Solar-Wasserstofftechnologie

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
- Raumfahrt