CO2MUCH - Die Lösung des Problems

Die CO₂-Emissionen des globalen Verkehrssektors erreichten im Jahr 2019 fast 8,5 Gt.
Das Szenario "Null Nettoemissionen bis 2050" setzt voraus, dass die Emissionen des Verkehrssektors um 20 % auf 5,7 Gt im Jahr 2030 sinken. Dieser Rückgang wird von politischen Maßnahmen abhängen, die eine Verlagerung auf weniger kohlenstoffintensive Verkehrsmittel fördern, sowie von betrieblichen und technischen Energieeffizienzmaßnahmen zur Verringerung der Kohlenstoffintensität aller Verkehrsträger.
 Politische Maßnahmen, die die Beimischung echter kohlenstoffarmer Kraftstoffe fördern, sind für die Dekarbonisierung des Luft- und Seeverkehrs sowie des schweren Straßengüterverkehrs entscheidend.^[1]

Fragen

1. Nenne die Arten von Transport, bei denen Kohlenstoffdioxid produziert wird.
2. Schätze die Masse des Kohlenstoffdioxidausstoßes von Personenkraftwagen im Jahr 2020.
3. Berechne die Masse des Kohlenstoffdioxids, das von Personenkraftwagen im Jahr 2050 ausgestoßen werden wird.
4. Kommentiere den Begriff „Net Zero Carbon Emissions“.

Man hört sehr häufig von Wasserstoffmotoren, Wasserstoffbrennstoffzellen und Wasserstoffautos. Wasserstoff wird in elementarer Form (H₂) verwendet.
Eine Brennstoffzelle setzt die chemische Energie des Wasserstoffs bei der Reaktion mit Sauerstoff aus der Luft frei. Diese chemische Energie wird in Wärmeenergie und elektrische Energie umgewandelt, die in Wasserstoff-Elektrofahrzeugen genutzt wird, bei denen der Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft kombiniert wird.
In beiden Fällen entsteht bei der chemischen Umwandlung nur Wasser.

Fragen

1. Nenne die Edukte und das Produkt der chemischen Umwandlung in Wasserstoffbrennstoffzellen.
2. Formuliere die ausgeglichene Gleichung der Umwandlung auf.
3. Vervollständige das Energiediagramm mit der richtigen Energieform:

Wasserstoff kommt auf der Erde nicht in elementarer Form vor. Er muss aus Kohlenwasserstoffen oder Wasser hergestellt werden, was zunächst einen hohen Energieaufwand erfordert. Wasserstoff wird heute hauptsächlich aus fossilen Energieressourcen hergestellt.

Wasserstoff auf fossiler Basis - Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen

Die Reformierung von Methan aus Erdgas ist derzeit die wichtigste Quelle für Wasserstoff. Die Reaktion von Methan mit Wasser bei hoher Temperatur erfordert einen hohen Energieaufwand. Dabei entsteht ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff.

Grüner Wasserstoff - Wie kann Wasserstoff durch Wasserelektrolyse erzeugt werden?

Der Durchgang von Gleichstrom durch Wasser führt zur Zersetzung und zur Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff: Dies wird als Wasserelektrolyse bezeichnet. Die Zersetzung von Wasser wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

 2 H₂ O → 2 H₂ + O₂

Fragen

1. Wähle die korrekte Gleichung, die den Methanreformierungsprozess darstellt und begründe deine Wahl.

• CH₄ + H₂ O → CO₂ + H₂
• CH₄ + H₂ O → CO₂ + 3 H₂
• CH₄ + 2 H₂ O → CO₂ + 4 H₂ richtige Antwort

2. Gleiche die Gleichung der Wasserelektrolyse aus:

H₂ O → H₂ + O₂

1. Nenne die umweltbezogenen Vor- und Nachteile der Nutzung eines mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle betriebenen Fahrzeugs.
2. Diskutiere unter welchen Bedingungen Brennstoffzellen unter Umweltgesichtspunkten als „grün“ angesehen werden können?

Die Schüler*innen untersuchen die Elektrolyse von Wasser durch eine Wasserstoff-Brennstoff-Elektrolysezelle, die durch eine Solarzelle betrieben wird.

Material

• Bausatz für Solarbrennstoffzellen
• 400W Lampe oder Sonne
• Spannungsmesser
• Strommessgerät

 Durchführung

1. Befolge für den Zusammenbau der Brennstoffzelle und der Solarzelle die Anweisungen, die dem Solar-Brennstoffzellen-Bausatz beiliegen.
2. Miss alle 30 Sekunden die Spannung, den Strom und das Gasvolumen.
3. Berechne den Energieverbrauch.

