ANTRIEBSTECHNIK Brennstoffzelle Lehrermaterial und Kopiervorlagen Klassen 8 bis 10

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1 Hanne Lier Helmut Graf Volker Rust ANTRIEBSTECHNIK Brennstoffzelle Lehrermaterial und Kopiervorlagen Klassen 8 bis 10 Daimler AG Klett MINT GmbH Stuttgart

2 Inhaltsverzeichnis Brennstoffzelle 17 Lehrerinformationen Brennstoffzelle Einführung Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle in Versuchen Brennstoffzellen als Energiewandler Energiekreislauf Mobilitätsszenarien und Gesamtenergiebilanz Zum Trainieren und Merken: Brennstoffzellen 73 74

3 51 17 Lehrerinformationen Internetadressen Video über Brennstoffzellenantrieb F-CELL: html (im oberen Bereich der Seite klicken auf Erfahren Sie mehr... OPTIRESOURCE: Well-to-Wheel-Betrachtung der Energieeffizienz von Pkw-Antrieben: html Studie zur Frage Woher kommt der Wasserstoff in Deutschland bis 2050? : media/090826_germanhy_abschlussbericht.pdf (im Auftrag vom BMVBS und NOW) Animation: Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? information/ueber-brennstoffzellen.html Schülerlabor Quantensprung in der Helmholtzgemeinschaft Thema Brennstoffzelle (umfangreiche, schülergerechte Unterlagen): quantensprung/angebot/brennstoffzelle/index.html.de Simulation: Antriebstechniken und ihre Auswirkungen auf Energieeffizienz und Schadstoffausstoß: [ simulationen/energieeffizienz/mme/mmewin.html] Den direkten Zugang zu diesen Seiten bekommen Sie über die Link-Liste auf beiliegender CD-ROM. Hinweise zu galvanischem Element und Elektrolyse Das galvanische Element dient als Grundlage für das Wissen, wie chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Es empfiehlt sich ein einfaches Experiment mit einer galvanischen Zelle, wenn eine Wiederholung/Auffrischung des Stoffes nötig erscheint. Ein zusätzliches Arbeitsblatt zur galvanischen Zelle (Batterien als Energiespeicher) finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM (CD_E_AB10_1). Im nächsten Schritt wird die Elektrolyse des Wassers thematisiert, um zu der Überlegung zu kommen, dass die Umkehrung der Elektrolyse analog dem galvanischen Element elektrische Energie liefern kann. Damit diese Vorgänge für die Schulpraxis quantifizierbar sind, wird die Solarzelle als einzige regenerative Energiequelle herangezogen und deshalb auch ausführlich betrachtet. Zusätzliche Arbeitsblätter zu diesem Thema finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM (CD_BZ_AB21a_1 bis 3). Leitfragen Können Wasserstoffionen und Sauerstoffionen eine Verbindung eingehen und dabei verlustarm Energie liefern? Wie bekommt man die bei der Elektrolyse entstehenden Gase zurück in die wässrige Lösung? Gibt es Möglichkeiten, die Probleme mit der wässrigen Lösung zu umgehen?

4 52 17 Lehrerinformationen Infos zu AB 19: Funktionsprinzip einer BZ in Versuchen Schüler lernen die grundsätzliche Umkehrung der Elektrolyse kennen. Die Unterschiede zur Brennstoffzelle sollten danach thematisiert werden. Es lohnt sich, den Wirkungsgrad der Low-Cost-Zelle zu thematisieren, da man viel Energie für die Elektrolyse aufwendet, dabei auch viel Gas entweicht, welches nicht für die Rückreaktion zur Verfügung steht. Die Plätze für die Experimente lassen sich schnell einrichten. Man benötigt eine Gleichspannungsquelle, Metall-Topfkratzer, Multimeter und Kabel. Als Verbraucher bietet sich ein Solarmotor an, da dieser auch durch die Low-Cost-Zelle bis zu 2 Minuten läuft. Das Gefäß für die Kaliumlauge sollte so groß sein, dass die Metallschwämme nicht aneinander liegen. Notfalls können die Schwämme auch halbiert werden. Sie müssen nicht unbedingt ganz untergetaucht werden. Die Experimentanordnungen können problemlos einige Tage stehen bleiben. ACHTUNG: Auch beim Arbeiten mit 0,1-molarer Kaliumlauge sind die Sicherheitsbestimmungen einzuhalten! Mögliche Auswertung: U in V 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,7 1,8 0,1mol/L I in ma 0,18 0,23 0,28 0,38 0,48 0,88 1,2 24,1 30,3 37 0,5 mol/l I in ma 0,22 0,32 0,56 0,68 10,2 20,1 54, l in ma 150 c = 0,5 mol/l 100 c = 0,1 mol/l 50 0,2 0,4 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 U in V

