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Aufgabe

Mobile Stromversorgung mit Brennstoffzelle

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Das NEXA Power Modul von Ballard Power ist ein tragbares Gerät, das eine elektrische Leistung von \(P=1{,}2\,\rm{kW}\) zur Verfügung stellt. Es verbraucht dazu in 1 Stunde etwa 5 Liter Wasserstoff, der in einer Druckflasche mit 200 bar gespeichert ist.

a)Zeige den Vorteil des Druckspeichers. Berechne dazu im Vergleich das Gasvolumen, das unter Normalbedingungen notwendig wäre.

b)Welche Energie in kWh ist in dem Wasserstofftank enthalten? Suche aus der Tabelle die nötigen Angaben.

c)Gib den Gesamtwirkungsgrad der Energieumwandlung an.

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a)Das Gas steht unter einem Druck von 200 bar, also ist der Druck zweihundertmal so groß wie der Normaldruck. Würde man die fünf Liter Wasserstoff mit 200 bar aus der Flasche ausströmen lassen, so dass das Gas dann Normaldruck besitzt, so würde das Gas das zweihundertfache Volumen einnehmen also:\[5\cdot 200\ell=1000\ell\]

b)Aus der Tabelle in der Formelsammlung kannst du entnehmen, dass ein Kubikmeter (= 1000 l) Wasserstoff etwa \(3{,}0\,\rm{kWh}\) chemische Energie darstellen. Nach Teilaufgabe a) enthält die Druckflasche somit die chemische Energie \(3{,}0\,\rm{kWh}\).

a)Wenn für eine Stunde lang die elektrische Leistung von \(P=1{,}2\,\rm{kW}\) abgegeben wird, dann gilt für die elektrische Energie:\[\Delta E_{el} = P_{el} \cdot \Delta t \Rightarrow \Delta E_{el} = 1{,}2\,\rm{kW} \cdot 1{,}0\,\rm{h} = 1{,}2\,\rm{kWh}\]Für den Wirkungsgrad gilt hier \[\eta = \frac{\Delta E_{el}}{\Delta E_{chem}}\Rightarrow \eta = \frac{1{,}2}{3{,}0}\rm{\frac{kWh}{kWh}} = 40\%\]

Der Gesamtwirkungsgrad der Energieumwandlung beträgt also 40%.