Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku.

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2 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Der Solar-Wasserstoff-Akku Hausstromversorgung der Zukunft? Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Projektmitglieder: Thomas Klein, Christian Wendt, Erik Pistauer / SKS Möser

3 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Einleitung Wir betonen vorab, hiermit keine neue Erfindung gemacht zu haben. Angeregt zu dieser Arbeit, wurden wir im Unterricht der Klasse 8 im Stoffgebiet Wärmekraftmaschinen. Unser Lehrer diskutierte mit uns den Wirkungsgrad der einzelnen Maschinen. Es sei in der heutigen Zeit unsinnig, mit Wirkungsgraden unter 50% zu arbeiten, wo es doch den Elektromotor mit einem bis zu 90-prozentigen Wirkungsgrad gibt. Wir besprachen auch alternative Energieformen, wie Windkrafträder, - bis hin zum Wasserstoffmotor. Dieser regte uns besonders zum Nachdenken an und schien auf den ersten Blick die Lösung des Problems zu sein. Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen beim Zusammenführen elektrischen Strom und als ’’Abgas’’ entsteht Wasser. Nachgefüllt wird an der Tankstelle. Genial! Aber wo kommt der Wasserstoff her? Um Wasserstoff zu gewinnen, muss wiederum Energie aufgebracht werden. Industriell betrieben, ist die Sache heute gar nicht umweltfreundlich. Bei der industriellen Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen entsteht Kohlendioxid. Im Chemieunterricht nahmen wir in diesem Jahr die Elektrolyse; die Aufspaltung von Stoffen durch. Mit Strom war es möglich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Viele Fragen stellten sich. Wo bekommt man zur Spaltung günstigen Strom her? Kann man die Abwärme bei der Wasserstoffbrennstoffzelle noch nutzen? Wie speichert man den Wasserstoff platzsparend? 1 von 1

4 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Die Sonne scheint nicht 24h lang > Wir brauchen Strom rund um die Uhr! Die Sonne liefert Ihre Energie jahreszeitabhängig > Wir benötigen viel Energie in den kalten Monaten. Die Speicherung erfolgt derzeit in Batterien (Umwelt!), oder durch Abgabe ins öffentliche Stromnetz, ohne welches wir nicht rund um die Uhr Strom zur Verfügung haben würden. Solarzellen haben einen kleinen Wirkungsgrad > NICHT 1:1 ! Das Prinzip Die Sonne liefert mehr Energie als wir derzeit benötigen. In Sommermonaten (mittags) sind dies ca.1000W pro Quadratmeter, selbst bei bedecktem Himmel strahlt Sie noch mit 50-200W ein. In unseren Breiten (ca. 1200h/Jahr) ergibt sich daraus eine durchschnittliche Jahresleistung von 1000 kWh/m². Der durchschnittliche Elektro-Energiebedarf eines deutschen Haushaltes liegt bei 4500 kWh! Rund 5m² gewonnene Jahres - Sonnenenergie könnten diesen Energiebedarf decken. Erstaunlich! Und Kostenlos! 1 von 3

5 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Das Prinzip - Übersicht Sonnenenergie > Gleichstrom > Wasserstoff > Gleichstrom > Wechselstrom Wasserstofftank Solarzellen Sonnenenergie Akku Elektrolyser zur Steuerung und Regelung (PC) Sauerstoff Wasserstoff Brennstoffzelle Strom- wandler + - elektrische Energie Chemische Energie elektrische Energie elektrische Energie Gleichstrom Wechselstrom Sonnenenergie wird in einen Wasserstoffvorrat umgewandelt! > Unabhängigkeit! 2 von 3

6 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Das Prinzip - Ablauf Keine Vernichtung natürlicher Ressourcen, keine Abgase und Reststoffe Sonne: unregelmäßige Einstrahlung Aufbewahrung von Wasserstoff unter hoher Dichte in einem Tank Stromwandler: Wandelt den ent- standenen Gleichstrom in Wechsel- strom um Elektrolyser: Aufspaltung von Wasser 2H 2 O => 2H 2 + O 2 Solarzellen (z.Bsp. auf Dach ) Gleichstrom Brennstoffzelle: Umkehrung des Elektrolysevorgangs 2H 2 + O 2 => 2H 2 O Gleichstrom Abnahme bei Bedarf 3 von 3

