Einleitung
- Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle als Einsatz für den Verbrennungsmotor und als stationäres Blockheizkraftwerk ist ein hochaktulles Forschungs- und Entwicklungsthema
- CO2-Konzentration hat seit Beginn der Industrialisierung um 30% zugenommen, ca. 35 Mio Fahrzeuge in Deutschland, CO2-Ausstoß soll 1997 bis 2010 um 15% zunehmen bei 23% mehr Fahrleistung und beträgt jedes Jahr ca. 900 Mill.Tonnen, - Prognose für das Jahr 2030: Verdoppelung der zugelassenen Kraftfahrzeuge weltweit (dazu Folie 1!)
- Vor diesem Hintergrund muss die Umweltverträglichkeit für Fahrzeuge aber auch konventionelle Kraftwerke erhöht bzw. die CO2-Emissionen reduziert werden
- Desweiteren gehen konventionelle Ressourcen wie zB. der vor allem für das Benzin entscheidene Grundstoff Erdöl mit ansteigendem Verbrauch in absehbarer Zeit zu Ende
- könnte Lösung für diese Probleme sein
- BZ hat sehr hohen Wirkungsgrad, ist nahezu vollkommen sauber, Wasserstoff , Energieträger der Brennstoffzelle das am meisten auf der Welt vorkommende chemische Element
Geschichtliche Entwicklung
- Sir William Grove entdeckt 1839 das der Brennstoffzelle zugrundeliegende chemische Reaktionsprinzip, Verbrennungsmotor noch gänzlich unbekannt
- Baut 1842 den ersten funtioniernden Versuchsaufbau der genug Spannung für eine Elektrolyse lieferte, seine Erkenntnisse wurden aber nicht besonders beachtet und weiter erforscht
- F. T. Bacon entwickelt 1949 den Grundtyp der H2/O2 Brennstoffzelle in der Kalilauge
- 1966 wird die Bacon-Zelle im Apollo-Mondprogramm als Strom- und Brauchwassererzeuger eingesetzt
und erzeugt 1kW (0,6l Trinkwasser pro kWh)
Aufbau und Funktion
- BZ ist galvanisches Element aus Wasserstoff und Sauerstoff wird elektrochemisch direkt
elektrischer Strom erzeugt
- grundlegende chemische Reaktion ist 2H+ O2H2O + elektr. Energie + Wärme
- Erklärung anhand der PEM oder PEMFC- Brennstoffzelle:
- Aufbau: - in der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff mit einem protonenleitenden
Elektrolyten zu einfachem
Wasser
- Die BZ setzt sich aus 2 Platinelektroden (Anode und Kathode) und einer Elektrolytenmembran(soll Wasserstoff und Sauerstoff getrennt halten, um eine Knallgasreaktion zu vermeiden) zusammen
- Folie 2!: An die Anode wird Wasserstoff (Katalysator auf Elektrolytenmembran führt ihn aus molekularen in den atomaren Zustand geführt, da ihm nur so Elektronen entzogen werden können) geleitet
- Katalysator spaltet Elektronen vom Wasserstoff ab und diese werden dann dem Stromkreis des Verbrauchers zugeführt
Wasserstoff wird positiv geladen, die entstanden Wasserstoff-Protonen diffundieren durch die Elektronenmembran und reagieren mit dem Sauerstoff und den aus dem Stromkreis vom Sauerstoff aufgenommenen Elektronen zu Wasser, der in Form von Wasserdampf abgegeben wird
- Hierbei muss der Wasserstoff erst zB. aus Wasser erzeugt werden, der Sauerstoff wird der Luft entnommen
Verschiedene BZ-Typen
Folie 3!
- PEMFC oder PEM: siehe Aufbau, hat eine Betriebstemperatur von 20-80_,
ist die ausgereiftestete BZ, BMW(Clan Energy), DaimlerChrysler(Necar-Projekt), u.a. (Toyota, Mazda, Honda, Nissan, Opel, Renault, Citroen, Peugot, Ford und Volvo mit VW ) engagieren sich hauptsächlich in diesem Bereich, da er als bester für einen Antrieb eines Fahrzeugs gilt und somit die Hoffnung der Automobil- industie ist
- SOFC: Die Elektrolytenmembran dieser BZ besteht aus Zirkonoxid, welche erst bei 800für Sauerstoffionen leitend wird 800-950Betriebstemperatur
Ist nicht vollkommen emmissionsfrei da hier Wasserstoff, Sauerstoff Kohlenmoxid zu Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden ist aber vergleichsweise umweltverträglich, hierbei kann die hohe Abwärme auch zum Stromerzeugen durch eine nachgeschaltete Gasturbine genutzt werden geplanter Einsatzbereich: dezentrale kleine Anlagen (Blockheizkraftwerke) von denen jede 200kw erzeugt und einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 90% erreichen
- AFC: Betriebstemperatur bei 80_C, kam in dem Apollo-Programm als Ergebnis des Geminiprojekts zur Erzeugung des Stroms für das Bordnetz und Trinkwasseraufbereitung des Raumschiffs zum Einsatz
- MCFC: Betriebstemperatur: 650_C, erzeugt derzeitig in der Erprobungsphase bis zu 2MW
Strom erzeugt, da sie eine hohe Abwärmetemperatur hat ist sie auch für Nachschaltungsprozess geeignet, Probleme durch Elektrolytverluste und Korrision, gute Chancen auf 60%_
