibt gleich. 22. Gewusst oder geschätzt? Wie hoch ist die jährlich abgegebene Energie [kwh] einer durchschnittlichen Einfamilienhaus- Photovoltaikanlage? 3000 bis 4000 kwh 23. Wie viele der im Experiment verwendeten Solarmodule werden benötigt, um folgende Geräte zu betreiben? Gerät P [W] Anzahl der Solarmodule Computer 400 W 1000 Autoradio 40 W 100 Handy 2 W 5 Haartrockner 2000 W Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

25 Gerät P [W] Anzahl der Solarmodule Glühlampe 2,4 W Ist es für eine Glühlampe schädlich, wenn zu der oben ausgerechneten Anzahl an Modulen noch 20 Module parallel dazu geschaltet werden? Nein, es ermöglicht eine größere Stromaufnahme der Glühlampe. Die Glühlampe wird nur so viel Strom aufnehmen wie sie zu diesem Zeitpunkt benötigt. Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 25

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27 Alle Experimente im Überblick 3 Windenergie Experiment 1 - Eigenschaften eines Windgenerators kennenlernen Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste In diesem Experiment werden die Schüler typische Eigenschaften eines Windgenerators kennenlernen. Dabei untersuchen sie, welchen Einfluss die Rotorblätterstellung, die Windrichtung und die Anzahl der Rotorblätter auf die elektrische Leistung eines Windgenerators haben. Vor- und Nachteile von Windgeneratoren Fragen zum Experiment leicht Elektrische Stromkreise Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie erkennen, dass die Rotorblätterstellung, die Windrichtung und eine unterschiedliche Anzahl von Rotorblättern die Leistung eines Windgenerators beeinflussen. Die Schüler lernen, wie wichtig genaues Beobachten ist und wie wichtig es ist, die gemachten Beobachtungen kurz und präzise formulieren zu können. Windgenerator Ventilator USB-Data-Monitor - USB-Kabel - PC oder Laptop mit installierter Software 2 Kabel, 1 schwarzes,1 rotes Experiment 2 - Kennlinie eines Windgenerators ermitteln Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste In diesem Experiment werden die Schüler die Kennlinie eines Windgenerators berechnen und zeichnen. Fragen zur Entwicklung von Windgeneratoren mittel Kennlinien als Mittel zur Charakterisierung von Windgeneratoren Die Schüler erweitern ihr Können, indem sie die Kennlinie eines Windgenerators zeichnen. Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie erkennen, dass es einen Wertebereich gibt, in dem der Windgenerator die maximale Leistung liefert. Windgenerator Ventilator USB-Data-Monitor - USB-Kabel - PC oder Laptop mit installierter Software 2 Kabel, 1 schwarzes,1 rotes Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 27

28 Experiment 2 - Kennlinie eines Windgenerators ermitteln TIPP In diesem Experiment können Sie unterschiedliche Aufgaben an die Gruppen verteilen. Zum Beispiel zeichnet Gruppe 1 die Kennlinien bei unterschiedlicher Rotorblätterstellung, Gruppe 2 die Kennlinie bei 45 Grad veränderter Windrichtung und Gruppe 3 bei unterschiedlichen Windstärken auf. 28 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

29 Eigenschaften eines Windgenerators kennenlernen Experiment 1 Abb.3-1 Wie verhalten sich Strom und Spannung bei unterschiedlicher Rotorblätterstellung? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.3-1 abgebildet nachbauen. 2. Alle Rotorblätter an das Windrad anbringen. Dabei die Rotorblätter unangewinkelt anbringen. 3. Ventilator einschalten. Der Ventilator muss direkt gegenüber dem Windgenerator mit einem Abstand von ca. 50 cm aufgestellt werden. 4. Software starten und Reiter WINDGENERATOR wählen. Funktion auf HANDBETRIEB schalten. 5. Die Stellung aller Rotorblätter durch Verdrehen gleichmäßig verändern. 6. Beobachtungen notieren. 7. Rotorblätterstellung finden, bei der der Windgenerator die höchste Leerlaufspannung liefert. Wie verhalten sich Strom und Spannung mit weniger Rotorblättern? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.3-1 abgebildet nachbauen. 2. Ventilator optimal positionieren. 3. Software starten und Reiter WINDGENERATOR wählen. 4. Funktion auf HANDBETRIEB schalten. 5. Die Rotorblätter nacheinander entfernen. Darauf achten, dass sie symmetrisch ausgerichtet sind. 6. Beobachtungen in folgende Tabelle eintragen. Anzahl Rotorblätter U [V] Wie verhalten sich die Messwerte bei unterschiedlicher Windrichtung? 1. Rotorblätter optimal ausrichten. 2. Windgenerator drehen und Messwerte beobachten. Wie verhalten sich die Messwerte, wenn der Luftstrom gestört wird? 1. Windgenerator und Ventilator in Betrieb nehmen. 2. Verschiedene Gegenstände zwischen Ventilator und Windgenerator halten und Messwerte beobachten. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 29

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31 Arbeitsblatt 1 Fragen zum Experiment 1. Wie verhalten sich Strom und Spannung bei unterschiedlicher Rotorblätterstelllung? 2. Wie verhalten sich Strom und Spannung mit weniger Rotorblättern? 3. Wie verhalten sich die Messwerte bei unterschiedlicher Windrichtung? 4. Wie verhalten sich die Messwerte, wenn der Luftstrom gestört wird? Allgemeine Fragen 5. Was ist Windenergie? 6. Was ist eine Windkraftanlage? 7. Was ist ein Windgenerator? 8. Was sind die Vorteile von Windenergie? 9. Was sind die Nachteile von Windkraft? 10. Welche Gefahren können bei der Nutzung von Windkraftanlagen entstehen? Verständnisfragen 11. Wieso ist das Thema Windenergie in der Politik stark umstritten, obwohl es doch sehr umweltfreundlich ist? 12. Warum haben die meisten Windkraftanlagen nur 3 Rotorblätter? 13. Was sind Gemeinsamkeiten einer Windmühle und einer Windkraftanlage? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 31

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33 Lösungen 1 Fragen zum Experiment 1. Wie verhalten sich Strom und Spannung bei unterschiedlicher Rotorblätterstelllung? Der Neigungswinkel der Rotorblätter hat einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung eines Windgenerators. Sind die Rotorblätter ungünstig ausgerichtet, kann es sein, dass sich der Rotor nicht dreht. 2. Wie verhalten sich Strom und Spannung mit weniger Rotorblättern? Anzahl Rotorblätter U [V] 3,2 3, An diesem kleinen Windgenerator ist es besser, mehrere Rotorblätter zu verwenden. Bei großen Windkraftanlagen sind mehr als 3 Rotorblätter eher ungünstig. Der wesentliche Unterschied zu einer heute üblichen Windkraftanlage ist das aerodynamische Wirkprinzip: der Windgenerator aus dem Clean Energy Trainer ist ein Widerstandsläufer (glatte Flügel) vergleichbar zu Windrädern ( Westernmills, teilweise heute noch in den USA und Australien verwendet). Bei diesem Prinzip gilt je mehr desto besser, in der Praxis sind dreißig Rotorblätter üblich, bis zu 150 möglich. Bei heutigen Windkraftanlagen sind die Rotorblätter ähnlich wie Flugzeugtragflächen geformt. Wegen dem daraus entstehenden Auftrieb werden sie Auftriebsläufer genannt. Die optimale Rotorblattanzahl liegt hier aus mechanischen Gründen bei 3. Aerodynamisch sind auch Konstruktionen mit 1, 2 oder mehr als 3 Rotorblättern möglich. 3. Wie verhalten sich die Messwerte bei unterschiedlicher Windrichtung? Der Windgenerator dreht sich am besten, wenn der Rotor rechtwinklig zur Windrichtung ausgerichtet ist. 4. Wie verhalten sich die Messwerte, wenn der Luftstrom gestört wird? Die Strom- und Spannungswerte sinken deutlich. Allgemeine Fragen 5. Was ist Windenergie? Luftmassen, die sich bewegen, verfügen über kinetische Energie. Ähnlich wie Wassermassen, die sich bewegen. Diese kinetische Energie wird seit alters her vom Menschen genutzt, z. B. für Wind- und Wassermühlen. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 33

34 6. Was ist eine Windkraftanlage? Eine Windkraftanlage nutzt die kinetische Energie der Luftmassen und wandelt diese in elektrische Energie um. 7. Was ist ein Windgenerator? Als Windgenerator bezeichnen wir im Clean Energy Trainer unsere kleine Windkraftanlage. Windgeneratoren sind in der Regel kleine Windkraftanlagen, die über einen einfachen Aufbau und keine Anbindung ans Stromnetz verfügen. 8. Was sind die Vorteile von Windenergie? Windkraftanlagen verwenden die Energie aus bewegter Luft, um elektrischen Strom zu erzeugen. Wind wird es immer geben solange die Sonne existiert und steht kostenlos zur Verfügung. Windkraftanlagen erzeugen keine schädlichen Abgase. 9. Was sind die Nachteile von Windkraft? Es ist schwer vorhersehbar wann und wo viel Wind weht. Aufgrund begrenzter Kapazitäten im Stromnetz kann bei starkem Wind nicht ausreichend Energie von manchen Windkraftanlagen weggeführt werden. Diese Windkraftanlagen können dann weniger Energie erzeugen als möglich und müssen bei Überlastung der Stromnetze zum Teil sogar abgeschaltet werden. Windkraftanlagen können schöne Landschaftsbilder zerstören. Die Konstruktion Offshore ist aufwendig und teuer. Durch die bewegenden Rotorblätter wird ein surrendes Geräusch erzeugt, das von vielen Tieren und auch Menschen als lästig empfunden wird. Moderne Windkraftanlagen sind aerodynamisch so optimiert, dass die Geräuschentwicklung stark reduziert wird. 10. Welche Gefahren können bei der Nutzung von Windkraftanlagen entstehen? Die Rotorblätter können bei unkontrollierter Belastung so beschleunigen, dass die resultierende Kraft so hoch sein kann, dass die Anlage zerbricht. Im Winter könnten gefrorene Eisblöcke von der Anlage herunterfallen oder herumgeschleudert werden. In der Regel gibt es auch hierfür eine Abschaltautomatik. Verständnisfragen 11. Wieso ist das Thema Windenergie in der Politik stark umstritten, obwohl es doch sehr umweltfreundlich ist? 34 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

