Restrepo Rojas - Modellierung Zink-Luft-Brennstoffzelle - 2019
Mit der ersten Energiewende–Studie 1980 vom Institut für angewandte Ökologie (Öko Institut e. V.) wurde die Grundlage für die Etablierung erneuerbarer Energien gelegt [62]. Die unterschiedlichen Technologien der erneuerbaren Energien wie Wasserkraftwerke, Wind- und Solarenergie sowie Biomasse stellen neue Herausforderungen für die Erweiterung, die Effizienz und die Stabilität von elektrischen Leitungsnetzen dar. Aktuell wird in Deutschland ungefähr ein Drittel des Energiebedarfs durch erneuerbare Energie abgedeckt, vorwiegend durch Windkraft, gefolgt von Biomasse- und Solarenergie. Laut [7] betrug 2013 die Bruttostromerzeugung vorläufig rund 630 TWh, wovon entsprechend 23,4 % der Anteil für erneuerbare Energien waren. Davon sind 3,4 % der Anteil für Wasserkraft, 7,9 % für Windkraft, 4,5 % Photovoltaik und 6,8 % für Biomasse. Der Anteil für regenerative Hausmüllnutzung beträgt 0,8 %. Die Klassiker in der Energiebereitstellung sind in Deutschland Kohlekraft mit dem größten Anteil von rund 45 % sowie Atomkraft (15,4 %) und Energie aus Erdgas (10,5 %) [7].
Erneuerbare Energien sind auf dem Vormarsch. Fast 73 % der erneuerbaren Energien weltweit kommen von Wasserkraftwerken. Theoretisch können 80 % der weltweit benötigten Energie durch Wasserkraftwerke zur Verfügung gestellt werden, das entspricht rund 20.000 GWh/a. In Deutschland stellt die Wasserkraft nur einen geringen Anteil dar. Gegen eine Realisierung eines zeitnahen umfassenden Ausbaus der Leitungsnetze für eine flächendeckende, ausschließliche Nutzung regenerativer Energien sprechen neben den Aufwänden für diese auch ökologische Aspekte, z. B. wegen den negativen Auswirkungen auf Fische sowie die Laichplätze [60]. Laut [29] ist die Entwicklung von Windkraftanlagen in den letzten zwei Jahrzehnten gestiegen. Nach [60] steht der Wind als unerschöpflicher Primärenergieträger zur Verfügung, jedoch ist der Aufbau solcher Anlagen kostenintensiv. Ohnehin stellt die Windkraft in vielen Ländern in Zukunft eine günstige Alternative dar, die Strom liefern kann und die Strompreise langfristig reduziert. Ähnlich wie die Windkraftanlagen erfreuen sich Solarenergieanlagen einer großen Beliebtheit. Die Solarenergieanlagen sind zuverlässig. Dabei existieren grundsätzlich zwei Arten von Solarmodulen auf dem Markt: Silizium–Solarmodule und aus Umweltschutzsicht bedenklichere, dafür günstigere Dünnschicht–Module. Die Letzteren sind etwa haarbreit und enthalten Cadmiumtellurid, davon etwa 7 g reines Cadmium. Cadmium ist ein giftiges Schwermetall und ein Restprodukt aus der Verarbeitung von Zink und Blei. Deswegen ist immer wieder in Diskussion, ob diese Solarenergieanlagen mit Cadmium–Anteilen überhaupt unter erneuerbaren Energien mitgezählt werden sollen [60]. Trotzdem prägen Solaranlagen im Allgemeinen zunehmend die Energiebereitstellung und der Anteil nimmt weiter zu [29], [44].
Die Entwicklung im Bereich erneuerbarer Energien geht stetig voran und erfordert demnach die Entwicklung geeigneter Speichersysteme. Eine Alternative stellen Brennstoffzellen dar, welche durch eine chemische Reaktion von möglichst umweltschonenden Materialien zu ebenso unbedenklichen Reaktionsprodukten elektrische Energie bereitstellen.
Kurzfassung
Im Sinne der Nachhaltigkeit ist es notwendig, Konzepte für das Energiesystem der Zukunft zu entwickeln. Um die Entwicklung einer Open-Hardware-Brennstoffzelle als eine mögliche Energiequelle der Zukunft voranzubringen und dieses System optimal auszulegen, ist es erforderlich, die elektrochemischen Prozesse zu verstehen. Versuchsaufwände können mittels mathematischer Modelle und geeigneter numerischer Methoden minimiert werde. Damit können Vorhersagen über Modelle getroffen werden, Analysen erstellt und Optimierungen durchgeführt werden. Diese Arbeit befasst sich mit den elektrochemischen Prozessen in der Reaktionskammer einer Zink-Luft-Brennstoffzelle basierend auf Open-Hardware und OpenSource-Software.
Die elektrochemischen Grundlagen basieren auf einer ausführlichen Literaturrecherche im Bereich Zink-Luft-Batterien. Für die Analyse des Verhaltens der Reaktionskammer werden Konzentrationsverteilungen der Spezies, die an die elektrochemische Reaktionen teilnehmen, modelliert und simuliert. Weiterhin wird aufgrund der Transportprozesse wie Diffusion und Migration das Verhalten der Stromdichte simuliert. Die Simulation des mathematischen Modells erfolgt unter Anwendung der Open-Source-Software Python mit dem Paket FiPy, das sich für die numerische Finite–Volumen–Methode eignet.
Abstract
In terms of sustainability, it is necessary to develop concepts for the energy system for the future. In order to contribute to the development of an open-hardware zinc–air fuel cell as a potential energy source and to optimally design this system, it is necessary to understand the electrochemical processes. Experimental effort can be minimized using mathematical models and appropriate numerical methods. This can be used to make predictions about models, to create analysis and to carry out optimizations. This thesis handels the electrochemical processes in the reaction chamber of a zinc–air fuel cell based on open hardware and opensource software.
The electrochemical principles are based on a detailed literature search in the field of zinc–air batteries. For the analysis of the behavior of the reaction chamber, the distribution of concentration of the species participating in the electrochemical reactions are modeled and simulated. Furthermore, due to the transport processes such as diffusion and migration, the behavior of the current is simulated. The mathematical model is simulated using the open source software Python with the FiPy package, which is suitable for the numerical finite volume method.
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