Energiressourcer og fremtidens brintsamfund

Transkript

1 Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 2 Ressource-kampen: Olien overhaler snart klimaet som globalt krisetema. Inf., Verden har brug for et nyt energisystem, Naturvidenskab for alle, 1. årg. no. 2, Nobels Fredspris 2007: Global opvarmning truer freden. JP Øst, Rene biler er lige om hjørnet, JP Molekyler 9 Hydrogen 10 Brintsamfundet 10 Elektrolyse 11 Reaktion mellem metal og metalion 12 Daniell-element og eksperimenter med elementer 14 Brændselsceller og eksperimenter med brændselsceller 19 Energi fra solen 19 Måling af solstrålingens intensitet ved jordens overflade 21 Solceller og eksperimenter med solceller 22 Raketter 24 Om sammensætning af spændingskilder i serie og parallel Modul nr. Dato og modul Hvem og hvor? Hvad? Lektie 1 mandag ng, 3. modul DN A300 Præsentation af energi- og CO 2 -problematik Side tirsdag fy, 1. modul PH A200 Solindstråling Side torsdag 1.11 ke, 2. modul PP A300 Molekyler, hydrogen, brintsamfund. (molekylmodeller) Side 7-8 (opslag 47) 4 5 torsdag 8.11 fy-ke øv, 3. modul torsdag 8.11 fy-ke øv, 4. modul PP, PH A200, A300 PP, PH A200, A300 Fy: Karakteristikker, serieog parallel-forbindelse. Ke: Elektrolyse. Reaktion mellem metal og metalion. Fy: Karakteristikker for elementer, brændselscelle og solcelle, side 10-12, 15, Ke: Side mandag ke, 3. modul PP A300 Daniell-element. Brændselsceller. Raketter. Side: 10, 11-12, tirsdag fy, 1. modul PH A200 Nyttevirkning for brændselscelle Side torsdag ke, 2. modul PP D265 Opsamling og perspektivering. Link side 8 10 fredag fy, 1. modul PH D265 Diskussion og perspektivering. Rapportskrivning Denne note. Opslag: 38, 39, 41 i nvgrundbogen 11 mandag ng, 3. modul DN D265 Opsamling af CO 2 - regnskab. Arbejde med energidata Medbring egne tal til beregning af CO 2 - regnskab. Side torsdag 22/11 ng, 2. modul DN A300 Præsentation af energidata. Diskussion og perspektivering Lille ppt af udvalgte energidata jf. gruppeopgave på fronter NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 1 af 24

2 Ressource-kampen: Olien overhaler snart klimaet som globalt krisetema Information, 17. oktober 2007, 1. sektion side 8 / 9 En af forskerne bag rapporten 'Grænser for vækst' mener, at den globale olieproduktion nu har nået vendepunktet og vil tvinge politikere til snarlig krisehåndtering Af Jørgen Steen Nielsen Dennis Meadows er blevet beskyldt for en del: Da han og hans forskerkolleger for 35 år siden udsendte Rom-klubbens rapport Grænser for vækst, gav det hidsig og langvarig, international debat om klodens fremtidsudsigter. Med kollegerne Donella Meadows, Jørg (Fundet på Infomedia ord) NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 2 af 24

3 NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 3 af 24

4 Verden har brug for et nyt energisystem, Naturvidenskab for alle, 1. årg. no. 2, Verdens behov for olie vil ifølge IEA stige med 1,6% om året frem mod Men antallet af nye oliefund er for længst begyndt at falde Langt de største kendte oliereserver findes i Mellemøsten NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 4 af 24

5 Verdens energiproduktion fordelt på primære energikilder, samt IEAs fremskrivninger for 2010 og 2030 Et bud på, hvor langt ud i fremtiden de fossile brændstoffer kan dække verdens nuværende forbrug. NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 5 af 24

6 Nobels Fredspris 2007: Global opvarmning truer freden Jyllands-Posten Øst, 13. oktober 2007, 1. sektion side 14 Klima: Klimakrisen er en moralsk udfordring for hele menneskeheden, fastslår Al Gore efter sammen med videnskabsmænd at have fået Nobels fredspris. Af KLAUS JUSTSEN, Jyllands-Postens korrespondent, Washington Internationale ledere med præsident George W. Bush i spidsen lykønskede både Al Gore og FN's klimapanel, IPCC, efter at deres indsats for at skabe øget opmærksomhed omkring global opvarmning fredag blev belønnet med Nobels Fredspris. Den tidlige (Fundet på Infomedia. 789 ord.) NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 6 af 24

