Versuch
2.3. Vor- und Nachteile einer Brennstoffzelle
Im Vordergrund stehen die ökologischen Vorteile der Brennstoffzelle, es gibt aber natürlich auch noch weitere Nutzen für den Anwender. Die Brennstoffzellenanlage arbeitet nahezu geräuschlos, wodurch aufwendige Maßnahmen zur Geräuschdämmung entfallen. Außerdem hat die Brennstoffzelle einen sehr hohen Sicherheitsstandard, weshalb es nicht zu Explosionen kommen kann. Unter Umweltgesichtspunkten sind die verwendeten Materialien unkritisch und können nach Ablauf der Lebensdauer problemlos wiederverwendet werden.
Es fallen bei Betrieb der Anlage praktisch keine Abfälle und sonstige Rückstände an.
Der Nachteil liegt eindeutig in dem hohen Preis. Der Grund dafür ist, dass es sich noch nicht um eine Serienanlage, sondern um einen Feldversuch handelt, bei dem Erfahrungen für die Weiterbildung gesammelt werden. Ab dem Jahr 2004 ist dann die Serienfertigung geplant.
3. Versuch
Material:
Solarmodul
Brennstoffzelle
Elektromotor
Propeller
Erklärungen:
Das Solarmodul wandelt das aufgefangene Licht in Strom um
Im Elektrolyseur spaltet dieser Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff
Der Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle eingespeist, wo er dann sofort in Strom umgewandelt wird
Dieser Strom wiederum treibt den Elektromotor an, welcher letzten Endes den Propeller in Gang bringen soll
Durchführung: Eine Lampe wird an das Solarmodul gestellt und der Rest läuft von selbst.
Bemerkung: In unserem Versuch hatte sich leider ein Fehler eingeschlichen, den wir nicht identifizieren konnten und daher wurde der Versuch weder richtig durchgeführt, noch wurden vernünftige Messungen aufgestellt.
4. Wasserstoff
Der Traum der Menschen ist es, Energie unbegrenzt und ohne Auswirkungen auf Umwelt und Ressourcen nutzen zu können. In der Natur ist Wasserstoff in elementarer Form jedoch nicht vorhanden, seine Gewinnung ist nur unter Einsatz anderer Energieträger möglich. Damit ist Wasserstoff ein sekundärer Energieträger. Als Energiespeicher zum Ausgleich schwankender Verfügbarkeit erneuerbarer Energien eignet sich Wasserstoff auch.
Es ist eine emissionsfreie Anwendung von Wasserstoff möglich. In einer Brennstoffzelle ermöglicht der Einsatz hohe Wirkungsgrade bei der Stromerzeugung und bietet grundsätzlich neue Perspektiven als Antriebstechnologie im Verkehrsbereich.
Seit vielen Jahrzehnten findet Wasserstoff als Rohstoff und Energieträger breite Anwendung. Rund 500 Mrd. Kubikmeter Wasserstoff werden jährlich erzeugt und in der chemischen Industrie genutzt. Lange Zeit wurde Wasserstoff auch zur Energieversorgung von Industrien und Haushalten eingesetzt, weil es Hauptbestandteil des Stadtgases war.
Das änderte sich jedoch, weil es zu einem verstärkten Einsatz des Erdgases gekommen ist. Heute wird Wasserstoff als Baustein einer nachhaltigen Energieversorgung gesehen.
Vorteile des Wasserstoffes:
Wasserstoff erlaubt – besser als Batterien – Energie zu speichern und bedarfsgerecht zur Verfügung zu stellen.
Wasserstoff macht erneuerbare Energien auch für den Verkehr nutzbar.
Da bei der Verbrennung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) entsteht, ist ein praktisch emissionsfreier Betrieb am Standort möglich.
Der Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellen ermöglicht hohe Wirkungsgrade bei der Stromerzeugung und bietet neue Perspektiven für die Energieversorgung und den Verkehrsbereich.
Wasserstoff verspricht einen wachsenden Markt mit guten Exportchancen und sicheren Arbeitsplätzen.
