Energie. Das heutige Energiesystem. Probleme: Treibhauseffekt, Umweltbelastung durch Abgase. Verbrennung CO 2. Kraft/ Wärme- Kopplung

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1 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran 2H 2O H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO embran H SOH 2 Das heutige Energiesystem Energie Probleme: Treibhauseffekt, Umweltbelastung durch Abgase ppm CO 2 Regenerative Energien Verbrennung Fossile Brennstoffe CO 2 H 2 O Andere Gase: NO X, C n H 2n2, SO 2... Kraft/ Wärme Kopplung Umwelt Endliche Vorräte Wie kann dieses System geändert werden?

2 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO embran H SOH 2 Ein alternatives Energiesystem Energie Regenerative Energien Wasserstoff Unendliche Vorräte Verbrennung Brennstoffzelle Kraft/ Wärme Kopplung Sauerstoff H 2 O H 2 O Umwelt

3 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele H SOH 2 Hauptproblem! Wie kann Wasserstoff in einer Welt gespeichert werden, in der Sauerstoff allgegenwärtig ist? 2 SO embran Wasserstoff/Sauerstoff Gemische, besonders im Volumenverhältnis 2:1, sind hochexplosiv! Knallgasreaktion

4 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO embran H SOH 2 Speicher für Wasserstoff Druckgasflaschen: Kapazität eher gering Flüssiger Wasserstoff: Hierzu müssen Temperaturen von unter 250 C gehalten werden. Chemische Verbindungen wie etallhydride: Natriumborhydrid Reaktion: NaBH 4 2 H 2 O 4 H 2 NaBO 2 Die neuesten Speicher sind aber sogenannte Nanoröhren aus Graphitfasern. Diese vermögen wie ein Schwamm sehr große engen an H 2 aufzusaugen. Energiedichte im Vergleich 1,2 kwh/l 0,6 kwh/l 2,7 kwh/l H 2 Druckgas Nanoröhren 615 kwh/l 8 kwh/l Benzin 4 kwh/l ethanol etallhydrid H 2 flüssig

5 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO embran H SOH 2 it Hilfe regenerativer Energien wird Wasserstoff als Energieträger erzeugt. Regenerative Energien: Sonne, Wind, Wasserkraft und Biomasse it Solarzellen können tagsüber durch Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden, wobei allerdings nur der Wasserstoff gespeichert wird. 2 H 2 O 2 H 2 O 2

6 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO embran H SOH 2 Solarzellen Solarzellen bestehen aus Silicium, das mit Phosphor bzw. Bor dotiert ist. Silicium hat 4 ßenelektronen, Phosphor jedoch 5, Bor nur drei. Dadurch entstehen Fehlstellen. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si ndotierung ein ungebundenes n "zuviel" pdotierung "Loch" mit ungebundenem n Bringt man nun n und pschicht zusammen, diffundieren Löcher in die nschicht und nen in die pschicht. Es entsteht eine Raumladungszone, die pschicht lädt sich negativ auf, die nschicht positiv.

7 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO H embran SOH 2 Trifft nun Licht auf die sehr dünne nschicht, so rekombinieren nen und Löcher, d.h., es fließt ein Strom, wenn man n und pschicht über einen etalldraht verbindet. Licht n p Raumladungszone Durch Licht in der Raumladungszone "losgelöste" nen

8 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO H embran SOH 2 Wie wird Wasserstoff als Energieträger verwendet? Er kann, wie z. B. Erdgas, mit Luftsauerstoff verbrannt werden und damit kann man auch heizen. ch mit Wasserstoff anstelle von Benzin getriebene Ottootoren sind schon im Einsatz. Aber: Das effektivste System ist das der Brennstoffzelle, weil der Wirkungsgrad, d.h., die snutzung der chemischen Energie hier am effektivsten ist. Wie funktioniert die Brennstoffzelle? Die wird umgekehrt: 2 H 2 O 2 2 H 2 O

9 Pol E lektrolys e Pol Protone protone nüberga nselektiv Brens tofzele ngdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO H embran SOH O 2 2 Pol Pol nenübergang: Brennstoffzelle 2 Protonenübergang durch die Protonenaustauschembran Brennstoffzelle fbau der embran SO H SO H Die Reaktionen: Pol: O 2 4 e O 2 Pol: 2 H 2 4 H 4 e 2 H 2 O 2 2 H 2 O H 2 O 2 O 2 O 2 H

10 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO embran H SOH 2 it der Kombination Solar und Brennstoff Zelle lässt sich sogar ein to antreiben!

11 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO embran H SOH 2 Das Unterrichts Projekt: Energie wurde präsentiert von Klasse 11h

12 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO embran H SOH 2 H H Der Natur abgeguckt? H H atrixraum H H H H H H itochondrien sind wie Brennstoffzellen. Sie arbeiten nur nicht mit gasförmigen Wasserstoff sondern mit NADH. Im atrixraum werden in einer Kaskadenreaktion (Atmungskette) nen von NADH auf O 2 übertragen. Dabei werden Protonen aus dem atrixraum in den Intermembranraum transferiert. Beim Rückströmen wird ATP erzeugt. NADH H NAD 2 e 2 H ½ O 2 2 e O 2 NADH H ½ O 2 NAD 2 H O 2 ; 2 H O 2 H 2 O

13 Pol E lektrolys epol tofzelengdurch eemb die ran H Vor e delder gängein mbranbr fzele 2 SO H embran SOH 2 Schematische Darstellung der Vorgänge in der itochondrienmembran H 2 O NADH ½ O 2 2 e O 2 2 H NAD H 2 e ADP P A H ATP atrixraum embran H H H H H Intermembranraum Jeder nentransfer in der Atmungskette ist mit einem Protonentransfer verbunden. Der Protonenrückfluss durch die embran ist die Triebkraft für die ATP Synthese (ATPase).