Mary Mayen Gay, Alexander Kamps, Vanessa Krätzschmar. Ingeborg-Drewitz-Gesamtschule Gladbeck. Fuel Cell Box. Wettbewerb NRW 2010/2011

Transkript

1 Fuel Cell Box Wettbewerb NRW 2010/2011 Mary Mayen Gay, Alexander Kamps, Vanessa Krätzschmar Ingeborg-Drewitz-Gesamtschule Gladbeck

2 Übergabe der Fuel-Cell-Box am im ZBT Duisburg Cornelia Voigt (h-tec), Vanessa Krätzschmar, Dr. Thomas Kattenstein (EnergieAgentur.NRW), Mary Mayen Gay, Guntram Seippel (IDG), Alexander Kamps, Dr. Heinz Baues (Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz NRW)

3 WAZ Gladbeck, Projektpräsentation: zdi-forum 2011

4 Projektpräsentation: zdi-forum 2011 Unter dem Motto Chancen bieten Chancen ergreifen! veranstaltete das Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung am 28. März 2011 im Thyssen-Krupp-Steel Bildungszentrum in Duisburg das zdi-forum Im Mittelpunkt des Forums stand eine große Messe. Auf ihr zeigten die vielen zdi-partner ihre Angebote zur Förderung des sog. MINT- Nachwuchses in NRW. Mit dabei war auch unsere Fuel-Cell-Box- Projektgruppe. Bei ihrem Rundgang zeigten Wissenschaftsministerin Svenja Schulze, die Presse und die zahlreichen Besucher großes Interesse an unserer Arbeit zur Solar-Wasserstoff-Wirtschaft.

5 WAZ, Projektpräsentation: zdi-forum 2011

6 1a) Farbcode der Widerstände Der Wert eines Widerstandes wird mit Hilfe von Farbringen gekennzeichnet und lässt sich mit Hilfe der Tabelle ermitteln. Quelle: und

7 1a) Farbcode der Widerstände Für unsere Widerstände ergeben sich somit folgende Werte: Nr. Farbcode Wert / Toleranz 1 rot-rot-silber-gold 0,22 Ω +/- 5% 2 orange-orange-silber-gold 0,33 Ω +/- 5% 3 braun-grau-gold-gold 1,8 Ω +/- 5 % 4 gelb-violett-gold-gold 4,7 Ω +/- 5% 5 braun-schwarz-schwarz-gold 10 Ω +/- 5% 6 orange-orange-schwarz-gold 33 Ω +/- 5% 7 blau-grau-schwarz-gold 68 Ω +/- 5% 8 orange-orange-braun-gold 330 Ω +/- 5%

8 1b) Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einer Reihen- und einer Parallelschaltung von Widerständen. Für eine Reihenschaltung gilt: Rges= R1 + R2 Für eine Parallelschaltung gilt: 1/Rges = 1/R1 + 1/R2 Quelle:

9 1b) Reihen- und Parallelschaltung von 3 Widerständen Durch die Kombination von Reihenund Parallelschaltung ergeben sich für 3 Widerstände insgesamt 8 verschiedene Möglichkeiten.

10 1b) Reihen- und Parallelschaltung von 4 Widerständen Durch die Kombination von Reihen- und Parallelschaltung ergeben sich bei 4 Widerständen insgesamt 34 Möglichkeiten.

11 1c) Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls R / Ω U / V I / A P / W Kurzschluss 0 0, ,07 0,23 0,0161 0,33 0,1 0,23 0,023 1,8 0,42 0,21 0,0882 4,7 1 0,2 0,2 10 1,94 0,19 0,3686 MPP 33 2,09 0,06 0, ,12 0,03 0, ,14 0,01 0,0214 Leerlauf 2, MPP: Maximum Power Point (Punkt maximaler Leistung)

12 1c) Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls Strom-Spannungs-Kennlinie 2,5 2 MPP 1,5 1 U / V 0, ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 I / A

13 1d) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen R / Ω U / V I / A P / W Kurzschluss 0 0, ,14 0,58 0,0812 0,33 0,24 0,58 0,1392 1,8 1,12 0,58 0,6496 4,7 2,6 0,55 1, ,97 0,38 1, ,22 0,12 0, ,26 0,06 0, ,28 0,01 0,0428 Leerlauf 4, MPP

