Skip to main content

Durch unsere Beschäftigung mit Klimafragen erscheint uns das Projekt von Johann Stoll berichtenswert. Johann belegte bei dem Wettbewerb “Brennstoffzelle und Wasserstofftechnologie” den 2. Platz, wir gratulieren!

Rudolf Steiner Schule Nienstedten

Projekt zum Wettbewerb „Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie”

Johann N. Stoll

30.5.2008

INHALT

Der Beginn…………………………………………………………………. 3

Eingesendete Idee………………………………………………………….. 3

Über die Brennstoffzelle…………………………………………………… 4

Umsetzung und Probleme…………………………………………………. 5

Wie versorge ich alle Zellen mit genügend Wasserstoff?…………………. 7

Überlegung einer neuen Präsentationsmöglichkeit…………………………. 8

Bau des Leuchtturms………………………………………………………. 8

Bilder zur Entstehung des Leuchtturms…………………………………… 10

Ein letzter Kommentar…………………………………………………… 13

Übersicht zu dem Projekt

Der Beginn:

An meiner Schule ist es üblich, in der 11.Klasse eine „Studienarbeit” zu erarbeiten, bei der man sich ein gutes halbes Jahr mit einem selbstgewählten Thema beschäftigt.

Im Rahmen dieser Studienarbeit  beschloss ich, an dem Wettbewerb „Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie”, veranstaltet von E.ON-Hanse und der Stadt Hamburg, teilzunehmen.

Ich begann nun, Ideen für das Projekt zu sammeln. Da ich bis auf kleinere Hilfen von außen auf mich allein gestellt war, dachte ich an eine eher „künstlerische” Umsetzung des Vorhabens.

Ideen hierzu waren zum Beispiel:

Das Entwerfen einer chemischen/physikalischen Kettenreaktion,  der Bau eines Vehikels, wie einem Boot oder auch ein Fahrzeug, Überlegungen zur besseren Wasserstoffgewinnung.

Beworben habe ich mich schließlich mit der Idee, eine mit Brennstoffzellenenergie betriebene Modelllandschaft zu bauen, in der verschiedene Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle demonstriert werden.

Eingesendete Idee:

Projekttitel: Energieversorgung einer Miniatursiedlung mit dörflichem Charakter mittels Brennstoffzelle

Beschreibung: Mit Hilfe der Brennstoffzelle plane ich, eine Miniatursiedlung mit Energie zu versorgen.

In dieser sollen sich möglichst verschiedene Formen des alltäglichen Energiebedarfs wieder finden: Haus- und Straßenbeleuchtung, Aufheizung von Wasser (Indikatoren sollen Erwärmung anzeigen) sowie sich bewegende Objekte, Zentrum des Ganzen soll das “Brennstoffzellenkraftwerk” sein.

Der Energieverbrauch dieser Siedlung soll regulierbar sein.

Das Problem hierbei ist die gleichzeitige Versorgung mehrerer Verbrauchsstellen mit ausreichend Energie, was ja auch in der Realität eines der größten Probleme der Brennstoffzelle darstellt. Außerdem sollte die Energie, die für die Elektrolyse zur Wasserstoffgewinnung benötigt wird, nicht ausschließlich aus der Steckdose entnommen werden, sondern nach Möglichkeit mittels umweltschonender Quellen (Windkraft oder Solarzelle) gewonnen werden.

Dieses Projekt würde ich im Rahmen der an meiner Schule geforderten Studienarbeit im Mai 2008 der Schule und allen Interessierten präsentieren sowie eine schriftliche/ grafische Ausarbeitung vorlegen.

Mit diesem Vorschlag erhielt ich sehr zu meiner Freude am 27.11.2007 ein Brennstoffzellen-Set.

Bei meinen ersten Versuchen mit der Brennstoffzelle war ich erstaunt über die geringe Leistung.

Ich habe mich dann mit der Funktion, den Möglichkeiten und Verbesserungsmöglichkeiten beschäftigt, wie zum Beispiel: hohe Wasserstoffzufuhr durch eine HCl und Zink Reaktion, Versorgung der Zellen mit reinem Sauerstoff im Unterschied zu Luftsauerstoff, Zellenversorgung mit höherem Gasdruck durch verschließen der Abwege.

