Solar-Wasserstoff-Technologie
1. Solarzellen
Energieumwandlungskette
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Solar-Wasserstoff-Anlage
- Dienen der Stromerzeugung durch Lichteinstrahlung
- Dieser Strom wird zur Wasserelektrolyse genutzt
- Ausgangsmaterial: hochreines Silizium
- Bei tiefen Temperaturen: isolierende Wirkung; bei Licht- oder Wärmeeinwirkung: leitende Wirkung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] „Halbleitereffekt“
- Verstärkung des Halbleitereffekts durch Zumischung von Fremdatomen (Phosphor, Bor) [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] „Dotierung“
- Durch Dotierung kann Mangel oder Überschuss an Elektronen in der Atomstruktur des Siliziums erzeugt werden
- Überschuss [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] „n-Dotierung“ ; Mangel [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] „p-Dotierung“
- Konzentration: 1 Fremdatom auf 104 bis 107 Siliziumatomen
- n-leitend/dotiert: Zusatz von 5wertigen Atomen (meist Phosphor) [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Elektronenüberschuss (ein überschüssiges Valenzelektron pro Fremdatom) [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] überschüssige Valenzelektronen übernehmen leitende Funktion [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] n-Leitung (n=negativ )
- p-leitend/dotiert: Zusatz von 3wertigen Atomen (meist Bor) [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Mangel an negativer Ladung: „Loch“ [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Löcher sind positiv geladen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] können durch Valenzelektronen aufgefüllt werden [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] An ursprünglichen Positionen der auffüllenden Valenzelektronen entstehen wiederum Löcher c positive Ladungen können sich frei bewegen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] p-Leitung (p = positiv)
- Solarzellen = Kombination von p- und n-leitenden Materialien, welche direkt aneinander grenzen
- Verbindung von n- und p-leitenden Schichten: Entstehung eines elektrischen Feldes am pn- Übergang [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Spannungsgefälle
- pn-Übergang: Im Grenzbereich der beiden Schichten treten die überzähligen Elektronen aus dem n-Bereich in den p-Bereich über und füllen dort die Löcher auf
- keine freien Ladungsträger mehr in der Grenzschicht [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] „Sperrschicht“
(Stromfluss ist nicht mehr möglich)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- bei der Elektronenwanderung aus dem n-Bereich in den p-Bereich lassen die Elektronen positive Atomrümpfe zurück [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] positive Raumladung entsteht
- durch die Neutralisation der Löcher mit Elektronen aus dem n-Bereich entstehen im p-Bereich negativ geladen Atomrümpfe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] negative Raumladung entsteht
- entgegengesetzte Raumladungen erzeugen elektrisches Feld in der Sperrschicht
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- Die Photonen des Lichtes besitzen eine solch große Energie, dass sie Valenzelektronen aus der Sperrschicht in den n-Bereich treiben; die dabei entstehenden positiven Löcher werden in den p-Bereich getrieben. Diese lichterzeugten Ladungsträger drängen nun zu den Rändern.
Da am Rand der n-dotierten Schicht nun sehr viele negative Ladungen und am Rand der
p-dotierten Schicht sehr viele Löcher sind, fließen die Elektronen über einen äußeren Leiter um diese Löcher wieder zu füllen
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Stromfluss (Gleichstrom)!