14 1d) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen Strom-Spannungs-Kennlinie 5 4,5 4 3,5 MPP 3 2,5 2 U / V 1,5 1 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 I / A

15 1e) Reihenschaltung von Solarmodulen R / Ω U / V I / A P / W Kurzschluss 0 1, ,41 1,17 0,4797 0,33 0,72 1,11 0,7992 1,8 1,81 0,92 1,6652 4,7 2,01 0,41 0, ,06 0,2 0, ,09 0,06 0, ,1 0,03 0, ,1 0,01 0,021 Leerlauf 2, MPP

16 1e) Reihenschaltung von Solarmodulen Strom-Spannungs-Kennlinie 2,5 2 MPP 1,5 U / V 1 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 I / A

17 Zusammenfassung 1c) 1e): Solarmodule Kennlinien Solarmodule 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 MPP Einzelzelle Reihen- und Parallelschaltung Parallelschaltung 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 I / A U / V

18 Zusammenfassung 1c) 1e): Solarmodule Schön zu erkennen ist, dass sich durch die Parallelschaltung die Stromstärke und durch die Reihenschaltung die Spannung erhöht. Die maximale Leistung wird mit P = 1,6652 W bei einem Widerstand von R = 1,8 Ωbei der Parallelschaltung aller vier Solarmodule erreicht. Diese Verschaltung wird somit für das Modell gewählt.

19 1f) Ausrichtung der Flügel Flügel Winkel Wind Bei der Ausrichtung der Flügel in Windrichtung zeigte sich bei einem Winkel von 0 bis etwa 40 quasi keine Leistung. Ab 45 stieg die Leistung langsam an, die bei einem Winkel von etwa 75 ihr Maximum erreichte.

20 1g) Strom-Spannungs-Kennlinie der Windkraftanlage R / Ω U/V I/A P / W Leerlauf 6, ,38 0,01 0, ,54 0,06 0, ,13 0,12 0, ,39 0,23 0,5497 4,7 1,1 0,25 0,275 1,8 0,4 0,26 0,104 0,33 0,09 0,27 0,0243 0,22 0,07 0,28 0,0196 Kurzschluss 0 0,29 0 MPP

21 g) Strom-Spannungs-Kennlinie der Windkraftanlage Strom-Spannungs-Kennlinie MPP 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 I / A U / V

22 1h) Leistung bei unterschiedlichem Abstand Abstand/cm U / V I / A P / W 5 2,4 0,23 0, ,34 0,22 0, ,18 0,21 0, ,03 0,19 0, ,9 0,18 0, ,68 0,16 0, ,45 0,12 0, ,2 0,12 0, ,2 0,12 0, ,1 0,1 R = 10 Ω

23 1h) Leistung bei unterschiedlichem Abstand Leistungs-Abstands-Kennlinie 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 P / W 0, Abstand / cm

24 1i) Parallelschaltung der Elektrolyseure Parallelschaltung der Elektrolyseure R/Ω U/V I/A ohne 1,75 1,27 0,22 1,74 1,26 0,33 1,74 1,25 1,8 1,73 1,14 4,7 1,66 0, ,6 0, ,53 0, ,51 0, ,47 0,0109

25 1i) Parallelschaltung der Elektrolyseure Strom-Spannungs-Kennlinie 1,8 1,7 1,75 1,65 1,6 U / V 1,5 1,55 1,45 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 I / A

26 1j) Reihenschaltung der Elektrolyseure Reihenschaltung der Elektrolyseure R/Ω U/V I/A ohne 3,76 1,15 0,22 3,74 1,13 0,33 3,74 1,12 1,8 3,58 0,78 4,7 3,34 0, ,21 0, ,08 0, ,04 0, ,96 0,0064

27 1j) Reihenschaltung der Elektrolyseure Strom-Spannungs-Kennlinie 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 U / V 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 I / A

