Fuel Cell Box Wettbewerb 2013 – Phase II Yaren Yücelmis Zeliha Tasci Ingeborg-Drewitz-Gesamtschule Gladbeck Reiner Schulz (MKULNV), Dr. Thomas Kattenstein (Energieagentur.NRW), Yaren Yücelmis, Guntram Seippel, Zeliha Tasci (IDG), Ake Johnsen (h-tec) und Volker Lindner (h2-netzwerk-ruhr) Übergabe der Fuel Cell Box am 8. März 2013 im Revue Palast Ruhr in Herten

Presse WAZ Herten, 13.03.2013 WAZ Gladbeck, 12.03.2013

1a) Farbcode der Widerstände Die 8 Widerstände sind durch einen Farbcode gekennzeichnet, der mit Hilfe der nebenstehenden Tabelle entziffert werden kann. http://www.fremo-hemsbach.de/Mc_farbcode_b2.jpg

1a) Wertetabelle der 8 Messwiderstände

1a) Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen Reihenschaltung Rges= R1 + R2 Parallelschaltung 1/Rges = 1/R1 + 1/R2 oder auch Rges = (R1 x R2) / (R1 + R2) Durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Widerständen lässt sich die Anzahl der Widerstandswerte von ursprünglich 8 Widerständen deutlich erhöhen. Abbildungen und Formeln nach http://www.fairaudio.de/hifi-lexikon-begriffe/elektrotechnische-grundbegriffe.html

1a) Reihen- und/oder Parallelschaltung von 3 Widerständen 1x Bei insgesamt 3 Widerständen gibt es 8 verschiedene Möglichkeiten. Zum einen können alle drei Widerstände in Reihe bzw. parallel geschaltet sein, zum anderen sind zwei verschiedene Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltung möglich, wobei jeder der 3 Widerstände „alleine“ stehen kann, so dass diese Versionen je 3mal möglich sind. 1x 3x 3x

1a) Reihen- und/oder Parallelschaltung von 4 Widerständen 1x 1x Bei 4 Widerständen ergeben sich durch Reihen- und/oder Parallelschaltungen insgesamt 34 Möglichkeiten. 4x 4x 3x 6x 3x 12x

1) Abhängigkeit der Leerlaufspannung eines Solarmoduls vom Einstrahlwinkel Deutlich zu erkennen ist, dass der Einstrahlungswinkel einen nur geringen Einfluss auf die Leerlaufspannung hat. Dies macht deutlich, dass die Spannung primär eine materialabhängige Größe ist.

1) Abhängigkeit des Kurzschlussstroms eines Solarmoduls vom Einstrahlwinkel Hier wird deutlich, dass der Kurzschlussstrom vom Einstrahlungswinkel abhängig ist. Fällt das Licht senkrecht auf das Solarmodul, so können die Lichtstrahlen tiefer in das Solarmodul eindringen und es können mehr Elektronen in dem Modul freigesetzt werden.

1b) Messwerte eines Solarmoduls MPP MPP: Maximum Power Point – Punkt maximaler Leistung

1b) Kennlinie eines Solarmoduls MPP

1b) Leistungskurve eines Solarmoduls MPP

1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Messwerte MPP

1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Kennlinie MPP

1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Leistungskurve MPP

1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Messwerte MPP R1+R2 Reihenschaltung; R3//R4 Parallelschaltung

1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Kennlinie MPP

1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Leistungskurve MPP

Kennlinien von Solarmodulen im Vergleich MPPs Gut zu erkennen ist die Erhöhung der Stromstärke durch die Parallelschaltung und die Erhöhung der Spannung durch die Reihenschaltung.

Leistungskurven von Solarmodulen im Vergleich MPPs Die größte Leistung wird bei der Reihen- und Parallelschaltung der Solarmodule erreicht: P = 2,628 W, R = 68 W

1e) Ermittlung der optimalen Winkelausrichtung der Windkraftanlage MPP Abstand 10 cm, R = 4,7 W

1e) Ermittlung der optimalen Winkelausrichtung der Windkraftanlage MPP Als optimale Ausrichtung zwischen Flügelfläche und Windstrom wurde ein Winkel von etwa 75° ermittelt.

1f) Windkraftanlage - Messwerte MPP

1f) Strom-Spannungs-Kennlinie der Windkraftanlage MPP

1f) Leistungskurve der Windkraftanlage MPP Die größte Leistung wird mit P = 0,774 W bei der Parallelschaltung der Widerstände R5 und R6 erreicht. R ges (R5//R6) = 22,22 W.

1g) Leistung der Windkraftanlage bei unterschiedlichem Abstand

1g) Leistung der Windkraftanlage bei unterschiedlichem Abstand Man erkennt deutlich die Leistungsabnahme bei zunehmendem Abstand.

