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| Brennstoffzelle | Lexikon | |
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Energiequelle der Zukunft ? Infografiken Links Unterrichtsmaterialien Literatur |
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| Hintergrund |
Eine Brennstoffzelle verwandelt chemische Energie, die in einem Brennstoff (z.B. Wasserstoff, Erdgas, Methanol, Benzin) steckt, in elektrischen Strom und Wärme. Brennstoffzellen werden zum Fahrzeugantrieb (u.a. Autos, Busse, Flugzeuge), zur Wärme- und Stromversorgung von Häusern, Siedlungen und Fabriken sowie auch als Batterie/ Akku-Ersatz in Geräten (Kamera, Laptop, ...) eingesetzt. |
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Funktionsprinzip  Globus 7301 |
Um diese explosionsartige Verbrennung zu verlangsamen und gleichzeitig Strom zu gewinnen, werden in der Brennstoffzelle die beiden reagierenden Gase Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) räumlich getrennt durch einen Elektrolyten [IBZ], der für Gase undurchlässig ist, in dem sich aber Ionen (positive Ladung) von der Anode (Plus-Pol) zur Kathode (Minus-Pol) bewegen können. Außerhalb des Elektrolyten bewegen sich dann Elektronen (negative Ladung), d.h. es fließt ein elektrischer Strom. Der Ausschnitt der Globus Grafik 7301 veranschaulicht dieses grundlegende Funktionsprinzip. Hinweise auf detaillierte Beschreibungen der Brennstoffezelle:
Weitere Infografiken (s.u.) erläutern, wie durch Hintereinanderschaltung von mehreren Brennstoffzellen (Stapel/ stack) technisch nutzbare Stromstärken erzeugt werden können. |
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Das beschriebene Funktionsprinzip ist bei allen Brennstoffzell-Typen gleich. Sie unterscheiden sich jedoch bei der Zusammensetzung des Elektrolyten und in Bezug auf den zugeführten Brennstoff, aus dem der Wasserstoff gewonnen wird. Die verschiedenen Typen von Brennstoffzellen werden detailliert beschrieben von der Initiative
Brennstoffzelle (IBZ): AFC PEM DMFC
PAFC MCFC SOFC => Tabelle der Brennstoffzelltypen [UM 1, S.13] |
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Geschichte
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Bereits 1839 gelang es dem britischen Physiker William Robert Grove (1811-1896), die Knallgasreaktion mit der sog."kalten Verbrennung" in der "galvanischen Gasbatterie" zu zähmen und dabei einen nutzbaren Gleichstrom zu erzeugen. Seine Erfindung lies sich jedoch beim damaligen Stand der Technik nicht nutzen und geriet in Vergessenheit. Erst in den vergangenen Jahrzehnten wurde die Bedeutung der Brennstoffzelle als wesentliches Element einer noch zu schaffenden Wasserstoffwirtschaft im Rahmen einer nachhaltigen Energieversorgung neu erkannt. => Tabelle zur Geschichte der Brennstoffzelle [UM 1, S.3-4] |
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| Brennstoffzellen: Energiequelle der Zukunft? | ||||||||||
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Brennstoffzellen gelten als die Energiequelle der Zukunft, da sie eine dezentrale Stromerzeugung ohne lokale Schadstoff- oder Treibhausgas-Emissionen ermöglichen, wobei allerdings die ökologischen Lasten bei Herstellung, Lagerung, Transport und Verteilung von Wasserstoff zu berücksichtigen sind. Wasserstoff kann nach jetzigem Stand gewonnen werden mittels: 1) Elektroylse 2) Biomasse 3) Grünalgen 4) Erdgas |
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| Wasserstoff aus Elektrolyse : |
Wird der Wasserstoff durch Elektrolyse mit Strom aus regenerativen Energien gewonnen, stellt die gesamte Energieumwandlungskette eine vergleichsweise schadstoffarme regenerative Energiequelle dar, die aber bisher noch eine geringe Energieeffizienz aufweist (-> Infografik/ZEIT-Artikel: nächster Absatz) |
