Kapitel 6 Chemische Spannungsquellen

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1 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Kapitel 6 Chemische Spannungsquellen Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn Ausgabe: März 2009 Luigi Galvani Arzt, Anatom und Biophysiker

2 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 5 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN Inhaltsverzeichnis 6.1 Ersatzschaltbild und Belastung Ersatzschaltbild der Spannungsquelle Leerlauf einer Spannungsquelle Belastung einer Spannungsquelle Kurzschluss einer Spannungsquelle Belastungskennlinie einer Spannungsquelle 6.2 Serieschaltung von Spannungsquellen 6.3 Parallelschaltung von Spannungsquellen 6.4 Chemischer Vorgang bei Spannungsquellen Tabelle der Normalspannungen 6.5 Batterien und Akkumulatoren Primärelemente Sekundärelemente Entwicklungen in der Akkumulator-Technik 6.6 Batterien- und Akkumulatoren-Vergleichstabelle Auswahlkriterien für Batterien und Akkumulatoren 6.7 Galvanisieren 6.8 Netzersatzanlagen 6.9 Brennstoffzellen

3 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 3 1 ERSATZSCHALTBILD UND BELASTUNGSFÄLLE 6 Chemische Spannungsquellen 6.1 Ersatzschaltbild und Belastung Ersatzschaltbild der Spannungsquelle Gleichspannungsquellen sind Energiequellen, deren Spannungsbetrag zeitlich konstant ist. Typische Gleichspannungsquellen sind z. B. Batterien, Akkumulatoren und Netzgeräte. Nebenstehen ist die Ersatzschaltung einer Spannungsquelle dargestellt. Das vorgeschaltete Netz zu einem Verbraucher kann auch in dieser Form dargestellt werden. U Klemmenspannung [V ] Kl U Leerlaufspannung [V ] 0 E Elektromotorische Kraft [V ] U Äussere Spannung [V ] a I Strom [A] R i Innenwiderstand der Quelle [Ω] Als ideale Spannungsquelle 0 U wird eine Spannungsquelle bezeichnet, die unabhängig von der nachgeschalteten Last stets dieselbe Spannung abgibt. Klemmen- und Quellenspannung wären somit immer identisch, der Energievorrat der Quelle wird als unendlich angenommen. Da dies in der Praxis aber unmöglich zu erreichen ist, werden in technischen Berechnungen zumeist reale Spannungsquellen eingesetzt. Diese bestehen aus einer idealen Spannungsquelle, zu der ein in Reihe geschalteter Widerstand, der Innenwiderstand, angenommen wird.

4 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 4 1 ERSATZSCHALTBILD UND BELASTUNGSFÄLLE Leerlauf einer Spannungsquelle Leerlauf Die Leerlaufspannung nennt man auch: - Urspannung - Quellenspannung - Leerlaufspannung - Elektro-Motorische-Kraft ( E =EMK) U Klemmenspannung [V ] Kl U Leerlaufspannung [V ] 0 E Elektromotorische Kraft [V ] U Äussere Spannung [V ] a I Strom [A] R i Innenwiderstand der Quelle [Ω] Merke:

5 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 5 1 ERSATZSCHALTBILD UND BELASTUNGSFÄLLE Belastung einer Spannungsquelle Mit dem inneren Widerstand der Quelle kann bei Berechnungen der Einfluss von nachgeschalteten Lasten auf die tatsächlich anliegende Klemmenspannung der Quelle nachvollzogen werden. Je stärker die Quelle belastet wird, desto tiefer sinkt die an den Klemmen anliegende Spannung. In der Praxis kann der Innenwiderstand einer Spannungsquelle variieren, beispielsweise ist der Innenwiderstand einer neuen Batterie viel geringer als derjenige einer verbrauchten. Belastung U Klemmenspannung [V ] Kl U Leerlaufspannung [V ] 0 E Elektromotorische Kraft [V ] U Äussere Spannung [V ] a I Strom [A] R i Innenwiderstand der Quelle [Ω] R Äusserer Widerstand [Ω] a P a Leistung am äusseren Widerstand [W ]