35 Viele sehen Windenergie als unrentabel. Windkraftanlagen würden die Landschaft zerstören aber wenig Energie erzeugen. Vielfach wird die von Windparks ausgehende Beeinflussung der Tierwelt als problematisch gesehen. Energiepolitik ist stark mit Lobbyarbeit verbunden; daher müssen in Diskussionen über Vor- und Nachteile immer besonders sämtliche Interessen der jeweiligen Befürworter und Gegner hinterfragt werden. 12. Warum haben die meisten Windkraftanlagen nur 3 Rotorblätter? Die Rotorblätter einer Windkraftanlage können Durchmesser bis zu 100 m bilden und bis zu 20 Tonnen schwer sein. Je mehr Rotorblätter, desto höher die Trägheit des Rotors, denn je höher die Masse, desto höher die Trägheit. Die Windkraftanlage käme also bei 5 oder 6 Rotorblätter deutlich langsamer in Bewegung. Heutzutage besitzen die meisten Windkraftanlagen 3 Rotorblätter. Dass diese Anzahl am effektivsten ist, wurde anhand mehrerer Versuchsobjekte über mehrere Jahre ermittelt. 13. Was sind Gemeinsamkeiten einer Windmühle und einer Windkraftanlage? Windmühlen nutzen ebenfalls die Windenergie und gelten als Vorläufer der Windkraftanlagen. Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 35

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37 Kennlinie eines Windgenerators ermitteln Experiment 2 Abb.3-2 Wie kann die maximale Leistung eines Windgenerators erreicht werden? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.3-2abgebildet nachbauen. 2. Windgenerator mit 3 Rotorblättern verwenden. 3. Windgenerator und Neigungswinkel der Rotorblätter so ausrichten, dass eine möglichst hohe Leerlaufspannung erreicht wird. 4. Software starten und Reiter WINDGENERATOR auswählen. 5. Ventilator einschalten (Stufe 2). 6. Funktion auf AUTOMATIKBETRIEB schalten und Messung starten. 7. Strom- und Spannungswerte in einer Tabelle aufnehmen und die Leistung berechnen. Die Leistung wird mit der Formel berechnet. 8. Leistungs-Spannungskennlinie zeichnen. In der Software auf LEISTUNGSGRAPH klicken und mit der gezeichneten Leistungskennlinie vergleichen. 9. Windkraftanlage mit 6 Rotorblättern ausrüsten. 10. Ventilator auf Stufe 3 stellen. 11. Windgenerator und Neigungswinkel der Rotorblätter so ausrichten, dass eine möglichst hohe Leerlaufspannung erreicht wird. 12. Funktion AUTOMATIKBETRIEB auswählen. 13. Strom- und Spannungswerte in einer Tabelle aufnehmen und die Leistung berechnen. 14. Leistungs-Spannungskennlinie zeichnen. 15. Maximalen Arbeitspunkt aus den Leistungs-Spannungskennlinien ermitteln. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 37

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39 Arbeitsblatt 2 Fragen zum Experiment 1. Wie kann die maximale Leistung des Windgenerators erreicht werden? 2. Wie sieht die Leistungs-Spannungskennlinie auf Stufe 2 aus? 3. Wie sieht die Leistungs-Spannungskennlinie auf Stufe 3 aus? 4. Wie lässt sich die maximale Leistung des Windgenerators bestimmen? Allgemeine Fragen 5. Wann kam der Mensch auf die Idee Windenergie für sich zu nutzen? 6. Wann gab es die erste Windkraftanlage zur Stromerzeugung? 7. Welches Land hat die hat die größte installierten Gesamtleistung von Windkraftanlagen? 8. Wie viel Raumfläche wird benötigt, um ein MW Windenergie zu erzeugen? 9. Wie viel Fläche wird ein Windpark einnehmen, um ein Atomkraftwerk (1700 MW) zu ersetzen? 10. Wie viel Prozent der Fläche von Deutschland würde ein Windpark einnehmen, der alle Atomkraftwerke in Deutschland ersetzt? 11. Was ist eine Volllaststunde? Verständnisfragen 12. Wie entsteht Wind? 13. Hat die Sonneneinstrahlung am Äquator einen Einfluss auf den Wind in Europa? 14. Lassen sich Vorhersagen treffen, dass die Energiequelle Wind unerschöpflich ist? 15. Warum werden Windkraftanlagen in Küstennähe gebaut? Warum weht in Küstennähe mehr Wind? 16. Wie hoch sind die Kosten bei einer Windkraftanlage pro installiertem kw? 17. Wann amortisieren sich Windkraft- und Solaranlagen? 18. Warum benötigt eine Windkraftanlage ein Getriebe? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 39

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41 Lösungen 2 Fragen zum Experiment 1. Wie kann die maximale Leistung des Windgenerators erreicht werden? Anzahl der Rotorblätter möglichst hoch wählen, Neigungswinkel und Abstand und Ausrichtung des Ventilators optimieren. 2. Wie sieht die Leistungs-Spannungskennlinie auf Stufe 2 aus? P / mw U / V 3. Wie sieht die Leistungs-Spannungskennlinie auf Stufe 3 aus? P / mw U / V 4. Wie lässt sich die maximale Leistung des Windgenerators bestimmen? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 41

42 Aus Punkt 8 des Experiments ergibt sich die Leistungs- Spannungskennlinie. Das Maximum ist die maximale Leistung. Allgemeine Fragen 5. Wann kam der Mensch auf die Idee Windenergie für sich zu nutzen? Die Nutzung der Windenergie begann schon 1000 J. vor unserer Zeitrechnung, um Segelschiffe vorwärts zu bewegen. Die Nutzung der Windenergie durch Mühlen oder Wasserpumpen wurde erstmals in Persien und Mesopotamien (Ost- Asien) im 10 Jh. genutzt. In Europa kamen Windmühlen im 12 Jh. zum Einsatz. 6. Wann gab es die erste Windkraftanlage zur Stromerzeugung? Im Jahre 1888 baute Charles F. Brush die erste vollautomatische Windkraftanlage zur Stromerzeugung in Amerika. Der Rotor hatte ein Durchmesser von 17 Metern mit 144 Rotorblättern. 7. Welches Land hat die hat die größte installierten Gesamtleistung von Windkraftanlagen? USA: MW China: MW Deutschland: MW 8. Wie viel Raumfläche wird benötigt, um ein MW Windenergie zu erzeugen? Es können nicht beliebig viele Windkraftanlagen hintereinander aufgestellt werden, da sie sich sonst gegenseitig abschatten würden. Der Mindestabstand in Hauptwindrichtung sollte dem achtfachen des Rotordurchmessers entsprechen, der Mindestabstand quer zum Wind sollte viermal so groß sein, wie der Rotordurchmesser. Der Flächenbedarf liegt (hier schwanken die Werte stark - abhängig von der Leistungsklasse und dem Standort der Anlage) bei ca. 250 m² pro Megawatt. 9. Wie viel Fläche wird ein Windpark einnehmen, um ein Atomkraftwerk (1700 MW) zu ersetzen? 1700 MW * 250 m²= m² m ² = 0,425 km² (Im Vergleich zu einem Kernkraftwerk mit 1700 MW) (Die Rechnung bezieht sich auf die theoretisch maximale Leistung eines Windparks) 10. Wie viel Prozent der Fläche von Deutschland würde ein Windpark einnehmen, der alle Atomkraftwerke in Deutschland ersetzt? Gesamtleistung der Kernkraftwerke: MW MW * 250 m² 5,364 km² (das sind 752 Fußballfelder) Gesamtfläche von Deutschland: km² 42 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

43 0,002 % (Die Rechnung bezieht sich auf die theoretisch maximale Leistung eines Windparks) 11. Was ist eine Volllaststunde? 1 Volllaststunde liegt dann vor, wenn eine Windkraftanlage eine Stunde mit voller Nennleistung läuft. Wenn also eine 1000 kw-anlage im Jahr kwh Strom erzeugt, sind das 1800 Volllaststunden. Übrigens: Das Jahr hat 8760 Stunden. Verständnisfragen 12. Wie entsteht Wind? Die Sonne heizt die Erdoberfläche unterschiedlich auf. Am Äquator ist die Intensität der Sonnenstrahlung sehr hoch. Daher heizt sich dort die bodennahe Luft sehr stark auf und steigt dann in höhere Schichten der Atmosphäre. Dort entsteht dann ein höherer Luftdruck als in der Umgebung. Da ein System immer darauf bedacht ist, ein Gleichgewicht herzustellen, ist das System Atmosphäre bestrebt, den Luftdruck auszugleichen. So entsteht Wind. 13. Hat die Sonneneinstrahlung am Äquator einen Einfluss auf den Wind in Europa? Obwohl uns der Äquator sehr weit weg erscheint, hat die Sonneneinstrahlung am Äquator Einfluss auf den Wind in Europa. Naturgemäß bewegt sich Luft mit einem höheren Druck immer in die Richtung des tieferen Druckes, um ein Gleichgewicht herzustellen. Das heißt, dass die Luft, die am Äquator aufgeheizt und in höhere Schichten der Atmosphäre aufgestiegen ist, bestrebt ist, sich mit Luftmassen mit niedrigerer Temperatur und Luftdruck auszugleichen. Es kommt zu Luftbewegungen, die auch in Europa zu spüren sind. 14. Lassen sich Vorhersagen treffen, dass die Energiequelle Wind unerschöpflich ist? Solange es die Sonne gibt und die Erde sich durch sie erwärmt, wird es Wind geben. 15. Warum werden Windkraftanlagen in Küstennähe gebaut? Warum weht in Küstennähe mehr Wind? In Küstennähe sind Winde durch die deutlich unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit von Meer und Land und die damit verbundenen Luftmassenbewegungen garantiert. Das Land erwärmt sich tagsüber viel schneller als das Meer. Aus diesem Grund steigt die warme Luft oberhalb des Landes schnell nach oben auf. Dies bewirkt einen Druckabfall, der durch einströmende Luft vom Meer ausgeglichen wird. Nachts entsteht der umgekehrte Effekt. 16. Wie hoch sind die Kosten bei einer Windkraftanlage pro installiertem kw? Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 43

44 Die Kosten reduzieren sich von Jahr zu Jahr. Im Jahre 2010 lagen die Kosten für Anlagen in der Größenordnung von kw Nennleistung bei Euro pro installiertem kw. Das heißt, eine Anlage mit 1 MW Nennleistung kostet Euro. 17. Wann amortisieren sich Windkraft- und Solaranlagen? Unter Berücksichtigung sämtlicher Aufwendungen für die Herstellung und den Aufbau einer Windkraftanlage amortisieren sich Windkraftanlagen bereits nach wenigen Monaten. Diese Werte hängen jedoch sehr vom Standort ab. Die Amortisierung von Photovoltaikanlagen hängt ebenfalls vom Typ und Standort der Photovoltaikanlage ab. Werte von 2 7 Jahren müssen einkalkuliert werden. 18. Warum benötigt eine Windkraftanlage ein Getriebe? Die meisten Windkraftanlagen benötigen ein Getriebe, da die verwendeten Generatoren deutlich höhere Drehzahlen benötigen als der Rotor zur Verfügung stellen kann. Das Getriebe erhöht die Drehzahl vom Rotor zum Generator. Es gibt jedoch auch Windkraftanlagen ohne Getriebe. 44 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