Die Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser mittels Stromelektrolyse und die Erzeugung von Wasserstoff aus anderen Energieträgern (z.B. Erdöl) sowie Verteilung und Speicherung, sind jedoch mit Energieverlusten verbunden. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff ist erst dann energetisch sinnvoll, wenn ein Beitrag zur Schonung endlicher Energieträger gewährleistet ist. Beim Einsatz erneuerbarer Energien zur Wasserstofferzeugung trifft dies besonders zu, wenn diese nicht direkt genutzt werden können.
Noch ist Wasserstoff relativ teuer, könnte aber in 15-20 Jahren in bestimmten Bereichen die Märkte durchdringen.
Heute, und voraussichtlich auch in den nächsten Jahrzehnten, wird Wasserstoff in technischem Maßstab in aller Regel aus fossilen Brennstoffen (vor allem Erdgas) mit Hilfe von Wasserdampfreformierung hergestellt. Durch elektrolytische Wasserzersetzung und der Chloralkalielektrolyse wird nur ein geringer Teil des verwendeten Wasserstoffs gewonnen. Wasserstoff soll zukünftig möglichst verstärkt aus erneuerbaren Energien (Biomasse, Wasserkraft, Wind, direkte Sonnenenergienutzung mittels Photovoltaik oder solarthermischen Kraftwerken) gewonnen werden.
Bei Umgebungsdruck und –temperatur ist Wasserstoff gasförmig sehr viel leichter als Luft. Gasförmigen Wasserstoff zu speichern verlangt einen hohen Druck (> 250 bar).
Im flüssigen Zustand kann Wasserstoff bei minus 253°C in gut isolierten Tanks gespeichert werden. Jedoch betragen die Abdampfverluste heute noch rund 1% pro Tag.
Eine Schlüsseltechnologie zur Nutzung von Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Elektrische Energie und Wärme entstehen, indem man in einem elektrochemischen Prozess Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert zu Wasser vereinigt. Dabei werden praktisch keine Schadstoffe erzeugt. Die Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle sind vielfältig.
5. Das Brennstoffzellenauto
5.1. Funktionsweise
In der Zwischenzeit können Autos schon mit Hilfe der Brennstoffzelle betrieben werden. Das Wasserstoffauto funktioniert dadurch, dass in dem so genannten Stack, der aus vielen einzelnen Brennstoffzellen besteht, Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff elektrochemisch zu Wasser reagieren, wobei elektrische Energie frei wird. Der dabei entstehende Strom wird in einen Elektromotor geleitet, der dann die Räder des Autos antreibt.
5.2 Vergleich verschiedener Autofirmen
Daimler Chrysler: Honda:
Citaro FCX-V3
Höchstgeschwindigkeit: 80 km/h 130 km/h
Brennstoffzellen-Einheit: 200 kW 62 kW
Reichweite: 200 km 180 km
5.3. Daimler Chrysler: Der Citaro Bus
Der erste weltweit bekannte Prototyp eines seriennahen Omnibusses mit Brennstoffzellen-Technologie ist Ende vergangenen Jahres in Vancouver (Kanada) seinen Kunden präsentiert worden.
Zur Zeit befindet er sich in einer Fahrerprobung und Produktionsfestlegung. Die anwesenden Vertreter, die am europäischen Brennstoffzellenprodukt beteiligt waren, äußerten sich durchweg begeistert.
Die Citaro-Brennstoffzellen-Busse werden in folgenden Städten zum Einsatz kommen: Amsterdam, Barcelona, Madrid, Hamburg, London, Luxemburg, Porto, Stockholm, Stuttgart und Reykjavik.
Aus Sicht der Umwelt und Nachhaltigkeit sind die mit der Brennstoffzelle betriebenen Busse doppelt wertvoll. Einerseits fahren sie ohne Emissionen und andererseits wird der Kraftstoff längerfristig zu einem großen Teil aus erneuerbaren Energien produziert. Der Citaro-Bus ist der technologische Nachfolger des Nebus (New Electric Bus).
Die erfolgreiche Einführung des Brennstoffzellenbusses war 1997. Bis heute sind über 4000 Citaro Komplettbusse und Fahrgestelle gebaut worden.
Der Bus wurde im April 2000 auf einer Pressekonferenz in Frankfurt vorgestellt. Der Citaro-Bus ist 12m lang und hat eine Höchstgeschwindigkeit von 80km/h.
