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Energie ist
eines der wichtigsten Dinge in unserer Welt, ohne Energie fährt
kein Auto, arbeitet kein Computer. Wie lösen wir das
Energieproblem, wenn in circa 50 Jahren das Erdöl als chemischer
Energieträger aufgebraucht ist. Diese Frage stellten wir in einem
Grundkurs Chemie, 11. Klasse, der Max-Beckmann-Schule in Frankfurt
am Main?
Ein Baukasten von
Kosmos zum Bau eines Brennstoffzellenautos (mit Solarzelle als
Ladegerät) und einer Folienserie von BMW zur
Wasserstofftechnologie zeigen den richtigen Weg auf. Ersteres
wurde im Lauf des Kurses mit den SchülerInnen gebaut, und es
wurden viele in einer Anleitung beschriebenen wie auch ergänzende
Experimente durchgeführt. Die Folien (auch als Powerpointpräsentationmit
den SchülerInnen modifiziert) wurden in den verschiedenen Phasen
des Unterrichts eingesetzt. Die spannende Frage wurde
gestellt, inwieweit wir schon in wenigen Jahren mit Wasserstoff
und Brennstoffzellen angetriebene Autos fahren. Der überwiegende
Teil der SchülerInnen war sehr skeptisch, das Bewußtsein von der
Begrenztheit der fossilen Energieträger ist wenig bis gar nicht
vorhanden. Wasser ist auf der Erde allgegenwärtig und einer der häufigsten
und stabilsten chemischen Verbindungen. Sauerstoff, als ein
Bestandteil von Wasser kommt aufgrund der Photosynthese in der
Atmosphäre vor.
Wasserstoff ist praktisch nicht elementar vorhanden, nur aufgrund
von anaeroben Stoffwechselprozessen von Mikroorganismen entstehen
Spuren von Wasserstoff - aber Wasserstoff ist das häufigste
Element im Weltall, die Sonne besteht zum Großteil daraus. Kann
Wasserstoff zu einem zentralen Energieträger werden?
Der Kurs wurde rund um die reversible Reaktion von Wasserstoff mit
Sauerstoff zu Wasser herum aufgebaut. Wasser kann sowohl thermisch
an einer glühenden Platindrahtwendel als auch elektrolytisch an
Kohle- bzw. Platinelektroden zu den Elementarsubstanzen zersetzt
werden. Mit der Membranbrennstoffzelle (PEM= Polymer Elektrolyt
Membrane oder Proton Exchange Membrane), kann dieses Experiment
durchgeführt werden, indem man anstelle des im
Kosmos-Experimentierkasten vorgesehenen Solarmoduls eine
Gleichspannungsquelle anlegt. Sogleich werden die Tanks mit
Wasserstoff und Sauerstoff im Volumenverhältnis 2 : 1 gefüllt.
Macht man das gleiche Experiment im U-Rohr oder Hoffmann’schen
Zersetzungsapperat mit destilliertem Wasser misslingt das
Experiment. Grund für das Gelingen der Elektrolyse im ersten Fall
ist die besondere Konstruktion der Brennstoffzelle mit einer
sulfonierten nur für Protonen durchlässigen Polymer-Membran.
Diese Anordnung wird in der ersten Unterrichtsphase als „Black
Box“ verwendet und kann erst anhand des Ionenmodells gedeuted
werden. Eine Zersetzung des neutralen Wassermoleküls aufgrund von
„elektrischen Kräften“ kann nur erfolgen, wenn elektrisch
geladene Teilchen in der Wasserphase entstehen und wandern. Die
Elektroden liegen direkt beiderseits der Membran, wobei nur die
Protonen durch die Membran wandern und auf der Anodenseite mit den
dort entstandenen O2- bzw. (OH)- Ionen zu Wassermolekülen
reagieren. Die elektrische Energie zur Elektrolyse des Wassers
kann regenerativ mit Hilfe von Solarzellen gewonnen werden.
Wasserstoff kann aber auch verbrannt werden und z. B.einen Otto-
oder Stirlingmotor antreiben, eine sehr flexible Gestaltung der
Energieversorgung ist möglich. Ein Problem ist aber noch zu lösen:
Wie kann Wasserstoff gespeichert werden? Dies ist bisher nicht
gelöst.
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