45 Alle Experimente im Überblick 4 Elektrolyse Experiment 1 - Eigenschaften von Wasser bei einer Elektrolyse beobachten Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste In diesem Experiment werden die Schüler eine Elektrolyse mit einem Elektrolyseur durchführen. Im weiteren Schritt werden die Schüler die Zersetzungsspannung von Wasser untersuchen. Historische Entwicklung der Elektrolyse Gefahren von Wasserstoff Funktion eines Elektrolyseurs leicht Messkurven aufnehmen Die Schüler erweitern ihr Können, indem sie experimentell herausfinden, wie eine Elektrolyse funktioniert. Anhand eines Experiments finden sie den chemischen Aufbau von Wasser heraus. Die Schüler lernen, wie wichtig genaues Beobachten in der Wissenschaft ist und wie wichtig es ist, die gemachten Beobachtungen kurz und präzise formulieren zu können. Elektrolyseur 2 Speicher 4 Schläuche 2 schwarze Verschlusskappen destilliertes Wasser USB-Data-Monitor - USB-Kabel - Netzteil 6 V - PC oder Laptop mit installierter Software 2 Kabel, 1 schwarzes,1 rotes Experiment 2 - Kennlinie eines Elektrolyseurs ermitteln Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel In diesem Experiment werden die Schüler/-innen untersuchen, wie die Kennlinie eines Elektrolyseurs verläuft. Allgemeine Fragen zu Wasser und zur Elektrolyse mittel Kennlinien aufnehmen Elektrische Stromkreise Die Schüler erweitern ihre Kompetenz, indem sie eine Kennlinie eines Elektrolyseurs zeichnen und erkennen können. Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie erkennen, dass es einen Wertebereich gibt, in dem der Elektrolyseur die maximale Leistung liefert. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 45

46 Experiment 2 - Kennlinie eines Elektrolyseurs ermitteln Checkliste Elektrolyseur 2 Speicher 4 Schläuche 2 schwarze Verschlusskappen destilliertes Wasser USB-Data-Monitor - USB-Kabel - Netzteil 6V - PC oder Laptop mit installierter Software 2 Kabel, 1 schwarzes, 1 rotes Experiment 3 - Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs berechnen Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste In diesem Experiment werden die Schüler/-innen den energetischen Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs berechnen. Allgemeine Fragen und Berechnungen zum Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs mittel Messkurven aufnehmen Elektrische Stromkreise Umgang mit einem Elektrolyseur (Vorführung durch Lehrkraft) Rechnen mit mehreren physikalischen Einheiten Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie den energetischen Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs berechnen können. Elektrolyseur 2 Speicher 4 Schläuche 2 schwarze Verschlusskappen destilliertes Wasser USB-Data-Monitor - USB-Kabel - Netzteil 6V - PC oder Laptop mit installierter Software 2 Kabel, 1 schwarzes, 1 rotes 46 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

47 Eigenschaften von Wasser bei einer Elektrolyse beobachten Experiment 1 Abb.4-1 Was passiert mit Wasser bei einer Elektrolyse? 1. Versuchsaufbau wie in Abb. 6-2 abgebildet nachbauen. 2. Beide Speicher bis zur 0 cm³-marke mit destilliertem Wasser füllen. 3. Ausgänge der Speicher mit Verschlusskappen verschließen. 4. Software starten und Reiter ELEKTROLYSEUR wählen. 5. Funktion HANDBETRIEB auswählen. 6. Spannung auf einstellen. 7. Erzeugte Menge Wasser- und Sauerstoff an folgenden Zeitpunkten ablesen. Zeit [min] Strom [ma] Wasserstoff [cm³] Sauerstoff [cm³] Spannung auf einstellen. 9. Erzeugte Menge Wasser- und Sauerstoff an folgenden Zeitpunkten ablesen. Zeit [min] Strom [ma] Wasserstoff [cm³] Sauerstoff [cm³] Ab welcher Spannung fängt Wasser an, sich in Wasserund Sauerstoff zu zersetzen? 1. Versuchsaufbau wie in Abb. 6-2 abgebildet nachbauen. 2. Beide Speicher bis zur 0 cm³-marke mit destilliertem Wasser füllen. 3. Ausgänge der Speicher mit Verschlusskappen verschließen. 4. Software starten und Reiter ELEKTROLYSEUR wählen. 5. Funktion HANDBETRIEB auswählen und Elektrolyse starten. 6. Spannung in 0,2 V Schritten erhöhen und Stromwerte ablesen. Dabei den Wasserstoff- und Sauerstoffspeicher beobachten. 7. Messwerte und Beobachtungen notieren. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 47

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49 Arbeitsblatt 1 Fragen zum Experiment 1. Was passiert mit Wasser bei einer Elektrolyse? 2. Ab welcher Spannung fängt Wasser an, sich in Wasser- und Sauerstoff zu zersetzen? 3. Würde die beim Experiment erzeugte Menge Wasserstoff ausreichen, um eine Explosion zu verursachen? 4. Ist die theoretische Zersetzungsspannung vom Elektrolyseur oder vom Wasser abhängig? 5. Warum wurde doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff erzeugt? 6. Besteht ein Unterschied zwischen der beobachteten und der theoretischen Zersetzungsspannung? Wenn ja, warum? 7. Ist die Erzeugung von Wasser- und Sauerstoff bei einer Elektrolyse konstant? Allgemeine Fragen 8. Wie nennt man das Zerlegen einer stromleitenden Flüssigkeit bei Anlegen einer Spannung? 9. Wann wurde die Elektrolyse zum ersten Mal entdeckt? 10. Ist Wasserstoff gefährlich? 11. Ab welcher Spannung fängt Wasser an, sich zu zersetzen (theoretische Zersetzungsspannung)? 12. Woraus kann Wasserstoff gewonnen werden? Gibt es mehrere Möglichkeiten? Verständnisfragen 13. Ist Wasserstoff auch als Brennstoff für Flugzeuge denkbar? 14. Ab welcher Spannung fängt ein Elektrolyseur an, das Wasser zu spalten? 15. Was genau passiert bei einer Elektrolyse? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 49

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51 Lösungen 1 Elektrolyse mit 1,8 V Elektrolyse mit 2,0 V Zersetzungsspannung von Wasser Fragen zum Experiment 1. Was passiert mit Wasser bei einer Elektrolyse? Zeit [min] Strom [ma] Wasserstoff [cm³] Sauerstoff [cm³] 1 0,8 7 3,5 2 0, , ,5 4 0, Zeit [min] Strom [ma] Wasserstoff [cm³] Sauerstoff [cm³] 1 1, , Ab welcher Spannung fängt Wasser an, sich in Wasser- und Sauerstoff zu zersetzen? Spannung [V] Strom [A] Beobachtung 0 0,014 0,2 0,014 0,4 0,014 0,6 0,014 0,8 0, ,014 1,2 0,014 1,4 0,014 1,6 0,054 Bläschen im Elektrolyseur 1,8 0,830 beschleunigte Produktion von 2 1,620 beschleunigte Produktion von 3. Würde die beim Experiment erzeugte Menge Wasserstoff ausreichen, um eine Explosion zu verursachen? Ja, eine kleine Knallgasreaktion ist möglich. 4. Ist die theoretische Zersetzungsspannung vom Elektrolyseur oder vom Wasser abhängig? Die theoretische Zersetzungsspannung ist generell vom Stoff abhängig. 5. Warum wurde doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff erzeugt? Im Wasser sind pro Sauerstoffatom zwei Wasserstoffatome vorhanden. 6. Besteht ein Unterschied zwischen der beobachteten und der theoretischen Zersetzungsspannung? Wenn ja, warum? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 51

52 Die beobachtete Zersetzungsspannung ist höher als die theoretische Zersetzungsspannung. Den Unterschied nennt man Überspannung. Die Überspannung kann als kinetische Hemmung, also Abbremsung der Reaktion verstanden werden. 7. Ist die Erzeugung von Wasser- und Sauerstoff bei einer Elektrolyse konstant? Ja, wenn der zugeführte Strom (und die zugeführte Spannung) konstant bleibt. Allgemeine Fragen 8. Wie nennt man das Zerlegen einer stromleitenden Flüssigkeit bei Anlegen einer Spannung? Diesen Prozess nennt man Elektrolyse. 9. Wann wurde die Elektrolyse zum ersten Mal entdeckt? Die Elektrolyse wurde im Jahr 1800 von Alessandro Volta entdeckt (Voltasche Säule). 10. Ist Wasserstoff gefährlich? Nicht gefährlicher als z. B Erdgas oder ein Luft-Benzin- Gemisch. Wasserstoff ist entzündlich und kann zusammen mit Sauerstoff zu Explosionen führen. Grundsätzlich müssen alle Energieträger mit entsprechender Vorsicht verwendet werden. Wasserstoff ist ungiftig. 11. Ab welcher Spannung fängt Wasser an, sich zu zersetzen (theoretische Zersetzungsspannung)? 1,23 V (bei 25 C) 12. Woraus kann Wasserstoff gewonnen werden? Gibt es mehrere Möglichkeiten? Aus einer Elektrolyse von Wasser. Aus Kohlenwasserstoffen durch Dampfreformieren, durch das Kvaernerverfahren, Chlor- Alkali-Elektrolyse, thermochemische Verfahren oder photobiologisch durch Algen. Verständnisfragen 13. Ist Wasserstoff auch als Brennstoff für Flugzeuge denkbar? Ja, das ist denkbar, es gab schon mehrere Projekte, in denen Wasserstoff als Brennstoff für Flugzeuge zum Einsatz kam, z. B. Cyroplane oder Hydrogenius. 14. Ab welcher Spannung fängt ein Elektrolyseur an, das Wasser zu spalten? Ab ca. 1,5 V ist eine deutliche Gasbildung zu beobachten. Theoretisch liegt dieser Wert bei 1,23 V, jedoch muss die Überspannung bei dieser Reaktion noch berücksichtigt werden. Überspannung resultiert aus mehreren materialspezifischen Faktoren und kann als eine Art von Aktivierungsenergie aufgefasst werden. 52 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

53 15. Was genau passiert bei einer Elektrolyse? Bei der Elektrolyse wird ein Elektrolyt (dieser kann fest oder flüssig sein oder aus einer Schmelze bestehen) durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zersetzt. Dabei werden an der Kathode (Minuspol, Reduktion) Wasserstoff und edle Metalle abgeschieden, Kationen werden entladen. An der Anode (Pluspol, Oxidation) werden Sauerstoff und Chlor (bei chloridhaltigen Lösungen) abgeschieden. An der Anode werden die Anionen entladen. Bei der Elektrolyse von wässrigen Lösungen wird stets auch Wasser zersetzt. Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 53

