Fuel Cell Box Wettbewerb 2013 – Phase II

Yaren Yücelmis

Zeliha TasciIngeborg-Drewitz-

Gesamtschule Gladbeck

Reiner Schulz (MKULNV), Dr. Thomas Kattenstein (Energieagentur.NRW), Yaren Yücelmis, Guntram Seippel, Zeliha Tasci (IDG), Ake Johnsen (h-tec)

und Volker Lindner (h2-netzwerk-ruhr)

Übergabe der Fuel Cell Box am 8. März 2013 im Revue Palast Ruhr in Herten

Presse

WAZ Gladbeck, 12.03.2013

WAZ Herten, 13.03.2013

1a) Farbcode der Widerstände

http://www.fremo-hemsbach.de/Mc_farbcode_b2.jpg

Die 8 Widerstände sind durch einen Farbcode gekennzeichnet, der mit Hilfe der nebenstehenden Tabelle entziffert werden kann.

1a) Wertetabelle der 8 Messwiderstände

Nr. Farbcode R / +/- 5%

R1 rot - rot - silber - gold 0,22

R2 orange - orange - silber - gold 0,33

R3 braun - grau - gold - gold 1,8

R4 gelb - violett - gold - gold 4,7

R5 orange - orange - schwarz - gold 33

R6 blau - grau - schwarz - gold 68

R7 braun - schwarz - braun - gold 100

R8 orange - orange - braun - gold 330

1a) Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

Reihenschaltung

Rges= R1 + R2 Parallelschaltung1/Rges = 1/R1 + 1/R2

oder auchRges = (R1 x R2) /

(R1 + R2)

Abbildungen und Formeln nach http://www.fairaudio.de/hifi-lexikon-begriffe/elektrotechnische-grundbegriffe.html

Durch Reihen- und/oder Parallelschaltung von Widerständen lässt sich die Anzahl der Widerstandswerte von ursprünglich 8 Widerständen deutlich erhöhen.

1a) Reihen- und/oder Parallelschaltung von 3 Widerständen

1x

1x

3x

3x

Bei insgesamt 3 Widerständen gibt es 8 verschiedene Möglichkeiten.

Zum einen können alle drei Widerstände in Reihe bzw. parallel geschaltet sein, zum anderen sind zwei verschiedene Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltung möglich, wobei jeder der 3 Widerstände „alleine“ stehen kann, so dass diese Versionen je 3mal möglich sind.

1a) Reihen- und/oder Parallelschaltung von 4 Widerständen

1x1x

4x

4x3x

3x

6x

12x

Bei 4 Widerständen ergeben sich durch Reihen- und/oder Parallelschaltungen insgesamt 34 Möglichkeiten.

1) Abhängigkeit der Leerlaufspannung eines Solarmoduls vom EinstrahlwinkelWinkel / ° U/V

0 1,6810 1,9320 2,0830 2,1740 2,2150 2,2560 2,2770 2,2980 2,390 2,32

Winkelabhängigkeit der Leerlaufspannung

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 20 40 60 80 100

Winkel / °

U /

V

Deutlich zu erkennen ist, dass der Einstrahlungswinkel einen nur geringen Einfluss auf die Leerlaufspannung hat. Dies macht deutlich, dass die Spannung primär eine materialabhängige Größe ist.

1) Abhängigkeit des Kurzschlussstroms eines Solarmoduls vom EinstrahlwinkelWinkel / ° I / A

0 0,006410 0,0120 0,0530 0,1140 0,1650 0,260 0,2370 0,2680 0,2890 0,29

Winkelabhängigkeit des Kurzschlussstroms

00,050,1

0,150,2

0,250,3

0,35

0 20 40 60 80 100

Winkel / °

I / A

Hier wird deutlich, dass der Kurzschlussstrom vom Einstrahlungswinkel abhängig ist. Fällt das Licht senkrecht auf das Solarmodul, so können die Lichtstrahlen tiefer in das Solarmodul eindringen und es können mehr Elektronen in dem Modul freigesetzt werden.