7 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Die Solarzelle Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden und die Verarbeitung des Materials umweltverträglich ist. Wenn Licht oder Wärme auf die Oberfläche wirkt sind Halbleiter elektrisch leitfähiger. Zur Herstellung einer Solarzelle und Verbesserung der Leitfähigkeit wird das Halbleitermaterial dotiert. Damit ist das Einbringen von chemischen Elementen gemeint. So erzeugt man zwei Arten von Siliziumkristallen (p leitend = Kristall mit zu wenigen Elektronen und n leitend = Kristalle mit zu vielen Elektronen). Zwischen Kontaktfinger und Metallkontakt kann man die Spannung (Leerlaufspannung ) abgreifen. Die durchsichtige Antireflexschicht dient dem Schutz der Zelle und vermindert die Reflexion an der Zelloberfläche. 1 von 3

8 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Solarzellenmodule Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 V. Die Spannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei stärkerer Beleuchtung ansteigt. Bei einer 100 cm² (10x10cm) großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2 A. Einfacher ausgedrückt: Spannung hat man auch bei geringer Einstrahlung, Stromfluss nur bei besserem Lichteinfall. Um größere Leistungen (P=Spannung * Stromstärke) zu erreichen, werden mehrere Solarzellen zu so genannten Modulen zusammengeschaltet. Bei Reihenschaltung erhöht sich die Spannung, bei Parallelschaltung die Stromstärke. Der dabei entstehende Strom ist Gleichstrom und muss für viele elektrische Vorgänge in Wechselstrom umgewandelt werden. 2 von 3

9 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Solarzellentechniken In der Praxis bestehen Solarzellen hauptsächlich aus monokristallines, polykristallines oder amorphes Silizium. Sie unterscheiden sich in der Herstellung und im Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der eingestrahlten Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Polykristalline Solarzellen sind in der Herstellung kostengünstiger, amorphe dafür trotz des scheinbar geringeren Wirkungsgrades in Ihrer Ausbeute (extrem dünne Schichten) effektiver, aber auch bedeutend teurer. MaterialWirkungsgrad in % (Praxiswerte) Monokristallines Silizium14 bis 17 Polykristallines Silizium13 bis 15 Amorphes Silizium5 bis 7 Akzeptabel in Preis und Leistung ist die Verwendung monokristalliner Halbleiter (Silizium) Der Wirkungsgrad liegt derzeit rund bei 15% Es entsteht Gleichstrom, dessen Stärke abhängig vom Einstrahlwinkel und der Lichtintensität ist. 3 von 3

10 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Der Elektrolyseur Elektrolyse ist das Zerlegen einer stromleitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) bei Anlegen einer Spannung in Ionen (geladene Teilchen). Enthält die Flüssigkeit Säuren, Laugen oder Salze läuft der Prozess besser ab. Bei der Elektrolyse von Wasser soll eine Zerlegung in Wasserstoff und Sauerstoff stattfinden. Elektrolysegleichung: 2H 2 O + Energie → 2H 2 + O 2 Als Energiequelle kann eine einfache Gleichstromquelle, wie eine Batterie oder Solarmodul genutzt werden 1 von 4

11 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Der Elektrolyseur - Funktion Das Gefäß besteht aus drei aufsteigenden Röhren, wovon zwei zum Auffangen von Wasserstoff und Sauerstoff und das Dritte zur Zuführung von Wasser benötigt werden. Ein positiver, wie ein negativer Leiter (aus Platin) führen in die äußeren Gefäße, in denen sich Wasser befindet. Wenn der Strom zu fließen beginnt, bilden sich an der Kathode (-) und Anode (+) Bläschen, die nach oben steigen und das Wasser im oberen Bereich verdrängen. An der Kathode (-) entstehen große Wasserstoff - Bläschen, wodurch das Wasser schneller sinkt, als an der Anode (+). An der Anode bilden sich nur halb so große Sauerstoff - Bläschen. Durch das Sinken des Wasserstandes in den 2 äußeren Röhren, steigt das Wasser in der mittleren Röhren an. Über die Ventile kann man die getrennten Gase abnehmen. In unserem Fall interessiert nur der Wasserstoff. Der Sauerstoff kann an die Umwelt abgegeben werden. 2 von 4