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55 Kennlinie eines Elektrolyseurs ermitteln Experiment 2 Wie verlaufen die Kennlinien des Elektrolyseurs? Abb. 4-2 Versuchsaufbau Elektrolyse 1. Versuchsaufbau wie in Abb. 4-2 Versuchsaufbau Elektrolyse abgebildet nachbauen. 2. Beide Speicher bis zur 0 cm³-marke mit destilliertem Wasser füllen. 3. Ausgänge der Speicher mit Verschlusskappen verschließen. 4. Software starten und Reiter ELEKTROLYSEUR wählen. 5. Funktion HANDBETRIEB auswählen. 6. Spannung auf einstellen. 7. Spannung wie in folgender Tabelle angegeben erhöhen und Stromwerte eintragen. U [V] I [A] P [W] U [V] I [A] P [W] U [V] I [A] P [W] 0 1,5 1,8 0,8 1,6 1,9 1,2 1, Spannung und Strom in eine Strom- Spannungskennlinie eintragen und anschließend die Punkte verbinden. 9. Leistung und Strom in eine Strom -Leistungskennlinie eintragen und anschließend die Punkte verbinden. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 55

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57 Arbeitsblatt 2 Fragen zum Experiment 1. Wie verlaufen die Kennlinien des Elektrolyseurs? 2. Ab welcher Spannung fing im Elektrolyseur Strom an zu fließen? 3. Wie ist dieser späte Stromfluss zu erklären? Was lässt sich generell über die Kennlinie des Elektrolyseurs sagen? Allgemeine Fragen 4. Was ist destilliertes Wasser? 5. Gibt es noch andere Anwendungen der Elektrolyse? Verständnisfragen 6. Warum brennt Wasserstoff aber Wasser nicht? Obwohl in Wasser noch mehr Sauerstoff vorhanden ist. 7. Welche Vorteile hat Wasserstoff gegenüber Erdgas? 8. Ist destilliertes Wasser stromleitend? 9. Benötigt eine Elektrolyse Gleich- oder Wechselspannung? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 57

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59 Lösungen 2 Tabelle 1 Strom- Spannungskennlinie Fragen zum Experiment 1. Wie verlaufen die Kennlinien des Elektrolyseurs? U [V] I [A] P [W] U [V] I [A] P [W] U [V] I [A] P [W] 0 0 1,5 0,015 0,02 1,8 0,8 1,44 0,8 0 1,6 0,16 0,25 1,9 0,9 1,71 1,2 0 1,7 0,38 0,65 2 1,4 2,8 I/ A 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 U / V Leistungs- Spannungskennlinie P/ W 2,0 1,4 1,2 0,8 0,4 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 U / V Ab welcher Spannung fing im Elektrolyseur Strom an zu fließen? Ab ca. 1,5 V. 2. Wie ist dieser späte Stromfluss zu erklären? Was lässt sich generell über die Kennlinie des Elektrolyseurs sagen? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 59

60 Die Kennlinie verläuft nicht durch den Nullpunkt, und steigt erst ab ca. 1,5 V. Ab 1,6 V steigt der Strom exponentiell an. Die Zersetzungsspannung von Wasser muss erreicht werden, damit ein Strom fließen kann. Diese liegt theoretisch bei 1,23 V, in der Praxis liegt dieser Wert bei etwa bei 1,4 bis 1,6 V. Allgemeine Fragen 3. Was ist destilliertes Wasser? Destilliertes Wasser ist reines Wasser ( ohne Verunreinigungen. Destilliertes Wasser ist Wasser, das zunächst in Wasserdampf überführt und dann wieder kondensiert wird. Dabei verbleiben alle Fremdstoffe in der Vorlage. Im Destillat befindet sich reines Wasser. 4. Gibt es noch weitere Anwendungen der Elektrolyse? Die Elektrolyse wird vornehmlich zur Gewinnung von Halogengasen (z. B. Chlor) sowie zur Gewinnung von unedlen Metallen wie Natrium oder Aluminium (Schmelzelektrolyse) angewendet. Verständnisfragen 5. Warum brennt Wasserstoff aber Wasser nicht? Obwohl in Wasser noch mehr Sauerstoff vorhanden ist. Eine Verbrennung ist eine Oxidation. Wenn Wasserstoff oxidiert wird, entsteht Wasser. Wasser ist also schon das Produkt der Verbrennung von Wasserstoff. 6. Welche Vorteile hat Wasserstoff gegenüber Erdgas? Wasserstoff hat eine höhere Innere Energie. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen keine schädlichen Produkte. Wasserstoff ist nicht giftig, CO 2 -neutral und ein reversibler Energieträger. 7. Ist destilliertes Wasser stromleitend? Nein, die Leitfähigkeit von destilliertem Wasser ist vernachlässigbar. Erst durch Zusatz von Ionen wird Wasser zu einem elektrischen Leiter. 8. Benötigt eine Elektrolyse Gleich- oder Wechselspannung? Die Elektrolyse benötigt Gleichspannung. Bei einer Wechselspannung würde die Polarität der Elektroden ständig wechseln und eine gleichbleibende Aufladung der Anode und Kathode wäre nicht möglich. 60 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

61 Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs berechnen Experiment 3 Abb.4-3 Wie hoch ist der energetische Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.4-3 abgebildet nachbauen. 2. Beide Speicher bis zur 0 cm³-marke mit destilliertem Wasser füllen. 3. Software starten. 4. Sauerstoff- und Wasserstoffauslass verschließen. 5. Spannung auf 1,8 V stellen. 6. Nach 2 Minuten Wasser- und Sauerstoffauslass für 5 Sekunden öffnen. 7. Wasserstand überprüfen. Das Wasser muss in beiden Behältern exakt bei der 0 cm³-marke liegen. Bei Bedarf nachfüllen. 8. Wasser- und Sauerstoffauslass schließen. 9. Spannung auf 1,8 V stellen und sofort mit der Zeitmessung beginnen. Wasserstoffmenge [cm³] Zeit [s] 10. Werte in ein Volumen-Zeit-Diagramm eintragen. 11. Energetischen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs berechnen. : erzeugte Menge Wasserstoff in m³ : unterer Heizwert von Wasserstoff = Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 61

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63 Arbeitsblatt 3 Allgemeine Fragen 1. Was ist ein energetischer Wirkungsgrad? 2. Wie hoch ist der Heizwert von Wasserstoff? 3. Wie hoch ist der Heizwert von Benzin? 4. Was versteht man unter einer Gaskonstante? Fragen zum Experiment 5. Was kann anhand des Volumen-Zeit-Diagramms festgestellt werden? 6. Warum ist es wichtig, den Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs zu kennen? 7. Was sind Brennwert (oberer Heizwert) und Heizwert (unterer Heizwert)? 8. Was ist ein Mol? Verständnisfragen 9. Was ist der Unterschied zwischen dem Faraday schen und dem energetischen Wirkungsgrad? 10. Was besagt das zweite Faradaysche Gesetz? 11. Welche Rolle spielt der Umgebungsdruck bei der Erzeugung von Wasserstoff? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 63

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65 Lösungen 3 Lösungen zum Experiment Wasserstoffmenge [cm³] Zeit [s] Volumen - Zeitdiagramm V/ cm³ t / s Energetischer Wirkungsgrad Allgemeine Fragen 1. Was ist ein energetischer Wirkungsgrad? Der energetische Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der erzeugten nutzbaren Energie zur eingesetzten Energie. 2. Wie hoch ist der Heizwert von Wasserstoff? =2 = 3. Wie hoch ist der Heizwert von Benzin? 4. Was versteht man unter einer Gaskonstante? Die Gaskonstante ist ein Proportionalitätsfaktor im idealen Gasgesetz. Sie ist für alle idealen Gase gleich. Das ideale Gasgesetz beschreibt das Verhalten von idealen Gasen. Die Gaskonstante ist das Produkt von Boltzmann-Konstante und Avogadro-Konstante. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 65

66 Fragen zum Experiment 5. Was kann anhand des Volumen-Zeit-Diagramms festgestellt werden? Anhand des Volumen-Zeit-Diagramms lässt sich bestimmen, wie viel Wasserstoff bei einer konstanten Strommenge innerhalb einer bestimmten Zeit erzeugt wird. Es lässt sich beobachten, dass die Volumenzunahme direkt proportional zur Zeit ist. 6. Warum ist es wichtig den Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs zu kennen? Wirkungsgrade geben grundsätzlich Auskunft über die Effizienz von Verfahren und Anwendungen. Wirkungsgradbetrachtungen erlauben direkte Vergleiche unterschiedlicher Anwendungen und Verfahren. 7. Was sind Brennwert (oberer Heizwert) und Heizwert (unterer Heizwert)? Die bei der Verbrennung (Oxidation) eines Stoffes frei werdende Energie wird als Brennwert oder auch oberer wert bezeichnet. Es wird dabei auch die Energie eingerechnet, die der von der Verbrennung des Stoffs verursachte Wasserdampf als Kondensationswärme enthält. In herkömmlichen Verbrennungsprozessen ist diese Wärme nicht nutzbar (anders ist es z. B. bei Brennwertthermen, diese nutzen die Kondensationswärme). Der Heizwert oder auch unterer Heizwert lässt diese Kondensationswärme außen vor. Chemiker verwenden für ihre thermodynamischen Betrachtungen vorwiegend den Brennwert, im technischen und physikalischen Bereich wird hauptsächlich der Heizwert für Berechnungen verwendet. 8. Was ist ein Mol? Ein Mol ist die Einheit der Stoffmenge. 1 Mol einer Substanz enthält ebenso viele Teilchen, wie es Kohlenstoffatome in 12 g Kohlenstoff ( 12 C) gibt: 6,022*10 23 gibt. Verständnisfragen 9. Was ist der Unterschied zwischen dem Faraday schen und dem energetischen Wirkungsgrad? Der Faradaysche Wirkungsgrad oder auch Stromwirkungsgrad berechnet sich aus dem experimentell und dem theoretisch zu erwartendem Wasserstoffvolumen.. Der energetische Wirkungsgrad gibt an, wie viel von der eingesetzten Energie auch tatsächlich wieder herauskommt, in diesem Fall, wie viel Energie für die Elektrolyse verwendet wird und wie viel Energie (als Wasserstoff) wieder dabei herauskommt. Je größer der energetische Wirkungsgrad ist, desto besser wurde die Energie genutzt. 10. Was besagt das zweite Faradaysche Gesetz? 66 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

67 Das zweite Faradaysche Gesetz setzt die erzeugte Gasmenge und die dazu eingesetzte Strommenge in Beziehung. Durch die Ladungsmenge von einem Mol Elektronen, wird ein Mol eines einwertigen Ions abgeschieden. Zweites Faraday sches Gesetz: 11. Welche Rolle spielt der Umgebungsdruck bei der Erzeugung von Wasserstoff? Der Umgebungsdruck hat unmittelbaren Einfluss auf die Gasentwicklung. Die entstehenden Gase müssen gegen den Umgebungsdruck aus der Flüssigkeit entweichen. Bezogen auf den Strom wird stets dieselbe Menge Wasserstoff produziert. Jedoch muss bei steigendem Umgebungsdruck eine höhere Spannung angelegt werden, um denselben Strom zu treiben. Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 67