1b) Messwerte eines Solarmoduls

MPP

R U/V I/A P/W

Kurzschluss 0 0,47 0

R1 0,17 0,47 0,0799

R2 0,22 0,47 0,1034

R3 0,89 0,46 0,4094

R4 1,97 0,41 0,8077

R5 2,28 0,0569 0,129732

R6 2,3 0,0316 0,07268

R7 2,31 0,022 0,05082

R8 2,32 0,007 0,01624

Leerlauf 2,35 0 0

MPP: Maximum Power Point – Punkt maximaler Leistung

1b) Kennlinie eines Solarmoduls

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5

U/V

I/A

MPP

1b) Leistungskurve eines Solarmoduls

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 0,5 1 1,5 2 2,5

U/V

P/W

MPP

1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Messwerte

MPP

R U/V I/A P/W

Kurzschluss 0 0,85 0

R1 0,26 0,85 0,221

R2 0,3 0,85 0,255

R3 0,32 0,85 0,272

R4 0,41 0,85 0,3485

R5 1,68 0,84 1,4112

R6 3,6 0,73 2,628

R7 4,3 0,0129 0,05547

R8 4,31 0,004 0,01724

Leerlauf 4,35 0 0

1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Kennlinie

-0,10

0,10,20,30,40,50,60,70,80,9

0 1 2 3 4 5U/V

I/A

MPP

1c) Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen - Leistungskurve

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

U/V

P/W

MPP

1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Messwerte

MPP

R U/V I/A P/W

Kurzschluss 0 1,54 0

R1 0,54 1,54 0,8316

R2 0,71 1,52 1,0792

R1+R2 1,09 1,44 1,5696

R3//R4 1,55 1,13 1,7515

R3 1,71 0,9 1,539

R4 2,01 0,41 0,8241

R5 2,18 0,058 0,12644

R6 2,24 0,0318 0,071232

R7 2,27 0,0226 0,051302

R8 2,33 0,0073 0,017009

Leerlauf 2,39 0 0

R1+R2 Reihenschaltung;

R3//R4 Parallelschaltung

1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Kennlinie

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

U/V

I/A

MPP

1d) Parallelschaltung von Solarmodulen - Leistungskurve

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

U/V

P/W

MPP

Kennlinien von Solarmodulen im Vergleich

Gut zu erkennen ist die Erhöhung der Stromstärke durch die Parallelschaltung und die Erhöhung der Spannung durch die Reihenschaltung.

-0,20

0,20,40,60,8

11,21,41,61,8

0 1 2 3 4 5U/V

I/A

Solarmodul

Reihen-undParallelschaltungParallelschaltung

MPPs

Leistungskurven von Solarmodulen im Vergleich

Die größte Leistung wird bei der Reihen- und Parallelschaltung der Solarmodule erreicht: P = 2,628 W, R = 68

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5

U/V

P/W

Solarmodul

Reihen- undParallelschaltungParallelschaltung

MPPs

1e) Ermittlung der optimalen Winkelausrichtung der Windkraftanlage

Abstand 10 cm, R = 4,7

MPP

Winkel / ° U/V I/A P/W0 0,16 0,03 0,004810 0,43 0,09 0,038720 0,68 0,13 0,088430 1,08 0,22 0,237640 1,3 0,25 0,32550 1,6 0,31 0,49660 1,63 0,32 0,521670 1,64 0,33 0,541275 1,68 0,34 0,571280 1,4 0,3 0,4290 0 0 0

1e) Ermittlung der optimalen Winkelausrichtung der Windkraftanlage

Als optimale Ausrichtung zwischen Flügelfläche und Windstrom wurde ein Winkel von etwa 75° ermittelt.

