Projekt 9 PDF

Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit)
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JUFOTech
Jugend forscht in der Technik
wko.at/tirol/jufotech
DATENBLATT
Wir nehmen am Wettbewerb „Jugend forscht in der Technik – Auf den Spuren des kleinen Albert“ teil!
Titel der Projektarbeit:
Solar - Wasserstoff - Kreislauf
Fachgebiet:
Umwelttechnik
Projektbetreuer:
Schulklasse:
Stix Christian
Fachbereich Elektrotechnik - 11 Schüler
Name:
Schule:
Unterguggenbergerstraße 8
Straße:
PTS Wörgl
6300 Wörgl
9.Schulstufe
PLZ/Ort:
Schulstufe:
E-Mail:
PLZ/Ort:
[email protected]
0680 21 51 5 61
6300 Wörgl
Telefon:
Kleingruppe:
Weitere
Projektleiter (Vor-/Nachname)
(Vor-/Nachname)
Straße
(Vor-/Nachname)
PLZ/Ort
(Vor-/Nachname)
E-Mail
(Vor-/Nachname)
Telefon
(Vor-/Nachname)
Schule, Schulstufe
(Vor-/Nachname)
Gruppenmitglieder:
Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M [email protected] u. [email protected]
Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit)
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wko.at/tirol/jufotech
Kurzfassung unserer Arbeit:
Wir wollen mit unserem Projekt aufzeigen, dass es Alternativen zu dem heute gängigen
Energielieferanten wie z. B. Kohle, Erdgas und Erdöl gibt. Wir befassen uns mit einem
Solar-Wasserstoff-Kreislauf. In unserem Projekt geht es darum, dass wir in einer
Brennstoffzelle unseren selbst erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff „verbrauchen“, um
ein Gerät (z. B. einen Ventilator) mit elektrischem Strom zu versorgen. Wasserstoff soll
dabei auch durch eine „saubere“ Energieform (z. B. solare Energie) erzeugt werden.
Eine Aktion der Kooperationspartner:
Wirtschaftskammer Tirol, Förderverein Technik Tirol
Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner | T 05 90 90 5 – DW 1231 und DW 1264 | M [email protected] u. [email protected]
Solar‐Wasserstoff‐Kreislauf Sinn und Zweck unserer Forschung
Wir verschmutzen die Erde seit gut einem Jahrhundert durch die
Verbrennung von Kohle, Erdgas und Erdöl.
Wir wollen mit unserem Projekt aufzeigen, dass es Alternativen zu
dem heute gängigen Energielieferanten wie z.B. Kohle, Erdgas
und Erdöl gibt. Wir befassen uns mit einem Solar-WasserstoffKreislauf. In unserem Projekt geht es darum, dass wir in einer
Brennstoffzelle unseren selbst erzeugten Wasserstoff und
Sauerstoff „verbrauchen“, um ein Gerät (z.B. einen Ventilator) mit
elektrischem Strom zu versorgen. Wasserstoff soll dabei auch
durch eine „saubere“ Energieform (z.B. solare Energie) erzeugt
werden.
Für unser Projekt haben wir folgende Bücher verwendet:
 Wasserstoff - Energie für morgen (ISBN 978-3-535161-05-3)
 Brennstoffzellen im Unterricht (ISBN 978-3937863-13-9)
PTS – Wörgl, Klasse D, Gruppe ‐ Elektrotechnik Seite 1 Solar‐Wasserstoff‐Kreislauf Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse
Bei der Elektrolyse werden durch elektrischen Strom chemische
Verbindungen zersetzt. Wasser (H20) kann in seine Bestandteile –
2 Teile Wasserstoff und 1 Teil Sauerstoff zerlegt werden.
Eine Elektrolyse besteht aus …
 einer negativ geladenen Kathode
 einer positiv geladenen Anode
 einem Elektrolyten
Elektrolyte können sein:
Gelöste Elektrolyte
Wir verwenden in unseren Versuchen destilliertes Wasser, in dem
wir entweder Kochsalz, verdünnte Salzsäure oder verdünnte
Schwefelsäure zugeben.
Feste Elektrolyte
Wir verwenden in unseren Versuchen eine Zelle, die aus einer mit
Platin beschichteten Anode und Kathode besteht. Die Anode und
Kathode sind durch eine Membran, die nur Protonen (Protonen sind
Wasserstoffatome ohne Elektron) durchlässt, voneinander getrennt.