28 1k) Leistung der Elektrolyseure bei einer Parallelschaltung Messwerte: Uges = 1,77 V (UElektrolyseur = 1,77 V) Iges = 1,24 A (IElektrolyseur = 0,62 A) t = 3:12:78 Min. = 192,78 s Rechnung: Pges = Uges * Iges = 1,77 V * 1,24 A = 2,195 W Energieverbrauch Eges = Pges * t = 423,15 Ws Bei einer Leistung von 2,195 W dauert die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff 192,78 s

29 1l) Leistung der Elektrolyseure bei einer Reihenschaltung Messwerte: Uges = 3,79 V (UElektrolyseur = 1,89 V) Iges = 1,12 A (IElektrolyseur = 1,12 A) t = 1:46:53 Min. = 106,53 s Rechnung: Pges = Uges* Iges = 3,79 V * 1,12 A = 4,245 W Energieverbrauch: Eges = Pges * t = 452,22 Ws Bei einer Leistung von 4,245 W dauert die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff 106,53 s.

30 Vergleich von Reihen- und Parallelschaltung der Elektrolyseure Strom-Spannungs-Kennlinie 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, ,5 1 1,5 Parallelschaltung Reihenschaltung I / A U / V

31 Vergleich von Reihen- und Parallelschaltung der Elektrolyseure Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Verwendung der Reihenschaltung die Wasserstoffproduktion schneller verläuft, die Leistungsaufnahme und damit im Endeffekt auch der Energieverbrauch aber höher liegen, als bei der Parallelschaltung. Aus diesem Grund wurde für das Modell die Parallelschaltung der Elektrolyseure gewählt.

32 1m) Kennlinie einer Brennstoffzelle Brennstoffzelle (einzeln) R/Ω I / A U / V P / W Kurzschluss 0, ,22 0,77 0,21 0,1617 0,33 0,74 0,29 0,2146 0,55 0,61 0,39 0,2379 1,8 0,32 0,6 0,192 4,7 0,067 0,75 0, ,047 0,77 0, ,0206 0,81 0, ,0114 0,83 0, ,0026 0,89 0, Leerlauf 0 0,92 0 MPP

33 1m) Kennlinie einer Brennstoffzelle Strom-Spannung-Kennlinie 1 0,8 0,6 0,4 MPP U / V 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 I / A

34 Leistungskurve einer Brennstoffzelle Leistungskurve einer Brennstoffzelle 0,25 MPP 0,2 0,15 0,1 P / W 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 I / A

35 1n) Reihenschaltung von Brennstoffzellen Reihenschaltung (4 Zellen) R / Ω I / A U / V P / W Kurzschluss 0, ,22 0,79 0,25 0,1975 0,33 0,79 0,34 0,2686 0,55 0,79 0,53 0,4187 1,8 0,7 1,32 0,924 4,7 0,44 2,09 0, ,25 2,5 0, ,075 2,95 0, ,042 3,1 0, ,01 3,4 0,034 Leerlauf 0 3,73 0 MPP

36 1n) Reihenschaltung von Brennstoffzellen Strom-Spannungs-Kennlinie 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 MPP U / V 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 I / A

37 Leistungskurve einer Reihenschaltung 1 Leistungskurve Reihenschaltung MPP 0,8 0,6 0,4 P / W 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 I / A

38 1o) Parallelschaltung von Brennstoffzellen Parallelschaltung (4 Zellen) R / Ω I / A U / V P / W Kurzschluss 2,6 0 0 Kabel 2,25 0,18 0,405 0,22 1,6 0,49 0,784 0,33 1,3 0,54 0,702 0,55 0,93 0,61 0,5673 1,8 0,38 0,72 0,2736 4,7 0,16 0,78 0, ,08 0,83 0, ,022 0,88 0, ,012 0,89 0, ,0027 0,91 0, Leerlauf 0 0,92 0 MPP

39 1o) Parallelschaltung von Brennstoffzellen Strom-Spannungs-Kennlinie 1 0,8 0,6 0,4 MPP U / V 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 I / A

40 Leistungskurve der Parallelschaltung Leistungskurve Parallelschaltung 1 0,8 MPP 0,6 0,4 P / W 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 I / A

