Solar-Wasserstoff-Wirtschaft

1. Solar-Wasserstoff-Wirtschaft

2. Kreislauf der Wasserstoffwirtschaft Momentane Struktur der Energieversorgung Energiekreislauf der Zukunft?? Quelle: www.abcdernatur.de/html/brennstoffzelle.htm http___www.uni-koeln.de_math-nat-fak_anorgchem_meyer_vorlesungen_ac_nebenfach_1-17_Wasserstoff.bmp

3. Wasserstoff-Kreislauf II Quelle: http://www.thema-energie.de/article/show_hbpopup.cfm?aid=3501

4. Periodensystem der Elemente

5. Stoffwerte Wasserstoff Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoff

6. Das Wasserstoff-Atom Massenzahl (Anzahl Protonen und Neutronen im Atomkern) nur 1 Kernteilchen – das Proton H 1 Kern 1 Proton H+ Elementsymbol 1 Elektronenhülle 1 Elektron e- Ordnungszahl (Anzahl Protonen im Atomkern bzw. Elektronen in der Hülle) 1 Proton H+ Masse m(H)  1u (genauer: m(H) =1,008 u ) m(H) = 1,661 10 -24 g 1 Elektron e- Masse m  1/2000 u Atomare Masseneinheit „u“: 1 u = 1/12 der Masse des C-Isotops C-12 1 u = 1,67  10 –24 g Elementarladung „e“: Kleinste Ladungseinheit e = 1,602  10 –19 C e- = - 1,602  10 –19 C e+ = + 1,602  10 –19 C

7. Molare Masse M und Stoffmenge n 1g Wasserstoffatome Atomanzahl in 1 g Wasserstoff x= 1g / 1u =1g /1,661  10 –24 g x = 6,02  10 23(Stück H-Atome) 1u 2u 3u 4u 4 Wasserstoffatome haben eine Masse von m= 4u m = 4 1,661  10 –24 g m = 6,644  10 –24 g Avogadrozahl (oder Loschmidt-Konstante) NA= NL= 6,02  10 231/mol Stoffmenge n wird in Mol angegeben Stoffmenge Wasserstoffatome in m=1g Wasserstoff: n(H) = m / M(vorhandene Masse/molare Masse) n(H) = 1 mol (also 6,02  10 23einzelne H-Atome) Molare Masse M (H) = 1 g/mol Molare Masse eines Stoffes gibt an, welche Masse 6,02  10 23 Teilchen, also 1 Mol Teilchen haben! Sie entspricht der Massenzahl mit der Einheit g/mol

8. Wasserstoff – kommt fast immer molekular vor + H + H H2 H - H H+ H H : H M (H2) = 2 g/mol 6,02  10 23 H2 – Moleküle haben also eine Masse von 2g Es sind 12,04  10 23 H-Atome enthalten

9. Molares Normvolumen VM = 22,414 dm³/mol = 22,414 l/mol Das molare Volumen oder auch Molvolumen (Formelzeichen: Vm) eines Stoffes gibt an, welches Volumen ein Mol dieser Substanz einnimmt; dieses Volumen wird durch die Stoffmenge 1 mol dividiert. Seine abgeleitete SI-Einheit ist Kubikmeter durch Mol [m3/mol]. Es beschreibt also das Volumen, welches von insgesamt 6,022 · 1023 (Avogadrozahl) Teilchen einer Substanz ausgefüllt wird. Das molare Volumen des idealen Gases beträgt 22,413996 l/mol unter Normalbedingungen und 24,4640424 l/mol bei Standardbedingungen. Für reale Gase, Feststoffe und Flüssigkeiten ist das molare Volumen hingegen stoffabhängig. Für Berechnungen kann in der Regel aber der Standardwert für ideale Gase mit genügender Genauigkeit verwendet werden. In Deutschland ist das molare Normvolumen in der Norm DIN 1343 mit 22,414 l/mol mit einer Toleranz von 1,9·10-4 l/mol bei Normbedingungen festgelegt. Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Molares_Volumen Standardbedingungen Standarddruck p = 101325 Pa = 1013,25 hPa =1,01325 bar Standardtemperatur T = 298,15 K ⇔ 25 °C Normbedingungen Temperatur T = 273,15 K ( 0 °C ) und Druck p = 101.325 Pa = 101.325 N/m² = 1013,25 hPa = 1013,25 mbar