7 Rene biler er lige om hjørnet Jyllands-Posten, 24. september 2006, 5. sektion side 20 Grønne køretøjer med forureningsfrie brændselsceller er tættere på, end bilbranchen fortæller. Teknikken er næsten klar - mens der endnu mangler lidt i at producere den nødvendige brint. Af LARS EDLING En bil, der kører forureningsfrit på strøm fra brændselsceller, kan være på markedet om forholdsvis kort tid. Og den første bliver sandsynligvis en Honda. Det mener Kanehira Maruo, som er markedsanalytiker ved ETC Battery and FuelCells Sweden AB i Nol ved G (Fundet på Infomedia. 993 ord.) NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 7 af 24

8 NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 8 af 24

9 Molekyler Alle atomer forsøger at få 8 elektroner (evt. 2 elektroner) i den yderste elektronskal (oktetreglen eller ædelgasreglen). I forløbet om Salt og saltvand så vi, at atomer kunne afgive eller optage elektroner og herved danne stabile ioner i overensstemmelse med oktetreglen. En anden måde at få opfyldt oktetreglen på, er ved at dele elektroner med et naboatom, således at atomerne får et eller flere fælles elektronpar. Det er fælles elektronpar, som binder atomer af ikkemetallerne sammen til molekyler. Bindingen kaldes en elektronparbinding eller en kovalent binding. Vandmolekylet har den kemiske formel H 2 O, d.v.s. det består af to H-atomer og ét O-atom. H-atomet har en elektron i yderste skal, og O-atomet 6 elektroner i yderste skal. Så hvis begge H-atomer indgår elektronparfællesskab med O-atomet, får hvert af atomerne i molekylet noget, der svarer til ædelgasstruktur. Elektronprikformlen for vandmolekylet viser, hvordan atomerne deler elektroner Da elektronerne altid optræder parvis i bindinger, kan man illustrere de bindende elektronpar med streger. Molekylet kan tegnes således: H O H O H Eksempler på andre kovalente forbindelser: O O O O N N N N Opgave: Tegn elektronprikformler og stregformler for følgende molekyler: H 2, CH 4, HCl og NH 3. Hydrogen Grundstoffet hydrogen er opbygget af H 2 -molekyler. Ved normalt tryk og temperatur er hydrogen en farveløs, lugtfri gas med en lav densitet i forhold til atm. luft. En ballon fyldt med hydrogen vil derfor svæve op i luften, hvorfor man tidligere brugte hydrogen i luftballoner (Zeppelinere). Demonstrationsforsøg: Fra en trykflaske ledes hydrogen til en skål med sæbevand. På denne måde dannes sæbebobler. Når sæbeboblerne stiger til vejrs, antændes de med en lighter. Fremstilling af hydrogen I laboratoriet kan hydrogen fremstilles ved at lade magnesium reagere med syre: Mg(s) + 2 H + (aq) H 2 (g) + Mg 2+ (aq) I den petrokemiske industri fremstiller man hydrogen ved en reaktion mellem vand og methan (naturgas). Når methan blandes med meget varm vanddamp spaltes det, og der dannes carbonmonooxid og hydrogen: H 2 O(g) + CH 4 (g) CO(g) + 3H 2 (g) Carbonmonooxid reagerer videre med vanddampen og danner carbondioxid og mere hydrogen: H 2 O(g) + CO(g) CO 2 (g) + H 2 (g) Hydrogen kan også fremstilles ud fra andre fossile brændstoffer (kul og olie) Hydrogen kan også fremstilles ved elektrolyseprocesser, hvor vandmolekyler spaltes til grundstofferne hydrogen og oxygen ved at sende en jævnstrøm gennem vandet. H : NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 9 af 24

