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Chemie | Biochemie | Medizin
Nick Schröder, 2001 | Gais, AR
Die Energiewende ist das zentrale Problem des 21. Jahrhunderts, wobei fossile Energiequellen durch erneuerbare (z. B. Photovoltaik oder Windenergie) substituiert werden müssen. Doch diese stehen uns nicht permanent zu Verfügung, weshalb wir Energiespeicher benötigen. Die Redox-Flow-Battery (kurz: RFB), zu Deutsch Flussbatterie, ist eine von zahlreichen Energiespeichern. Dabei wird der überschüssige elektrische Strom in chemischen Lösungen gespeichert, die umgewälzt werden. Für das Laden und Entladen des Akkumulators ist allein schon Strom für die Pumpen notwendig. Komisch, oder nicht? Durch den Verzicht auf Pumpen könnte die Effizienz verbessert werden. Ein geschickter neuartiger Aufbau des Akkumulators konnte dabei helfen, eine pumpenlose RFB mit dem 3D-Drucker zu schaffen, die jedoch einen Knackpunkt hat …
Fragestellung
Jede RFF benötigt aktuell Pumpen, um die Elektrolytlösungen umzuwälzen, damit die Redoxreaktionen an den Elektroden gewährleistet werden können. Motorpumpen verbrauchen jedoch selbst Energie und bereiten im Labor hin und wieder Probleme, weshalb es von Vorteil wäre auf diese zu verzichten und die Zelle so aufzubauen, dass die Schwerkraft dabei hilft einen Fluss in der Zelle zu erzeugen. Die konkrete Fragstellung der Arbeit lautete wie folgt: Lässt sich eine Hybrid-Redox-Flow-Battery ohne Motorpumpen, nur mit Hilfe der Schwerkraft, sinnvoll betreiben?
Methodik
Um der Fragestellung nachzugehen wurde zunächst eine passende RFB gesucht, wobei die Wahl auf die Zink-Eisen(III)-Hybrid-Redox-Flow-Battery fiel, da diese verhältnismässig simpel aufgebaut ist und deren benötigten Chemikalien ungefährlich sind. Im Chemielabor wurde als erstes eine Einzelzelle aus einer runden 60 mL Kunststoffspritze mit integrierter Zink-Anode und Graphitfilz gebaut. Der Elektrolyt besteht aus SCN-, Fe(II)- und Zn(II) -Ionen von denen jeweils 0,01 mol vorhanden sind, was einer theoretischen maximal umsetzbaren Ladungsmenge von etwa 961 Coulomb entspricht. An einer Zelle konnte ein Strom von 0,01 A bei 1,2 V gemessen werden. Anschliessend wurden vier solcher Zellen übereinander gestapelt, damit die Elektrolytlösung durch alle Zellen hindurchfliessen kann und somit auch ohne Pumpen ein Fluss entsteht. Unter voller Last der angeschlossenen Verbraucher genügten drei bis vier Zellen, damit die Elektrolytlösung bei einem Durchfluss vom Ober-Tank durch die Zellen zum Unter-Tank vollständig entladen ankam. Aufgrund dieser Erkenntnisse konnte mit der Planung und der Konstruktion einer RFB-Anlage angefangen werden. Dabei sollten ganz neue Massstäbe gesetzt werden, damit die Form der Funktion folgen kann und die Anlage wie nach dem Prinzip von Lego modular erweiterbar ist. Mittels einem 3D-Drucker wurden alle 18 Bauteile (acht Einzelzellen à 160 mL, Tanks und Fixierungsmaterial) aus grauem PLA-Filament angefertigt und anschliessend zusammengesteckt.
Ergebnisse
Das Testen der selbstgedruckten RFB-Anlage (17 cm x 17 cm x 37 cm) war mein persönliches Highlight. Man kippte die aufgeladene tiefrote Elektrolytlösung in den oberen Tank. Diese floss allmählich durch die einzelnen rechteckigen Zellen. Alle Einzelzellen waren zusammengeschaltet und konnten bezwecken, dass mit dem elektrischen Strom ein Propeller zum Laufen gebracht werden konnte. Nach vollständigem Durchfliessen der Lösung kam der Propeller zum Erliegen. Danach musste die Lösung wieder oben hinein geschüttet werden. Sowohl eine Parallel-, als auch eine Reihenschaltung der Einzelzellen wurde getestet, wobei sich die Parallelschaltung durch ihre Kontinuität bewährte.
Diskussion
Die RFB-Anlage liess sich zwar ohne Motorpumpen betreiben, aber dafür nicht sehr praktisch, da nach vollständigem Durchfluss der Elektrolyt per Hand vom Unter-Tank zum Ober-Tank überführt werden musste, um eine kontinuierliche Energiebereitstellung zu garantieren. Deshalb kann die Pumpe nicht ganz durch die Schwerkraft und einem geschickten Aufbau ersetzt werden. Die Parallelschaltung der Einzelzellen bewies sich als besser, da der Stromkreis auch bei Ausfall einer Zelle nicht unterbrochen wird.
Schlussfolgerungen
Die Idee eine pumpenlose RFB zu schaffen ist zwar neu und einzigartig, aber dafür auch nicht einfach zu realisieren. Denn für den Betrieb des Energiespeichers ist ein ständiger Fluss in der Zelle notwendig, der nicht allein durch die Schwerkraft bereitgestellt werden kann, weshalb die potenzielle Energie der Lösung per Hand wieder erhöht werden muss.
Würdigung durch den Experten
Prof. Dr. Beat Zehnder
Das Umfeld der Arbeit wurde sorgfältig recherchiert und interpretiert. Der Prototyp zur Abstimmung der chemischen und bautechnischen Komponenten führte zu einem umsetzbaren Design für ein produktives System. Die Testergebnisse des selbstgebauten produktiven Systems wurden adäquat dokumentiert. Der Vorteil des neu entwickelten Systems, die Substitution der elektrischen Energie für die Umwälzpumpe durch manuell zu leistende Umwälz-Arbeit, wurde im Diskussionsteil der Forschungsarbeit kritisch hinterfragt und anhand konkreter möglicher Anwendungsbeispiele einleuchtend dargelegt.
Prädikat:
gut
Gymnasium St. Antonius, Appenzell
Lehrer: Dr. Jonas Schönle