6. Weitere Beispiele zur Nutzung der Brennstoffzelle
Beispiel I: Das Brennstoffzellen-Heizgerät von Vaillant
Dieses Heizgerät wird, genau wie die Brennstoffzellenautos, mit einem Brennstoffzellen-Stack betrieben. Der Stack liefert den Gleichstrom, der von dem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt wird. In dem Heizgerät befinden sich außerdem ein integriertes Zusatzheizgerät, dass die Wärmespitzen deckt, eine elektronische Steuerung und ein Reformer, der Erdgas zu Wasserstoff für die Brennstoffzellen umwandeln soll.
Die Vorteile für den Betreiber:
leicht zu planen für Neubau und Modernisierung
auszutauschen gegen jeden herkömmlichen Heizkessel
einfache Installation und Wartung
Energiekostenersparnis, da es eine Kraft- Wärme-Kopplung gibt: Strom und Wärme in einem Gerät
Produktion von Strom und Wärme dezentral, ohne Netzverluste
Effektiver Beitrag zum Umweltschutz
Voller Heiz- und Warmwasserkomfort
Die Leistungen des Heizgerätes:
Hocheffiziente Energieausnutzung
Reduziert Treibhausgase
Hoher Systemwirkungsgrad auch bei Teillast
Leicht integrierbar in vorhandenen Installationen
Beispiel II: Brennstoffzellenfertigung in Nordrhein-Westfalen
Die amerikanisch-britische Unternehmensgruppe Ze Tek Power ist mit der weltweit ersten Serienfertigung für Brennstoffzellen in Köln in Betrieb gegangen. Die Firma strebt ein Produktionsvolumen von fünf Megawatt elektrischer Leistung im ersten Betriebsjahr an und will in fünf Jahren ein Volumen von 500Megawatt erreicht haben. Gleichzeitig sollen die Produktionskosten für die Brennstoffzellen auf 7 Cent je Kilowattstunde fallen und so an das Niveau herkömmlicher Kraftwerke anknüpfen. Derzeit liegen die Kosten für die nichtserielle Produktion dem Unternehmen zufolge noch bei rund 2000 Euro je Kilowattstunde. Mit zunehmendem Marktinteresse sollten sie jedoch schon in Kürze auf 500 Euro fallen.
Beispiel III: Klärwerk Köln-Rodenkirchen
Mit einem Kostenaufwand von 1,3 Millionen Euro hat die GEW Köln AG im Klärwerk Köln-Rodenkirchen das europaweit erste auf Klärgasbasis betriebene Brennstoffzellenheizkraftwerk errichtet.
Die Anlage ging Anfang Mai 2001 offiziell ans Netz und liefert gleichzeitig Strom und Wärme. Zum Einsatz kommt hier eine spezielle Brennstoffzellenart, die eine elektrische Leistung von 200 Kilowatt und eine Wärmeleistung von 205 Kilowatt aufweisen kann. Die Neuheit dieses Systems ist die Verwendung von aufbereitetem Klärgas als Energieträger für die Brennstoffzelle. Die eigentliche Innovation besteht in der Reinigung des Klärgases. Dieses muss von Fremdstoffen (Siloxane, Halogene, Schwefelverbindungen) gereinigt werden. In mehreren Verfahrensschritten entsteht so ein wasserstoffreiches Gas, das im Stack durch die elektrochemische Reaktion Strom und Wärme erzeugt.
Der Prozess läuft bei Temperaturen um 200°C ab.
Die Anlage erspart außerdem der Umwelt bis zu 1000 Tonnen an Kohlendioxidemissionen im Jahr. Vorher wurden rund 30.000 Kubikmeter Klärgas monatlichabgefackelt und 16.000 weitere Kubikmeter thermisch verwertet, die jetzt alle genutzt werden. Als eines von 25 Projekten aus NRW gehörte das Brennstoffzellen-Heizkraftwerk zu den weltweiten Partnerprojekten der EXPO.
Beispiel IV: Der Wasserstoff-Bus von MAN
Dieser Brennstoffzellenbus ist der erste seiner Art für den täglichen Einsatz im öffentlichen Personennahverkehr. Er verfügt über eine Leistung von 150 KW und wird von MAN in München hergestellt. In der Serienproduktion wird der Bus etwa 20 Prozent teurer sein als ein normaler Linienbus (rund 205000 Euro). Den flüssigen Wasserstoff fährt der Bus tiefgekühlt (-253°C) in Tanks, die 700 l fassen, auf dem Dach mit sich. Das reicht für mehr als 400 Kilometer. Alle zwei Tage muss der Bus mit einem Spezialtankwagen neu befüllt werden, da es eine Wasserstoff-Tankstelle noch nicht gibt.
