Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie GK · Nickel als Hoffnungsträger für die 2026

2 Material

Material 1: Galvanische Zellen im Laborexperiment

In nebenstehender Abbildung ist ein möglicher Versuchsaufbau zur Messung der Zellspannung dreier galvanischer Zellen (Primärelemente) skizziert. Verwendet wird eine in drei separate Kammern geteilte Petrischale, wobei jede Kammer mit der angegebenen Metallsalz-Lösung ($c = 1\,\mathrm{\frac{mol}{L}}$) befüllt ist.

In die Metallsalz-Lösung taucht das zugehörige Metallblech. Ein Spannungsmessgerät wird über Klemmen und Kabelverbindungen an die zu verschaltenden Halbzellen angeschlossen. Ebenfalls variabel wird ein mit Kaliumnitrat-Lösung getränkter Faden als Salzbrücke zwischen die gewählten Halbzellen eingesetzt.

Es herrschen die folgenden Messbedingungen: $T = 298{,}15\,\mathrm{K}$ und $p = 101{,}325\,\mathrm{kPa}$.

Material 2: Nickel-Natriumchlorid-Zelle [1], [2]

Die Nickel-Natriumchlorid-Zelle (siehe Abb. 2) ist ein Akkumulator (Sekundärelement) auf Basis der Redoxpaare $\mathrm{Ni^{2+} \mid Ni}$ und $\mathrm{Na^+ \mid Na}$. Der Grundaufbau dieser Zelle ist schon länger bekannt. Eine innovative Neuentwicklung ist mit einem Festelektrolyten aus poröser Keramik gelungen. Der Festelektrolyt zeigt die Besonderheit, nur für Natrium-Ionen durchlässig zu sein, dies allerdings erst bei einer Temperatur um $300\,\mathrm{^\circ C}$. Die Zelle wird daher bei dieser Temperatur betrieben und ist eine sogenannte Hochtemperatur-Zelle. Man gab ihr den Namen CERENERGY® (abgeleitet von engl. ceramics und energy).

Der Elektrolyt liegt bei der Betriebstemperatur als Feststoff vor (Festelektrolyt). Er fungiert zugleich als Trennphase für die beiden Elektrodenbereiche der Zelle: die in Natriumchlorid-Salzschmelze eingebetteten Nickel-Partikel und das geschmolzene Natrium. Mittig in der Salzschmelze ist ein Nickel-Stab. Das Natrium steht in direktem Kontakt zum Edelstahl-Gehäuse der Zelle. Über den Nickel-Stab und den Anschluss am Edelstahl-Gehäuse erfolgt das Laden und Entladen. (Anmerkung: Dem Natriumchlorid ist ein zusätzlicher Stoff beigesetzt, der ermöglicht, dass bei $300\,\mathrm{^\circ C}$ alles Salz geschmolzen vorliegt.)

Der Festelektrolyt weist auch nach vielen Ladezyklen keine Veränderungen auf, die Zelle ist laut Herstellerangabe wartungsfrei und kann am Ende ihrer 15-jährigen Laufzeit dem Recyclingprozess von Nickel zugeführt werden. Allerdings muss sie zwingend vor Stoß, Reibung und eindringendem Wasser bewahrt werden. Es kommt zur Explosionsgefahr infolge der Reaktion des Natriums mit Wasser. Dabei entsteht u. a. Wasserstoff. Ist die Zelle jedoch auf Zimmertemperatur ($20\,\mathrm{^\circ C}$) abgekühlt, soll sie sicherheitstechnisch unbedenklich sein.

Material 3: CERENERGY® am Kraftwerk „Schwarze Pumpe“ [3]

Der Einsatz der Nickel-Natriumchlorid-Zelle ist nicht auf den Bereich der Elektromobilität ausgerichtet, sondern für stationäre Energiespeicher. Dazu werden 240 Zellen zu einem CERENERGY®-Batteriemodul kombiniert. Die Zusammenschaltung vieler derartiger Module nennt man Speicherkraftwerk.

Ein Prototyp eines solchen Speicherkraftwerks entsteht zurzeit auf dem Kraftwerksgelände des Braunkohlekraftwerks „Schwarze Pumpe“ in Brandenburg. Bislang wurde hier Kohlenstoff (Kohle) einhergehend mit enormen Emissionen an Kohlenstoffdioxid verbrannt und die dabei freigesetzte Wärme über Wasserdampf und Turbinentechnik in elektrische Energie umgewandelt. Zukünftig soll die Verbrennung von Kohle heruntergefahren und die Energieversorgung u. a. auf Windenergie umgestellt werden, wobei Batteriemodule als Zwischenspeicher für sogenannte „Stromspitzen“ dienen. Die CERENERGY®-Anlage ist für eine Energiemenge von 100 Megawatt-Stunden pro Jahr konzipiert ($100\,\mathrm{MWh} = 3{,}6\cdot 10^8\,\mathrm{kJ}$).

Material 4: Größen zur Berechnung [4]

Bei der Bildung von einem Mol Kohlenstoffdioxid ($M(\mathrm{CO_2}) = 44{,}0\,\mathrm{\frac{g}{mol}}$) aus den Elementen tritt eine Änderung der Enthalpie von $\Delta H = -393{,}510\,\mathrm{kJ}$ auf ($T = 298{,}15\,\mathrm{K}$ und $p = 101{,}325\,\mathrm{kPa}$).

1 Formulieren Sie für die Nickel-Kupfer-Zelle und die Nickel-Zink-Zelle Reaktionsgleichungen der ablaufenden Teilreaktionen (M 1).

Erklären Sie den Sachverhalt, dass die Nickel-Halbzelle einmal Akzeptor- und einmal Donator-Halbzelle ist (M 1).

Berechnen Sie für die Nickel-Kupfer-Zelle die Zellspannung unter den angegebenen Bedingungen (M 1).

a)

b)

c)