5 17 Lehrerinformationen 53 Texte zum Wasserstoff und zur Brennstoffzelle Derzeit gewinnen wir unseren Strom bzw. unsere Energie hauptsächlich aus den fossilen Energieträgern Erdöl, Erdgas und Kohle. Auch wenn in Deutschland ca. 7,5% der Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen gedeckt wird, sind es weltweit nur ca. 2%. In Zukunft wird der Strom- und Energiebedarf trotz aller Einsparversuche weltweit ansteigen. Denn wir wollen und können nicht auf elektrischen Strom, Komfort und Mobilität verzichten. Das globale Wachstum trägt zusätzlich zu einer schnelleren Verknappung der Rohstoffe bei. Es liegt also auf der Hand, dass schnell alternative Energieträger gefunden werden müssen. Deshalb beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem im Forschungszentrum Jülich intensiv mit dieser Frage. Ziel ist es, Technologien für eine nachhaltige und sichere Energieversorgung zu entwickeln und zu verbessern. Die Themenpalette reicht von Photovoltaik und Brennstoffzellen über Kernfusion und nukleare Sicherheitsforschung bis hin zu innovativen Kohle- und Gaskraftwerken. Die wichtige Frage: Welche Kriterien soll ein idealer Energieträger erfüllen? Die Antworten: reichlich vorhanden ubiquitär (überall vorhanden) umweltverträglich preiswert mobil/gut speicherbar gut handhabbar wirtschaftlich vermarktbar hohe Energiedichte. Da Brennstoffzellen mit Wasserstoff betrieben werden und dieser in der Natur nur in gebundener Form vorkommt, sind spezielle Verfahren notwendig. Die Wasserstoffgewinnung mit Hilfe von regenerativen Energien ist derzeit noch eine Zukunftsoption. Langfristig könnte, um mittels Elektrolyse Wasserstoff zu gewinnen, regenerativ erzeugter Strom eingesetzt werden. Auf diesem Wege ließe sich Sonnen-, Windoder Wasserenergie auch speichern, um bei Bedarf daraus in Brennstoffzellen Strom und Wärme zu erzeugen. Herstellung und Speicherung von Wasserstoff Es gibt zahlreiche Verfahren, Wasserstoff herzustellen. Sie lassen sich drei Hauptmethoden zuordnen: Reformierung: Hier werden Kohlenwasserstoffe, die in der Natur häufig vorkommen, vom Wasserstoff getrennt. Dies ist heute die gängigste Herstellungsmethode. Thermo-, bio- oder photochemische Prozesse: Bei diesen Prozessen zerfallen Wassermoleküle in Atome. Elektrolyse: Wasser wird durch einen elektrolytischen Spaltungsprozess in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. In Europa gibt es heute große Überschussmengen an Wasserstoff, die meist als Nebenprodukt in Rohölraffinerien und in der chemischen Industrie anfallen. Diese Kontingente könnten günstig für erste Anwendungen im Verkehr eingesetzt werden, da sie bisher mangels geeigneter Verwendungsmöglichkeiten vernichtet werden. Mit der derzeitig in Deutschland verfügbaren Menge könnten in den ersten Jahren sogar alle Brennstoffzellen-Fahrzeuge betrieben werden. Für eine flächige, langfristige Versorgung muss jedoch die Wasserstoff-Infrastruktur entwickelt werden. Am sinnvollsten erweist sich die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse aus regenerativen Energiequellen wie Biomasse oder auch Wind-, Wasser- oder Sonnenkraft. Gerade Solar- und Windenergie bieten noch ein enormes Potenzial, da durch die Wasserstoff-Erzeugung insbesondere die Diskontinuität dieser Energien überbrückt werden könnte. An dieser Stelle ausreichende Kapazitäten aufzubauen, bleibt eine der großen Herausforderungen der Zukunft. Diese Form der Erzeugung ist nicht nur unter Umweltschutzgesichtspunkten von großem Vorteil. Studien zur ganzheitlichen Energiebilanzierung von der Energiequelle bis zum angetriebenen Rad (Well-to-Wheel-Analyse) haben erwiesen, dass ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, das mit Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen angetrieben wird, eine der besten Energiebilanzen aufweist.