- n-dotierte Schicht ist nur sehr dünn, damit Licht in pn-Übergang eindringen kann
- durch Antireflexionsschicht wird weniger Licht reflektiert, so dass mehr Licht auf den pn-Übergang einwirken kann (ohne Antireflexionsschicht: 30% weniger Licht)
- blaue Farbe der Solarzellen
- meist 10 cm ×10 cm große, ca. 0,2mm bis 0,3mm dicke Scheiben
2. Elektrolyseur/Elektrolysezelle
- Energieträger Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt
- Solarstrom spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Umwandelung elektrischer Energie aus der Solarzelle in chemische Energie
- Elektrolytisch hergestellter Wasserstoff ist vollständig frei von Kohlenstoffen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
hoher Reinheitsgrad [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] wird für Brennstoffzellen benötigt
- Elektrolyseur: Bestehend aus 2 Halbzellen, durch ein Diaphragma getrennt damit kein Knallgas entstehen kann
- Beispiel: Alkalischer Elektrolyseur:
- speziell für Betrieb unter Druck entwickelt
- Betriebsdruck bis zu 30 bar [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Vorteil: Gas ist schon verdichtet [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] kann platzsparend gespeichert werden
- 25% KOH als Elektrolyt
- Netzförmige Elektroden aus Nickelgittern [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] da Ni in alkalischen Lsg. sehr beständig ist und gute Aktivität besitzt
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Schema eines alkalischen Wasserelektrolyseurs (räumliche Darstellung)
- Anode: Sauerstoffentwicklung Kathode: Wasserstoffentwicklung
- Anode: 4OH- [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] O2 + 2H2O + 4e- Oxidation (Elektronenabgabe)
- Kathode: 4H2O + 4e- [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] 2H2 + 4OH- Reduktion (Elektronenaufnahme)
- Gesamtreaktion: 2H2O [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] 2H2 + O2
- Elektrolysespannung/Zersetzungsspannung = 1,23 V
3. Wasserstoffspeic her
- Wasserstoff = Energiespeicher
- Wasserstoff kann wie fossile Brennstoffe transportiert und gespeichert werden
- Speicherung in Druckgasspeichern (um 200 bar) nach Verdichtung des Gases
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] 10 m3 bis 100.000 m3 Behälter, für große H2-Mengen bieten sich Untertagespeicher (Kavernen) an
- In Druckbehältern lässt sich H2 bei tieferen Temperaturen (-253 °C) in flüssiger Form speichern
- Speicherung in chemischen Verbindungen (z.B. Metallhydride) auch möglich
- Hydridspeicherung: bestimmte Metalle bilden mit Wasserstoff Metallhydride, werden diese erwärmt, entweicht der Wasserstoff wieder
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4. Brennstoffzelle
Ausgewählte Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung
- Allgemeines Funktionsprinzip: Direkte Umwandlung des Energieträgers Wasserstoff in elektrische Energie [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Erzeugt aus Wasserstoff wieder Strom [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Umkehrung der Elektrolyse von Wasser [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Als Reaktionsprodukt entsteht ausschließlich Wasser!
- Besteht aus 2 Elektroden und dem Elektrolyten
- Anode (-Pol) : Brennstoff (H2) wird oxidiert; Elektronen fließen über äußeren Stromkreis zur Kathode
- Kathode (+Pol): Oxidant (O2 aus der Luft) wird reduziert
- Durch Elektronenfluss [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Strom
- Wesentlicher Unterschied zur Batterie: Elektroden werden nicht umgewandelt/nimmt nicht an der Reaktion teil [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Brennstoffzelle kann nicht entladen werden, lediglich die Ausgangsstoffe H2 und O2 müssen zugeführt werden
- Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen, die sich in der Art der Elektrolyten und der Elektroden unterscheiden
- Funktionsprinzip einer PEM -Brennstoffzelle:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
- Elektroden: edelmetallhaltiger Katalysator beschichtet Elektrode, meist fein verteiltes Platin an speziell behandelten Kohlenstoffmatten; beschichtete Kohlenstoffmatten werden mit Polymerelektrolytmembran heiß verpresst
- Membran-Elektroden-Einheit (gas- und flüssigkeitsdurchlässig)
- Ausgangsstoffe Wasserstoff und Sauerstoff werden der Brennstoffzelle zugefügt [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Wasserstoff zur Anodenseite, Sauerstoff zur Kathodenseite
- Anode: 2H2 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] 4H+ + 4e- Oxidation (Elektronenabgabe)
- Die Wasserstoffionen diffundieren von der Anode durch die ionenleitende Polymerelektrolytmembran (PEM) zur Kathode
- Kathode: O2 + 4H+ + 4e- [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] 2H2O Reduktion (Elektronenaufnahme)
- Gesamtreaktion: 2H2 + O2 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] 2H2O
5. Vor- und Nachteile
+ Silizium ist in großen Mengen vorhanden und umweltfreundlich zu verarbeiten
+ Solarzellen: Lebensdauer von 20 Jahren
- Saisonale Abhängigkeit (Sonne)
- Hohe Kosten für Solarmodule
- Strom muss gespeichert werden
+ Bestehende Infrastruktur kann modifiziert genutzt werden für Wasserstoff
+ Ersetzt fossile Brennstoffe
+ Regenerative Energiequelle
+ Geringe Masse des Brennstoffes
+ Im Gegensatz zu Batterien können Brennstoffzellen kontinuierlich chemische Energie in elektrischen Strom umwandeln
+ Elektrochemischer Prozess ist geräuschlos
+ Umweltneutral / geringste Schadstoffemission
6. Anwendung
- Netzunabhängige Stromversorgung
- Telekommunikationsanlagen, Wetterstationen, Leuchtbojen, Parkuhren, Verkehrsleitsysteme, Wohnwagen, Wochenendhäuser, Boote und abgelegene Alpenhütten werden mit Solarstrom gespeist
- Kleinanwendung in Taschenrechnern und Uhren
- Einspeisung in das öffentl. Stromnetz
- Treibstoff im Verkehr
Häufig gestellte Fragen zu Solar-Wasserstoff-Technologie
Was sind Solarzellen und wie funktionieren sie?
