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Physik | Technik
Jonas Traber, 2004 | Weinfelden, TG
Durch die eintretende Energiekrise und die immer stärkeren Folgen der Klimaveränderung ist ein Wandel in der Energiebereitstellung angezeigt. Das neu zu gestaltende Energiesystem sollte mithilfe von erneuerbaren Energien unabhängig, nachhaltig und klimaneutral werden. Da regenerative Energien meist keine Konstanz aufweisen, muss eine effiziente Speichermethode gefunden werden, damit produktionsarme Zeiten überbrückt werden können. Hier könnte eine effiziente Herstellung und Speicherung von Wasserstoff einen Beitrag zu einem neuen Energiesystem leisten. Das Verfahren der Elektrolyse ermöglicht mit überschüssigem Strom und Wasser die Erzeugung von Wasser- und Sauerstoff, welche problemlos gespeichert werden können. Bei einem Stromengpass können die Gase in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Jedoch bringt dieses Verfahren technische Herausforderungen mit sich. Damit ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht wird, müssen die Prozesse am Elektrolyseur und in der Brennstoffzelle mit höchster Effizienz ablaufen. Um dies zu verwirklichen, braucht es vielseitiges und komplexes Wissen in diversen Fachbereichen, das herausfordernd in der praktischen Umsetzung ist. Mit dem Bau eines Elektrolyseurs, der die beiden Gase trennt und speichert, wurde ein Teil des Kreislaufes in meiner Arbeit praktisch nachgestellt.
Fragestellung
Hypothese: Die Wasserstoffherstellung ist eine wichtige Technologie, mit welcher unser Energiesystem in Zukunft unabhängig, klimaneutral und nachhaltig gestalten werden kann. Frage: Ist es möglich, einen kostengünstigen Elektrolyseur mithilfe eines 3D-Druckers zu entwickeln?
Methodik
Nach einem ausführlichen Theorieteil über Wasserstoff und sein Potenzial in unserem zukünftigen Energiesystem wird der Bau eines Elektrolyseurs beschrieben. Dabei wird in einer Machbarkeitsstudie die Funktion der Elektrolysekonstruktion nachgewiesen, welche darauf die Grundlage für den Bau des Elektrolyseurs darstellt. Programmierte 3D-Konstruktionen, die mit einem 3D-Drucker ausgedruckt wurden, ermöglichen den präzisen Einbau der weiterentwickelten Elektrolysekonstruktion zum Elektroden-Diaphragmen-Teil im Elektrolyseurkasten. Dieser wurde von der ausgedruckten Gastrennung ergänzt. Der Elektrolyseur wurde schliesslich von der 3D-gedruckten, separierten Gasspeicherung abgeschlossen. Zum Schluss wurde der vierfache Elektrolyseur auf einen einfachen Elektrolyseur reduziert, damit die Auswirkungen der 3D-Konstruktion auf den Wirkungsgrad untersucht werden konnte.
Ergebnisse
Die Machbarkeitsstudie zeigte auf, dass die Elektrolysekonstruktion mit einem Wirkungsgrad von ungefähr 13 Prozent funktionsfähig ist. Die folgende und aufwendige Entwicklung des Elektrolyseurs war ein Erfolg, denn durch effizienzorientierte Bauweise konnte die Funktion des Elektrolyseurs mit vier Elektrolysezellen belegt werden. Mit dem einfachen Elektrolyseur wurde ersichtlich, dass der Wirkungsgrad durch die entwickelte 3D-Konstruktion kaum beeinflusst wird, denn der durchschnittliche Wirkungsgrad war weiterhin über zwölf Prozent.
Diskussion
Die 3D-Konstruktion erfüllte alle Erwartungen und hatte keinen bemerkenswerten Einfluss auf die Effizienz. Dadurch wurde ersichtlich, dass die Steigerung des Wirkungsgrads an der Elektrolysekonstruktion stattfinden muss. Dabei sind die Elektrodenmaterialen äusserst entscheiden für den Wirkungsgrad. In meinem Elektrolyseur habe ich rostfreies Stahlblech eingebaut, da es preislich passend für eine kostengünstige Variante war. Doch die Korrosion und Wärmeentwicklung an dem günstigen Elektrodenmaterial hatten einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad. Wenn Materialien nach höchster Effizienz ausgewählt werden würden, wären Platin oder Gold die beste Wahl. Diese würden jedoch den Preis mehr als verhundertfachen, was einem kostengünstigen Elektrolyseur nicht mehr entspricht.
Schlussfolgerungen
Kostengünstige und einfache Elektrolyseure können auf einfachste Weise mit 3D-Druckern gebaut werden. Dabei wird der Wirkungsgrad durch die Ersparnisse bei den Materialien stark reduziert und der sichere Umgang mit dem Wasserstoff muss beim Betrieb genaustens beachtet werden. Durch den Kunststoff des 3D-Druckers kann Wasserstoff diffundieren und es ist unumgänglich, mit Durchlüftung die Wasserstoffkonzentration unter den kritischen Werten zu halten. Die Anwendung von günstigen und einfachen Elektrolyseuren in der Gesellschaft ist bis jetzt noch fraglich und muss daher noch genauer untersucht werden.
Würdigung durch den Experten
Dr. Patrik Schmutz
Im Rahmen dieser Arbeit im Zusammenhang mit dem Bau eines günstigen Elektrolyseurs zeigte Jonas Traber grossen Enthusias-mus bei der Behandlung relevanter wissenschaftlicher und technischer Fragen. Speicherung von Energie ist ein hochaktuelles ge-sellschaftliches Thema, und in diesem Sinne ist die Herstellung von Wasserstoff eine vielversprechende Technologie. Seine kreati-ve Studie analysierte das Design, die Parameter, die zur Effizienz beitragen, bis hin zur Herstellung eines 3D gedruckten funktio-nierenden Elektrolyseurs. Die Arbeit überzeugt durch ihre Relevanz und technische Ausführung.
Prädikat:
sehr gut
Sonderpreis «Mostratec» gestiftet von der SJf-Trägerschaft
Kantonsschule Kreuzlingen
Lehrer: Dipl.Phys.ETH Bernhard Brunner