Experimente mit erneuerbaren Energiequellen
Im Rahmen des Projekts erhielt Ihre Schule zusätzlich zum RC-Car eine Box, die sich auf Experimente mit erneuerbaren Energiequellen konzentriert. In der Box finden Sie einige Experimente, die Ihnen helfen, die Funktionsweise dieser Ressourcen zu verstehen.
Galvanische Zelle und elektrisches Potential
Warum funktioniert es?
Durch die Kombination zweier unterschiedlicher leitfähiger Materialien (Metall) entsteht eine Potentialdifferenz, die eine elektromotorische Kraft (Urspannung) erzeugt.
Wo es funktioniert?
Wiederaufladbare Batterien (Trockenbatterien), Autobatterien
– begrenzte Lebensdauer, Verwendung umweltschädlicher Schwermetalle
Experiment Nr. 1 – Galvanische Zelle
Hilfsmittel: Salzzelle, Natriumchlorid – NaCl, Kupferplatte
Füllen Sie die mitgelieferte Salzzelle etwa zu zwei Dritteln mit Natriumchloridlösung und setzen Sie dann die Magnesiumanode ein. Verbinden Sie die zusammengebaute Zelle mit Hilfe von Kabeln mit einem beliebigen Verbraucher oder Multimeter, um die Spannung an der Zelle zu messen. Über die Kenntnis des Ohmschen Gesetztes kann die Leistung des Systems bestimmt werden. Probieren Sie nach dem Kennenlernen verschiedene Szenarien aus und entscheiden Sie dann, welche Faktoren die Effizienz der galvanischen Zelle beeinflussen.
a) Elektrolytkonzentration
Vergewissern Sie sich, dass die Zellenspannung von der Salzkonzentration im Elektrolyt abhängt. Při pokusu uvažujte reálné koncentrace, které mohou nastat, pokud by solný článek měl sloužit jako zdroj energie např. říční voda, mořská voda, aj. Die durchschnittliche Salzkonzentration (Salzgehalt) im Meerwasser beträgt etwa 35 g / l. Tragen Sie die gemessenen Werte in die nachfolgende Tabelle ein:
| c (g/l) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| U (mV) | |||||
| P (W) |
b) Elektrolyttemperatur
Vergewissern Sie sich unter Beibehaltung der Elektrolytkonzentration, dass sich die Spannung ändert, wenn die Elektrolyttemperatur angepasst wird. Verwenden Sie die Galvanische Zelle im realen Temperaturbereich (0-60 ° C).
| T (°C) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| U (mV) | |||||
| P (W) |
c) Anodenmaterial
Ersetzen Sie die Magnesiumelektrode durch ein anderes Metall (z. B. Zink, Eisen oder Kupfer) und beobachten Sie, ob sich die Spannung an der Zelle ändert.
Seebeck-Effekt und Peltier-Element
Warum es funktioniert?
Der Temperaturgradient (Differenz) zwischen einem Paar verschiedener Halbleiter erzeugt eine elektromotorische Kraft (Urspannung).
Wo es funktioniert?
Thermoelemente, Thermosysteme für die Elektronik, Rohrleitungsschutz und Raumsonden
– geringerer Wirkungsgrad, schlechte Wärmeableitung - Überhitzung
Experiment Nr. 2 – Seebeck-Effekt
Hilfsmittel: Thermoelement, Alkoholthermometer - 2 Stück, heißes Wasser, Eis
Füllen Sie das mitgelieferte Thermoelement einseitig mit warmem und auf der anderen Seite mit kaltem Wasser. Führen Sie die Thermometer in jede Kammer ein. Schließen Sie wie im vorherigen Experiment die zusammengebaute Zelle mit Drähten an einen beliebigen Verbraucher oder ein beliebiges Multimeter an und zeichnen Sie die Spannung an der Zelle während des Experiments auf. Probieren Sie verschiedene Kombinationen der Wassereintrittstemperaturen aus.
a) Bei welchem minimalen Temperaturgradienten erzeugte die Zelle noch elektrischen Strom / messbare Spannung
b) Wird sich die Zelldauer und der minimale Temperaturgradient ändern, wenn das Experiment mit einem anderen Arbeitsmedium (z. B. Ethanol, Öl) durchgeführt wird?
c) Das Gegenteil des Seebeck- oder thermoelektrischen Effekts ist der Peltier-Effekt. Wenn Strom durch einen Stromkreis mit zwei in Reihe geschalteten Halbleitern fließt, kühlt sich eine der Schnittstellenflächen ab und die andere erwärmt sich. Dies ist beispielsweise in der Elektronik weit verbreitet. Können Sie sagen, warum?
Elektrolyse von Wasser und Eigenschaften von Wasserstoff
Warum es funktioniert?
Bei einer ausreichend hohen Spannung wird das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.
Wo es funktioniert?