10 Brintsamfundet I dag er det mest økonomisk at fremstille hydrogen ud fra de fossile brændstoffer, men det er ikke bæredygtigt. Hvis brintsamfundet skal blive en realitet, skal produktionen af hydrogen baseres på bæredygtige metoder. En brugbar teknik er elektrokemisk spaltning af vand (elektrolyse). Det fremstillede hydrogen kan herefter via en brændselscelle omdannes til vand og elektrisk energi. Spaltning af vand kræver elektricitet, men hvis elektriciteten fremstilles af vedvarende energikilder (sol, vind, vandkraft, bølgeenergi ), så vil processen være CO 2 -neutral og bæredygtig. Figur fra Brintsamfund Lolland, Se også: Vi ser først på elektrolyse, elementer og brændselsceller, dernæst på solceller. Elektrolyse Den nemmeste måde at fremstille hydrogen ved hjælp af elektricitet er som i dette forsøg en elektrolyse. Her sender man jævnstrøm gennem et kar med vand. Vandet skal være elektrisk ledende, derfor tilsætter man fortyndet svovlsyre, fortyndet natriumhydroxid, saltvand eller lignende. Når der sendes strøm gennem vandet, vil vandmolekylerne dissocieres (adskilles) i H + -ioner og OH - -ioner, disse ioner trækkes hen mod henholdsvis den negative pol (katoden) og den positive pol (anoden). Ved katoden optager to H + -ioner hver en elektron og danner hydrogen (H 2 ). Vi siger at hydrogenionerne er blevet reduceret (reduktion = elektronoptagelse). Ved anoden samles fire OH - -ioner og frigiver dels O 2 (ilt), molekylært vand og fire elektroner. I denne proces afgives der elektroner fra oxidionerne i OH -, der er sket en oxidation (oxidation = elektronafgivelse). Katode (negativ): Anode (positiv): 4 H 2 O(l) + 4e - 2H 2 (g) + 4 OH - (aq) 4 OH - (aq) O 2 (g) + 4e H 2 O(l) Det ses, at der efter nogen tid dannes gasser i reagensglassene. Det kan påvises, at disse gasser er hydrogen (H 2 ) ved den negative elektrode og oxygen (O 2 ) ved den positive elektrode, og at de bliver dannet i forholdet 2:1. Der er således sket en sønderdeling af vand, H 2 O. NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 10 af 24

11 Materialer: Elektrolysekar med to platinelektroder, to minireagensglas, fortyndet svovlsyre (1mol/L), ledninger, krokodillenæb, spændingsforsyning (0-12V, indstillet på 5V DC). Fremgangsmåde: 1. Den fortyndede svovlsyre, H 2 SO 4 1 mol/l, hældes i elektrolysekarret. 2. De to minireagensglas fyldes med den fortyndede svovlsyre og placeres i apparatet. 3. Tilslut en spænding på maks. 5V. Se hvordan gasserne begynder at boble op fra stængerne, samtidig med at vandet skubbes ud af glassene. 4. Glasset med oxygen holdes med mundingen opad, og den opsamlede oxygen påvises ved at sænke en glødende træpind ned i glasset med oxygen. Man vil da se at træpinden blusser op. 5. Gas med hydrogen holdes med mundingen nedad, og den opsamlede hydrogen påvises ved at holde en tændt tændstik hen under glasset. Der lyder et lille blop (hvin). Bemærk: Skulle gasudviklingen gå trægt, kan elektrolysekar med elektroder skylles i fortyndet ammoniakvand. Der advares mod at bruge alkoholer, selv i svage opløsninger. Diskussion: 6. Opskriv et reaktionsskema for elektrolysen. (delprocesser og bruttoproces). 7. Forklar med dine egne ord, hvad der sker i de enkelte processer. 8. Hvad er forholdet mellem de dannede gasser? Forklar. 9. Der blev dannet små vanddråber på indersiden af glasset, da hydrogen-gassen blev antændt. Forklar hvorfor. 10. Forklar hvordan man kan bruge elektrolyse til at lagre energi fra vindmøller. Reaktion mellem metal og metalion Anbringes en zinkstang (Zn) i en opløsning af bly(ii)-ioner (Pb 2+ ) vil zink-atomerne afgive 2 elektroner til bly-ionerne. Man iagttager at der dannes grå-sorte krystaller på zinkstangen, idet der forløber følgende reaktion: Zn(s) + Pb 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Pb(s) 2e - Udføres det modsatte forsøg, hvor man anbringer en blystang i en opløsning af zinkioner vil der intet ske. Bly-atomer kan ikke afgive elektroner til zink-ioner. I dette forsøg vil vi undersøge 4 metallers reaktion med metalioner og en opløsning af syre (H + ). Ud fra forsøgsresultaterne opstilles en stofferne efter hvor let de kan reagere. Det stof som lettest kan reagere, placeres øverst i rækken. Atomer, som afgiver elektroner, siges at blive oxideret, mens atomer, som modtager elektroner, siges at blive reduceret. Materialer: 0,1 M zinknitrat (Zn 2+ ), 0,1 M kobbersulfat (Cu 2+ ), 0,1 M jern(ii)nitrat(fe 2+ ), 0,1 M sølvnitrat(ag + ) 1 M saltsyre(h + ), Zink(Zn), kobberspåner (Cu), ståluld (Fe), sølvtråd (Ag). Fremgangsmåde: I 16 reagensglas hældes ca. 2 ml opløsning (2 cm op i reagensglasset) som angivet i nedenstående skema. Tilsæt zink, ståluld, kobberspåner og sølvtråd til opløsningerne. Hvis der forløber en kemisk reaktion, noteres (+) i skemaet. NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 11 af 24