6 54 17 Lehrerinformationen Infos zu AB 21a: Funktionsweise von Solarzellen in Versuchen (Diese Arbeitsblätter finden Sie auf beiliegender CD-ROM (CD_BZ_AB21a_1 bis 3)) Herstellung des Ausgangsniveaus: Wie werden Volt- und Amperemeter in die Schaltung eingebaut, wie bedient? Evtl. schon Leerlaufwert und den Wert für den unendlichen Widerstand in Versuch 1 thematisieren. Es ist schwierig, alle drei Versuche mit Auswertung in 90 Minuten durchzuführen. Eine Vorstellung der Versuche und eventuelle Vorarbeit der Protokolle als Hausaufgabe ist sinnvoll. Versuch 1: Die Anweisung muss so angepasst werden, dass genügend Werte im Knick der Kennlinie vorliegen. Für eine der Zellen (Auswertung unten) wären mehr Werte für 100 Ω R 250 Ω nötig, für eine andere Zelle ist die Messung nur für Widerstände R < 20 Ω sinnvoll, der Knick liegt bei 4 Ω. Hinweis: Für die an der Schule vorhandenen Solarzellen den Knick im Diagramm selbst auswerten und Werte in der Aufgabenstellung anpassen. In der Auswertung sollte auf die Folgen des Leistungsknicks für die wirtschaftliche Nutzung der Zellen eingegangen werden. Versuch 2: Evtl. noch Frage zur Energieumladerkette thematisieren. Motoren ausprobieren, welche Leistung sie ziehen. Als vorteilhaft haben sich Dynamos mit Getriebe erwiesen. Versuch 3: Die Daten sind sehr unterschiedlich. Abweichung von der Sinusfunktion kann thematisiert werden. Mögliche Auswertung für Versuch 1: R in Ω U in V I in ma P in mw 0 0, ,2 39 7,8 22 1, I in ma P in mw , , , U in V 660 7, , ,9 7 55, , , ,2 3 24, ,35 0,8 6, ,36 0,4 3,3 8, ,

7 17 Lehrerinformationen 55 Infos zu einer Gesamtbetrachtung der Wirkungskette Solarzelle Brennstoffzelle (BZ) Diese Gesamtbetrachtung steht hier nach den Experimenten mit der Low-Cost-Zelle. Für das Experiment zum Wirkungsgrad können je nach Sonneneinstrahlung 15 Minuten bis 60 Minuten notwendig sein. Die Auswertung erfolgt analog zu der Musterauswertung (siehe nächste Seite). Die Brennstoffzelle sollte vorher präpariert werden, denn das Fluten der BZ mit den Gasen benötigt sonst einen Großteil des Ertrages der Elektrolyse. Zusätzliche Informationen: Solare Einstrahlung und U-I-Kennlinie der Solarzelle 1000 W/m 2 Stromstärke I in ma W/m W/m ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Spannung U in mv P-U-Kennlinie (hier beispielsweise von Mitte Dezember) I in ma I K = 84,7 ma P max = 34 mw U L = 557,5 mv P in mw U in mv

8 56 17 Lehrerinformationen Wirkungskette Vorkenntnisse: P = U I W = U I t Material: Durchführung: 1 Solarzelle, Brennstoffzelle (BZ) mit Elektrolyseur, Solarmeter, Multimeter 1. Das Solarmeter wird, wie die Solarzellen des Elektrolyseurs, senkrecht in die Sonnenstrahlung gehalten, um die Bestrahlungsstärke zu messen. 2. Mit der Solarzelle wird der Elektrolyseur betrieben. Während der Betriebszeit t bilden sich H 2 und O 2, welche jeweils in einem Zylinder aufgefangen werden V (H 2 ) und V (O 2 ) 3. Hat sich genügend Wasserstoff gebildet, wird der Elektrolyseur abgeklemmt und die Brennstoffzelle betreibt einen kleinen Solarmotor. Mittels Multimeter werden die Spannungen und Stromstärken vor dem Elektrolyseur und nach der Brennstoffzelle gemessen. Die gebildete Wasserstoffmenge (bei Normaldruck) wird zur Bestimmung des Heizwertes zugrunde gelegt. (H U = Heizwert des Wasserstoffs = 10,8 J/cm 3 ) Skizze: Solarmeter Solarzellen des Elektrolyseurs Aufgabe: Berechne aufgrund der ermittelten Messwerte die Energie der vier Umladestufen nach der Zeit t: gemessene Werte: Bestrahlungsstärke: S = 1070 W m 2 Volumen des Wasserstoffs: V H2 = 15 cm 3 t Elektrolyse = 9 min = 540 s U Elektrolyse = 2,46 V I Elektrolyse = 150 ma t BZ = 45 min = 2700 s U BZ = 0,76 V I BZ = 19,4 ma Energie und Wirkungsgrad Wirkungsgrad Solarstrahlung E = S A t = 3180 J Solarzelle E = U I t = 199 J = 0,06 Wasserstoff E = 151 J = 0,76 Brennstoffzelle E = U I t = 40 J = 0,25