An der Anode (dem Pluspol):

Es bilden sich Sauerstoff O₂, Wasserstoffionen H+ und Elektronen e-. Die Wasserstoffionen H+ gelangen durch die Protonenaustauschmembran (pem) zur Kathode. Die e^- werden durch das pem blockiert und wandern durch den Stromkreis.

An der Kathode (dem Minuspol):

Die Wasserstoffionen H⁺ und die Elektronen e^- aus dem Stromkreislauf rekombinieren und bilden den Wasserstoff (H₂).

Fragen

Die beobachtete Reaktion ist eine elektrochemische Reaktion, an der die beiden folgenden Redoxpaare beteiligt sind: H⁺ (aq)/H₂ (g) und O₂ (g)/H₂ O(l).

1. Formuliere die Teilgleichung an der Anode. Gib an, ob es sich um eine Oxidation oder eine Reduktion handelt.
2. Formuliere die Teilgleichung an der Kathode. Gib an, ob es sich um eine Oxidation oder eine Reduktion handelt.
3. Formuliere die Gesamtgleichung für die Reaktion, die zum Betrieb der Brennstoffzelle verwendet wird.
4. Berechne den Energieverbrauch.

An der Anode (dem Minuspol)

Unter Druck stehendes Wasserstoffgas (H₂) spaltet sich mit dem Platinkatalysator in Wasserstoff-Ionen H⁺ und Elektronen e^- auf.

Die Wasserstoffionen H⁺ gelangen durch die Protonenaustauschmembran (pem) zur Kathode.

Die e^- werden durch das pem blockiert und wandern durch den Stromkreis zur Kathode, die einen elektrischen Strom erzeugt.

An der Kathode (dem positiven Pol)

Sauerstoff (O₂) (rein oder aus der Luft kommend), Protonen H⁺ und Elektronen e^- (von der Anode kommend) rekombinieren und bilden Wassermoleküle.

Fragen

1. Beschrifte das nachstehende Brennstoffzellenmodell, damit die Zelle funktioniert.

Die beobachtete Reaktion ist eine elektrochemische Reaktion, an der die beiden folgenden Redoxpaare beteiligt sind:
H⁺ (aq)/H₂ (g) und O₂ (g)/H₂ O(l).

2. An der Kathode, dem positiven Pol der Zelle, ist als Oxidationsmittel der Sauerstoff des Paares O₂ (g)/H₂O (l) beteiligt.
Schreibe die Halbgleichung an der Kathode auf.
Gib an, ob es sich um eine Oxidation oder eine Reduktion handelt.

• Redox-Halbgleichung: O₂ (g) + 4 H⁺ (aq) + 4 e^- → 2 H₂O (l)
• An der Kathode findet eine Reduktion von Sauerstoff statt, wobei Wasser entsteht.

3. An der Anode, dem negativen Pol der Zelle, wird als Reduktionsmittel der Wasserstoff H₂ des Paares H⁺ (aq) / H₂ (g) verwendet.

Schreibe die Halbgleichung an der Anode auf. Gib an, ob es sich um eine Oxidation oder eine Reduktion handelt.

• Redox-Halbgleichung: H₂ (g) → 2 H⁺ (aq) + 2 e^-
• An der Anode findet eine Oxidation von Wasserstoff statt.

4. Schreibe die Bilanzgleichung für die Reaktion, die zum Betrieb der Brennstoffzelle verwendet wird.

• Die Gleichung für die Reaktion, die zum Betrieb der Brennstoffzelle verwendet wird, lautet wie folgt: 2 H₂ (g) + O₂ (g) → 2 H₂O (l)

5. Welches Material wird an der Kathode zurückgewonnen?

• Das Wasser wird an der Kathode zurückgewonnen.

Materialien

• Eine Brennstoffzelle pro Gruppe
• Voltmeter
• Amperemeter

Fragen

1. Befolge die Bauanleitung.
2. Schließe den Elektromotor, das Voltmeter und das Amperemeter an.
3. Miss alle 30 Sekunden Spannung, Strom und Gasverbrauch.
4. Berechne den Energieverbrauch.
5. Berechne den Wirkungsgrad im Vergleich zum Solar-Brennstoffzellen-Elektrolyseur.