12 Den kemiske reaktion forløber, hvis der ses en udfældning af krystaller (sorte / sølvfarvede) på overfladen af det faste metal. I forsøgene med syre skal der være en tydelig gasudvikling. 1. Først finder vi de 2 stoffer der skal indgå i forsøget. Et metal på fast form og en opløsning af ioner. 2. Ca. 2 ml af ion-opløsningen hældes op i et reagensglas. 3. Det faste metal anbringes i reagensglasset med de opløste ioner (metallet kan evt. pudses med ståluld, så det bliver blankt). 4. Hvis der forløber en kemisk reaktion, noteres (+) i skemaet. En negativ reaktion (dvs. at der ikke sker en reaktion) kan først vurderes efter 10 min. Den kemiske reaktion forløber, hvis der ses en udfældning af krystaller (sorte/sølvfarvede) på overfladen af det faste metal. I forsøgene med syre skal der være en tydelig gasudvikling. 5. Reagensglas tømmes i kemikalieaffaldsglasset i stinkskabet og skylles med vand. De faste metaller af sølv og zink indsamles. Kobberspåner og ståluld smides i papirkurv. 6. Lav så mange forsøg som muligt. Forsøgsresultater udveksles og sammenlignes med de andres. Resultater: ion Zn 2+ Cu 2+ Fe 2+ Ag + H + Metal Zn Cu Fe Ag Resultatbehandling: 1. Skriv reaktionsskemaer for de reagensglas, hvor der foregår en reaktion. 2. Prøv med egne ord at forklare, hvad der er sket i reaktionerne. 3. Ud fra forsøgsresultaterne opstilles grundstofferne efter deres evne til at reagere med de andre stoffer. 4. Giv en detaljeret forklaring på, hvordan du placerer grundstoffer i forhold til hinanden. Daniell-element (demonstrationsforsøg) En zinkplade anbringes i et bægerglas med Zn 2+ ioner og en kobberplade i et bægerglas med Cu 2+ ioner. De to bægerglas forbindes med en saltbro, og de to plader forbindes med en ledning, hvori der er indsat en elektrisk pære (1v) eller en lille motor. 1. Opskriv et reaktionsskema for delreaktioner og bruttoreaktion. 2. Forklar med dine egen ord, hvad der sker i reaktionerne. 3. Hvilken funktion har saltbroen? Du skal selv lave forsøg med andre typer af spændingskilder. Vi starter med elementer (i daglig tale: batterier), senere følger brændselsceller og solceller. NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 12 af 24

13 Eksperiment: Et elements karakteristik Apparatur: Element, dekaderesistor, amperemeter, voltmeter. Teori: Et elements karakteristik er et diagram, hvor man afbilder sammenhørende værdier af strøm og spænding. Karakteristikken for et element er en ret linje. Man kan aflæse den maksimale spænding, som elementet kan levere, der hvor grafen skærer y-aksen. På figuren til højre er der også tegnet tendenslinje gennem de målte punkter. Den maksimale spænding kan findes af tendenslinjens forskrift. I eksemplet til højre er værdien 1,6145V 1,61V. Man tegner også elementets effektkurve, hvor man afbilder sammenhørende værdier af strømstyrke og effekt. Effekten bestemmes ved at beregne produktet af spændingen U og strømstyrken I (1) P = U I eller effekt = spænding strømstyrke For at bestemme den maksimale effekt, som elementet kan levere, må man tegne en blødt forløbende kurve gennem de målte punkter, og aflæse den maksimale effekt hvor kurven har toppunkt. Opstilling: 1. Lav først et kredsløb bestående af element, dekaderesistor og amperemeter. Dekaderesistoren skal stå på den størst mulige værdi, og amperemeteret skal stå på 10A-området (ved alle målinger. Det er ødelæggende for forsøgsresultaterne, hvis du ændrer måleområde undervejs!). 2. Tilføj dernæst et voltmeter, der forbindes til elementet. Voltmeterets måleområde må heller ikke ændres under forsøget. Udførelse: Indstil dekaderesistoren på den 4700Ω, og aflæs sammenhørende værdier af strømstyrken I og spændingsforskellen U, og skriv værdierne i et skema i Excel. Indstil på den næste værdi af resistansen, og aflæs igen I og U. Gentag for alle de anførte resistanser. Resultater: R / Ω ,7 2,2 1,0 I / ma U / V P / mw Databehandling: Udregn for hver af dine aflæsninger også den effekt, som elementet har leveret. Det gør du nemt i Excel ved at lave en ekstra række, hvor du beregner produktet af strømstyrken I og spændingsforskellen U. Lav diagrammer for elementets karakteristik (U som funktion af I), og for elementets effektkurve (effekten P som funktion af I). Hvad er den maksimale spænding, som elementet kan levere, og hvad er den maksimale effekt, elementet kan levere? Hvilken resistans skal der tilsluttes, for at elementet leverer den maksimale effekt? Konklusion: Fejlkilder: NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 13 af 24