9 17 Lehrerinformationen 57 Weiterführende Aufgabe zur Wirkungskette Solarzelle Brennstoffzelle Laut BMU (Ministerium für Umwelt) geben über 80% der Jugendlichen an, dass der Energiebedarf zukünftig nur mittels regenerativer Energien abgedeckt werden sollte. Da Elektrizität nicht in wesentlichen Mengen gespeichert werden kann, müsste sie auf einen Energieträger mit hoher Energiedichte umgeladen werden. Wasserstoff würde sich hier anbieten. Folgendes Beispiel soll den aus obigem Wunsch resultierenden Flächenbedarf an Photovoltaikanlagen verdeutlichen. Angaben: Beim Gesamtjahresenergiebedarf einer Person wird die individuelle Fortbewegung mit ca. 15% angenommen. Jahresenergieertrag einer Solaranlage in Karlsruhe: ca. 930 kwh (Ausrichtung nach Süden, Dachneigung 45 Grad, Fläche A = 10 m 2 ). Das statistische Bundesamt gibt für die durchschnittliche Jahresfahrleistung eines Pkw einen Wert von km an. Der Verbrauch eines durchschnittlichen wasserstoffgetriebenen Kraftfahrzeuges liegt bei 1,1 kg pro 100 km. Rechnet man den Heizwert des Wasserstoffs um, so erhält man H Auto = 33,2 kwh/kg = 121,5 mj/kg. Aufgabe: a) Berechne die notwendige Wasserstoffmenge zur Deckung der Jahresfahrleistung. b) Welche Fläche müsste mit Solarzellen bedeckt werden, um den Jahresbedarf an Wasserstoff für einen Pkw abzudecken, wenn der Wirkungsgrad 20% beträgt (von 1 kwh am Ausgang der Solarzelle kommen 0,2 kwh an die Antriebsräder)? c) Interpretiere die Ergebnisse und mache realisierbare Vorschläge. Brennstoffzellentechnik in einem Kraftfahrzeug E-Motor mit Getriebe H 2 -Versorgung des Stacks (engl. für Stapel) H 2 - Drucktanks Brennstoffzellenstack Kühlmodul Luftmodul mit Luftfilter und Kompressor Leistungsbatterie Diese Abbildung finden Sie als pdf auf beiliegender CD-ROM (CD_BZ_AB17_2). Sie kann auf Folie ausgedruckt werden. CD_BZ_AB17_1

10 58 17 Lehrerinformationen Text zu AB 23 Aufgabe 4 Brennstoffzellen wurden zuerst produktiv eingesetzt in der amerikanischen Raumfahrttechnik in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts. Sie waren in den Apollo-Missionen zum Mond ein meist zuverlässiger Energielieferant. Am 11. April 1970 kam es jedoch zu einem folgenschweren Zwischenfall: Nachdem die Rakete der Apollo-13-Mission nach problemlosem Start das All erreicht hatte, explodierte eine der Brennstoffzellen und brachte die Sauerstofftanks ebenfalls zur Explosion. Dadurch hatte das Servicemodul der Raumfähre keinen Strom mehr. Die drei Männer der Mannschaft mussten daher im Mondlandemodul ohne Heizung bei 200 C Umgebungstemperatur knapp 6 Tage lang ausharren! Das Lebenserhaltungssystem des Mondlandemoduls war nicht dafür ausgelegt, drei Personen über einen so langen Zeitraum am Leben zu erhalten. Bei diesem Zwischenfall fiel der berühmte Satz Houston, we ve had a problem here ( Houston, wir hatten hier ein Problem ). Die geplante Mondlandung musste aufgegeben werden und die Mission wurde abgebrochen. Die drei Astronauten kehrten lebend zur Erde zurück. Info über Wasserstoffwirtschaft Anhand dieser Folie (CD_BZ_AB17_3 auf der beiliegenden CD-ROM) kann die Vision einer emissionsfreien Wasserstoff-Kreislaufwirtschaft dargestellt und erläutert werden.

11 18 Brennstoffzelle Einführung 59 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. Info: Wer hat das gesagt? Und wann? Schaut euch das Bild genau an... so ganz modisch sind Haarschnitt und Bart ja nicht. Es war der Schriftsteller Jules Verne, der die zitierten Sätze in einem seiner Romane um 1875 geschrieben hat. Diese Technologie, die auch in der Gegenwart als zukunftsträchtig gilt, ist also schon ziemlich alt; älter als das Automobil. 1. Lies den Text durch und ergänze die Leerstellen durch folgende Wörter: Elektrolyt, Sauerstoff, elektrische Spannung, positive Ionen, elektrischer Strom, elektrischen Strom, Elektroden, Batterie, Raumfahrt, Wasser, Wasserstoff, mechanische Energie Im Jahr 1839 entdeckte der Engländer William Grove, dass sich aus Wasserstoff und Sauerstoff in einem galvanischen Element gewinnen lässt. Zunächst zerlegte er Wasserdampf mit der Voltabatterie, einer damals verfügbaren Stromquelle, in die Bestandteile und. Dann vereinte er beide Stoffe mithilfe eines Platinkatalysators wieder: In eine Zelle mit verdünnter Schwefelsäure als tauchte er zwei Glasröhrchen mit aus Platin. Eine Elektrode umspülte er mit Wasserstoff, die andere mit Sauerstoff. Der Wasserstoff wird in aufgespalten, die durch die Elektrolytlösung wandern und sich mit dem Sauerstoff im anderen Röhrchen zu verbinden. Es entsteht eine, die sich wie bei einer abgreifen lässt. Grove verwendete in seinem Laborexperiment vier in Reihe geschaltete Brennstoffzellen und konnte so einen Elektrolyseur betreiben. An der Brennstoffzelle wurde in verschiedenen Varianten weiter geforscht, doch die Zeit war noch nicht reif für diese Technik. Zum einen war die Elektrochemie sehr kompliziert, zum anderen entwickelte Werner von Siemens um 1867 den ersten Dynamo, mit dem sich viel einfacher Strom erzeugen ließ ein Dynamo wandelt (beispielsweise aus Dampfmaschinen) in um. Erst im 20. Jahrhundert kam man wieder auf die neue Technik zurück. So wurden Brennstoffzellen in der eingesetzt und versorgten die Gemini- und Apollo-Raumfähren mit Energie. CD_BZ_AB18_1

