Aufgabe 3 - Brennstoffzelle und Wasserstoff · Abitur NRW Technik GK · Haupttermin 2021

a) Funktionsweise einer Brennstoffzelle: Beschreiben Sie anhand von Material M 2, wie eine PEM-Brennstoffzelle funktioniert.

Lösung: Eine PEM-Brennstoffzelle besteht aus Anode und Kathode, die durch die PEM getrennt sind. An der Anode wird das Brennstoffgas (hier Wasserstoff) oxidiert. Die bei der Oxidation des Wasserstoffs entstehenden Protonen fließen von der Anode zur Kathode durch die PEM, die nur für Protonen durchlässig ist. Die bei der Oxidation frei werdenden Elektronen reduzieren an der Kathode den Luftsauerstoff. Aus dem reduzierten Sauerstoff und den Protonen entsteht als Reaktionsprodukt Wasser. Der stattfindende Elektronenaustausch kann über einen äußeren geschlossenen Stromkreis genutzt werden.

a) Geben Sie die chemische Reaktionsgleichung für die Anode an.

Lösung: $$2\,\text{H}_2 \rightarrow 4\,\text{H}^+ + 4\,\text{e}^-$$

a) Geben Sie die chemische Reaktionsgleichung für die Kathode an.

Lösung: $$\text{O}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4\,\text{e}^- \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$$

a) Geben Sie die Gesamtreaktionsgleichung an.

Lösung: $$2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$$

a) Nennen Sie für die markierten Komponenten des Brennstoffzellenzuges in Material M 3 jeweils die Funktion und die auftretenden Energieumwandlungen.

Lösung: 1. Brennstoffzelle: wandelt die chemische Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie um. 2. Wasserstofftanks: speichern den Wasserstoff und damit die chemische Energie unter hohem Druck. 3. Elektromotor/Generator: wandelt die elektrische Energie in Bewegungsenergie zum Antrieb des Zuges um, wandelt die kinetische Energie beim Bremsen in elektrische Energie um. 4. Antriebswechselrichter: wandelt die Gleichspannung von Akku und Brennstoffzelle in eine Wechselspannung zum Antrieb des Elektromotors um, wandelt die Wechselspannung im Generatorbetrieb beim Bremsen in eine Gleichspannung um, Umwandlung von elektrischer Energie in elektrische Energie. 5. Umrichter: wandelt die elektrische Spannung von Akku und Brennstoffzelle in eine niedrige Spannung zur Versorgung der Bordsysteme um, Umwandlung von elektrischer Energie in elektrische Energie. 6. Lithium-Ionen-Akku: Speicherung der elektrischen Energie von der Brennstoffzelle und der Bremsenergie, gibt die elektrische Energie beim Anfahren ab, Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt.

b) Ermitteln Sie anhand der technischen Daten in Material M 4 das Wasserstoffvolumen bei einem Druck von 1 bar, das in den Drucktanks gespeichert ist.

Lösung: $2625\ \text{m}^3$

b) Bestimmen Sie die Reichweite des Zuges bei einer vollständigen Wasserstofffüllung.

Lösung: $692{,}3\ \text{km} \approx 700\ \text{km}$

b) Vergleichen Sie sie mit der Reichweite aus Material M 4. Erläutern Sie eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern.

Lösung: Vergleich: Die berechnete Reichweite mit ca. 700 km weicht um ca. 300 km von der angegebenen Reichweite mit 1000 km ab. Weitere Speichermöglichkeiten (eine Auswahl): • Flüssiggasspeicher: Der Wasserstoff wird verflüssigt (bei −253 °C) und bei tiefen Temperaturen in Kryotanks gelagert. Diese Tanks müssen hohe Isolationseigenschaften haben, um Abdampfverluste durch Erwärmung zu minimieren. • Metallhydridspeicher: Hierbei werden bestimmte Metalllegierungen zur Speicherung genutzt. Der Wasserstoff wird vom Metall adsorbiert und es entstehen Metallhydride. Bei der Speicherung wird Wärme abgegeben. Bei der Freisetzung muss Wärme zugeführt werden. Diese Speicher besitzen vergleichsweise ein hohes Gewicht. • Adsorptionsspeicher: Wasserstoff kann auch in Materialien mit einer geeigneten Porengröße und einer großen inneren Oberfläche gespeichert werden (z. B. poröser Kohlenstoff oder Zeolithe).

c) Bestimmen Sie mithilfe der Materialien M 4 und M 5 den Wasserstoffbedarf für die Strecke pro Tag.

Lösung: $109{,}2\ \text{kg}$

c) Bestimmen Sie die umgesetzte chemische Energie in kW·h.

Lösung: $3640\ \text{kW}\cdot\text{h} / 3{,}64\ \text{MW}\cdot\text{h}$

c) Ermitteln Sie außerdem die chemische Leistung der Brennstoffzelle.

Lösung: $288{,}9\ \text{kW}$

c) Ermitteln Sie den elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.

Lösung: $69{,}2\ \% / 0{,}692$

d) Erläutern Sie das Sankey-Diagramm in Material M 6.

Lösung: Das Sankey-Diagramm zeigt die Energieumwandlungskette von der Windkraftanlage über mehrere Umwandlungsstufen bis zur nutzbaren chemischen Energie. Die Windkraftanlage wandelt im ersten Schritt die Windenergie in elektrische Energie um. In einem 2. Schritt wird die elektrische Energie zu einer Elektrolyseanlage übertragen. Diese Anlage wandelt die elektrische Energie im weiteren Verlauf in chemische Energie um. Im Anschluss erfolgen die Lagerung und der Transport des Brenngases bis zur Nutzung. Das Diagramm zeigt maßstabsgerecht die auftretenden Verluste und den nutzbaren Energieanteil. An der Breite der Pfeile ist der Anteil der Verluste sichtbar und auch der am Ende nutzbare Anteil.

d) Bestimmen Sie anhand des Diagramms den Gesamtwirkungsgrad.

Lösung: $29{,}02\ \% / 0{,}2902$