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| Infografik: Verlustreiche Wasserstoffwirtschaft Die Infografik zeigt die Energieverluste entlang der Energieumwandlungskette: Wasser mittels Elektrolyse zu Wasserstoff --> Transport des Wasserstoffs --> Umfüllen in Wasserstofftanks zur Verbrennung in Wasserstoffmotoren bzw. bei Verstromung in einer Brennstoffzelle. Der Wirkungsgrad dieser Kette beträgt nur ca. 25 bis 28 %, während die direkte Nutzung regenerativ erzeugten Stroms einen Wirkungsgrad von 95 bis nahe 100 % erreicht. Durch die verschiedenen Energieumwandlungen bei der Nutzung von Wasserstoff gehen über 70% des ursprünglich investierten Stroms verloren. Die Infografik ist eingebettet in den Artikel "Die Mär vom Wasserstoff. Staatschefs und Ökovisionäre schwärmen von der »Zukunftsenergie«. Doch physikalisch betrachtet ist die Wasserstoffwirtschaft reine Energieverschwendung" [DIE ZEIT, 42/ 7.10.04, S.36] |
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| Wasserstoff aus Biomasse: |
Weitaus energieeffizienter und auch kostengünstiger als die bisher überwiegend fossile Energieversorung scheint dagegen eine Wasserstoffwirtschaft auf der Basis von Biomasse zu sein. | |||||||||
| In seinem Buch "Bio-Wasserstoff - Eine Strategie zur Befreiung aus der selbstverschuldeten Abhängigkeit vom Öl" skizziert der Autor Karl-Heinz Tetzlaff eine Wasserstoffwirtschaft, die auf dem massiven Einsatz von Brennstoffzellen, betrieben mit Wasserstoff gewonnen aus Biomasse, aufbaut. Diese Art der Energiegewinnung "direkt vom Acker" sei nur etwa halb so teuer wie die aus Erdöl und zugleich hocheffizient, so die Berechnungen Tetzlaffs, wobei die positiven Effekte für den Klimaschutz (Vermeidung von Treibhausgasen) und aus der verringerten Gefahr von Konflikten um knappe Rohstoffe (wie z.B. beim Irakkrieg) noch nicht einmal berücksichtigt wurden. |
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| Wasserstoff mittels Grünalgen : |
Trifft Sonnenlicht auf Grünalgen, spalten diese das Wassermolekül und erzeugen mit Hilfe des Enzyms Hydrogenase in einer sauerstoffreien Umgebung Wasserstoff. Inzwischen gelang es Forschern, Grünalgen gentechnisch (patentierte Genalge Stm6) so zu verändern, dass sie deutlich mehr Wasserstoff erzeugen. Laut einer Machbarkeitsstudie könnte beim derzeitigen Stand mittels geeigneter Bioreaktoren Wasserstoff auf einem Preislevel wie etwa Benzin erzeugt werden. Die Serienreife dieses Verfahrens könnte nach Einschätzung von Experten bei konsequenter Forschung & Entwicklung bis etwa 2010 erreicht werden. [FR, 21.04.06] |
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| Wasserstoff aus Erdgas : | Nach Szenarien des Wuppertal-Instituts (s. nächsten Absatz), kann das Stromaufkommen aus regenerativen Energien (REN-Strom) erst bis ca. 2050 soweit erhöht werden, dass genügend Wasserstoff durch Elektrolyse mittels REN-Strom erzeugt werden kann, um nennenswerte Anteile der bisherigen fossilen Treibstoffe durch Wasserstoff zu ersetzen. In der Übergangszeit schlagen sie daher zusätzlich die Erzeugung von Wasserstoff durch Dampfreformierung aus dem fossilen Energieträger Erdgas vor, was insgesamt die Treibhausgas (THG)-Bilanz gegenüber dem jetzigen System der Kraftstoffversorgung verbessert. |
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Bedeutung
von Erdgas als neuer Kraftstoff im Kontext einer nachhaltigen Energieversorgung Wann ist eine Ablösung von Erdgas und anderen alternativen Kraftstoffen durch Wasserstoff energetisch und ökologisch sinnvoll - welche Funktion kann Erdgas für den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft spielen? Diese Fragen untersuchte das Wuppertal-Institut im Jahr 2003 im Auftrag der Gaswirtschaft. Speziell im Kapitel 5 (S.15-19) der Studie werden Szenarien zur Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft mittels Energiemix aus regenerativen Energien (REN-Strom) und Erdgas entwickelt und ganzheitlich bewertet, wobei die Energieeffizienz und die Treibhausgas (THG)-Bilanz die entscheidenden Kriterien darstellen. Kurzfassung der Studie/ Download [pdf/ 1,88MB/ 34S; erdgasfahrzeuge] Weitere Infos: www.erdgasfahrzeuge.de |
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 Aktuelles/ Archiv |
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| Presse-/ Online-Medien Datenbank |
Der Presse-/Medienspiegel (Tages-, Wochenzeitungen, Monatszeitschriften und Online-Medien sowie Infos aus Newslettern) bieten vielfältige aktuelle und Hintergrund-Informationen. | |||||||||
Jahrgang: |
2004 2005 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 |