12 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Elektrolyseprinzip Das H+ Ion wandert zur Kathode und erhält von dieser ein Elektron, was das Ion zu einem normalen neutralen Wasserstoffatom macht. Treffen zwei Atome zusammen entsteht ein Wasserstoffmolekül und viele dieser Moleküle verbinden sich zu einer Wasserstoffblase, die aufsteigt. An der positiven Anode, zur der das HO- Ion wandert, werden diesem 2 Elektronen abgenommen. So wird dieses ebenfalls neutralisiert und es entsteht Sauerstoff und ein Wasserstoffatom, die wiederum sich zu Molekülen und Blasen vereinigen. Im normalen Wasser liegt eine geringer Anteil der Wasserteilchen (H2O) immer in Form von Ionen vor, (H+ und OH-). Diese Ionen werden von der jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode angezogen: 3 von 4

13 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Elektrolyse - Ergebnisse Für dieses Verfahren werden bei 5-10 Volt / 4.5kw / 2kw/h Gleichstrom benötigt, um 1m³ Wasserstoff und ½ m³ Sauerstoff herzustellen. In Gramm gesehen werden aus 1000 Gramm 111.11Gramm Wasserstoff und 888,88 Gramm Sauerstoff gewonnen, in Liter umgerechnet werden aus einem Liter 0.111 Liter Sauerstoff und 0.888 Liter Wasserstoff. Mit Hilfe von elektrischer Energie wird Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Man kann normales Wasser, besser aber mit Säure versetztes Wasser benutzen. Für den Vorgang benötigt man Gleichstrom. Um einen Stromfluss zu ermöglichen benötigt man eine Mindestspannung von wenigen Volt. Der Sauerstoff kann an die Umwelt abgeführt werden. 4 von 4

14 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Der Wasserstoffspeicher Man kann Wasserstoff im gasförmigen Zustand und im flüssigen Zustand speichern. Bei der Speicherung im gasförmigen Aggregatzustand wird entweder ein sehr hoher Druck (ca. 200-350 bar), oder ein atomarer Trick benötigt. Um den Wasserstoff unter hohen Druck (Dichte vergrößert sich) zu setzen muss eine Pumpe eingesetzt werden, die negativ auf die Energieausbeute drückt. Wir fanden Zahlen von bis zu 30% Energieverbrauch gegenüber der gewonnen Energie. Der Druckbehälter muss natürlich diesen Druck standhalten und birgt somit auch Gefahren. 1 von 2

15 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Speicherformen von H Bei der Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form wird eine Kühlung benötigt. Die Kondensationstemperatur von Wasserstoff beträgt –253 °C. Um den Wasserstoff so weit runter zu kühlen verbraucht man wiederum sehr viel Energie, aber flüssiger Wasserstoff nimmt bedeutend weniger Platz, als unter Druck stehender gasförmiger Wasserstoff (ca. 1/5) ein. Der atomare Speichertrick von gasförmigen Wasserstoff funktioniert, indem man Metalle, wie z.B. Magnesium, Aluminium, Palladium… mit gasförmigen Wasserstoff bindet. Solche Metalle saugen (ähnlich wie bei einem Schwamm) den Wasserstoff unter bestimmten Bedingungen auf. Im Atomaufbau betrachtet, bilden die Metalle ein Kristallgitter, wo sich die winzigen Wasserstoffatome in die verhältnismäßig großen Lücken einlagern. Bei nur 0 – 60 bar erfolgt die Einlagerung. Dabei verringert sich der Abstand zwischen den Wasserstoffatomen stärker, als es auf natürliche Weise möglich wäre. Die Dichte übertrifft sogar die Flüssigspeicherung. Je höher der Druck, desto so höher ist die Wasserstoffkonzentration in dem Kristallgitter. Bei dieser Einlagerung entsteht Wärme, die abgeführt werden muss. Fügt man Wärme hinzu, dreht sich der Prozess um und Wasserstoff entweicht gasförmig dem Metallgitter. (Metallhybridspeicher) Metall + WasserstoffMetallhybrid + Wärme 2 von 2

16 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Die Brennstoffzelle Die Recharge ergab, dass es verschiedene Techniken für Brennstoffzellen gibt, darunter auch einige, die mit anderen Gasen arbeiten. Wasserstoffbrennstoffzellen sind ebenfalls in verschiedenen Bauformen zu finden. Darum konzentrierte ich mich auf jene Art von Brennstoffzellen, bei der nur ein Wasserstoffspeicher (Sauerstoff wird der normalen Luft entnommen) notwendig ist. Solch eine Brennstoffzelle ist die PEM Brennstoffzelle, oder auch kurz Membranbrennstoffzelle genannt. Dabei wird ein Ionen – leitendes Polymer als Membran verwendet. 1 von 9 Einzelne Brennstoffzelle Experimentiergerät Brennstoffzellen -Stack