PTS – Wörgl, Klasse D, Gruppe ‐ Elektrotechnik Seite 2 Solar‐Wasserstoff‐Kreislauf Unsere Versuche zur Wasserstoffproduktion
- Elektrolyse ohne Elektrolyt
Beim diesem Versuch haben wir keinen Elektrolyten verwendet.
Der Versuch, ein Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff
aufzuspalten, hat nicht funktioniert. Ohne Elektrolyt konnten wir
keinen Wasserstoff produzieren.
- Elektrolyse mit einem Elektrolyten
Beim diesem Versuch verwendeten wir als Elektrolyten Kochsalz
(NaCl). Bei der Elektrolyse konnten wir aus der Salz-Wasserlösung
Wasserstoffgas (H2) und Chlorgas (Cl2) gewinnen.
Für den Versuch verwendeten wir einen
Glasbehälter, in den je ein Reagenzglas
über eine Kohlenstoff-Kathode und eine
Kohlenstoff-Anode gesetzt wurde. Als
Spannungsversorgung verwendeten wir ein
Labornetzgerät. Wir stellten eine Spannung
von ca. 10 Volt ein. Es wäre aber durchaus
möglich, anstelle des Netzgerätes eine
Solarzelle als Spannungsversorgung zu
verwenden.
Das gleiche Ergebnis lieferte der Versuch mit verdünnter
Salzsäure (HCl). Da für uns als unerwünschtes Nebenprodukt das
giftige Chlorgas entstand, sind diese Elektrolyte für uns nicht
interessant.
PTS – Wörgl, Klasse D, Gruppe ‐ Elektrotechnik Seite 3 Solar‐Wasserstoff‐Kreislauf - Elektrolyse mit verdünnter Schwefelsäure (H2SO4)
Wir haben 200 ml destilliertes Wasser mit 75 ml 20 prozentiger
Schwefelsäure (ist unser Elektrolyt) vermengt. Die Lösung wurde in
einem Hoffmannsche Zersetzungsapparat eingefüllt.
Für den Versuch verwendeten wir zuerst Kohlenstoffelektroden. Es
zeigte sich jedoch, dass Wasserstoff produziert wurde, aber der
Sauerstoff mit dem Kohlenstoff eine Verbindung einging. Zudem
wurde die Kohlenstoffelektrode zersetzt.
Nach diesem Ergebnis verwendeten wir Platinelektroden. Dabei
wurde am Minuspol (Kathode) Wasserstoff und am Pluspol
(Anode) Sauerstoff im Verhältnis 2:1 produziert.
Als Spannungsversorgung
verwendeten wir wieder ein
Labornetzgerät. Zusätzlich
führten wir den Versuch im
Freien durch. Dazu
verwendeten wir eine
Solarplatte, die uns eine
Spannung von ca. 27 Volt bei
vollem Sonnenschein lieferte.
Um die Stromstärke und damit die Wasserstoffproduktion zu
reduzieren, setzen wir Widerstände in die Schaltung ein.
PTS – Wörgl, Klasse D, Gruppe ‐ Elektrotechnik Seite 4 Solar‐Wasserstoff‐Kreislauf - Elektrolyse mit festem Elektrolyt
Dazu verwendeten wir einen sogenannten PEM-Elektrolyseur, wie
auf der schematischen Abbildung dargestellt.
Funktion unseres PEM‐Elektrolyseurs Unser echter Elektrolyseur Auch durch diese Elektrolyseart wird Sauerstoff und Wasserstoff
im Verhältnis 2:1 gewonnen. Das Herzstück des Elektrolyseurs ist
eine dünne Membrane, die nur Protonen durchlässt. Anode und
Kathode sind mit Platin beschichtet. Die Platinbeschichtung wirkt
wie ein Katalysator, er ermöglichte uns die Wasserzersetzung bei
Raumtemperatur.
Als Spannungsquelle verwendeten wir eine Photovoltaik-Anlage.
Die Sonne wurde durch eine 120 Watt Lampe simuliert.
Die Reaktionen beim Elektrolyseur sind:
4H + 4e- +O2

An der Anode:
2H2O
An der Kathode:
4H + 4e- 
2H2
Aus zwei Wassermolekülen (H2O) entstehen zwei H2 Moleküle und
ein O2 Molekül
PTS – Wörgl, Klasse D, Gruppe ‐ Elektrotechnik Seite 5 Solar‐Wasserstoff‐Kreislauf Die Brennstoffzelle
Dazu verwendeten wir eine sogenannte PEM- Brennstoffzelle.