- PAFC: erst seit kurzem in der Forschung, möglicher Einsatzbereich ebenfalls Blockheizkraftwerke, Weiterentwicklung der AFC
Blockheizkraftwerk: Der Wasserstoff wird hierbei aus einem Prozeßgas (Erdgas und Wasserdampf) auf chemischen Wege bei einer Temperatur um 800_C in der Brenngasaufbereitung des BHKWs erzeugt(Reformierung) , die Wärme wird der Brennstoffzelle durch einen Kühlkreislauf direkt entnommen und dem Nahwärmenetz zugeführt, der erzeugte Gleichstrom wird vor der Einspeisung durch einen
Inverter in Wechselstrom umgewandelt
Gewinnung und Sicherheit von Wasserstoff
- verschiedene Möglichkeiten der Gewinnung: Wassertoffgewinnung aus Wasser durch
Elektrolyse(Energie zur Elektrolyse aus regenerativen Energiequellen) und Methanol; Wasserstoffgewinnung durch Methanol soll in mobilen Systemen zum Einsatz kommen in diesen aus Methanol direkt Wasserstoff erzeugt werden man braucht keinen Speicherplatz für den Wasserstoff
- Sicherheit: da Wasserstoff in der freien Natur nach oben und sehr schnell abbrennt sowie in besonderen Behältern aufbewahrt wird, Studien aus dem Jahr 1998 belegen, dass Wasserstoff äußerst sicher ist
[Vor- und] Nachteile
[Vorteile:
- effiziente Energieausnutzung mit hohem _
- nahezu emissionsfrei
- vergleichsweise leise und vibrationsarm
- Verfügbarkeit des Wasserstoffs unerschöpflich]
Nachteile:
- gegenwärtig noch zu teuer
- hoher Platzbedarf und Gewicht sehr hoch
- keine nennenswerte Infrastruktur
- geringe Speicherdichte
- benötigt eigene hochkomplexe Zapfsäulen und hohem Explosionsschutz
Zukunftsausichten
- früheste Markteinführung der Brennstoffzelle für Fahrzeuge nicht vor 2005
- kostet derzeit noch das 10 bis 20fache wie Verbrennungsmotoren darf aber letztendlich teurer sein, wenn dieser Nachteil durch günstige Kraftstoffkosten aufgehoben werden kann
- wird in der Zukunft vielleicht sogar als Energielieferant für Laptops und
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Hauptthema des Textes?
Der Text behandelt die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle als Alternative zum Verbrennungsmotor und als stationäres Blockheizkraftwerk, wobei auf die Umweltverträglichkeit und die Reduzierung von CO2-Emissionen eingegangen wird.
Welche Probleme sollen durch die Brennstoffzelle gelöst werden?
Die Brennstoffzelle soll die Umweltbelastung durch Fahrzeuge und Kraftwerke reduzieren, die CO2-Emissionen senken und eine Alternative zu konventionellen Ressourcen wie Erdöl bieten.
Wer hat das Prinzip der Brennstoffzelle entdeckt?
Sir William Grove entdeckte 1839 das chemische Reaktionsprinzip, das der Brennstoffzelle zugrunde liegt.
Wann wurde die Brennstoffzelle im Apollo-Programm eingesetzt?
Die Bacon-Zelle wurde 1966 im Apollo-Mondprogramm als Strom- und Brauchwassererzeuger eingesetzt.
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle (PEMFC)?
In einer PEMFC reagieren Wasserstoff und Sauerstoff mit einem protonenleitenden Elektrolyten zu Wasser. Wasserstoff wird an der Anode in Protonen und Elektronen gespalten. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff und Elektronen zu Wasser reagieren. Die Elektronen fließen über einen externen Stromkreis und erzeugen elektrischen Strom.
Welche verschiedenen Brennstoffzellentypen werden im Text erwähnt?
Es werden PEMFC (oder PEM), SOFC, AFC, MCFC und PAFC erwähnt.
Was sind die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle?
Vorteile: Hoher Wirkungsgrad, nahezu emissionsfrei, vergleichsweise leise und vibrationsarm, unerschöpfliche Verfügbarkeit des Wasserstoffs. Nachteile: Gegenwärtig noch zu teuer, hoher Platzbedarf und hohes Gewicht, keine nennenswerte Infrastruktur, geringe Speicherdichte, benötigt eigene hochkomplexe Zapfsäulen und hohen Explosionsschutz.
Wann wird die Markteinführung der Brennstoffzelle für Fahrzeuge erwartet?
Die früheste Markteinführung wird nicht vor 2005 erwartet.
Wie wird Wasserstoff gewonnen?
Wasserstoff kann durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden (mit Energie aus regenerativen Quellen) oder durch Methanol-Reformierung.
Was ist ein Blockheizkraftwerk (BHKW) im Zusammenhang mit Brennstoffzellen?
In einem BHKW wird Wasserstoff aus einem Prozessgas (Erdgas und Wasserdampf) erzeugt. Die Wärme wird der Brennstoffzelle entnommen und dem Nahwärmenetz zugeführt. Der erzeugte Gleichstrom wird in Wechselstrom umgewandelt.
- Citar trabajo
- Andreas G. Barke (Autor), 2000, Brennstoffzelle, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/98103
