Feinstaubplakette war gestern |
 | | Quelle: Wikipedia, Autor: Gereon Meyer |
Juli 2048: Es war wieder ein sonniger und heißer Tag in der Stadt. Der Asphalt der Straßen strahlt die Wärme noch spürbar ab. Jonas hat trotzdem die späten Abendstunden genutzt, um noch eine Runde um den Block zu joggen. Vor einigen Jahren wäre das noch nicht möglich gewesen. Jonas ist Asthmatiker und die früher vor allem durch Autos entstandenen hohen Ozon- und Feinstaubwerte in der Stadt haben ihm das Joggen im Sommer quasi unmöglich gemacht. Die Lautstärke seines iPod femto hat er ein bisschen heruntergeregelt. Es ist deutlich leiser geworden, seit die meisten Autos elektrobetrieben fahren. |
|
| Frage 1 (Klassenstufe 7-11) |
|
|
|
Elektromobilität ist eine große Idee. Es geht darum, unsere Autos zukünftig mit Strom fahren zu lassen statt mit Benzin oder Diesel. 1 Million Autos sollen bis 2020 auf Deutschlands Straßen fahren – so das Ziel der Bundesregierung.
Woher bekommt das Auto seinen Strom? Schließlich können wir nicht über alle Straßen Leitungsnetze spannen und Stromabnehmer an die Autos basteln. Der Stromspender muss also mobil sein und in das Auto gepackt werden. Hier gibt es verschiedene Ansätze: Manche Forschungsgruppen machen sich zum Beispiel daran, Batterien wie Li-Ionen-Akkus oder den Bleiakku leistungsfähiger zu machen. Andere setzen auf die Brennstoffzelle für den Antrieb. Auch Doppelschichtkondensatoren sind in der Diskussion, zumindest als Ergänzung.
Bis batterie- oder brennstoffzellenbetriebene Autos wirklich maßgeblich das Bild unserer Städte beeinflussen, sind noch einige Probleme zu überwinden. Welche Eigenschaften muss eine Batterie oder eine Brennstoffzelle idealerweise besitzen, damit sie sich als Antrieb für ein Auto eignet? |
|
| Nenne 4 Eigenschaften, die eine Batterie (oder Brennstoffzelle), die ein Auto antreiben soll, erfüllen sollte. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
siehe unten
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Lösung: |
mögliche Antworten:
leicht, sonst wird das Auto alleine durch die Batterie schon zu schwer
kleines Volumen, schließlich will man noch etwas in den Kofferraum packen können
kältetolerant (muss auch im Winter funktionieren)
hohe Energiedichte, damit das Auto damit möglichst weit fährt
Sicherheit (z.B. bei Wasserstofftanks problematisch)
gute Bilanz des Speichermediums,
niedrige Materialkosten (Li z.B. ist vergleichsweise teuer)
Verfügbarkeit der Rohstoffe
bei Batterie hohe Recycelbarkeit, also möglichst oft wiederaufladbar
hohe Lebensdauer
|
|
|
| Zusatzfrage (Klassenstufe 8-11) |
|
|
|
| Autos sollen also mit Batterien oder Brennstoffzellen elektrisch betrieben werden. Was aber unterscheidet eine Batterie von einer Brennstoffzelle und wie stellt ein Kondensator seine Ladung bereit? |
|
Ordnet den folgenden Beschreibungen die Begriffe Batterie (Akku), Brennstoffzelle und Kondensator zu.
A) Hier wandelt man die in Speicherstoffen (in Form von chemischen Bindungen) gespeicherte Energie direkt in Elektrizität um (nicht etwa wie in Kraftwerken, wo diese Stoffe zunächst verbrannt, also in Wäremenergie umgewandelt, werden, um damit Generatoren anzutreiben). Ist das Speichermedium verbraucht, muss es nachgefüllt werden, es ist aber (im Gegensatz zu B) ein kontinuierlicher Betrieb möglich. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
Brennstoffzelle
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| B) Die energieliefernde Reaktion (Entladung) besteht aus zwei räumlich getrennten, aber miteinander gekoppelten Teilreaktionen, den Elektrodenreaktionen.
Es handelt sich um einen elektrochemischen Energiespeicher, in dem chemische Energie in elektrische umgewandelt wird. Ist der Energiespeicher verbraucht, muss (wenn die Reaktion reversibel ist), wieder aufgeladen werden. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
Batterie
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| C) Die gespeicherte Energie besteht bei diesem Speicher aus getrennten Ladungen (Ladungsspeicherung) zwischen zwei Elektroden mit hoher Oberfläche. Diese hat den Vorteil, besonders schnell abrufbar zu sein, allerdings gibt es nicht unerhebliche Verluste durch Selbstentladung. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
Kondensator
|
|
|
| Zusatzfrage (Klassenstufe 9-11) |
|
|
|
Schauen wir uns die Brennstoffzelle einmal genauer an. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen. Sie alle benutzen ein Speichermedium (chemische Energie), das durch Elektrodenreaktionen in elektrische Energie umgewandelt wird.