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| Infografiken |
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Globus 7301-17.09.01 Bezug/Großansicht/ Daten vorübergehend in der Globus-Galerie |
Infografik: Strom aus der Brennstoffzelle. Energiequelle der Zukunft? Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie aus einem Brennstoff in elektrischen Strom und Wärme um. Der linke Teil der Grafik erläutert und veranschaulicht die komplizierten Abläufe in einer Brennstoffzelle in 5 Schritten von der Einleitung des Brennstoffs über die Trennung von Elektronen und Protonen bis zur Oxidation der Ionen unter Abgabe von Wärme bei gleichzeitigem Fließen von Elektronen (elektrischer Strom). Der rechte Teil der Grafik zeigt die Hintereinanderschaltung von mehreren Brennstoffzellen zu Zellstapeln ("Stacks") zur Erhöhung der Energieausbeute. Im unteren Teil der Grafik werden stichwortartig die Einsatzbereiche der Brennstoffzelle gelistet. => Daten der Infografik / Großansicht/ Bezug |
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| Infografik:
Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle Brennstoffzellen erzeugen aus Erdgas oder Wasserstoff unter Einsatz eines Katalysators (Platin) elektrischen Strom und Wärme, die aus der Oxidation von Wasserstoff (chemische Reaktion: H2+O -> H2O) resultiert. Eine anschauliche Animation (Flash) zu den internen Abläufen in einer Brennstoffzelle bietet die Initiative Brennstoffzelle (IBZ) |
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AFP-20050727-DE03 |
Infografik: Aus Gas wird Strom Der obere Teil der AFP-Grafik erklärt die Funktionsweise einer Brennstoffzelle vereinfacht in ihren wesentlichen Aspekten: Bei der Reaktion von Wasserstoff von der Anode (+) mit Sauerstoff von der Kathode (-) entsteht Wasserdampf, Wärme und Strom. Der untere Teil der Grafik zeigt im Schema den Aufbau einer Anlage zur Energieerzeugung mit hintereinandergeschalteten Brennstoffzellen (Stapel, stack): Im Reformer wird aus Erdgas Wasserstoff gewonnen, der im Brennstoffzellenstapel mit Sauerstoff reagiert unter Abgabe von Wärme und Gleichstrom, der dann mit einem Konverter in Wechselstrom gewandelt wird. Angaben aus AFP-Grafik / Quelle: Initiative Brennstoffzelle (IBZ) |
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| interne Links |
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| Lexikon: | Erneuerbare Energien Treibhausgase | |||||||||
| Agenda 21 Themen: | Energie Klima | |||||||||
| externe Links |
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| Lexikon |
Systematische, gutstrukturierte ergiebige Darstellung der Brennstoffzelle mit zahlreichen internen und externen Links Lexikon: Brennstoffzelle [Wikipedia] Wikipedia ist eine sogenannte "freie Enzyklopädie": sie wird kostenlos erstellt und gewartet durch Interessierte im Internet. Die Nutzung ist ebenfalls kostenlos. Unter bestimmten Bedingungen (u.a. Nennung der Quelle) dürfen die Inhalte auch in die eigene Website übernommen werden. |
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Die "Initiative Brennstoffzelle" (IBZ) hat ein Infoportal zu diesem Thema eingerichtet. Das Projekt entstand in Kooperation mit der Zeitschrift "bild
der wissenschaft". Die Informations- und Serviceangebote richten sich ebenso an Techniker und Wissenschaftler wie an den interessierten Laien. www.initiative-brennstoffzelle.de |
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Kompetenz-Netzwerk Brennstoffzelle NRW |
Landesinitiative Zukunftsenergien: Brennstoffzellen Um die vielfältigen Aktivitäten im Bereich der Brennstoffzellentechnik zu verstärken und zu bündeln, hat das Land im Rahmen der Landesinitiative Zukunftsenergien im April 2000 das Kompetenz-Netzwerk Brennstoffzelle NRW ins Leben gerufen. Das Netzwerk zählt z.Z. 90 Unternehmen und Institute aus NRW. NRW wird als Produktionsstätte für Brennstoffzellen weiter ausgebaut werden. Ein erster wichtiger Schritt ist die Einweihung der Stack-Produktion der Firma ZeTeK am 8.3.01 in Köln. |
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 Hausenergiesysteme
