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

Aufgabe: Analysebetrachtungen zum Einsatz eines Brennstoffzellenzuges [65 Punkte]

In Material M 1 wird die Ausgangssituation zum Einsatz eines Brennstoffzellenzuges geschildert. Bei den Analysebetrachtungen dürfen Sie auf die wissenschaftlichen Größen und Konstanten in Material M 7 zurückgreifen.

M 1: Vorliegende Problembeschreibung

Auf einer nichtelektrifizierten Bahnstrecke im Westen von Nordrhein-Westfalen fahren ältere Diesel betriebene Nahverkehrszüge. Die eingleisige Strecke verbindet die beiden Städte Musterhausen und Schönstadt miteinander. Die Ballungszentren im Rheinland sind über Anschlussstrecken verbunden. In den vergangenen Jahren hat der Regionalbahnverkehr auf dieser Strecke enorm zugenommen, da immer mehr Personen berufs- oder ausbildungsbedingt aus den beiden Regionen in die Ballungszentren pendeln. Der Betreiber der Bahnstrecke möchte die Taktung der Verbindung erhöhen und die veralteten Dieselzüge durch moderne Züge mit einem umweltfreundlichen Antrieb ersetzen. Als Experte für Nahverkehrsbahnstrecken werden Sie vom Streckenbetreiber beauftragt, Analysebetrachtungen zum Einsatz eines Brennstoffzellenzuges durchzuführen.

a)

Funktionsweise einer Brennstoffzelle [16 Punkte]

Beschreiben Sie anhand von Material M 2, wie eine PEM-Brennstoffzelle funktioniert. Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die Elektroden sowie die Gesamtreaktionsgleichung an. Nennen Sie für die markierten Komponenten des Brennstoffzellenzuges in Material M 3 jeweils ihre Funktion und die dort stattfindenden Energieumwandlungen.

b)

Volumen des Wasserstoffspeichers und Reichweitenbestimmung [15 Punkte]

Ermitteln Sie anhand der technischen Daten in Material M 4, welches Wasserstoffvolumen bei 1 bar in den Drucktanks gespeichert ist. Bestimmen Sie die Reichweite des Zuges mit einer vollen Tankfüllung Wasserstoff und vergleichen Sie sie mit der Reichweitenangabe in Material M 4. Erläutern Sie eine andere Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern.

c)

Wirkungsgrad der Brennstoffzelle [12 Punkte]

Bestimmen Sie mit den Materialien M 4 und M 5 den Wasserstoffbedarf pro Tag für die Strecke sowie die umgesetzte chemische Energie in $\mathrm{kW\cdot h}$. Ermitteln Sie außerdem die chemische Leistung und den elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.

M 5: Zugfahrplan

Der Zug verkehrt nur montags bis freitags. Die Entfernung zwischen Musterhausen und Schönstadt beträgt 30 km.

d)

Ausgangsstrom und theoretischer Volumenstrom der Brennstoffzelle [8 Punkte]

Ermitteln Sie anhand von Material M 4 den Ausgangsstrom des Brennstoffzellenaggregats. Bestimmen Sie den theoretischen Volumenstrom an Wasserstoff (bei $20\,^\circ\text{C}$ und $101325\,\text{Pa}$), der umgesetzt werden muss, um diesen elektrischen Strom bereitzustellen. Erläutern Sie dabei, was der Faraday-Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle aussagt.

e)

Herstellung von Wasserstoff durch regenerative Energiequellen [14 Punkte]

Erläutern Sie das Sankey-Diagramm in Material M 6. Bestimmen Sie anhand des Diagramms den Gesamtwirkungsgrad. Ermitteln Sie zudem die elektrische Leistung der Windkraftanlage für den Fall, dass die Elektrolyseanlage pro Stunde $4{,}5\,\text{kg}$ Wasserstoff erzeugt. Erörtern Sie die Vor- und Nachteile des in Material M 6 dargestellten Gesamtkonzepts.

M 6: Regenerative Herstellung von Wasserstoff

In einem zukunftsträchtigen Gesamtkonzept soll die volatile Windenergie in mehreren Schritten in nutzbare chemische Energie des Wasserstoffs umgewandelt werden. Das folgende Sankey-Diagramm zeigt die einzelnen Umwandlungsschritte:

M 7: Wissenschaftliche Größen und Konstanten

Brennwert von Wasserstoff: $H = 120\,\frac{\text{MJ}}{\text{kg}}$

Dichte von Wasserstoff bei $350\,\text{bar}$: $\rho = 24\,\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}$

Universelle Gaskonstante: $R = 8{,}314\,\frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}$

Faraday-Konstante: $F = 96485\,\frac{\text{A}\cdot\text{s}}{\text{mol}}$