1h) Parallelschaltung der Elektrolyseure - Messwerte

1h) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Strom-Spannungs-Kennlinie Uz = ca. 1,55 V

1i) Reihenschaltung der Elektrolyseure - Messwerte

1i) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Strom-Spannungs-Kennlinie Uz = ca. 3,1 V

1j) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Leistung und Zeit Messwerte Rechnung U = 1,97 V P = U * I I = 1,15 A = 1,97 V * 1,15 A t = 211,36 s = 2,27 W VH2 = 30 cm³ Ho = 12,745 Ws/cm³ ges.: P Die elektrische Leistung betrug 2,27 W und es wurden 211,36 s für die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff benötigt.

1j) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Energieverbrauch und Wirkungsgrad E = P * t = 2,27 W * 211,36 s = 705,39 Ws Wirkungsgrad: = (VH2 * Ho) / (E) = (30 cm³ * 12,745 Ws/cm³) / 705,39 Ws = 54,20 % Der Energieverbrauch betrug 705,39 Ws und der Wirkungsgrad lag bei 54,20 %.

1k) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Leistung und Zeit Messwerte Rechnung U = 4,12 V P = U * I I = 1,16 A = 4,12 V * 1,16 A t = 105,79 s = 4,78 W VH2 = 30 cm³ Ho = 12,745 Ws/cm³ ges.: P Die elektrische Leistung betrug 4,78 W und es wurden 105,79 s für die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff benötigt.

1k) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Energieverbrauch und Wirkungsgrad E = P * t = 4,78 W * 105,79 s = 505,59 Ws Wirkungsgrad: = (VH2 * Ho) / (E) = (30 cm³ * 12,745 Ws/cm³) / 505,59 Ws = 75,62 % Der Energieverbrauch betrug 505,59 Ws und der Wirkungsgrad lag bei 75,62 %. Auf Grund des höheren Wirkungsgrades und des geringeren Energieverbrauches haben wir uns für die Reihenschaltung der Elektrolyseure entschieden.

1l) Kennlinie und Leistungskurve einer Brennstoffzelle - Messwerte MPP

1l) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle MPP

1l) Leistungskurve einer Brennstoffzelle MPP

1m) Reihenschaltung von Brennstoffzellen - Messwerte MPP

1m) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzellen-Reihenschaltung MPP

1m) Leistungskurve einer Brennstoffzellen-Reihenschaltung MPP

1n) Parallelschaltung von Brennstoffzellen - Messwerte MPP

1n) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzellen-Parallelschaltung MPP

1n) Leistungskurve einer Brennstoffzellen-Parallelschaltung MPP

1n) Vergleich der Ergebnisse der Brennstoffzellenversuche MPPs An den Kennlinien kann man gut erkennen, dass sich durch die Reihenschaltung der Brennstoffzellen die Spannung und durch die Parallelschaltung die Stromstärke erhöht (siehe auch 1o)).

1o) Maximale Leistung der Brennstoffzellen – Vergleich der Leistungskurven MPPs Die größte Leistung mit P = 1,0354 W wird bei der Reihenschaltung der Brennstoffzellen erreicht. Hierzu wurden die Widerstände R1 bis R3 in Reihe geschaltet mit R ges = R1 + R2 + R3 = 2,35 W.

1p) Aufbau des Gesamtsystems Auf Grund unserer Versuchsergebnisse haben wir uns bei den Solarmodulen für die Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung und bei den Elektrolyseuren und den Brennstoffzellen für eine Reihenschaltung entschieden.

2a) Einsatz der Brennstoffzellentechnologie in der Realität. Jenseits der Laborbedingungen ist zu bedenken, dass die regenerativen Energiequellen Wind und Sonne wesentlich unzuverlässiger sein werden. Der Wind wird nicht nicht immer gleichmäßig stark aus einer Richtung wehen und die Sonne wird im Laufe eines Tages unterschiedlich intensiv auf die Solarmodule einstrahlen. Die Erträge werden sehr stark z.B. von möglichen Wolken oder dem Winkel der Einstrahlung abhängig sein. Im Bereich der Brennstoffzellentechnologie werden deutlich größere Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Wasserstoffspeicher notwendig sein, was mit erheblichen Kosten verbunden sein wird. Zudem muss bei großen Mengen an Wasserstoff deutlich mehr auf die Sicherheit geachtet werden.

2b) Lösung der Modellsituation Sonne Verb. 2 Verbraucher 1 Wind Der Vergleich der beiden Diagramme zeigt, dass zwischen 4:00 und 7:00 Uhr, zwischen 14:00 und 15:00 Uhr und zwischen 18:00 und 20:00 Uhr auf den Wasserstoff zurückgegriffen werden muss. Zwischen 10:00 und 13:00 Uhr kann der deutliche Energieüberschuss zur Wasserstoffproduktion genutzt werden, ansonsten reicht die erzeugte Energie auch beim Anschluss beider Verbraucher noch zu einer kleinen Wasserstoffproduktion aus

2b) Lösung der Modellsituation

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.