6 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 6 1 ERSATZSCHALTBILD UND BELASTUNGSFÄLLE Kurzschluss einer Spannungsquelle Kurzschluss U Klemmenspannung [V ] Kl U Leerlaufspannung [V ] 0 E Elektromotorische Kraft [V ] U Äussere Spannung [V ] a I Strom [A] I Kurzschlussstrom [A] K R i Innenwiderstand der Quelle [Ω] R Äusserer Widerstand [Ω] a P a Leistung am äusseren Widerstand [W ] Der maximale Strom ist also umso größer, desto kleiner der Innenwiderstand der Quelle ist. Aus den hier aufgeführten Gründen ist es daher anzustreben, den Innenwiderstand für technische, zu halten. Jedenfalls sollte er viel klei- Spannungsquellen so klein wie möglich, am besten ner als der des Verbrauchers sein. R i = 0Ω

7 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 7 1 ERSATZSCHALTBILD UND BELASTUNGSFÄLLE Belastungskennlinie einer Spannungsquelle Die von einer realen Spannungsquelle abgegebene Leistung berechnet sich aus dem Produkt des Stromes und der Klemmenspannung. Im Leerlauf beträgt diese Leistung Null, da kein Strom durch den Verbraucher fließt. Auch im Kurzschlussfall wird keine Leistung abgegeben, da zwar ein hoher Strom fließt, die Klemmenspannung aber gleich Null ist. Der Strom wird in diesem Fall allein durch den Innenwiderstand begrenzt, der die maximale von der Quelle lieferbare Leistung umsetzen muss. Maximale Leistungsübertragung bzw. maximale Leistung am Verbraucher ist bei:

8 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 8 2 SERIESCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN 6.2 Serieschaltung von Spannungsquellen Bei Reihenschaltung mehrerer Spannungsquellen ergibt sich die Gesamtspannung aus der Summe der Leerlaufspannungen der einzelnen Spannungsquelle. Ebenso ist der Gesamtquellwiderstand gleich der Summe der einzelnen Innenwiderstände. Der Strom ist für alle Quellen in der Frequenz, Phase und Amplitude identisch.

9 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 9 2 SERIESCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

10 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 10 3 PARALLELSCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN 6.3 Parallelschaltung von Spannungsquellen Wird mehr Strom vom Verbraucher benötigt, als eine einzelne Quelle liefern kann, sodass eine Parallelschaltung von Spannungsquellen erforderlich wird, so ist dies nur bedingt mit realen Quellen möglich. Dazu müssen bei Bedarf Quellenwiderstände durch externe in die Leitungen geschaltete Widerstände nachgebildet werden. Diese müssen so groß sein, dass durch ihre Spannungsverluste die Spannung am Verbraucher kleiner wird als die kleinste der Leerlaufspannungen. Zusätzlich ist darauf zu achten, dass alle parallelgeschalteten Spannungsquellen bezüglich der Spannung: Den gleichen Betrag haben Das gleiche Vorzeichen (Polung) aufweisen Erdfrei sind oder am gleichen Pol geerdet sind. Bei mehr als einem Erdpunkt können geringe Differenzströme fließen (siehe Brummschleife) Wechselspannungsquellen die gleiche Phase haben Werden diese Punkte nicht beachtet führt dies zu einem meist unerwünschten Stromfluss zwischen den Quellen. Je nach Stromhöhe und/oder Ausführung der Spannungsquelle kann dies zur Zerstörung einzelner Teilquellen führen. Diese Kriterien können auch mit entsprechenden elektronischen Schutzschaltungen, die die Spannungen der einzelnen Spannungsquellen überwachen und regeln, erfüllt werden.