14 Andre eksperimenter med elementer Elementer kan forbindes i serie og i parallel. Man sætter elementer i serie for at få højere spænding, og man sætter elementer i parallel for at få større strømstyrke. Læs om serie- og parallelforbindelse på side Bestem karakteristik og effektkurve for to ens elementer, der er forbundet i serie. Hvad er den maksimale spænding, som de to serieforbundne elementet kan levere, og hvad er den maksimale effekt, de kan levere? Hvilken værdi skal den ydre resistans have, for at de seriekoblede elementers effekt bliver størst mulig? - Bestem karakteristik og effektkurve for to ens elementer, der er forbundet i parallel. Hvad er den maksimale spænding, som de to parallelforbundne elementet kan levere, og hvad er den maksimale effekt, de kan levere? Hvilken værdi skal den ydre resistans have, for at de parallelkoblede elementers effekt bliver størst mulig? Brændselsceller Brændselsceller omdanner energien i et brændsel til elektrisk energi, lydløst. Omdannelsen sker uden en egentlig forbrænding med varmeudvikling. Derfor kan omdannelsen i princippet gøres mere effektiv end på kraftværker og i bilmotorer. Det er miljømæssigt en fordel. Benyttes brændselsceller til brint fås kun vand som affald. Endnu er brændselsceller for dyre til at anvende i stor skala. Der kræves stadig en del forskning, og Danmark er med. Brændselsceller er i princippet en variant af et almindeligt element. I et batteri er stofferne, der skal reagere, gemt inde i batteriet. Når stofferne er brugt skal batteriet smides væk eller lades op igen. I de brændselsceller vi ser på, tilføres oxygen og hydrogen udefra. Brændselscellen skal altså ikke lades op, men kan køre så længe der tilføres oxygen og hydrogen. De er en slags evighedsbatterier. Princippet i en brændselscelle er simpelt: Hydrogen føres ind i cellen, og tiltrækkes af den negative anode. Anoden har katalytiske egenskaber, dvs. at den kan omdanne hydrogen (H 2 ) til positivt ladede hydrogenioner (H + ). På den anden side af anoden er den positive katode, og imellem dem en ionledende væske, en såkaldt elektrolyt. Elektrolytten må ikke lede elektroner. Ved anoden vil hydrogen aflevere en elektron pr. atom til elektroden, og hydrogenionerne vil vandre ud i elektrolytten: 2 H 2 4 H e - anode (oxidation = elektronafgivelse) Elektronerne løber gennem det ydre elektriske kredsløb over til den anden elektrode (katoden). I cellens anden halvdel sendes oxygenmolekylerne ind. De kan reagere med 4 hydrogenionerne under optagelse af 4 elektroner pr. oxygenmolekyle (2 elektroner pr. oxygenatom). Ved denne del reaktion dannes vand: O H e - 2 H 2 O katode (reduktion = elektrooptagelse) Hvis vi lægger de to delreaktioner i brændselscellen sammen fås: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Elektronerne, der optages af oxygen ved katoden, leveres fra anoden gennem det ydre kredsløb. Den elektriske strøm i kredsløbet bæres altså af elektronerne i det ydre kredsløb og af ionerne i det indre af cellen. NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 14 af 24