41 Kennlinien im Vergleich Strom-Spannungs-Kennlinien 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 MPP Einzelzelle Reihenschaltung (4) Parallelschaltung (4) I / A U / V

42 Leistungskurven im Vergleich Leistungskurven von Brennstoffzellen 1 0,8 0,6 0,4 0,2 MPP Einzelzelle Reihenschaltung (4) Parallelschaltung (4) P / W I / A

43 1p) Maximale Leistung von Brennstoffzellen Wie man auf der vorherigen Folie schön sehen kann, wird die maximale Leistung mit P = 0,924 W bei der Reihenschaltung erzielt, bei einem Widerstand von R = 1,8 Ω.Diese Verschaltungsart wurde somit für das Modell gewählt. Bei den Kennlinien lässt sich wiederum schön erkennen, dass durch die Reihenschaltung die Spannung und durch die Parallelschaltung die Stromstärke steigt.

44 1q) Aufbau des Gesamtsystems

45 1q) Aufbau des Gesamtsystems

46 1q) Aufbau des Gesamtsystems Folgender Aufbau wurde gewählt: - 4 Solarzellen in Parallelschaltung - 2 Elektrolyseure in Parallelschaltung - Windrad mit etwa 75 Flügelstellung - 4 Brennstoffzellen in Reihenschaltung

47 2a) Umsetzung in die Realität Zu beachten ist in erster Linie, dass in der Realität der Wind nicht immer gleichmäßig aus einer Richtung kommt und die Sonne im Laufe des Tages nicht gleichmäßig auf die Solarmodule einstrahlt, so dass es bei der Energiebedarfsdeckung durch die regenerativen Energiequellen wesentlich stärkere Schwankungen geben wird, als im Modell. Zudem wird in der Realität eine wesentlich größere und teurere Anlage aus Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Wasserstoffspeichern von Nöten sein, die auch bestimmte Sicherheitsbedingungen bzgl. des Wasserstoffs erfüllen muss.

48 2b) Lösung der Modellsituation Lastprofil Energiequellen 2, ,5 1 0,5 Radiosender Hindernisfeuer Hindernisfeuer Wind Sonne Last Zeit / Stunden Tag / Stunden Direkt zu erkennen ist, dass zwischen 4 und 7 Uhr, 14 und 15 Uhr und 18 und 20 Uhr der Energiebedarf mit Hilfe der Brennstoffzellen gedeckt werden muss. Des weiteren besteht zwischen 10 und 14 Uhr ein deutlicher Energieüberschuss, der für die Wasserstoffproduktion genutzt werden kann. Ein geringer Überschuss besteht zudem, wenn zwischen 7 und 18 Uhr nur der Sender arbeitet (abzgl. der o.a. Brennstoffzellenzeiten).

49 2b) Lösung der Modellsituation Uhrzeit Verbraucher Energiequelle 0 bis 4 Radiosender, Hindernisfeuer, Aufladung des Kondensators Wind 4 bis 7 Radiosender, Hindernisfeuer Wasserstoff 7 bis 10 Radiosender, Elektrolyseur, Wiederaufladung des Kondensators Sonne 10 bis 13 Radiosender, Wiederaufladung des Kondensators Wind Elektrolyseur Sonne 13 bis 14 Radiosender, Elektrolyseur Wind 14 bis 15 Radiosender Wasserstoff 15 bis 18 Radiosender, Elektrolyseur, Wiederaufladung des Kondensators Sonne 18 bis 20 Radiosender, Hindernisfeuer Wasserstoff 20 bis 24 Radiosender, Hindernisfeuer, Wiederaufladung des Kondensators Wind Der Wechsel zwischen den Energiequellen erfolgt über den Kondensator

50 Am 28. Juni 2011 beteiligte sich die Fuel Cell AG an der Abschlussveranstaltung HyChain in der Metropole Ruhr. In der Lohn-und Lichthalle der Zeche Ewald in Herten stellten die Schülerinnen und Schüler ihre bisherigen Wasserstoffprojekte den Teilnehmern der Veranstaltung, die vom H2-Netzwerk Ruhr e.v. und der Energieagentur NRW durchgeführt wurde, vor.