11 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 11 3 PARALLELSCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

12 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 12 4 CHEMISCHER VORGANG 6.4 Chemischer Vorgang bei Spannungsquellen

13 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 13 4 CHEMISCHER VORGANG Tabelle der Normalspannungen Standardpotentiale bei 25 C; 101,3 kpa; ph=0; Ionenaktivtäten= 1 Element im Redox- Paar, dessen Oxidationsstufe sich ändert Oxidierte Form Elektronenzahl Reduzierte Form Chemisches Zeichen Standartpotential Fluor F F 2 + 2e 2 F +2,87 V Schwefel S 2 S 2O 8 + 2e 2 2 SO 4 +2,00 V Sauerstoff O H 2O H 3O + + 2e 4 H 2O +1,78 V Gold Au Au + + e Au +1,69 V Gold Au Au e Au +1,42 V Gold Au Au e Au + +1,40 V Chlor Cl Cl 2 + 2e 2Cl +1,36 V Sauerstoff O O H 3O + + 4e 6 H 2O +1,23 V Platin Pt Pt e Pt +1,20 V Brom Br Br 2 + 2e 2Br +1,07 V Quecksilber Hg Hg e Hg +0,85 V Silber Ag Ag+ + e Ag +0,81 V Eisen Fe Fe 3+ + e Fe 2+ +0,77 V Iod J J 2 + 2e 2J +0,53 V Kohle (Braunstein, MnO 2 +0,74 Manganoxid) Kupfer Cu Cu + + e Cu +0,52 V Eisen Fe [Fe(CN) 6] 3 + e [Fe(CN) 6] 4 +0,361 V Kupfer Cu Cu e Cu +0,34 V Kupfer Cu Cu 2+ + e Cu + +0,16 V Zinn Sn Sn e Sn 2+ +0,15 V Wasserstoff (H 2) H 2H + + 2e H 2 0 Eisen Fe Fe e Fe 0,04 V Blei Pb Pb e Pb 0,13 V Zinn Sn Sn e Sn 0,14 V Nickel Ni Ni e Ni 0,23 V Cadmium Cd Cd e Cd 0,40 V Eisen Fe Fe e Fe 0,41 V Schwefel S S + 2e S 2 0,48 V Nickel Ni NiO H 2O + 2e Ni(OH) OH 0,49 V Zink Zn Zn e Zn 0,76 V Wasser H 2O 2 H 2O + 2e H OH 0,83 V Chrom Cr Cr e Cr 0,91 V Niob Nb Nb e Nb 1,099 V Vanadium V V e V 1,17 V Mangan Mn Mn e Mn 1,18 V Titan Ti Ti e Ti 1,21 V Aluminium Al Al e Al 1,66 V Titan Ti Ti e Ti 1,77 V Beryllium Be Be e Be 1,85 V Magnesium Mg Mg e Mg 2,38 V Natrium Na Na + + e Na 2,71 V Calcium Ca Ca e Ca 2,76 V Barium Ba Ba e Ba 2,90 V Kalium K K + + e K 2,92 V Lithium Li Li + + e Li 3,05 V Außerdem enthält die elektrochemische Spannungsreihe eine Abstufung der Metalle ( sehr edles Metall, edles Metall, weniger edles Metall, unedles Metall, sehr unedles Metall ) nach ihrem Bestreben, sich in Säuren oxidieren zu lassen. Die Standardpotentiale der edlen Metalle haben ein positives Vorzeichen, die der unedlen dagegen ein negatives.

14 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 14 5 PRIMÄRELEMENTE 6.5 Batterien und Akkumulatoren Bei den chemischen Spannungsquellen unterscheidet man zwischen Primärelemente Georges Leclanché 1839 in Parmain geboren