00,10,20,3

0,40,50,60,7

0 20 40 60 80 100

Winkel / °

P/W

MPP

1f) Windkraftanlage - Messwerte

MPP

R U/V I/A P/WKurzschluss 0 0,38 0

R1 0,07 0,37 0,0259R2 0,1 0,37 0,037

R1+R2 0,16 0,36 0,0576R3 0,41 0,36 0,1476

R1+R2+R3 0,62 0,35 0,217R4 1,68 0,34 0,5712

R1+R2+R3+R4 2,1 0,29 0,609R5//R6 4,3 0,18 0,774

R5 4,71 0,14 0,6594R6 5,43 0,07 0,3801R7 6,15 0,04 0,246R8 6,41 0,02 0,1282

Leerlauf 7,7 0 0

1f) Strom-Spannungs-Kennlinie der Windkraftanlage

00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,4

0 2 4 6 8 10

U/V

I/A MPP

1f) Leistungskurve der Windkraftanlage

Die größte Leistung wird mit P = 0,774 W bei der Parallelschaltung der Widerstände R5 und R6 erreicht. R ges (R5//R6) = 22,22

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

0 2 4 6 8 10

U/V

P/W

MPP

1g) Leistung der Windkraftanlage bei unterschiedlichem Abstand

Abstand /cm U/V I/A P/W10 4,3 0,18 0,77420 3,73 0,16 0,596830 3,4 0,14 0,47640 3,15 0,13 0,409550 2,65 0,12 0,31860 2,55 0,11 0,280570 2,42 0,1 0,24280 2,22 0,09 0,199890 2 0,08 0,16

100 1,19 0,01 0,0119

1g) Leistung der Windkraftanlage bei unterschiedlichem Abstand

Man erkennt deutlich die Leistungsabnahme bei zunehmendem Abstand.

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

0 20 40 60 80 100 120

Abstand / cm

P / W

1h) Parallelschaltung der Elektrolyseure - Messwerte

R U/V I/A P/WR1 0,12 0 0R2 0,17 0 0

R1+R2 0,3 0 0R3//R4 0,58 0 0

(R1+R3)//R4 0,64 0 0(R2+R3)//R4 0,68 0 0

vermutet 1,4 0 0(R1+R2+R3)//R4 1,59 0,2 0,318

R3 1,62 0,29 0,4698R4 1,78 0,77 1,3706R5 1,89 1,1 2,079R6 1,89 1,13 2,1357R7 1,9 1,14 2,166R8 1,91 1,15 2,1965

Kabel 1,93 1,16 2,2388

1h) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Strom-Spannungs-Kennlinie

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 0,5 1 1,5 2 2,5

U/V

I/A

Uz = ca. 1,55 V

1i) Reihenschaltung der Elektrolyseure - Messwerte

R U/V I/A P/WR1 0,13 0 0R2 0,17 0 0R3 2,24 0 0

R3//R4 1,61 0 0R1+R2+R3 3,08 0,03 0,0924

R4 3,49 0,43 1,5007R5 3,94 1,04 4,0976R6 3,96 1,1 4,356R7 3,98 1,12 4,4576R8 4 1,15 4,6

ohne 4,01 1,17 4,6917

1i) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Strom-Spannungs-Kennlinie

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

-1 0 1 2 3 4 5

U/V

I/A

Uz = ca. 3,1 V

1j) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Leistung und Zeit

Messwerte Rechnung

U = 1,97 V P = U * I

I = 1,15 A = 1,97 V * 1,15 A

t = 211,36 s = 2,27 W

VH2 = 30 cm³

Ho = 12,745 Ws/cm³

ges.: P

Die elektrische Leistung betrug 2,27 W und es wurden 211,36 s für die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff benötigt.