Unsere Brennstoffzelle verwendet den gewonnen Wasserstoff und
Sauerstoff um elektrischen Strom zu erzeugen. Sie besteht aus
einem Wasserstoffeingang, einem Sauerstoffeingang (kann auch der
Sauerstoff aus der Umgebungsluft sein), einer protonenleitenden
Membran, einer Anode und einer Kathode. Die Brennstoffzelle
wandelt chemische Energie in elektrische Energie um.
Sauerstoffeingang
Anode Wasserstoffeingang
Kathode Unsere zerlegte Brennstoffzelle In diesem Bild sieht man, wie links die
Wasserstoffmoleküle und rechts die
Sauerstoffmoleküle zur Zelle kommen.
Der Wasserstoff stößt auf die mit
Platin beschichtete Anode. Hier wird
der Wasserstoff in ein Elektron und in
ein Proton aufgespalten. Die Anode ist
mit Platin beschichtet, damit auch bei
Raumtemperatur die Reaktion
stattfinden kann (wirkt wie ein Katalysator bei einem Auto). Die gelb
dargestellte Membran lässt nur die Protonen durch, die dann zum
Sauerstoff gelangen. Die Elektronen können als elektrische
Energie genutzt werden. Auf der Kathodenseite werden die
Protonen und der Sauerstoff mit den Elektronen wieder zu einem
Wassermolekül vereint.
PTS – Wörgl, Klasse D, Gruppe ‐ Elektrotechnik Seite 6 Solar‐Wasserstoff‐Kreislauf Unser Versuchsaufbau
Wir haben den im Elektrolyseur gewonnen Wasserstoff und
Sauerstoff zur Betreibung der Wasserstoffzelle verwendet.
Die Solaranlage versorgt den Elektrolyseur mit Strom. Der
Elektrolyseur sorgt dafür, das Wasser in zwei H2-Moleküle und
einem O2-Molekül aufgespalten wird. Die beiden H2- Moleküle und
das O2-Molekül werden zur Brennstoffzelle geleitet und dort wieder
in Strom umgewandelt.
PTS – Wörgl, Klasse D, Gruppe ‐ Elektrotechnik Seite 7 Solar‐Wasserstoff‐Kreislauf Unsere Meinung zum Solar-Wasserstoff-Kreislauf
Uns haben die Experimente sehr gut gefallen. Wir finden, es ist
eine Möglichkeit für unsere Zukunft, Wasserstoff „sauber“ zu
produzieren, ihn als Energiespeicher zu verwenden und ihn in
elektrische Energie in einer Brennstoffzelle umzuwandeln. Toll
daran ist, dass das einzige „Abfallprodukt“ Wasser ist. Die
Wirtschaft muss in solche Technologien investieren um unsere
Umwelt zu schützen.
Gibt es bereits Umsetzungen in der Praxis?
Ja! Hyundai entschloss sich ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen-Antrieb
zu bauen, da es sich um eine wegweisende Technologie handelt. Als
Hauptabsatzmarkt sieht das Unternehmen Europa, weil es bei uns eine
starke Umweltpolitik und der Wille für den Aufbau eines Wasserstoff Tankstellennetzes gibt.
Das abgasfreie Fahrzeug (www.hyundai.de/Modelle/Alle-Modelle/ix35-FCEV.html)
hat 136 PS und beschleunigt in 12,5 Sekunden von 0 auf 100 km/h und
erreicht eine Reichweite von bis zu 594 Kilometer pro WasserstoffTankfüllung. Die Tanks sind an der Hinterachse positioniert und
können mit 5,64 Kilogramm Wasserstoffgas bei 700 bar in circa drei
Minuten betankt werden.
Der Brennstoffzellenblock, der Elektromotor, der Akku und der
Wasserstofftank sind die Hauptbestandteile des Autos. Wenn der
Wasserstoff aus dem Tank in den Brennstoffzellenblock gelangt, wird
er dort in Protonen und Elektronen zerlegt. Der Elektronenfluss, der in
der Brennstoffzelle entsteht, liefert Energie, während die Protonen mit
Sauerstoffmolekülen aus der Luft reagieren und dabei Wasser
erzeugen. Die elektrische Energie aus der Brennstoffzelle wird im
Motor in mechanische Energie umgewandelt (Antrieb der Räder). Als
„Abgas“ bleibt reines Wasser übrig!
PTS – Wörgl, Klasse D, Gruppe ‐ Elektrotechnik Seite 8