17 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Brennstoffzelle - Schritt 1 PEM bedeutet : Polymer-Elektrolyt-Membran 2H 2 O2O2 M Kathode Anode Elektrolyt Wasserstoff (aus dem Tank / Speicher) und Sauerstoff aus der normalen Luft werden der Brennstoffzelle zugeführt. Sie durchqueren den Katalysator zur Polymer-Elektrolyt- Membran. Motor Katalysator SauerstoffatomWasserstoffmoleküll 2 von 9

18 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Brennstoffzelle - Schritt 2 2H 2 O2O2 M Kathode Anode Elektrolyt Der Katalysator spaltet die 2 Wasserstoffmoleküle (2H 2 ) nicht nur in einzelne Atome 4H sondern auch in Protonen und Elektronen auf. Motor Elektron (negativ geladen) Proton (positiv geladen) SauerstoffatomWasserstoffatom 3 von 9

19 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Brennstoffzelle – Schritt 3 PEM bedeutet : Polymer-Elektrolyt-Membran M Kathode Anode Elektrolyt Die Protonen wandern weiter durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Elektronen können den Elektrolyten nicht passieren und treten in die Anode ein. Nur über den elektrischen Leiter und Verbraucher (hier Motor) gelangen sie zur Kathodenseite, wo sich die positiv geladenen Teilchen befinden. Ein Strom fließt! Motor SauerstoffatomWasserstoffatom Proton Elektron 4 von 9

20 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Brennstoffzelle - Schritt 4 PEM bedeutet : Polymer-Elektrolyt-Membran M Kathode Anode Elektrolyt Die Motor wird durch diesen Stromfluß (Gleichstrom) angetrieben. Noch können sich die Protonen und der Sauerstoff nicht verbinden, da die Sauerstoffatome neutral geladen sind. Da dies ein kontinuierlicher Prozess ist, stehen schon Elektronen an der Kathode (jetzt negativ geladen) bereit. Motor SauerstoffatomWasserstoffatom Proton Elektron 5 von 9

21 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Brennstoffzelle - Schritt 5 PEM bedeutet : Polymer-Elektrolyt-Membran M Kathode Anode Elektrolyt - Die Elektronen rekombinieren (treten unter Energieabgabe in die Atome ein) sich mit den Sauerstoffatome n, welche zu negativ geladenen Ionen werden. Motor - - Ion SauerstoffatomWasserstoffatom Proton Elektron 6 von 9

22 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Brennstoffzelle – letzter Schritt PEM bedeutet : Polymer-Elektrolyt-Membran M Kathode Anode Elektrolyt 2H 2 O Die nun negativ geladenen Sauerstoffionen verbinden sich mit den Protonen (positive Wasserstoffionen), indem sie die 2 Mehr-Elektronen an diese abgeben und mit dem Wasserstoff Oxidieren. Das Endprodukt ist reinstes Wasser, ohne jegliche Schadstoffe, aber erwärmt. Dies kann aufgefangen oder an die Umwelt abgegeben werden. Motor Wasser H 2 O SauerstoffatomWasserstoffatom Proton Elektron 7 von 9

23 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Brennstoffzelle - Fazit Die Anodenreaktionsgleichung lautet: 2 H 2 + 2 O 2 - → 2 H 2 O + 4 e- Die Kathodenreaktion lautet: O 2 + 4 e- → 2 O 2 Anders als bei Batterien entlädt sich eine Brennstoffzelle nicht und kann auch nicht aufgeladen werden. Die von dieser Zelle abgegebene Klemmsspannung beträgt ca 1,2 Volt, sinkt aber mit steigender Belastung. Die Brennstoffzelle ist das Gegenstück zum Elektrolyseur. Brennstoffzellen auf PEM-Basis können Wirkungsgrade bis 50% erreichen. Um höhere Ströme zu erzeugen kann man sie zur Spannungserhöhung in Reihe und zu Stromstärkeerhöhung parallel schalten. Dazu werden je nach Anforderung einzelne Zellen aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich "Stack". Damit erhöht sich auch der Verbrauch an Wasserstoff. Wie so oft entsteht auch hier Abwärme, da das Wasser bis zu 90 Grad erreichen kann. Diese gilt es in anderen Prozessen zu nutzen, was den Wirkungsgrad steigern könnte. Brennstoffzellen erzeugen Gleichstrom, den es für den Haushalt in Wechselstrom umzuwandeln gilt. Gegenüber Generatoren oder anderen Energieumwandlern arbeiten Brennstoffzellen fast lautlos und umweltfreundlich (keine Abgase). 8 von 9