Solarzellen wandeln Licht in Strom um. Sie bestehen aus hochreinem Silizium, das bei Licht- oder Wärmeeinwirkung leitend wird (Halbleitereffekt). Durch Dotierung mit Fremdatomen (Phosphor, Bor) wird der Halbleitereffekt verstärkt. Es gibt n-dotierte (Elektronenüberschuss) und p-dotierte (Elektronenmangel) Bereiche. Solarzellen kombinieren p- und n-leitende Materialien, wodurch am pn-Übergang ein elektrisches Feld entsteht. Licht erzeugte Ladungsträger werden zu den Rändern getrieben, wodurch ein Stromfluss entsteht.
Was ist ein Elektrolyseur/Elektrolysezelle?
Ein Elektrolyseur erzeugt Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mithilfe von Solarstrom. Dabei wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der erzeugte Wasserstoff ist kohlenstofffrei und von hoher Reinheit, was für Brennstoffzellen wichtig ist. Ein Beispiel ist der alkalische Elektrolyseur, der unter Druck betrieben werden kann und 25% KOH als Elektrolyt verwendet. An der Anode findet Sauerstoffentwicklung statt, an der Kathode Wasserstoffentwicklung.
Wie wird Wasserstoff gespeichert?
Wasserstoff kann in Druckgasspeichern (ca. 200 bar) nach Verdichtung des Gases gespeichert werden. Es gibt Behälter von 10 m3 bis 100.000 m3. Für große Mengen eignen sich Untertagespeicher (Kavernen). Bei tieferen Temperaturen (-253 °C) kann H2 in flüssiger Form gespeichert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Speicherung in chemischen Verbindungen wie Metallhydriden.
Wie funktionieren Brennstoffzellen?
Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff direkt in elektrische Energie um, eine Umkehrung der Elektrolyse. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Sie bestehen aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten. An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, an der Kathode Sauerstoff reduziert. Der Elektronenfluss erzeugt Strom. Im Gegensatz zu Batterien nehmen die Elektroden nicht an der Reaktion teil und müssen nicht entladen werden. Ein Beispiel ist die PEM-Brennstoffzelle, bei der Wasserstoffionen durch eine Polymerelektrolytmembran zur Kathode diffundieren.
Welche Vor- und Nachteile hat die Solar-Wasserstoff-Technologie?
Vorteile sind die große Verfügbarkeit und umweltfreundliche Verarbeitung von Silizium, die lange Lebensdauer von Solarzellen (ca. 20 Jahre), die Möglichkeit, bestehende Infrastruktur zu nutzen, die Ersetzung fossiler Brennstoffe, die Nutzung einer regenerativen Energiequelle, die geringe Masse des Brennstoffes, die kontinuierliche Umwandlung chemischer in elektrische Energie, der geräuschlose elektrochemische Prozess und die Umweltneutralität/geringe Schadstoffemission. Nachteile sind die saisonale Abhängigkeit (Sonne), hohe Kosten für Solarmodule und die Notwendigkeit, Strom zu speichern.
Wo wird die Solar-Wasserstoff-Technologie angewendet?
Die Solar-Wasserstoff-Technologie wird für netzunabhängige Stromversorgung, Telekommunikationsanlagen, Wetterstationen, Leuchtbojen, Parkuhren, Verkehrsleitsysteme, Wohnwagen, Wochenendhäuser, Boote, abgelegene Alpenhütten, Taschenrechner, Uhren, die Einspeisung in das öffentliche Stromnetz, als Treibstoff im Verkehr und in der Raumfahrt eingesetzt.
- Quote paper
- Carolin Eiersbrock (Author), 2001, Solar-Wasserstofftechnologie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/103639