15 Reaktionen mellem hydrogen og oxygen er i sidste ende blot en udveksling af elektroner. Ved at tvinge hydrogen og oxygen til at udveksle elektroner gennem det ydre kredsløb kan man udnytte den energi som frigives når elektronerne udveksles, f.eks. til at få lys i en pære. I stedet for at få energien frigivet som varme, som ved forbrænding, kan det meste af den tappes som elektrisk energi. En brændselscelle kan levere en spændingsforskel på ca. 1 Volt. Sættes mange brændselsceller sammen i seriekoblinger, så kan man få præcis den spænding, man ønsker. Og ved at sætte brændselsceller i parallel kan man tilsvarende få større strømstyrker. Eksperimenter med brændselsceller Som omtalt i forrige afsnit kan man ved hjælp af brændselsceller oplagre energi (ved at bruge elektrisk energi til dannelse af H 2 ), for senere at bruge den oplagrede energi (i form af H 2 ) til produktion af elektrisk energi. Vi skal se på, hvordan brændselscellen virker, og hvor effektiv den er, dels når den producerer H 2, dels når den ud fra den oplagrede H 2 producerer elektrisk energi. Der findes mange typer af brændselsceller. Den type, vi bruger, kaldes en reversibel PEM-celle. Reversibel, fordi den kan bruges begge veje, både til elektrolysen (hvor der produceres H 2 og O 2 ), og til produktion af elektrisk energi ud fra H 2 og O 2. PEM betyder Polymer Electrolyte Membrane, der hentyder til den membran, der omgiver elektrolyttet midt i brændselscellen. Membranen tillader ioner (H + ) at passere, men forhindrer gasser (H 2 og O 2 ) og elektroner i at passere. Klargøring af PEM-brændselscelle Før forsøg med en PEM-brændselscelle skal cellen klargøres. 1. Vend brændselscellen på hovedet, så plastpropperne vender opad. 2. Tag plastpropperne af, og fyld så meget destilleret vand i brændselscellens cylindre, at det præcis når til toppen af de to smalle rør. 3. Bank brændselscellen let mod bordet, for at få vandet til at flyde ind mod brændselscellens membran og elektroderne. 4. Efterfyld med destilleret vand, indtil vandet begynder at løbe ned gennem de små rør midt i cylindrene. 5. Sæt plastpropperne på. Der må ikke være luft i cylindrene. Vend brændselscellen, så cylindrenes åbne ender vender opad. Nu er cellen klar til brug (til produktion af H 2 og O 2 ved elektrolyse). Eksperiment: Nyttevirkning ved produktion af H 2 i brændselscelle Formål: At bestemme nyttevirkningen η ved produktion af H 2 i en PEM-brændselscelle. Apparatur: Brændselscelle, spændingsforsyning, voltmeter, amperemeter, dekaderesistor, ur. Teori: Vi ved, at vi kan bestemme den effekt, som en spændingskilde kan levere, ved at beregne produktet af spændingen U og strømstyrken I, P = U I (formel 1, side 11). Der er også sammenhæng mellem energi og effekt, idet effekten findes ved at dividere energien med den tid, der går strøm i kredsløbet Energi E (2) Effekt = eller P = Tid t Ved at kombinere formel 1 og 2, får man (3) E = P t = U I t NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 15 af 24

16 Den producerede hydrogen indeholder energi, der senere kan bruges som brændsel i brændselscellen. Energiindholdet bestemmes som (4) E Hydrogen = H V V hvor H v er brændværdien for den producerede H 2. Tabellen til højre viser dels, at brændværdien er temperaturafhængig, dels, at der er forskel på, om H 2 omdannes til vand (øvre brændværdi) eller til vanddamp (nedre brændværdi). I det følgende bruger vi værdien H V =12J/mL. Nyttevirkningen η bestemmes som Eudnyttet (5) η = E forbrugt Temperatur C øvre H V J ml nedre H V J ml 0 12,75 10, ,88 10, ,88 9,88 I dette tilfælde har vi brugt elektrisk energi, så den forbrugte energi er E elektrisk =U I t, og den energi, der kan udnyttes, er energien i den producerede hydrogen, altså E Hydrogen = H V V. Det giver følgende formel for nyttevirkningen ved produktion af hydrogen: (6) η = E E Hydrogen Elektrisk energi HV V = U I t Udførelse: 1. Klargør først brændselscellen. 2. Lav derefter en opstilling som den, der er vist på figuren til højre. Start med den øverste del af kredsløbet: spændingsforsyning, dekaderesistor, amperemeter og brændselscelle. Dekaderesistoren skal indstilles, så strømstyrken bliver mellem 100 og 150mA. Prøv med 200Ω. Tilføj derefter kredsløbet med voltmeteret. 3. Tænd for spændingsforsyning og stopur, og aflæs tid, strømstyrke og spænding hver gang der er produceret 2mL H 2. Stands, når der er produceret 12mL H 2. Databehandling: Lav et skema som dette (det gør du nemmest i Excel). For hver 2mL produceret H 2 beregnes, hvor meget elektrisk energi der er brugt (U I t), energiindholdet i den producerede hydrogen (H V V), og nyttevirkningen η. Konklusion: Fejlkilder: t V t U I t V H V V η s ml s J ml J % , , NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 16 af 24

