Energieträger / Power to Gas / Graphen

Energieträger / Power to Gas

Die Energiewende ist nicht nur deutschlandweit ein großes Thema und die Energieversorgung und Energiespeicherung stellen eine der zentralen Herausforderungen besonders für die nachfolgenden Generationen dar.

 

Grundsätzlich spielt es eine zentrale Rolle, welche Energieträger im künftigen Energiesystem unter nachhaltigen Aspekten weiter ausgebaut werden und eine tragende Säule darstellen können.

 

So werden in diesem Workshop verschiedene Energieträger (Wasserstoff, Methan, Feuerzeuggas) hinsichtlich ihrer Verbrennungsenthalpien vergleichend untersucht.

 

Das Power-to-Gas Projekt bietet einen Ansatzpunkt, eine nachhaltige Energieversorgung mit erneuerbaren Energien zu verfolgen. Dabei werden regenerative Energien (z. B. Windenergie, Solarenergie) zur Elektrolyse von Wasser genutzt. Dieser regenerativ erzeugte Wasserstoff wird in einem nächsten Schritt unter speziellen Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur, Katalysator) mit Kohlenstoffdioxid zur Reaktion gebracht und letztlich daraus Methan erzeugt.

 

Abb: Das „Power to Gas“ Konzept. (Sterner. M., Specht, M.)

 

 

So wertvoll und erfreulich die Produktion von Methan auf diesem Wege erscheint, ist es naheliegend, den Vergleich der Energieträger Wasserstoff und Methan hinsichtlich der Energieeffizienz und weiterer Aspekte (Sicherheit, Speicherkapazitäten, Einsatzgebiete, etc.) in den Blick zu nehmen.

 

Als Erweiterung dieser vergleichenden Betrachtungen wurde Feuerzeuggas, als relevantes Alltagsprodukt und als Vertreter der Kohlenwasserstoffe als Energieträger hinzugenommen. Mit diesen drei Energieträgern (Wasserstoff, Methan und Feuerzeuggas) werden im ersten Teil des Workshops vergleichende Untersuchungen vorgenommen.

 

 

Abb: Verbrennungsenthalpien von Wasserstoff und Methan  (Th. Grofe, I. Rubner)

 

 

Im weiteren Verlauf lernen die Schülerinnen und Schüler die Methanisierungsreaktion theoretisch und praktisch kennen, die eine zentrale Basis des „Power to Gas“- Konzepts darstellt. Sie stellen im Labor aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid reines Methan her, den Hauptbestandteil des Erdgases. Zudem lernen Sie verschiedene Möglichkeiten kennen, die Reaktionsprodukte zu identifizieren bzw. diese zu unterscheiden.

 

Abb: Methanisierung als Schülerexperiment (Th. Grofe, I. Rubner)


Die aktuelle Generation sollte frühzeitig mit diesen Themen in Kontakt kommen, da sie diejenigen sind, die hierzu aktiv werden müssen.

Graphen - das „Wundermaterial“ des 21. Jahrhunderts

Graphen, die zweidimensionale Modifikation des Kohlenstoffs, hat seit seiner erstmaligen Charakterisierung im Jahr 2001 aufgrund vieler einzigartiger Eigenschaften wie z. B. eine deutlich höhere elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu Kupfer, viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Graphen hat eine extrem hohe chemische und mechanische Stabilität und zudem eine wasserabweisende Oberfläche, weshalb Graphen nicht nur als zukünftiger „Star“ der Elektrochemie gehandelt wird, sondern auch ein sehr vielversprechendes Öl-Adsorptionsmittel darstellt.


Abb.: Graphen – die zweidimensionale Modifikation des Kohlenstoffs

Im Workshop wird Graphen mit schulrelevanten Experimenten synthetisiert. Außerdem werden anhand faszinierender Experimente die sich verändernden Stoffeigenschaften des Graphenoxids bzw. des Graphens während des Synthesewegs betrachtet und das selbst hergestellte Graphen näher charakterisiert.

Darüber hinaus werden Anwendungen von Graphen vorgestellt. Dazu zählen verschiedene Experimente rund um das Thema der Umweltverschmutzungen (Entfernen von Rohöl von einer Wasseroberfläche; Filtern von Farbstoffen aus Gewässern), welches einen großen Bestandteil des Naturwissenschaftlichen Unterrichts darstellt.

 

Abb.: Die superhydrophobe (wasserabweisende) Eigenschaft eines Graphen-Schwamms

 


Abb.: Über Adsorption kann Öl an einen Graphen-Schwamm gebunden und von einer Wasseroberfläche entfernt werden. Aufgrund der wasserabweisenden Eigenschaft von Graphen wird kein Wasser mit eingesaugt.