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69 5 Brennstoffzellen Alle Experimente im Überblick Experiment 1 - Erste Erfahrungen mit Brennstoffzellen sammeln Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste Achtung In diesem Experiment werden die Schüler herausfinden wie eine Brennstoffzelle in Betrieb genommen wird. Experimentell erfahren sie, dass eine direkte Sauerstoffzufuhr die Leistung der Brennstoffzelle positiv beeinflusst. Der Wasserstoffverbrauch wird in der Abhängigkeit von der Zeit beobachtet. Der Einfluss direkter Sauerstoffeinströmung wird beobachtet. Speicherung von Wasserstoff und Nachteile einer Brennstoffzelle leicht Umgang mit Volt- und Amperemeter Elektrische Stromkreise Betrieb Elektrolyseur Umgang mit einer Brennstoffzelle (Vorführung durch Lehrkraft) Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie experimentell herausfinden wie eine Brennstoffzelle in Betrieb genommen wird. Brennstoffzelle Elektrolyseur 2 Speicher 6 Verbindungsschläuche USB-Data-Monitor und PC 4 Kabel, 2 rot und 2 schwarz Beschädigung durch Kurzschluss! Spannungsquelle an der Brennstoffzelle zerstören die Membran. Brennstoffzelle ohne Elektrolyseur an USB-Data-Monitor schließen. Tipp Erklären Sie Ihren Schülern was Brennstoffzelle spülen bedeutet. Siehe Lösungen Seite 75 Frage 8. Experiment 2 - Kennlinie einer Brennstoffzelle ermitteln Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse In diesem Experiment werden die Schüler untersuchen, wie die Kennlinie einer Brennstoffzelle verläuft. Hintergrundwissen zur Brennstoffzelle mittel Umgang mit USB-Data-Monitor Messkurven aufnehmen Elektrische Stromkreise Umgang mit einem Elektrolyseur Umgang mit einer Brennstoffzelle Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 69

70 Experiment 2 - Kennlinie einer Brennstoffzelle ermitteln Lernziel Checkliste TIPP Die Schüler erweitern ihre Kompetenz, indem sie eine Kennlinie einer Brennstoffzelle zeichnen und erkennen können. Brennstoffzelle 2Elektrolyseure 4 Speicher 11 Verbindungsschläuche 1 Schlauchklemme USB-Data-Monitor und PC 6 Kabel, 3 rot und 3 schwarz Wenn es bei einzelnen Gruppen zu Funktionsstörungen der Brennstoffzelle kommt, hilft es meistens, die Brennstoffzelle zu spülen, d.h.: den Wasserstoffauslass zu öffnen. Experiment 3 - Energetischen Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle berechnen Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste In diesem Experiment werden die Schüler den energetischen Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle berechnen. Aufbau von Brennstoffzellen schwer Umgang mit Volt- und Amperemeter Elektrische Stromkreise Umgang mit einer Brennstoffzelle (Vorführung durch Lehrkraft) Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie den energetischen Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle berechnen können. Brennstoffzelle Elektrolyseur 2 Speicher 11 Verbindungsschläuche 1 Schlauchklemme USB-Data-Monitor und PC 4 Kabel, 2 rot und 2 schwarz 70 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

71 Erste Erfahrungen mit Brennstoffzellen sammeln Experiment 1 Abb. 5-1 Wie wird eine Brennstoffzelle betrieben? 1. Versuchsaufbau wie in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. abgebildet nachbauen. 2. Wasserstoffauslass der Brennstoffzelle verschließen. 3. Verbraucher von Brennstoffzelle trennen. 4. Software starten. 5. Reiter ELEKTROLYSEUR wählen. 6. Funktion HANDBETRIEB wählen. 7. Elektrolyseur auf 2 V stellen und Elektrolyse in Software stoppen, wenn 30 cm³ erzeugt wurden. 8. Wasserstoffauslass der Brennstoffzelle für 1 Sekunde öffnen, dann wieder verschließen. 9. Erneut Wasserstoff erzeugen. 10. Häuschen an Brennstoffzelle anschließen. 11. Beobachtung notieren. Wie verhält sich der Wasserstoffverbrauch? 12. Häuschen von Brennstoffzelle trennen. 13. Elektrolyseur auf 2 V stellen und 30 cm³ Wasserstoff erzeugen. 14. Elektrolyseur von USB-Data-Monitor abklemmen 15. Brennstoffzelle an USB-Data-Monitor anschließen und in Software auf Reiter BRENNSTOFFZELLE wechseln. 16. In der Software 150 ma einstellen. 18. Versuch wiederholen und auf 300 ma erhöhen. 17. Zeit messen, Wasserstoffverbrauch ablesen und in Tabelle eintragen. Wasserstoffverbrauch [cm³] Kleiner Verbraucher (USB-Data-Monitor 150 ma) [s] Großer Verbraucher (USB-Data- Monitor 300 ma) [s] Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 71

72 Wie verhält sich eine Brennstoffzelle bei direkter Sauerstoffzufuhr? 1. Versuchsaufbau wie in Abb. 5-1 abgebildet nachbauen. 2. Mit Elektrolyseur 30 cm³ Wasserstoff und 15 cm³ Sauerstoff produzieren. 3. Software starten und Reiter BRENNSTOFFZELLE auswählen. Auf Handbetrieb wechseln. 4. Brennstoffzelle mit Wasserstoff versorgen. 5. Sauerstoff direkt vor die Lüftungsschächte der Brennstoffzelle halten und Spannungswerte währenddessen beobachten. 72 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

73 Arbeitsblatt 1 Allgemeine Fragen 1. Wer gilt als Erfinder der Brennstoffzelle? 2. Wie lässt sich die Formel in Worten erklären? 3. Ist es denkbar, Brennstoffzellen in der Raumfahrt einzusetzen. Wurde das schon einmal versucht? 4. In welchen Bereichen werden Brennstoffzellen schon heute sinnvoll eingesetzt? 5. Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es? Fragen zum Experiment 6. Wann und warum ist es wichtig, die Gasauslässe der Brennstoffzelle zu schließen? Warum verbraucht die Brennstoffzelle bei geöffnetem Wasserstoffauslass rasant viel Wasserstoff? 7. Warum musste vor dem Versuch der Verbraucher von der Brennstoffzelle getrennt werden? 8. Was versteht man in Bezug auf Brennstoffzellen unter Spülen? 9. Wie hängt der Wasserstoffverbrauch vom Verbraucher ab? 10. Was ist passiert, als der Brennstoffzelle reiner Sauerstoff zugeführt wurde? 11. Warum ist die Spannung angestiegen? Verständnisfragen 12. Wie ist eine PEM-Brennstoffzelle (PEM = Proton Exchange Membrane) aufgebaut? 13. Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? 14. Wie viel der ursprünglich eingesetzten Energie kann in einer Brennstoffzelle zurück erhalten werden? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 73

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75 Lösungen 1 Lösungen zum Experiment Verbrauchter Wasserstoff [cm³] Dauer mit kleinem Verbraucher (USB-Data- Monitor 150 ma) [s] Allgemeine Fragen 1. Wer gilt als Erfinder der Brennstoffzelle? Dauer mit großem Verbraucher (USB- Data-Monitor 300 ma) [s] Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein anhand der folgenden Reaktion entdeckt. Die Erfindung der Brennstoffzelle wird aber dem Juristen und Physiker Sir William Robert Grove im Jahre 1839 zugeschrieben. 2. Wie lässt sich die Formel in Worten erklären? Diese Formel bringt zum Ausdruck, dass Wasserstoff in seiner elementaren Form mit Sauerstoff zu Wasser reagiert. Diese Reaktion findet erst statt, wenn eine Aktivierungsenergie zugeführt wird. Sie ist exotherm, d. h. es wird Energie freigesetzt. 3. Ist es denkbar, Brennstoffzellen in der Raumfahrt einzusetzen? Wurde das schon einmal versucht? Bei den Apollo-Flügen und den Space Shuttles wurden Brennstoffzellen eingesetzt. In der Raumfahrt werden Brennstoffzellen seit den 1960er Jahren eingesetzt, um Strom, Wärme und Wasser für die Bordsysteme herzustellen. 4. In welchen Anwendungen werden Brennstoffzellen schon heute sinnvoll eingesetzt oder erfolgsversprechend getestet? Brennstoffzellen werden für Fahrzeuge, unterbrechungsfreie Stromversorgung, Sendemasten für Mobilfunknetze, mobile elektrische Geräte (z. B. Laptop), Satelliten sowie in der Raumfahrt eingesetzt. 5. Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 75

76 Alkalische Brennstoffzelle, PEM-Brennstoffzelle, Direktmethanol-Brennstoffzelle, Festoxid-Brennstoffzelle, Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle und Phosphorsäure-Brennstoffzelle Fragen zum Experiment 6. Wann und warum ist es wichtig, die Gasauslässe der Brennstoffzelle zu schließen? Warum verbraucht die Brennstoffzelle bei geöffnetem Wasserstoffauslass rasant viel Wasserstoff? Werden die Auslässe nicht verschlossen, entweicht das Gas in die Umgebung und kann nicht für den Betrieb der Brennstoffzelle genutzt werden. 7. Warum musste vor dem Versuch der Verbraucher von der Brennstoffzelle getrennt werden? Die Brennstoffzelle benötigt Wasserstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Da noch kein Wasserstoff produziert war, musste erst eine kleine Menge erzeugt werden, bevor der Verbraucher angeschlossen werden konnte. 8. Was versteht man in Bezug auf Brennstoffzellen unter Spülen? Warum muss eine Brennstoffzelle regelmäßig gespült werden? Beim Spülen der Brennstoffzelle wird der Wasserstoffauslass der Brennstoffzelle kurzzeitig geöffnet. Da sich während des Betriebes der Brennstoffzelle Verunreinigungen auf der Wasserstoffseite ansammeln können, muss regelmäßig gespült werden, um eine genügend hohe Konzentration des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle zu erhalten. 9. Wie hängt der Wasserstoffverbrauch vom Verbraucher ab? Der Wasserstoffverbrauch steigt proportional mit der Leistung des Verbrauchers. 10. Was ist passiert, als der Brennstoffzelle reiner Sauerstoff zugeführt wurde? Die Spannung ist angestiegen. 11. Warum ist die Spannung angestiegen? Der Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft liegt nur bei 21 %. Eine direkte Zufuhr von Sauerstoff erhöht die Leistung einer Brennstoffzelle Verständnisfragen 12. Wie ist eine PEM-Brennstoffzelle (PEM = Proton Exchange Membrane) aufgebaut? 76 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