12 60 18 Brennstoffzelle Einführung 2. Herausforderungen der Brennstoffzellen-Technologie heißt folgende Abbildung. a) Ergänze es, indem du die folgenden Begriffe den drei vorgegebenen Kategorien zuordnest (du kannst einzelne Begriffe auch mehreren Kategorien zuordnen): Bereitstellung zu konkurrenzfähigen Preisen Brennstoffzellensystem CO 2 -neutrale Herstellung von Wasserstoff Elektromotor flächendeckende Betankungsmöglichkeiten Infrastruktur Kühlsystem Lebensdauer Leistungsdichte Sicherheit Verfügbarkeit von Wasserstoff Wasserstoffherstellung Wasserstoffspeicherung Wasserstofftanksystem zuverlässige Technologie Herausforderungen der Brennstoffzellen-Technologie Technologie Infrastruktur Kosten b) Vergleiche deine Lösung mit derjenigen deiner Tischnachbarn. Diskutiert Abweichungen und einigt euch auf eine gemeinsame, begründete Lösung. CD_BZ_AB18_2

13 61 19 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle in Versuchen Info: Die Knallgasreaktion ist eine explosionsartig ablaufende Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Bei diesem Verbrennungsvorgang wird viel Energie frei, es ist also eine exotherme Reaktion. Das Reaktionsprodukt ist Wasser. Bei dem folgenden einfachen Experiment wird gezeigt, wie man aus Wasser mithilfe der Elektrolyse Wasserstoff und Sauerstoff herstellen kann, um anschließend aus beiden Produkten wiederum elektrische Energie zu gewinnen. Zur besseren Leitfähigkeit wird dem Wasser im Experiment Kaliumhydroxid (KOH) zugesetzt. Ausgangsfragen: Was ist eine Elektrolyse und wann und wie funktioniert sie? Wieso kann ich aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie gewinnen? Materialliste: 2 Edelstahlschwämme Schale (geeignet ist ein Deckel mit Halterung für die Kroko-Klemmen) Netzgerät Krokodilklemmen Kabel 2 Multimeter leichtgängiger Motor (Solarmotor) VORSICHT! Chemikalie: 0,1-molare KOH Schutzkleidung Sicherheitshinweise: Bei Verwendung von Säuren oder Laugen musst du stets Laborbrille und -mantel tragen. Bei Säure- oder Laugenkontakt mit den Augen müssen diese sofort ausgespült werden. Auf die Sicherheitshinweise des Lehrers ist unbedingt zu achten. Stromversorgungsgerät 0,5 V Versuchsaufbau: Die Edelstahlschwämme befinden sich in der Lauge und sind über Kabel und Kroko-Klemmen an eine Spannungsquelle angeschlossen. Die Schwämme dürfen sich nicht berühren! 0,2 A + Amperemeter Voltmeter Com V ma Com V ma Klemme gegen Verrutschen Kabel Krokoklemme Stahlschwamm Lauge CD_BZ_AB19_1

14 19 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle in Versuchen Gleichspannungsquelle + H2 O2 (+) H H O Anode Theoretische Vorüberlegungen: Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) in seine Bestandteile zersetzt. Aus zwei Mol Wasser entstehen immer zwei Mol Wasserstoff und ein Mol Sauerstoff. In diesen Prozess muss Energie gesteckt werden, d.h. wir legen eine Spannung an. Ist diese Spannung bei Normalbedingungen (298 K, 101 kpa, c = 1 mol/l) höher als die Bindungsspannung zwischen H2 und O, kann Wasser in seine Bestandteile aufgespalten werden und ein elektrischer Strom fließt. Da beim folgenden Versuch keine Normalbedingungen herrschen, wird man eine abweichende Zersetzungsspannung feststellen. Dies wird erst sichtbar, wenn die Reaktion ordentlich in Gang gekommen ist. Kathode 62 (-) Versuch 1: Wenn der Versuchsaufbau vom Lehrer freigegeben ist, schalte das Netzgerät ein. Erhöhe nun langsam die Spannung von U = 0 V in 0,2-V-Schritten am Netzgerät. (Ca. 20 Sekunden warten, bis sich die Stromstärke nur noch wenig verändert.) a) Trage zu jeder Spannung die elektrische Stromstärke in die Tabelle ein. Erstelle ein U-I-Diagramm und werte dieses aus. Vorlage siehe letzte Seite dieses Arbeitsblattes b) Bestimme die Spannung (Zersetzungsspannung), ab der Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden entstehen (sichtbar wird dies durch Bläschenbildung). Ungefähre Zersetzungsspannung: c) Jetzt wird die Spannung weiter bis ca. 5 V erhöht, damit das Wasser schneller zersetzt wird. Sobald die Schwämme mit den Gasen angereichert sind (nach ca. 30 s), schaltest du das Netzgerät aus (Kabel sofort entfernen). Gib die Spannung an, die sich nach einiger Zeit (ca. 90 Sekunden) zwischen den Schwämmen einstellt: CD_BZ_AB19_2