Über die Brennstoffzelle:

Die Brennstoffzelle gewinnt ihre Energie aus einer „kalten Verbrennung” von Sauerstoff und Wasserstoff. Bei dieser „Verbrennung” wird elektrischer Strom anstelle von Wärme produziert. Damit eine Brennstoffzelle läuft, muss ihr kontinuierlich Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft zugeführt werden.

Der Effekt der Brennstoffzelle wurde erstmals 1838 von dem Professor Schönbein an der Universität Basel bei Versuchen mit Sauerstoff und Wasserstoff entdeckt. Kurze Zeit darauf entwickelte der Brite William Grove die erste funktionsfähige Brennstoffzelle.

Sie wirkt folgendermaßen: An der Anode (in der Graphik links) werden Wasserstoffmoleküle in Atome aufgespalten, die dann sofort ihre Elektronen in die Anode abgeben, von wo sie durch den Stromkreis gelangen und dort den Strom bilden (Graphik: oben, grauer Draht)

Die nun übrig gebliebenen Wasserstoff Atome sind durch das Fehlen ihrer Elektronen positiv geladen und können in Form von Wasserstoff-Ionen durch den Elektrolyten (in der Graphik mittig, gelb) zum Sauerstoff wandern.

Hier verbinden sich Wasserstoff und Sauerstoff und es entsteht das Endprodukt Wasser.

 

Abbildung 1 : Funktionsschema der Brennstoffzelle

Quelle: www.chempage.de

Bereits 1894 erkannte Wilhelm Ostwald die Vorteile der direkten Energieumwandlung durch Brennstoffzellen durch deren hohe Wirkungsgrade und Umweltverträglichkeit:

“Kein Rauch, kein Ruß, [....], ja kein Feuer mehr.”

Umsetzung und Probleme

Bei der Umsetzung kam es anfangs für mich zu vielen Problemen. Die gravierensten waren:

Ÿ  Die Leistung der Zellen waren viel zu gering, um damit auch nur eine Glühbirne zum Leuchten zu bringen.

Ÿ  Ebenfalls zu gering war die Leistung der Methanolzelle.

Um das erste Problem zu lösen, erkundigte ich mich bei dem Hersteller der Zellen, der Firma HelioCentris, nach zusätzlichen Zellen. Ich erwarb 5 Zellen zu einem sehr entgegenkommenden Preis. Bei dem Besuch des Sitzes des Unternehmens in Hamburg, Hauptsitz ist Berlin, erfuhr ich noch vieles Wissenswertes über die Funktion der Zellen und die Perspektiven der Wasserstofftechnologie. So konnte ich auch die Methanol Zelle mit einigen kleinen Kniffen, wie dem befeuchten der Sauerstoffseite der Zelle mit Methanollösung, zum Laufen bringen, was mir vorher nicht gelungen war.

Ich konnte die Methanolzelle aber leider auf Grund ihrer minimalen Leistung, ca. 1/25 der Wasserstoffbrennstoffzelle, nicht in mein Projekt einbeziehen.

Es gelang mir, durch Reihenschaltung der Zellen ihre Energie zu bündeln.

Wie versorge ich alle Zellen mit genügend Wasserstoff?

Nachdem ich genug Zellen für eine ausreichende Leistung beisammen hatte, stellte sich gleich das nächste Problem: Wie versorge ich alle diese Zellen gleichzeitig mit genügend Wasserstoff?

Als Lösung stellte ich mir einen Gasspeicher vor. Ich überlegte lange, wie denn ein solcher nicht nur in meinem Kopf, sondern auch nach den Gesetzen der Physik und meinen bescheidenen zur Verfügung stehenden Mitteln zu konstruieren sei. Die folgende Abbildung ist ein Modell, welches noch in der Planungsphase für den Speicher entstand.

Nach diesem Modell habe ich den Wasserstoffspeicher gebaut.

 

Abbildung 2: Modell eines Wasserstoffspeichers

Beschreibung des Modells:

Ein unter Wasser fixiertes Glas soll über einen Schlauch mit Wasserstoff befüllt werden können. Oben an diesem Glas soll sich eine regulierbare Öffnung befinden, mit der man den Wasserstoff abzapfen kann. Das ganze steht unter Wasser, damit man den Wasserstoff einfangen kann und damit ein gewisser Druck das Ablassen unterstützt.