mit Brennstoffzellen: Strom und Wärme aus dem Keller Wenn auch erste Praxistests von Brennstoffzellen-Heizgeräten auf eine baldige Markteinführung hindeuten mögen, so sind die meisten beteiligten Unternehmen eher vorsichtig: die Einführung einer komplett neuen Energieversorgungstechnik will gut vorbereitet sein. Das BINE-Projekt-Info zeigt den Entwicklungsstand der noch jungen Hausenergietechnik und bietet eine Übersicht zu den aktuellen Entwicklungslinien. BINE rechnet mit einer Markteinführung Ende des Jahrzehnts. Weitere Infos [BINE, 9.9.04] Download des Infos [pdf, 332 KB, 4 S., BINE] |
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| Brennstoffzellen BZM- Magazin www. b-z-m.de 1.6.2002 |
Das BZM-Brennstoffzellen Magazin, das in der Henrich Publikationen GmbH erscheint, berichtet über Neuentwicklungen auf dem Feld der innovativen Energietechnik. Es informiert über Themen rund um die Wasserstoffwirtschaft und portable und stationäre Brennstoffzellen. Das Magazin ist auch im Abonnement erhältlich. Probeexemplar und Info unter Tel. 0 81 05 /38 53 - 11, www. b-z-m.de |
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| Unterrichtsmaterialien (UM) |
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1) Lebendes Lehrbuch:
Regenerative Energien:
Sachinformation, Projekte und Unterrichtsbeispiele zu den Themen: Brennstoffzelle, Dezentrale Energieversorung, Fotovoltaik, Nachwachsende Rohstoffe, Solarthermie, Wasserkraft, Windkraft Konzeption: Natur & Kultur - Institut für ökologische Forschung und Bildung e.V. Infos/ Bezug / Inhaltsverzeichnis/ Einleitung/ Kapitel zur Ansicht Das Lehrbuch startet mit einem Kapitel von Paul Feltes: Brennstoffzellen - oder wie man aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom macht Stichworte aus dem Inhalt: Darstellung des Schülerübungssets: Elektrolyseur, Photovoltaik-Modul, Brennstoffzelle, Messbox; Plexikglasfahrzeug mit reversibler Brennstoffzelle. Bau einer Solartankstelle; Geschichte der Brennstoffzelle; Funktionsprinzip der Brennstoffzelle; Energieausbeute/ Messungen von Strom u. Spannung; Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle; Beschreibung von Unterrichtsmaterialien; verschiedene Brennstoffzelltypen; Referenzen; kommentierte Internetadressen. |
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Forschung-Aktuell: Brennstoffzelle |
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| Literatur |
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 Online-Bestellung bei Libri.de => Erneuerbare Energien => Brennstoffzelle => nachwachsende Rohstoffe |
Karl-Heinz Tetzlaff: Bio-Wasserstoff - Eine Strategie zur Befreiung aus der selbstverschuldeten Abhängigkeit vom Öl, BoD Verlag, Norderstedt 2005, ISBN 3-8334-2616-0, 448 Seiten, 121 Abbildungen, 63 Tabellen, 142 Literaturzitate, 44,50 EUR. Online-Bestellung bei Libri.de Um die jetzige Abhängigkeit vom Erdöl zu mindern, empfiehlt Tetzlaff den massiven Einsatz von Brennstoffzellen, betrieben mit Wasserstoff gewonnen aus Biomasse. Diese Art der Energiegewinnung "direkt vom Acker" sei nur etwa halb so teuer wie die aus Erdöl, so die Berechnungen Tetzlaffs, wobei die positiven Effekte für den Klimaschutz (Vermeidung von Treibhausgasen) und aus der verringerten Gefahr von Konflikten um knappe Rohstoffe (wie z.B. beim Irakkrieg) noch nicht einmal berücksichtigt wurden. Das Buch versteht sich einerseits als "technische Gebrauchsanweisung" zur Umsetzung einer umfassenden Solarwirtschaft, setzt sich andererseits aber auch mit den Hemmnissen bei der Umsetzung in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft auseinander, wobei insbesondere Fehlentwicklungen und das Versagen von Eliten angeprangert werden. Durch einbezogenes „Insiderwissen“ (Tetzlaff war als Ingenieur in der industriellen Forschung und Entwicklung tätig) liest sich das Buch streckenweise spannend wie ein Krimi. Es wendet sich in erster Linie an den technisch interessierten Laien, Energieexperten werden vom umfangreichen technischen Anhang profitieren. Infos, Inhaltsverzeichnis, Leseprobe [bio-wasserstoff.de, Website des Autors] |
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| Stand: |
=> Energie |
 
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