Als Speichermoleküle für Brennstoffzellen bieten sich unter anderem die folgenden 5 Stoffe an:
Wasserstoff
Methan
höhere Kohlenwasserstoffe wie etwa Diesel
Ethanol
Methanol |
|
Ordnet die folgenden Beschreibungen zu Herstellungsarten, Problemen, Energieeffizienzen... den fünf genannten Speicherstoffen zu:
... besitzt einen hohen Energiegehalt, das einzige Verbrennungsprodukt ist Wasser. Der Stoff ist ungiftig und geruchlos. ABER: weil der Stoff bei Zimmertemperatur gasförmig ist, besitzt er eine schlechte „volumetrische Speicherdichte“. Wenn man ihn verflüssigt, wird die Gesamtenergiebilanz deutlich schlechter. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
Wasserstoff
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Bei diesem Stoff ist die Infrastruktur schon vorhanden. Man kann ihn synthetisch mit dem Fischer-Tropsch-Prozess herstellen, oder direkt aus Biomasse. Er ist in Festkörper-Brennstoffzellen (SOFC) einsetzbar. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
(synthetischer) Dieselkraftstoff
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Dieser Alkohol ist wie der vorhergehende Stoff aus Synthesegas herstellbar, allerdings ist die Energiebilanz schlechter. Auch eine Infrastruktur ist noch nicht vorhanden. Für kleinere Anwendungen gibt es aber schon Brennstoffzellen (DMFC), die diesen Stoff zur Energiegewinnung nutzen. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
Methanol
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Dieses Gas ist am besten herstellbar über die anaerobe Vergärung von Biomasse. Eine Infrastruktur ist durch das Erdgasnetz in Deutschland schon vorhanden. Es ist vielfältig nutzbar, schnell zu mobilisieren und in elektrische Energie umzuwandeln. Aber der Stoff hat auch Nachteile, allen voran ein hohes Treibhausgaspotenzial. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
Methan
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Unter günstigen klimatischen Bedingungen ist dieser Alkohol ein hervorragendes Speichermolekül, z. B. in Brasilien, allerdings nicht in Europa und Nordamerika. Die Nutzung in Brennstoffzellen steckt noch in den Kinderschuhen. |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
Ethanol
|
|
|
| Zusatzfrage (Klassenstufe 10-11) |
|
|
|
Die Batterie
Eine Batterie hat auch heute schon ein jedes Auto: den „Bleiakku“: Es gibt auch Ansätze, dass man den Bleiakkumulator durch einige Verbesserungen als alleinige elektrochemische Antriebsquelle nutzen könnte. Ob dieser Ansatz vielversprechend ist, sei dahingestellt, aber es ist auf jeden Fall eine gute Überleitung für eine Frage in einem Schülerwettbewerb....
Vereinfacht sieht der Aufbau einer Autobatterie so aus:
Im geladenen Zustand gibt es eine Blei- und eine Bleidioxid-Elektrode in 20%iger Schwefelsäure. An der Blei-Elektrode wird beim Entladen Blei (Pb) zu Pb2+ oxidiert, an der PbO2 (Bleidioxid)-Elektrode wird Pb4+ zu Pb2+ reduziert. An beiden Elektroden gehen also Pb2+-Ionen in Lösung, die mit den Sulfat-Ionen aus der Schwefelsäure Bleisulfat bilden. Die Gesamtreaktion lautet:
Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- -> 2PbSO4 + 2 H2O
Beim Wiederaufladen werden Plus- und Minuspol vertauscht und die Reaktion läuft umgekehrt ab.
|
|
| Schauen wir uns einmal nur die energieliefernde Reaktion, die Entladung an.
Kreuzt alle Stichworte und (Teil-)Reaktionsgleichungen an, die dann zum Stichwort Anode gehören. (1 Fehler ist erlaubt)
|
|
Oxidation
Minuspol
Reduktion
Elektronenmangel
Elektronenüberschuss
Pb2+ +2e- -> Pb
Pb -> Pb2+ +2e-
|
|
| Lösung: |
Richtig sind:
Oxidation
Minuspol
Elektronenüberschuss
Pb -> Pb 2+
|
|
|
| Zusatzfrage (Klassenstufe 11) |
|
|
|
|
|
| Ist der pH-Wert im Bleiakku im geladenen oder im ungeladenen Zustand höher? |
|
|
|
|
| Lösung: |
|
Beim Entladen wird Säure verbraucht. Man spricht auch von der geringer werdenden Säuredichte. Je mehr H+-Ionen vorhanden sind, desto saurer ist die Lösung, desto kleiner ist der pH-Wert. Am kleinsten ist der pH-Wert also im voll geladenen Zustand (höchste Säuredichte), er wird immer höher, je mehr die Batterie sich entlädt.
|
|
