Frage 3

Frage der Woche

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"Mein Notebook ist Alkoholiker."
Notebook-Computer werden heute (noch) im mobilen Betrieb von Lithium-Ionen-Akkus mit Strom versorgt. Die Energie der Akkus von ca. 60 Wattstunden reicht dabei für ca. 3 Stunden, beim Abspielen von DVD-Videos bestenfalls für einen Film. Die Akkus selbst werden über das Stromnetz geladen und dieses bezieht seine Energie hauptsächlich aus fossilen, aber zunehmend auch aus regenerierbaren Energiequellen. Bei der Erzeugung und dem Transport elektrischer Energie, dem Laden und dem Entladen der Akkus treten Verluste auf. Daher ist der Wirkungsgrad sehr gering.
Frage 1 (Klassenstufe 7-11)
	In Brennstoffzellen kann man chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln. Für mobile Anwendungen und nicht zu große Stromstärken ist die mit dem Alkohol Methanol betriebene Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC = direct methanol fuel cell) bereits von Computerherstellern und unabhängigen Firmen am Markt eingeführt. Über die ganze Brennstoffzelle gesehen, wird dabei Methanol mit Sauerstoff verbrannt ("oxidiert"). Wie lautet die chemische Reaktionsgleichung der Methanoloxidation? Tipp: CH3 OH + ? O2 -> ..... Achtung: Bitte tiefgestellte Zahlen als normalen Text eingeben! Lösung: CH3OH + 1,5 O2 -> CO2 + 2 H2O (2 CH3OH + 3 O2 -> 2 CO2 + 4 H2O wäre auch korrekt) Bei der Verbrennung von Methanol entsteht Kohlendioxid und Wasser (wie bei allen Kraftstoffen). Außerhalb von Brennstoffzellen kann man sehen, dass Methanol mit blauer, fast unsichtbarer Flamme verbrennt. Anmerkung: Die Frage war für die Klassenstufe 7 und 8 nicht leicht, da chemische Formeln zum größten Teil noch unbekannt sein sollten. Dies werden wir bei der Korrektur berücksichtigen.
Frage 2 (Klassenstufe 9-11)
	In der Direkt-Methanol Brennstoffzelle lässt man diese Gesamtreaktion durch eine Membran getrennt an zwei unterschiedlichen Elektroden in Teilen ablaufen. An der Anode wird Methanol mit Wasser "oxidiert", wobei Elektronen und Protonen entstehen. Die Elektronen durchfließen den elektrischen Leiter als Strom und die Protonen wandern in der Brennstoffzelle durch die Membran zur Kathode, wo sie zusammen mit den - nach geleisteter Arbeit - aus dem elektrischen Leiter kommenden Elektronen den Sauerstoff zu Wasser "reduzieren". Welche schematische Darstellung zeigt die richtigen Teilreaktionen an Anode und Kathode für eine Direkt-Methanol Brennstoffzelle? Tipp: Achtet auch auf die Fließrichtung der Protonen und Elektronen. Lösung: (1) ist die richtige schematische Darstellung einer Direkt-Methanol Brennstoffzelle. Alle Informationen aus der Einleitung zu dieser Frage sind in diesem Schema richtig dargestellt. Abbildung 2 ist wegen der falschen Fließrichtung der Elektronen nicht richtig. Abbildung 3 hingegen zeigt auf der rechten Seite eine falsche Reaktionsgleichung, für die man wahrscheinlich einen Nobelpreis erhalten würde, da sie das Kohlendioxidproblem mit einem Schlag lösen würde.
Frage 3 (Klassenstufe 11)
	Wenn die Brennstoffzelle "leer" ist, muss nur der Methanolvorrat aufgefüllt werden, was mit Methanol-Patronen geschehen kann. Ein Liter Methanol, d.h. 790 Gramm, setzt bei der Verbrennung mit Sauerstoff 18 Megajoule (MJ) Energie frei. Eine Methanol-Brennstoffzelle kann davon ca. 25% in elektrische Energie umsetzen. (Eine 10-l-Nachfüllpatrone für etwas größere Brennstoffzellen, z.B. für Notstromaggregate, wird derzeit für 21,99 € im Handel angeboten. Die Nachfüllpatronen für Notebooks müssen natürlich im Westentaschenformat verfügbar sein.) Wie viele Stunden könnte man ein Notebook, das 12 Watt elektrische Leistung braucht, mit einem Liter Methanol betreiben? (Tipp: 1 Joule = 1 Wattsekunde) Lösung: 25% Wirkungsgrad: werden in elektrische Energie gewandelt.