10. Übungen - - + + + + + + + + - - - - - - • Der Zeppelin Hindenburg, der am 6.Mai 1937 in Lakehurst/New York verunglückt ist, hatte ein Wasserstoffvolumen von V = 190.000 m³ .Berechnen Sie die Masse m(Wasserstoff) sowie die Stoffmenge n(H2), mit der die „Hindenburg“ gefüllt war.Berechnen Sie die Verbrennungswärme EQ, die bei vollständiger Verbrennung entstanden ist. • Geben Sie die Anzahl (in Stück!!!) an Elektronen an, die in n(H) = 1 mol Wasserstoff (einzelne H-Atome) bzw. n(H2) = ½ mol H2 enthalten sind.Angenommen, man trennt alle Elektronen aus den Atomen:Welche Gesamtladung Q in Coulomb (C) wird dann also pro Mol Elektronen bereit gestellt?Welche Stromstärke I in Ampere entsteht, wenn man diese Ladung in 10 Minuten über den + - Pol einer Spannungsquelle „absaugt“ ?I = Q/t also 1 A = 1C/1s • Recherieren Sie im Internet die Gefahren im Umgang mit Wasserstoff und die heute technisch gebräuchlichen Speichermöglichkeiten.Stellen Sie Ihre Ergebnisse auf einer Powerpoint-Folie (ggf. auf mehreren) dar. I = ? A

11. Sauerstoff 6 Elektronen auf der äußeren Schale e- Edelgaskonfiguration durch Aufnahme von 2 e- O 16 8 8 Elektronen e- Masse m  1/2000 u 8 Protonen 8 Neutronen Masse m(O)  16u m(O) = 16  1,661 10 -24 g

12. Wasser (H2 + ½ O2 H2O) + 2 H2 + O2 2 H2O Standardbildungsenthalpie(bezogen auf die Bildung von 1 Mol Wasser) DHf = -286 kJ/mol

13. Wasser zerfällt in Protonen (H+) und OH- -Ionen (Autoprotolyse) Wasser: H2O Einige Wassermoleküle spalten sich auf, siedissoziieren: + H2O -> H+ + OH- bzw. 2H2O -> H3O+ + OH-

14. pH-Wert 1 mol Wasser hat eine Masse von 18g 1000g (1l) Wasser hat also 1000g/18g/mol = 55,5 mol In 1 Liter Wasser sind 10-7 mol Wassermoleküle dissoziiert, also 0,0000001 mol. Von 555000000 Molekülen Wasser ist also 1 Molekül dissoziiert! Die Konzentration an H3O+ -Ionen: c(H3O+)= 10-7 mol/l Die Konzentration an OH- Ionen: c(OH-) = 10-7 mol/l pH –Wert: pH = -log c(H3O+) = 7 pOH = -log c(OH-) = 7 pH +pOH= 14 0 7 14 zunehmend basisch zunehmend sauer neutral

15. Elektrolyse - Elektrodenvorgänge 4 OH- O2 +2 H2O + 4e- 4 H3O+ +4e- 2 H2 +4 H2O + - Kathode Anode Theoretische Zersetzungsspannung U = 1,23 V

16. Strom-Spannungskennlinie: Zersetzungsspannung Zersetzungsspannung

17. Stromfluss und Elektronen - Ableitung der Faraday-Konstanten Die Stromstärke 1 Ampere repräsentiert die Anzahl der Elektronen, die pro Sekunde durch einen Leiter fließen. F = 96485 C/mol I = Q/t (1 A = 1 C/1s) Ladung Q Q = Anzahl Elektronen  Elementarladung (1,602  10 -19 C/Stück) Anzahl Elektronen je Coulomb = 1 / (1,602  10 -19 C/Stück)= 6,242  10 +18 1/C Als Stoffmenge: n (Elektronen) = [Anzahl Elektronen/C ]/ NA n (Elektronen) = [6,242  10 +18 Stück Elektronen/C] / [6,02  10 +23 Stück Elektronen/mol] n (Elektronen) = 1,037  10 -5 mol/C = 0,00001037 mol/C der Kehrwert ist die Faraday-Konstante (Ladung pro Mol einfacher Ladungsträger) F = 1/ (1,037  10 -5 mol/C ) = 96440 C/mol (Abweichung durch Rundungsungenauigkeiten in der Rechnung)

18. Überspannung Widerstand aus Elektrolysekennlinie: Bei einer der beiden Zellen lag die Zersetzungsspannung höher -> größerer Widerstand beim Übergang von Elektron auf H+ bzw. O2- Ursachen:...