15 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 15 5 PRIMÄRELEMENTE Typen von Primärelementen Bezeichnung Aufbau Ladeverfahren Anwendung Umwelt Zink-Kohle - Zink + Braunstein E Amoniumchlorid Nennspannung 1,5V Transportable Geräte Zink-Chlorid - Zink-Chlorid + Braunstein E Amoniumchlorid Nennspannung 1,5V Zink-Luft - Zink + Zink-Oxid E Alkali-Oxid oder Hydroxid Ruhespannung 1,35 bis 1,4 V Hörgerätebatterie Alkali-Mangan (Alkali-Braunstein-Zink) Nennspannung 1,5V Nickel-Oxyhydroxid Nennspannung 1,5V Lithium-Thionylchlorid Li SOCl 2 Nennspannung 3,4V Leerlaufspannung 3,7V Energiezähler Heizkostenventilen Lithium-Mangandioxid Nennspannung 2,9V Li MnO 2 Leerlaufspannung 3,5 3,0V Lithium-Schwefeldioxid Nennspannung 2,7V Li SO 2 Leerlaufspannung 3,0V Militärischer Bereich Kameras, Uhren und als Backup-Batterie für Speicherschaltkreise Lithium- Kohlenstoffmonofluorid Li (CF n) Nennspannung 3,1 2,5V Leerlaufspannung 3,2 3,0V Anwendungen bei denen Leistung wichtiger als Kosten Lithium-Iod Li I 2 Nennspannung 2,795V Leerlaufspannung 2,8V Herzschrittmacher Lithium-Eisensulfid Li FeS 2 Nennspannung 1,5V Leerlaufspannung 1,8V Fotobereich Lithium-Luft Li O 2 Nennspannung 2V Leerlaufspannung 3,4V Quecksilberoxid-Zink Nennspannung 1,35V Silberoxid-Zink Nennspannung 1,55V Natrium-Nickelchlorid (Zebra-Batterie) Nennspannung 1,5V E Elektrolyt, + Kathode, - Anode

16 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 16 6 SEKUNDÄRELEMENTE Sekundärelemente

17 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 17 6 SEKUNDÄRELEMENTE Typen von Sekundärelementen Bezeichnung Aufbau Ladeverfahren Anwendung Umwelt Blei-Akku Bleioxid und Blei mit Schwefelsäure (H 2SO 4) Anode Bleioxid (PbO 2). Kathode metallisches Blei I/U-Ladeverfahren Nennspannung 2V Leerlaufspannung 2,08V Selbstrentladung 2% pro Tag hohe Strombelastbarkeit giftig NiCd Oxy-Nickelhydroxid und Cadmium mit Kaliumhydrid (KOH). Anode Oxy- Nickelhydroxid (2NiOOH) Kathode Cadmium Konstantstrom oder Reflex-Ladeverfahren Memoryeffekt Nennspannung 1,2V Geräte des täglichen Bedarfs giftig, aber recyclebar NiMH Nickel und eine Metalllegierung Konstantstrom, kein Memoryeffekt Nennspannung 1,2V Geräte des täglichen Bedarfs giftig, aber recyclebar Li-Ion I/U-Ladeverfahren Lithium-Ionen, Lithium- Polymere, Lithium-Metall Nennspannung 3V Selbstentladung 1% pro Monat Geräte des täglichen Bedarfs giftig

18 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 18 6 SEKUNDÄRELEMENTE

19 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 19 6 SEKUNDÄRELEMENTE Entwicklungen in der Akkumulator-Technik Neuere Entwicklungen der Akkumulatoren-Technologie verringern die bisherigen Nachteile von Batterie-betriebenen Elektrofahrzeugen nachhaltig. Neuere Lithium-Titanat-Akkumulatoren von Altairnano weisen nach Hersteller-Angaben folgende Eigenschaften auf: Eine Kapazität, die bei einem normalen PKW für eine Reichweite bis zu 400 km pro Akkuladung ausreicht. Resistenz gegen Kälte und Wärme: Betriebstemperatur von -50 C bis +75 C bei noch ca. 90 % Kapazität bei extremen Temperaturen. Auch wird keinerlei Kühlung o. ä. bei der Ladung benötigt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien können die Batterien durch das geänderte Material weder Feuer fangen noch explodieren. Dadurch spart man ein Sicherheitssystem, wie es z. B. beim Elektrosportwagen Tesla Roadster zum Einsatz kommen muss. Eine lange Lebensdauer der Batterien von mehr als 20 Jahren bzw. einer maximalen Zyklenzahl von bis , das entspräche theoretisch gefahrenen Kilometern bei einer Reichweite von 400 km pro Akkuladung. In der Praxis würde man die Batterien jedoch häufiger aufladen, womit die Batterien schneller verschleißen. Es soll möglich werden, die Akkumulatoren in einem Fahrzeug für eine Reichweite von 400 km in weniger als 10 Minuten aufzuladen. Für eine derart schnelle Wiederaufladung ist allerdings eine besondere Ladestation erforderlich. Diese Akkumulatoren werden seit September 2005 in kleinen Stückzahlen an die Firma Phoenix Motorcars in Reno (Nevada, USA), die Fahrzeuge mit Platz für 5 Personen und einer Ladefläche herstellt, die von diesen Batterien angetrieben werden. Ab 2008 soll ein entsprechend angetriebenes Sportfahrzeug (Sport Utility Vehicle, kurz: SUV) produziert werden.