15 19 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle in Versuchen 63 d) Stelle die Reaktionsgleichung des Gesamtvorgangs auf. e) Erkläre mithilfe der Spannungsreihe, welche Spannung sich theoretisch zwischen Kathode und Anode einstellen sollte. Spannungsreihe Material Zink (Zn/Zn2+) Wasserstoff (H/H+) Platin (Pt/Pt2+) Sauerstoff (O2-/O2) Standardpotenzial - 0,76 V 0 +1,12 V +1,23 V Versuch 2: Führe die Elektrolyse ein weiteres Mal bei U = 5 V durch, bis sich die Schwämme mit Wasserstoff und Sauerstoff voll gesaugt haben. Miss hierbei U, I und die Zeit t. Schalte das Netzgerät aus und schließe an dessen Stelle einen kleinen Elektromotor an. Miss nun für die Zeit, die der Motor läuft, wieder U, I und t. Klemme gegen Verrutschen Schalter Solarmotor Ermittle hieraus den Wirkungsgrad des Gesamtsystems und begründe, warum dieser so klein ist. Versuch 3: Zusatz: Führe das Experiment aus Versuch 2 mit Solarzellen als Spannungsquelle durch und werte dieses analog aus. CD_BZ_AB19_3

16 64 19 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle in Versuchen U in V I in ma CD_BZ_AB19_4

17 65 20 Brennstoffzellen als Energiewandler 1. Einige grundlegende Aussagen zu Brennstoffzellen in Frage und Antwort: Ordne die Antworten den entsprechenden Fragen zu, indem du beide jeweils in der gleichen Farbe markierst. Welche Gemeinsamkeit besteht zwischen Batterie und Brennstoffzelle? Verschiedene Brennstoffe sind möglich; die übliche Brennstoffzelle wird mit Wasserstoff betrieben. Brennstoffzellen arbeiten emissionsfrei und mit höherem Wirkungsgrad. Brennstoffzellen ermöglichen eine höhere Leistungsdichte und sie benötigen keine Ladezeiten. Eine Batterie speichert Energie; bei Brennstoffzellen muss die Energie kontinuierlich zugeführt werden. Wie lautet die englische Bezeichnung für eine Brennstoffzelle? Beides sind elektrochemische Energiewandler. Welche Vorteile haben Brennstoffzellen gegenüber Batterien? Worin liegt der große Vorteil von Brennstoffzellen gegenüber Verbrennungsmotoren? Fuel-cell; abgekürzt auch F-cell Welche Brennstoffe können in Brennstoffzellen eingesetzt werden? Welcher Unterschied besteht zwischen Batterie und Brennstoffzelle? 2. Es gibt verschiedene Verfahren, um Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle zu gewinnen. Nenne zu jedem genannten Verfahren einen Vorteil und einen Nachteil, insbesondere im Hinblick auf Umweltfreundlichkeit/ Nachhaltigkeit/CO 2 -Ausstoß. Reformierung: Kohlenwasserstoffe, die in der Natur häufig vorkommen, werden vom Wasserstoff getrennt. Dies ist die heute noch gängigste Herstellungsmethode. Thermo-, bio- oder photochemische Prozesse: Bei diesen Prozessen zerfallen die Wassermoleküle in Atome. Beispiele sind die Vergasung von Biomasse oder Kohle. Elektrolyse: Wasser wird durch einen elektrolytischen Spaltungsprozess in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. CD_BZ_AB20_1

18 66 20 Brennstoffzellen als Energiewandler Info: Elektrolyse nennt man die Zersetzung einer stromleitenden Flüssigkeit (Elektrolytlösung) beim Anlegen einer Spannung. Die Moleküle der Salze, Säuren oder Laugen zerfallen in der Lösung (mit einer Verunreinigung, z.b. einer Säure, damit es besser leitet) in elektrisch geladene Teilchen (Ionen). Die Ionen sind die Träger der elektrischen Ladung. Ein elektrischer Strom erzwingt also eine chemische Reaktion. Die Elektrolyse ist damit die Umkehrung des galvanischen Elementes. Elektrolyseur nennt man den Apparat, mit dessen Hilfe sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen lässt. 3. Die Elektrolyse von Wasser läuft ab nach folgender Reaktionsgleichung: 2 H 2 O 4 H e - + O 2 4 H e - 2 H 2 a) Kennzeichne in der abgedruckten Reaktionsgleichung den Oxidationsvorgang. b) Schreibe den Reduktionsvorgang auf. 4. Erkläre anhand des Bildes, wie eine Brennstoffzelle aufgebaut ist. CD_BZ_AB20_2