17 Eksperiment: Nyttevirkning for brændselscelle, der producerer elektrisk energi Formål: At bestemme nyttevirkningen η for en PEM-brændselscelle, når den producerer elektrisk energi. Teori: Nyttevirkningen η bestemmes som (5) η = E E udnyttet forbrugt I dette tilfælde bruger vi energi fra hydrogen, så den forbrugte energi er E Hydrogen = H V V. Den udnyttede energi er den elektriske energi, som brændselscellen producerer, altså E elektrisk =U I t. Det giver følgende formel for nyttevirkningen ved produktion af elektrisk energi ud fra hydrogen: (7) E η = E Elektrisk Hydrogen U I t = H V V Apparatur: Brændselscelle, der er tanket op, så der er H 2 og O 2 i lagerbeholderne, voltmeter, amperemeter, dekaderesistor, ur. Udførelse: Lav en opstilling som den, der er vist på figuren til højre. Vent med at forbinde ledningerne ved brændselscellens ene pol, til du er klar til at måle. Sæt voltmeteret på 2V, og amperemeteret på 200mA. Du må ikke skifte måleområde under forsøget. 1. Sæt dekaderesistoren på en passende værdi, fx 5Ω, så den strømstyrke, som brændselscellen skal levere, bliver et sted mellem 50 og 150mA. Over 50mA, ellers tager forsøget for lang tid, under 150mA, da brændselscellen bliver ødelagt, hvis strømstyrken er større. 2. Aflæs tiden t, spændingsforskellen U og strømstyrken I, hver gang der er brugt 2mL H 2. Databehandling: Lav et skema som dette (det gør du nemmest i Excel). For hver 2mL forbrugt H 2 beregnes energiindholdet i den forbrugte H 2 (H V V), i den producerede elektriske energi (U I t), og heraf findes brændselscellens nyttevirkning η ved produktion af elektrisk energi. Konklusion: Fejlkilder: t V t V U I U I t H V V η sek ml sek ml V A J J % ,73 0,07 6, ,73 0,07 7, ,73 0,07 7, ,73 0,07 8, NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 17 af 24

18 Eksperiment: Brændselscellens karakteristik Formål: At bestemme karakteristikken for en brændselscelle, den producerer elektrisk energi. Apparatur: Brændselscelle, der er tanket op, så der er H 2 og O 2 i lagerbeholderne, voltmeter, amperemeter, dekaderesistor. Opstilling: 1. Lav først et kredsløb bestående af brændselscelle, dekaderesistor og amperemeter. Dekaderesistoren skal stå på den størst mulige værdi, og amperemeteret skal stå på 10A-området (ved alle målinger. Det er ødelæggende for forsøgsresultaterne, hvis du ændrer måleområde undervejs!). 2. Tilføj dernæst et voltmeter, der forbindes til brændselscellen. Voltmeterets måleområde må heller ikke ændres under forsøget. Udførelse: Indstil dekaderesistoren på den 4700Ω, og aflæs sammenhørende værdier af strømstyrken I og spændingsforskellen U, og skriv værdierne i et skema i Excel. Indstil på den næste værdi af resistansen, og aflæs igen I og U. Gentag for alle de anførte resistanser. Resultater: R / Ω ,7 2,2 1,0 I / ma U / V P / mw Databehandling: Udregn for hver af dine aflæsninger også den effekt, som brændselscellen har leveret. Det gør du nemt i Excel ved at lave en ekstra række, hvor du beregner produktet af strømstyrken I og spændingsforskellen U. Lav diagrammer for brændselscellens karakteristik (U som funktion af I), og for brændselscellens effektkurve (effekten P som funktion af I). Hvad er den maksimale spænding, som brændselscellen kan levere, og hvad er den maksimale effekt, brændselscellen kan levere? Hvilken resistans skal der tilsluttes, for at brændselscellen leverer den maksimale effekt? Konklusion: Fejlkilder: Andre eksperimenter med brændselsceller - Bestem karakteristik og effektkurve for to ens brændselsceller, der er forbundet i serie. Hvilken værdi skal den ydre resistans have, for at de seriekoblede brændselsceller s effekt bliver størst mulig? Hvad er ideen med at anbringe brændselsceller i serie? - Bestem det samlede energiindhold i en optanket brændselscelle. Brug samme opstilling som i eksperimentet med nyttevirkning for brændselscelle. Stil dekademodstanden på en værdi, fx 5Ω. Aflæs, hvor meget H 2 der er i lagertanken, og aflæs så for hver 30. sekund værdierne af I og U, indtil al H 2 er brugt. Beregn den producerede elektriske energi, og sammenlign med energien i den mængde H 2, der blev brugt i forsøget. NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 18 af 24