24 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Brennstoffzellen - Fazit Mit PEM – Brennstoffzellen kann man normalen Luftsauerstoff nutzen und muss nur Wasserstoff speichern. Brennstoffzellen erzeugen Gleichstrom und Abwärme (Betriebstemperatur bis 90°) Brennstoffzellen können in Stacks gebaut werden. Trotz theoretischen Wirkungsgraden von über 70% werden praktisch nur rund 50% erreicht. Das entstandene warme Wasser kann für andere Zwecke weiterverwendet werden. 9 von 9

25 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Stromwandlung Warum ist eine Umwandlung nötig? Arbeiten nicht viele Geräte im Haushalt im Inneren auf Gleichstrombasis? Kann man nicht einfach nur Gleichstromverbraucher herstellen? Die Umwandlung muss aus folgenden Gründen erfolgen: Gleichstrom lässt sich nicht transformieren also an die unterschiedlichen Spannungen und Stromstärken der einzelnen Verbraucher anpassen. Transformatoren, wie Sie in vielen Geräten zu finden sind, arbeiten auf Grund der Induktionsgesetze nur mit Wechselstrom. Eine Umstellung der Haushalte weltweit ist nicht durchführbar. Zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom benutzt man so genannte Wechselrichter, welche zum Beispiel schon benutzt werden um Solarstrom in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Der Wirkungsgrad dieser Geräte liegt deutlich über 90%. 1 von 1

26 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Wirkungsgrade Das Prinzip der Energieumwandlung scheint einfach. Solarstrom wird in einen Wasserstoffvorrat umgewandelt um diesen nach Bedarf durch einen Umkehrprozess in Strom zurückzuwandeln. Speicher Diese Umwandlung kann aber nicht 1:1 erfolgen, da es keinen Wandler mit einem Wirkungsgrad von 100% gibt. An jeder Station unserer Kette entstehen Verluste, also geht dem Prozess Energie verloren. 1 von 4

27 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Wirkungsgrad – Ist und Soll Fragen: Wie viel Solar-Energie erhalten wir durchschnittlich im Jahr von der Sonne? Wie viel Elektroenergie benötigt ein deutscher Haushalt durchschnittlich im Jahr? Wie groß müssten bei den ermittelten Wirkungsgraden die Solarmodule unseres Solar – Wasserstoff – Akkus sein? Hier mussten wir uns auf statistische Erhebungen verlassen. Quelle: Wasserstoff – Energie für morgen Band1 von Averil Macdonald & Martyn Berry Durchschnittliche Strahlungsenergie (Deutschland) = 1000kWh/m2 im Jahr Durchschnittsenergieverbrauch einer Familie (Elektrische Energie) 4500kWh im Jahr 2 von 4

28 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Wirkungsgrade - Berechnungen Um nun aus diesen Werten eine Größenberechnung durchführen zu können, müssen wir am Ende der Umwandlungskette anfangen: HAUSHALT Wechselrichter Brennstoffzelle Wasserstofftank Elektrolyseur 4500 kWh 5000 kWh 10000 kWh13333 kWh 88888 kWh Solarfeld SONNE 1000 kWh/m 2 Scheint auf rund 89 m 2 + WÄRME 3 von 4

29 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Wirkungsgrad - Ergebnis Ohne einen Energieverlust bei der Wasserstoffspeicherung und durch Regel- und Steuerströme einberechnet zu haben, ist schnell erkennbar, dass solch eine Solardachfläche gewaltig ist. Rund 9,5m x 9,5m Solarmodule in einer Fläche. Da ist für ein Dachfenster kaum Platz. Wirkungsgrad = E nutzbar : E aufgebracht Gesamtwirkungsgrad = 4500 kWh : 88888 kWh = 0,051 entspricht 5,1% Aber die Sonnenenergie müssen wir ja nicht erzeugen, sie ist ja immer da. Wenn wir den Wirkungsgrad nur für unseren AKKU berechnen, dann ergibt sich: AKKU-Wirkungsgrad = 4500 kWh : 13333 kWh = 0,338 entspricht 33,8% Würde man weiterhin noch die Nutzung der Wärmeenergie einberechnen, wird vermutlich der Wirkungsgrad über 50% steigen. 4 von 4

