問題一覧
1
Es soll eine abstrahierte Energiewandlungskette betrachtet werden. Zum Einspeichern sind drei Prozessschritte nötig, die einen Wirkungsgrad von 80%, 65% und 97% aufweisen. Beim Ausspeichern müssen dieselben Schritte durchlaufen werden. Zusätzlich ist ein vierter Schritt mit einem Wirkungsgrad von 70% nötig. Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad und geben Sie diesen in Prozent an!
17,81
2
Während Primärzellen interne Energiespeicher besitzen, haben Sekundärzellen einen externen Speicher.
Falsch
3
Ordnen Sie die Energiespeichertechnologien nach ihrem Wirkungsgrad!
Lihium-Ionen, Kondensator , NiMH, Blei, Redox Flow
4
Was lässt sich aus einem Ragone-Diagramm ablesen?
spezifische Energie, spezifische Leistung, minimale Entladedauer, Leistungs-Energie-Verhältnis
5
Sie trinken einen Liter Wasser aus dem Toten Meer, das vereinfacht als Kochsalzlösung betrachtet wird. Wieviel Ah Natrium-Ionen haben Sie damit zu sich genommen? Informationen: Salzgehalt 30 Gew.-%, Dichte 1,24 kg/l, MNa=23 g/mol, MCl=35 g/mol Vergleichswert: eine handelsübliche alkalische Primärbatterie der Größe AAA hat eine Kapazität von ca. 1000 mAh und ein Volumen von 3,5 ml
172 Ah
6
Die Bezeichnung von Anode und Kathode ist - chemisch betrachtet - für Batterien nicht eindeutig, sondern von der Lade-/Entladerichtung abhängig. Der Eindeutigkeit halber werden die Pole dennoch immer gleich bezeichnet - ordnen Sie die Begriffe nach dieser Konvention zu! 1 Pluspol 2 Minuspol
Kathode, Anode
7
Batterien und Kondensatoren können gleichermaßen als Speicherlement in elektrischen Gleichstromkreisen verwendet werden. Entscheidende Kenngröße beider Elemente ist die Kapazität, die über Q = C*U die Menge der gespeicherten Ladung bestimmbar macht.
Falsch
8
Wie groß müsste die Änderung der Gibbs-Energie bei der Wasserstoff-Sauerstoff Reaktion sein, damit in einer Brennstoffzelle eine zu Lithium-Ionen vergleichbare Zellspannung von 3,7V vorliegt?
- 714 kJ/mol
9
Welche der folgenden Aussagen sind richtig, wenn es in einer Zelle zu einem Kurzschluss kommt?
Die Spannung der Zelle beträgt 0V, Elektronen gelangen innerhalb der Zelle von Elektrode zu Elektrode, Elektronen und Ionen fließen von Anode zu Kathode, Ionen gelangen innerhalb der Zelle von Elektrode zu Elektrode
10
Ladungs- und Massenstransportphänomene bestimmen die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle. Mit steigender Stromdichte sind folgende Verlustterme dominant:
Aktivierungsverluste , Ohmsche Verluste , Konzentrationsverluste
11
Mit folgenden Maßnahmen lässt sich direkt die Austauschstromdichte erhöhen:
Temperaturerhöhung, Erhöhen der Konzentration der Reaktanden, Erhöhen der Anzahl der Reaktionsplätze, Senken der Aktivierungsbarriere durch Katalysatoren
12
An der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt bildet sich eine Doppelschicht aus. Während das Helmholtz-Modell ausschließlich von einer ....en Schicht ausgeht, nimmt das Gouy-Chapman Modell eine ... an. Stern vereinigt die beiden Ansätze, wodurch sich ein charakteristischer Potentialverlauf innerhalb der Doppelschicht ergibt: In der diffusen Schicht ist das Potential ... und in der starren ....
starr, diffus, nichtlinear, linear
13
Welche Aktivierungsüberspannung in mV ergibt sich unter der Verwendung einer geeigneten Näherung für hohe Überspannungen in einer PEM-Brennstoffzelle mit α = 0.56 bei einer Stromdichte die 15-mal größer ist als die Austauschstromdichte und einer Temperatur von 60°C?
69,4
14
Welche Aussagen über Feststoffelektrolyte treffen zu?
Ionenleitung erfolgt durch das Springen von Zwischengitteratomen, Ionenleitung erfolgt durch das Springen in Leerstellen
15
Am Punkt maximaler Leistung der Brennstoffzelle ist die Summe der internen Widerstände minimal.