Überlegung einer neuen Präsentationsmöglichkeit

Als ich genügend Wasserstoff zum Betreiben der sechs Zellen zur Verfügung hatte (die siebte Zelle funktionierte schon bald nicht mehr), stellte ich fest, dass trotz der zusätzlichen Zellen die Energie für eine ganze Modelllandschaft nicht ausreichen wird. So überlegte ich mir neue Präsentationsmöglichkeiten. Zum Beispiel:

Figuren, die sich mit geringem Impuls nach Art von Mobiles lange Zeit in Bewegung halten und z.B. als Vogelscheuchen oder Gartenfiguren hätten einsetzen lassen, oder ein Boot, das nach ähnlichem Prinzip wie eine Fähre pendelt oder auch ein „begleistes” Flugzeug, wie ich es später bei dem sehr interessanten und nett gestalteten Besuch auf dem Hamburger Flughafen im Rahmen des Wettbewerbs gesehen habe. Noch eine Möglichkeit wäre das Auslösen von Effekten, die eine kleine Szenerie bilden.

Ich entschied mich für einen autonom betriebenen Leuchtturm, um der angegebenen Idee der Modelllandschaft nahe zu bleiben.

Dieser sollte so angelegt sein, dass er tagsüber durch Solarzellen Energie produziert und in Form von Wasserstoff speichert.

Nachts soll er dann von dieser gespeicherten Energie betrieben werden.

Bau des Leuchtturmes

Ich begann als erstes mit dem Bau einer Insel, auf der der Leuchtturm später stehen sollte. Diese habe ich aus Pappmachée, gestützt durch ein Drahtgestell aus Kükendraht kreiert (siehe Abb. 4).

Ein Rohrstück wurde zum Bau des Turmes verwendet (siehe Abb. 5).

Ursprünglich plante ich, mit kleinen Elektromotoren das Licht des Leuchtturms zu drehen. Das Problem hierbei war, dass sich die Motoren mit einer Drehzahl von über 1400 Umdrehungen pro Minute drehten. Ich überlegte mir, die Drehzahl zu verringern, indem ich die Drehung auf größere Zahnräder übersetzen wollte.

Diese Idee war, wie ich feststellen musste, nur sehr schwer umzusetzen, da es schwer war, an die passenden Zahnräder zu kommen und auch die Konstruktion schwierig war. Nach dem Besuch etlicher Modellbauläden geriet ich schließlich an das Unternehmen Conrad in Wandsbek. Auch hier war es trotz mehrerer Fachberater schwierig, an geeignetes und zugleich bezahlbares Material zu kommen. Schließlich fand ich einen Bastler und Konstrukteur, der mir beim Lösen des Problems helfen konnte. Er empfahl mir einen Motor, der sich in 2sek einmal dreht und mit einer Spannung von 3,5 Volt arbeitet. Er gab mir auch Anregungen für die Konstruktion des Leuchtturmes.

Als Leuchtmittel probierte ich verschiedene Glühbirnen aus. Hier eine Auswahl der erprobten Glühbirnen: 2,2V/0,47A; 2,4V/0,6A; 2,2V/0,25A; 6V/0,6A; 2,2/0,18A; 1,2V/0,22A; 1,5V/0,08A. Die meisten der ausprobierten Glühbirnen ließen sich nur kurz zum Aufleuchten bringen, da die Zellen der geforderten Leistung nur kurz nachkamen. Ich entschied mich dann für die 1,5V/0,08A Glühbirne, da diese gut mit den drei Brennstoffzellen, die für die Stromversorgung der Glühbirne zur Verfügung stehen, zum Leuchten gebracht werden kann. Die weiteren drei Brennstoffzellen werden zur Stromversorgung der Drehscheibe benötigt.

Eine zusätzliche Schwierigkeit bestand darin, den Leuchtturm so zu bauen, dass Funktion und Optik in dem Leuchtturm vereinbar waren. So mussten die Drehscheibe und die Glühbirne hineinpassen. Außerdem sollte der Leuchtturm gut handhabbar sein, das heißt er sollte leicht für Veränderungen, Umbauten oder Reparaturen zugänglich sein.

Im Leuchtturm brachte ich eine Plattform an, auf die der Motor befestigt wurde. Anschließend wurden Kabel an den Motor angeschlossen und ich begann mit der Konstruktion einer Drehscheibe, die für das „Drehen” (eigentlich dreht sich ja die Scheibe und nicht das Licht) des Lichtes verantwortlich ist. Die Drehscheibe besteht aus einer runden Scheibe mit kegelförmigen Aufsatz, der an einer Seite eine Lücke für das Licht freilässt.