1j) Parallelschaltung der Elektrolyseure – Energieverbrauch und Wirkungsgrad

Energieverbrauch:

E = P * t

= 2,27 W * 211,36 s

= 705,39 Ws

Wirkungsgrad:

= (VH2 * Ho) / (E)

= (30 cm³ * 12,745 Ws/cm³) / 705,39 Ws

= 54,20 %

Der Energieverbrauch betrug 705,39 Ws und

der Wirkungsgrad lag bei 54,20 %.

1k) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Leistung und Zeit

Messwerte Rechnung

U = 4,12 V P = U * I

I = 1,16 A = 4,12 V * 1,16 A

t = 105,79 s = 4,78 W

VH2 = 30 cm³

Ho = 12,745 Ws/cm³

ges.: P

Die elektrische Leistung betrug 4,78 W und es wurden 105,79 s für die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff benötigt.

1k) Reihenschaltung der Elektrolyseure – Energieverbrauch und Wirkungsgrad

Energieverbrauch:

E = P * t

= 4,78 W * 105,79 s

= 505,59 Ws

Wirkungsgrad:

= (VH2 * Ho) / (E)

= (30 cm³ * 12,745 Ws/cm³) / 505,59 Ws

= 75,62 %

Der Energieverbrauch betrug 505,59 Ws und der Wirkungsgrad lag bei 75,62 %.

Auf Grund des höheren Wirkungsgrades und des geringeren Energieverbrauches haben wir uns für die Reihenschaltung der Elektrolyseure entschieden.

1l) Kennlinie und Leistungskurve einer Brennstoffzelle - Messwerte

R U/V I/A P/W

Leerlauf 0,93 0 0

R8 0,9 0,0026 0,00234

R7 0,86 0,0081 0,006966

R6 0,85 0,0114 0,00969

R5 0,82 0,0207 0,016974

R4 0,7 0,15 0,105

R3 0,61 0,31 0,1891

R1+R2 0,46 0,58 0,2668

R2 0,34 0,71 0,2414

R1 0,28 0,74 0,2072

Kurzschluss 0 0,76 0

MPP

1l) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

I/A

U/V MPP

1l) Leistungskurve einer Brennstoffzelle

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 0,2 0,4 0,6 0,8

I/A

P/W

MPP

1m) Reihenschaltung von Brennstoffzellen - Messwerte

MPP

R U/V I/A P/W

Leerlauf 3,71 0 0

R8 3,44 0,0103 0,035432

R7 3,22 0,0307 0,098854

R6 3,16 0,0432 0,136512

R5 3,01 0,0778 0,234178

R4 2,12 0,44 0,9328

R1+R2+R3 1,67 0,62 1,0354

R2+R3 1,54 0,66 1,0164

R3 1,37 0,7 0,959

R2 0,4 0,75 0,3

R1 0,3 0,75 0,225

Kurzschluss 0 0,76 0

1m) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzellen-Reihenschaltung

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,2 0,4 0,6 0,8

I/A

U/V MPP

1m) Leistungskurve einer Brennstoffzellen-Reihenschaltung

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8

I/A

P/W

MPP

1n) Parallelschaltung von Brennstoffzellen - Messwerte

R U/V I/A P/W

Leerlauf 0,94 0 0

R8 0,93 0,0028 0,002604

R7 0,91 0,0086 0,007826

R6 0,9 0,0124 0,01116

R5 0,88 0,0229 0,020152

R4 0,79 0,16 0,1264

R3 0,73 0,38 0,2774

R2 0,58 1,16 0,6728

R1 0,54 1,38 0,7452

R1//R2 0,43 1,76 0,7568

Kabel 0,26 2,25 0,585

Kurzschluss 0 2,47 0

MPP

1n) Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzellen-Parallelschaltung

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

I/A

U/V

MPP

1n) Leistungskurve einer Brennstoffzellen-Parallelschaltung

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

I/A

P/W

MPP

1n) Vergleich der Ergebnisse der Brennstoffzellenversuche

00,5

11,5

22,5

33,5

4

0 1 2 3

I/A

U/V

ReihenschaltungParallelschaltungEinzelzelle

An den Kennlinien kann man gut erkennen, dass sich durch die Reihenschaltung der Brennstoffzellen die Spannung und durch die Parallelschaltung die Stromstärke erhöht (siehe auch 1o)).