Falsch
16
Ordnen Sie jedem Transportprozess die zugehörige Triebkraft zu. Konvektion Diffusion Leitung
Druckgradient, Konzentrationsgradient, Potentialgradient
17
Bei sehr hohen Strömen .... die Konzentration der Reaktanten am Katalysator. Dadurch entstehen zusätzliche Verluste, die als .... bezeichnet werden. Diese Verluste werden durch ein Absenken der .... anhand der Nernstgleichung und ein Anstieg der ..., beschrieben durch die Tafel Gleichung, verursacht.
sinkt, Konzentrationsverluste , Gleichgewichtsspannung, Aktivierungsüberspannung
18
Welcher Stoffmengenstrom Wasserstoff in mol/h wird benötigt, um aus einem aus 10 seriell verschalteten Elementen bestehenden PEM-Brennstoffzellen-Stack einen Strom von 10A zu beziehen? (Zur Vereinfachung werden alle Wirkungsgrade mit 1 angenommen)
1,866
19
Ziehen Sie die Begriffe auf die richtige Stelle im Bild.
H+, PEM, Kathode, GDL, e-, H2O, O2, Ruß, Pt
20
Die ionische Leitfähigkeit einer Nafion PEM unter mit Wasser gesättigter Atmosphäre ändert sich mit der Temperatur. Ordnen Sie die ungefähre Leitfähigkeit den entsprechenden Temperaturen zu. 80 °C 25 °C
0,25 S/cm, 0,14 S/cm
21
Folgende Teilchen bzw. Stoffe müssen zur Drei-Phasen-Grenze hin oder von dieser weg transportiert werden.
Protonen, gasförmige Reaktanden, Elektronen
22
Zur Bereistellung von elektrischer Energie in einem Wohnwagen soll eine PEM mit angeschlossener Batterie verwendet werden. Die Batterie wird jeden Tag für 4 Stunden mit 500W geladen, um den Ladezustand zu halten. Wie viel Wasserstoff (in kg) muss auf einem 2-wöchigen Trip mitgeführt werden? Nehmen Sie einen Stackwirkungsgrad von 55% an.
1,54
23
Welche Brennstoffzellentechnologie/n arbeitet/arbeiten mit einem flüssigen Brennstoff?
DMFC
24
Warum ist die Leistungsdichte der DMFC geringer als die der PEMFC?
Reaktionskinetik der Anode stärker limitiert, thermodynamisch bedingte geringere Ruhespannung, Spannungswirkungsgrad aufgrund von Crossover geringer
25
Die Brennstoffzellenreaktion einer SOFC ist eine Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion. Die Brennstoffzelle kann dennoch mit Erdgas (Methan) betrieben werden, indem das Methan in einem ersten Schritt reformiert wird. Warum funktioniert das?
Die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion ist exotherm und die Dampfreformierung endotherm.
26
Berechnen Sie die spezifische Energie (gravimetrische Energiedichte) in Wh/kg von Methanol in einer heterogenen Reaktion zu H2O und CO2 unter der Annahme, dass die Klemmenspannung bei 0,5 V liegt. (M = 32 g/mol, F = 96485 As/mol)
2513
27
Redox-Flow-Batterien...
sind in Leistung und Energie frei skalierbar, können nachgetankt werden, haben typischerweise Protonen als Austauschionen, speichern die Energie im Aktivmaterial, beruhen auf der umkehrbaren Umwandlung von chemischer in elektrische Energie, können in bipolarem Aufbau eingesetzt werden
28
Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer RFB entspricht der einer ... und die Spannungs-Ladungs-Kennlinie der einer ....
Brennstoffzelle, Batterie
29
Der Ladezustand einer Vanadium-RFB kann bestimmt werden durch
die Ruhespannung der RFB, die Farbe von Anolyt und Katholyt
30
Eine Vanadium-RFB befindet sich zunächst bei SOC 100 % und wird nun mit einem Strom von 1 A entladen. Welcher Wert (in V) stellt sich für die Klemmenspannung ein, wenn der Innenwiderstand der Zelle näherungsweise 250 Milliohm beträgt?
1,01
31
Bei Batterien und Kondensatoren werden häufig identische Bezeichnungen für unterschiedliche Größen Verwendet. Die Kapazität eines Kondensators wird in der Einheit ... angegeben und lässt sich mithilfe der Formel ... berechnen. Der Energieinhalt eines idealen Kondensators lässt sich mithilfe der Formel ... bestimmen. Die Kapazität einer Batterie wird in der Einheit ... angegeben und lässt sich bei konstanter Entladung mithilfe der Formel ... berechnen. Der Energieinhalt einer idealen Batterie lässt sich mithilfe der Formel ... bestimmen.
1 F, C = Q/U, E = 1/2 * C* U^2, 1 As, I * t(ela), E = C * U
32
Worüber lassen sich mithilfe eines Ragone-Diagramms Aussagen treffen?
Leistungs- und Energiedichte verschiedener Energiespeichertechnologien
33
Warum ist die reale spezifische Energie einer Batteriezelle niedriger als die theoretisch berechnete?
Verluste beim Entladen reduzieren die entnehmbare Energiemenge, Separator, Elektrolyt, Stromableiter, Gehäuse und weitere inaktive Zellbestandteile werden benötigt, Überdimensionierung der Anode führt zu ungenutztem Aktivmaterial in der Zelle
34
Wie groß muss der Entladestrom in Ampere sein, wenn eine Zelle mit 6000 mAh mit einer Stromrate von 0,2C entladen werden soll?