77 Die eigentliche Zelleinheit der PEM-Brennstoffzelle besteht aus einer Polymermembran, die auf beiden Seiten mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist und die beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff räumlich trennt. An den Außenseiten der Elektroden liegen Gasflussplatten. Diese Gasflussplatten verfügen über Kanäle, durch die Wasserstoff und Sauerstoff strömen, damit sie mit der gesamten Oberfläche der Elektroden in Berührung kommen. Gleichzeitig kann über diese Kanäle das bei der Energieerzeugung entstehende Wasser abgeführt werden. 13. Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Die grundlegende Funktion der Brennstoffzelle ist die Wandlung der chemischen Energie, die in Wasserstoff und Sauerstoff vorhanden ist, in elektrische Energie. Ist die Brennstoffzelle in Betrieb, findet an der Anode Oxidation, das heißt die Abgabe von Elektronen, statt. An der Kathode kommt es hingegen zu einer Reduktion, das heißt der Aufnahme von Elektronen. Der Brennstoff (Wasserstoff) wird also an der Anode unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Diese Elektronen fließen von der Anode, die dadurch der negative Pol der Zelle wird, durch den äußeren Stromkreis zur Kathode, die dadurch der positive Pol der Zelle wird. Gleichzeitig wandern Wasserstoff-Ionen durch die Polymerelektrolytmembran zur Kathode, um die Ladungen auszugleichen. 14. Wie viel der ursprünglich eingesetzten Energie kann in einer Brennstoffzelle zurück erhalten werden? Durch die Umkehrung der Wasserelektrolyse in einer Brennstoffzelle können etwa 25 % der ursprünglich eingesetzten Energie wieder zurückerhalten werden. Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 77

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79 Kennlinie einer Brennstoffzelle ermitteln Experiment 2 Abb.5-2 Abb. 5-3 Wie verhalten sich der Strom und Spannung in Abhängigkeit vom Verbraucher? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.5-2abgebildet nachbauen. 2. Wasserstoffauslass der Brennstoffzelle verschließen. 3. USB-Data-Monitor von Brennstoffzelle trennen und an Elektrolyseur anschließen, siehe Abb Software starten. 5. Elektrolyseur auf 2 V stellen und 30 cm³ Wasserstoff erzeugen. 6. Wasserstoffauslass der Brennstoffzelle 1 Sekunde öffnen. 7. Erneut 30 cm³ Wasserstoff erzeugen. 8. USB-Data-Monitor von Elektrolyseur trennen und an Brennstoffzelle anschließen. 9. In Software auf Reiter BRENNSTOFFZELLE wechseln. 10. USB-Data-Monitor auf einstellen und an Brennstoffzelle anschließen. 11. Spannung bei immer größer werdendem Strom notieren. I [A] U [V] 12. Werte in eine Strom-Spannungskennlinie eintragen und Punkte verbinden. 13. Werte in eine Strom-Leistungskennlinie eintragen und Punkte verbinden. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 79

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81 Arbeitsblatt 2 Fragen zum Experiment 1. Wie ist der Verlauf der Kennlinie zu erklären? Allgemeine Fragen machte Jules Verne (franz. Schriftsteller) eine interessante Vorhersage. Was sagte er? 2. Was ist eine galvanische Zelle / galvanisches Element? 3. Warum trat die Brennstoffzelle in Vergessenheit, wobei doch absehbar war, dass eines Tages kein Öl und keine Kohle mehr vorhanden sein würden. 4. Welche Möglichkeiten gibt es, den Wasserstoff zu speichern? Verständnisfragen 5. Wenn von Kraftwerken mehr Strom produziert als gebraucht wird, laufen diverse Mechanismen ab, diese Gesamtproduktion zu kontrollieren, unter anderem wird ein Teil dieser Energie gespeichert. Welche Möglichkeiten Energie zu speichern kommen in Betracht? 6. Gibt es auf unserem Planeten Wasserstoff auch in reiner Form? 7. Ein Unternehmen in Deutschland ließ Brennstoffzellen im Kellerraum installieren, um die Brandgefahr zu reduzieren. Wie können Brennstoffzellen die Brandgefahr reduzieren? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 81

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83 Lösungen 2 Strom - Spannungskennlinie Lösungen zum Experiment U / V I / ma Leistungs- Stromkennlinie P / mw I / ma Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 83

84 Fragen zum Experiment 1. Wie ist der Verlauf der Kennlinie zu erklären? Die theoretisch mögliche Spannung einer Wasserstoff- Brennstoffzelle beträgt bei Standardbedingungen 1,23 V. Dieser Wert folgt aus den thermodynamischen Daten der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. In der Anwendung kommt es beim Stromfluss zu Verlusten durch kinetische Hemmungen der Reaktion, Innenwiderstände oder unzureichende Diffusion. Daher liegt die tatsächlich von einer Einzelzelle gelieferte Spannung bei 0,4 bis 0,9 Volt. Die Differenz aus gemessener Spannung und thermodynamisch möglicher Spannung wird als Überspannung bezeichnet. Zu dieser Überspannung tragen verschiedene Faktoren bei: Bei niedrigen Strömen ist die Kennlinie durch katalytische Prozesse bestimmt, die an den Elektroden ablaufen. Der Anstieg des Stroms wird durch die Geschwindigkeit der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff bedingt, d. h. durch die Geschwindigkeit, mit der Elektronen die Kontaktfläche zwischen den Gasmolekülen und Platinkatalysator überqueren. Diese Art von Überspannung heißt Durchtrittsüberspannung (1). Jede Zelle hat einen Innenwiderstand (2), der zum Beispiel durch den Widerstand gegen den Stromfluss im Elektrolyten, die Stromabnehmer und externe Verkabelung verursacht. Bei hohen Strömen ist ein Ohm scher Spannungsabfall zu beobachten, die Spannung nimmt linear mit der Zunahme des Stroms ab. Die Diffusionsüberspannung (3) tritt dann auf, wenn die Gase durch die elektrochemische Reaktion am Katalysator schneller verbraucht werden, als sie durch Diffusion zum Katalysator gelangen können. Ein typisches Anzeichen für diese Diffusionsüberspannung ist ein plötzliches Abknicken der Strom-Spannungs-Kennlinie nach unten. Die Spannung nimmt stark ab, wenn der Strom zunimmt. 84 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

85 U / V 1,0 3 0,8 0,6 0,4 0, I / ma Gelb entspricht einer theoretischen Kennlinie, schwarz einer Kennlinie mit dem Brennstoffzellenstack des Clean Energy Trainer Allgemeine Fragen machte Jules Verne (franz. Schriftsteller) eine interessante Vorhersage. Was sagte er? Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern. 3. Was ist eine galvanische Zelle / galvanisches Element? Eine galvanische Zelle ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Jede Kombination von zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten bezeichnet man als galvanisches Element. Demnach ist die Brennstoffzelle ein galvanisches Element. 4. Warum trat die Brennstoffzelle in Vergessenheit, wobei doch absehbar war, dass eines Tages kein Öl und keine Kohle mehr vorhanden sein würden. Wegen der Erfindung des elektrischen Generators (1866) durch Werner von Siemens geriet die als Galvanische Gasbatterie bezeichnete Erfindung zunächst in Vergessenheit. Die Dynamomaschine war in Verbindung mit der Dampfmaschine bezüglich Brennstoff und Materialien relativ einfach und unkompliziert und wurde daher zu dieser Zeit der komplexen Brennstoffzelle vorgezogen. 5. Welche Möglichkeiten gibt es, den Wasserstoff zu speichern? Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung 85

86 Wasserstoff kann nach derzeitigem Stand als Druckgas, Flüssiggas, Metallhydrid oder an Nanofasern gespeichert werden. Die kostengünstige und ressourcenschonende Speicherung von Wasserstoff ist der entscheidende Punkt in der Durchsetzungsfähigkeit der Wasserstofftechnologie. Verständnisfragen 6. Wenn von Kraftwerken mehr Strom produziert als gebraucht wird, laufen diverse Mechanismen ab, diese Gesamtproduktion zu kontrollieren, unter anderem wird ein Teil dieser Energie gespeichert. Welche Möglichkeiten Energie zu speichern kommen in Betracht? Die Energie wird zur Elektrolyse genutzt, der entstehende Wasserstoff kann dann als Brennstoff für Brennstoffzellen benutzt werden. Wasser wird einen Berg hochgepumpt, um einen Stausee zu füllen. Das oben auf dem Berg gesammelte Wasser kann bei Bedarf zurück ins Tal geführt werden und dabei Turbinen antreiben. 7. Gibt es auf unserem Planeten Wasserstoff auch in reiner Form? Nein, Wasserstoff liegt ausschließlich in gebundener Form, wie z. B. Wasser oder Kohlenwasserstoffen (Biomasse, Erdöl, Erdgas, Kohle,). 8. Ein Unternehmen in Deutschland ließ Brennstoffzellen im Kellerraum installieren, um die Brandgefahr zu reduzieren. Wie können Brennstoffzellen die Brandgefahr reduzieren? Die Brennstoffzelle verringert den Sauerstoffgehalt im Raum und verringert dadurch die Zündwilligkeit der Luft. 86 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

87 Energetischen Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle berechnen Experiment 3 Abb.5-4 Wie hoch ist der energetische Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle 1. Versuchsaufbau wie in Abb.5-4 abgebildet nachbauen. 2. Wasserstoffauslass der Brennstoffzelle schließen. 3. Software starten, auf Reiter ELEKTROLYSE wechseln und15 cm³ Wasserstoff erzeugen. 4. Wasserstoffauslass der Brennstoffzelle für1 Sek. öffnen. 5. Erneut 30 cm³ Wasserstoff erzeugen. 6. Elektrolyseur vom USB-Data-Monitor trennen. 7. Brennstoffzelle an USB-Data-Monitor anschließen, auf Reiter BRENNSTOFFZELLE und Handbetrieb wechseln. 8. Stromwerte vorgeben, Wasserstoffmenge beobachten und mit Zeitmessung beginnen. Wasserstoffmenge [cm³] Abb. 5-5 Zeit [s] Spannung [V] Strom[mA] 9. Werte in ein Volumen-Zeit-Diagramm eintragen 10. Energetischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle berechnen. : unterer Heizwert von Wasserstoff = : erzeugte Menge Wasserstoff in m³ : Mittelwert der Spannung in Volt : Mittelwert des Stroms in Ampere : Zeit in Sekunden Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 87

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89 Arbeitsblatt3 Fragen zum Experiment 1. Was kann man aus der Volumen -Zeitkennlinie erkennen? Allgemeine Fragen 2. Was ist ein energetischer Wirkungsgrad? 3. Aus welchem Material besteht die Membran einer Brennstoffzelle? 4. Welche Eigenschaft muss die Membran einer Brennstoffzelle haben? 5. Welche Stoffe sind für eine Membran geeignet? 6. Warum sind Membranen so teuer? Verständnisfragen 7. Wieso ist die Formel für die Errechnung des energetischen Wirkungsgrades einer Brennstoffzelle die Umkehrfunktion der Formel für die Errechnung des energetischen Wirkungsgrads eines Elektrolyseurs? 8. Welche Aufgabe hat die Membran? 9. Welche Eigenschaft müssen Membranen besitzen. 10. Was bedeutet PEM in Bezug zu Brennstoffzellen? 11. Was passiert mit der Wärme in der Brennstoffzelle? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 89