30 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Vor und Nachteile Vorteile 1. Zur H-Gewinnung können regenerative Energiequellen genutzt werden. 2. Keine Verbrennungsprodukte, außer Wasser. 3. Kein Kohlendioxid (CO 2 ), keine Verstärkung des Treibhauseffekt 4. Bei der Weiterentwicklung von Solar- und Brennstoffzellen erhöht sich der Wirkungsgrad erheblich. Rechenbeispiel 5. Die Energieversorgung wird dezentralisiert. Überlandleitungen und Erdkabel werden deutlich reduziert. 6. Wir sind nicht mehr von den Preisen der Öl –produzierenden Staaten abhängig, da wir zu Hause auch den Wasserstoff für unsere Autos, Notebooks, Handys, … produzieren könnten. 7. In den Industrieländern sollten trotz Wegfall der Erdöl – Benzin – verarbeitenden Industrie ein Beschäftigungsschub einsetzen, da die nötigen Teile produziert, eingebaut, gepflegt und weiterentwickelt werden müssen. 1 von 2

31 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Vor und Nachteile Nachteile bestehen in erster Linie in wirtschaftlicher Hinsicht. Der Preis ist heiß! Aufgrund der zur Verfügung stehenden Technologien bei der Herstellung von Wasserstoff ist dieser bisher noch mehr als 20mal teurer als Benzin (Autos) und wird vermutlich auch noch in den nächsten Jahren äußerst unwirtschaftlich sein. Auch wenn man in den nachfolgenden Jahren enorm viel Geld spart, ist der Anschaffungspreis eher abstoßend. Die Umsetzung in der Wirtschaft scheint aus unserer Sicht langsam und nicht konsequent fortzuschreiten. Solarstromanlagen sind keine Seltenheit mehr, sieht man sie doch an vielen Parkscheinautomaten, Notruftelefonen, autarken Häuser…., aber es ist erkennbar, das der Brennstoffzelleneinsatz im Wesentlichen auf gelieferten Wasserstoff aufbaut, vermutlich aus Kohlendioxid - produzierenden Anlagen. Aber wir hätten heute keine Motoren, wenn nicht vor langer Zeit die Dampfmaschine erfunden wurden wäre. 2 von 2

32 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Die Zukunft Wie wir die Zukunft sehen Sauberer & Leiser …. Die Abnahme an fossilen Brennstoffen und die Entwicklung weg von der Atomenergie, führt nur zu dem Schluss: Sonnenenergie ist die Energiequelle der Zukunft, denn sie war es auch in der Vergangenheit. Fossile Brennstoffe, Holz, Wind- und Wasserkraft sind gespeicherte Sonnenenergie. Mit Sicherheit haben wir bei unseren Betrachtungen technische Details bewusst ausgelassen und wohl auch nicht bis ins letzte verstanden. Doch würden wir heute keine Autos fahren oder mit Überschall fliegen, wenn solche Details wirklich ein Hinderungsgrund für Entwickler und Wissenschaftler wären. … & mit neuen Problemen!

33 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) HILFE ZURÜCK Beendet die Präsentation In dieser Folie folgen Aktionen auf Mausklick Weiter zur nächsten Folie Zurück zur letzten Folie Navigation zur gewählten Abteilung 1 von 1 Zeigt die aktuelle Folie der Abteilung

34 Einleitung Das Prinzip Solarzellen Start Elektrolyseur H - Speicher Brennstoffzelle Stromwandler Wirkungsgrade Für & Wieder Die Zukunft Quellen Der Solar-Wasserstoff-Akku - Projektarbeit zu Jugend forscht (2005) Quellenangaben Internetseiten www.innovation-brennstoffzelle.de www.dieBrennstoffzelle.de www.Sonnenseite.oekoserve.net www.wissen.de www.schoolwork.de www.wbzu.de www.dlr.de/fk/Publikationen Literatur Physik und Chemie für die Sekundarstufe I Wasserstoff – Energie für morgen 3. Auflage 2002 Berlin: heliocentris Energiesysteme GmbH 2000 ISBN 3-935161-05-0 Grundlagen und Anwendungen Wasserstoff – Energie für morgen 3. Auflage 2002 Berlin: heliocentris Energiesysteme GmbH 2000 ISBN 3-935161-08-5 Software Microsoft Encarta 2004 ENDE