Die Betankung erfolgt in ca. 10 Minuten.
Beispiel V: Das Wasserstoffprojekt am Flughafen München
Mit der Eröffnung der weltweit ersten öffentlichen Tankstelle für flüssigen und gasförmigen Wasserstoff (Erzeugung vor Ort) haben 13 Vorstände namhafter Unternehmen zusammen mit dem bayrischen Minister für Wirtschaft, Verkehr und Technologie Dr. Otto Wiesheu ein zukunftsweisendes Projekt zur Nutzung des Energieträgers Wasserstoff dem Testbetrieb übergeben. Weltweit erstmals werden in diesem Projekt neben der Herstellung und Speicherung von gasförmigem Wasserstoff auch die vollautomatische Betankung von PKW mit flüssigem Wasserstoff sowie der Einsatz von Vorfeldbussen für den Fluggasttransport unter den Sicherheitsanforderungen eines Flughafens erprobt. Ziel ist es, Erkenntnisse über die Alltagstauglichkeit und Wirtschaftlichkeit des Energieträgers Wasserstoff zu gewinnen.
Mit der ersten öffentlichen Tankstelle zur Flüssigwasserstoff-Betankung und der Wasserstofferzeugung durch einen neuentwickelten Druckelektrolyseur werden wichtige Meilensteine für die Zukunftstechnologie Wasserstoff gesetzt. Die Gesamtkosten dieses Projekts betragen rund 17,5 Millionen Euro.
Beispiel VI: Brennstoffzelleneinsatz im Krankenhaus
Als weltweit erste Klinik nahm das RHÖN-KLINIKUM Bad Neustadt Anfang Mai 2001 eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle in Betrieb. Dabei handelt es sich um eine hochinnovative Kraftwerkstechnik, bei der Strom und Wärme mit der geringsten, heute möglichen Belastung für die Umwelt produziert werden.
Im Krankenhaus ist die Hochtemperatur-Brennstoffzelle besonders geeignet, da sie Großverbraucher für Strom und Wärme sind. Für die ständig wachsende Anzahl ihrer Computeranlagen benötigen sie eine zuverlässige, unterbrechungsfreie Notstromversorgung.
Auch das kann eine Brennstoffzelle liefern. Außerdem benötigen Krankenhäuser noch Prozessdampf, z.B. zur Sterilisation. Die Anlage in Bad Neustadt speist Dampf mit einer Temperatur von ca. 200°C in das bestehende Dampfnetz ein.
Beispiel VII: Brennstoffzelle bald im Zweirad
Eine neue Technik der Firma Novars aus Büchlberg bei Passau macht es möglich, dass jetzt auch Mofas mit Brennstoffzellen angetrieben werden können. Die Höchstgeschwindigkeit wird bei 30 km/h liegen, die maximale Reichweite bei 70 km.
Das Herzstück der Anlage sieht wie eine zu groß geratene Trinkflasche vor dem Lenker eines handelsüblichen Mountainbikes aus. Die Brennstoffzelle verbrennt in einer kontrollierten chemischen Reaktion Wasserstoff zu Wasser, wodurch Strom erzeugt und ein Nabenmotor am Hinterrad angetrieben wird. Anstelle eines Gepäckträgers ragt eine Gasflasche hinter dem Sattel hervor. Diese Technik erzeugt eine Leistung von 3 Kilowattstunden und kann auch bei Rollstühlen oder auf Segelbooten für die Stromerzeugung eingesetzt werden.
7. Stellungnahme
Unserer Meinung nach handelt es sich bei der Einführung der Brennstoffzelle um eine gute Sache, da sie in Fahrzeugen emissionsfrei und nahezu geräuschlos arbeitet. Insgesamt handelt es sich um eine umweltfreundliche Einführung.
8. Quellenverzeichnis
www.brennstoffzellenautos.
com
www.hausarbeiten.de
www.daimlerchrysler.de
www.honda.
de
und diverse weiterleitende Internetseiten
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