19 20 Brennstoffzellen als Energiewandler Vervollständige das Diagramm Funktionsweise einer Brennstoffzelle. Dazu schneide bitte auf einer Kopie dieser Seite die unteren Textbausteine aus und klebe sie in das obere, leere Diagramm in der sinnvollen Reihenfolge ein. dort verbinden sie sich mit den negativ geladenen Sauerstoffionen zu Wasser jedes Wasserstoffatom gibt ein Elektron ab; das Elektron wandert über den elektrischen Leiter zur Kathode ein elektrischer Strom fließt positiv geladene Wasserstoffionen bleiben übrig Sauerstoffmoleküle werden an der Kathode in zwei Sauerstoffatome aufgespalten Wasserstoffmoleküle werden an der mit Katalysatoren beschichteten Anode in zwei Wasserstoffatome aufgespalten die Wasserstoffionen wandern durch die Elektrolyten auf die Kathodenseite diese nehmen jeweils zwei Elektronen auf es entstehen negativ geladene Sauerstoffionen H + H + H + H + O O H H H H H 2 O H 2 O O O e e e e CD_BZ_AB20_3

20 68 20 Brennstoffzellen als Energiewandler 6. Ergänze die beiden Felder mit den Vorteilen von Brennstoffzellen. Technologie Umweltaspekte 7. Vergleiche den hier abgebildeten Antrieb mit dem Antrieb auf Bild 1 in Arbeitsblatt 14 (Seite 45). Erkläre die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede im Antriebsstrang. CD_BZ_AB20_4

21 69 21 Energiekreislauf 1. a) Ergänze das Schaubild. Es sollen Energieumwandlungsvorgänge zum einen bei Wärmekraftmaschinen (z.b. Verbrennungsmotoren) und zum anderen bei Brennstoffzellen gezeigt werden. chemische Energie Verbrennung Generator Wärmekraftmaschine b) Erläutere das ergänzte Schaubild. 2. Was ist beim Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle zu berücksichtigen? Info: Durch die Umkehrung der Elektrolyse in einer Brennstoffzelle kann etwa 25% der ursprünglich eingesetzten Energie wieder zurückerhalten werden. 3. Wann ist der Einsatz der Brennstoffzellentechnologie wirklich umweltfreundlich und zukunftsfähig? CD_BZ_AB21_1

22 70 21 Energiekreislauf 4. a) Ergänze das Schaubild um die Begriffe Energiewandler, Energiespeicher und Energieträger. b) Markiere mit Pfeilen und den passenden Begriffen (elektrischer Strom, Licht/Solarenergie), wie mithilfe regenerativer Techniken Wasserstoff gewonnen werden kann. c) Beschreibe das Schaubild unter dem Aspekt umweltfreundliche Energie beim Einsatz von Brennstoffzellen. Brennstoffzelle O H 2 = 2 H 2 O Luft Sauerstoff + Wasserstoff Wasserstoff energieaufwändige Gewinnung Elektrolyse Sonne Solarzelle 5. Führe die Versuche und Messreihen zur Solarzelle (Arbeitsblätter CD_BZ_AB21a_1 bis 3 auf der CD-ROM) nach den Anweisungen durch und werte sie aus. CD_BZ_AB21_2

23 71 22 Mobilitätsszenarien und Gesamtenergiebilanz 1. Das folgende Diagramm zeigt die Reichweiten verschiedener Antriebsarten. Reichweite mit einer Tankfüllung/Batterieladung Elektrofahrzeug mit Batterie bis zu 200 km (rein elektrisch) bis zu 400 km (rein elektrisch) Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle bis zu 600 km (davon bis zu 100 km rein elektrisch) Elektrofahrzeug mit Range extender a) Ergänze anhand dieser Angaben das untenstehende Schaubild mit unterschiedlich langen Pfeilen, die den Einsatzbereich folgender Antriebsarten kennzeichnen: Verbrennungsmotor, Elektromotor, Elektromotor mit Range extender (Erklärung siehe Arbeitsblatt 14), Hybridantrieb, Brennstoffzellenantrieb. b) Begründe Länge und Platzierung der Pfeile. Langstrecke Überlandverkehr Stadtverkehr CD_BZ_AB22_1