19 Energi fra solen Jorden modtager hele tiden strålingsenergi fra Solen, blandt andet i form af synligt lys, ultraviolet lys og varmestråling. Ved satellitmålinger har man fundet, at en flade på 1m 2 lige uden for Jordens atmosfære i gennemsnit modtager 1367J hvert sekund, hvis fladen er anbragt vinkelret på retningen til Solen. Det svarer til, at den 1m 2 store flade modtager effekten 1367W (fordi effekt er defineret som energi pr. tid). Denne størrelse den effekt, som en flade på 1m 2 lige uden for Jordens atmosfære i gennemsnit modtager kaldes solarkonstanten og benævnes I 0. Den er som sagt målt til I 0 = 1367 W/m 2 På vejen gennem atmosfæren spredes og absorberes en del af strålingen fra solen, så ved jordoverfladen er intensiteten af solstrålingen mindre end I 0. På gode sommerdage kan intensitet af solstrålingen i Danmark være op mod 1000W/m 2. Eksperiment: Måling af solstrålingens intensitet ved jordens overflade Metode 1: Håndpyranometer Solstrålingens intensitet kan fx måles med et håndpyranometer som det, der er vist på billedet til højre. Opgave Fabrikanten angiver, at apparatet har en nøjagtighed på ±5%. Bestem den største og den mindste værdi, solstrålingens intensitet kan have haft ved den måling, der er vist på instrumentet. Metode 2: Pyrheliometer Pyrheliometeret er et langt rør, monteret så det kan drejes fra 0 til 90 i lodret retning. Rørets inderside er sortmalet, og i bunden af røret sidder en messingklods, der også er sortmalet. Når pyrheliometeret rettes mod solen (eller en anden strålingskilde), vil messingklodsens temperatur stige. Solstrålingens intensitet kan bestemmes ved at måle, hvor meget temperaturen stiger i løbet af et fastlagt tidsrum, fx 300 sekunder. Ud fra temperaturstigningen kan man nemlig bestemme den energi, som solstrålingen har afleveret til messingklodsen, og når man kender tiden, kan man beregne solstrålingens effekt. Energien beregnes med formlen E = m c t, hvor m er messingklodsens masse, c er messings varmefylde, og t er temperaturstigningen. Se Naturvidenskabeligt grundforløb, opslag 8. Effekten findes ved at dividere energien med den tid, opvarmningen tog, idet Energi E (2) Effekt = eller P = Tid t Men messingklodsen har ikke et areal på 1m 2, så man skal dividere med messingklodsens areal, før man har en eksperimentelt fundet værdi for solarkonstanten. Desværre er metoden ikke skudsikker. Man kan fx stille spørgsmål som disse til metoden: - Modtager messingklodsen al den energi, der er i solstrålingen? - Afleverer messingklodsen noget af energien videre til omgivelserne, så temperaturstigningen ikke bliver høj nok? NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 19 af 24

20 Metode 3: Sortmalet reagensglas Metoden svarer til pyrheliometer-metoden: anbring et sortmalet reagensglas med vand i solen, vinkelret på solstrålerne, og mål temperaturstigningen i vandet i et fastlagt tidsrum, og find en eksperimentel værdi for solarkonstanten ud fra disse målinger. Opgave Det sortmalede reagensglas har massen 26,6g, og der er 25,6g vand i reagensglasset. I løbet af 300 sekunder stiger temperaturen 6,2 C. - Beregn hvor meget energi der er tilført vand og reagensglas. - Beregn effekten. Reagensglasset er 18cm langt, og dets diameter er 2cm, så det areal, som solstrålingen kan ramme, er A=18cm 2cm=36cm 2. - Bestem en værdi for solarkonstanten ud fra den fundne effekt og arealet. Opgave Overvej, hvilke kritiske spørgsmål man kan stille til denne reagensglasmetode. Stof c J kg C Jern 452 Messing 390 Glas 750 Ethanol 2430 Vand 4186 Solceller I en solcelle omdannes energi fra solstrålingen direkte til elektriske energi, der kan registreres som strøm og spænding i et elektrisk kredsløb. En enkelt solcelle producerer hverken strøm eller spænding nok til at drive mere energikrævende apparater. Derfor samles solceller ofte i større solpaneler, der kan levere højere spændinger, fx 12V eller 24V, og større strømstyrker. I stedet for at angive strømstyrken angiver man ofte solpanelets effekt. Solcellens karakteristik For at få en ide om, hvor stor spænding og strøm en solcelle kan levere, bestemmer man solcellens karakteristik. I solcelle-karakteristikken lægger vi mærke til, at den spænding, som solcellen kan levere, bliver mindre og mindre, jo større strømstyrker man lader solcellen levere. På effektkurven er det tydeligt, at man med den pågældende solcelle får størst effekt ved en strømstyrke på ca. 190mA. Ved denne strømstyrke er spændingen ca. 1,5V, altså noget lavere end den maksimale spænding, som solcellen kan levere. For at få solcellen til at levere den maksimale effekt, skal man (i det viste tilfælde) indrette det elektriske kredsløb som solcellen indgår i, på en sådan måde at solcellen leverer en strømstyrke på ca. 190mA. For at finde ud af, hvordan man gør det, ser vi på den opstilling der bruges til måling af solcellens karakteristik. NV3: Energiressourcer og fremtidens brintsamfund 1b ved DN, PH og PP Side 20 af 24