1,2
35
Metallisches Lithium besitzt eine außerordentlich hohe ..., kritisch sind dagegen ... und ... . Letztgenanntes hat Lithium mit Silizium gemeinsam. LTO ist im Gegensatz dazu sehr ..., ist im Vergleich zu anderen Materialien aber .... Die Zellspannung ... im Vergleich zu allen anderen Materialien erheblich. Graphit besitzt in allen Eigenschaften gute bis mittelmäßige Werte. Die ... sind beim Graphit im Vergleich am vorteilhaftesten.
Energiedichte, Sicherheit, Zyklenstabilität, sicher, teuer, sinkt, Kosten
36
Welche der folgenden Stoffe werden typischerweise als Lösungsmittel im Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien verwendet?
DMC, PC, EMC, EA, EC
37
Ordnen Sie die Kathodenmaterialien absteigend nach ihrer spezifischen Kapazität!
Li(Ni,Co)O2, LiCoO2, LiFePO4, LiMn2O4
38
Eine Batteriezelle wird aus zwei Elektroden assembliert. Das Material der negativen Elektrode (Anode) hat eine spezifische Kapazität von 100 mAh/g, das der positiven Elektrode (Kathode) von 80 mAh/g. Von beiden Aktivmaterialien werden je 50 g in die Zelle eingebracht. Es wird angenommen, dass beide Aktivmaterialien zu 100% an der Lade-/Entladereaktion teilnehmen. Welche verfügbare Kapazität (in Ah) hat die Vollzelle?
4
39
Bleibatterien weisen im Vergleich mit Lithium-Ionen-Batterien eine geringere ... und ... auf. Letztere ist jedoch für die Anwendung als Starterbatterie ausreichend, während der Energieinhalt eine untergeordnete Rolle spielt. Die deutlich geringeren ... sowie hohe ... hingegen bedeuten für dieses Einsatzgebiet einen deutlichen Vorteil der Bleibatterie.
spezifische Kapazität , spezifische Leistung , Kosten pro kWh, Sicherheit
40
Anode und Kathode eines Bleiakkumulators sind ...
Konversionselektroden
41
Die Grundreaktionen des Bleiakkumulators lassen sich durch folgende Aussagen und Mechanismen beschreiben:
Schwefelsäure ist Teil der Aktivmaterialien, Doppel-Sulfat-Theorie, Lösung und Niederschlag
42
Was sind typische Alterungsmechanismen von verschlossenen Blei-Akkumulatoren?
Belastung der Elektrodenstruktur durch Volumenänderung, Sulfatierung, Korrosion des positiven Gitters
43
Das Peukert-Gesetz beschreibt...
die überproportionale Abnahme der Entladedauer mit zunehmendem Strom
44
Bei geschlossenen Batterien nimmt das Elektrolytvolumen mit der Zeit ab, sodass dieser als Wartung regelmäßig aufgefüllt werden muss. Das möglicherweise von der Starterbatterie des Autos bekannte Nachfüllen von destilliertem Wasser sollte jedoch besser mit verdünnter Schwefelsäure erfolgen, um die ursprüngliche Säurekonzentration beizubehalten.
Falsch
45
In welchem Bereich liegt der Bandabstand, wenn von einem Halbleiter die Rede ist? [... eV] < Eg < [... eV]
0,1, 3
46
Ordnen Sie die folgenden Aussagen korrekt zu. Im Sommer nimmt der Anteil der direkten Strahlung deutlich zu und ist im Durchschnitt .... Im Sommer ist der Anteil der Diffusstrahlung an der Globalstrahlung ....
kleiner als der der Diffusstrahlung, niedriger als im Winter
47
Sie wollen kristallinies Silizium n-dotieren. Welche der folgenden Elemente sind als Dotierstoff geeignet?
Phosphor, Antimon, Arsen
48
Wieviel Leistung entsteht im Inneren der Sonne durch Kernfusion? Verwenden Sie ausschließlich Informationen aus der Vorlesung und geben Sie die Antwort in Exawatt an!
360000000
49
Ordnen Sie die folgenden Halbleitermaterialien absteigend nach ihrem theoretischen maximalen Wirkungsgrad in nicht-konzentrierten Systemen!
InP, Si, AlSb, Ge, Cu2O
50
Unter sonst gleichen Bedingungen führt eine Erhöhung der auf ein PV-Modul einfallenden Strahlungsleistung zu...
einer Erhöhung der Leistung im MPP, einer Erhöhung des Kurzschlussstroms, einer Erhöhung der Leerlaufspannung
51
Unter sonst gleichen Bedingungen führt eine Erhöhung der Temperatur einer Solarzelle zu...
einer Reduktion der Leerlaufspannung, einer Reduktion der Leistung im MPP, einer Erhöhung des Kurzschlussstroms
52
Der Neigungswinkel senkrecht zum mittleren mitttäglichen Sonnenstand führt zu einem maximalen jährlichen Energieertrag der PV Anlage. Dieser Neigungswinkel entspricht dem geographischen Breitengrad des Standorts.
Falsch