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91 Lösungen3 Wasserstoffverbrauch einer Brennstoffzelle Lösungen zum Experiment Wasserstoffmenge [cm³] Zeit [s] Spannung [mv] Strom[mA] Energetischer Wirkungsgrad Fragen zum Experiment 1. Was kann man aus dem Volumen-Zeit-Diagramm erkennen? Aus dem Volumen-Zeit-Diagramm lässt sich erkennen, dass der Wasserstoffverbrauch proportional zur gelieferten Leistung steht. Je mehr Leistung die Brennstoffzelle liefert, desto höher der Verbrauch von Wasserstoff. Allgemeine Fragen 2. Was ist ein energetischer Wirkungsgrad? Der energetische Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der abgegebenen nutzbaren Energie zur zugeführten Energie. 3. Was bedeutet PEM in Bezug zu Brennstoffzellen? PEM ist die Bezeichnung für ein Membran in einer Brennstoffzelle. PEM steht für Polymer Elektrolyt Membran, die auch als Proton Exchange Membran bezeichnet wird. Proton Exchange deutet an, dass die Membran protonenleitend, aber nicht elektrisch leitfähig ist. Polymer Elektrolyt deutet an, dass der Elektrolyt ein Polymer also Kunststoff ist. Die Membran sieht aus wie eine Overhead-Folie, ist aber um einiges teurer. 4. Aus welchem Material besteht die Membran einer PEM- Brennstoffzelle? Die am meisten genutzte Polymermembran besteht aus Nafion von der Firma Dupont; andere Membranen basieren auf Polybenzimidazol und Phosphorsäure, wobei das Polybenzimidazol die Matrix für die protonenleitende Phosphorsäure bildet. 5. Welche Eigenschaft muss die Membran einer Brennstoffzelle haben? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 91

92 Die Membran muss für Protonen durchlässig sein. Sie muss die für die beiden reaktiven Gase und Elektronen undurchlässig sein. Verständnisfragen 6. Wieso ist die Formel für die Errechnung des energetischen Wirkungsgrades einer Brennstoffzelle die Umkehrfunktion der Formel für die Errechnung des energetischen Wirkungsgrads eines Elektrolyseurs? Die Reaktion in der Brennstoffzelle ist die Umkehr der Elektrolyse. Bei der Elektrolyse werden Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und entsprechender Spannungs- und Stromversorgung hergestellt. In der Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff unter Gewinnung von Strom wieder zu Wasser zusammengeführt. 7. Warum sind Membranen so teuer? Die Membranen sind mit Platin und anderen Edelmetallen als Katalysatoren für die Zellreaktion versehen. Dies macht den Preis u. a. recht hoch. 8. Was passiert mit der Wärme in der Brennstoffzelle? Im Versuchsaufbau entsteht aufgrund der geringen Leistung nur wenig Wärme, diese wird an die Umgebung abgegeben. Brennstoffzellen mit hoher Leistung müssen gekühlt werden. Bei wassergekühlten Brennstoffzellen kann z.b. die Wärme über einen Kühlkreislauf abgeführt und ggf. über einen Wärmetauscher genutzt werden. 92 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

93 6 Erneuerbare Energiequellen Alle Experimente im Überblick Experiment 1 - Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen gewinnen Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste In diesem Experiment werden die Schüler die Kombination mehrerer erneuerbaren Energiequellen kennenlernen. Dabei wird der Elektrolyseur von Windgenerator und Solarmodul versorgt. Der Elektrolyseur versorgt die Brennstoffzelle mit Wasserstoff. Photovoltaik-Kraftwerke und Brennstoffzellenfahrzeuge leicht Umgang mit Brennstoffzelle und Elektrolyseur Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie experimentell herausfinden, dass eine Kombination mehrerer verschiedener erneuerbarer Energiequellen eine konstante Stromversorgung sicherstellen kann. Solarmodul 1 Lampe 75 W (Strahler) Windgenerator Ventilator (Durchmesser min. 40 cm) Elektrolyseur 5-zelliger Brennstoffzellenstack 10 Kabel, 5 rot und 5 schwarz Experiment 2 - Erneuerbare Energiequellen optimal ausrichten Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse In diesem Experiment werden die Schüler herausfinden, wie eine Kombination aus erneuerbaren Energiequellen an verschiedenen Standorten aufgestellt werden muss, um eine günstige aber gleichzeitig sinnvolle Energiebilanz zu erhalten. Der USB-Data-Monitor simuliert Sonnen- und Windverhältnisse die beliebig kombiniert werden können, d.h. der USB-Data-Monitor ist die Spannungsquelle und versorgt den Elektrolyseur mit Strom. Die Schüler sollen herausfinden, welche Anzahl von Solarmodulen und Windgeneratoren notwendig ist, um einen Verbraucher konstant mit Strom versorgen zu können. Zusätzlich sollen sie selbst herausfinden, ob ein weiterer Elektrolyseur mit Wasserstoffspeicher notwendig ist. Windparks schwer Umgang mit Brennstoffzelle und Elektrolyseur Umgang mit USB-Data-Monitor Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 93

94 Experiment 2 - Erneuerbare Energiequellen optimal ausrichten Lernziel Checkliste Die Schüler erweitern ihre Kompetenz, indem sie experimentell herausfinden wie erneuerbare Energiequellen kombiniert werden müssen, um eine sinnvolle Energiebilanz unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie experimentell erfahren, dass erneuerbare Energien nur in Kombination realisierbar sind. USB-Data-Monitor und PC Solarmodul Min. 75W Lampe (Strahler) Windgenerator Ventilator (Durchmesser min. 40 cm) Elektrolyseur 5-zelliger Brennstoffzellenstack 10 Kabel, 5 rot und 5 schwarz Experiment 3 - Mehrere Verbraucher mit Brennstoffzellen betreiben Zusammenfassung Thema Arbeitsblatt Schwierigkeitsgrad Vorkenntnisse Lernziel Checkliste In diesem Experiment werden die Schüler herausfinden, welche Leistung eine Brennstoffzelle liefern muss, um eine energetisch günstige aber gleichzeitig ökonomisch sinnvolle Energiebilanz zu erhalten. Der USB-Data-Monitor simuliert verschiedene Verbraucherprofile, die beliebig zusammengestellt werden können. Die Schüler sollen herausfinden, wie die Komponenten dieser Energiewandlungskette dimensioniert werden müssen, um das gewählte Verbraucherprofil versorgen zu können. weitere erneuerbare Energiequellen schwer Umgang mit allen Einzelkomponenten des Clean Energy Trainers Grundverständnis für Energiewandlung und speicherung Kenntnisse des Energieerhaltungssatzes Die Schüler erweitern ihre Kompetenz, indem sie experimentell herausfinden wie erneuerbare Energiequellen kombiniert werden müssen, um eine sinnvolle Energiebilanz unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Die Schüler erweitern ihr Wissen, indem sie experimentell erfahren, dass erneuerbare Energien nur in der Kombination verschiedener Komponenten realisierbar sind. USB-Data-Monitor Elektrolyseur Solarmodul Min. 75W Lampe (Strahler) Windgenerator Ventilator 5-zelliger Brennstoffzellenstack 10 Kabel, 5 rot und 5 schwarz 94 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

95 Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen gewinnen Experiment 1 Abb. 6-1 Kann ein Verbraucher dauerhaft mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden? 1. Versuchsaufbau wie in Abb. 6-1abgebildet nachbauen. 2. Lampe und Ventilator einschalten. 3. Nach 3 Minuten verschiedene Wettersituationen simulieren (Tag / Nacht / Windstille). 4. Verbraucher beobachten. Welche Energiequelle erzeugt am meisten Wasserstoff? 1. Versuchsaufbau wie in Abb. 6-2 abgebildet nachbauen. 2. Vorhersage treffen, welche Energiequelle gewinnt. 3. Solarmodul abtrennen. 4. Ventilator 3 Minuten auf den Windgenerator richten und erzeugte Wasserstoffmenge in folgende Tabelle eintragen. 5. Windgenerator ausschalten und Wasserstofftank leeren. 6. Lampe (Abstand 50 cm) 3 Minuten auf das Solarmodul richten und erzeugte Wasserstoffmenge in folgende Tabelle eintragen. Zeit [min.] Wasserstoffmenge Windgenerator [ml] Wasserstoffmenge Solarmodul [ml] 1 2ml 3ml 4ml Nicht sinnvoll ablesbar 2 4ml 6ml 8ml Nicht sinnvoll ablesbar 3 6ml 9ml 12ml 1ml Abb. 6-2 Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 95

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97 Arbeitsblatt 1 Fragen zum Experiment 1. Welche Faktoren müssen berücksichtigt werden, damit ein Verbraucher dauerhaft von erneuerbaren Energiequellen betrieben werden kann? 2. Inwieweit trafen die vorher gemachten Aussagen zu (welche Energiequelle hat mehr Wasserstoff produziert)? 3. Lassen sich die Vermutungen in die Realität übertragen? Allgemeine Fragen 4. Wo befindet sich das größte Photovoltaik-Kraftwerk der Welt? 5. Die ersten offiziellen Anwendungen von Solarmodulen und Brennstoffzellen fanden in einem bestimmten wissenschaftlichen Bereich statt, in welchem? 6. Wie teilt sich die Energie der Sonne, die auf die Erde prallt, auf? 7. Hans Ziegler (deutscher Wissenschaftler, der 1947 mit Wernher von Braun nach dem 2. Weltkrieg für die USA forschte) setzte sich 1958 gegen das US-Militär bei einer Diskussion um die Energieversorgung des zweiten Satelliten namens Vanguard 1durch. Was wollte ihm das Militär zu diesem Zeitpunkt nicht glauben? 8. Was sind Solarzellen? Verständnisfragen 9. Wann gab es das erste Fahrzeug mit Brennstoffzellen? 10. Welcher Zusatzvorteil könnte der Einsatz von Brennstoffzellen in der Raumfahrt mit sich bringen? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 97

