ZACplus Citizen-Science workshop vom 07.06. bis 09.06.2024

Ort: OpenEcoLab Rahden

Teilnehmer: 8

Bei diesem workshop wurde die neue Zelle mit integrierter Zirkulation in Betrieb genommen sowie ein paar kleiner Versuche durchgeführt. Zu unserer positiven Überraschung lief die Zelle wesentlich länger als zunächst erwartet, so dass dieser workshop spontan verlängert wurde bis zum 16.09. und ein erfolgreicher Langzeitversuch durchgeführt werden konnte.

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https://www.youtube.com/watch?v=QRqRMy4RytU

Experiment 07.06.2024-1

Einführung:

Dieses Experiment gehört noch zu der am 10.05. begonnenen Versuchsreihe mit dem Recycler (Experiment 10.05.2024-2), wobei die Spannung variiert wird. Es wurde bereits mit 2,4V und 4,2V gemessen und jetzt kommt noch eine weitere Messung mit 3,6V hinzu. Die Beschreibung und Darstellung der Ergebnisse aus den vorigen Versuchen sind zu finden unter [1]

Methoden / Setup: Es geht hier um eine Messung der Gewichtszunahme an Zink (Zn) welches aus Zinkoxid (ZnO) im Recycler gewonnen wird und über mehrere Stunden läuft. In dieser Variation beträgt dabei die vorgegebene Spannung 3,6 V und der dabei von der Zelle gezogene Strom in Ampere ist der zu messende Wert. Dabei lagert sich das Zink an der Gitterelektrode an so dass sich eine Art Zinkschwamm bildet der ständig wächst und an Gewicht zunimmt. Da die Gitterelektrode hängend an einer Federwaage befestigt ist kann die Gewichtszunahme beobachtet und gemessen werden.

Ergebnisse:

Wie bei den vorigen Durchgängen erfolgt auch hier die Zunahme in Form einer linearen Geraden, welche nach ca. 440 Minuten keine weitere Gewichtszunahme mehr zeigt.

Im folgenden Diagramm sind die Geraden aus den vorigen Versuchen (mit 2,4V und 4,2V) und aus diesem (mit 3,6V) zum Vergleich eingetragen, allerdings ohne den jeweiligen Offset (d.h. nur das reine bzw. netto-generierte Zink-Gewicht) und es wird deutlich, dass mit der Spannung die Steigung zunimmt.

Diskussion:

Das heisst, dass ein gegebene Gewichtszunahme, wie zB. 1,50 g desto schneller erreicht wird, je höher die Spannung ist, d.h. bei 4,2V bereits nach rund 150 min, bei 3,6V nach ca. 420 min und bei 2,4V nach ca. 495 min. In dieser Anwendung ist aber nicht die Schnelligkeit der Umsetzung relevant sondern der optimale Stromverbrauch (um einen mglichst guten Wirkungsgrad zu erzielen). Wir haben daher mal im folgenden Diagram exemplarisch für 3,6V die sich aus dem gemessenene Stromfluss ergebende Leistung aufgetragen. Sie verläuft linear und nahezu konstant bei knapp 2,9 Watt, abgesehen von einer kurzen Einschwingphase am Anfang, die wir hier aber vereinfachend mal vernachlässigen wollen. Am Ende fällt sie dann steil ab, weil das verfügbare Zinkoxid verbraucht ist bzw. umgewandelt wurde (und die Gewichtszunahme des Zinks somit ebenfalls deutlich abflacht). Die anderen beiden Spannungen werden hier jetzt nicht gezeigt, aber auch da war der Verlauf linear und nahezu konstant (d.h. horizontal) und betrug bei 2,4V rund 0.8 Watt und bei 4,2V rund 4,3 Watt.

Wenn wir nun diese Werte auf die soeben angegebenen Zeiten zur Regeneration von jeweils 1,5 g Zink beziehen, dann können wir untereinander vergleichen. Um also 1,5 g Zink zu generieren wurden bei 2,4V in 495 min rund 6,6 Wh an zugeführter Energie benötigt. Bei 3,6V waren es 20,3 Wh und bei 4,2 V ergaben sich 10,75 Wh. Intuitiv würde man erwarten, dass die Energiemenge bei 3,6V irgendwo zwischen den anderen beiden Spannungen liegt. Um auszuschliessen, dass es sich hier um ein Mess-Artefakt handelt, sollte der Versuch nochmal durchgeführt werden. Es könnte aber auch andere Ursachen haben und im Messaufbau begründet sein. Wenn man nur 3,6V und 2,4V vergleicht, dann sieht es so aus, dass man mit einer längeren ZeitDauer der Umwandlung einen geringeren Energieverbrauch und ddmit einen besseren Wirkungsgrad erkaufen könnte. Da es bei einer höheren Spannung irgendwann zu vermehrter Wasserstoffbildung kommt, könnte es aber zB. auch sein, dass diese bei 4,2V so ausgeprägt ist, dass das Zinkoxid, welches ja in Pulverform vorliegt, stärker aufgewirbelt wird und somit besser umgesetzt werden kann. Die Elektrode besteht ja aus einem Drahtgitter und das Pulver setzt sich darauf ab, ein Teil des Pulvers rutscht aber durch das Gitter und befindet sich unterhalb (was man auf dem obgen Bild mit dem becherglas gut erkennen kann). An der Umwandlungsreaktion ist aber nur jener Anteil, der sich oberhalb des Gitters befindet, insofern können Verwirbelung (und auch andere Faktoren) das Ergebnis beeinflussen.

Zusammenfassung / Ausblick:

In künftigen Experimenten mit dem Recycler wird es darum gehen, den Stromverbrauch bei der Zink-Regenerierung weiterhin zu optimieren, da dieses essentiell für einen guten Wirkungsgrad ist. Die bisherigen Versuche sind eher als eine Art Vorversuche anzusehen, um sich an die Sache heranzutasten. Aber sie sagen noch nichts über einen erreichbaren Minimal-Stromverbrauch aus, da dieser von vielen unterschiedlichen Faktoren abhängen kann, wie zB. die Größe bzw. Fläche der Elektroden, deren Abstand zueinander, aus welchem Material sie bestehen, die Art und Weise wie das Zinkoxid ind as System eingebracht wird usw. Was aber auch ganz ok ist, denn dadurch eergeben sich noch etliche Möglichkeiten zur Optimierung.