Von innen habe ich die Drehscheibe mit reflektierendem Aluminium ausgekleidet.

Die Glühbirne wurde an einer Drahtkonstruktion befestigt, die sich unter dem Dach befindet.

An die Glühbirne wurden Kabel zur Energieversorgung angelötet.

Zu guter letzt habe ich den Motor und die Glühbirne an die Brennstoffzellen angeschlossen.

Fast im Arbeitsaufwand unterschätzt hätte ich die vielen Arbeiten, die zur Dekoration und Verschönerung der Insel nötig waren.

Bilder zur Entstehung des Leuchtturms:

 

Dies ist der fertig gestellte Wasserstoffspeicher. In die unter Wasser liegende „Gasglocke” (hier dient dazu eine halbe PET Flasche) wird über einen Schlauch Wasserstoff gelassen. Über einen Schlauch an der Oberseite der Glocke kann dieses Gas nun wieder entnommen werden.

1 Über diesen Schlauch wird der Wasserstoff in den Speicher geführt.

2 Die „Gasglocke”. In diesem Behälter wird das Gas gespeichert.

3 Über diesen Schlauch kann das gespeicherte Gas wieder abgelassen werden.

4 Eine regulierbare Klemme. Über sie lässt sich die Menge pro Zeit bestimmen, die an Gas benötigt wird.

(Anmerkung: Der Kükendraht oberhalb des Speichers hält, ganz im Sinne der vorgeschriebenen professionellen Umsetzung des Projektes, die Glocke unter Wasser).

Abbildung 3 : Der Wasserstoffspeicher

„Und die Insel war noch wüst und leer”. Der Pappmachée- Rohbau.

Abbildung 4: Rohbau der Insel

Aus diesem Rohrstück wurde der Leuchtturm gefertigt. Auf der Platte in der Mitte des Turmes wurde später der Motor fixiert.

Abbildung 5 : Rohbau des Leuchtturms

Hier ist der Leuchtturm bereits fast fertig modelliert. Allerdings ist er noch hohl. Es fehlt ihm bisher das Innenleben.

Abbildung 6 : Insel mit Leuchtturm

 

Abbildung 7 :Der funktionsfähige Leuchtturm

Viele technische Probleme später: Der Leuchtturm ist nun einsatzbereit! Links sieht man die Technik mit Elektrolyseur, Wasserstoffspeicher und, etwas verdeckt vom Messgerät, die Brennstoffzellen.

„Der Leuchtturm bei Nacht”. In diesem Bild wird der Leuchtturm im Dunkeln betrieben.

Abbildung 8 : „Der Leuchtturm bei Nacht”

 

Abbildung 9 : Der Leuchtturm aus Sicht der „Schiffer”.

So sehen die Schiffer den Leuchtturm. An diesem Punkt endete meine Arbeit an dem Projekt.

Ein letzter Kommentar:

Da ich nun, dank der mir zur Verfügung gestellten Mittel, die Brennstoffzellentechnologie etwas näher kennen lernen durfte, wage ich zum Schluss ein kleines Resumé:

Neben allen finanziellen, Wirkungsgrad- und Kompaktheits- Fragen ist aus meiner Sicht am ehesten entscheidend, wie man ohne großen Energieaufwand wirtschaftliche Mengen Wasserstoff gewinnen kann.

Die Möglichkeit, durch Elektrolyse Wasserstoff zu gewinnen ist, so wie ich sie kennen gelernt habe, nicht sonderlich effizient.

Sollte es gelingen, auf anderem Wege zu größeren Mengen Wasserstoff zu kommen, wie es derzeit beispielsweise mit Hilfe von Bakterien versucht wird, ist die Brennstoffzelle allerdings eine sehr zukunftsfähige Energiequelle, oder auch ein zukunftsfähiger Energiespeicher, der sich auf Grund seines hohen Wirkungsgrades durchsetzen wird.

Es könnte also das eintreten, was Jules Verne bereits 1874 prophezeite:

Mit Wasser, jedoch zersetzt in seine chemischen Elemente und das zweifelsohne durch Elektrizität. Ich glaube, dass eines Tages Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen sich Wasser zusammensetzt, allein oder gemeinsam verwendet, eine unerschöpfliche Quelle von Wärme und Licht bilden werden, stärker als Steinkohle.”