Thermoelemente, Thermosysteme für die Elektronik, Rohrleitungsschutz, Raumsonden
– hoher Stromverbrauch
Experiment Nr. 3 – Die Elektrolyse von Wasser
Hilfsmittel: reversibler Elektrolyseur oder eine Brennstoffzelle, eine beliebige Stromquelle, destilliertes Wasser, Spritze, Seifenmischung, Kaminzündhölzer / Spieße
Nach dem Entfernen der Schutzhülle muss zuerst die Membran der Zelle und der Brennstoffzelle angefeuchtet werden. Verwenden Sie zum Befeuchten eine Spritze mit einem Schlauch, der an einer Öffnung an den Seiten der Zelle angebracht ist. Ob die Feuchtigkeit ausreichend ist, erkennt man daran, dass das Wasser aus den Öffnungen an der anderen Seite der Zelle austritt. Es ist nicht erforderlich, die Membran vor jedem Experiment zu benetzen, wenn sie innerhalb einer kürzeren Zeitspanne wiederholt genutzt wird. Bewahren Sie die Zellen nach den Versuchen in verschließbaren Beuteln auf, damit sie nicht austrocknen.
Befestigen Sie den Silikonschlauch an den Öffnungen der angefeuchteten Zelle, so dass ihr Auslass auf jeder Seite nur zu einem der Speichertanks (gekennzeichnet mit H2 a O2) führt. Verschließen Sie die restlichen Löcher mit einem Blindstopfen. Schließen Sie zuerst die wiederaufladbaren Batterien an die zusammengebaute Zelle an, um deren Funktion zu überprüfen. Wenn Sie feststellen, dass die Speichertanks mit Wasserstoff und Sauerstoff gefüllt sind, funktioniert die Zelle und Sie können mit einer komplexeren Kombination von Stromquellen fortfahren.
a) Schreiben Sie die Gleichung der Wasserelektrolyse auf, finden Sie heraus, warum sich der Wasserstofftank schneller füllt?
b) Wie können wir nachweisen, dass das erzeugte Gas tatsächlich Wasserstoff ist? Lösen Sie den Schlauch vom Vorratsbehälter und legen Sie ihn in die Seifenschale. Eine kleine Menge des in den Blasen eingeschlossenen Wasserstoffs kann mit einem Streichholz entzündet werden. Denken Sie daran, dass Wasserstoff ein extrem entflammbares Gas ist. Arbeiten Sie daher immer unter Aufsicht eines Lehrers!
c) Die Elektrolyse von Wasser ist ein sehr energieintensiver Prozess. Wählen Sie aus der mitgelieferten Horizon Energy Box erneuerbare Energiequellen aus, die Ihrer Meinung nach Wasserstoff elektrolytisch erzeugen können. Verbinden Sie die Energiequelle mit der Zelle. Hat eine Methode funktioniert? Wenn ja, vergleichen Sie die Effizienz in Bezug auf die Menge an Wasserstoff, die in einem bestimmten Zeitraum, z.B. 1 Minute, erzeugt werden konnte.
Umwandlung von chemischer in elektrische Energie innerhalb einer PEM Brennstoffzelle
Warum funktioniert es?
Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie der Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion durch die protonenleitende Membran in elektrische Energie um.
Wo es funktioniert?
Siehe Geschichte der Brennstoffzellen
– begrenzte Lebensdauer, Verwendung von Edelmetallen für Katalysatoren - hohe Kosten
Experiment Nr. 4 – Wasserstoff
Hilfsmittel: reversible Brennstoffzelle, Elektrogeräte (max Leistung 3W.), Destilliertes Wasser, Spritze
Wenn Sie das vorherige Experiment abgeschlossen und eine reversible Brennstoffzelle haben, verbinden Sie anstelle der Resssourcen jedes Gerät und die Brennstoffzelle sollte Strom erzeugen.Wenn Sie einen Elektrolyseur verwendet haben, ziehen Sie den Silikonschlauch ab (Vorsicht - er muss verengt sein, um ein Austreten von Gas zu verhindern) und schließen Sie ihn auf ähnliche Weise an die angefeuchtete Brennstoffzelle an (siehe oben). Achten Sie darauf, den richtigen Speichertank an der entsprechend gekennzeichneten Seite der Brennstoffzelle (mit H2 und O2 gekennzeichnet) anzuschließen. Wenn die Brennstoffzelle unmittelbar nach dem Öffnen der Klemme keinen Strom erzeugt, „wecken“ Sie sie durch wiederholtes Drücken auf den Wasserstoffeinlassschlauch.
a) Wählen Sie wie im vorherigen Experiment mindestens 2 Geräte aus der Horizon Energy Box aus und vergleichen Sie die Leistung der Wasserstoff-Brennstoffzelle mit anderen erneuerbaren Quellen. Was sind die Vorteile dieser Technologie?
b) Die Effizienz der Membranprozesse ist temperaturabhängig. Bestimmen Sie, ob sich die Leistung der Brennstoffzelle ändert, wenn Sie sie abkühlen oder leicht erwärmen (z.B. mit einem Föhn). Gleiches gilt für den Elektrolyseur, bei dem wir die Geschwindigkeit der Wasserstoffausscheidung messen.
c) Betrachten Sie 10 ml Wasserstoff, der einen Brennwert von 12 760 kJ/m3 aufweist. Berechnen Sie wie viel kWh sie mit der Verbrennung von 10 ml erreichen können. Anschließend berechnen Sie wie viel kWh sie mit einer 3W-Brennstoffzelle (1Wh=3,6 kJ) erzeugen, indem Sie die chemische Energie von 10 ml Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln.