Experimento | 10+: B7 Kondensator, Wasserstoff, Redox-Flow

Schemagrafik:Die Redox-Flow-Zelle ist ein Akkumulator und arbeitet sozusagen mit flssigen Elektrodenmaterialien, z. B. aus Zink (Zn) und Iodid (I). Die Grafik zeigt den Fluss des Elektrodenmaterials beim Entladen der Zelle. Zwei Grafitelektroden (schwarze Flchen) dienen als Stromabnehmer. Zink (Zn) wird an seiner Elektrode oxidiert, das Iodid (I) wird an seiner Elektrode reduziert. Beim Aufladen legt man Spannung an und pumpt die beiden Lsungen wieder an den Elektroden vorbei. Hinweise und Ideen:Welche Vorteile hat dieses Verfahren gegenber herkmmlichen Galvanischen Zellen?Normalerweise arbeitet eine Redox-Flow-Zelle mit Zink (Zn) und Bromid (Br). Im Schler-Experiment wird das Bromid aus Sicherheitsgrnden durch Iodid (I) ersetzt.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2016 (CC BY-SA 4.0 international)

bersichtsgrafik:Es werden Beispiele fr direkte und indirekte Speicher elektrischer Energie gezeigt und es wird die gespeicherte Energieform benannt.Elektrische Energie sollte mglichst genau zu dem Zeitpunkt erzeugt werden, an dem sie auch gebraucht wird. Denn elektrische Energie lsst sich nur schlecht und mit hohen Kosten speichern. Man unterscheidet direkte und indirekte Speicher fr elektrische Energie. Direkt lsst sich elektrische Energie nur in Kondensatoren speichern. Bei der indirekten Speicherung muss die elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt werden, die dann gespeichert werden kann. Hinweise und Ideen:Die Schlerinnen und Schler sollen sich Gedanken ber die wirtschaftliche Nutzung der gezeigten Energiespeicher machen (z.B.: Wie viel Energie kann gespeichert werden? Ist der Energiespeicher problemlos einsetzbar? Wo treten Verluste auf?).Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Infomodul:Zusammenfassende Darstellung der zurzeit technisch mglichen Energiespeicher.Damit Energie immer dann zur Verfgung steht, wenn man sie braucht, wird sie gespeichert. Das Medium zeigt die wichtigsten Energiespeicher fr thermische, mechanische, chemische und elektrische Energie. Sie sind insbesondere im Hinblick auf den Einsatz regenerativer Energien von groer Bedeutung. Um Energie zu speichern, sind meist Umwandlungsprozesse ntig, da nicht alle Energieformen fr die Speicherung gleich gut geeignet sind. Mit welchem Wirkungsgrad die Speicherung erfolgt, wird hier im berblick gezeigt.Hinweise und Ideen:Ausfhrliche Informationen zu den Energiespeichern findet man auch im Leitfaden Regenerative Energien, der auf dem Medienportal der Siemens Stiftung vorhanden ist.Unter Verwendung der Quellen: TH Aachen, RWE, Uni Stuttgart, ISEA, TH Aachen, Firma BKE SchaltnetzteileFcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbH unter Verwendung von Medien von Michael Heimerl - Eigenes Werk\\, CC BY-SA 3.0\\, (Seite Elektrische Energiespeicher: Bus\\; Lizenz: CC BY-SA 3.0)Lizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Simulation:Prinzip der Energiespeicherung und Freisetzung am Beispiel Wasser, animiert dargestellt.Die Energie steckt streng genommen nicht nur in den Moleklbewegungen und -schwingungen sondern auch im bergang zwischen den Aggregatzustnden. Wobei Wasser beim Verdampfen bzw. Kondensieren aufgrund der starken Wasserstoffbrckenbindungen relativ viel Energie aufnimmt bzw. freisetzt. Hinweise und Ideen:Als Grundlage fr das Thema Wasser als Energiespeicher und Wasser in der Energiegewinnung, was unter anderem wichtig ist fr die Wrmekraftmaschinen, wie z.B. die Dampfmaschine. Auch ohne in die Thermodynamik einzusteigen, wird bereits hier deutlich, woher Dampfmaschinen ihre Energie beziehen: Der berhitzte Wasserdampf hat hohen Wrmeenergieinhalt. Dies entspricht bei gleichem Volumen einem hohen Druck, der einen Kolben bewegen kann.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2017 (CC BY-SA 4.0 international)

Infomodul:Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle. Sie ist die ideale Stromquelle, falls sich Wasserstoff als Energietrger aus regenerativen Quellen durchsetzt.In Brennstoffzellen verbrennt Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser. Die Wasserstoff- bzw. Sauerstoffmolekle werden an katalytisch aktivierten Elektroden ionisiert. Wasserstoff gibt dabei Elektronen ab, Sauerstoff nimmt die Elektronen auf. Das Infomodul zeigt dieses Urprinzip der Brennstoffzelle und erklrt (grafisch und als Animation) eine moderne Membranbrennstoffzelle mit Polymermembran, eine sog. PEM-Brennstoffzelle. Als Anwendung wird der Einsatz in Kraftwerken vorgestellt. Hier verwendet man meist Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzellen (engl. Kurzname Solid Oxide Fuel Cell, SOFC). Die Kenngren von PEM- und SOFC-Brennstoffzellen werden gegenbergestellt.Hinweise und Ideen:Brennstoffzellen werden in Kraftwerken auch in Kombination mit Gasturbinen zum Einsatz kommen.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2020 (CC BY-SA 4.0 international)

Grafik, interaktiv: Der Strom- und Spannungsverlauf fr den Lade- und Entladevorgang eines Plattenkondensators wird fr unterschiedliche Kondensator-Kapazitten gezeigt.Es wird je ein Schaltkreis fr Lade- und Entladevorgang gezeigt. Die Kapazitt des im Schaltkreis enthaltenen Kondensators kann variiert werden. Ausgehend von einem Kondensator mit Dielektrikum Luft sowie definierter Flche und definiertem Plattenabstand sind folgende Variationen mglich: Verdopplung des Plattenabstands Verdopplung der Plattenflche Einbringen einer Glasplatte zwischen die Kondensatorplatten.Fr den Lade- und Entladevorgang bei unterschiedlichen Kapazitten knnen unabhngig voneinander die zugehrigen Strom- und Spannungskurven eingeblendet werden.Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2020 (CC BY-SA 4.0 international)

Simulation:So wird aus Wasser unter Zuhilfenahme von Solarenergie Wasserstoff. Dieser kann in Tanks bis zur weiteren Verwendung gesammelt werden.Der Strom, der mithilfe von Solarkollektoren erzeugt wird, zerlegt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (vgl. Prinzip der Elektrolyse).Die Simulation zeigt den Ablauf des Vorganges. Die zugehrigen Gleichungen (Wortgleichung und Reaktionsgleichung) knnen Schritt fr Schritt entwickelt werden.Hinweise und Ideen:Technologien unter Nutzung von Wasserstoff gehren zu den Zukunftstechnologien.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2022 (CC BY-SA 4.0 international)

Grafik, interaktiv:Schematische Darstellung und Ersatzschaltbild eines Gold Cap-Kondensators.Schema und Ersatzschaltbild knnen interaktiv einzeln oder komplett beschriftet werden. Auch die Beschriftung von Hand am interaktiven Whiteboard ist mglich.Fcher: PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbH unter Verwendung von Medien von: Siemens StiftungLizenz: Siemens Stiftung 2020 (CC BY-SA 4.0 international)

Lsungsblatt:Zum gleichnamigen SFU-Arbeitsblatt.Nhere Informationen finden Sie beim zugehrigen SFU-Arbeitsblatt B7 Kondensator, Wasserstoff, Redox-Flow (SFU-Arbeitsblatt 1), das auf dem Medienportal der Siemens Stiftung vorhanden ist.Fcher: Chemie, Deutsch fr Kinder anderer Muttersprache, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: Michael MaiwormLizenz: Siemens Stiftung 2016 (CC BY-SA 4.0 international)

SFU-Arbeitsblatt:Zur gleichnamigen Experimentieranleitung fr Schlerinnen und Schler. Methoden-Werkzeug: Textpuzzle nach Josef Leisen und Heinz Klippert.Hinweis: Dieses Arbeitsblatt wurde speziell fr den sprachsensiblen Fachunterricht (SFU) entwickelt. Es verwendet das Methoden-Werkzeug Textpuzzle nach Josef Leisen und Heinz Klippert. Das Textpuzzle kann gut zum eigenstndigen Lernen eingesetzt werden. Sprachschwache Schlerinnen und Schler erhalten Untersttzung beim Verstehen und Trainieren der Fachsprache. Sie arbeiten mit dem Fachvokabular und werden so befhigt, fachlich zu kommunizieren. Fcher: Chemie, Deutsch fr Kinder anderer Muttersprache, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: Michael MaiwormLizenz: Siemens Stiftung 2016 (CC BY-SA 4.0 international)

SFU-Arbeitsblatt:Zur gleichnamigen Experimentieranleitung fr Schlerinnen und Schler. Methoden-Werkzeug: Der heie Stuhl nach Josef Leisen und Heinz Klippert.Hinweis: Dieses Arbeitsblatt wurde speziell fr den sprachsensiblen Fachunterricht (SFU) entwickelt. Es verwendet das Methoden-Werkzeug Der heie Stuhl nach Josef Leisen und Heinz Klippert. Der heie Stuhl ist ein Lernspiel und dient dem Einben von Fachbegriffen, deren Artikeln und Pluralendungen. Sprachschwache Schlerinnen und Schler erhalten Untersttzung beim Verstehen und Trainieren der Fachsprache. Sie arbeiten mit dem Fachvokabular und werden so befhigt, fachlich zu kommunizieren. Fcher: Chemie, Deutsch fr Kinder anderer Muttersprache, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: Michael MaiwormLizenz: Siemens Stiftung 2016 (CC BY-SA 4.0 international)

Experimentieranleitung zu Experimento | 10+:Inhaltliche Hintergrundinformationen und praktische Hinweise zur Durchfhrung des Experiments B7 Kondensator, Wasserstoff, Redox-Flow Wir speichern regenerative Energie. Es umfasst drei Teilexperimente.Das Experiment setzt sich aus drei Teilexperimenten zusammen: Speicherung von elektrischer Energie in chemische Energie (Wasserstoff) Direkte Speicherung von elektrischer Energie in Kondensatoren Speicherung von elektrischer Energie in der Zinkjodid-Zelle (Redox-Flow)Die Abfolge von Teilexperimenten zur Energiespeicherung bietet einen aktuellen Einstieg in ein Thema, das fr den Einsatz von regenerativen Energien besonders wichtig ist. Der zeitliche und inhaltliche Umfang der Experimente ist allerdings relativ gro. Deshalb eignet sich der Einsatz der Experimente vor allem in Form eines Projekts bzw. Projekttags zum Thema Energiewende. Aufgrund des Umfangs ist es auch kaum mglich, die zugrunde liegenden naturwissenschaftlichen Themen von den Schlerinnen und Schlern im Experiment erarbeiten zu lassen. Ein gewisses physikalisches und chemisches Grundwissen vorausgesetzt, knnen sie dieses allerdings anhand der Experimente bestens verifizieren. Alternativ knnen die Teilexperimente natrlich auch einzeln dazu verwendet werden, anhand einer lebensnahen technischen Anwendung den Einstieg in eines der naturwissenschaftlichen Basisthemen zu finden. Hinweise: Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise in der Anleitung sowie die fr Ihre Schule geltenden Sicherheitsrichtlinien. Alle in der Anleitung genannten Materialien mssen selbst im Handel beschafft werden. Einzelne Experimentiermaterialien knnen auch im Onlineshop des Lehrmittelherstellers Arnulf Betzold GmbH unter www.betzold.de/experimento kostenpflichtig bezogen werden.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: Dieter Arnold\\, Burkhard Apell fr die Siemens StiftungLizenz: Siemens Stiftung 2021 (CC BY-SA 4.0 international)

Linkliste:Weiterfhrende Informationen zum Experiment B7 Kondensator, Wasserstoff, Redox-Flow Wir speichern regenerative Energie.Die Links knnen zur Vorbereitung bzw. zur Vertiefung des Experiments aus Experimento | 10+ eingesetzt werden.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2015 (CC BY-SA 4.0 international)

Lsungsblatt:Zur gleichnamigen Experimentieranleitung fr Schlerinnen und Schler.Das Lsungsblatt enthlt Musterantworten auf alle Fragen, die in der Experimentieranleitung fr Schlerinnen und Schler gestellt werden. Die Antworten sind z. T. sehr kurz, oft nur stichwortartig. Je nach Lernziel mssen sie noch durch zustzliche Erarbeitung aus Lehrbchern und ggf. Recherchen im Internet ergnzt und vertieft werden!Ebenso wird auf die Auswertungen zu den einzelnen Teilexperimenten eingegangen, aber nur dort, wo sich erfahrungsgem Schwierigkeiten ergeben knnten.Nhere Informationen finden Sie in der zugehrigen Experimentieranleitung B7 Kondensator, Wasserstoff, Redox-Flow (Schleranleitung) , die auf dem Medienportal der Siemens Stiftung vorhanden ist.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2015 (CC BY-SA 4.0 international)

Experimentieranleitung zu Experimento | 10+:Ausfhrliche Anweisungen und Fragen fr Schlerinnen und Schler zur Durchfhrung des Experiments B7 Kondensator, Wasserstoff, Redox-Flow Wir speichern regenerative Energie. Es umfasst drei Teilexperimente.Das Experiment setzt sich aus drei Teilexperimenten zusammen: Speicherung von elektrischer Energie in chemische Energie (Wasserstoff) Direkte Speicherung von elektrischer Energie in Kondensatoren Speicherung von elektrischer Energie in der Zinkjodid-Zelle (Redox-Flow)Zu jedem Teilexperiment erhalten die Schlerinnen und Schler zunchst einen berblick ber die zu verwendenden Materialien sowie Sicherheitshinweise. Darauf folgt die ausfhrliche Schritt-fr-Schritt-Anleitung zur Versuchsdurchfhrung. Im Anschluss daran werden die Schlerinnen und Schler aufgefordert, ihre Beobachtungen zu notieren. Anhand von konkreten Fragen wird auf die Auswertung der Versuchsergebnisse hingefhrt. Zum Abschluss werden vertiefende Fragen zum Experiment gestellt (Lsungsblatt fr die Lehrkraft vorhanden).Hinweise und Ideen: Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise in der Anleitung sowie die fr Ihre Schule geltenden Sicherheitsrichtlinien und besprechen Sie diese mit den Schlerinnen und Schlern.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: Dieter Arnold\\, Burkhard Apell fr die Siemens StiftungLizenz: Siemens Stiftung 2021 (CC BY-SA 4.0 international)

Handreichung: Anleitung fr die Lehrkraft zum Eigenbau einer einfachen Zinkjodid-Zelle.Die Zinkjodid-Zelle oder Zinkjodid-Batterie ist fr die Schule ein gut geeignetes Modell, um die Funktionsweise einer aufladbaren Batterie zu verstehen.Die hier vorgeschlagene Bauweise in einem geschlossenen Behlter ermglicht eine grere Sicherheit beim Experimentieren und die Wiederverwendbarkeit der Materialien wirkt sich schonend fr Umwelt und Geldbeutel aus.Hinweise und Ideen:Als Ergnzung zum Experiment B7 Kondensator, Wasserstoff, Redox-Flow Wir speichern regenerative Energie. Dieses Experiment gehrt zu Experimento|10+, einem der drei Module des Projekts Experimento der Siemens Stiftung, das neben den Anleitungen auch Pdagogenfortbildungen und Ksten mit Experimentiermaterialien umfasst. Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: Dieter ArnoldLizenz: Siemens Stiftung 2016 (CC BY-SA 4.0 international)

Sachinformation:So bedient man ein Digitalmultimeter richtig und vermeidet Kurzschlsse beim Aufbau von elektrischen Schaltungen.Die Schlerinnen und Schler erlernen den richtigen Umgang mit dem Digitalmultimeter (Sicherheitshinweise, Auswahl des Messbereichs, Anschlieen der Messkabel usw.). Zustzlich werden Schaltkreise fr einfache elektrische Messungen vorgestellt und es wird erklrt, was bei den jeweiligen Messungen zu beachten ist. Ergnzend dazu gibt es Tipps zur Vermeidung von Kurzschlssen beim Aufbau von Schaltungen und zum sachkundigen Umgang mit Batterien und Akkus.Hinweise und Ideen:Die Themen, die in diesem Grundkurs behandelt werden, sind nur in dem Umfang und in der Tiefe dargestellt, wie es fr das Arbeiten mit Experimento | 10+ ntig ist.Fcher: Biologie, Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbH unter Verwendung von Medien von: Siemens StiftungLizenz: Siemens Stiftung 2021 (CC BY-SA 4.0 international)

Sachinformation:berblick ber grotechnisch nutzbare Energiespeicher, klassifiziert nach der gespeicherten Energieform.Es werden nur die Energiespeicher aufgefhrt, die bereits jetzt eine grere praktische Bedeutung oder ein hohes Potenzial fr die Zukunft haben.Die Speicher sind nach folgenden Energieformen klassifiziert: thermisch, mechanisch, chemisch, elektrisch und magnetisch.Hinweise und Ideen:Diese Sachinformation ist eine Auskopplung aus dem Leitfaden Regenerative Energien fr die Lehrkraft, der auch auf dem Medienportal der Siemens Stiftung vorhanden ist.Fcher: Chemie, PhysikBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2016 (CC BY-SA 4.0 international)

Handreichung:Informationen fr die Lehrkraft zum Einsatz von Experimento | 10+ im Unterricht.Die Lehrkraft erhlt eine pdagogisch-didaktische Einfhrung zum Einsatz von Experimento | 10+ im Unterricht. Die meist unaufwndigen Freihandversuche knnen fcherbergreifend durchgefhrt werden, sie eignen sich als Einstieg in ein neues Thema oder zur bung des bereits Gelernten. Sie haben aktuellen Alltagsbezug, untersttzen selbststndiges, kompetenzorientiertes Lernen und sind fr verschiedene Altersstufen geeignet. Bibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: Dr. Michael Huber fr die Siemens StiftungLizenz: Siemens Stiftung 2021 (CC BY-SA 4.0 international)

Projektidee:Projektideen zum Thema Wasserstoff als Energiespeicher der Zukunft.Ideensammlung fr eine Vielzahl von Projektthemen, die sich mit dem Wasserstoff als Energietrger und Energiespeicher der Zukunft beschftigen. Die Schlerinnen und Schler knnen sowohl arbeitsteilig als auch gemeinschaftlich in Gruppen an den einzelnen Themen arbeiten.Hinweise und Ideen:Fr weitere Projektthemen eignet sich z.B. das Thema Wasserkraft in der Energiegewinnung.Fcher: ChemieBibliografie: Siemens StiftungRechteinhaber: MediaHouse GmbHLizenz: Siemens Stiftung 2016 (CC BY-SA 4.0 international)