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99 Lösungen 1 Lösungen zum Experiment 1. Kann ein Verbraucher dauerhaft mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden? Es konnte beobachtet werden, dass es nicht ausreicht, den Verbraucher nur aus Sonne oder Windenergie zu versorgen. Bei Nacht oder Windstille, konnte der Verbraucher nicht ausreichend versorgt werden. Wurde als Zwischenspeicher Wasserstoff erzeugt und dieser von der Brennstoffzelle in Strom gewandelt, ließen sich solche Phasen überwinden. Allerdings musste alles sehr gut aufeinander abgestimmt werden. 2. Welche Energiequelle erzeugt am meisten Wasserstoff? Mit dem Windgenerator ließ sich deutlich mehr Energie erzeugen. Fragen zum Experiment 1. Welche Faktoren müssen berücksichtigt werden, damit ein Verbraucher dauerhaft von erneuerbaren Energiequellen betrieben werden kann? Weder Wind noch Sonne sind 24 Stunden frei verfügbar. Für Zeiten, in denen sie nicht oder nur sehr wenig verfügbar sind, ist es sinnvoll, die Energie, die am Tage und bei viel Wind erzeugt wurde, speichern zu können. Die Speicher und die Brennstoffzelle müssen so ausgelegt sein, dass sie den Verbraucher auch in der Nacht und bei Windflaute über einen längeren Zeitraum versorgen können. 2. Inwieweit trafen die vorher gemachten Aussagen zu (welche Energiequelle hat mehr Wasserstoff produziert)? Der Windgenerator hat deutlich mehr Wasserstoff erzeugt. 3. Lassen sich die Vermutungen in die Realität (also auf Windkraftanlagen)übertragen? Windkraftanlagen können bei starkem und kontinuierlichem Wind große Leistung liefern. Um dieselbe Leistung mit Solarmodulen liefern zu können bedarf es wesentlich mehr Solarmodulen. Allgemeine Fragen 1. Wo befindet sich das größte Photovoltaik-Kraftwerk der Welt? Das Sarnia Photovoltaik-Kraftwerk in Kanada ist derzeit (Stand Dezember 2010) mit einer Leistung von 80 MW das größte Photovoltaik-Kraftwerk der Welt. Die Solarmodule nehmen eine Fläche von 380 Hektar ein und sollen ca Haushalte mit Strom versorgen können. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 99

100 2. Die ersten offiziellen Anwendungen von Solarmodulen und Brennstoffzellen fanden in einem bestimmten wissenschaftlichen Bereich statt, in welchem? In der Astronomie / in der Raumfahrt. 3. Wie teilt sich die Energie der Sonne, die auf die Erde prallt, auf? 30 % werden ins All reflektiert, fast 70 % entfallen auf die Erwärmung der Atmosphäre und Erdoberfläche und nur 0,03 % werden von Pflanzen auf dem Land und von Phytoplankton in den oberen Schichten der Ozeane zur Fotosynthese verwendet. 4. Hans Ziegler (deutscher Wissenschaftler, der 1947 mit Wernher von Braun nach dem 2. Weltkrieg für die USA forschte) setzte sich 1958 gegen das US-Militär bei einer Diskussion um die Energieversorgung des zweiten Satelliten namens Vanguard 1 durch. Was wollte ihm das Militär zu diesem Zeitpunkt nicht glauben? Dass eine Solarzelle im Weltall länger Strom liefern kann als eine Batterie. 5. Was sind Solarzellen? Solarzellen sind dotierte Siliziumbauteile, die aus Licht elektrische Energie freisetzen können. Sie sind ähnlich aufgebaut wie Dioden, wobei in den Solarzellen der Ladungsfluss durch Licht beeinflusst wird. Verständnisfragen 6. Wann gab es das erste Fahrzeug mit Brennstoffzellen? Das erste Brennstoffzellenfahrzeug, ein Traktor mit 1008 Zellen und einer Leistung von ca. 20 PS, wurde 1959 vorgestellt. 7. Welchen Zusatzvorteil bringt der Einsatz von Brennstoffzellen in der Raumfahrt mit sich? Nach der Stromerzeugung steht als Reaktionsprodukt Wasser zur Verfügung, welches weiter verwertet werden kann (allerdings in seiner reinen Form nicht getrunken werden kann). 100 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

101 Erneuerbare Energiequellen optimal ausrichten Experiment 2 Abb.6-3 Welche Konstellation ist an unterschiedlichen Standorten notwendig, um ein Einfamilienhaus autark zu betreiben? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.6-3 abgebildet nachbauen cm³ Wasserstoff erzeugen. 3. Wasserstoffauslass der Brennstoffzelle für1 Sek. öffnen cm³ Wasserstoff im Speicher einstellen. 5. Software starten. 6. In der Software einen Standort zusammenstellen (Bsp.: wenig Wind, viel Sonne). 7. Anzahl der Solarmodule und Windgeneratoren wählen. 8. Simulation starten. Die Software simuliert Sonnen- und Windverhältnisse für 24 Stunden Wochen in 2 Minuten. 9. Verbraucher und den Wasserstoffstand beobachten. 10. Die kostengünstigste Variante für jeden Standort finden. Der Verbraucher muss dabei ständig mit Strom versorgt werden. 11. Bei Bedarf einen weiteren Wasserstoffspeicher anschließen. 12. Ergebnisse in folgende Tabelle eintragen. Standort Wind 1 Licht 3 Wind 3 Licht 3 Wind 1 Licht 1 Anzahl Elektrolyseure Anzahl Wasserstoffspeicher TIPP Wenn die Speicher leer gelaufen sind, muss die Brennstoffzelle erneut gespült werden. Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 101

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103 Arbeitsblatt 2 Fragen zum Experiment 1. Wo könnten sich auf der Erde geeignete Standorte für eine Kombination aus Windenergie, Solarenergie und Brennstoffzellentechnik befinden? Allgemeine Fragen 2. Was sind Windparks? 3. Was ist ein Offshore-Windpark? 4. Was ist ein Onshore-Windpark? 5. Welches ist der größte Offshore-Windpark der Welt? Verständnisfragen 6. Was muss getan werden, um den erzeugten Strom der Windkraftanlagen über längere Strecken zu leiten? 7. Warum ist es sinnvoll Windkraftanlagen in Meeren aufzubauen? 8. Was spricht gegen den Ausbau von Windparks auf Meeren? 9. Eine wissbegierige Schülerin läuft durch einen Windpark. Entsetzt stellt sie fest, dass man den Platz für weitere Windräder vergeudet hat. Sie setzt ein Schreiben an die Stadt auf und fragt, warum sie den Windpark auf so eine große Fläche verteilt haben, anstatt die Windräder näher aneinander zu bauen. Welche Antwort wird diese Schülerin wohl bekommen? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 103

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105 Lösungen 2 Lösungen zum Experiment 1. Welche Konstellation ist an unterschiedlichen Standorten notwendig, um ein Einfamilienhaus autark zu betreiben? Hier sind verschiedene Lösungen möglich. Wichtig ist hierbei die Erkenntnis, dass es für jeden Standort und jeden individuellen Strombedarf ein Optimum zwischen ökonomisch sinnvoll (also nicht den größten Brennstoffzellenstack, die maximal mögliche Anzahl von Solarmodulen und Windgeneratoren) und tatsächlich notwendigem Bedarf gibt. Fragen zum Experiment 1. Wo könnten sich auf der Erde geeignete Standorte für eine Kombination aus Windenergie, Solarenergie und Brennstoffzellentechnik befinden? Ideal sind Standorte mit hohem Wind und Sonnenaufkommen. Ein solcher Standort könnte z. B. die Karibik sein oder die Küste von Queensland in Australien. Allgemeine Fragen 2. Was sind Windparks? Windparks sind eine Ansammlung von Windkraftanlagen. Eine Ansammlung von mehr als drei Windkraftanlagen wird als Windpark bezeichnet. 3. Was ist ein Offshore-Windpark? Offshore (eng.) lässt sich ins Deutsche mit außerhalb der Küstengewässer liegend oder auch auf hoher See übersetzen. Offshore-Windparks sind Windkraftanlagen, die im Meer gebaut werden. 4. Was ist ein Onshore-Windpark? Onshore (eng.) lässt sich ins Deutsche mit an Land übersetzen. Onshore-Windparks sind Windkraftanlagen, die auf Land gebaut werden. 5. Welches ist der größte Offshore-Windpark der Welt? Der Windpark Thanet vor der englischen Nordseeküste mit einer installierten Leistung von 300 Megawatt (Stand: September 2010) ist weltweit der größte Offshore-Windpark. Verständnisfragen 6. Was muss getan werden, um den erzeugten Strom der Windkraftanlagen über längere Strecken zu leiten? Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 105

106 Der erzeugte Wechselstrom von Windkraftanlagen erzeugt in den Leitungen erhebliche Verluste. Die Verluste sind so hoch, dass bei einer Länge von etwa über 100 km kein Strom am Festland ankommt. Es müssen Gleichrichter vorgeschaltet werden, die den Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Dieser kann mit deutlich weniger Verlusten große Distanzen überwinden. 7. Warum ist es sinnvoll, Windkraftanlagen in Meeren aufzubauen? Auf dem Meer gibt es die kontinuierlichsten Winde in geringen Höhen. Windkraftanlagen auf dem Land (Onshore) werden in vielen Regionen stark kritisiert, da sie ein schönes Landschaftsbild zerstören können. Auf dem Meer ist das nicht der Fall. 8. Was spricht gegen den Ausbau von Windparks auf Meeren? Der erzeugte Strom muss über lange Strecken in das Stromnetz geleitet werden. Das ist technisch aufwendig, mit Verlusten behaftet und teuer. Die Konstruktion in Meeren zu befestigen stellt größere Schwierigkeiten dar, die meistens mit höheren Kosten verbunden sind. Es wird diskutiert, ob die von den Offshore- Windparks ausgehenden Geräusche sich negativ auf die Meeresbewohner auswirken. 9. Eine wissbegierige Schülerin läuft durch einen Windpark. Entsetzt stellt sie fest, dass man den Platz für weitere Windräder vergeudet hat. Sie setzt ein Schreiben an die Stadt auf und fragt, warum sie den Windpark auf so eine große Fläche verteilt haben, anstatt die Windräder näher aneinander zu bauen. Welche Antwort wird diese Schülerin wohl bekommen? Sie bekäme wohl als Antwort, dass das Aufstellen weiterer Windkraftanlagen unwirtschaftlich ist, da die Windkraftanlagen dem Wind Energie entziehen. Nah aneinander stehende Windräder würden demnach nicht so viele Erträge bringen, weil die Windräder sich gegenseitig den Wind rauben. 106 Clean Energy Trainer - Experimentieranleitung

107 Mehrere Verbraucher mit Brennstoffzellen betreiben Experiment 3 Abb.6-4 Wie muss ein Solar-Wind-Wasserstoff-System ausgelegt sein, um unterschiedliche Lastprofile zu versorgen? 1. Versuchsaufbau wie in Abb.6-4abgebildet nachbauen(5-zelligen Brennstoffzellenstack verwenden) cm³ Wasserstoff erzeugen. 3. Wasserstoffauslass für 1 Sekunde öffnen. 4. Wasserstoff auf 15 cm³ auffüllen. 5. Software starten. 6. In Software den Reiter LASTPROFIL simulieren wählen. 7. Beliebiges Lastprofil zusammenstellen. 8. Aufbau so gestalten, dass die Anzahl der erneuerbaren Energiequellen und Speicher genügend Wasserstoff zur Verfügung stellen. 9. Versuch durch Klicken des START-Button starten. 10. Beobachten, was passiert. 11. Lässt sich der vorige Versuch optimieren? Ergebnisse in Tabelle notieren. Lastprofil Anzahl Elektrolyseure (Stufe Ventilator) Beobachtung z. B. Herd (viel), Computer (wenig), Klimaanlage (viel), Lampe (LED) Clean Energy Trainer Experimentieranleitung 107