MPPs

1o) Maximale Leistung der Brennstoffzellen – Vergleich der Leistungskurven

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3

I/A

P/W

ReihenschaltungParallelschaltungEinzelzelle

MPPs

Die größte Leistung mit P = 1,0354 W wird bei der Reihenschaltung der Brennstoffzellen erreicht. Hierzu wurden die Widerstände R1 bis R3 in Reihe geschaltet mit R ges = R1 + R2 + R3 = 2,35

Auf Grund unserer Versuchsergebnisse haben wir uns bei den Solarmodulen für die Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung und bei den Elektrolyseuren und den Brennstoffzellen für eine Reihenschaltung entschieden.

1p) Aufbau des Gesamtsystems

2a) Einsatz der Brennstoffzellentechnologie in der Realität.

Jenseits der Laborbedingungen ist zu bedenken, dass die regenerativen Energiequellen Wind und Sonne wesentlich unzuverlässiger sein werden. Der Wind wird nicht nicht immer gleichmäßig stark aus einer Richtung wehen und die Sonne wird im Laufe eines Tages unterschiedlich intensiv auf die Solarmodule einstrahlen. Die Erträge werden sehr stark z.B. von möglichen Wolken oder dem Winkel der Einstrahlung abhängig sein.

Im Bereich der Brennstoffzellentechnologie werden deutlich größere Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Wasserstoffspeicher notwendig sein, was mit erheblichen Kosten verbunden sein wird. Zudem muss bei großen Mengen an Wasserstoff deutlich mehr auf die Sicherheit geachtet werden.

2b) Lösung der ModellsituationEnergiequellen

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20 25 30

h/d

Lastprofil

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20 25 30

h/d

Last

Verbraucher 1

Verb. 2

Wind

Sonne

Der Vergleich der beiden Diagramme zeigt, dass zwischen 4:00 und 7:00 Uhr, zwischen 14:00 und 15:00 Uhr und zwischen 18:00 und 20:00 Uhr auf den Wasserstoff zurückgegriffen werden muss. Zwischen 10:00 und 13:00 Uhr kann der deutliche Energieüberschuss zur Wasserstoffproduktion genutzt werden, ansonsten reicht die erzeugte Energie auch beim Anschluss beider Verbraucher noch zu einer kleinen Wasserstoffproduktion aus

2b) Lösung der ModellsituationUhrzeit Verbraucher Energiequelle

0 bis 2 gelbe und rote Glühlampe, Aufladung des Kondensators Wind

2 bis 4 gelbe Glühlampe Wind

4 bis 5 gelbe Glühlampe Kondensator, Wasserstoff

5 bis 7 gelbe und rote Glühlampe, Aufladung des Kondensators Wasserstoff

7 bis 10 gelbe und rote Glühlampe, Aufladung des Kondensators, Elektorolyseur Kondensator, Sonne

10 bis 11 gelbe und rote Glühlampe, Elektrolyseur Sonne, Wind

11 bis 13 gelbe Glühlampe, Elektrolyseur Sonne, Wind

13 bis 14 gelbe Glühlampe, Elektrolyseur Wind

14 bis 15 gelbe Glühlampe, Aufladung des Kondensators Kondensator, Wasserstoff

15 bis 17 gelbe Glühlampe, Elektrolyseur, Aufladung des Kondensators Kondensator, Sonne

17 bis 18 gelbe und rote Glühlampe, Elektrolyseur Sonne

18 bis 20 gelbe und rote Glühlampe Kondensator, Wasserstoff

20 bis 24 gelbe und rote Glühlampe, Elektrolyseur Kondensator, Wind

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.