24 72 22 Mobilitätsszenarien und Gesamtenergiebilanz 2. Dieses Schaubild zeigt die Gesamtenergiebilanz für einen bestimmten Autotyp unter verschiedenen Antrieben und Voraussetzungen. Gesamtenergiebilanz Well-to-Wheel-Klassifizierung 200 Treibhausgasemissionen in g CO₂ eq/km Elektroantrieb mit Batterie oder Brennstoffzelle 25 batteriebetriebenes Elektrofahrzeug mit 100% erneuerbarem Strom betrieben Energieverbrauch Well-to-Wheel in MJ/100 km Verbrennungsmotoren Technologiewende Brennstoffzelle: große Reichweite (> 400 km), kurze Aufladezeit (3 min), Pkw/Transporter/Lkw/Bus Batterie: ideal für große Fahrzeuge im Stadtverkehr ( km), Aufladung über Nacht Quelle: EUCAR/CONCAWE Well-to-Wheel Report 2004, Optiresource, 2006 Reference vehicle class: VW Golf 150 Diesel Hybrid (Benzin) Hybrid (Diesel) Benzin Brennstoffzelle mit 100% H₂ aus fossilen Quellen betrieben batteriebetriebenes Elektrofahrzeug mit Strom aus 100% EU-Mix betrieben Brennstoffzelle mit 100% erneuerbarem H₂ betrieben 200 Verbrennungsmotoren Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle Elektrofahrzeug mit Batterie a) Übersetze und erkläre den Begriff Well-to-Wheel. b) Welcher Antrieb ist laut Diagramm der (1) umweltschädlichste und welcher Antrieb ist der (2) umweltfreundlichste? Gib jeweils die CO 2 -Emissionen und den Energieverbrauch an. c) Partner- oder Gruppenarbeit: Beschreibe und bewerte das gesamte Schaubild, insbesondere im Hinblick auf den Begriff Technologiewende und die Bemerkungen unter dem Schaubild. CD_BZ_AB22_2

25 23 Zum Trainieren und Merken: Brennstoffzellen a) Trage die Buchstaben der Lösungswörter in die einzelnen Kästchen ein. In den senkrechten, grau hinterlegten Feldern ergibt sich das Lösungswort. 1 so nennt man ein Auto mit zwei verschiedenen Antrieben 2 Prozess der Spaltung von Wasser 3 die Brennstoffzelle ist ein... 4 hier werden Brennstoffzellen schon seit längerem eingesetzt 5 der Erfinder der Brennstoffzelle (Nachname) 6 Wasserstoff ist in der Brennstoffzelle der... 7 englische Bezeichnung für Brennstoffzelle 8 elektrisch geladene Teilchen 9 bei diesem Prozess entsteht Wasserstoff als Nebenprodukt 10 eines der Elemente, aus dem Wasser besteht 11 trennt in der Brennstoffzelle die beiden Elektroden b) Schreibe das Lösungswort auf und erkläre es: 2. Was für ein Stoff ist Wasserstoff? Stelle alles zusammen, was du über Wasserstoff in Erfahrung bringen kannst. Berücksichtige dabei folgende Gesichtspunkte: Eigenschaften Stellung im Periodensystem Vorkommen Nachweis Herstellung Verwendung CD_BZ_AB23_1

26 74 23 Zum Trainieren und Merken: Brennstoffzellen 3. Ergänze die Mindmap zur Brennstoffzelle unter den vorgegebenen Aspekten. Vorteile Umweltaspekte Die Brennstoffzelle Nachteile Technologie 4. a) Recherchiere im Internet die Bewandtnis des folgenden Satzes. Er wurde während einer Apollo- 13-Mission ausgesprochen. Houston, we ve had a problem here. b) Schreibe einen kleinen Bericht über diesen Vorfall (eine halbe DIN-A4-Seite). CD_BZ_AB23_2

27 Bildquellennachweis Umschlag: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart 15, 16, 17 Dr. Tilmann Berger, Josef Maier 12, 13, 14, 32, 33, 44, 45, 48, 57, 58, 60, 65, 66, 68, 69, 71 Daimler AG, Stuttgart 19, 20, 21, 22, 23, 28, 30, 40, 41, 46, 52, 54, 55, 61, 62, 63, 72 Arno Pfeuffer, Kürnach 74 Grin 31 Picture-Alliance 56, 62 Volker Rust, Helmut Graf 35, 35, 36, 38 Dieter Schaich, Markus Röscheisen 59 Wikipedia 1. Auflage 2010 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwillung des Verlages. Hinweis 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages. Eine Zusammenarbeit des Genius Projektteams der Daimler AG und der Klett MINT GmbH Daimler AG, Stuttgart und Klett MINT GmbH, Stuttgart Autorin und Autoren: Hanne Lier, Stuttgart; Dr. Tilmann Berger, Sindelfingen; Helmut Graf, Wörth; Josef Maier, Stuttgart; Markus Röscheisen, Esslingen; Volker Rust, Karlsruhe; Dieter Schaich, Kirchheim unter Teck Autoren der Elektromotor-Simulation auf CD-ROM: Leonard Doyle, Karlsruhe; Joscha Krug, Karlsruhe Redaktion: Hanne Lier, Stuttgart Projektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart Gestaltung Inhalt: Gabriele Kiesewetter, Jung Medienpartner, Limburg Illustrationen: Arno Pfeuffer, apmedia-design, Kürnach Bildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, Leonberg HTML-Rahmen der Motor-Simulation: cobra youth communications GmbH, Berlin