19. Faradaysche Gesetze • Faradaysches Gesetz:Die Stoffmenge, die an einer Elektrode während der Elektrolyse abgeschieden wird, ist proportional zur Ladung, die durch den Elektrolyten geschickt wird.Die Proportionalitätskonstante ist dann die Faraday-Konstante n ~ Q n ~ I • t • Faradaysches Gesetz:Die durch eine bestimmte Ladung abgeschiedene Masse eines Elements ist proportional zum Atomgewicht des abgeschiedenen Elements und umgekehrt proportional zu seiner Wertigkeit, daher zur Anzahl von einwertigen Atomen, die sich mit diesem Element verbinden können.

20. Berechnung theoretische Spannung - Elektrolyse Die Thermodynamik bestimmt die notwendige Spannung einer Wasserelektrolyse. Für die Bildung von flüssigem Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff ist die Zellspannung (bei 1 bar und 298 K) 1,23 V, der theoretische Wirkungsgrad 83 %. Theoretisch errechnet sich die Spannung aus dem Heizwert (Wärme DQ pro Stoffmenge n, Masse m, Volumen V, die bei vollständiger Verbrennung frei wird) mit 2,4×105 kWs/kmol, der Wertigkeit z und der Faradaykonstante F zu Heizwert Wasserstoff: H U = 120 MJ/kg = 120 kJ/g = 1,2 105 J/g = 2 g/mol  1,2 105 J/g = 2,4  105 J/mol Elektronenanzahl z = 2 Faradaykonstante 96480 C/mol W = U I t U = W/Q

21. Übungsaufgabe Eine Wasserelektrolyse wird mit der Stromstärke I= 50A bei einer Spannung von U = 2,5V durchgeführt. Die Elektrolysezeit beträgt t = 20 min. Es entsteht V = 6,8 dm³ Wasserstoff (H2).

22. Faradayscher Wirkungsgrad Der Faradaysche Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis der tatsächlichen Wasserstoffmenge zur theoretisch möglichen. Berechnung der theoretisch möglichen Stoffmenge n(H2) in mol. F = 96485 C/mol (Faraday-Konstante) z = 2 (Anzahl der Elektronen, die für H2-Entstehung benötigt werden) Berechnung des Volumens VM = 22,4 dm³/mol (molares Normvolumen) Der Faraday-Wirkungsgrad muss nahe bei 1 liegen, weil jedes Elektron, dass in die Elektrolysezelle fließt, sich an ein H+ binden muss. Ansonsten wären unerwünschte Fremdreaktionen vorhanden.

23. Faradayscher Wirkungsgrad - Übungsaufgabe Berechnung der theoretisch möglichen Stoffmenge n(H2) in mol. F = 96485 C/mol (Faraday-Konstante) z = 2 (Anzahl der Elektronen, die für H2-Entstehung benötigt werden: 1 e- pro H+) 1C = 1As (Stromstärke ist ja I=Q/t also entsprechend 1A = 1C/1s; somit ist Q also I*t!) Berechnung des Volumens VM = 22,4 dm³/mol (molares Normvolumen) Berechnung des Faraday‘schen Wirkungsgrades

24. Energetischer Wirkungsgrad der Elektrolyse Der energetische Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis des Energieinhaltes der tatsächlichen Wasserstoffmenge zu der elektrischen Energie, die zur Produktion benötigt wurde. Die elektrische Energie berechnet sich aus der elektrischen Leistung P = U  I und der Zeit t der Elektrolyse Der Energieinhalt der tatsächlichen Wasserstoffmenge berechnet sich aus dem Brennwert (früher „oberer Heizwert HO“) in kJ/m³ und dem Wasserstoffvolumen Ggf. muss das Volumen mit der allgemeinen Gasgleichung an andere Druck- und Temperaturwerte angepasst werden. Hierbei ist R = 8,314 J/(mol K) die ideale Gaskonstante, n die Stoffmenge in mol und T die absolute Temperatur in Kelvin

25. Energetischer Wirkungsgrad der Elektrolyse - Übungsaufgabe Die elektrische Energie berechnet sich aus der elektrischen Leistung P = U  I und der Zeit t der Elektrolyse (das ist die elektrische Energie, die zur Trennung reingesteckt wurde) Der Energieinhalt der tatsächlichen Wasserstoffmenge berechnet sich aus dem Brennwert (früher „oberer Heizwert HO“) in MJ/m³ und dem Wasserstoffvolumen (das ist die Energie, die im erzeugten Wasserstoff dann „gespeichert“ ist). Wirkungsgradberechnung (Nutzenergie durch eingesetzte Energie)