20 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 20 7 PRIMÄR- UND SEKUNDÄRELEMENTE 6.6 Batterien- und Akkumulatoren-Vergleichstabelle Generell sind fast alle Batterien auch als Akkus erhältlich, die dann in der Regel etwas weniger Leistung erbringen. Bei den meisten Anwendungen ist dies weniger von Bedeutung, das heißt, der Leistungsverlust steht gegenüber der Kostenersparnis zurück. USA ANSI IEC Europa, JIS (International) Bezeichnung Duracel Visualisierung Ø, Länge Abmessung Kapatität [mah] Spannungen [V] AAAA E96 LR61 Mini 1 8,3 x 42, ,5 UM-5 (AM-5) N R1 LR1 Lady MN ,5 x 29, ,5 1,2 1 UM-4 (AM-4) AAA R03 LR03 Micro MN ,5 x 44, ,5 1,2 1 UM-3 (AM-3) AA R6 LR6 Mignon MN ,5 x 50, ,5 1,2 1 1/4AA Mignon 5 14,5 x 14,0 1/3AA Mignon 6 14,5 x 17,0 1/2AA Mignon 7 14,5 x 25,1 2/3AA Mignon 8 14,5 x 33,5 A 9 17,0 x 44, /2A 10 17,0 x 22, /3A 11 17,0 x 33,4 1,5 1,2 1 1,5 1,2 1 1,5 1,2 1 1,5 1,2 1 1,5 1,2 1 1,5 1,2 1 1,5 1,2 1 UM-2 (AM-2) C R14 LR14 Baby MN ,2 x 50, ,5 1,2 1 UM-1 (AM-1) D R20 LR20 Mono MN ,2 x 61, ,5 1,2 1 F x ,2 1 2R10 Duplex x ,0 6F22 (6AM-6) PP3 6R61 9 Volt Block MN ,5 x 17,5 x 48, ,0 Lithium CR2 17 Photobatterie 27,0 x 15, ,0 1 L, AM bedeutet grössere Leistung 1 Akkumulatoren

21 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 21 7 PRIMÄR- UND SEKUNDÄRELEMENTE Auswahlkriterien für Batterien und Akkumulatoren 1 Bemessungsspannung 2 Bemessungskapazität (entnehmbare Ladekapazität) 3 Energiedichte 4 Spannungskonstanz (während der Entladung) 5 Überlastverträglichkeit 6 Zuverlässigkeit 7 Lebensdauer 8 Lecksicherheit 9 Lagerfähigkeit (Selbstentladung) 10 Umweltverträglichkeit 11 Grösse und Gewicht 12 Anschlussmöglichkeit 13 Temperaturbedingungen 14 Preis

22 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 22 8 GALVANISIEREN 6.7 Galvanisieren Das Gesetz von Faraday: Die abgeschiedene Stoffmenge verhält sich proportional zu Strom und Zeit. Zudem ist der elektrochemische Beiwert eines Materials, das elektrochemische Äquivalent, zu berücksichtigen; dieses ist wiederum abhängig von Atom- und Molekulargewicht swie der Wertigkeit eines Ions. m abgeschiedene Stoffmenge [ g ], [ mg ] I Strom [ A ] t Zeit [ s ] [ g / Ah] c elektrochemisches Äquivalent [ mg / As] η Stromausbeute [ ]

23 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 23 8 GALVANISIEREN

24 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 24 9 NETZERSATZANLAGEN 6.8 Netzersatzanlagen

25 TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite NETZERSATZANLAGEN 6.9 Brennstoffzellen In einer Brennstoffzelle wird die bei der Oxidation eines Brennstoffes freiwerdende chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann mehr Energie in nutzbare Arbeit umgewandelt werden als mit einem Verbrennungsmotor, bei dem Energie als Abwärme verlorengeht.